一种微机电系统红外探测器及其制作方法与流程

本发明涉及一种红外探测器及其制作方法，具体设计一种等离子体压电谐振式微机电系统红外探测器及其制作方法，属于微机电系统红外探测器的
技术领域：
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背景技术：
：红外探测技术由于具有环境适应性强、隐蔽性好、识别能力强、体积较小、重量轻、功耗低、光谱响应范围宽等优点，在非接触测温、医学检测、夜视等领域均有应用。在种类繁多的红外探测器中，非制冷的热探测器由于可在常温下工作，无需庞大且昂贵的制冷设备而备受人们青睐。热探测器按照工作原理大致可以分为热敏电阻红外探测器、热电堆红外探测器、热释电红外探测器以及谐振式红外探测器。其中谐振式红外探测器利用频率偏移感应机理实现红外探测，具有对外界电磁干扰敏感度低、抗干扰能力强、噪声低等优点。然而，相比于制冷型光子探测器，谐振式红外探测器的响应速度和灵敏度较低。受益于微机电系统(mems)技术的崛起，谐振式红外探测器获得了飞速发展。但是，其红外探测率及响应率等关键性能还有待提升。此外，现有的微机电系统红外探测器对于不同频率的光具有吸收率不同，在特定环境需求下，容易造成画面失真。技术实现要素：为解决上述技术问题中的一个或者多个，本发明提供一种新型的微机电系统红外探测器及其制作方法。一方面，本申请提供一种微机电系统红外探测器，包括用于输入和输出频率信号并配置至少二电极的叉指电极结构；用于产生频率信号并位于叉指电极结构上层的压电振动结构；及用于实现对红外辐射超高吸收并位于压电振动结构上层的等离子超表面结构；叉指电极结构材料选自金薄膜，压电振动结构材料选自氮化铝，等离子体超表面结构材料选自金薄膜。本申请叉指电极结构材料选自金薄膜，压电振动结构材料选自氮化铝，等离子体超表面结构材料选自金薄膜。本申请采用了金薄膜制成的等离子体超表面结构3，在器件的顶部金属电极内图案化一系列亚波长结构。在顶部金属层中对这种等离子体纳米结构进行适当的图案化使得整个器件成为光谱选择性和与偏振无关的红外线超薄吸收体，显著增强了ain电介质内的电磁场浓度，在长波8-12μm红外区有显著的红外吸收性能。本申请采用氮化铝压电谐振式mems红外探测器，集成电路(ic)工艺兼容性方面的巨大优势，具有优异的红外吸收性能、电学性能以及热学性能，能够实现对长波红外光的超高吸收，可实现高速高灵敏的红外探测，避免了传统红外探测器中存在的缺点。通过调整等离子超表面结构3的光栅的几何参数可以有效地控制等离子超表面结构3的透射光谱。在一些实施方式中，叉指电极结构为方形振子梳齿电极结构，其宽度wa与等离子体超表面结构光栅宽度wb之间的关系为wb＝wa 0.6μm。在一些实施方式中，叉指电极结构为方形振子梳齿电极结构，方形振子梳齿电极结构的电极宽度wa为2.6μm，等离子体超表面结构光栅宽度为2μm。在一些实施方式中，叉指电极结构的周期为3μm～4.6μm。在一些实施方式中，压电振动结构aln厚度为150nm。另一方面，本申请提供一种微机电系统红外探测器的制作方法，包括如下步骤：步骤1、在高阻硅衬底上沉积金薄膜，刻蚀制作叉指电极结构，步骤2、在叉指电极结构顶部沉积aln薄膜，刻蚀aln薄膜制作压电振动结构，步骤3、在压电振动结构上表面沉积金薄膜制作等离子体超表面结构，步骤4、刻蚀叉指电极结构下方的高阻硅衬底以完全释放器件。步骤1中沉积金薄膜利用溅射沉积工艺，金薄膜厚度为2.6μm，刻蚀制作叉指电极结构采用金属剥离工艺形成叉指电极结构。步骤2中利用溅射沉积超薄aln薄膜，aln薄膜厚度为150nm，并在磷酸中湿法刻蚀以打开通孔进入叉指电极结构，通过使用光致抗蚀剂作为掩膜干法刻蚀确定压电振动结构的形状。步骤3中利用电子束沉积金薄膜，金薄膜的厚度为2μm，再通过剥离工艺图案画等离子体超表面结构。步骤4中利用二氟化氙刻蚀叉指电极结构下方的高阻硅衬底以完全释放器件附图说明为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。图1为本发明提供的一种实施方式的一种微机电系统红外探测器的制作方法的步骤1处理后的结构示意图；图2为本发明提供的一种实施方式的一种微机电系统红外探测器的制作方法的步骤2处理中的结构示意图；图3为本发明提供的一种实施方式的一种微机电系统红外探测器的制作方法的步骤3处理中的结构示意图；图4为本发明提供的一种实施方式的一种微机电系统红外探测器的制作方法的步骤4处理中的结构示意图；图5为本发明提供的一种实施方式的一种微机电系统红外探测器的结构示意图；图6为本发明提供的一种实施方式的一种微机电系统红外探测器的不同叉指电极结构宽度的器件红外吸收谱仿真示意图；图7为本发明提供的一种实施方式的一种微机电系统红外探测器的在特定叉指电极结构宽度的器件在吸收率峰值处电场分布仿真示意图；图8为本发明提供的一种实施方式的一种微机电系统红外探测器的不同光栅宽度的器件红外吸收谱仿真示意图；图9为本发明提供的一种实施方式的一种微机电系统红外探测器的不同氮化铝厚度的器件红外吸收谱仿真示意图；图10为本发明提供的一种实施方式的一种微机电系统红外探测器的不同叉指电极结构周期的器件导纳图；图11为本发明提供的一种实施方式的一种微机电系统红外探测器的不同支撑轴宽度的器件热响应性能仿真示意图。具体实施方式下面将结合本发明实施例中的附图，对发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。本申请提供一种mems红外探测器的结构，包括用于输入和输出频率信号并配置至少二电极4的叉指电极结构1；用于产生频率信号并位于叉指电极结构1上层的压电振动结构2；及用于实现对红外辐射超高吸收并位于压电振动结构2上层的等离子超表面结构3；本申请叉指电极结构1材料选自金薄膜，压电振动结构材料选自氮化铝，等离子体超表面结构材料选自金薄膜。本申请采用了金薄膜制成的等离子体超表面结构3，在器件的顶部金属电极内图案化一系列亚波长结构。在顶部金属层中对这种等离子体纳米结构进行适当的图案化使得整个器件成为光谱选择性和与偏振无关的红外线超薄吸收体，显著增强了ain电介质内的电磁场浓度，在长波8-12μm红外区有显著的红外吸收性能。本申请采用氮化铝压电谐振式mems红外探测器，集成电路(ic)工艺兼容性方面的巨大优势，具有优异的红外吸收性能、电学性能以及热学性能，能够实现对长波红外光的超高吸收，可实现高速高灵敏的红外探测，避免了传统红外探测器中存在的缺点。通过调整等离子超表面结构3的光栅的几何参数可以有效地控制等离子超表面结构3的透射光谱。在本申请提供的各种实施方式的微机电系统红外探测器，优选，叉指电极结构1方形振子梳齿电极结构，其宽度wa与等离子体超表面结构3光栅宽度wb之间的关系为wb＝wa 0.6μm。本设计所提出的mems红外探测器的红外吸收性能直接影响其红外探测性能，主要由器件的结构尺寸参数所决定，如光栅宽度wa、叉指电极结构宽度wb、氮化铝的厚度taln等。通过使用comsolmultiphysicsv4.3a软件，系统地研究了所提出的mems红外探测器，以优化其红外吸收性能。首先，研究叉指电极结构宽度wb对器件红外吸收性能的影响。金薄膜的厚度设为50nm，该厚度大于入射红外线的趋肤深度。其它参数设置为：wa＝1.8μm；taln＝200nm；周期p＝2.8μm。如图6所示，当wb从1.8μm增加至2.4μm时，最大吸收率从0.49提升至最高值0.82。当wb进一步增加时，最大吸收率将缓慢下降。该器件的红外吸收性能主要受局域表面等离子(lsp)谐振和法布里-珀罗(fp)谐振的共同影响。如图7所示当wb从1.8μm增加至2.4μm时，经由fp谐振腔及叉指电极结构边缘透射进入空气的红外线逐渐减小，lsp和fp谐振强度进一步提升，使得最大吸收率达到极大值。随着wb进一步增加，fp谐振和光栅产生的lsp谐振强度几乎保持不变，叉指电极结构产生的lsp谐振强度逐渐减弱，因而导致吸收率略微下降。因此，底部叉指电极结构比表面光栅宽0.6μm时，器件的红外吸收性能最优。在本发明提供的一种微机电系统红外探测器的各种实施例中，优选，叉指电极结构1为方形振子梳齿电极结构，方形振子梳齿电极结构的电极宽度wa为2.6μm，等离子体超表面结构3光栅宽度为2μm基于上述分析，进一步研究表面光栅宽度wa对器件红外吸收性能的影响，参数设置如下：wb＝wa 0.6μm；wa＝1.6～2.4μm；taln＝200nm。如图8所示，随着wa增加，红外吸收谱将产生红移，但是对吸收率影响甚微。从结果分析可知：wa主要决定lsp和fp的谐振频率，对两者的谐振强度影响较小，且本文设计的探测器为热探测器件，红外探测波长为8～12μm。因而可以通过调节wa实现对特定波长红外线的超高吸收。综上所述，光栅宽度wa设定为2.0μm，wb设定为2.6μm，器件的红外吸收性能最优。在本申请提供的一种微机电系统红外探测器的各种实施例中，优选，压电振动结构aln厚度为150nm。氮化铝厚度taln主要影响fp谐振强度，对器件红外吸收性能的影响如图9所示。从仿真结果可知，taln为150nm时，吸收率达到最大值0.91，此时fp谐振强度达到最强。相比于传统的在微机电系统红外探测器，在顶部设置该参数限定的长条形亚波长阵列，可以使aln在共振频率下与入射光有效地耦合，更有利于增强8μm到12μm波段的长波红外光的透射性能。吸收带宽相对于抗反射涂层更小。在本申请提供的一种微机电系统红外探测器的各种实施例中，优选，叉指电极结构周期为在3μm至4.6μm。本申请所提出的mems红外探测器通过叉指电极结构输入/输出电学信号，器件工作于lame振动模态。在综合考虑器件结构尺寸对红外吸收性能影响的基础上，其电学性能主要受叉指电极结构周期p的影响。通过使用comsolmultiphysicsv4.3a软件，系统地研究了所提出的mems红外探测器，以优化其电学性能。如表1及图10所示，器件振动频率f0随p的增加呈下降趋势，p在3μm至4.6μm范围内，f0达到849mhz以上，有益于实现器件的高灵敏红外探测。此外，增加p将产生下述影响：输入/输出端口间的静态电容减小，使得串扰噪声降低，进而提升谐振峰值及keff2；本征机电耦合系数k2降低，导致谐振峰值及keff2衰减。谐振峰值是峰值处导纳与背景信号的导纳之间的差值，q值表示谐振峰的锐利程度，一般，谐振峰值越高，谐振器的q值也越高。在这两种效应共同作用下，p＝3.8μm时，谐振峰值及keff2达到最优值，有利于实现高品质因数q。表1p(μm)33.43.84.24.6f0(mhz)980.7947.74918.51886.61849.98谐振峰值(db)04.017.69.71.0本申请所设计的等离子压电谐振式mems红外探测器属于热探测器件，受到红外辐射时温度上升，引起振动频率偏移，实现红外探测。器件的频率温度系数tcf是影响其红外探测灵敏度的重要参数，主要由氮化铝的刚度矩阵温度系数以及热膨胀系数a所决定，如公式1所示tcf＝tsc-a其中，tsc为弹性刚度温度矩阵系数所引起的频率温度系数，热膨胀系数a为4.15ppm/k。基于氮化铝的刚度矩阵系数及其温度系数，利用comsol有限元软件仿真得到刚度矩阵温度系数所引起的器件频率温度曲线，如图11所示。从结果可知，tsc为-18.38ppm/k，根据公式1可推导得到器件的tcf为-22.53ppm/k，且具有良好的线性度。本发明提供的一种微机电系统红外探测器，采用金属-绝缘体-金属结构的红外吸收器，取代传统的微机电系统红外探测器，选用金薄膜作为底部叉指电极结构，实现频率信号的输入和输出，aln作为压电振动结构，用于产生频率信号，金膜制成的等离子体超表面结构能够实现对红外辐射的超高吸收，增强红外透射。另一方面，本申请提供一种微机电系统红外探测器的制作方法，包括如下步骤：步骤1、在高阻硅衬底5上沉积金薄膜，刻蚀制作叉指电极结构1及至少二电极4，步骤2、在叉指电极结构顶部沉积aln薄膜，刻蚀aln薄膜制作压电振动结构2，步骤3、在压电振动结构2上表面沉积金薄膜制作等离子体超表面结构3，步骤4、刻蚀叉指电极结构1下方的高阻硅衬底5以完全释放器件。本申请提供一种微机电系统红外探测器的制作方法的各种实施例中，优选，步骤1中沉积金薄膜利用溅射沉积工艺，金薄膜厚度为2.6μm，刻蚀制作叉指电极结构1采用金属剥离工艺形成叉指电极结构1在本申请提供一种微机电系统红外探测器的制作方法的各种实施例中，优选，步骤2中利用溅射沉积超薄aln薄膜，aln薄膜厚度为150nm，并在磷酸h3po4中湿法刻蚀以打开通孔进入叉指电极结构，通过使用光致抗蚀剂作为掩膜干法刻蚀确定压电振动结构2的形状。在本申请提供一种微机电系统红外探测器的制作方法的各种实施例中，优选，步骤3中利用电子束沉积金薄膜，金薄膜的厚度为2μm，再通过剥离工艺图案画等离子体超表面结构3。在本申请提供一种微机电系统红外探测器的制作方法的各种实施例中，优选，步骤4中利用二氟化氙xef2刻蚀叉指电极结构1下方的高阻硅衬底5以完全释放器件。在本申请提供一种微机电系统红外探测器的制作方法的各种实施例中，优选，等离子体超表面结构3为长条形亚波长光栅阵列，光栅宽度约为1.8μm，周期约为3.8μm至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本申请有了清楚的认识。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属
技术领域：
中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式。还需要说明的是，本文可提供包含特定值的参数的示范，但这些参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本申请的保护范围。此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。以上所述的具体实施例，对本申请的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本申请的具体实施例而已，并不用于限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。当前第1页1 2 3