一種非制冷紅外探測器及其制作方法與流程
1.本發明涉及傳感器技術領域，尤其涉及一種非制冷紅外探測器及非制冷紅外探測器的制作方法。
背景技術：
2.非制冷紅外探測器可用于溫度測量與熱成像，由傳感器和讀出電路兩部分組成。為實現傳感器和讀出電路的單片集成，現有技術中，如公開號為cn 103076099 b、cn 109216534 a和cn 113677618 a的專利文件中公開的技術方案，均是通過在電路芯片上制造傳感器實現，該類方法需要在集成電路工藝之后開發成套傳感器工藝，同時在制造傳感器時還需要考慮工藝對電路的兼容性；而公開號為cn 102214662 b的現有技術，通過在電路芯片背面制作傳感器，利用硅通孔實現電路與傳感器的連接，該方法雖然電路與傳感器的位置關系與前述現有技術不同，但同樣需要在集成電路工藝之后開發成套傳感器工藝；另外，公開號為cn 103342332 a的現有技術，是將cmos工藝進行組合，設計了一套可實現片內熱電堆傳感器與讀出電路集成的工藝方案，該方案雖可將傳感器與讀出電路同步制作，但一方面，整套工藝為熱電堆紅外探測器專用，不具普適性；另一方面，整套工藝為定制開發，工藝復雜，且只包含n阱、多晶硅、n/pmos、金屬等簡單電路單元，不能滿足復雜電路處理的需求，同時傳感器通過不同層的金屬作為與電路的連接或傳感器的最頂層，將導致傳感器熱導大、吸收率低，從而影響探測器響應率。
技術實現要素：
3.本發明提供了一種非制冷紅外探測器及非制冷紅外探測器的制作方法，解決相關技術中存在的探測器響應率低的問題。
4.作為本發明的第一個方面，提供一種非制冷紅外探測器的制作方法，其中，包括：提供晶圓襯底；根據數模混合集成電路標準工藝在所述晶圓襯底上分別制作讀出電路和部分傳感器結構，以及根據mems工藝在部分傳感器結構基礎上完成傳感器的制作；其中，根據數模混合集成電路標準工藝在所述晶圓襯底上制作部分傳感器結構，包括：根據數模混合集成電路標準工藝在所述晶圓襯底上制作敏感元件、導線和自對準金屬圖形，所述敏感元件和所述導線位于所述晶圓襯底上的同一層或不同層，所述自對準金屬圖形位于所述敏感元件和所述導線所在層的上方，所述導線環繞所述敏感元件設置；根據mems工藝在部分傳感器結構基礎上完成傳感器的制作，包括：對所述自對準金屬圖形進行處理得到支撐梁和吸收區，其中所述支撐梁包圍所述導線，所述吸收區包圍所述敏感元件；對所述吸收區進行加工處理，得到吸收層和位于所述吸收層上的吸收結構，其中所述吸收層包圍所述敏感元件；
對所述晶圓襯底進行處理形成空腔，所述空腔位于所述吸收區和支撐梁的下方；其中，所述吸收區、被所述吸收區包圍的所述敏感元件、支撐梁、被所述支撐梁包圍的所述導線和所述空腔形成所述傳感器的像元。
5.進一步地，所述數模混合集成電路標準工藝為i層多晶硅j層金屬工藝，其中i為大于或者等于1的自然數， j為大于或者等于2的自然數。
6.進一步地，根據數模混合集成電路標準工藝在所述晶圓襯底上制作敏感元件、導線和自對準金屬圖形，包括：對i層多晶硅中的至少一層多晶硅進行光刻和刻蝕形成導線；將具有溫敏特性的標準元器件通過單個元件或多個元件串并聯的方式形成敏感元件；對j層金屬中的至少第二層以上的金屬通過光刻和刻蝕形成自對準金屬圖形。
7.進一步地，對所述自對準金屬圖形進行處理得到支撐梁和吸收區，包括：對制作得到的具有讀出電路以及傳感器的所述晶圓襯底進行介質刻蝕，將所述自對準金屬圖形轉移到其下方的介質層上，以形成支撐梁和吸收區。
8.進一步地，對所述吸收區進行加工處理，得到吸收層和位于所述吸收層上的吸收結構，包括：對制作得到的具有讀出電路以及傳感器的所述晶圓襯底進行光刻，并以光刻膠圖形作為掩蔽層對所述介質層進行深度可控刻蝕，其中非刻蝕區域形成為吸收層，刻蝕區域形成吸收結構。
9.進一步地，對所述晶圓襯底進行處理形成空腔，包括：根據mems工藝對所述晶圓襯底進行正面各向同性或各向異性硅刻蝕；或者，根據mems工藝對所述晶圓襯底進行背面各向同性或各向異性硅刻蝕。
10.進一步地，根據數模混合集成電路標準工藝在所述晶圓襯底上制作讀出電路，包括：根據所述數模混合集成電路標準工藝搭建電阻、電容、二極管和開關管，以形成測溫電路、選擇電路、放大電路、采樣保持電路、數模轉換電路、時序控制電路、偏置電路、校準電路和存儲電路。
11.進一步地，所述吸收結構包括所述數模混合集成電路標準工藝中的絕緣介質經mems工藝圖形化后的周期性立體結構，所述吸收層包括所述數模混合集成電路標準工藝中的絕緣介質。
12.進一步地，所述敏感元件包括所述數模混合集成電路標準工藝中的多晶硅電阻、金屬電阻、二極管和電容中的任意一種；所述導線包括所述數模混合集成電路標準工藝中的多晶硅電阻；所述自對準金屬圖形包括所述數模混合集成電路標準工藝中的金屬。
13.作為本發明的另一個方面，提供一種非制冷紅外探測器，根據前文所述的非制冷紅外探測器的制作方法制作得到，其中，所述非制冷紅外探測器包括：位于同一晶圓襯底上的傳感器和讀出電路，所述讀出電路環繞所述傳感器設置，所述傳感器包括多個像元，且多個像元按照m行
×
n列的陣列均勻排布，其中m和n均為大于或者等于1的自然數；每個所述像元均包括：懸空設置的吸收區和支撐梁，所述支撐梁環繞所述吸收區
設置，所述吸收區和所述支撐梁的下方均為形成在所述晶圓襯底上的空腔，所述吸收區包括吸收層和位于所述吸收層上的吸收結構，所述吸收層內嵌入設置敏感元件，所述支撐梁內嵌入設置導線，所述導線用于連接所述讀出電路和所述敏感元件。
14.本發明提供的非制冷紅外探測器的制作方法，基于數模混合集成電路標準工藝制作讀出電路以及傳感器像元部分結構以及結構上的臨時性的自對準金屬圖形，再利用mems工藝通過臨時性的自對準金屬圖形完成傳感器像元結構制作，進一步地通過mems工藝優化傳感器的吸收區。最終，使得制作的非制冷紅外探測器，單片內既擁有數模混合集成電路，又簡化了mems工藝，利用極少的mems工藝可實現優化的傳感器，從讀出電路和傳感器兩方面提升了探測器性能。
附圖說明
15.附圖是用來提供對本發明的進一步理解，并且構成說明書的一部分，與下面的具體實施方式一起用于解釋本發明，但并不構成對本發明的限制。在附圖中：圖1為本發明提供的非制冷紅外探測器的制作方法的流程圖。
16.圖2為本發明提供的在晶圓襯底上制作敏感元件、導線和自對準金屬圖形的示意圖。
17.圖3為本發明提供的制作支撐梁和吸收區后的示意圖。
18.圖4為本發明提供的制作吸收層和吸收結構后的示意圖。
19.圖5為本發明提供的形成空腔的示意圖。
20.圖6為本發明提供的非制冷紅外探測器的結構示意圖。
具體實施方式
21.需要說明的是，在不沖突的情況下，本發明中的實施例及實施例中的特征可以相互結合。下面將參考附圖并結合實施例來詳細說明本發明。
22.為了使本領域技術人員更好地理解本發明方案，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分的實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都應當屬于本發明保護的范圍。
23.需要說明的是，本發明的說明書和權利要求書及上述附圖中的術語“第一”、“第二”等是用于區別類似的對象，而不必用于描述特定的順序或先后次序。應該理解這樣使用的數據在適當情況下可以互換，以便這里描述的本發明的實施例。此外，術語“包括”和“具有”以及他們的任何變形，意圖在于覆蓋不排他的包括，例如，包含了一系列步驟或單元的過程、方法、系統、產品或設備不必限于清楚地列出的那些步驟或單元，而是可包括沒有清楚地列出的或對于這些過程、方法、產品或設備固有的其它步驟或單元。
24.在本實施例中提供了一種非制冷紅外探測器的制作方法，圖1是根據本發明實施例提供的非制冷紅外探測器的制作方法的流程圖，如圖1所示，包括：s100、提供晶圓襯底；在本發明實施例中，如圖晶圓襯底具體可以為硅或soi形成的襯底。
25.s200、根據數模混合集成電路標準工藝在所述晶圓襯底上分別制作讀出電路和部分傳感器結構，以及根據mems工藝在部分傳感器結構基礎上完成傳感器的制作；在本發明實施例中，所述數模混合集成電路標準工藝為i層多晶硅j層金屬工藝，其中i為大于或者等于1的自然數， j為大于或者等于2的自然數。
26.應當理解的是，所述數模混合集成電路標準工藝具有電阻、電容、二極管、mos管等標準元器件。
27.其中，根據數模混合集成電路標準工藝在所述晶圓襯底上制作部分傳感器結構，如圖2所示，包括：s210、根據數模混合集成電路標準工藝在所述晶圓襯底上制作敏感元件1013、導線1014和自對準金屬圖形1016，所述敏感元件1013和所述導線1014均位于所述晶圓襯底上的同一層，所述自對準金屬圖形1016位于所述敏感元件1013和所述導線1014所在層的上方，所述導線1014環繞所述敏感元件1013設置；具體地，根據數模混合集成電路標準工藝在所述晶圓襯底上制作敏感元件、導線和自對準金屬圖形，包括：對i層多晶硅中的至少一層多晶硅進行光刻和刻蝕形成導線；將具有溫敏特性的標準元器件通過單個元件或多個元件串并聯的方式形成敏感元件；對j層金屬中的至少第二層以上的金屬通過光刻和刻蝕形成自對準金屬圖形。
28.根據mems工藝在部分傳感器結構基礎上完成傳感器的制作，如圖3至圖5所示，包括：s220、對所述自對準金屬圖形1016進行處理得到支撐梁1012和吸收區1011，其中所述支撐梁1012包圍所述導線1014，所述吸收區1011包圍所述敏感元件1013；在本發明實施例中，具體可以包括：對制作得到的具有讀出電路以及傳感器的所述晶圓襯底進行介質刻蝕，將所述自對準金屬圖形轉移到其下方的介質層上，以形成支撐梁和吸收區。
29.應當理解的是，即在前文所述的通過數模混合集成電路標準工藝制作得到的具有讀出電路和傳感器的晶圓襯底上進行介質刻蝕，將自對準金屬圖形轉移到其下方的介質層上，從而形成氧化硅、氮化硅，或兩種材料組合的支撐梁以及吸收區。
30.s230、對所述吸收區1011進行加工處理，得到吸收層10112和位于所述吸收層10112上的吸收結構10111，其中所述吸收層10112包圍所述敏感元件1013；在本發明實施例中，具體可以包括：對制作得到的具有讀出電路以及傳感器的所述晶圓襯底進行光刻，并以光刻膠圖形作為掩蔽層對所述介質層進行深度可控刻蝕，其中非刻蝕區域形成為吸收層，刻蝕區域形成吸收結構。
31.應當理解的是，即在前文所述的通過數模混合集成電路標準工藝制作得到的具有讀出電路和傳感器的晶圓襯底上進行光刻，并以光刻膠圖形作為掩蔽層對介質進行深度可控刻蝕，非刻蝕區域為吸收層，刻蝕區域形成吸收結構，該結構為周期性立體結構包括：圓柱、梯形圓柱、圓錐等。
32.s240、對所述晶圓襯底進行處理形成空腔1015，所述空腔1015位于所述吸收區
1011和支撐梁1012的下方；在本發明實施例中，具體可以包括：根據mems工藝對所述晶圓襯底進行正面各向同性或各向異性硅刻蝕；或者，根據mems工藝對所述晶圓襯底進行背面各向同性或各向異性硅刻蝕。
33.其中，所述吸收區1011、被所述吸收區1011包圍的所述敏感元件1013、支撐梁1012、被所述支撐梁1012包圍的所述導線1014和所述空腔1015形成所述傳感器10的像元101。
34.本發明實施例提供的非制冷紅外探測器的制作方法，基于數模混合集成電路標準工藝制作讀出電路以及傳感器像元部分結構以及結構上的臨時性的自對準金屬圖形，再利用mems工藝通過臨時性的自對準金屬圖形完成傳感器像元結構制作，進一步地通過mems工藝優化傳感器的吸收區。最終，使得制作的非制冷紅外探測器，單片內既擁有數模混合集成電路，又簡化了mems工藝，利用極少的mems工藝可實現優化的傳感器，從讀出電路和傳感器兩方面提升了探測器性能。
35.在本發明實施例中，如圖6所示，根據數模混合集成電路標準工藝在所述晶圓襯底上制作讀出電路20，包括：根據所述數模混合集成電路標準工藝搭建電阻、電容、二極管和開關管，以形成測溫電路201、選擇電路202、放大電路203、采樣保持電路204、數模轉換電路205、時序控制電路206、偏置電路207、校準電路208和存儲電路209。
36.具體地，所述吸收結構10111包括所述數模混合集成電路標準工藝中的絕緣介質圖形化后的周期性立體結構，所述吸收層10112包括所述數模混合集成電路標準工藝中的絕緣介質。
37.在本發明實施例中，所述吸收層10112為所述數模混合集成電路標準工藝中的絕緣介質，包括：氧化硅、氮化硅，或兩種材料的組合；所述吸收結構10111為所述數模混合集成電路標準工藝中的絕緣介質經mems工藝圖形化后的周期性立體結構，包括：圓柱、梯形圓柱、圓錐等。
38.具體地，所述敏感元件1013包括所述數模混合集成電路標準工藝中的多晶硅電阻、金屬電阻、二極管和電容中的任意一種；所述導線包括所述數模混合集成電路標準工藝中的多晶硅電阻；所述自對準金屬圖形包括所述數模混合集成電路標準工藝中的金屬。
39.在本發明實施例中，所述支撐梁1012為所述數模混合集成電路標準工藝中的絕緣介質，包括：氧化硅、氮化硅，或兩種材料的組合。
40.綜上，本發明實施例提供的非制冷紅外探測器的制作方法，將數模混合集成電路標準工藝與mems工藝相結合，在實現單片集成的同時，工藝普適簡單，且開發的探測器具響應率高、信號處理能力強的優點。
41.作為本發明的另一實施例，提供一種非制冷紅外探測器，根據前文所述的非制冷紅外探測器的制作方法制作得到，其中，所述非制冷紅外探測器包括：位于同一晶圓襯底上的傳感器10和讀出電路20，所述讀出電路20環繞所述傳感器10設置，所述傳感器10包括多個像元101，且多個像元101按照m行
×
n列的陣列均勻排布，其中m和n均為大于或者等于1的自然數；每個所述像元101均包括：懸空設置的吸收區1011和支撐梁1012，所述支撐梁1012
環繞所述吸收區1011設置，所述吸收區1011和所述支撐梁1012的下方均為形成在所述晶圓襯底上的空腔1015，所述吸收區1011包括吸收層10112和位于所述吸收層10112上的吸收結構10111，所述吸收層10112內嵌入設置敏感元件1013，所述支撐梁1012內嵌入設置導線1014，所述導線1014用于連接所述讀出電路20和所述敏感元件1013。
42.在本發明實施例中，如圖6所示，非制冷紅外探測器由位于同一晶圓上的傳感器10和讀出電路20組成。其中，傳感器10有m
×
n（m≥1，n≥1）個像元101，每個像元101包含：吸收區1011、支撐梁1012、敏感元件1013、導線1014和空腔1015，且吸收區1011由吸收結構10111和吸收層10112共同構成。吸收區1011與支撐梁1012懸空在空腔1015上，敏感元件1013嵌在吸收區1011內，導線1014嵌在支撐梁1012內，連接敏感元件1013和讀出電路20；讀出電路20包含：測溫電路201、選擇電路202、放大電路203、采樣保持電路204、數模轉換電路205和時序控制電路206。
43.綜上，本發明實施例提供的非制冷紅外探測器，由于通過前文所述的制作方法，基于數模混合集成電路標準工藝制作讀出電路以及傳感器像元部分結構以及結構上的臨時性的自對準金屬圖形，再利用mems工藝通過臨時性的自對準金屬圖形完成傳感器像元結構制作，進一步地通過mems工藝優化傳感器的吸收區。最終，使得制作的非制冷紅外探測器，單片內既擁有數模混合集成電路，又簡化了mems工藝，利用極少的mems工藝可實現優化的傳感器，從讀出電路和傳感器兩方面提升了探測器性能。
44.關于本發明實施例提供的非制冷紅外探測器的工作原理可以參照前文的非制冷紅外探測器的制作方法的描述，此處不再贅述。
45.可以理解的是，以上實施方式僅僅是為了說明本發明的原理而采用的示例性實施方式，然而本發明并不局限于此。對于本領域內的普通技術人員而言，在不脫離本發明的精神和實質的情況下，可以做出各種變型和改進，這些變型和改進也視為本發明的保護范圍。
技術特征：
1.一種非制冷紅外探測器的制作方法，其特征在于，包括：提供晶圓襯底；根據數模混合集成電路標準工藝在所述晶圓襯底上分別制作讀出電路和部分傳感器結構，以及根據mems工藝在部分傳感器結構基礎上完成傳感器的制作；其中，根據數模混合集成電路標準工藝在所述晶圓襯底上制作部分傳感器結構，包括：根據數模混合集成電路標準工藝在所述晶圓襯底上制作敏感元件、導線和自對準金屬圖形，所述敏感元件和所述導線位于所述晶圓襯底上的同一層或不同層，所述自對準金屬圖形位于所述敏感元件和所述導線所在層的上方，所述導線環繞所述敏感元件設置；根據mems工藝在部分傳感器結構基礎上完成傳感器的制作，包括：對所述自對準金屬圖形進行處理得到支撐梁和吸收區，其中所述支撐梁包圍所述導線，所述吸收區包圍所述敏感元件；對所述吸收區進行加工處理，得到吸收層和位于所述吸收層上的吸收結構，其中所述吸收層包圍所述敏感元件；對所述晶圓襯底進行處理形成空腔，所述空腔位于所述吸收區和支撐梁的下方；其中，所述吸收區、被所述吸收區包圍的所述敏感元件、支撐梁、被所述支撐梁包圍的所述導線和所述空腔形成所述傳感器的像元。2.根據權利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述數模混合集成電路標準工藝為i層多晶硅j層金屬工藝，其中i為大于或者等于1的自然數，j為大于或者等于2的自然數。3.根據權利要求2所述的制作方法，其特征在于，根據數模混合集成電路標準工藝在所述晶圓襯底上制作敏感元件、導線和自對準金屬圖形，包括：對i層多晶硅中的至少一層多晶硅進行光刻和刻蝕形成導線；將具有溫敏特性的標準元器件通過單個元件或多個元件串并聯的方式形成敏感元件；對j層金屬中的至少第二層以上的金屬通過光刻和刻蝕形成自對準金屬圖形。4.根據權利要求1所述的制作方法，其特征在于，對所述自對準金屬圖形進行處理得到支撐梁和吸收區，包括：對制作得到的具有讀出電路以及傳感器的所述晶圓襯底進行介質刻蝕，將所述自對準金屬圖形轉移到其下方的介質層上，以形成支撐梁和吸收區。5.根據權利要求4所述的制作方法，其特征在于，對所述吸收區進行加工處理，得到吸收層和位于所述吸收層上的吸收結構，包括：對制作得到的具有讀出電路以及傳感器的所述晶圓襯底進行光刻，并以光刻膠圖形作為掩蔽層對所述介質層進行深度可控刻蝕，其中非刻蝕區域形成為吸收層，刻蝕區域形成吸收結構。6.根據權利要求1所述的制作方法，其特征在于，對所述晶圓襯底進行處理形成空腔，包括：根據mems工藝對所述晶圓襯底進行正面各向同性或各向異性硅刻蝕；或者，根據mems工藝對所述晶圓襯底進行背面各向同性或各向異性硅刻蝕。7.根據權利要求1至6中任意一項所述的制作方法，其特征在于，根據數模混合集成電路標準工藝在所述晶圓襯底上制作讀出電路，包括：根據所述數模混合集成電路標準工藝搭建電阻、電容、二極管和開關管，以形成測溫電
路、選擇電路、放大電路、采樣保持電路、數模轉換電路、時序控制電路、偏置電路、校準電路和存儲電路。8.根據權利要求1至6中任意一項所述的制作方法，其特征在于，所述吸收結構包括所述數模混合集成電路標準工藝中的絕緣介質經mems工藝圖形化后的周期性立體結構，所述吸收層包括所述數模混合集成電路標準工藝中的絕緣介質。9.根據權利要求1至6中任意一項所述的制作方法，其特征在于，所述敏感元件包括所述數模混合集成電路標準工藝中的多晶硅電阻、金屬電阻、二極管和電容中的任意一種；所述導線包括所述數模混合集成電路標準工藝中的多晶硅電阻；所述自對準金屬圖形包括所述數模混合集成電路標準工藝中的金屬。10.一種非制冷紅外探測器，根據權利要求1至9中任意一項所述的非制冷紅外探測器的制作方法制作得到，其特征在于，所述非制冷紅外探測器包括：位于同一晶圓襯底上的傳感器和讀出電路，所述讀出電路環繞所述傳感器設置，所述傳感器包括多個像元，且多個像元按照m行
×
n列的陣列均勻排布，其中m和n均為大于或者等于1的自然數；每個所述像元均包括：懸空設置的吸收區和支撐梁，所述支撐梁環繞所述吸收區設置，所述吸收區和所述支撐梁的下方均為形成在所述晶圓襯底上的空腔，所述吸收區包括吸收層和位于所述吸收層上的吸收結構，所述吸收層內嵌入設置敏感元件，所述支撐梁內嵌入設置導線，所述導線用于連接所述讀出電路和所述敏感元件。
技術總結
本發明涉及傳感器技術領域，具體公開了一種非制冷紅外探測器的制作方法，其中，包括：提供晶圓襯底；根據數模混合集成電路標準工藝在晶圓襯底上分別制作讀出電路和部分傳感器結構，以及根據MEMS工藝在部分傳感器結構基礎上完成傳感器的制作；根據數模混合集成電路標準工藝在晶圓襯底上制作敏感元件、導線和自對準金屬圖形；對自對準金屬圖形進行處理得到支撐梁和吸收區；對吸收區進行加工處理，得到吸收層和位于吸收層上的吸收結構；對晶圓襯底進行處理形成空腔。本發明還提供了一種非制冷紅外探測器。本發明提供的非制冷紅外探測器的制作方法能夠制作得到高探測響應率的單片集成非制冷紅外探測器。制冷紅外探測器。制冷紅外探測器。
