非制冷红外偏振探测器像元结构及制备方法与流程

本申请涉及半导体技术中的微机电系统工艺制造领域，尤其涉及一种非制冷红外偏振探测器像元结构及制备方法。

背景技术：

红外偏振探测是在红外强度探测基础上，通过获得每一点的偏振信息而增加信息维度的一种技术，不仅能获得目标在二维空间的红外强度信息，而且能获得图像上每一点偏振信息。利用增加的偏振维度，可使伪装、暗弱等目标与背景的差异增强，有利于提高对目标的探测与识别能力。

当前常见的红外偏振探测方法包括分时法、分振幅法、分孔径法和焦平面阵列法。前三种方法涉及复杂的光学系统，而且体积大、成本高，而焦平面阵列法只需一个探测器和一个镜头即可实现偏振信息的获取，是目前偏振成像探测领域的研究热点。焦平面阵列法又分为外置集成与内置集成两种。前者即将加工好的微偏振阵列片粘接或焊接到探测器焦平面阵列上，后者为利用mems(microelectro-me-chanicalsystem，微电子机械系统)工艺在焦平面像元上直接制备微光栅。对于前者，就目前的工艺能力而言，实现光刻级对准并不困难，问题在于粘接或焊接是一个机械过程，很难保证微米级的精度，因此外置集成工艺难度大、稳定性差。因此，直接在焦平面像元上方制备微光栅是一个好的选择。

在可见光和红外探测领域，目前已有大量文献报道了在像元上制备微光栅的方法，具体到非制冷红外成像领域，有专利报道了一种微偏振结构，但该结构中光栅层与热敏层处于同一微桥面，两者未实现热传导隔离，由此，一方面引入了光栅层热噪声，一方面增大了桥面热容，偏振探测效率较低。

技术实现要素：

在下文中给出了关于本申请的简要概述，以便提供关于本申请的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本申请的穷举性概述。它并不是意图确定本申请的关键或重要部分，也不是意图限定本申请的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

鉴于现有技术的上述缺陷，本申请的目的之一是提供一种非制冷红外偏振探测器像元结构及制备方法，以实现偏振光学元件与探测器焦平面内置集成，以及光栅层与热敏层的热传导隔离，降低光栅层引入的热噪声。

根据本申请的一个方面，提供一种非制冷红外偏振探测器像元结构，包括：底层，所述底层包括读出电路基座以及设在所述读出电路基座上的第一金属电极层、金属反射层和第一介质保护层；其中，所述第一介质保护层覆盖所述第一金属电极层和金属反射层，在所述第一介质保护层上设有电极通孔，以露出所述第一金属电极层；所述读出电路基座中的读出电路与所述第一金属电极层电连接；中间层，所述中间层包括第一支撑层、热敏层、第二介质保护层、第二金属电极层和第三介质保护层；在所述第一介质保护层之上设有所述第一支撑层，所述第一支撑层上设有第一通孔，所述第一通孔终止于所述第一金属电极层，所述第一支撑层上设有所述热敏层，所述热敏层上设有所述第二介质保护层，所述第二介质保护层上设有第二通孔，所述第二通孔终止于所述热敏层，所述第二介质保护层上设有所述第二金属电极层，所述第二金属电极层包括设在所述第一通孔内的金属电极和设在所述第二通孔内的金属连线，所述第二金属电极层上设有所述第三介质保护层；所述热敏层通过所述第二金属电极层与所述第一金属电极层电连接；上层，所述上层包括设在所述第三介质保护层之上的第二支撑层以及设在所述第二支撑层上的光栅层，所述光栅层包括若干个依次排列的光栅。

根据本申请的另一个方面，提供一种非制冷红外偏振探测器像元结构的制备方法，包括：在读出电路基座上制作第一金属电极层，并对所述第一金属电极层进行图形化处理，使其与所述读出电路基座中的读出电路电连接；在所述读出电路基座上沉积金属反射层，并对所述金属反射层进行图形化处理；在所述读出电路基座的所述第一金属电极层和所述金属反射层上沉积第一介质保护层，并对所述第一介质保护层进行图形化处理，使其开有电极通孔以露出所述第一金属电极层；在图形化处理后的所述第一介质保护层上沉积第一牺牲层，并对所述第一牺牲层进行图形化处理，以露出所述电极通孔中露出的所述第一金属电极层；在图形化处理后的所述第一牺牲层上沉积第一支撑层，并对所述第一支撑层进行图形化处理以开有第一通孔和用于释放所述第一牺牲层的通道，所述第一通孔终止于所述第一金属电极层；在图形化处理后的所述第一支撑层上沉积热敏层，并对所述热敏层进行图形化处理；在图形化处理后的所述热敏层上沉积第二介质保护层，并对所述第二介质保护层进行图形化处理以开有第二通孔，所述第二通孔终止于所述热敏层；在图形化处理后的所述第二介质保护层上沉积第二金属电极层，并对所述第二金属电极层进行图形化处理，以形成设在所述第一通孔内的金属电极和设在所述第二通孔内的金属连线；在图形化处理后的所述第二金属电极层上沉积第三介质保护层，并对所述第三介质保护层进行图形化处理，以开有用于释放所述第一牺牲层的通道；在图形化处理后的所述第三介质保护层上沉积第二牺牲层，并对所述第二牺牲层进行图形化处理，以露出部分所述第三介质保护层；在图形化处理后的所述第三介质保护层上沉积第二支撑层，并对所述第二支撑层进行图形化处理；在图形化处理后的所述第二支撑层上制作光栅层，所述光栅层包括若干个依次排列的光栅。

本申请提供的非制冷红外偏振探测器像元结构及制备方法，能够不仅实现了偏振光学元件与探测器焦平面的内置集成，将红外偏振探测系统集成至一个相机，无需复杂的光学系统和机电系统，显著降低了技术复杂度，且体积大幅度减小，而且与直接在热敏层所在的支撑层生长光栅结构相比，实现了光栅层与热敏层的热传导隔离，降低了光栅层引入的热噪声，提高了偏振探测灵敏度，本申请的光栅层独占第二支撑层，第二支撑层的空间全部用来放置光栅层，扩大了光栅层的尺寸，有利于增大光栅层的消光比。

附图说明

为了进一步阐述本发明的以上和其他优点和特征，下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。附图连同下面的详细说明一起包含在本说明书中并且形成本说明书的一部分。应当理解，这些附图仅描述本发明的典型示例，而不应看作是对本发明的范围的限定。在附图中：

图1为根据本申请的读出电路基座上第一金属电极层、金属反射层与第一介质保护层的形成示意图；

图2为根据本申请的第一牺牲层的形成示意图；

图3为根据本申请的第一支撑层的形成示意图；

图4为根据本申请的热敏层与第二介质保护层的形成示意图；

图5为根据本申请的第二金属电极层与第三介质保护层的形成示意图；

图6为根据本申请的第二牺牲层的形成示意图；

图7为根据本申请的第二支撑层的形成示意图；

图8为根据本申请的光栅层的形成示意图；

图9为根据本申请的非制冷红外偏振探测器像元结构的剖面示意图；

图10a为根据本申请的纯金属结构的光栅的剖面示意图；

图10b为根据本申请的多层复合结构的光栅的剖面示意图；

图11a为根据本申请的0°光栅俯视示意图；

图11b为根据本申请的90°光栅俯视示意图；

图11c为根据本申请的45°光栅俯视示意图；

图11d为根据本申请的135°光栅俯视示意图；

图11e为根据本申请的60°光栅俯视示意图；

图11f为根据本申请的120°光栅俯视示意图。

附图中相同或相似的附图标记代表相同或相似的部件。

具体实施方式

在下文中将结合附图对本申请的示范性实施例进行描述。为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定，以便实现开发人员的具体目的，例如符合与系统业务相关的那些限制条件，并且这些限制条件可能会随着实施方式的不同而有所改变。此外，还应该了解，虽然开发工作有可能是非常复杂和费时的，但对得益于本公开内容的本领域技术人员来说，这种开发仅仅是例行的任务。在此，还需要说明的一点是，为了避免不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的设备结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

根据本申请，介绍一种非制冷红外偏振探测器像元结构，包括：底层，所述底层包括读出电路基座以及设在所述读出电路基座上的第一金属电极层、金属反射层和第一介质保护层；中间层，所述中间层包括第一支撑层、热敏层、第二介质保护层、第二金属电极层和第三介质保护层；上层，所述上层包括设在所述第三介质保护层之上的第二支撑层以及设在所述第二支撑层上的光栅层，所述光栅层包括若干个依次排列的光栅。

如图9所示为根据本申请的非制冷红外偏振探测器像元结构的剖面示意图，包括：读出电路基座1、第一金属电极层2、金属反射层3、第一介质保护层4、第一支撑层6、热敏层7、第二介质保护层8、第二金属电极层9、第三介质保护层10、第二支撑层12和光栅层13。

其中，底层包括读出电路基座1以及设在读出电路基座1上的第一金属电极层2、金属反射层3和第一介质保护层4，第一金属电极层2的材料可以是镍铬合金、钛和氮化钛的其中之一，金属反射层3的材料可以是铝硅铜或铝，金属反射层3的厚度可以是300～1000nm，具体的厚度本领域技术人员可以根据需要进行选择，第一介质保护层4的材料可以是氮化硅、氧化硅和氮氧化硅的其中之一，第一介质保护层4覆盖第一金属电极层2和金属反射层3，并在第一介质保护层4上设有电极通孔4-1，以露出第一金属电极层2。

读出电路基座中1中的读出电路与第一金属电极层2电连接。

中间层包括第一支撑层6、热敏层7、第二介质保护层8、第二金属电极层9和第三介质保护层10。

在底层之上设有第一支撑层6，第一支撑层6的材料可以是氮化硅、氧化硅和氮氧化硅的其中之一，第一支撑层6上设有第一通孔6-1，第一通孔6-1终止于第一金属电极层2，第一支撑层6上设有热敏层7，热敏层7的材料可以是氧化钒、氧化钛、氧化锌、非晶硅、锰钴镍氧和钇钡铜氧的其中之一，热敏层7上设有第二介质保护层8，第二介质层8的材料可以是氮化硅、氧化硅和氮氧化硅的其中之一，第二介质保护层8上设有第二通孔8-1，第二通孔8-1终止于热敏层7，第二介质保护层8上设有第二金属电极层9，第二金属电极层9的材料可以是镍铬合金、钛和氮化钛的其中之一，第二金属电极层9包括设在第一通孔6-1内的金属电极和设在第二通孔8-1内的金属连线，第二金属电极层9上设有第三介质保护层10，第三介质保护层10的材料可以是氮化硅、氧化硅和氮氧化硅的其中之一。

热敏层7通过第二金属电极层9与第一金属电极层2电连接。

本申请提供的非制冷红外偏振探测器像元结构采用光栅层与热敏层热传导隔离的方式，光栅层产生的热量直接经由第二支撑层、第三介质保护层、第二金属电极层以及第一金属电极层传入读出电路基座，而不经过热敏层，实现了光栅层与热敏层的热传导隔离，降低了光栅层引入的热噪声。

上层包括设在第三介质保护层10之上的第二支撑层12以及设在第二支撑层12上的光栅层13，第二支撑层12的材料可以是氮化硅、氧化硅和氮氧化硅的其中之一，如图10a所示，光栅层13可以是纯金属结构，只包含金属层101，金属层101的材料例如可以是铝、钛、金、银等，如图10b所示，光栅层13也可以是多层复合结构，例如可以包含金属层101和介质层102，介质层102的材料例如可以是硫化锌、硒化锌等，多层复合结构有利于增大光栅线条的消光比，能够具有滤光的作用，光栅层13包括若干个依次排列的光栅，光栅层的光栅周期为10～1500nm，填充因子为0.2～0.8。

在此不限制根据本申请的实施方式的非制冷红外偏振探测器像元结构的各层的材料以及厚度，本领域技术人员可以根据需要进行选择与设定。

根据本申请，还介绍一种非制冷红外偏振探测器像元结构的制备方法。

如图1所示为根据本申请的读出电路基座上第一金属电极层、金属反射层与第一介质保护层的形成示意图。在读出电路基座1上制作第一金属电极层2，第一金属电极层2的材料可以是镍铬合金、钛和氮化钛的其中之一，并对第一金属电极层2图形化处理，使其与读出电路基座1中的读出电路电连接，在读出电路基座上沉积金属反射层3，金属反射层3的材料可以是铝硅铜或铝，金属反射层3的厚度可以是300～1000nm，在此不作限定，并对金属反射层3进行图形化处理，在读出电路基座1的第一金属电极层2和金属反射层3上沉积第一介质保护层4，第一介质保护层4的材料可以是氮化硅、氧化硅和氮氧化硅的其中之一，并对第一介质保护层4进行图形化处理，使第一介质保护层4上开有电极通孔4-1，以露出第一金属电极层2。

如图2所示为根据本申请的第一牺牲层的形成示意图。在图形化处理后的第一介质保护层4上沉积第一牺牲层5，第一牺牲层5的材料可以是聚酰亚胺，并对第一牺牲层5进行图形化处理，以露出第一金属电极层2。

如图3所示为根据本申请的第一支撑层的形成示意图。在图形化处理后的第一牺牲层5上沉积第一支撑层6，第一支撑层6的材料可以是氮化硅、氧化硅和氮氧化硅的其中之一，并对第一支撑层6进行图形化处理以开有第一通孔6-1和用于释放第一牺牲层5的通道6-2，第一通孔6-1终止于第一金属电极层2，用于释放第一牺牲层5的通道终止于第一牺牲层5。

如图4所示为根据本申请的热敏层与第二介质保护层的形成示意图。在图形化处理后的第一支撑层6上沉积热敏层7，热敏层7的材料可以是氧化钒、氧化钛、氧化锌、非晶硅、锰钴镍氧和钇钡铜氧的其中之一，并对热敏层7进行图形化处理，在图形化处理后的热敏层7上沉积第二介质保护层8，第二介质保护层8的材料可以是氮化硅、氧化硅和氮氧化硅的其中之一，并对第二介质保护层8进行图形化处理以开有第二通孔8-1，第二通孔8-1终止于热敏层7。

如图5所示为根据本申请的第二金属电极层与第三介质保护层的形成示意图。在图形化处理后的第二介质保护层8上沉积第二金属电极层9，第二金属电极层9的材料可以是镍铬合金、钛和氮化钛的其中之一，并对第二金属电极层9进行图形化处理，以形成设在第一通孔6-1内的金属电极和设在第二通孔8-1内的金属连线，在图形化处理后的第二金属电极层9上沉积第三介质保护层10，第三介质保护层10的材料可以是氮化硅、氧化硅和氮氧化硅的其中之一，并对第三介质保护层10进行图形化处理，以开有用于释放第一牺牲层5的通道。

作为另一种可选的实施方式，在沉积完第一支撑层6之后可以先不打开释放第一牺牲层5的通道6-2，可以待沉积完第三介质保护层10之后一并开有用于释放第一牺牲层5的通道，该通道终止于第一牺牲层5。

如图6所示为根据本申请的第二牺牲层的形成示意图。在图形化处理后的第三介质保护层10上沉积第二牺牲层11，第二牺牲层11的材料可以是聚酰亚胺，并对第二牺牲层11进行图形化处理，以露出部分第三介质保护层10。

如图7所示为根据本申请的第二支撑层的形成示意图。在图形化处理后的第三介质保护层10上沉积第二支撑层12，第二支撑层12的材料可以是氮化硅、氧化硅和氮氧化硅的其中之一，并对第二支撑层12进行图形化处理。

如图8所示为根据本申请的光栅层的形成示意图。在图形化处理后的第二支撑层12上制作光栅层13，光栅层13包括若干个依次排列的光栅，光栅层13的光栅周期为10～1500nm，填充因子为0.2～0.8，光栅可以是纯金属结构(如图10a所示)或多层复合结构(如图10b所示)。

如图11a-11f所示分别为光栅沿0°、90°、45°、135°、60°和120°方向排列的示意图，本申请仅为举例示意，光栅的排列方向不仅仅限于上述方向，本领域技术人员可以根据需要进行选择或旋转。

本申请提供的非制冷红外偏振探测器像元结构及制备方法，能够不仅实现了偏振光学元件与探测器焦平面的内置集成，将红外偏振探测系统集成至一个相机，无需复杂的光学系统和机电系统，显著降低了技术复杂度，且体积大幅度减小，而且与直接在热敏层所在的支撑层生长光栅结构相比，实现了光栅层与热敏层的热传导隔离，降低了光栅层引入的热噪声，提高了偏振探测灵敏度，本申请的光栅层独占第二支撑层，第二支撑层的空间全部用来放置光栅层，扩大了光栅层的尺寸，有利于增大光栅层的消光比。

以上通过具体的实施例对本发明进行了说明，但本发明并不限于这些具体的实施例。本领域技术人员应该明白，还可以对本发明做各种修改、等同替换、变化等等，这些变换只要未背离本发明的精神，都应在本发明的保护范围之内。并且，在本发明的结构中，各部件是可以分解和/或重新组合的，这些分解和/或重新组合应该视为本发明的等效方案。

根据以上实施方式的说明，本申请提供了如下技术方案：

方案1、一种非制冷红外偏振探测器像元结构，其中，包括：

底层，所述底层包括读出电路基座以及设在所述读出电路基座上的第一金属电极层、金属反射层和第一介质保护层；

其中，所述第一介质保护层覆盖所述第一金属电极层和金属反射层，在所述第一介质保护层上设有电极通孔，以露出所述第一金属电极层；

所述读出电路基座中的读出电路与所述第一金属电极层电连接；

中间层，所述中间层包括第一支撑层、热敏层、第二介质保护层、第二金属电极层和第三介质保护层；

在所述第一介质保护层之上设有所述第一支撑层，所述第一支撑层上设有第一通孔，所述第一通孔终止于所述第一金属电极层，所述第一支撑层上设有所述热敏层，所述热敏层上设有所述第二介质保护层，所述第二介质保护层上设有第二通孔，所述第二通孔终止于所述热敏层，所述第二介质保护层上设有所述第二金属电极层，所述第二金属电极层包括设在所述第一通孔内的金属电极和设在所述第二通孔内的金属连线，所述第二金属电极层上设有所述第三介质保护层；

所述热敏层通过所述第二金属电极层与所述第一金属电极层电连接；

上层，所述上层包括设在所述第三介质保护层之上的第二支撑层以及设在所述第二支撑层上的光栅层，所述光栅层包括若干个依次排列的光栅。

方案2、根据方案1所述的非制冷红外偏振探测器像元结构，其中，

所述光栅层的光栅周期为10～1500nm，填充因子为0.2～0.8。

方案3、根据方案1所述的非制冷红外偏振探测器像元结构，其中，

所述光栅为纯金属结构或多层复合结构。

方案4、根据方案1所述的非制冷红外偏振探测器像元结构，其中，

所述热敏层的材料为以下其中之一：氧化钒、氧化钛、氧化锌、非晶硅、锰钴镍氧和钇钡铜氧。

方案5、根据方案1所述的非制冷红外偏振探测器像元结构，其中，

所述第一介质保护层、所述第一支撑层、所述第二介质保护层、所述第三介质保护层以及所述第二支撑层的材料分别为以下其中之一：氮化硅、氧化硅和氮氧化硅。

方案6、根据方案1所述的非制冷红外偏振探测器像元结构，其中，

所述金属反射层的材料为铝硅铜或铝。

方案7、根据方案1所述的非制冷红外偏振探测器像元结构，其中，

所述第一金属电极层以及所述第二金属电极层的材料为以下其中之一：镍铬合金、钛和氮化钛。

方案8、一种非制冷红外偏振探测器像元结构的制备方法，其中，包括：

在读出电路基座上制作第一金属电极层，并对所述第一金属电极层进行图形化处理，使其与所述读出电路基座中的读出电路电连接；

在所述读出电路基座上沉积金属反射层，并对所述金属反射层进行图形化处理；

在所述读出电路基座的所述第一金属电极层和所述金属反射层上沉积第一介质保护层，并对所述第一介质保护层进行图形化处理，使其开有电极通孔以露出所述第一金属电极层；

在图形化处理后的所述第一介质保护层上沉积第一牺牲层，并对所述第一牺牲层进行图形化处理，以露出所述电极通孔中露出的所述第一金属电极层；

在图形化处理后的所述第一牺牲层上沉积第一支撑层，并对所述第一支撑层进行图形化处理以开有第一通孔和用于释放所述第一牺牲层的通道，所述第一通孔终止于所述第一金属电极层；

在图形化处理后的所述第一支撑层上沉积热敏层，并对所述热敏层进行图形化处理；

在图形化处理后的所述热敏层上沉积第二介质保护层，并对所述第二介质保护层进行图形化处理以开有第二通孔，所述第二通孔终止于所述热敏层；

在图形化处理后的所述第二介质保护层上沉积第二金属电极层，并对所述第二金属电极层进行图形化处理，以形成设在所述第一通孔内的金属电极和设在所述第二通孔内的金属连线；

在图形化处理后的所述第二金属电极层上沉积第三介质保护层，并对所述第三介质保护层进行图形化处理，以开有用于释放所述第一牺牲层的通道；

在图形化处理后的所述第三介质保护层上沉积第二牺牲层，并对所述第二牺牲层进行图形化处理，以露出部分所述第三介质保护层；

在图形化处理后的所述第三介质保护层上沉积第二支撑层，并对所述第二支撑层进行图形化处理；

在图形化处理后的所述第二支撑层上制作光栅层，所述光栅层包括若干个依次排列的光栅。

方案9、根据方案8所述的方法，其中，

所述第一牺牲层和所述第二牺牲层的材料为聚酰亚胺。

方案10、根据方案8所述的方法，其中，

所述光栅层的光栅周期为10～1500nm，填充因子为0.2～0.8。

方案11、根据方案8所述的方法，其中，

所述光栅为纯金属结构或多层复合结构。

方案12、根据方案8所述的方法，其中，

所述热敏层的材料为以下其中之一：氧化钒、氧化钛、氧化锌、非晶硅、锰钴镍氧和钇钡铜氧。

方案13、根据方案8所述的方法，其中，

所述第一介质保护层、所述第一支撑层、所述第二介质保护层、所述第三介质保护层以及所述第二支撑层的材料分别为以下其中之一：氮化硅、氧化硅和氮氧化硅。

方案14、根据方案8所述的方法，其中，

所述金属反射层的材料为铝硅铜或铝。

方案15、根据方案8所述的方法，其中，

所述第一金属电极层以及所述第二金属电极层的材料为以下其中之一：镍铬合金、钛和氮化钛。