专利名称：基于悬式测辐射热计微型板的红外检测器的制作方法
技术领域：
本发明涉及红外测辐射热计检测的领域，更具体地涉及使用悬在衬底之上的微型板阵列进行测辐射热计检测的领域。
背景技术：
一般认为，红外检测(即在0.75μπι至ΙΟΟΟμπι的波长范围内的检测)是存在众多特殊问题的技术领域。实际上，每个物体在其温度超过0° K时均在红外光谱内发光。因此，如果红外检测器未冷却，则那些灵敏部分(衬底、连接器和接线、封装、光学元件等)周围的部件产生显著的红外辐射，该红外辐射叠加到人们试图检测的景物所产生的辐射上。 这种不希望的分量可以相当大，有时候在温度为300° K时甚至占据检测部件产生的全部信号的99%以上。这种不希望的分量通常被称为“热噪声”或者“共模噪声”。因此，与其它类型的检测不同，特别是与可见光谱内的检测不同，需要提供能够有效地管理该共模噪声的体系结构和工作原理。为此，把第一高灵敏度红外检测器冷却至大约100开尔文甚至几开尔文的极低温度，以使共模噪声最小化。此外，有两种不同类型的红外检测器，即“量子”检测器和“热”检测器，特别是测辐射热计检测器。同样众所周知的是，这两种类型的检测采用的物理原理从根本上不同，并且每种类型都有自身的问题。对于量子检测器，利用半导体产生由于红外光谱中的光子吸收效应而出现的电子空穴对，由此产生的载流子通过通常与PN结组合在一起的电极来采集。反之，对于测辐射热计检测器，采用为了能够将红外入射通量的能量转换为热而选择的吸收材料。这种材料(或者与第一材料接触的第二材料)还被用于将产生的热转换为电特性的变化，即通常说的电阻上的变化。然后测量该电特性的变化。为了管理共模噪声，已经设想了一种特殊的测辐射热计检测器体系结构，即包括借助支承和热隔离臂悬在所谓的“读出”衬底之上的测辐射热计微型板阵列的检测器。本身已知这种体系结构是专门为了将测辐射热计部件与作为共模噪声的主要来源的衬底隔离开而提供的，因为该衬底与这些测辐射热计部件非常接近。首先，这可以显著提高灵敏度；其次，这种体系结构还可以使得无需冷却至极低的温度。这种体系结构已经成为许多针对测辐射热计微型板灵敏度的研究的课题。特别地，如果微型板的厚度减�。蚱浣市硪觳獾姆渲械拇蟛糠滞ü�。为了提高微型板的灵敏度，通常在每个微型板的下方设置使得辐射能够两次通过该微型板的金属反射器。此夕卜，还对微型板与其相关的金属反射器之间的距离进行优化。特别地，为了产生四分之一波长空间从而获得谐振，这些部件被测量为λ/4的气隙或者真空隙分隔，其中λ是要检测的波长。上述结构例如在文献FR 2752299中描述。尽管基于悬式微型板的体系结构具有许多优点，特别是能够在不冷却至极低温度的情况下使用，但是测辐射热计微型板的支承臂的存在使得利用当前的制造技术不能实现
4令人满意的占空因数(fill factor)。例如，对于具有边尺度为12 μ m、能吸收大约λ = 10 μ m的正方形微型板的检测器而言，生产这样的检测器每个微型板需要边尺度至少为25 μ m的正方形衬底表面积。因此， 用于检测的微型板阵列的有效表面积不超过该阵列的总表面积的25 %。
发明内容
本发明的目的在于解决以上所述的基于悬式微型板的测辐射热计检测器中有效表面积减小的问题，为此，本发明提出一种在不改变微型板的表面积与阵列的总表面积之比的情况下虚拟地增大该有效表面积的体系结构。为此，本发明的目的在于一种用于检测在预定的红外波长范围内的电磁辐射的测辐射热计阵列检测器，其包括 衬底； 用于检测所述辐射的测辐射热计微型板阵列，其通过支承臂悬在所述衬底的上方；以及 金属反射器，其形成在所述衬底之上而在所述微型板之下，以便反射所述辐射中通过所述微型板而未被所述微型板吸收的那部分辐射。根据本发明，对于每个微型板 所述反射器包括与所述微型板相对而置的部分，并且该部分延伸出不在所述微型板下方的部分；以及 至少所述反射器的不在所述微型板下方的部分具有包括重复图案的表面纹理， 所述表面纹理能够将所述辐射中入射到所述部分上的一部分辐射耦合到向着所述反射器的在所述微型板的下方的这部分传播的导波。换句话说，该衬底的不在微型板下方的一部分表面积设置有重复图案，该重复图案通过利用表面等离振子(plasmon)激发引导其在微型板下方接收到的辐射。然后，该反射器的在微型板下方的部分向当前的微型板反射这部分辐射，并且还反射通过这些微型板的辐射。因此，该衬底的不在该微型板下方的部分用于检测目的，从而这可以在不增大微型板的尺度的情况下增大有效检测表面积。在下文的描述中，如本领域内通常所公认的，在指称检测阵列时，术语“像素”表示产生与图像元素有关的输出信号的所有硬件部件以及用于这些部件的表面。在一个实施例中，针对特定的波长范围、在至少比构成金属层的金属的趋肤深度 (skin depth)大的这样的厚度上形成纹理。这样，反射器保持不透过该辐射。例如，如果纹理是通过蚀刻金属层而产生的，则该蚀刻并不进行到底，而是在金属厚度超过趋肤深度时终止。在一个实施例中，纹理包括限定封闭的同心轮廓的凹槽，尤其是限定同心圆形或者同心正方形的凹槽。或者，该纹理包括单方向上的重复的平行凹槽，以便利用该纹理进行的检测对单偏振(single polarization)灵敏。在本发明的一个实施例中，该反射器形成在金属层上，该金属层覆盖至少在微型板阵列的整个表面积下方的衬底，并且该反射器借助限定反射器纹理的周期性图案中的中断的金属层的区域来加以划分。这种中断使得可以对反射器加以划分和避免相邻像素之间的所谓串扰(即某像素检测通常应当已由相邻像素检测过的辐射)。从而实现良好的像素分隔。此外，制造反射器的方法十分简单，因为其能够简单地通过如下方式来实现在衬底上沉积金属层的实心片层之后，再使用单个掩模进行光刻以产生各反射器。在一个实施例中，周期性纹理图案的间距(periocOP等于或者小于1，其中λ是
要检测的波长范围内的波长，η是分隔微型板与反射器的介质的折射率。该图案的所述间距优选地基本上等于λ/(3xn)。在一个实施例中，纹理的深度h等于或者小于I ,并且优选地基本上等于
λ/(5xn)。这样降低了纹理对辐射的吸收。特别地，如果纹理由凹槽构成，则这样的厚度防止 IOxn
辐射被截留，从而防止辐射在凹槽中被吸收。有利地，纹理的凹陷部分占据纹理总表面积的不到50%。特别地，纹理由宽度为e 的周期性凹槽构成，e被选择为使得0.05 <-^<0.5，其中Ρ是纹理图案的间距。这有助于实现辐射损失小的导波(guided mode)激发。在一个实施例中，微型板与相关反射器之间的平均高度L等于或者小于λ/(4xn) ；这
有助于利用导波与微型板之间的倏逝波耦合(evanescent-type coupling)来实现在纹理弓丨导的波与微型板之间的耦合。在一个实施例中，反射器的在微型板下方的部分没有纹理，从而防止反射器的在微型板下方的部分吸收辐射。
根据下文仅作为示例给出的并且结合附图所做的描述，将更容易理解本发明，附图中同样的附图标记表示相同或者类似的部件，在附图中图1是根据本发明的3X3的测辐射热计像素阵列的示意性顶视图；图2是图1所示阵列的沿线A-A的示意性截面图；图3是图1所示阵列的像素的简化的示意性截面图；图4A和4B是具有分别以同心正方形和同心圆形形式的周缘周期性图案的像素的示意性视图；图5是示出根据本发明的两个检测器和根据现有技术的检测器的吸收曲线的曲线图；以及图6至15是示出根据本发明的检测器的实施例的示意性截面图。
具体实施方式
图1和2作为例子示出包括3X3个像素的测辐射热计检测器阵列10。每个像素12分别包括测辐射热计微型板14，其通过支承和热隔离臂18悬在衬底16上方，使得可以检测从0.75μπι到IOOOym的红外波长范围内的入射红外(IR)电磁辐射。本身已知，微型板14由于入射顶辐射的作用而升温，且其电阻随着其温度的升高而变化。可以利用相同的材料实现这两种功能，例如，TiN适合于检测中间红外范围内的波长。支承与热隔离臂18主要由包含导电部分的低导热性材料构成，该导电部分使得可以对微型板14施加偏压和/或者偏流，以测量电阻。臂18电连接到设置在衬底16中用于控制微型板14的偏压的读出电路。在本发明的环境中，测辐射热计微型板14的结构和操作相对而言并不重要，可以设想任意类型的微型板，例如，文献FR 2752299中描述的微型板。应理解的重要事实在于本发明适用于微型板的表面积相对于像素的表面积减小的任何测辐射热计阵列。每个像素12还包括由沉积在衬底16上的金属层形成的平坦的反射器20。反射器20包括第一部分22，位于微型板14的下方；以及第二部分Μ，位于微型板14的周围。 在下文的描述中，部分22被称为反射器的“中心部分”，而部分M被称为反射器的“外围部分”。反射器的中心部分22优选地是实心的，即没有纹理，并且其主要功能在于反射辐射中通过所述微型板而没有被吸收的这部分辐射，因此，可以使该辐射至少两次通过微型板；甚至，如果微型板14与中心部分22之间的距离被调节为形成例如四分之一波长的空间，则获得谐振。反射器20的外围部分M具有纹理为周期图案的表面，例如，具有在反射器20的厚度上蚀刻的矩形截面并形成同心正方形的平行凹槽26。如图2中的箭头所示，周期性图案用于将外围部分M上的入射辐射耦合到导波， 导波还被称为表面“等离振子”波。然后，该导波向着反射器20的中心部分22传播，中心部分22通过倏逝波耦合向着微型板14反射该导波以使得该导波可被吸收。因此，围绕微型板14的周期性图案“虚拟地”增大了用于检测辐射的有效表面积， 从而提高了检测的灵敏度，而不需要为此改变微型板14本身。在图3中所示的简化截面图中，外围部分M的周期性图案具有等于或者小于1的
η
间距￡，其中λ是要检测的波长范围内的波长，η是分隔微型板14与反射器20的介质(通常是空气)的折射率。这使得可以激发波长为λ的表面等离振子波。较大的间距￡产生衍射，这种衍射对波耦合的质量有负面作用，直至耦合随着间距￡增大而最终消失。有利地，间距￡基本上等于！。实际上，本发明人已经观测到当间距￡取该值时
3χ η
耦合最佳。有利地，微型板14与中心部分22的距离为L·，该距离等于或者小于。这在由
4xn
反射器的外围部分M耦合的导波与吸收性微型板14之间产生耦合，该耦合更尤其是允许对通过由外围部分M提供的向着微型板14的耦合恢复的能量的有效“反射”的倏逝波耦合。
有利地，纹理的凹陷部分占据纹理总表面积的不到50%。只要涉及凹槽沈，这就意味着对其宽度e进行选择以使得
权利要求
1.一种用于检测在预定的红外波长范围内的电磁辐射的测辐射热计阵列检测器，包括衬底(16)；用于检测所述辐射的测辐射热计微型板(14)阵列，所述微型板(14)通过支承臂(18) 悬在所述衬底(16)的上方；以及金属反射器(20)，其形成在所述衬底(16)之上而在微型板(14)之下，以便反射所述辐射中通过所述微型板(14)而未被所述微型板(14)吸收的那部分辐射， 其特征在于，对于每个微型板(14)反射器00)包括位于所述微型板(14)正下方的一个部分(22)，并且所述部分02)延伸出不在微型板(14)下方的部分04)；以及，至少反射器OO)的不在所述微型板(14)下方的所述部分04)具有纹理为重复图案的表面，所述纹理能够将所述辐射中入射到所述部分04)的一部分辐射耦合到向着所述反射器的在微型板(14)下方的部分0 传播的导波。
2.根据权利要求1所述的测辐射热计阵列检测器，其特征在于，针对所讨论的波长范围、在至少比制成所述反射器的金属层的金属的趋肤深度大的金属的厚度上形成纹理 (26)。
3.根据权利要求1或者2所述的测辐射热计阵列检测器，其特征在于，纹理06)包括限定封闭的同心轮廓的凹槽，特别是限定同心圆形或者同心正方形的凹槽。
4.根据权利要求1或者2所述的测辐射热计阵列检测器，其特征在于，所述纹理包括单方向上的周期性平行凹槽。
5.根据上述权利要求之一所述的测辐射热计阵列检测器，其特征在于，反射器00)形成在金属层(30)上，所述金属层(30)覆盖至少位于所述微型板(14)阵列的整个表面积下方的衬底(16)，并借助金属层(30)的区域08)来对反射器OO)加以划分，其中所述区域 (28)限定反射器OO)的所述纹理06)的周期性图案中的中断。
6.根据上述权利要求之一所述的测辐射热计阵列检测器，其特征在于，纹理06)的所述重复图案的间距P小于A，其中λ是要检测的波长范围内的波长，η是分隔微型板(14)η与反射器OO)的介质的折射率，所述间距优选地基本上等于一。3χ
7.根据权利要求6所述的测辐射热计阵列检测器，其特征在于，纹理06)的深度h等于或者小于，并且优选地基本上等于。 5χ η10χ
8.根据权利要求6或者7所述的测辐射热计阵列检测器，其特征在于，纹理06)的凹陷部分占据所述纹理的总表面积的不到50%。
9.根据权利要求8所述的测辐射热计阵列检测器，其特征在于，纹理06)由宽度为e的周期性凹槽构成，e被选择为使得0.05 <^<0.5，其中Ρ是所述纹理的图案的间距。
10.根据权利要求6至9之一所述的测辐射热计阵列检测器，其特征在于，微型板(14)与反射器00)之间的平均高度L等于或者小于
11.根据上述权利要求之一所述的测辐射热计阵列检测器，其特征在于，反射器OO) 的在微型板(14)下方的部分0 没有纹理。
全文摘要
公开了基于悬式测辐射热计微型板的红外检测器。一种用于检测在预定的红外波长范围内的电磁辐射的测辐射热计阵列检测器，包括衬底；用于检测辐射的测辐射热计微型板阵列，这些微型板通过支承臂悬在衬底的上方；以及金属反射器，其形成在衬底之上而在微型板之下，以便反射辐射中通过微型板而未被该微型板吸收的那部分辐射。对于每个微型板反射器包括与该微型板相对而置的一个部分(22)，并且该部分(22)延伸出不在该微型板下方的部分(24)；以及，至少反射器的不在该微型板下方的部分(24)具有纹理为重复图案的表面，该纹理能够将辐射中入射到部分(24)的一部分辐射耦合到向着反射器的在该微型板下方的部分(22)传播的导波。
文档编号G01J5/20GK102538976SQ20111030607
公开日2012年7月4日 申请日期2011年9月29日 优先权日2010年11月3日
发明者亚历山大·玛莉, 斯特凡·波卡斯, 皮埃尔·因佩里内蒂, 维尔弗里德·拉博, 若弗鲁瓦·迪蒙, 萨利姆·布塔米, 阿涅丝·阿诺 申请人:原子能与替代能源委员会
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