一种微测辐射热计及其制备方法与流程

本发明涉及一种微测辐射热计及其制备方法，更具体的说是涉及一种利用可编程晶态纳米线阵列连接和悬空非晶硅氮化硅叠层薄膜的方法，尤其涉及利用悬空纳米线表面对热传导的限制，以及非晶硅的高热阻系数制备新型微测辐射热计器件的方法。

背景技术：

红外光谱根据其同可见光的关系，可分为近红外（波长范围0.75μm~2.5μm）、中红外（波长范围2.5μm~25μm）和远红外（波长范围25μm~300μm）。红外光谱对样品的适用性相当广泛，固态、液态或气态样品都能应用，无机、有机和高分子化合物都可检测；红外光谱在高聚物的构型、构象、力学性质的研究以及物理、天文、气象、遥感、生物、医学等领域也有广泛的应用。传统的红外光谱探测系统是色散型红外光谱探测系统，但是这种光谱分析系统为单通道测量，扫描速度慢，从而限制了探测效率。而现在市面上比较常使用的红外探测手段是微测辐射热计。具体原理是同过把红外光转化成热能，并且由于热能的变化进一步改变探测器的电阻来进行表征和探测。热敏型微测辐射热计具有体积小，成本低，响应波段宽以及可以大批量生产的优势。进一步的，本专利所使用的热敏电阻为非晶硅，具有和传统工业完全匹配的硅工艺技术，可以大幅度降低成本且可以制作大规模的阵列以提高性能。同时，由于纳米线表面对热传导的限制，使得探测岛区能够很好地获得热绝缘，有利于获得高灵敏度的红外（>2μm）微测辐射探测，实现高效电信号探测和读取。此发明有利于大幅降低微测辐射热计器件的制备成本，提高性能，并可通过弹性形貌设计，使之能适用于柔性/可拉伸电子器件应用。

据发明人了解，cn102479879a公开了一种非晶硅热敏薄膜及非制冷非晶硅微测辐射热计及其制备方法，该专利采用掺杂的非晶硅作为热敏电阻，能够提供宽的工艺窗口并克服热敏薄膜制备过程中的工艺波动。cn101774530b公开了一种微测辐射热计及其制备方法专利采用的热敏材料以及红外吸收层是碳纳米管-非晶硅复合膜，有效地改善传统非晶硅热敏电阻薄膜导电性低和化学稳定性差的缺点，同时避免了传统的掺杂工艺对非晶硅膜产生的负面影响。但是上述两个专利采用的结构依然是传统的将整个微桥直接铺在带有读出电路衬底的空腔结构上，使得整个器件依然存在很大的热导，导致器件能够检测到的最小温度也将受到很大的折扣从而无法获得优异的探测性能。

技术实现要素：

发明目的：针对现有技术中存在的问题与不足，本发明提供一种微测辐射热计及其制备方法，为基于平面半导体纳米线的红外探测领域的应用提供了关键技术基础。

技术方案：一种微测辐射热计，其特征在于：包括水平分布的平面半导体晶态纳米线阵列以及从下至上依次叠层于所述平面半导体晶态纳米线阵列上方的非晶硅层和氮化硅层，所述平面半导体晶态纳米线的两端设有金属电极。

本发明进一步限定的技术方案为：所述金属电极为pt-al体系、ti-au体系或ni金属材料。

本发明还公开了一种微测辐射热计的制备方法，其特征在于：包括基于ip-sls生长方法并结合台阶沟道引导技术生长出平面半导体晶态纳米线阵列；在所述晶态纳米线阵列上方区域化制备非晶硅以及氮化硅叠层连接纳米线阵列，在其两端定义制备金属电极；再制备成微测辐射热计。

本制备方法具体包括以下步骤：

1）采用耐高温支撑性材料为衬底，在此衬底上用pecvd/pvd/cvd等工艺沉积一层绝缘介质层作为牺牲层；

2）在衬底上定义出纳米线阵列引导图形，通过干法刻蚀技术或湿法刻蚀技术制备引导沟道；

3）以步骤2）制备出的引导沟道为衬底，再次通过光刻、蒸发以及溅射工艺制备催化金属层；

4）将样品放入到pecvd中生长平面晶态纳米线阵列；

5）利用光刻和淀积或淀积和刻蚀技术在平面纳米线阵列上方区域化制备非晶硅以及氮化硅叠层，连接纳米线阵列；

6）利用光刻和蒸镀技术在纳米线阵列两端定义制备金属电极；

7）在衬底表面旋涂一层su8薄膜，并用光刻方法定义悬空区域，再次旋涂一层光刻胶薄膜作为纳米线阵列的保护薄膜；

8）利用腐蚀性液体刻蚀整个样品下面的牺牲层，使得具有su8薄膜以及其上面的所有结构从衬底脱离，此时带有图形化孔洞的su8薄膜用于支撑悬空的纳米线，而纳米线又用于支撑和悬空非晶硅氮化硅叠层；

9）用溶液法或干法刻蚀将保护薄膜去除，即可获得以晶态纳米线作为支撑，悬空非晶硅、氮化硅叠层制备的微测辐射热计器件。

上述制备方法进一步限定的技术方案为：所述步骤4）具体包括以下步骤：

首先，将反应腔升温至催化金属熔点以上，以等离子体处理催化金属，去除其表面氧化层并且形成分离的催化金属液滴；

其次，将温度降低到催化金属熔点以下，覆盖非晶半导体薄膜作为生长前驱体；

最后，在非氧气环境下，升温到催化金属液滴熔点以上，使得催化金属液滴前端吸收非晶层，后端淀积出晶态纳米线，在台阶的引导下沿台阶生长晶态纳米线阵列。

作为优选，所述的耐高温支撑性衬底为硅片、玻璃、氮化硅、氧化硅、蓝宝石、陶瓷片、石英片、铝箔或塑料。

作为优选，在步骤2）中，所述引导沟道是通过光刻、电子束直写、纳米压印方法制作引导图形；所述湿法刻蚀方法为碱性腐蚀体系、酸性腐蚀体系或者乙二胺邻苯二酚体系的湿法刻蚀技术；所述干法刻蚀采用icp-rie技术。

作为优选，在步骤3）中，再次使用光刻对准技术定义上催化剂区域，通过平面纳米线引导生长方法，使直径为130±80nm的晶体纳米线精确地沿着所述引导沟道生长。

作为优选，在步骤4）中，在pecvd系统中，利用h2等离子体处理，去除金属薄膜表面的氧化层并且使金属薄膜缩球形成直径在100-2000nm之间的准纳米催化颗粒；再次覆盖一层厚度15-200nm的非晶层作为前驱体层；在非氧气氛围，金属熔点以上温度的环境中退火，利用ipsls生长模式，使得纳米线从沿着引导沟道生长，获得晶态纳米线阵列。

作为优选，在步骤7）中，所述的保护薄膜是pmma，az5214或者az1500光刻胶。

有益效果：与现有技术相比，本发明改变了目前常见的微测辐射热计器件的结构，采用悬空的晶态纳米线作为支撑，悬空非晶硅(敏感层)氮化硅(光敏感层)，由于悬空晶态纳米线表面对热传导的限制，使得探测岛区能够很好地获得热绝缘，同时由于纳米线具有较低的电阻率，也可作为导电通道，极大的提高器件热性能到电性能的转变。本专利利用悬空晶态纳米线作为支撑非晶硅氮化硅薄膜，制备的微测辐射热计可有效降低热传导，提高电信号的检测与读取，并且悬空纳米线可通过形貌设计使之可具备柔性可拉伸性质，可广泛应用于红外探测领域。

附图说明

图1为本发明实施例中微测辐射热计的制备过程流程图。

图2为本发明实施例中非晶硅微测辐射热计悬空示意图。

图3为本发明实施例中悬空非晶硅微测辐射热计光学显微镜图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。

如图2-3所示，本实施例公开了一种微测辐射热计，包括水平分布的平面半导体晶态纳米线阵列1以及从下至上依次叠层于所述平面半导体晶态纳米线阵列上方的非晶硅层2和氮化硅层3。

所述平面半导体晶态纳米线的两端设有金属电极。其金属电极可以是pt（12nm）-al（80nm）体系,ti-au体系，ni等金属材料，金属接触可以使用快速热退火过程改善。蒸镀方法可使用热蒸发系统、磁控溅射系统或者电子束蒸发系统。

本实施例中还公开了一种微测辐射热计的制备方法，如图1所示，具体步骤如下：

1）采用硅片、玻璃、铝箔、氮化硅、氧化硅、氮氧化硅、聚合物或者其它金属材料作为衬底，利用pecvd或者pvd工艺在衬底上淀积一层绝缘介质层；

2）利用光刻、电子束直写或者掩膜板技术定义纳米线阵列的台阶引导图形，利用电感耦合等离子体icp刻蚀或者反应离子体刻蚀rie工艺刻蚀介质层形成垂直台阶侧壁，约150±30nm深度；

3）以上一步所形成的网格台阶为衬底，通过光刻、蒸发或者溅射工艺，局部淀积一层带状的催化金属层；

4）在pecvd中升高温度至催化金属熔点以上，通入h2还原性气体等离子体进行处理，使催化金属层转变为分离的金属纳米颗粒；再次用pecvd系统将温度降低到催化金属颗粒熔点以下，整个结构表面淀积覆盖与所需生长纳米线相应的非晶半导体前驱体薄膜层；然后将温度升高至金属熔点以上，使得纳米金属颗粒重新熔化，在其前端开始吸收非晶层，而在后端淀积出晶态的纳米线；由于二维台阶的引导作用，纳米线将沿台阶生长；

5）剩余的非晶半导体前驱体可由氢气等离子体、icp或者rie等刻蚀工艺清除；

6）使用光刻沉积等方法淀积非晶硅氮化硅叠层连接晶态纳米线阵列；

7）使用光刻，蒸发，溅射等步骤定义电极区域并蒸镀金属电极；

8）在衬底表面旋涂一层su8薄膜，并用光刻等方法定义悬空区域，再次旋涂一层薄膜，用来防止晶态纳米线在转移过程中被液体表面张力拉断；将整个样品通过腐蚀性液体刻蚀下面的牺牲层，从而使得su8薄膜以及其上面的所有结构衬底脱离，此时带有图形化孔洞的su8薄膜用于悬空和支撑晶态纳米线，而纳米线又作为支撑悬空非晶硅氮化硅叠层；

9）使用溶液法或干法刻蚀方法将保护薄膜去除，即可以晶态纳米线作为支撑，悬空非晶硅氮化硅叠层。制备出微测辐射热计器件，可广泛应用于红外探测领域。

作为优选，步骤2）中，其引导沟道是通过光刻，电子束直写，纳米压印等方法制作引导图形；刻蚀方法可以为氢氧化钾(koh)、氢氧化钠(naoh)等碱性腐蚀体系，氢氟酸+硝酸(hf+hno3)、氢氟酸+硝酸+醋酸(hf+hno3+ch3cooh)等酸性腐蚀体系，乙二胺邻苯二酚(ethylenediaminepyrocatechol)等体系的湿法刻蚀技术；或者icp-rie等干法刻蚀技术。

作为优选，步骤3）中，再次使用光刻对准技术定义上催化剂区域，通过平面纳米线引导生长方法，使直径为130±80nm直径的晶体纳米线精确地沿着所述引导沟道生长；蒸镀金属可以是in,sn，bi，ga及其合金的低熔点金属；其厚度约为10-60nm。

作为优选，步骤4）中，在pecvd系统中利用h2等还原性气体等离子体处理，去除金属薄膜表面的氧化层并且使金属薄膜缩球形成直径在几百纳米到几十微米之间的准纳米催化颗粒；再次覆盖一层15-200nm厚度的非晶层作为前驱体层；在非氧气氛围，金属熔点以上温度的环境中退火，利用ipsls生长模式，使得纳米线从沿着引导沟道生长，获得晶态纳米线阵列。

作为优选，步骤8）中，其保护薄膜可以是pmma，az5214，az1500等光刻胶。

本发明采用ip-sls方法生长平面纳米线，结合台阶沟道引导技术就可以生长出高质量、可编程的平面半导体晶态纳米线。由于此类纳米线悬空后的热导几乎为0，而非晶硅薄膜具有高的温度电阻系数，是很好的热敏电阻材料，就使得整个器件的热导很小，具有非常优异的红外探测性能，本发明制备微测辐射热计的方法在红外探测、传感器等应用方面有着广阔的前景。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。