集成式热释电薄膜红外探测器制造技术

集成式热释电薄膜红外探测器，属于一种热敏红外探测器，主要由包含热释电薄膜６、吸收电极８和传导电极７的红外敏感元１，制有放大电路的硅片衬底２和热绝缘隔离层９构成，热释电薄膜直接沉积附着在硅片衬底上。在硅片衬底２与热绝缘层９之间可有二氧化硅电路保护层５，电路保护层５与热绝缘层９之间还可有一层增强绝热的空气隙１０。探测器可作成单元、多元等形式，探测器集成度高，体积小，灵敏度高，可广泛用于红外报警、成像、监控、光谱分析等方面。（*该技术在2003年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本技术属于一种用热释电薄膜材料制作的热敏红外探测器，可以用于红外报警，红外成像，红外监控等方面。目前很多种类的热释电红外探测器所用的热释电材料均为块状体材料，如三甘胺酸硫酸TGS单晶、钽酸锂LiTaOa单晶、钛酸铅PbTiO3陶瓷等。例如1991年7月23日公布的美国专利US5034608号中提出的一种热释电红外传感器是将片状陶瓷材料减薄后再用一种介质与衬底作热耦合以制备红外传感器。《New Electronics》1991年10月号上介绍了一种陶瓷摄象机上采用的热释电传感器，是把片状陶瓷减薄后加工成100×100元的80μm2的小单元列阵，再用热焊剂使陶瓷列阵和衬底上晶体管列阵相连接。由于热释电材料只有在2～5μm厚时制作的红外敏感元才有较高的探测灵敏度。因此已有技术的共同技术难点是需要把体材料从一般机械加工所能达到0.1mm厚的极限再减薄到2～5μm厚，而且还要解决红外敏感元与衬底上放大电路的联接问题(通常是用倒装焊接，热耦合等技术)，从而导致热释电红外传感器的制备工艺复杂，体积大，集成度低，成本高。本技术的目的就是为了克服已有技术存在的不足，提出了一种利用现代薄膜制备技术和现代半导体集成电路技术，将热释电材料直接淀积在硅片衬底上形成热释电薄膜红外敏感元，制备出体积小，集成度高，灵敏度高的集成式热释电薄膜红外探测器。为实现本技术的目的，用包含热释电材料和吸收电极、传导电极的红外敏感元，制有放大电路的硅片衬底和在其之间的热绝缘隔离层构成红外探测器。其特征是热释电材料和热绝缘隔离层是薄膜层，沉积附着在硅片衬底上。附图说明图1为集成式热释电薄膜红外探测器的结构原理图；图2为具有空气隙的集成式热释电薄膜红外探测器的结构原理图。图3为集成式热释电薄膜红外探测器的工作原理图；图4为象限集成式热释电薄膜红外探测器的结构原理图；图5为一维线列阵集成式热释电薄膜红外探测器的结构原理图；图6为二维列阵集成式热释电薄膜红外探测器的结构原理以下结合附图详述本技术。如图1所示，本技术的红外敏感元(1)可以包括热释电薄膜(6)，在其下面作为传导电极(7)的一层铂Pt膜和在其上面作为吸收电极(8)以吸收红外线的一层的镍－铬Ni－Cr膜。硅片衬底(2)中有采用集成电路技术制作的前置放大电路(3)(可以为单个场应晶体管)和次级放大电路(4)(可以为集成运算放大电路)。为保护放大电路(3、4)，在硅片衬底(2)上面可有一层电路保护层(5)。为使热释电薄膜(6)有良好的电学性能和热绝缘性能，在电路保护层(5)上有一层热绝缘隔离层(9)。电路保护层(5)、热绝缘隔离层(9)、传导电极(7)、热释电薄膜(6)和吸收电极(8)都可以采用现代薄膜制备技术依次淀积在硅片衬底(2)上，成为真正的集成化元件。红外敏感元(1)位于放大电路(3、4)的上面，硅片的填充因子可达100％。为使红外探测器具有更好的热绝缘性能和电学性能，获得更高的灵敏度和分辨率，在热绝缘隔离层(9)的下面，即电路保护层(5)和热绝缘隔离层(9)之间，可以增加一层空气隙(10)以增强热绝缘，如图(2)中所示。将进一步改善红外探测器的低频响应效应。本技术的制作过程是在用半导体集成电路技术制备好放大电路(3)、(4)的硅片衬底(2)上，首先用热氧化法制备一层0.2～0.6μm厚的二氧化硅SiO2电路保护层(5)，以保护放大电路(3)、(4)在制作红外敏感元的过程中不致于被破坏。然后在电路保护层(5)上制备一层0.4～0.8μm的氧化镁MgO薄膜作为热绝缘隔离层(9)，以改善热释电薄膜的定向生长特性和结晶特性，提高热释电薄膜的电学性能。氧化镁MgO薄膜可以用射频溅射法或激光闪蒸法制备。如要增设空气隙(10)，即先在二氧化硅SiO2电路保护层(5)上面用溶胶凝胶Sol－Gel法制备一层0.5～2μm的磷酸盐TPS膜，再在磷酸盐TPS膜上制备氧化镁MgO热绝缘隔离层(9)，然后用现代微刻蚀技术将氧化镁MgO膜下面的磷酸盐TPS膜刻蚀掉。这样，氧化镁MgO热绝缘隔离层与二氧化硅SiO2膜保护层之间即形成一层0.5～2μm的空气隙(10)。该空气隙(10)一般仅设在红外敏感元下面。如一个硅片衬底(2)上有若干个红外敏感元(1)，则空气隙(10)如网状分布，既增强了热绝缘，又可保证探测器的内部强度。接着可以在氧化镁MgO薄膜(9)上制备一层0.2～0.6μm厚的铂Pt膜作为传导电极(7)，要求铂Pt膜有一定取向以保证热释电薄膜(6)有良好的取向。铂Pt膜可以用射频溅射法或电子束蒸发法制备。在传导电极(7)上可以用射频溅射法，MOD 法或溶胶凝胶Sol－Gel法制备一层0.5～2μm的具有高度择优取向的晶态热释电薄膜(6)。热释电薄膜选用的材料有(Pb，La)TiO3(钛酸铅镧PLT)，(Sr，Ba)Na2O6(铌酸锶钡SBN)，Pb(Mg1/3Nb2/3)O3(铌镁酸铅PMN)，Pb(Sc，Ta)O3(钪钽酸铅PST)，Pb(Zr，Ti)O3(锆钛酸铅PZT)或LiTaO3(钽酸锂LT)等。为了利于探测器吸收红外线，可以采用真空蒸发法在热释电薄膜(6)上制备一层0.01～0.2μm的镍－铬Ni－Cr膜作为吸收电极(8)用于吸收红外辐射。最后再将红外敏感元(1)和硅片衬底(2)上的放大电路(3、4)用铝电极(11)相联结，封装后即可使用。本技术可以配用频率可调的斩波器(13)和不同波段的红外滤光片(12)，能完成对特定红外波段的信号测量，可以用于红外成像，红外报警，红外监控等方面。其工作原理见图3所示。本技术克服了现有技术的不足，避免了制备热释电红外探测器时的技术困难(材料减薄，倒装焊接等)，其特点是1.集成化生产。采用现代薄膜制备技术在做有放大电路的硅片衬底上直接淀积热释电薄膜，可以实现热释电红外探测器与放大电路在同一块硅片衬底上的集成化。热释电薄膜的厚度和质量可以精确控制。2.体积小，集成度高。由于一个红外敏感元的面积可做到50×50μm2，因而在一块φ75mm或φ100mm硅片上可以同时制备多个红外探测器，集成度可达1024×1024或更高。3.可以规模生产。利用现代半导体集成电路技术和现代薄膜制备技术可以在一条流水线上制备出集成式热释电薄膜红外探测器。4.灵敏度高，分辨率强。本技术注意了红外敏感元与衬底之间的热隔离及各红外敏感元之间的热隔离，从而提高了探测器的单元灵敏度及多元分辨率等技术指标。5.应用广泛。由于集成式热释电红外探测器体积小，灵敏度高，工作可靠，适应的谱段宽(0.8μm～200μm)，因而可以广泛用于红外成像，红外报警，红外监控，光谱分析等方面。由于一个硅片衬底(2)上可以制备若干个独立的集成热释电薄膜红外探测器，根据不同的需要可以构成单元、多元(象限、一维线列阵、二维列阵)等多种形式的红外探测器。实施例一象限集成式热释电红外探测器。如图4所示，在硅片衬底(2)上有至少4个红外敏感元(1)。4个红外敏感元成十形排列，分别与铝电极(11)连接。可用钛酸铅镧PLT或铌镁酸铅PMN作热释电薄膜。实施例二一维线列阵集成式热释电红外探测器。如图5所示，在硅片衬底(2)上有至少16个红外敏感元(1)成一线排列，分别与铝电极(1本文档来自技高网...

【技术保护点】
集成式热释电薄膜红外探测器，由包含热释电材料和吸收电极、传导电极的红外敏感元，制有放大电路的硅片衬底和在其之间的热绝缘隔离层构成，其特征是热释电材料和热绝缘隔离层是薄膜层，沉积附着在硅片衬底上。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】

【专利技术属性】
技术研发人员：肖定全，朱建国，林慎，张毓荣，钱正洪，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：实用新型
国别省市：51[中国|四川]