复合材料红外探测器制备方法技术

复合材料红外探测器制备方法，属于电子材料与元器件技术领域。本发明专利技术包括下述步骤：1）制备衬底和绝热层，衬底的厚度为0.01-10mm；绝热层的厚度为100nm~50um；2）在绝热层上制备热敏感单元，所述热敏感单元包括热敏感薄膜和电极，热敏感薄膜的材料为PZT/PVDF复合热释电材料；热敏感薄膜厚度为15~20um；3）在热敏感单元的表面制作红外吸收层；4）用激光刻蚀的方法对热敏感薄膜和电极进行图形化。本发明专利技术工艺简单，可以实现薄膜的大面积低温制备，满足与ROIC电路兼容的要求。

【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于电子材料与元器件

技术介绍
红外探测技术在现代战争中应用十分广泛，并已逐步实现了向民用部门的转化。红外成像、红外测温、红外测湿、红外检测、红外报警、红外侦查、红外夜视、等已是各行各业争相选用的先进技术，红外技术在民用部门中发挥着日益重要的作用。在红外探测技术中探测器是核心，其特征决定了其所配套的仪器设备的性能和应用领域。红外探测器中常用的热释电材料有BaSrTiO3 (BST) ,PbSrTiO3 (PST)以及PbZrTiO3 (PZT)等陶瓷材料，它们具有 热释电性能优良、介电损耗低、机电耦合系数高等优点，因此应用十分广泛。但其介电常数高，溅射等制备工艺复杂，尤其是过高的制备温度使其与硅基半导体集成电路工艺的兼容性很差，这就极大地限制了 PZT等陶瓷材料在焦平面红外探测器方面的应用。与之相对，有机聚合物如PVDF等介电常数较低，使其具有较高的探测率优值(ρ/ ε )，同时其制备工艺简单，制备温度较低，与硅基集成电路的工艺兼容性较好，这些优点都提高了它在热释电器件应用上的竞争力。但是，PVDF等有机聚合物的热释电系数通常比陶瓷材料低一个数量级以上，使得基于有机聚合物材料研制的探测器探测率较低。因此，将制备工艺简单、与硅基集成电路兼容，且热释电性能优良的新型热敏感材料应用到红外探测器中十分必要。传统的非制冷红外探测器首先是在衬底上制作热绝缘结构，再在热绝缘结构上制作热敏感单元。热敏感单元受到红外辐射时，其温度会升高并导致电学性能的变化。这种电学性能的变化经后续电路处理后即可实现对红外辐射的探测。其中热绝缘结构可以提高热敏感单元的热绝缘性能，减少热敏感单元吸收的热量向周围媒质流失，使热敏感材料获得尽可能大的温升。因此热绝缘结构对非制冷红外探测器的性能有十分重要的影响，它的设计和制备是获得高性能非制冷红外探测器的关键。目前，热绝缘结构主要有微桥结构、热绝缘薄膜层结构和衬底背掏空结构。在这些结果中，微桥结构虽然热绝缘性能好，但技术难度高、工艺复杂、成本高；衬底背掏空结构指将热敏感单元直接制作在衬底上，将热敏感单元背后的部分衬底掏空，减小衬底的热容，提高热敏感单元的温度响应；热绝缘薄膜层结构指在热敏感单元和衬底之间制备一层热导率很低的薄膜材料，减少热敏感单元向衬底的热传导，常用的薄膜材料有多孔二氧化硅(SiO2)、聚酰亚胺(PI)等。在这三种结构中，热敏感单元还需要进行图形化工艺处理，使其与平面内的环境热隔离，减小横向热损失，降低像元间的热串扰。上述热绝缘结构和热敏感单元通常都采用干法(等离子体刻蚀)/湿法(化学腐蚀)刻蚀的方法制作，需要分别对热绝缘结构、敏感材料、电极材料分别进行图形化处理。每一次图形化处理的工艺步骤为①制备薄膜材料，②涂覆光刻胶，③按一定图形对光刻胶曝光，④去除光刻胶，⑤干法或者湿法刻蚀薄膜材料，⑥去除光刻胶。在用干法/湿法刻蚀的方法进行图形化处理的过程中，对于不同的材料，需要选择不同的刻蚀工艺，制作流程多，工艺复杂；刻蚀过程中，容易在薄膜表面留下残余物，不利于下一层薄膜材料的生长，进而导致材料性能下降，损害器件性能；刻蚀过程中，等离子体/腐蚀液会对热敏感薄膜材料造成损伤，也会导致材料性能下降，损害器件性能。因此，用干法/湿法刻蚀的方法制作非制冷红外探测器工艺复杂、效率低，会损害器件性能。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是，提供一种工艺简单、效率高、成本低的复合材料红外探测器制备方法。本专利技术解决所述技术问题采用的技术方案是，包括下述步骤I)制备衬底和绝热层，衬底的厚度为O. Ol-IOmm ;绝热层的厚度为100nnT50um ； 2)在绝热层上制备热敏感单元，所述热敏感单元包括热敏感薄膜和电极，热敏感薄膜的材料为PZT/PVDF复合热释电材料；热敏感薄膜厚度为15 20um ；3)在热敏感单元的表面制作红外吸收层；4)用激光刻蚀的方法对热敏感薄膜和电极进行图形化。进一步的，所述衬底的材料为Si单晶基片，或SrTiO3单晶基片，或LaAlO3单晶基片，或Al2O3单晶基片；绝热层的材料为=SiO2，或Si3N4，或PI。所述步骤2)包括(2. I)掩模镀底电极，(2. 2)流延成型PZT/PVDF薄膜，(2. 3)掩模镀上电极。采用传统的热释电陶瓷材料制备非制冷红外探测器，其介电常数高、溅射等制备工艺复杂，与硅基半导体集成电路工艺的兼容性差；而有机聚合物的热释电系数较低，也限制了其在红外探测器方面的应用。与此相比，本专利技术采用复合热释电材料具有如下的优点复合材料敏感层的制备工艺简单，可以实现薄膜的大面积低温制备，满足与ROIC电路兼容的要求。同时复合材料能够综合陶瓷和聚合物各自的优点，使其既获得了陶瓷材料较高的热释电性能，又保持了聚合物介电常数和损耗较低的优点。采用传统的干法/湿法刻蚀制作非制冷红外探测器工艺复杂，刻蚀过程会污染薄膜界面影响下层薄膜的生长，刻蚀过程会对相邻/本层薄膜造成损害降低薄膜性能，刻蚀速度慢，不适合于对数百微米厚度的材料进行刻蚀。而本专利技术采用激光刻蚀时，对刻蚀材料无选择性，可以实现对多层薄膜的一次刻蚀，不会污染薄膜生长的界面，不会损害材料的性能；刻蚀速度快，适合于对数百微米厚度的材料进行刻蚀；加工精度可达数微米，能满足高密度、高精细的制备要求；工艺重复性好、成品率高，适合大批量生产；激光刻蚀设备成熟，工艺简单，能大幅度降低器件制作成本。附图说明图I是本专利技术涉及的复合材料红外探测器的俯视结构示意图。图2是本专利技术涉及的复合材料红外探测器的剖视结构示意图。其中，I是衬底，2是绝热层，3是底电极，4是热敏感薄膜，5是上电极，6是红外吸收层；图3是本专利技术实施例中的复合材料红外探测器制备工艺流程图。图中序号含义A.在氧等离子体处理过的硅片上旋涂聚酰亚胺层。B.掩模镀下电极。C.流延成型PZT/PVDF薄膜。D.掩模镀上电极。E.制备黑金红外吸收层。F.激光刻蚀，将探测单元图形化。图3的每一步骤的示意图中，左为俯视状态，右为剖视状态。图4是本专利技术实施例中的热敏感薄膜制备工艺流程图。图5是本专利技术实施例中用激光刻蚀制作复合材料红外探测器的热释电系数测图。图6是本专利技术实施例中用激光刻蚀制作复合材料红外探测器的响应电压图。图7是本专利技术实施例中用激光刻蚀制作复合材料红外探测器在不同频率下的探 测率曲线图。具体实施例方式本专利技术提供的用激光刻蚀制作的复合材料红外探测器由衬底I、绝热层2、底电极3、热敏感薄膜4、上电极5和红外吸收层6构成，如附图I所示。其特征是，至少包括以下顺序步骤步骤I :获得衬底I和绝热层2。衬底I可选用的材料有娃(Si)单晶基片，或钦酸银(SrTiO3)单晶基片，或招酸俩(LaAlO3)单晶基片，或氧化招(Al2O3)单晶基片；衬底I的厚度为O. 01-10mm。对于绝热层2，可以选用的材料有SiO2，或多孔SiO2，或氮化硅(Si3N4),或PI;相应的制备方法有匀胶，或溅射，或脉冲激光沉积(PLD)，或金属有机物化学气相沉积(MOCVD)，或等离子体化学气相沉积(PEVCD);绝热层2的厚度为100nm-50um ；步骤2 :在绝热层2上制备热敏感单元。热敏感单元由热敏感薄膜4和底电极3、上电极5构成，如图I所示。热敏感薄膜4选用的材料为P本文档来自技高网...

【技术保护点】
复合材料红外探测器制备方法，其特征在于，包括下述步骤：1）制备衬底和绝热层，衬底的厚度为0.01？10mm；绝热层的厚度为100nm~50um；2）在绝热层上制备热敏感单元，所述热敏感单元包括热敏感薄膜和底电极、上电极，热敏感薄膜的材料为PZT/PVDF复合热释电材料；热敏感薄膜厚度为15~20um；3）在热敏感单元的表面制作红外吸收层；4）用激光刻蚀的方法对热敏感薄膜和电极进行图形化。

【技术特征摘要】
1.复合材料红外探测器制备方法，其特征在于，包括下述步骤 O制备衬底和绝热层，衬底的厚度为O. Ol-IOmm ;绝热层的厚度为100nnT50um ； 2)在绝热层上制备热敏感单元,所述热敏感单元包括热敏感薄膜和底电极、上电极,热敏感薄膜的材料为PZT/PVDF复合热释电材料；热敏感薄膜厚度为15 20um ； 3)在热敏感单元的表面制作红外吸收层； 4 )用激光刻蚀的方法对热敏感薄膜和电极进行图形化。2.如权利要求I所述的复合材料红外探测器制备方法，其特征在于，所述衬底的材料为Si单晶基片，或SrTiO3单晶基片，或LaAlO3单晶基片，或Al2O3单晶基片；绝热层的材料为Si02，或 Si3N4，或 PI。3.如权利要求I所述的复合材料红外探测器制备方法，其特征在于，所述步骤2)包括 (2. I)掩模镀底电极， (2. 2)流延成型PZT/PVDF薄膜， (2. 3)掩模镀上电极。4.如权利要求3所述的复合材料红外探测器制备方法，其特征在于，所述步骤(2.2)包括 Ca)将PVDF粉料按照一定的的质量配比溶于N，N- 二甲基甲酰胺溶...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴传贵，蔡光强，罗文博，彭强祥，孙翔宇，柯淋，张万里，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：