一种热释电红外探测器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种热释电红外探测器及制备方法，属于电子材料与元器件技术领域。本发明专利技术的方法为：首先清洗硅衬底，并对硅衬底进行沉积处理；并在硅衬底的基片上制作带斜坡的凹槽；清洗凹槽并进行沉积处理，在凹槽表面形成阻挡层；然后对硅衬底进行清洗，吹干处理；并在凹槽壁、凹槽的一侧边上制备底电极；接着在凹槽壁内的底电极上方沉积热释电厚膜材料，待烘干、等静压处理后，烧结为陶瓷；最后，在热释电厚膜材料上制备上电极。本发明专利技术还公开了基于本发明专利技术的制备方法所获得的一种新的热释电红外探测器结构。本发明专利技术的应用，可以有效防止厚膜材料的开裂，保护厚膜完整性，有利于提高厚膜的质量和探测器的成品率，使热释电厚膜探测器获得良好的性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电子材料与元器件
，尤其涉及一种热释电红外探测器及制备方法。
技术介绍
热释电红外探测器利用热释电材料的热释电效应工作。热释电材料处于低于居里温度的恒温环境时，其自极化电荷密度保持不变，这些电荷被空气中的带电离子中和；当红外辐射入射热释电材料，被材料吸收后，材料温度升高，自极化强度变小，即电荷面密度变小。这样，热释电材料表面存在多余的中和电荷，这些电荷以电压或电流的形式输出，该输出信号可以用来探测辐射。相反，当截断该辐射时，热释电材料温度降低，自极化强度增加， 有相反方向的电流或电压输出。可见，要提高热释电红外探测器的灵敏度，应该提高热释电敏感元的材料性能和绝热性能，这样在其他条件相同时，可以获得更高的响应信号。目前，常用的热释电材料有BST、PZT、LiTaO3和TGS等；热释电材料的形态有单晶/陶瓷块体材料、薄膜材料和厚膜材料。单晶/陶瓷块体材料用晶体外延生长或者传统陶瓷工艺制成，其优点是材料性能好，热释电系数高，介电损耗小。缺点是在使用块体材料制作热释电红外探测器件时，块体材料要经过切片、研磨、抛光等工艺，减薄到几十微米，工艺复杂、成本高，且成品率低；当样品减薄到一定厚度时，材料的机械性能下降，一些微缺陷将暴露出来，会损害材料性能。减薄后的热释电敏感元通过导电胶和衬底粘接在一起，使得热绝缘性能差，敏感元吸收的热量大部分被流失，导致响应信号小、 探测器灵敏度差。为了获得更高的器件性能，人们提出了发展以热释电薄膜为敏感元的新型热释电红外探测器。它利用射频派射(Rf-Sputtering)法、金属有机物化学气相沉积(MOCVD)法、 溶胶-凝胶(Sol-gel)法以及分子束外延(MBE)法等在硅衬底上制备厚度为几十——几百纳米厚的薄膜材料，再利用硅微细加工的办法，形成微桥、悬臂梁等结构，提高热释电薄膜敏感元的绝热性能。其优点是一方面采用热绝缘结构减小了热损耗，降低了热串扰，可以提高器件性能；另一方面利用成熟的半导体工艺，简化了工艺、降低了成本，为研制阵列数目更大的探测器提供了保障。缺点是热释电薄膜材料性能低、制备工艺重复性、一致性差，不利于大批量生产。厚膜材料其厚度在一微米到几十微米的范围，制备工艺成熟，主要的制备方法有丝网印刷(Screen Printing)、新型Sol-gel制备技术和电泳沉积(Electrophoretic Deposition)等。厚膜材料兼顾了块材和薄膜材料的优点，它材料性能高，制备工艺成熟、低廉，工艺重复性和一致性好，适合大批量生产；它图形化能力强，与半导体微细加工工艺兼容，能形成性能良好的绝热结构。正由于厚膜材料这些优点，人们对利用厚膜热释电材料制备红外探测器进行了深入研究。传统的热释电红外探测器(结构示意图如附图1所示)的制作方法为(I)在衬底101表面制备阻挡层102，采用光刻工艺和溅射技术，将底电极刻成所需图案并制备底电极103 ；(2)在底电极103上制备热释电厚膜材料104，待厚膜静置平坦和烘干后，利用等静压将厚膜表面压平，接着高温烧结使之成瓷，得到热释电红外探测单元；(3)在热释电红外探测单元上面溅射上电极105，对厚膜进行极化，获得有一定性能的厚膜材料。上述制备方法存在一定的问题，首先是厚膜材料烧结温度高、材料性能差。由于可以通过调整组份来制备所需性能优良的材料，所以在制备厚膜材料时加入了许多相，而材料混合不均匀及致密度较差会导致烧结温度高，所获材料性能较差；其次也是最严重的缺陷厚膜材料容易开裂。为了获得表面平整度较高的厚膜必须对厚膜材料进行等静压处理， 而在做等静压时厚膜会承受一定的压力，由于厚膜底部有阻挡层材料支撑平衡了向下的压力，但是厚膜四周侧面没有支撑体，表面不平整的厚膜受力就会不均衡，其侧面会承受向外的张力，加之如果所制备的厚膜材料混合不均匀，厚膜中存在不均匀的孔洞和间隙，在厚膜承受压力后就很容易发生开裂。开裂严重损害厚膜的质量，同时也不利于上电极的制备，大大降低红外探测器的成品率。因此，为了保证厚膜材料的质量，获得性能良好和成品率较高的热释电红外探测器，解决制备过程中厚膜烧结温度高，材料性能差及厚膜开裂问题至关重要。
技术实现思路
本专利技术的专利技术目的在于针对上述存在的问题，提供一种性能良好的凹槽结构的热释电红外探测器及其制备方法。本专利技术的一种热释电红外探测器的制备方法，包括下述步骤步骤S1:清洗硅衬底，并对所述硅衬底进行沉积处理；步骤S2 :在所述硅衬底的基片上制作带斜坡的凹槽； 步骤S3 :清洗所述凹槽并进行沉积处理，在所述凹槽表面形成阻挡层；步骤S4 :对步骤S3处理后的硅衬底进行清洗，吹干处理；光刻底电极图形，并在所述凹槽壁、凹槽的一侧边上制备底电极；步骤S5 :在所述凹槽壁内的底电极上方沉积热释电厚膜材料，并进行烘干、等静压处理，再烧结为陶瓷；步骤S6 :光刻上电极图形，在所述热释电厚膜材料上制备上电极。为了解决热释电厚膜探测器中厚膜材料性能差，烧结温度高及厚膜材料易开裂的问题，本专利技术基于微机械工艺，本专利技术在衬底形成一定坡度的凹槽结构。凹槽存在一定坡度是为了在制备底电极时能将其顺利的引出，因为如果凹槽的坡面近似垂直，在制备底电极时在凹槽坡面可能只有极其稀薄的电极甚至没有电极，使得凹槽底面的底电极就无法和衬底表面的底电极连接起来，这样电极就会断裂开，严重损害电极的质量，因此要求所制备的凹槽有一定的坡度。硅基片满足以上条件，而且硅体技术工艺简单，可重复性高，且与厚膜工艺兼容性好，因此衬底材料选用硅基片。硅衬底的厚度为O. 3-1_。本专利技术采用一种硅通孔互连制作技术在硅衬底中制备形成有一定坡度和深度的凹槽结构，在凹槽中制备阻挡层和底电极后，沉积热释电厚膜材料，使其刚好填满整个凹槽，使得硅凹槽的底部和侧面都有硅衬底材料的支撑，在等静压时每个面都受力平衡，很好的保护了受压状态下的热释电厚膜材料。同时所制备的热释电厚膜材料在等静压的情况下膜表面平整且致密度较好，有利于降低烧结温度获得性能良好的厚膜材料。而且制备凹槽结构所用的硅通孔互连制作技术工艺成熟，操作简单，易于制备所需的凹槽结构。本专利技术中，在所述硅衬底的基片上制作带斜坡的凹槽的方法有腐蚀或者干法刻蚀。腐蚀可以通过具有各向异性的腐蚀液来制备有一定坡度的凹槽，各向异性腐蚀液主要有氢氧化钾(Κ0Η)、有机溶液EDP、四甲基氢氧化铵(TMAH)等；干法刻蚀同样可以获得一定坡度的凹槽，主要有化学干法等离子体刻蚀、物理干法等离子体刻蚀以及化学/物理结合作用的反应离子刻蚀(RIE)和高密度等离子体刻蚀(HDP)。制备的凹槽的深度取为 5-50 μ m0在本专利技术中，可选用的阻挡层材料有=SiO2，或多孔SiO2，或氮化硅(Si3N4);相应的制备方法有脉冲激光沉积(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(PEV⑶)；阻挡层厚度取为O. 5-5 μ m。本专利技术的步骤4中在所述凹槽壁、凹槽的一侧边上(凹槽任一侧面的阻挡层上) 制备底电极时，底电极可选用的材料有镍(Ni)，或铬(Cr)，或钼(Pt)，或金(Au)，或锰酸锶镧(LSM0)，或钇钡铜氧(YBaCuO)等；底电极203的制备方法有溅射，或PLD等。底电极的厚度取为IOnm-1 μ m。本专利技术的步本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种热释电红外探测器的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：步骤S1：清洗硅衬底，并对所述硅衬底进行沉积处理；步骤S2：在所述硅衬底的基片上制作带斜坡的凹槽；步骤S3：清洗所述凹槽并进行沉积处理，在所述凹槽表面形成阻挡层；步骤S4：对步骤S3处理后的硅衬底进行清洗，吹干处理；光刻底电极图形，并在所述凹槽壁、凹槽的一侧边上制备底电极；步骤S5：在所述凹槽壁内的底电极上方沉积热释电厚膜材料，并进行烘干、等静压处理，再烧结为陶瓷；步骤S6：光刻上电极图形，在所述热释电厚膜材料上制备上电极。

【技术特征摘要】
1.一种热释电红外探测器的制备方法，其特征在于，包括下述步骤 步骤S1:清洗硅衬底，并对所述硅衬底进行沉积处理； 步骤S2 :在所述硅衬底的基片上制作带斜坡的凹槽； 步骤S3 :清洗所述凹槽并进行沉积处理，在所述凹槽表面形成阻挡层； 步骤S4 :对步骤S3处理后的硅衬底进行清洗，吹干处理；光刻底电极图形，并在所述凹槽壁、凹槽的一侧边上制备底电极； 步骤S5 :在所述凹槽壁内的底电极上方沉积热释电厚膜材料，并进行烘干、等静压处理，再烧结为陶瓷； 步骤S6 :光刻上电极图形，在所述热释电厚膜材料上制备上电极。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括步骤S7:将硅衬底的下表面掏空，形成悬空热绝缘结构。3.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤SI中，沉积处理的材料为氮化硅(Si3N4)。4.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤S2中，采用各向异性的腐蚀液在所述硅衬底的基片上腐蚀出凹槽；或者采用干法在所述硅衬底的基片上刻蚀出凹槽，所述凹槽的深度为5-50 μ m。5.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤S3中，阻挡层的材料为SiO2，...

【专利技术属性】
技术研发人员：张欣翼，王晓川，许丽娜，姚佶，
申请(专利权)人：四川汇源科技发展股份有限公司，
类型：发明
国别省市：