CN102903789A

CN102903789A - 复合材料红外探测器制备方法

Info

Publication number: CN102903789A
Application number: CN2012102346594A
Authority: CN
Inventors: 吴传贵; 蔡光强; 罗文博; 彭强祥; 孙翔宇; 柯淋; 张万里
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2012-07-09
Filing date: 2012-07-09
Publication date: 2013-01-30
Anticipated expiration: 2032-07-09
Also published as: CN102903789B

Abstract

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。

Description

复合材料红外探测器制备方法

技术领域

本发明属于电子材料与元器件技术领域。

背景技术

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(p/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。

发明内容

本发明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。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，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。

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：(2.1)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，本发明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。而本发明采用激光刻蚀时，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1是本发明涉及的复合材料红外探测器的俯视结构示意图。

图2是本发明涉及的复合材料红外探测器的剖视结构示意图。

其中，1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是本发明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是本发明实施例中的热敏感薄膜制备工艺流程图。

图5是本发明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是本发明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是本发明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。

具体实施方式

本发明提供的用激光刻蚀制作的复合材料红外探测器由衬底1、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1所示。其特征是，至少包括以下顺序步骤：

步骤1：获得衬底1和绝热层2。衬底1可选用的材料有：硅(Si)单晶基片，或钛酸锶(SrTiO₃)单晶基片，或铝酸镧(LaAlO₃)单晶基片，或氧化铝(Al₂O₃)单晶基片；衬底1的厚度为0.01-10mm。

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1所示。热敏感薄膜4选用的材料为PZT/PVDF复合热释电材料；热敏感薄膜4的厚度为15-20um；

电极可选用的材料有铂(Pt)，或金(Au)，或铝(Al)，或镍铬合金(NiCr)，或氧化铟锡(In₂O₃-SnO₂)，或钇钡铜氧(YBaCuO)，或钌酸锶钡(Ba_xSr_1-x)RuO₃(0≤x<1)，或镍酸镧(LaNbO₃)；电极3、5的厚度为10nm-1um；电极的制备方法有溅射，或PLD。

步骤3：在上电极5表面制备红外吸收层6。红外吸收层6可选用的材料有金黑(Au)，或铂黑(Pt)，或铝黑(Al)，或炭黑(C)；红外吸收层6的厚度为10-50nm；红外吸收层6的制备方法为真空蒸镀。

步骤4：用激光刻蚀的方法对热敏感薄膜4和底电极3、上电极5进行图形化。按照设计的非制冷红外探测器的结构，确定热敏感薄膜4和电极3、5需要被刻蚀的部分，将其图形输入到激光刻蚀机的控制软件中，设定激光刻蚀参数，如激光束面积、功率密度和刻蚀速度，激光刻蚀机就会按设定的图形对热敏感薄膜4和电极3、5进行刻蚀。激光刻蚀的参数为激光束光斑直径1-100um，功率0.1-10W，扫描速度0-500mm/s。

热敏感单元的制备步骤包括掩模镀底电极、流延成型PZT/PVDF薄膜、掩模镀上电极。其中流延成型PZT/PVDF薄膜包括：

（a）将PVDF粉料按照一定的质量配比溶于N,N-二甲基甲酰胺(DMA)溶剂中，搅拌、超声直至其充分溶解；

（b）加入与PVDF相同质量的PZT陶瓷粉，通过超声、搅拌使其分散均匀，得到混合均匀的浆料；

（c）在流延成膜前将上述混合均匀的浆料放入真空干燥箱中进行真空处理并静置10min以除去浆料中的气泡；

（d）然后将浆料在上述的绝热层2和底电极3表面流延成型；

（e）将其放入烘箱中在80℃下烘干1h以使溶剂全部挥发。待薄膜完全干燥后升温至160℃处理10min以增强复合材料与基板间的附着性；

（f）在155℃下对复合材料极化1h使其内部的陶瓷粉体充分极化；

（g）降温至100℃对复合材料极化1h以完成对聚合物基体的充分极化。

本发明的原理是采用的复合热释电材料，一方面可以实现材料低温制备，满足与ROIC电路兼容的要求。另一方面，由于界面效应的存在，可以使复合材料在热释电性能提高的前提下保持其介电常数和损耗较低的优点，使得采用复合材料制作的器件具有较高的探测度优值因子F_D和探测率D^*。采用激光刻蚀的方法，通过设定激光束参数，如激光束面积、功率密度和刻蚀速度，就可以将一定深度和宽度的材料刻蚀掉，实现对热敏感单元、和绝热层的图形化。经热敏感薄膜和电极图形化后，热敏感单元周围的绝大部分材料被刻蚀掉，阻碍了横向热传导，减少了热损失；经绝热层刻蚀图形后，未被刻蚀的绝热材料用作支撑热敏感单元，其余的被刻蚀掉，阻碍了横向热传导，减少了热损失。经过上述的激光刻蚀图形化过程制成的非制冷红外探测器，具有独特的热绝缘结构，它综合了微桥结构和热绝缘薄膜层结构的优点，具有热绝缘性能高、热容小、机械性能优的特点。

Claims

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：

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1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：SiO₂，或Si₃N₄，或PI。

3.如权利要求1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：

（2.1）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：

（a）将PVDF粉料按照一定的的质量配比溶于N,N-二甲基甲酰胺溶剂中，搅拌、超声直至其充分溶解；

（d）将浆料在绝热层和底电极表面流延成型；

（e）将其放入烘箱中在80℃下烘干1h以使溶剂全部挥发；待薄膜完全干燥后升温至160℃处理10min以增强复合材料与基板间的附着性；

5.如权利要求1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4）中，激光束光斑直径1-100um，功率0.1-10W，扫描速度0-500mm/s。

6.如权利要求1所述的复合材料红外探测器制备方法，其特征在于，衬底为（100）取向的n型抛光的Si单晶基片；绝热层为PI薄膜，厚度10um。

7.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，上电极与底电极厚度为10nm-1um，材料为Pt。