CN102393249A - 一种热释电红外探测器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的是一种基于晶片键合技术实现的热释电红外探测器及其制备方法。所述热释电红外探测器包括硅衬底(1)、硅衬底(1)表面的绝热层(2)、键合层(3)、热释电材料片(4)、上电极层(6)及红外吸收层(7)，其中所述硅衬底(1)的绝热层(2)和所述热释电材料片(4)在制备方法中通过所述键合层(3)键合在一起。本发明在热释电晶片与硅衬底结合的同时保证了原始晶片完整性，与同种热释电材料的薄膜热释电探测器相比，具有易加工、材料强度高、厚度容易实现、抵抗外界恶劣环境的影响能力较强、热散失轻等优点。

Description

一种热释电红外探测器及其制备方法

技术领域

本发明涉及红外探测技术领域，特别涉及一种热释电探测器及其制备方法。

背景技术

热释电红外探测器是70年代以来取得重大进展的一种新型热探测器。它是利用某些材料的热释电效应探测红外辐射的接收器件。由于其价格低、重量轻、光谱响应度宽、响应速度快、室温非制冷、易于成像、性价比高等优点，被广泛用于军事、工业、医药卫生、科学研究及环境监测等领域，成为当前红外技术领域研究的热点之一。

影响红外探测器性能的关键因素有两个：一个因素是探测器单元的结构，另一个是热释电材料的性能。而热释电材料的选择尤为重要。按其形态类型可分为体材料和薄膜材料两大类。薄膜热释电探测器因其热容量小，响应速度较快而备受大家追捧。但是薄膜热释电材料不易加工、材料强度不够、厚度不容易实现、抵抗外界恶劣环境能力较弱、热散失较为严重等诸多缺点，相对较难达到产业化进程控制。

发明内容

针对现有的热释电红外探测设备的上述不足，本发明提供一种易加工、材料强度高、厚度容易实现、抵抗外界恶劣环境的影响能力较强、热散失较轻的热释电红外探测器及其制备方法。本发明采用晶片键合技术，即采用在不加任何粘合剂的情况下，将经过表面处理达到一定洁净度和平整度的两个晶片紧密的粘在一起的制备方法。采用晶片键合技术的热释电红外探测设备的主要优点是克服了大的热膨胀系数差和大的晶格系数失配差所导致的晶片在生长过程中的界面缺陷、弹性应力和位错扩散到整个材料，从而能将不同材料在保留原始晶片完整性的情况下粘在一起。

本发明提供的热释电红外探测器，其特征在于，包括硅衬底(1)、硅衬底(1)表面的绝热层(2)、键合层(3)、热释电材料片(4)、上电极层(6)及红外吸收层(7)，其中所述硅衬底(1)的绝热层(2)和所述热释电材料片(4)通过所述键合层(3)键合在一起。

优选地，所述键合层(3)采用金属介质，并且作为探测器的下电极层。进一步优选地，所述金属介质包括Au-Sn合金或者焊锡。

优选地，所述绝热层(2)是采用射频溅射法在氩气气氛下在所述硅衬底(1)上制备的二氧化硅膜层。

优选地，所述热释电材料片(4)采用热释电铌酸锂晶体、铌酸锶钡、钽酸锂晶体、硫酸甘氨酸晶体或者硫酸锂晶体等热释电晶体材料。并且，所述热释电材料片(4)经过研磨法减薄。

优选地，所述硅衬底(1)为凳型微桥结构。

基于键合技术，本发明还提供了一种热释电红外探测器制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，将硅衬底(1)的表面生成绝热层(2)；

步骤2，将硅衬底(1)的所述绝热层(2)与热释电材料片(4)相键合；

步骤3，在所述热释电材料片(4)上面制作上电极层(6)及红外吸收层(7)。

优选地，所述步骤2中采用金属介质键合所述绝热层(2)与热释电材料片(4)。进一步优选地，所述金属介质包括Au-Sn合金或者焊锡。步骤2中将所述金属介质形成的键合层作为探测器的下电极层。进一步优选地，步骤2所述的键合具体包括：对所述绝热层(2)和热释电材料片(4)分别进行抛光、清洁、活化和金属介质钎焊片的表面处理；加热至特定温度并施加特定压力使所述金属介质焊焊片充分融化，将所述绝热层(2)和热释电材料片(4)相粘合。

优选地，所述步骤1中生成所述绝热层(2)是采用射频溅射法在氩气气氛下在所述硅衬底(1)上制备的二氧化硅膜层。

优选地，所述热释电材料片(4)采用热释电铌酸锂晶体、铌酸锶钡、钽酸锂晶体、硫酸甘氨酸晶体或者硫酸锂晶体等热释电晶体材料。

优选地，所述步骤3包括对所述热释电材料片(4)经过研磨法减薄，以及通过光刻胶掩蔽和直流溅射工艺制作所述上电极层(6)及红外吸收层(7)。

优选地，所述制备方法进一步包括：对所述硅衬底(1)进行刻蚀形成凳形微桥结构。

本发明的热释电红外探测器在使用时作为下电极的键合层(3)接地，当红外光照射到红外吸收层(7)时，通过对光能的吸收，然后传递给热释电铌酸锂晶片等热释电材料片(4)，由于热释电铌酸锂晶体等热释电材料片(4)的热释电效应，在其表面就会立即产生一个瞬时的电信号，在通过上电极层(6)输出该电信号，从而实现对红外线的传感探测。经试验表明采用键合技术的热释电红外探测器，与同种热释电材料的薄膜热释电探测器相比，具有易加工、材料强度高、厚度容易实现、抵抗外界恶劣环境的影响能力较强、热散失轻等优点。

附图说明

图1是本发明优选实施例的热释电红外探测器制备方法各阶段示意图；

图2是图1(b)所示衬底结构的俯视图；

图3是图1(g)所示衬底结构的俯视图；

图4是本发明优选实施例的热释电红外探测器的结构示意图。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合具体实施方式并配合附图详予说明。

本发明公开的是一种基于晶片键合技术实现的热释电红外探测器及其制备方法。所述键合技术是指在不加任何粘合剂的情况下，将经过表面处理达到一定洁净度和平整度的两个晶片紧密的粘在一起的方法。晶片键合技术的主要优点是克服了大的热膨胀系数差和大的晶格系数失配差所导致的晶片在生长过程中的界面缺陷、弹性应力和位错扩散到整个材料，从而能将不同材料在保留原始晶片完整性的情况下粘在一起。

图1是本发明优选实施例的热释电红外探测器制备方法各阶段示意图。下面结合图1介绍所述制备方法：

1.硅衬底的处理：图1(a)示出了用于探测器的硅衬底1。首先对3英寸见方的Si基片去除油污，然后分别用丙酮、酒精和去离子水在超声波下对硅衬底1清洗15分钟，最后再烘干。

2.在硅衬底1的表面生成绝热层：采用射频溅射法在氩气气氛下在硅衬底1上沉积一层3μm厚度的二氧化硅(SiO₂)膜层，作为图1(b)所示的绝热层2，并且该二氧化硅膜层也作为过渡层。制作绝热层2的具体参数包括：被底真空5.0×10^-3、工作气体压强0.15Pa、氩气流量30mL/min、电流为0.38A、溅射时间60min。图2示出了图1(b)所示衬底结构的俯视图。

3.生成键合层：通过粘合键合技术将分离的热释电材料片与硅衬底1的绝热层2即上述二氧化硅膜层相键合，如图1(c)所示。所述热释电材料片可以选用热释电晶体材料，包括热释电铌酸锂晶体、铌酸锶钡、钽酸锂晶体、硫酸甘氨酸晶体或者硫酸锂晶体；热释电材料片与硅衬底1的绝热层2以金属介质相键合，所述金属介质包括Au-Sn合金或者焊锡。本实施例中，采用铌酸锂晶片4与硅衬底1的绝热层2相键合，金属介质选取质量比为4∶1的Au-Sn合金钎焊片，作为二者的键合介质。首先，将绝热层2即二氧化硅膜层的表面和热释电铌酸锂晶片4的表面分别经抛光、清洁和活化以及覆盖Au-Sn合金钎焊片的表面处理，然后将二者放在同一加热板上并同时在铌酸锂晶片4上放一比较大的质量块以施加特定压力，本实施例中在50牛的压力下加热至300℃左右，从而保证热释电铌酸锂晶片4和绝热层2二者表面的Au-Sn合金钎焊片均充分融化，并且将硅衬底1与铌酸锂晶片4粘在一起；最后在自然条件下冷却。如图1(c)所示，金属介质在经过键合处理后形成键合层3，硅衬底1与铌酸锂晶片4通过键合层3键合在一起；并且键合层3作为探测器的下电极层，在使用时接地。

4.热释电铌酸锂晶片4减薄：采用精密研磨抛光机对热释电铌酸锂晶片4进行研磨至80μm左右，然后抛光；减薄后的铌酸锂晶片4如图1(d)所示。

5.在减薄后的铌酸锂晶片4上涂覆光刻胶，再通过曝光、显影、后烘、等离子扫描胶等光刻工艺在光刻胶上制作出晶片式热释电探测器的上电极层所对应的图形，如图1(e)的光刻胶5所示。

6、通过上述光刻胶5作为掩蔽，采用真空磁控溅射机以直流溅射法在上述光刻工艺后的衬底上溅射铜作为上电极层，厚度约200nm，如图1(f)的上电极层6所示。

7、在溅射铜后的衬底上采用真空磁控溅射机以直流溅射法溅射黑色金为红外吸收层，厚度约300nm，如图1(f)的红外吸收层7所示。

8、用丙酮除去图1(f)的光刻胶，去除后的衬底如图1(g)所示，包括硅衬底1、绝热层2、键合层3、热释电材料片4、上电极层6及红外吸收层7。图3示出了图1(g)所示衬底结构的俯视图。

9、用氢氧化钾(KOH)刻蚀硅衬底1，将硅衬底1做成凳型微桥结构，以便阻止热流散失。

经过以上步骤，完成了本发明基于键合技术的热释电红外探测器的制作。图4示出了热释电红外探测器的结构，包括：硅衬底1、绝热层2、键合层3、热释电材料片4、上电极层6及红外吸收层7。硅衬底1的绝热层2是采用射频溅射法在氩气气氛下在所述硅衬底1上制备的二氧化硅膜层。所述硅衬底1的绝热层2和所述热释电材料片4通过所述键合层3键合在一起。键合层3可以采用Au-Sn合金或者焊锡等金属介质，本实施例中是质量比为4∶1的Au-Sn合金。键合层3还作为探测器的下电极层。热释电材料片4采用热释电铌酸锂晶体、铌酸锶钡、钽酸锂晶体、硫酸甘氨酸晶体或者硫酸锂晶体等热释电晶体材料，并经过研磨法减薄至厚度80μm左右。上电极层6是以直流溅射法溅射的铜电极层，厚度约200nm；红外吸收层7是以直流溅射法溅射黑色金，厚度约300nm。硅衬底1被蚀刻为图4所示的凳型微桥结构，以便阻止探测时的热流散失。

在应用过程中，本发明所示热释电红外探测器的下电极即键合层3接地，当红外光照射到红外吸收层7时，通过对光能的吸收，然后传递给热释电铌酸锂晶片4，由于热释电铌酸锂晶体的热释电效应，在其表面就会立即产生一个瞬时的电信号，在通过上电极层6输出该电信号，从而实现对红外光的传感。

采用键合技术的热释电红外探测器及其制备方法，在热释电晶片与硅衬底结合的同时保证了原始晶片完整性，与同种热释电材料的薄膜热释电探测器相比，具有易加工、材料强度高、厚度容易实现、抵抗外界恶劣环境的影响能力较强、热散失轻等优点。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种热释电红外探测器，其特征在于，包括硅衬底(1)、硅衬底(1)表面的绝热层(2)、键合层(3)、热释电材料片(4)、上电极层(6)及红外吸收层(7)，其中所述硅衬底(1)的绝热层(2)和所述热释电材料片(4)通过所述键合层(3)键合在一起。

2.根据权利要求1所述的热释电红外探测器，其特征在于，所述键合层(3)采用金属介质，并且作为探测器的下电极层。

3.根据权利要求2所述的热释电红外探测器，其特征在于，所述金属介质包括Au-Sn合金或者焊锡。

4.根据权利要求1所述的热释电红外探测器，其特征在于，所述绝热层(2)是采用射频溅射法在氩气气氛下在所述硅衬底(1)上制备的二氧化硅膜层。

5.根据权利要求1所述的热释电红外探测器，其特征在于，所述热释电材料片(4)采用热释电铌酸锂晶体、铌酸锶钡、钽酸锂晶体、硫酸甘氨酸晶体或者硫酸锂晶体等热释电晶体材料。

6.根据权利要求5所述的热释电红外探测器，其特征在于，所述热释电材料片(4)经过研磨法减薄。

7.根据权利要求1所述的热释电红外探测器，其特征在于，所述硅衬底(1)为凳型微桥结构。

8.一种热释电红外探测器制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，采用射频溅射法在氩气气氛下将硅衬底(1)的表面生成二氧化硅膜层作为绝热层(2)；步骤2，将硅衬底(1)的所述绝热层(2)与热释电材料片(4)相键合，所述热释电材料片(4)采用热释电铌酸锂晶体、铌酸锶钡、钽酸锂晶体、硫酸甘氨酸晶体或者硫酸锂晶体等热释电晶体材料；

步骤3，所述热释电材料片(4)经过研磨法减薄，然后通过光刻胶掩蔽和直流溅射工艺在所述热释电材料片(4)上面制作上电极层(6)及红外吸收层(7)；

步骤4，对所述硅衬底(1)进行刻蚀形成凳形微桥结构。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述步骤2中采用金属介质键合所述绝热层(2)与热释电材料片(4)，并且所述金属介质形成的键合层作为探测器的下电极层。

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述金属介质包括Au-Sn合金或者焊锡。

Images