CN103346250A - 热释电薄膜红外焦平面探测器芯片及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及探测器技术领域，尤其是热释电薄膜红外焦平面探测器芯片，其从下至上依次包括衬底、黏合层、绝热支撑结构、下电极、光敏元、上电极和红外吸收层；所述绝热支撑结构包括：隔热层，所述隔热层包括上下交替层叠的SiO₂纳米阵列和TiO₂纳米阵列；形成在所述隔热层表面的过渡支撑层，所述过渡支撑层包括从下至上依次层叠的若干层SiO₂过渡结构，以及沉积在所述SiO₂过渡结构表面的HfO₂膜；所述过渡支撑层的孔隙率从下至上逐渐降低。本发明制备方法简单，灵活调节控制绝热支撑结构的孔隙率，有效降低探测器芯片的热导率，在满足探测器对绝热支撑结构应力释放要求的同时提高探测器的灵敏度、稳定性和可靠性。

Description

热释电薄膜红外焦平面探测器芯片及其制作方法

技术领域

本发明涉及红外探测技术领域，尤其是对一种包含高效可靠SiO₂和TiO₂复合材料与复合结构的热释电红外焦平面探测器绝热支撑结构及其制作方法。

背景技术

热释电薄膜红外焦平面探测器具有在室温下的工作频率、光谱响应宽、响应速度快、探测率高、能显著提高传感器集成度、性价比高等优势，在红外夜视、红外制导、红外成像，以及利用红外焦平面探测器进行消防和抢险救援等军事和民用领域均有广阔应用。热释电薄膜红外焦平面探测器的灵敏度主要取决于光敏元薄膜材料热释电系数和衬底热阻。衬底热阻越大，灵敏度就越高。此外，为了降低探测器的噪音，探测器的光敏元件和信号读出电路应该集成在同一衬底上。

然而，硅作为探测器芯片最常用的衬底，其热阻小，硅衬底与光敏元器件和信号读出电路之间，必须有一层绝热层来确保良好的热阻性，同时还起到保证红外热转换效率和机械支撑等作用，减小探测器热导率和提高红外焦平面探测器灵敏度。

现有的硅基热释电薄膜红外焦平面探测器芯片中，其绝热层结构主要是微桥结构。然而，该结构的制备依赖于微加工、牺牲层等技术，存在工艺复杂、器件结构中多层膜之间热膨胀系数失配造成电极引线断裂而导致成品率低、成本高等问题。

尤其是以溶胶-凝胶法制备SiO₂气凝胶孔隙薄膜作为绝热层的制备方法，工艺条件复杂苛刻，需要在超临界条件下进行溶剂挥发和干燥，并且受催化剂、胶联反应副反应等因素影响，不宜于对孔隙结构形成进行控制，影响SiO₂气凝胶的机械性能和热传导可靠性。这种制备方法单纯使用SiO₂气凝胶在3～8μm波段具有明显的吸收，会造成高温下SiO₂气凝胶热导率升高。并且，在热释电薄膜红外焦平面探测器芯片制作过程中需要反复进行高温退火处理，致使纯SiO₂气凝胶随退火次数增加，孔隙率越来越低，无法达到理想的热绝缘效果，导致探测器灵敏度降低。虽然在SiO₂气凝胶中掺杂TiO₂或炭黑等红外阻隔剂，可以明显提高改善SiO₂气凝胶在高温时的隔热效率，但掺杂方法和工艺同样存在各种困难，难于操作控制。此外，高孔隙率的SiO₂气凝胶作绝热结构时表面粗燥度过高，容易导致探测器由于局部大电流击穿。

综上所述，由于制备工艺和技术存在上述局限性，使绝热层制备成为热释电薄膜红外焦平面探测器芯片制作过程中的一个关键技术瓶颈。

发明内容

本发明提供的热释电薄膜红外焦平面探测器芯片，尤其是针对现有绝热层制备技术存在问题，能灵活调节控制绝热支撑结构的孔隙率，有效降低探测器芯片的热导率，大大提高探测器的灵敏度，在满足探测器对绝热支撑层结构应力释放要求的同时提高探测器的稳定性和可靠性。

第一种热释电薄膜红外焦平面探测器芯片从下至上依次包括衬底、黏合层、绝热支撑结构、下电极、光敏元、上电极和红外吸收层；所述绝热支撑结构包括：

隔热层，所述隔热层包括上下交替层叠的SiO₂纳米阵列和TiO₂纳米阵列；

形成在所述隔热层表面的过渡支撑层，所述过渡支撑层包括从下至上依次层叠的若干层SiO₂过渡结构，以及沉积在所述SiO₂过渡结构表面的HfO₂膜；所述过渡支撑层的孔隙率从下至上逐渐降低。

优选地，所述SiO₂纳米阵列和/或TiO₂纳米阵列的平均孔隙率大于70％。

优选地，所述SiO₂纳米阵列和/或TiO₂纳米阵列与所述衬底的法线成取向角度α范围为0～50°。

优选地，所述SiO₂纳米阵列由多个SiO₂纳米结构单元组成，所述SiO₂纳米结构单元直径为60～120nm，相邻SiO₂纳米结构单元的间隙为40～130nm；所述TiO₂纳米阵列由多个TiO₂纳米结构单元组成，所述TiO₂纳米结构单元直径为60～120nm，相邻TiO₂纳米结构单元的间隙为40～130nm。

优选地，所述SiO₂纳米阵列或TiO₂纳米阵列的厚度范围为200～1000nm。

优选地，所述SiO₂纳米阵列和/或TiO₂纳米阵列的纳米结构单元为柱状、斜棒状或螺旋状中的至少一种。

优选地，所述SiO₂过渡结构的孔隙率为0～60％。

优选地，所述HfO₂膜的孔隙率不大于任一所述SiO₂过渡结构孔隙率，且孔隙率小于3％；所述HfO₂膜表面粗糙度不大于30nm。

优选地，所述隔热层厚度不小于1200nm。

优选地，所述黏合层的材质选自HfO₂、SiO₂、Ti中至少一种。

本发明还提供另一种热释电薄膜红外焦平面探测器芯片，其从下至上依次包括衬底、第一黏合层、绝热支撑结构、第二黏合层、下电极、光敏元、上电极和红外吸收层；所述绝热支撑结构包括：

隔热层，所述隔热层包括上下交替层叠的SiO₂纳米阵列和TiO₂纳米阵列；

形成在所述隔热层表面的过渡支撑层，所述过渡支撑层包括从下至上依次层叠的若干层SiO₂过渡结构；所述过渡支撑层的孔隙率从下至上逐渐降低。

优选地，所述SiO₂纳米阵列和/或TiO₂纳米阵列的平均孔隙率大于70％。

优选地，所述SiO₂纳米阵列和/或TiO₂纳米阵列与所述衬底的法线成取向角度α范围为0～50°。

优选地，所述SiO₂纳米阵列由多个SiO₂纳米结构单元组成，所述SiO₂纳米结构单元直径为60～120nm，相邻SiO₂纳米结构单元的间隙为40～130nm；所述TiO₂纳米阵列由多个TiO₂纳米结构单元组成，所述TiO₂纳米结构单元直径为60～120nm，相邻TiO₂纳米结构单元的间隙为40～130nm。

优选地，所述SiO₂纳米阵列或TiO₂纳米阵列的厚度范围为200～1000nm。

优选地，所述SiO₂纳米阵列和/或TiO₂纳米阵列的纳米结构单元为柱状、斜棒状或螺旋状中的至少一种。

优选地，所述SiO₂过渡结构的孔隙率为0～60％。

优选地，位于最顶部的所述SiO₂过渡结构表面粗糙度不大于30nm。

优选地，所述隔热层厚度不小于1200nm。

优选地，所述第一黏合层的材质选自HfO₂、SiO₂、Ti中至少一种。

本发明还提供第一种热释电薄膜红外焦平面探测器芯片的制作方法，包括：在衬底上采用电子束沉积方法，沉积黏合层，再按照远离所述衬底的方向在所述黏合层上依次生长绝热支撑结构、下电极、光敏元、上电极和红外吸收层；所述绝热支撑层包括如下制备步骤：

步骤A：使SiO₂入射气流与所述衬底法线形成的入射夹角β为85°～86°；控制SiO₂沉积速率为0.2～0.5nm/s，在所述黏合层上交替沉积SiO₂纳米阵列、TiO₂纳米阵列形成隔热层；

步骤B：使SiO₂入射气流与所述衬底法线形成的入射夹角β，0°＜β≤75°，控制SiO₂沉积速率为0.2～0.4nm/s，在所述隔热层上沉积若干层SiO₂过渡结构形成过渡支撑层，所述若干层SiO₂过渡结构的孔隙率从下至上逐渐降低；

步骤C：使HfO₂入射气流与所述衬底法线形成的入射夹角β为0°，控制HfO₂沉积速率于衬底旋转速率之比为100∶1nm/rev，在所述过SiO₂过渡结构表面沉积HfO₂膜，形成所述过渡支撑层。

优选地，所述SiO₂纳米阵列和/或TiO₂纳米阵列与所述衬底法线形成一取向角；

当预设的所述取向角等于0°，沉积SiO₂纳米阵列、TiO₂纳米阵列过程中保持所述衬底旋转，并令所述沉积速率与衬底转速的比值为6～200∶1nm/rev；

当预设的所述取向角不等于0°，沉积SiO₂纳米阵列、TiO₂纳米阵列过程中保持所述衬底转速为0。

优选地，所述步骤C中控制所述HfO₂沉积速率为0.2～0.3nm/s。

优选地，所述黏合层的沉积步骤包括：使入射气流与所述衬底法线形成的入射夹角β为0°，控制沉积速率为0.2～0.3nm/s，在所述衬底上至少沉积一层HfO₂、SiO₂或Ti。

本发明还提供第二种热释电薄膜红外焦平面探测器芯片的制作方法，包括：在衬底上采用电子束沉积方法，沉积黏合层，再按照远离所述衬底的方向在所述第一黏合层上依次生长绝热支撑结构、第二黏合层、下电极、光敏元、上电极和红外吸收层；所述绝热支撑层包括如下制备步骤：

步骤A：使SiO₂入射气流与所述衬底法线形成的入射夹角β为85°～86°；控制SiO₂沉积速率为0.2～0.5nm/s，在所述第一黏合层上交替沉积SiO₂纳米阵列、TiO₂纳米阵列形成隔热层；

步骤B：使SiO₂入射气流与所述衬底法线形成的入射夹角β，0°＜β≤75°，控制SiO₂沉积速率为0.2～0.4nm/s，在所述隔热层上沉积若干层SiO₂过渡结构形成过渡支撑层，所述若干层SiO₂过渡结构的孔隙率从下至上逐渐降低；

步骤C：使SiO₂入射气流与所述衬底法线形成的入射夹角β为0°，控制SiO₂沉积速率于衬底旋转速率之比为100∶1nm/rev，沉积一层SiO₂过渡结构，形成所述过渡支撑层。

优选地，所述SiO₂纳米阵列和/或TiO₂纳米阵列与所述衬底法线形成一取向角；

当预设的所述取向角等于0°，沉积SiO₂纳米阵列、TiO₂纳米阵列过程中保持所述衬底旋转，并令所述沉积速率与衬底转速的比值为6～200∶1nm/rev；

当预设的所述取向角不等于0°，沉积SiO₂纳米阵列、TiO₂纳米阵列过程中保持所述衬底转速为0。

优选地，所述步骤C中控制所述SiO₂沉积速率为0.2～0.3nm/s。

所述第一黏合层的沉积步骤包括：使入射气流与所述衬底法线形成的入射夹角β为0°，控制沉积速率为0.2～0.3nm/s，在所述衬底上至少沉积一层HfO₂、SiO₂或Ti。

本发明的优势在于：

第一、本发明在一个简单流程内完成探测器芯片的纳米阵列绝热支撑结构的生长沉积。

第二、用于生长隔热层的材料不限于SiO₂，还可以与TiO₂交替沉积形成复合材料与复合结构的绝热支撑结构。

第三、绝热支撑结构的孔隙率、厚度、纳米阵列的形态灵活可控、可调，通过控制沉积角度在0°～86°范围内变化，以及沉积速率与样品台(衬底)旋转速率等参数，可以方便地调节控制绝热支撑结构各层的取向角度、纳米阵列结构单元尺寸、间隙等，从而灵活调节控制孔隙率，有效降低探测器芯片的热导率，大大提高探测器的灵敏度；能满足探测器对绝热支撑结构应力释放的性能要求。在实现了高孔隙率、低热导率绝热结构同时，配合致密平整地过渡支撑结构表面，避免器件由于尖端放电效应被击穿，可以大大提高探测器的稳定性和可靠性。

第四、由于HfO₂具有良好的黏合性，可以直接作为连接绝热支撑结构与衬底的黏合层，或绝热支撑层与下电极的连接层，避免单独使用常规的Ti、Cr等金属作为黏合层时，形成存续电容，增加探测器芯片的功耗，降低探测器芯片的灵敏度。此外，也可以进一步减少制备工序。

第五、本发明方法与现有半导体IC平面工艺完全兼容，工艺流程更简便、可靠性高、成本低。

附图说明

图1为本发明实施例1探测器芯片的结构示意图。

图2为本发明实施例2探测器芯片的结构示意图。

图3为本发明实施例3探测器芯片的结构示意图。

图4为本发明实施例4探测器芯片的结构示意图。

图5为本发明实施例5探测器芯片的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明实施例作详细说明。

实施例1

如图1所示，本实施例的热释电薄膜红外焦平面探测器芯片，其从下至上依次包括衬底10、黏合层20、绝热支撑结构130、下电极40、光敏元50、上电极60和红外吸收层70。其中，所述绝热支撑结构130从下至上包括：隔热层131、过渡支撑层132。

在本实施例中，所述隔热层131包括上下交替层叠的SiO₂纳米阵列1a和TiO₂纳米阵列1b。具体地，按照远离衬底10的方向从下至上依次沉积SiO₂纳米阵列1a、TiO₂纳米阵列1b和SiO₂纳米阵列1a。其中，SiO₂纳米阵列1a、TiO₂纳米阵列1b中分别由相应的SiO₂纳米结构单元、TiO₂纳米结构单元(图中未示出)组成。本实施例的SiO₂纳米结构单元、TiO₂纳米结构单元均呈斜棒状，所以又可称为“斜纳米棒”。SiO₂斜纳米棒阵列的厚度为500纳米，其与衬底法线取向角度α(沉积后的纳米阵列与衬底法线所成夹角为取向角，以下简称“取向角度”)为46±4°；TiO₂斜纳米棒阵列厚度为200纳米，其取向角为43±3°。且，SiO₂斜纳米棒、TiO₂斜纳米棒阵列均往同一方向倾斜；SiO₂斜纳米棒、TiO₂斜纳米棒的平均直径分别为65±8nm和53±10nm，斜纳米棒之间的平均间隙分别为100±30nm和95±30nm，由此可达到所形成的纳米阵列平均孔隙率大于70％的目的。由SiO₂纳米阵列1a和TiO₂纳米阵列1b交替层叠形成的隔热层131厚度为1200nm。

其中，本实施例及后续各实施例中所涉及的“孔隙率”定义是：空气间隙占纳米结构薄层总体体积的比例。孔隙率可通过光谱椭圆偏振测试并根据有效介质理论计算得到。本领域的专业人员可知，孔隙率计算方式如公式1所示：

$p_A\frac{{\mathrm{\ϵ}}_A-\mathrm{\ϵ}}{{\mathrm{\ϵ}}_A+2\mathrm{\ϵ}}+p_B\frac{{\mathrm{\ϵ}}_B-\mathrm{\ϵ}}{{\mathrm{\ϵ}}_B+2\mathrm{\ϵ}}=0,$       公式1

其中，pA、pB分别为SiO₂、TiO₂和空气间隙的分数。εA、εB和ε有效介质介电函数，分别是SiO₂、TiO₂的介电函数、以及空气的介电函数。

所述过渡支撑层132形成在所述隔热层131表面。该过渡支撑层132包括若干层从下至上依次层叠的SiO₂过渡结构132a，以及沉积在所述SiO₂过渡结构132_a上的HfO₂膜132b。

具体地，SiO₂过渡结构132a从下至上依次沉积四层SiO₂；该四层SiO₂的孔隙率从下至上依次为50％、30％、10％、3％，厚度从下至上依次为50nm、50nm、30nm、30nm。

在SiO₂过渡结构132a上沉积一层30nm厚的、致密平整的HfO₂膜132b。所述HfO₂膜的孔隙率不大于任一所述SiO₂过渡结构孔隙率，且HfO₂膜孔隙率小于3％；所述HfO₂膜表面粗糙度不大于30nm。如此形成所述过渡支撑层132。沉积了该HfO₂膜132b后，不需要再次沉积黏附层而可直接在其表面制备其他器件结构。

下面介绍这种探测器芯片的制作方法，具体制备流程如下：

S1：采用电子束沉积方法，在Si衬底10上沉积一层20nm厚的Ti作为黏合层20。

S2：再采用斜/掠角电子束沉积方法，交替沉积平均孔隙率大于70％的SiO₂纳米阵列1a、TiO₂纳米阵列1b，与衬底法线成一定取向角度α的多层斜纳米棒阵列作为隔热层131，具体步骤包括：

(i)调整SiO₂的入射角度与衬底法线的入射夹角β(待沉积物的入射角度与衬底法线的入射夹角β，以下称为“沉积角度”)为86。，同时控制SiO₂的沉积速率为0.5nm/s，在黏合层20上生长厚度为500nm、斜棒状的SiO₂纳米阵列1a。沉积得到的SiO₂斜纳米棒阵列，其取向角度α为46±4°。SiO₂斜纳米棒平均直径为65±8nm，相邻SiO₂斜纳米棒间的平均间隙为100±30nm。

(ii)调整TiO₂的沉积角度为85°，控制SiO₂沉积速率为0.2nm/s，在上述SiO₂纳米阵列1a上沉积厚度为200nm、斜棒状的TiO₂纳米阵列1b。沉积得到的TiO₂斜纳米棒阵列，其取向角度α为43±3°。TiO₂斜纳米棒平均直径为53±10nm，相邻TiO₂纳米棒间的平均间隙为95±30nm。

(iii)在所述TiO2纳米阵列1b上，参照步骤S2(i)重复沉积一层SiO₂纳米阵列1a，得到由SiO₂-TiO₂-SiO₂多层斜纳米棒阵列构成隔热层131，多层斜纳米棒阵列的截面向同一倾斜方向排布。

S3：采用斜角沉积技术在所述隔热层131上沉积过渡支撑层132。过渡支撑层132由多层层叠的SiO₂过渡结构132a和HfO₂膜132b构成，具体制备多层层叠的SiO₂过渡结构132a的步骤依次如下：

(i)调整沉积角度为70°，沉积速率为0.3nm/s，在隔热层上沉积一层厚度为50nm的SiO₂过渡结构，形成孔隙率小于50％的第一过渡结构。

(ii)调整沉积角度为60°，沉积速率为0.3nm/s，在第一过渡结构上沉积一层厚度为50nm的SiO₂过渡结构，形成孔隙率小于30％第二过渡结构。

(iii)调整沉积角度为50°，沉积速率为0.3nm/s，在第二过渡结构上沉积一层厚度为30nm的SiO₂过渡结构，形成孔隙率小于10％第三过渡结构。

(iv)调整沉积角度为30°，沉积速率为0.3nm/s，在第三过渡结构上沉积一层厚度为30nm的SiO₂过渡结构，形成孔隙率小于3％第四过渡结构。

S4：在所述SiO₂过渡结构132a表面沉积HfO₂膜132b。具体步骤是：调整沉积角度为0°(即入射方向与衬底垂直)，沉积速率为0.2nm/s；此时，驱动载有衬底10的样品台(图中未示出)旋转，使衬底10的旋转速率为0.002rev/s，控制沉积速率与衬底旋转速率之比为100∶1nm/rev；在SiO₂过渡结构132a表面沉积一层致密的HfO₂膜，厚度为30nm，该HfO₂膜表面平整，表面粗糙度不大于30nm。如此通过步骤S3、S4完成过渡支撑层132的制备。

经过S1～S4完成在Si衬底10上沉积绝热支撑结构130。

S5：然后所述绝热支撑结构130表面依次制备下电极40、P(VDF-TrEF)热释电薄膜光敏元50、上电极60、和红外吸收层70，完成一个探测器芯片的制作。

实施例2

本实施例与实施例1所不同在于黏合层、绝热支撑结构。如图2所示，本实施例的隔热层231包括按照远离衬底10的方向从下至上依次沉积SiO₂纳米阵列2a、TiO₂纳米阵列2b、SiO₂纳米阵列2a和TiO₂纳米阵列2b；且SiO₂纳米阵列、TiO₂纳米阵列的倾斜方向相反，使得SiO₂纳米阵列TiO₂纳米阵列呈“之”字形排布。构成SiO₂纳米阵列、TiO₂纳米阵列的纳米单元均呈斜棒状。

本实施例的黏合层20的沉积步骤为：采用电子束沉积方法，控制沉积角度0°，沉积速率0.2nm/s，在Si衬底10上沉积一层20nm厚的HfO₂作为黏合层20。

本实施例的隔热层231制备方法如下：

(i)参照实施例1中S2(i)的操作步骤和制备参数，在黏合层20上形成厚度为400nm的SiO₂纳米阵列2a，SiO₂纳米阵列2a与衬底10形成的取向角度α为+(46±4°)，(“+”代表与倾斜方向相同，与“-”所代表的倾斜方向相反)。

(ii)旋转载有衬底10的样品台(图中未示出)180°，使再沉积的TiO₂纳米阵列倾斜方向与前一层SiO₂纳米阵列相反。参照实施例1中S2(ii)的操作步骤和制备参数，在SiO₂纳米阵列2a上沉积厚度为400nm的TiO₂纳米阵列2b，取向角度α为-(43±3°)；

(iii)再次同向旋转样品台180°，使再沉积的SiO₂纳米阵列倾斜方向与前一层TiO₂纳米阵列相反。参照实施例1中S2(i)的方法与步骤，在TiO₂纳米阵列2b上再沉积一层SiO₂纳米阵列，取向角度α为+(46±4°)。

(iv)再次同向旋转样品台180°，使再沉积的TiO₂纳米阵列倾斜方向与前一层SiO₂纳米阵列相反。参照实施例1中S2(ii)的方法与步骤，在本实施例步骤(iii)形成的SiO₂纳米阵列2a上再沉积一层TiO₂纳米阵列作为TiO₂纳米阵列2b，取向角度α为-(43±3°)。得到由SiO₂-TiO₂-SiO₂-TiO₂多层斜纳米棒阵列构成隔热层231，且，多层斜纳米棒阵列的截面呈“之”字型排布。由SiO₂纳米阵列2a和TiO₂纳米阵列2b交替层叠形成的隔热层231厚度为1600nm。

参照实施例1的S3、S4制备步骤分别制备所述SiO₂过渡结构232a、HfO₂膜232b，获得本实施例的过渡支撑层232，从而与上述隔离层231共同构成绝热支撑结构230。其余制备步骤参照实施例1所示。

实施例3

本实施例与实施例1所不同在于，黏合层、绝热支撑结构。如图3所示，本实施例的隔热层331包括按照远离衬底的方向从下至上依次沉积SiO₂纳米阵列3a、TiO₂纳米阵列3b、SiO₂纳米阵列3a和TiO₂纳米阵列3b；且SiO₂纳米阵列、TiO₂纳米阵列均呈柱状排布，并垂直于所述衬底表面。

本实施例的黏合层20的沉积步骤为：采用电子束沉积方法，控制沉积角度0°，沉积速率0.2nm/s，在Si衬底10上沉积一层50nm厚的SiO₂作为黏合层20。

本实施例的隔热层331制备方法如下：

(i)调整沉积角度为86°，沉积速率为0.4nm/s；控制样品台旋转速率为0.04rev/s，此时沉积速率与衬底旋转速率之比为10∶1nm/rev；在黏合层20上沉积生长SiO₂纳米柱阵列，厚度为300nm，得到取向角度α为0°的SiO₂纳米阵列3a。其中，SiO₂纳米柱阵列的平均直径为80±20nm，相邻SiO₂纳米柱间的平均间隙为90±30nm。

(ii)调整沉积角度为85°，沉积速率为0.2nm/s；同向旋转样品台，控制样品台旋转速率为0.03rev/s，此时沉积速率与衬底旋转速率之比为6.7∶1nm/rev；在SiO₂纳米阵列3a上沉积生长TiO₂纳米柱阵列，厚度为300nm，得到取向角度α为0°的TiO₂纳米阵列3b。其中，TiO₂纳米柱平均直径为100±10纳米，相邻TiO₂纳米柱间的平均间隙为95±25nm。

(iii)参照本实施例中(i)的方法与步骤，

在步骤(ii)TiO₂纳米阵列3b上沉积SiO₂纳米柱阵列，厚度为300nm，再次得到另一层取向角度α为0°的SiO₂纳米阵列3a。

(iv)参照本实施例中(ii)的方法与步骤，在步骤(iii)获得的SiO₂纳米阵列3a上沉积TiO₂纳米柱阵列，厚度为300nm，再次得到取向角度α为0°的TiO₂纳米阵列3b。最终获得由SiO₂-TiO₂-SiO₂-TiO₂多层纳米柱阵列构成隔热层331，多层纳米柱阵列的垂直于衬底排布。这种由SiO₂纳米阵列3a和TiO₂纳米阵列3b交替层叠形成的隔热层331厚度为1200nm。

本实施例的过渡支撑层332结构及制备方法如下：

采用斜角沉积技术在所述隔热层331上沉积过渡支撑层332。该过渡支撑层332包括若干层从下至上依次层叠的SiO₂过渡结构332a，以及沉积在所述SiO₂过渡结构332a上的HfO₂膜332b。所述SiO₂过渡结构332a具体制备步骤依次如下：

(i)调整沉积角度为75°，沉积速率为0.3nm/s，在隔热层331上沉积一层厚度为50nm的SiO₂过渡结构，形成孔隙率小于60％的第一过渡结构。

(ii)调整沉积角度为65°，沉积速率为0.3nm/s，在第一过渡结构上沉积一层厚度为50nm的SiO₂过渡结构，形成孔隙率小于40％的第二过渡结构。

(iii)调整沉积角度为50°，沉积速率为0.3nm/s在第二过渡结构上沉积一层厚度为30nm的SiO₂过渡结构，形成孔隙率小于10％的第三过渡结构。

(iv)调整沉积角度为30°，沉积速率为0.3nm/s，在第三过渡结构上沉积一层厚度为30nm的SiO₂过渡结构，形成孔隙率小于1％的第四过渡结构。

参照实施例1中S4制备HfO₂膜332b，与所述SiO₂过渡结构332a构成过渡支撑层332。过渡支撑层332与隔热层331、共同构成本实施例的绝热支撑结构330。其余制备步骤可参照实施例1所示。

实施例4

本实施例与实施例1所不同的是，黏合层、绝热支撑结构。

实施例1单独使用金属Ti作为黏合层，是现有技术中常用的黏合层制备方法。但是，仍存在一些缺陷。单独使用金属Ti会与后续在绝热支撑结构上制备的下电级形成一个串联的存续电容。并且由于金属Ti很薄(20nm)，且覆盖了整个衬底，会导致在探测器芯片电路中形成较大的分压电压降，造成功率损耗和灵敏度降低。本实施例在实施例1金属Ti的基础上进行改进获得新的黏合层。即：采用电子束沉积方法，调整Ti沉积角度为0°，控制沉积速率为0.2nm/s在Si衬底10上沉积一层10nm厚的Ti；然后保持沉积角度为0°，沉积速率为0.3nm/s，在Ti上再沉积100nm厚的SiO₂形成致密惰性氧化膜，此时获得本实施例的黏合层20。这种方法获得黏合层20可以降低单独使用Ti作为黏合层所造成的不利影响。

如图4所示，本实施例的隔热层431包括按照远离衬底的方向从下至上依次沉积TiO₂纳米阵列4b、SiO₂纳米阵列4a；且TiO₂纳米阵列的纳米结构单元为斜纳米棒，SiO₂纳米阵列的纳米结构单元为螺旋状。本实施例的隔热层431制备方法如下：

(i)调整沉积角度为85°，沉积速率为0.2nm/s，沉积生长一层厚度为200nm、斜棒状的TiO₂纳米阵列4b。沉积得到的TiO₂斜纳米棒阵列，其取向角度α为43±3°。TiO₂斜纳米棒平均直径为53±10nm，相邻TiO₂纳米棒间的平均间隙为95±30nm。

(ii)调整沉积角度为86°，沉积速率为0.4nm/s；使样品台旋转，控制旋转速率为0.002rev/s，此时沉积速率与衬底旋转速率之比为200∶1nm/rev；在TiO₂纳米阵列4b表面沉积生长一层厚度为1000nm、纳米结构单元为螺旋形、与衬底垂直(取向角度α为0°)的SiO₂纳米阵列4a。其中，SiO₂纳米螺旋的平均直径为70±15nm，相邻SiO₂纳米螺旋间的平均间隙为100±25纳米。由SiO₂纳米阵列4a和TiO2内米阵列4b交替层叠形成的隔热层431厚度为1200nm。

接下来参照实施例3的过渡支撑层制备步骤先后获得所述SiO₂过渡结构432a和HfO₂膜432b，获得过渡支撑层432，从而与上述隔热层431共同构成绝热支撑层430。其余结构的制备步骤参照实施例1所示。

实施例5

如图5所示，热释电薄膜红外焦平面探测器芯片结构从下至上依次包括衬底10、第一黏合层21、绝热支撑结构530、第二黏合层22、下电极40、光敏元50、上电极60和红外吸收层70。其中，所述绝热支撑结构530从下至上包括：隔热层531、过渡支撑层532。

在本实施例中，所述隔热层531包括上下交替层叠的SiO₂纳米阵列5a和TiO₂纳米阵列5b。具体地，按照远离衬底10的方向从下至上依次沉积SiO₂纳米阵列5a、TiO₂纳米阵列5b和SiO₂纳米阵列5a。其中，SiO₂纳米阵列5a、TiO₂纳米阵列5b中分别由相应的SiO₂纳米结构单元、TiO₂纳米结构单元(图中未示出)组成。本实施例的SiO₂纳米结构单元、TiO₂纳米结构单元均呈斜棒状，所以又可称为“斜纳米棒”。SiO₂斜纳米棒阵列的厚度为500纳米，其取向角度α为46±4°；TiO₂斜纳米棒阵列厚度为200纳米，其取向角为43±3°。且，SiO₂斜纳米棒、TiO₂斜纳米棒阵列均往同一方向倾斜；斜SiO₂纳米棒、斜TiO₂纳米棒的平均直径分别为65±8nm和53±10nm，斜纳米棒之间的平均间隙分别为100±30nm和95±30nm，由此可达到所形成的纳米阵列平均孔隙率大于70％的目的。由SiO₂纳米阵列5a和TiO₂纳米阵列5b交替层叠形成的隔热层531厚度为1200nm。

所述过渡支撑层532形成在所述隔热层531表面。该过渡支撑层532包括若干层从下至上依次层叠的SiO₂过渡结构。

具体地，五层SiO₂过渡结构从下至上依次沉积。该五层SiO₂过渡结构的孔隙率从下至上依次为50％、30％、10％、3％，1％，厚度从下至上依次为50nm、50nm、30nm、30nm、30nm。换句话说，如实施例1中最顶部的HfO₂膜也由SiO₂过渡结构代替。

类似地，位于最上方的所述SiO₂过渡结构用来代替HfO₂形成致密氧化膜形成良好的支撑、过渡作用，因此要求顶部的所述SiO₂过渡结构表面粗糙度不大于30nm，孔隙率小于3％。如此形成的过渡支撑层532，由于均采用SiO₂材质制备，其表面黏合性能差，若直接在其表面制备后续器件结构，容易造成器件结构剥落，因此需要在沉积后续器件之前在过渡支撑层532表面沉积第二黏附层22，再在第二黏附层22表面制备其他器件，其中，第二粘附层22的材质可以为Ti、Cr等。

本实施例的探测器芯片的制备方法，其中，过渡支撑层532中最顶部的SiO₂过渡结构制备方法如HfO₂膜的制备方法类似，具体步骤是：调整沉积角度为0°(即入射方向与衬底垂直)，沉积速率为0.3nm/s；此时，驱动载有衬底10的样品台(图中未示出)旋转，使衬底10的旋转速率为0.003rev/s，控制沉积速率与衬底旋转速率之比为100∶1nm/rev，沉积第五层致密的SiO₂膜，厚度为30nm，最顶部的SiO₂过渡结构。该最顶部的SiO₂过渡结构表面平整，表面粗糙度不大于30nm。

第一黏合层21、第二黏附层22的材质均为20nm厚的Ti，制备方法如实施例1中黏合层20所示。

其余器件结构的制备步骤可参考实施例1所示。

实施例5所展示的采用SiO₂代替HfO₂形成致密膜层的结构同样可以应用到其他实施例中，只需要在最终形成的过渡支撑层表面再沉积一层黏合层，便可达到相同的发明目的。类似地，在实施例2、实施例3或实施例4任一所展示的黏合层的沉积步骤也适用于实施例5的第一黏合层的制备。在其他实施例中，SiO₂纳米阵列或TiO₂纳米阵列中纳米单元的直径范围可根据实际探测器芯片性能的需要可在60～120nm范围内调整，相邻纳米单元的间隙也可在40～130nm范围内调整。

本实施例中展示的黏附层(或第一黏附层或第二黏附层)和绝热支撑结构的制备方法，在不与其他参数产生矛盾的前提下是可以相互组合使用的。

以上虽然是本发明参照其示例性的实施方式进行地具体描述和显示，但是本领域的普通技术人员应该理解，在不脱离由权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节的各种改变。

Claims (28)

1.一种热释电薄膜红外焦平面探测器芯片，其特征在于，其从下至上依次包括衬底、黏合层、绝热支撑结构、下电极、光敏元、上电极和红外吸收层；所述绝热支撑结构包括：

隔热层，所述隔热层包括上下交替层叠的SiO₂纳米阵列和TiO₂纳米阵列；

形成在所述隔热层表面的过渡支撑层，所述过渡支撑层包括从下至上依次层叠的若干层SiO₂过渡结构，以及沉积在所述SiO₂过渡结构表面的HfO₂膜；所述过渡支撑层的孔隙率从下至上逐渐降低。

2.根据权利要求1所述探测器芯片，其特征在于，所述SiO₂纳米阵列和/或TiO₂纳米阵列的平均孔隙率大于70％。

3.根据权利要求1或2所述探测器芯片，其特征在于，所述SiO₂纳米阵列和/或TiO₂纳米阵列与所述衬底的法线成取向角度α范围为0～50°。

4.根据权利要求3所述探测器芯片，其特征在于，所述SiO₂纳米阵列由多个SiO₂纳米结构单元组成，所述SiO₂纳米结构单元直径为60～120nm，相邻SiO₂纳米结构单元的间隙为40～130nm；所述TiO₂纳米阵列由多个TiO₂纳米结构单元组成，所述TiO₂纳米结构单元直径为60～120nm，相邻TiO₂纳米结构单元的间隙为40～130nm。

5.根据权利要求4所述探测器芯片，其特征在于，所述SiO₂纳米阵列或TiO₂纳米阵列的厚度范围为200～1000nm。

6.根据权利要求1或2所述探测器芯片，其特征在于，组成所述SiO₂纳米阵列和/或TiO₂纳米阵列的纳米结构单元为柱状、斜棒状或螺旋状中的至少一种。

7.根据权利要求1所述探测器芯片，其特征在于，所述SiO₂过渡结构的孔隙率为0～60％。

8.根据权利要求1或7所述探测器芯片，其特征在于，所述HfO₂膜的孔隙率不大于任一所述SiO₂过渡结构孔隙率，且孔隙率小于3％；所述HfO₂膜表面粗糙度不大于30nm。

9.根据权利要求1所述探测器芯片，其特征在于，所述隔热层厚度不小于1200nm。

10.根据权利要求1所述探测器芯片，其特征在于，所述黏合层的材质选自HfO₂、SiO₂、Ti中至少一种。

11.一种热释电薄膜红外焦平面探测器芯片，其特征在于，其从下至上依次包括衬底、第一黏合层、绝热支撑结构、第二黏合层、下电极、光敏元、上电极和红外吸收层；所述绝热支撑结构包括：

隔热层，所述隔热层包括上下交替层叠的SiO₂纳米阵列和TiO₂纳米阵列；

形成在所述隔热层表面的过渡支撑层，所述过渡支撑层包括从下至上依次层叠的若干层SiO₂过渡结构；所述过渡支撑层的孔隙率从下至上逐渐降低。

12.根据权利要求11所述探测器芯片，其特征在于，所述SiO₂纳米阵列和/或TiO₂纳米阵列的平均孔隙率大于70％。

13.根据权利要求12所述探测器芯片，其特征在于，所述SiO₂纳米阵列和/或TiO₂纳米阵列与所述衬底的法线成取向角度α范围为0～50°。

14.根据权利要求13所述探测器芯片，其特征在于，所述SiO₂纳米阵列由多个SiO₂纳米结构单元组成，所述SiO₂纳米结构单元直径为60～120nm，相邻SiO₂纳米结构单元的间隙为40～130nm；所述TiO₂纳米阵列由多个TiO₂纳米结构单元组成，所述TiO₂纳米结构单元直径为60～120nm，相邻TiO₂纳米单元的间隙为40～130nm。

15.根据权利要求14所述探测器芯片，其特征在于，所述SiO₂纳米阵列或TiO₂纳米阵列的厚度范围为200～1000nm。

16.根据权利要求11或12所述探测器芯片，其特征在于，所述SiO₂纳米阵列和/或TiO₂纳米阵列的纳米结构单元为柱状、斜棒状或螺旋状中的至少一种。

17.根据权利要求11所述探测器芯片，其特征在于，所述SiO₂过渡结构的孔隙率为0～60％。

18.根据权利要求11所述探测器芯片，其特征在于，位于最顶部的所述SiO₂过渡结构表面粗糙度不大于30nm。

19.根据权利要求11所述探测器芯片，其特征在于，所述隔热层厚度不小于1200nm。

20.根据权利要求11所述探测器芯片，其特征在于，所述第一黏合层的材质选自HfO₂、SiO₂、Ti中至少一种。

21.根据权利要求1～10任一项所述热释电薄膜红外焦平面探测器芯片的制作方法，其特征在于，包括：在衬底上采用电子束沉积方法沉积黏合层，再按照远离所述衬底的方向在所述黏合层上依次生长绝热支撑结构、下电极、光敏元、上电极和红外吸收层；所述绝热支撑层包括如下制备步骤：

步骤A：使SiO₂入射气流与所述衬底法线形成的入射夹角β为85°～86°；控制SiO₂沉积速率为0.2～0.5nm/s，在所述黏合层上交替沉积SiO₂纳米阵列、TiO₂纳米阵列形成隔热层；

步骤B：使SiO₂入射气流与所述衬底法线形成的入射夹角β，0°＜β≤75°，控制SiO₂沉积速率为0.2～0.4nm/s，在所述隔热层上沉积若干层SiO₂过渡结构形成过渡支撑层，所述若干层SiO₂过渡结构的孔隙率从下至上逐渐降低；

步骤C：使HfO₂入射气流与所述衬底法线形成的入射夹角β为0°，控制HfO₂沉积速率于衬底旋转速率之比为100∶1nm/rev，在所述过SiO₂过渡结构表面沉积HfO₂膜，形成所述过渡支撑层。

22.根据权利要求21所述探测器芯片的制备方法，其特征在于，所述SiO₂纳米阵列和/或TiO₂纳米阵列与所述衬底法线形成一取向角；

当预设的所述取向角等于0°，沉积SiO₂纳米阵列、TiO₂纳米阵列过程中保持所述衬底旋转，并令所述沉积速率与衬底转速的比值为6～200∶1nm/rev；

当预设的所述取向角不等于0°，沉积SiO₂纳米阵列、TiO₂纳米阵列过程中保持所述衬底转速为0。

23.根据权利要求21所述探测器芯片的制备方法，其特征在于，所述步骤C中控制所述HfO₂沉积速率为0.2～0.3nm/s。

24.根据权利要求21所述探测器芯片的制备方法，其特征在于，所述黏合层的沉积步骤包括：使入射气流与所述衬底法线形成的入射夹角β为0°，控制沉积速率为0.2～0.3nm/s，在所述衬底上至少沉积一层HfO₂、SiO₂或Ti。

25.根据权利要求11～20任一项所述热释电薄膜红外焦平面探测器芯片的制作方法，其特征在于，包括：在衬底上采用电子束沉积方法沉积黏合层，再按照远离所述衬底的方向在所述第一黏合层上依次生长绝热支撑结构、第二黏合层、下电极、光敏元、上电极和红外吸收层；所述绝热支撑层包括如下制备步骤：

步骤A：使SiO₂入射气流与所述衬底法线形成的入射夹角β为85°～86°；控制沉积速率为0.2～0.5nm/s，在所述第一黏合层上交替沉积SiO₂纳米阵列、TiO₂纳米阵列形成隔热层；

步骤B：使SiO₂入射气流与所述衬底法线形成的入射夹角β，0°＜β≤75°，控制沉积速率为0.2～0.4nm/s，在所述隔热层上沉积若干层SiO₂过渡结构形成过渡支撑层，所述若干层SiO₂过渡结构的孔隙率从下至上逐渐降低；

步骤C：使SiO₂入射气流与所述衬底法线形成的入射夹角β为0°，控制SiO₂沉积速率于衬底旋转速率之比为100∶1nm/rev，沉积一层SiO₂过渡结构，形成所述过渡支撑层。

26.根据权利要求25所述探测器芯片的制备方法，其特征在于，所述SiO₂纳米阵列和/或TiO₂纳米阵列与所述衬底法线形成一取向角；

当预设的所述取向角等于0°，沉积SiO₂纳米阵列、TiO₂纳米阵列过程中保持所述衬底旋转，并令所述沉积速率与衬底转速的比值为6～200∶1nm/rev；

当预设的所述取向角不等于0°，沉积SiO₂纳米阵列、TiO₂纳米阵列过程中保持所述衬底转速为0。

27.根据权利要求25所述探测器芯片的制备方法，其特征在于，所述步骤C中控制所述SiO₂沉积速率为0.2～0.3nm/s。

28.根据权利要求25所述探测器芯片的制备方法，其特征在于，所述第一黏合层的沉积步骤包括：使入射气流与所述衬底法线形成的入射夹角β为0°，控制沉积速率为0.2～0.3nm/s，在所述衬底上至少沉积一层HfO₂、SiO₂或Ti。

Images