CN106784290A - 一种热释电弛豫单晶超薄灵敏芯片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种热释电弛豫单晶超薄灵敏芯片及其制备方法，其制备方法包括：对单晶片的正反面进行研磨与化学机械抛光，再在研磨与化学机械抛光后的所述单晶片正反面真空蒸镀金属膜层；制备黑化物，将所述黑化物喷涂在镀膜后的所述单晶片反面，并在所述单晶片反面形成掩膜黑化层。本发明的一种热释电弛豫单晶超薄灵敏芯片的制备方法，采用新型化学机械研磨与抛光技术，真空蒸镀金属膜层以及超声喷涂聚合物掩膜黑化层技术的方式，达到大尺寸热释电单晶材料的有效减薄，保证金属镀膜层的牢固度，以及黑化吸收层的均匀性、高附着力和高红外吸收率，为批量化制作高性能、高均匀性新型热释电弛豫铁电单晶灵敏芯片提供了新的方向。

Description

一种热释电弛豫单晶超薄灵敏芯片及其制备方法

技术领域

本发明涉及半导体制造工艺技术领域，尤其涉及一种热释电弛豫单晶超薄灵敏芯片及其制备方法。

背景技术

目前，大部分的热释电红外探测器都是采用单晶或陶瓷体材料制成的。尤其是中高端探测器，则主要以单晶体为主。而中高端探测器的核心便是单晶灵敏芯片的制备。通常在实际使用中，要求体材料减薄至几十微米厚，机械加工困难，一致性差，效率低，而且成本高。克服以上缺点的途径之一是将体材料薄膜化，研磨到更小的尺寸。热释电薄膜的厚度一般在0.1微米到几微米之间，然而其自身的机械强度较差，需要附着在作为支撑材料的基底上，基底材料的热导率较大，造成红外辐射在热释电薄膜上产生的温升会因热量的迅速散失而减小，使得薄膜探测器的灵敏度大大下降，以至于无法实用化。

由于单晶片本身对于红外辐射的吸收非常小，为提高红外吸收率，对于灵敏芯片的表面处理，或采用超薄金属膜，或采用金属黑化技术。超薄金属膜工艺简单，但红外吸收率低，一般在50％左右，导致能量利用率低，热释电探测器灵敏度不高；金属黑化技术则一般采用金黑或银黑，红外吸收率高达90％，但工艺要求复杂，且附着力差。以至于在实际使用中，一定程度的影响了探测器的性能。

为此，需要开发一种热释电弛豫单晶超薄灵敏芯片的制备方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种热释电弛豫单晶超薄灵敏芯片的制备方法及由该方法制得的芯片。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种热释电弛豫单晶超薄灵敏芯片的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：对单晶片的正反面进行研磨与化学机械抛光，再在研磨与化学机械抛光后的所述单晶片正反面真空蒸镀金属膜层；

步骤2：制备黑化物，将所述黑化物喷涂在镀膜后的所述单晶片反面，并在所述单晶片反面形成掩膜黑化层。

本发明的有益效果是：本发明的一种热释电弛豫单晶超薄灵敏芯片的制备方法，采用新型化学机械研磨与抛光技术，真空蒸镀金属膜层以及超声喷涂聚合物掩膜黑化层技术的方式，达到大尺寸热释电单晶材料的有效减薄，保证金属镀膜层的牢固度，以及黑化吸收层的均匀性、高附着力和高红外吸收率，为批量化制作高性能、高均匀性新型热释电弛豫铁电单晶灵敏芯片提供了新的方向。

本发明还提供了一种由上述方法制备得到的热释电单晶超薄灵敏芯片，所述超薄灵敏芯片的厚度范围为10-33μm。

附图说明

图1为本发明的一种热释电弛豫单晶超薄灵敏芯片的制备方法流程示意图；

图2为本发明制备得到的热释电单晶超薄灵敏芯片示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、单晶片，2、金属膜层，3、掩膜黑化层。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

本发明中，所述研磨工艺中的研磨治具包括了基板，单晶片吸附层和掩膜卡槽，卡槽尺寸与单晶片相当，卡槽深度固定，单晶片为非粘接性吸附在卡槽内部，研磨单晶片厚度值与卡槽深度相等，则表明单晶片表面平整，并保证平整度在±1μm。

如图1所示，一种热释电弛豫单晶超薄灵敏芯片的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：对单晶片的正反面进行研磨与化学机械抛光，再在研磨与化学机械抛光后的所述单晶片正反面真空蒸镀金属膜层；

步骤2：制备黑化物，将所述黑化物喷涂在镀膜后的所述单晶片反面，并在所述单晶片反面形成掩膜黑化层。

需要指出的是，本实施例中，选取的所述单晶片的材料介电损耗低于0.1％，相转变温度高于150摄氏度。

本实施例中，所述步骤1包括：

步骤11：对多个所述单晶片按照治具的卡槽尺寸进行切割，将切割后的所述单晶片正面朝上并一一对应地置于治具的卡槽内；

步骤12：对所述单晶片的正面进行研磨，使所述单晶片正面的平整度达到±1μm范围内；

步骤13：对研磨后的所述单晶片的正面进行化学机械抛光，并在所述单晶正面形成正光学平面，再在所述正光学平面表面真空蒸镀金属膜层；

步骤14：翻转所述单晶片使其反面朝上，并对所述单晶片的反面进行研磨，使所述单晶片的厚度减薄至32±1μm，且所述单晶片反面的平整度达到±1μm范围内；

步骤15：对研磨后的所述单晶片的反面进行化学机械抛光，直至所述单晶片的厚度减薄至20±1μm，并在所述单晶反面形成反光学平面，在所述反光学平面表面也真空蒸镀金属膜层。

所述步骤11中，将所述单晶片按照治具的卡槽尺寸进行切割，具体为：所述单晶片的厚度以所用研磨治具开槽深度为准，所述单晶片的大小以所用研磨治具卡槽尺寸为准，本实施例中，所述单晶片的厚度取0.5mm，大小取20*20mm²或15*15mm²。

本实施例中，所述步骤12中，在所述单晶片的正面添加研磨粉料，并对所述单晶片的反面进行研磨，直至所述单晶片正面的平整度达到±1μm范围内。

需要指出的是，在所述步骤12中，由于此时所述单晶片的厚度相对较厚，所以选取研磨治具的尺寸也需要对应匹配，这里选取第一研磨治具，其卡槽深度为0.45mm，选取多片所述单晶片置于所述第一研磨治具的卡槽内，并与吸附膜紧密结合，不留气泡，保证单晶片与基板之间均匀接触，然后对高出卡槽的部分，使用自动研磨机或陶瓷研磨平盘与研磨粉料结合进行研磨，施加压力大小应均匀一致，保证各单晶片的平整度，直至所有单晶片厚度达到0.48mm，平整度±1μm。

优选地，所述步骤13和步骤15中，对研磨后的所述单晶片的正面和反面进行化学机械抛光之前，还需要将治具和所述单晶片洗净。

本实施例中，所述步骤13中，对研磨后的所述单晶片的正面进行化学机械抛光包括：

步骤131：采用第一抛光液和抛光布对所述单晶片的正面进行快速抛光，直至所述单晶片的正面形成光学镜面；

步骤132：采用第二抛光液和抛光布对所述单晶片的正面进行精细抛光，直至所述单晶片的正面与治具的上端面处于同一平面；

步骤133：对所述单晶片进行清洗，并将洗净后的所述单晶片置于镀膜腔内，并在所述单晶片的正面蒸镀金属膜层；

其中，所述第一抛光液和第二抛光液采用酸性硅溶胶，其PH范围为3至4之间，且所述第一抛光液中硅溶胶的粒径大于所述第二抛光液中硅溶胶的粒径。

这里，第一抛光阶段中，首先用50nm粒径的所述第一抛光液对所述单晶片快速抛光，至所述单晶片的正面无明显划痕，并形成光学镜面，再进入第二抛光阶段。第二抛光阶段中，先对经过第一抛光阶段的治具与镜片进行清洗，然后换用阻尼布与20nm粒径的第二抛光液进行精抛，适当调整压重重量、位置及时间以保证所述单晶片正面的平整度和光洁度，直至所有单晶片的正面与治具平面处于同一平面，平整度±1μm，最好用光学平晶进行检测，其中抛光液为PH＝3-4的酸性硅溶胶，转速为80-100转/分钟。

本实施例中，所述步骤15包括：

步骤151：采用第一抛光液和抛光布对所述单晶片的反面进行快速抛光，直至所述单晶片的反面形成光学镜面；

步骤152：采用第二抛光液和抛光布对所述单晶片的反面进行精细抛光，直至所述单晶片的厚度减至20±1μm，且所述单晶片的反面与治具的上端面处于同一平面；

步骤153：对所述单晶片进行清洗，并将洗净后的所述单晶片置于镀膜腔内，并在所述单晶片的反面蒸镀金属膜层；

其中，所述第一抛光液和第二抛光液采用酸性硅溶胶，其PH范围为3至4之间，且所述第一抛光液中硅溶胶的粒径大于所述第二抛光液中硅溶胶的粒径。

将所述单晶片置于自动抛光机上，首先采用50nm粒径抛光液对单晶片快速抛光，至所述单晶片表面为光学镜面且无明显划痕；进入下一个抛光阶段，清洗治具与单晶片，换用阻尼布与20nm粒径抛光液进行精抛，适当调整压重重量、位置及时间以保证所述单晶片反面的平整度和光洁度，直至所有单晶片的反面与治具平面处于同一平面，此时单晶片厚度为20μm，平整度±1μm。

当对材料进行抛光时，由于材料本身的化学特性，抛光液优选为酸性的硅溶胶(SiO₂),抛光工序分为两个阶段，粗抛和精抛。为保证一定的抛光效率，第一道抛光工序选用的硅溶胶粒径大，在50nm以上，为保证一定的表面粗糙度，降低表面损伤，第二道抛光工序选用的硅溶胶粒径小，在20nm及以下。

本实施例中，所述步骤133和步骤153中：

采用超声波对所述单晶片的正面和反面进行清洗，并在将洗净后的所述单晶片置于镀膜腔中后，采用离子轰击法对所述单晶片的正面和反面再次进行清洗；

在所述单晶片的正面和反面蒸镀金属膜层包括：采用电阻加热蒸发的方法先在洗净后的所述单晶片的正面和反面镀一层过渡金属层，再在所述过渡金属层镀一层导电层；

其中所述过渡金属层采用Cr金属，导电层采用Au金属。

为了实现批量生产，后续工艺中采用了低温镀膜工艺，以防止已经极化的单晶片出现性能退极化现象。为了保证低温镀膜的牢固度，清洗工艺就显得非常关键。这里采用超声清洗与离子轰击法对所述单晶片的正/反面再次进行清洗。

另外，镀膜工艺中，将经过抛光后的所述单晶片放于托盘上，置于热蒸发镀膜腔室内，抛光面对应于镀膜靶材，再次采用离子轰击的方法对单晶片进行清洗，去除污染物和有机物，提高单晶片表面活性，采用电阻加热蒸发方式镀膜。先镀一层过渡层金属，这里选用Cr金属，厚度为10-20nm，再镀一层导电层，这里选用Au金属，其中关键控制好真空度和加热电流以及蒸发速率以保证镀层的附着力。

本实施例中，所述步骤14包括：

步骤141：取出所述单晶片，并在单晶片正面紧密贴附一层UV膜，再将所述单晶片的反面朝上并一一对应地置于治具的卡槽内；

步骤142：在所述单晶片的反面添加研磨粉料，并对所述单晶片的反面进行研磨，直至所述单晶片的厚度减至32±1μm，且所述单晶片反面的平整度达到±1μm范围内。

采用0.17mm厚度UV膜与单晶片镀膜面(正面)进行紧密贴合，选取第二研磨治具，其卡槽深度0.19mm；取多片贴合好的单晶片，将所述单晶片的反面朝上并置于卡槽内，并与吸附膜紧密结合，不留气泡，保证单晶片与基板之间均匀接触，则对高出卡槽的部分，使用自动研磨机或陶瓷研磨平盘与研磨粉料结合进行研磨，施加压力大小应均匀一致，保证各单晶片的平面度，直至所有单晶片厚度为32μm，平整度±1μm。

需要注意的是，综合考虑所述单晶片反面减薄以后的完整性以及机械强度等因素，引入了UV膜粘贴技术，UV膜均匀无气泡地贴合单晶片正面，后置于深度更浅的卡槽，卡槽深度应等于UV膜厚度与减薄后单晶片最终厚度之和。举例而言UV膜厚度0.17mm，若得到厚度为20μm的极薄灵敏芯片，则卡槽深度为0.19mm即可。

另外，所述单晶片正面及反面均需要研磨和化学机械抛光两个过程，其中正面研磨的目的在于保证单晶片抛光前处在同一平面内，反面研磨的目的则在于真正实现单晶片厚度的减薄。单晶片的初始厚度可在大于卡槽深度的前提下任意选择，但考虑到成本和减薄效率上，越接近卡槽深度为宜。举例而言，可在0.45-0.5mm之间。

本实施例中，所述步骤2中黑化物由以下步骤制备：将水性环氧树脂与多壁碳纳米管分散液按体积比小于1：5混合均匀，并加入蒸馏水进行稀释、混合均匀，得到混合液。以保证环氧树脂不会影响整体掩膜黑化层的热容和热响应时间。同时，为保证掩膜黑化层的吸收率和热容，掩膜黑化层厚度控制在1-2μm，且掩膜黑化层均匀致密。这里，水性环氧树脂与多壁碳纳米管分散液的混合液与蒸馏水的体积比为1:10。

其中，所述水性环氧树脂与多壁碳纳米管分散液的体积比例小于1:5，

本实施例中，所述步骤2中黑化物的喷涂包括：

步骤21：对减薄后的所述单晶片反面进行设定尺寸和形状的钢网掩膜；

步骤22：将混合液倒入超声喷涂容器内，随后对钢网掩膜后的所述单晶片反面进行超声喷涂，制得均匀致密厚度为1-2μm的多壁碳纳米管掩膜黑化层；

步骤23：对喷涂后的掩膜黑化层进行低温80度烘烤，直到掩膜黑化层固化粘接。

步骤24：对喷涂掩膜黑化层的单晶片按照钢网的掩膜尺寸进行划切，得到批量的灵敏芯片。

其中，钢网掩膜应该根据灵敏芯片的应用设计制备，钢网强度高，喷涂过程不会出现形变，钢网开口尺寸比所需灵敏芯片略小。举例而言，灵敏芯片应用尺寸为1.8*1mm²，则钢网开口尺寸应为1.65*0.85mm²。

如图2所示，为本实施例制备得到的热释电单晶超薄灵敏芯片的示意图，其中1表示单晶片，2表示所述单晶片正反面的金属膜层，3表示位于所述单晶片反面金属膜层上的掩膜黑化层。

本发明的一种热释电弛豫单晶超薄灵敏芯片的制备方法，采用新型化学机械研磨与抛光技术，真空蒸镀金属膜层以及超声喷涂聚合物掩膜黑化层技术的方式，达到大尺寸热释电单晶材料的快速有效减薄，保证金属镀膜层的牢固度，以及黑化吸收层的均匀性、高附着力和高红外吸收率，为批量化制作高性能、高均匀性新型热释电弛豫铁电单晶灵敏芯片提供了新的方向。

本发明还提供了一种采用上述制备方法制备得到的热释电单晶超薄灵敏芯片，所述超薄灵敏芯片的厚度范围为10-33μm。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种热释电弛豫单晶超薄灵敏芯片的制备方法，其特征在于,包括如下步骤：

步骤1：对单晶片的正反面进行研磨与化学机械抛光，再在研磨与化学机械抛光后的所述单晶片真反面真空蒸镀金属膜层；

步骤2：制备黑化物，将所述黑化物喷涂在镀膜后的所述单晶片反面，并在所述单晶片反面形成掩膜黑化层。

2.根据权利要求1所述一种热释电弛豫单晶超薄灵敏芯片的制备方法，其特征在于,所述步骤1包括：

步骤11：对多个所述单晶片按照治具的卡槽尺寸进行切割，将切割后的所述单晶片正面朝上并一一对应地置于治具的卡槽内；

步骤12：对所述单晶片的正面进行研磨，使所述单晶片正面的平整度达到±1μm范围内；

步骤13：对研磨后的所述单晶片的正面进行化学机械抛光，并在所述单晶正面形成正光学平面，再在所述正光学平面表面真空蒸镀金属膜层；

步骤14：翻转所述单晶片使其反面朝上，并对所述单晶片的反面进行研磨，使所述单晶片的厚度减薄至32±1μm，且所述单晶片反面的平整度达到±1μm范围内；

步骤15：对研磨后的所述单晶片的反面进行化学机械抛光，直至所述单晶片的厚度减薄至20±1μm，并在所述单晶反面形成反光学平面，在所述反光学平面表面也真空蒸镀金属膜层。

3.根据权利要求2所述一种热释电弛豫单晶超薄灵敏芯片的制备方法，其特征在于：所述步骤13和步骤15中，对研磨后的所述单晶片的正面和反面进行化学机械抛光之前，还需要将治具和所述单晶片洗净。

4.根据权利要求2所述一种热释电弛豫单晶超薄灵敏芯片的制备方法，其特征在于，所述步骤13中，对研磨后的所述单晶片的正面进行化学机械抛光包括：

步骤131：采用第一抛光液和抛光布对所述单晶片的正面进行快速抛光，直至所述单晶片的正面形成光学镜面；

步骤132：采用第二抛光液和抛光布对所述单晶片的正面进行精细抛光，直至所述单晶片的正面与治具的上端面处于同一平面；

步骤133：对所述单晶片进行清洗，并将洗净后的所述单晶片置于镀膜腔内，并在所述单晶片的正面蒸镀金属膜层；

其中，所述第一抛光液和第二抛光液采用酸性硅溶胶，其PH范围为3至4之间，且所述第一抛光液中硅溶胶的粒径大于所述第二抛光液中硅溶胶的粒径。

5.根据权利要求2所述一种热释电弛豫单晶超薄灵敏芯片的制备方法，其特征在于，所述步骤15包括：

步骤151：采用第一抛光液和抛光布对所述单晶片的反面进行快速抛光，直至所述单晶片的反面形成光学镜面；

步骤152：采用第二抛光液和抛光布对所述单晶片的反面进行精细抛光，直至所述单晶片的厚度减至20±1μm，且所述单晶片的反面与治具的上端面处于同一平面；

步骤153：对所述单晶片进行清洗，并将洗净后的所述单晶片置于镀膜腔内，并在所述单晶片的反面蒸镀金属膜层；

其中，所述第一抛光液和第二抛光液采用酸性硅溶胶，其PH范围为3至4之间，且所述第一抛光液中硅溶胶的粒径大于所述第二抛光液中硅溶胶的粒径。

6.根据权利要求4或5所述一种热释电弛豫单晶超薄灵敏芯片的制备方法，其特征在于，所述步骤133和步骤153中：

采用超声波对所述单晶片的正面和反面进行清洗，并在将洗净后的所述单晶片置于镀膜腔中后，采用离子轰击法对所述单晶片的正面和反面再次进行清洗；

在所述单晶片的正面和反面蒸镀金属膜层包括：采用电阻加热蒸发的方法先在洗净后的所述单晶片的正面和反面镀一层过渡金属层，再在所述过渡金属层镀一层导电层；

其中所述过渡金属层采用Cr金属，导电层采用Au金属。

7.根据权利要求2所述一种热释电弛豫单晶超薄灵敏芯片的制备方法，其特征在于，所述步骤14包括：

步骤141：取出所述单晶片，并在单晶片正面紧密贴附UV膜，再将所述单晶片的反面朝上并一一对应地置于治具的卡槽内；

步骤142：在所述单晶片的反面添加研磨粉料，并对所述单晶片的反面进行研磨，直至所述单晶片的厚度减至32±1μm，且所述单晶片反面的平整度达到±1μm范围内。

8.根据权利要求7所述一种热释电弛豫单晶超薄灵敏芯片的制备方法，其特征在于，所述步骤2中黑化物由以下步骤制备：将水性环氧树脂与多壁碳纳米管分散液按体积比小于1：5混合均匀，并加入蒸馏水进行稀释、混合均匀，得到混合液。

9.根据权利要求8所述一种热释电弛豫单晶超薄灵敏芯片的制备方法，其特征在于，所述步骤2中黑化物的喷涂包括：

步骤21：对减薄后的所述单晶片反面进行设定尺寸和形状的钢网掩膜；

步骤22：将混合液倒入超声喷涂容器内，随后对钢网掩膜后的所述单晶片反面进行超声喷涂，制得均匀致密厚度为1-2μm的多壁碳纳米管掩膜黑化层；

步骤23：对喷涂后的掩膜黑化层进行低温80度烘烤，直到掩膜黑化层固化粘接；

步骤24：对喷涂掩膜黑化层的单晶片按照钢网的掩膜尺寸进行划切，得到批量的灵敏芯片。

10.一种由如权利要求1至9任一项所述制备方法制备得到的热释电单晶超薄灵敏芯片，其特征在于，所述超薄灵敏芯片的厚度范围为10-33μm。