CN109238475A - 有弯曲支撑腿微桥结构的锰钴镍氧热敏电阻探测器及方法 - Google Patents
有弯曲支撑腿微桥结构的锰钴镍氧热敏电阻探测器及方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种有弯曲支撑腿微桥结构的锰钴镍氧热敏电阻探测器及方法，包括一双抛蓝宝石衬底；磁控溅射法生长的SiO2桥墩；一锰钴镍氧薄膜材料；制作成弯曲腿结构的欧姆接触电极。弯曲腿与锰钴镍材料下方的牺牲层释放后，形成自支撑的悬空结构。该结构不仅降低了光敏面与下方衬底之间直接的热传导，而且有效降低了电极与衬底之间的热传导，使得热敏探测器的响应率大大提高。
Description
技术领域
本发明涉及热敏电阻探测器，具体是指一种具有弯曲支撑腿微桥结构的锰钴镍氧热敏电阻探测器及制备方法。
背景技术
热敏红外探测器是一种重要的红外探测器，相比光子型红外探测器而言，具有室温工作，响应光谱宽，可靠性高，制备成本低廉，器件封装简单等优点，在军事和民用领域应用广泛。其中，锰、钴、镍过渡金属氧化物的三元合金材料锰钴镍氧具有电阻温度系数高、制备方便、可靠性高等优点，在空间科学与铁路轴温探测方面发挥了重要作用。以前，人们对锰钴镍氧材料的研究主要集中在体材料上，采用化学溶液共沉淀法制得粉料，然后再加入粘合剂，经压片、烧结后制备成型。体材料因晶粒间的不完全接触和空洞、缝隙等缺陷的影响，导致器件的成品率低，而且噪声容易变大，需要经过层层筛选方能获得性能良好的器件，极大地增加了劳动力成本和时间成本。而近几年发展的溶胶凝胶法制备的锰钴镍氧薄膜材料，具有均匀性好、薄膜致密、噪声小等优点，该方法渐渐取代体材料的生长方法，成为制备锰钴镍氧热敏电阻材料的主流技术。
热敏电阻的热导直接决定其响应率的大小，热导越小响应率越高。目前已经商业化的氧化钒与非晶硅等热敏电阻探测器，为降低器件热导，通常会利用聚酰亚胺等牺牲层材料制备微桥结构，然后再采用氧等离子体释放牺牲层。现阶段锰钴镍氧热敏电阻都是采用浸没的方式，通过硒砷玻璃将热敏电阻薄片粘接在锗透镜上，其热导受浸没材料热导率的限制，改善的空间有限。此外，锰钴镍氧热敏电阻材料由于每次甩膜后都需要在700℃高温下退火，限制了上述通过释放聚酰亚胺等牺牲层材料来制作微桥的技术途径。
以上涉及的参考文献如下：
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发明内容
本发明基于锰钴镍氧热敏电阻薄膜材料，提供了一种新颖的制作悬空微桥结构的方法，能够与锰钴镍氧的制备工艺兼容，并且还设计弯曲支撑腿结构进一步降低热敏电阻的热导，提高其响应率。
本发明一种具有弯曲支撑腿微桥结构的锰钴镍氧热敏电阻探测器结构如图1所示，其特征在于，器件结构包括：
一双抛透明蓝宝石衬底1，衬底厚度在0.3-0.6mm之间；
一牺牲层材料SiO22，SiO2层厚度在1-3μm之间。该牺牲层材料采用磁控溅射方法制备，疏松多孔，易于使用HF酸腐蚀；
一锰钴镍氧薄膜材料3，采用溶胶凝胶方法制作，厚度在10μm左右；
一欧姆接触电极4，该电极的金属材料双离子束溅射生长的Cr/Au，电极设计成弯曲支撑腿结构；
其中，锰钴镍氧薄膜采用溶胶凝胶法制备，每次甩胶后都要在700℃空气氛围下退火，以使锰钴镍氧结晶，并调节薄膜中氧的组分；薄膜厚度参照体材料制作的热敏电阻的厚度，控制在10μm左右；
其中，牺牲层采用磁控溅射法制备的SiO2介质层，厚度一般在1-3μm之间。SiO2层厚度小于1μm时，热敏薄膜与衬底之间的空气层太薄，不利于最大限度降低两者之间的热传导；大于3μm时，在退火过程中介质层容易起皱，导致热敏薄膜龟裂；
其中电极最外侧为矩形，矩形电极下方的SiO2层保留，形成微桥结构的“桥墩”，支撑起整个光敏元；
其中整个器件制作完成后，光敏面及弯曲支撑腿下方为空气夹层，由于空气的热导率远小于SiO2，因此该器件的热导比没有微桥结构的器件大大降低；将器件封装在杜瓦或金属管壳中并进行抽真空处理，其热导还可以进一步降低。
所说的具有弯曲支撑腿微桥结构的锰钴镍氧热敏电阻探测器的制作工艺包括以下步骤：
步骤一：采用磁控溅射法制备SiO2牺牲层，厚度1-3μm；
步骤二：在具有SiO2牺牲层的蓝宝石衬底上，利用溶胶凝胶法制备锰钴镍氧热敏薄膜，厚度10μm左右；
步骤三：电极刻蚀成弯曲腿结构；
步骤四：使用HF缓冲溶液(HF:NH3F:H2O＝1:3:10)进行SiO2牺牲层的释放，获得具有弯曲支撑腿微桥结构的锰钴镍氧热敏探测器。
本发明的最大优点是利用SiO2作为牺牲层材料制备微桥结构，与锰钴镍氧薄膜制备工艺兼容，能够耐住700℃高温退火，而且不会使表面的薄膜产生裂纹。该微桥结构与弯曲支撑腿结构相结合，极大降低了器件的热导，大大提高了响应率。
附图说明
图1为具有弯曲支撑腿微桥结构的锰钴镍氧热敏电阻探测器结构的截面图。
图2为具有弯曲支撑腿微桥结构的锰钴镍氧热敏电阻探测器结构的俯视图。
附图中：1.双抛透明蓝宝石衬底
2.SiO2
3.锰钴镍氧薄膜
4.Cr/Au电极
5.空气层。
具体实施方式
下面提供该探测器的三个具体实施例，并对本发明作进一步的说明。实施例中主要的变化参数是SiO2牺牲层的厚度，锰钴镍氧薄膜厚度为10μm，牺牲层的厚度分别为1μm，2μm，3μm。牺牲层的厚度不能超过3μm，否则在退火过程中容易起皱，导致热敏薄膜龟裂。
1.衬底的清洗：
选择0.5mm厚透明双抛蓝宝石衬底，依次采用三氯甲烷、乙醚、丙酮、酒精对其进行清洗，去除表面的油污与杂质，然后用去离子水冲洗干净，再用高纯氮气吹干。
2.牺牲层的制备：
利用磁控溅射镀膜机采用射频溅射法在清洗完成后的蓝宝石衬底上溅射SiO2牺牲层，溅射的介质层的厚度根据具体实施例可选择不同的数值，比如1μm，2μm，3μm。
3.热敏材料的淀积:
利用溶胶凝胶法，在有SiO2牺牲层的蓝宝石衬底上，制备多层锰钴镍氧薄膜。其中所使用的溶液为醋酸锰、醋酸钴、醋酸镍的混合溶液，呈紫红色，三者的比例为52:32:16。每次旋涂后都要在700℃空气氛围下进行快速热退火，以使锰钴镍氧结晶，并调节薄膜中氧的组分。薄膜厚度参照体材料制作的热敏电阻的厚度，控制在10μm左右。
4.电极的制备：
对淀积锰钴镍氧薄膜进行光刻，光刻胶采用AZ1500，本步光刻的目的是定义弯曲支撑腿电极图形。
采用双离子束溅射技术，蒸镀Cr/Au电极，电极厚度分别为20nm/300nm，蒸镀Cr层的目的是增加电极与锰钴镍氧薄膜之间的附着力。将蒸镀电极后的片子放入丙酮溶液中浸泡30分钟后进行浮胶处理，获得弯曲电极图案。
5.图形的刻蚀：
再次光刻，光刻胶采用AZ4620，目的是定义光敏元图案。
采用Ar离子刻蚀技术，对上步光刻后的图形进行刻蚀，使SiO2牺牲层暴露出来。将片子放入丙酮溶液中去除光刻胶。
6.牺牲层的释放：
再次光刻，光刻胶采用AZ4620，目的是制作图形保护桥墩结构。
将薄片放入HF酸缓冲溶液(HF:NH3F:H2O＝1:3:10)中，腐蚀SiO2介质层，进行牺牲层的释放，获得具有弯曲支撑腿微桥结构的锰钴镍氧热敏探测器。
Claims (2)
1.一种有弯曲支撑腿微桥结构的锰钴镍氧热敏电阻探测器，其特征在于：所述的锰钴镍氧热敏电阻探测器的结构为：在双抛蓝宝石衬底(1)上有微桥桥墩(2)，微桥桥墩高1-3μm；锰钴镍氧薄膜材料(3)，厚度约10μm，位于桥墩上方；欧姆接触电极(4)位于锰钴镍薄膜材料靠近桥墩两侧的表面上，呈弯曲腿结构，电极为Cr和Au金属组合膜。
2.一种制备如权利要求1所述有弯曲支撑腿微桥结构的锰钴镍氧热敏电阻探测器的方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：采用磁控溅射法制备SiO2牺牲层，厚度1-3μm；
步骤二：在具有SiO2牺牲层的蓝宝石衬底上，利用溶胶凝胶法制备锰钴镍氧热敏薄膜，厚度10μm左右；
步骤三：电极刻蚀成弯曲腿结构；
步骤四：使用HF酸缓冲溶液进行SiO2牺牲层的释放，获得具有弯曲支撑腿微桥结构的锰钴镍氧热敏探测器。
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