CN110160658B - 一种刻蚀增强型的非制冷红外薄膜探测器及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种刻蚀增强型的非制冷红外薄膜探测器及制备方法，所述探测器由氧化铝衬底，锰钴镍氧敏感元，锰钴镍氧介质超表面结构层，补偿元，以及器件管座组成。本发明制备的刻蚀增强型非制冷红外薄膜探测器，在传统锰钴镍氧薄膜型探测器的基础上，通过设计和刻蚀敏感元部分，形成特定周期、占空比和深度的锰钴镍氧介质超表面结构层，达到了增强耦合光的能力，促进了锰钴镍氧薄膜材料在红外波段的宽带吸收，进而增强了器件对红外辐射的宽波段探测能力，在响应率和探测率等方面可以有进一步的提高。本发明设计的器件制备工艺简单，与现有的硅集成工艺相兼容，可以在焦平面探测器中大规模应用。
Description
技术领域
本发明涉及红外探测器领域，更具体的说，涉及一种刻蚀增强型的非制冷红外薄膜探测器及制备方法。
背景技术
非制冷红外探测器目前主要有三种类型，分别是热电堆型、热释电型、以及热敏电阻型。其中热敏电阻型又被称为测辐射热计，其探测机理是通过吸收物体的红外辐射能量，引起自身材料的温度变化，进而转化为电信号的变化，从而获得被探测目标的红外信息。相比光子型红外探测器而言，热敏电阻型探测器具有制备工艺简单、无需昂贵繁重的制冷系统、宽光谱全波段响应、器件封装简单等优点。其中，尖晶石结构的Mn-Co-Ni-O氧化物是一种用于热敏电阻型探测器的典型薄膜材料，电阻率适中、TCR系数大；老化速率慢、性能稳定和可靠性高；制备成本低廉，可用于室温宽波段探测，目前已经在科学和技术等领域有着广泛的应用。
与此同时，近十来年，超构材料因其具有天然材料所不具备的超常物理性质，赋予了人们更加灵活地调控电磁波的能力。因此结合超材料设计的思想，在传统的锰钴镍氧热敏薄膜型探测器[1-4]的基础上，通过设计和刻蚀探测器的敏感元部分，形成特定周期、占空比和深度的锰钴镍氧介质超表面结构层，达到增强耦合光的能力，促进了锰钴镍氧薄膜材料在红外波段的宽带吸收，进而增强了器件对红外辐射的探测能力，在响应率和探测率等方面可以有进一步的提高。本发明设计的器件制备工艺简单，与现有的硅集成工艺相兼容，可以在焦平面探测器中大规模应用。
参考文献：
[1]Y.Hou，et al，Characterization of Mn1.56Co0.96Ni0.48O4films for infrareddetection.Applied Physics Letters，92，20，2008.
[2]黄志明，欧阳程等，一种正入射浸没式非制冷薄膜型红外探测器。发明专利，201410020865.4
[3]欧阳程，黄志明等，一种背入射浸没式热敏薄膜型红外探测器。发明专利，201410020924.8
[4]C.OuYang，et al，Uncooled bolometer based on Mn1.56Co0.96Ni0.48O4thinfilms for infrared detection and thermal imaging.Appl Phys Lett，105，022105，2014
发明内容
本发明的目的是公开一种刻蚀增强型的非制冷红外薄膜探测器的结构，提供了器件制备方法。在传统锰钴镍氧薄膜型探测器的基础上，通过设计和刻蚀敏感元部分，形成特定周期、占空比和深度的锰钴镍氧介质超表面结构层，来实现增强红外热辐射探测的能力，在探测率和响应率等方面有进一步的提高。
本发明的刻蚀增强型非制冷红外薄膜探测器的结构描述如下：图1，图2和图3分别为本发明探测器的整体结构图，未封装金属外壳时探测器结构的俯视图和敏感元部分的局部放大图。
如图1、图2、图3所示，一种刻蚀增强型的非制冷红外薄膜探测器包括：锰钴镍氧敏感元1，锰钴镍氧介质超表面结构层2，氧化铝衬底3，补偿元4，导热硅脂5，电极6，焊丝7，器件引脚8-10，金属外壳11，器件管座12。器件结构具体描述如下：在氧化铝衬底3的上方，依次为锰钴镍氧敏感元1，锰钴镍氧介质超表面结构层2；氧化铝衬底3通过导热硅脂5粘贴在器件管座12上；锰钴镍氧敏感元1的电极6用金线焊丝7分别与器件引脚8和器件引脚9相连；补偿元4的电极6用金线焊丝7分别与器件引脚9和器件引脚10相连；金属外壳11封装在器件管座12上方的卡槽里。
如图1，氧化铝衬底3为非晶氧化铝宝石片，厚度为70um；锰钴镍氧敏感元1和锰钴镍氧介质超表面结构层2总厚度为9um，其中锰钴镍氧敏感元1厚度为3.9-6.5um；锰钴镍氧介质超表面结构层2厚度为2.5-5.1um，介质结构的周期为6.3-7.5um，占空比为0.25或0.75。
本发明的刻蚀增强型非制冷红外薄膜探测器是这样制备的：
1)采用射频磁控溅射方法，在非晶氧化铝衬底上沉积一层锰钴镍氧热敏薄膜；
2)在锰钴镍氧薄膜表面，光刻设计的图形，曝光显影后，使用干法和湿法相结合的刻蚀工艺，在敏感元薄膜上形成特定刻蚀图案和刻蚀深度的敏感元介质超表面结构层；
3)在已经刻蚀的敏感元介质超表面的两侧，套刻显影处理后，获得电极图案，使用电子束蒸发镀制铬金，剥离后，获得探测元；
4)在锰钴镍氧薄膜表面，未刻蚀的部分，使用相同的电极图案和尺寸，光刻显影处理后，使用电子束蒸发镀制铬金，剥离后，获得补偿元；
5)用机械划片的方式，将探测元和补偿元分别切下来，用导热硅脂分别粘贴到底座的中心和边缘，并用干燥箱烘干。使用金线焊丝将电极和器件引脚相连，实现电学导通，盖上管座的金属外壳，完成封装。
本发明的刻蚀增强型非制冷红外薄膜探测器，通过引入锰钴镍氧敏感元介质超表面结构层，进一步促进了锰钴镍氧薄膜材料的吸收，增强了器件对红外热辐射的探测能力，促使器件的响应率和探测率等性能指标进一步的提高，对于优化器件结构设计和改善器件性能都有着十分重要的意义。
附图说明
图1为本发明的探测器的整体结构图。
图2为未封装金属外壳时探测器结构的俯视图。
图3为探测器的敏感元部分的局部放大图(侧视)，虚线框为敏感元部分的单周期结构示意图。
图4为本发明实施例1-3的锰钴镍氧介质超表面结构层的单周期结构俯视图，其中图(a)为本发明实施例1的单周期结构示意图；图(b)为本发明实施例2的单周期结构示意图；图(c)为本发明实施例3的单周期结构示意图。
图5为本发明实施例1的刻蚀增强型探测器与无刻蚀结构层的探测器性能(敏感元吸收)模拟对比图。
图6为本发明实施例2的刻蚀增强型探测器与无刻蚀结构层的探测器性能(敏感元吸收)模拟对比图。
图7为本发明实施例3的刻蚀增强型探测器与无刻蚀结构层的探测器性能(敏感元吸收)模拟对比图。
图8为本发明的探测器的制备工艺流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，设计了实例1-3的三种探测器，其中图4为本发明实施例1-3的锰钴镍氧介质超表面结构层的单周期结构俯视图，图5-7对应本发明实施例1-3的刻蚀增强型探测器与无刻蚀结构层的探测器性能(敏感元吸收)模拟对比图，图8为本发明的探测器的制备工艺流程图。所述探测器的制备方法具体由以下步骤实现：
实施例1：
1.制备红外敏感元薄膜。将厚度为70um的非晶氧化铝衬底3，使用丙酮、酒精、去离子水清洗，并用氮气吹干，放入样品托盘中，采用射频磁控溅射方法沉积锰钴镍氧热敏薄膜，衬底温度为450度，溅射功率为100W，生长时间为约为7天，获得厚度为9um的锰钴镍氧薄膜，即锰钴镍氧敏感元1和锰钴镍氧介质超表面结构层2的总厚度为9um。
2.制备敏感元介质超表面。选用光刻胶AZ 4330进行图形光刻，匀胶机转速设为前转500转/分，时间为5s，后转为3000转/分，匀胶时间设为30秒。前烘曝光显影，得到敏感元待刻蚀的图形。再进行干法刻蚀，使用氩离子刻蚀方法，刻蚀出厚度为2.7um，周期为7.5um，占空比为0.25的锰钴镍氧介质超表面结构层2，此时锰钴镍氧敏感元1厚度为6.3um，再次使用丙酮、酒精、去离子水清洗，并用氮气吹干。
3.制作电极。选用光刻胶AZ 4330进行图形光刻，匀胶机转速设为前转500转/分，时间为5s，后转为2000转/分，匀胶时间设为30秒。前烘曝光显影，得到中间间距为400um，单边电极6长宽为50um×200um的图形。再使用电子束蒸发得到30nm厚的铬膜和300nm厚的金膜。再用丙酮去胶和浮金，使用酒精、去离子水清洗，氮气吹干，获得探测元。
4.制备补偿元。在锰钴镍氧薄膜表面，未刻蚀的部分，选用光刻胶AZ 5214进行图形光刻，匀胶机转速设为前转500转/分，时间为5s，后转为4000转/分，匀胶时间设为30秒。使用相同的电极图案和尺寸，前烘曝光显影，得到中间间距为400um，单边电极6长宽为50um×200um的图形。再使用电子束蒸发工艺，蒸发得到30nm厚的铬膜和300nm厚的金膜。再用丙酮去胶和浮金，使用酒精、去离子水清洗，氮气吹干，获得补偿元4。
5.机械切割和贴片封装。使用金刚刀划片机对锰钴镍氧敏感元1和补偿元4进行划片，划片尺寸为500um×200um，再用导热硅脂5分别粘贴到器件管座12的中心和边缘，并用干燥箱烘干。用金线焊丝7将锰钴镍氧敏感元1左右两侧的电极6分别与器件引脚8和器件引脚9相连；用金线焊丝7将补偿元4左右两侧的电极6分别与器件引脚9和器件引脚10相连，实现电学导通，盖上管座的金属外壳11，完成封装。
实施例2：
1.制备红外敏感元薄膜。将厚度为70um的非晶氧化铝衬底3，使用丙酮、酒精、去离子水清洗，并用氮气吹干，放入样品托盘中，采用射频磁控溅射方法沉积锰钴镍氧热敏薄膜，衬底温度为450度，溅射功率为100W，生长时间为约为7天，获得厚度为9um的锰钴镍氧薄膜，即锰钴镍氧敏感元1和锰钴镍氧介质超表面结构层2的总厚度为9um。
2.制备敏感元介质超表面。选用光刻胶AZ 4330进行图形光刻，匀胶机转速设为前转500转/分，时间为5s，后转为1000转/分，匀胶时间设为30秒。前烘曝光显影，得到敏感元待刻蚀的图形。再进行干法刻蚀，使用氩离子刻蚀方法，刻蚀出厚度为5.1um，周期为6.3um，占空比为0.75的锰钴镍氧介质超表面结构层2，此时锰钴镍氧敏感元1厚度为3.9um，再次使用丙酮、酒精、去离子水清洗，并用氮气吹干。
3.制作电极。选用光刻胶AZ 4330进行图形光刻，匀胶机转速设为前转500转/分，时间为5s，后转为2000转/分，匀胶时间设为30秒。前烘曝光显影，得到中间间距为400um，单边电极6长宽为50um×200um的图形。再使用电子束蒸发得到30nm厚的铬膜和300nm厚的金膜。再用丙酮去胶和浮金，使用酒精、去离子水清洗，氮气吹干，获得探测元。
4.制备补偿元。在锰钴镍氧薄膜表面，未刻蚀的部分，选用光刻胶AZ 5214进行图形光刻，匀胶机转速设为前转500转/分，时间为5s，后转为4000转/分，匀胶时间设为30秒。使用相同的电极图案和尺寸，前烘曝光显影，得到中间间距为400um，单边电极6长宽为50um×200um的图形。再使用电子束蒸发工艺，蒸发得到30nm厚的铬膜和300nm厚的金膜。再用丙酮去胶和浮金，使用酒精、去离子水清洗，氮气吹干，获得补偿元4。
5.机械切割和贴片封装。使用金刚刀划片机对锰钴镍氧敏感元1和补偿元4进行划片，划片尺寸为500um×200um，再用导热硅脂5分别粘贴到器件管座12的中心和边缘，并用干燥箱烘干。用金线焊丝7将锰钴镍氧敏感元1左右两侧的电极6分别与器件引脚8和器件引脚9相连；用金线焊丝7将补偿元4左右两侧的电极6分别与器件引脚9和器件引脚10相连，实现电学导通，盖上管座的金属外壳11，完成封装。
实施例3：
1.制备红外敏感元薄膜。将厚度为70um的非晶氧化铝衬底3，使用丙酮、酒精、去离子水清洗，并用氮气吹干，放入样品托盘中，采用射频磁控溅射方法沉积锰钴镍氧热敏薄膜，衬底温度为450度，溅射功率为100W，生长时间为约为7天，获得厚度为9um的锰钴镍氧薄膜，即锰钴镍氧敏感元1和锰钴镍氧介质超表面结构层2的总厚度为9um。
2.制备敏感元介质超表面。选用光刻胶AZ 4330进行图形光刻，匀胶机转速设为前转500转/分，时间为5s，后转为3000转/分，匀胶时间设为30秒。前烘曝光显影，得到敏感元待刻蚀的图形。再进行干法刻蚀，使用氩离子刻蚀方法，刻蚀出厚度为2.5um，周期为7um，占空比为0.75的锰钴镍氧介质超表面结构层2，此时锰钴镍氧敏感元1厚度为6.5um，再次使用丙酮、酒精、去离子水清洗，并用氮气吹干。
3.制作电极。选用光刻胶AZ 4330进行图形光刻，匀胶机转速设为前转500转/分，时间为5s，后转为2000转/分，匀胶时间设为30秒。前烘曝光显影，得到中间间距为400um，单边电极6长宽为50um×200um的图形。再使用电子束蒸发得到30nm厚的铬膜和300nm厚的金膜。再用丙酮去胶和浮金，使用酒精、去离子水清洗，氮气吹干，获得探测元。
4.制备补偿元。在锰钴镍氧薄膜表面，未刻蚀的部分，选用光刻胶AZ 5214进行图形光刻，匀胶机转速设为前转500转/分，时间为5s，后转为4000转/分，匀胶时间设为30秒。使用相同的电极图案和尺寸，前烘曝光显影，得到中间间距为400um，单边电极6长宽为50um×200um的图形。再使用电子束蒸发工艺，蒸发得到30nm厚的铬膜和300nm厚的金膜。再用丙酮去胶和浮金，使用酒精、去离子水清洗，氮气吹干，获得补偿元4。
5.机械切割和贴片封装。使用金刚刀划片机对锰钴镍氧敏感元1和补偿元4进行划片，划片尺寸为500um×200um，再用导热硅脂5分别粘贴到器件管座12的中心和边缘，并用干燥箱烘干。用金线焊丝7将锰钴镍氧敏感元1左右两侧的电极6分别与器件引脚8和器件引脚9相连；用金线焊丝7将补偿元4左右两侧的电极6分别与器件引脚9和器件引脚10相连，实现电学导通，盖上管座的金属外壳11，完成封装。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种刻蚀增强型的非制冷红外薄膜探测器,包括锰钴镍氧敏感元(1)，锰钴镍氧介质超表面结构层(2)，氧化铝衬底(3)，补偿元(4)，导热硅脂(5)，电极(6)，焊丝(7)，第一器件引脚(8),第二器件引脚(9)，第三器件引脚(10)，金属外壳(11)，器件管座(12),其特征在于:
所述的探测器结构如下：在氧化铝衬底(3)的上方，依次为锰钴镍氧敏感元(1)，锰钴镍氧介质超表面结构层(2)；氧化铝衬底(3)通过导热硅脂(5)粘贴在器件管座(12)上；锰钴镍氧敏感元(1)的电极(6)用金线焊丝(7)分别与第一器件引脚(8)和第二器件引脚(9)相连；补偿元(4)的电极(6)用金线焊丝(7)分别与第二器件引脚(9)和第三器件引脚(10)相连；金属外壳(11)封装在器件管座(12)上方的卡槽里；
所述的氧化铝衬底(3)为非晶氧化铝宝石片，厚度为70μm；
所述的锰钴镍氧敏感元(1)和锰钴镍氧介质超表面结构层(2)总厚度为9μm，其中锰钴镍氧敏感元(1)厚度为3.9-6.5μm；锰钴镍氧介质超表面结构层(2)厚度为2.5-5.1μm，介质结构的周期为6.3-7.5μm，占空比为0.25或0.75。
2.一种制备如权利要求1所述的刻蚀增强型的非制冷红外薄膜探测器的方法，其特征在于包括以下步骤：
1)采用射频磁控溅射方法，在非晶氧化铝衬底上沉积一层锰钴镍氧热敏薄膜；
2)在锰钴镍氧薄膜表面，光刻设计的图形，曝光显影后，使用干法和湿法相结合的刻蚀工艺，在敏感元薄膜上形成特定刻蚀图案和刻蚀深度的敏感元介质超表面结构层；
3)在已经刻蚀的敏感元介质超表面的两侧，套刻显影处理后，获得电极图案，使用电子束蒸发镀制铬金，剥离后，获得探测元；
4)在锰钴镍氧薄膜表面，未刻蚀的部分，使用相同的电极图案和尺寸，光刻显影处理后，使用电子束蒸发镀制铬金，剥离后，获得补偿元；
5)用机械划片的方式，将探测元和补偿元分别切下来，用导热硅脂分别粘贴到底座的中心和边缘，并用干燥箱烘干，使用金线焊丝将电极和器件引脚相连，实现电学导通，盖上管座的金属外壳，完成封装。
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