CN1419263A - 一种制备Si基铁电薄/厚膜型微绝热结构阵列的方法 - Google Patents

一种制备Si基铁电薄/厚膜型微绝热结构阵列的方法 Download PDF

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Abstract

一种制备Si基铁电薄/厚膜型微绝热结构阵列的方法。采用“填充—掏空”技术制备Si基铁电薄/厚膜型微绝热结构阵列，避免了国外制备铁电陶瓷薄片混合式红外探测器焦平面阵列需将陶瓷切片、减薄、抛光、网格化及微组装等复杂工序。与常规薄膜型红外探测器焦平面阵列相比较优势又体现在不需为降低衬底的热容量防止热扩散和提高敏感元的探测灵敏度而制备微桥阵列，其设计思想突破了传统的思维方式。

Description

一种制备Si基铁电薄/厚膜型微绝热结构阵列的方法
技术领域
本发明属于微电子技术领域，具有涉及一种制备Si基铁电薄/厚膜型微绝热结构阵列的方法。该方法采用“填充—掏空”技术制备微绝热结构阵列，该阵列尤其适用于非致冷红外探测器焦平面。微绝热结构阵列是制备非致冷红外探测器焦平面阵列(UFPA)的关键工序，主要作用是降低阵列敏感单元的热容量，防止热量向周围扩散，从而提高非致冷红外探测器焦平面阵列的探测灵敏度。
景技术
非致冷红外探测器焦平面阵列代表了凝视阵列热成像发展的新途径，是制造非致冷热成像仪的关键部件。制备非致冷红外探测器焦平面阵列的主要技术难点之一在于如何降低探测灵敏元与基片之间的热传导，以提高器件的探测率。
目前成功研制出非致冷红外探测器焦平面阵列热成像仪的代表主要为美国的Texas公司和Honeywell公司。Texas公司采用钛酸锶钡(BST)铁电陶瓷，通过切片、减薄、抛光、激光刻蚀网格化与铟柱倒装焊接技术制备出245×328元铁电陶瓷混合式非致冷红外探测器焦平面阵列。Honeywell公司利用氧化钒(VOx)薄膜研制出245×328元微测辐射热计式非致冷红外探测器焦平面阵列。阵列中每一个敏感元均采用微机械加工工艺制备微桥结构，并与读出电路集成形成单片式结构。
上述二种方式制备的非致冷红外探测器焦平面阵列从其探测原理上来说有较大区别。Texas公司采用具有低温相变特性的BST铁电材料来制备敏感元，利用其在相变点附近极化对温度的变化具有极其敏感的特点，即材料温度稍有波动则会导致极化大幅度的改变，而极化的变化便产生电荷，电荷量反映了外界红外辐射功率的大小。Honeywell公司利用VOx薄膜的电阻值在临界温度附近发生突变的特点来制备敏感元，薄膜电阻值的突变引起输出电压的改变，而输出电压反映出外界红外辐射功率的大小。Texas公司和Honeywell公司制造的非致冷红外探测器焦平面阵列提高敏感元探测灵敏度的共同特点在于：充分利用红外入射在材料中引起的温度变化来产生相应的电信号。换句话说，要充分利用红外入射在材料中引起的温度变化就必须制备出合理的敏感元微绝热结构，降低热传导。日本公开了一种“热释电红外传感器和它的制备方法”(申请号：05037578，申请日：1993.2.1，公告日：1994.10.7)，内容涉及改进小型PZT薄膜热释电红外传感器阵列的红外响应。提高上述性能的主要手段是用微机械工艺加工出微桥阵列，微桥阵列是一种底部掏空的平面支撑层，支撑层上沉积电极，PZT薄膜沉积在有电极的支撑层上。用微机械工艺加工微桥存在以下缺点：微机械工艺加工性脆的无机材料衬底(例如Si单晶衬底)要求极高，控制困难，成品率低；在微米级厚度的微桥上沉积敏感元薄膜及各种相关膜层涉及到薄膜的各种物理、化学特性与制备工艺的兼容性，兼容因素复杂，实现困难。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能克服上述缺陷的制备Si基铁电薄/厚膜型微绝热结构阵列的方法，它适用于需降低热传导提高敏感元探测灵敏度的相关阵列器件的制备，例如制备铁电薄/厚膜型非致冷红外探测器焦平面阵列。
一种制备Si基铁电薄/厚膜型微绝热结构阵列的方法，依次包括以下步骤：
(1)在目标基片上用微机控制激光器进行激光打孔，形成有规则的微孔阵列；
(2)对激光加工后的微孔阵列进行化学抛光腐蚀，使微孔孔壁和边缘平滑、整齐；
(3)将与敏感元材料同质的填充材料涂覆填入化学抛光后具有微孔阵列的基片中；
(4)对填充后的基片进行干燥和热处理，使纳米粉末溶胶在填入的微孔中形成结晶，并反复地涂覆填充、干燥和热处理，直至基片表面形成一层平整的多晶薄膜；
(5)对基片表面进行减薄、抛光，去掉表面的多晶薄膜，在Si基片表面形成一种多晶膜网格状结构；
(6)以多晶膜网格状结构的Si基片为衬底分别沉积SiO2和Si3N4；
(7)根据薄/厚膜型非致冷红外探测器焦平面阵列的设计要求，分别沉积缓冲电极、底电极、敏感元膜层、红外吸收层、上电极和保护层；
(8)采用与刻蚀敏感元相同的化学试剂溶蚀掉阵列微孔中的填充物即可。
采用“填充—掏空”技术制备Si基铁电薄/厚膜型微绝热结构阵列，与常规微绝热结构的制备方法不同。与BST铁电陶瓷制备非致冷红外探测器焦平面阵列相比，其优势体现在它采用(铁电)薄/厚膜来制备探测敏感元，不仅避免了复杂的陶瓷切片、减薄、抛光、网格化及微组装等工序，同时也便于直接在其上集成半导体读出电路。与VOx薄膜制备非致冷红外探测器焦平面阵列相比，其优势又体现在采用“填充—掏空”技术制备Si基结构微绝热阵列，避免了采用微机械工艺加工技术制备微桥阵列。微桥阵列与敏感元薄膜的制备涉及到微机械系统的研究领域和敏感元薄膜在各种物理、化学条件下的兼容性，实现起来是较困难的。综上所述，采用“填充—掏空”技术制备Si基铁电薄/厚膜型微绝热结构红外探测器焦平面阵列具有一定的创造性和实用性。首先，此项技术避免了国外制备铁电陶瓷薄片混合式红外探测器焦平面阵列需将陶瓷切片、减薄、抛光、网格化及微组装等复杂工序；其次，与常规薄膜型红外探测器焦平面阵列相比较优势又体现在不需为降低衬底的热容量防止热扩散和提高敏感元的探测灵敏度而制备微桥阵列，其设计思想突破了传统的思维方式。
附图说明
图1为本发明方法的工艺流程图。
具体实施方式
本发明方法的步骤如图1所示，具体说明如下：
1.在目标基片(Si单晶片)上用微机控制YAG固体激光器或其它类型的激光器进行激光打孔，形成有规则的微孔阵列，孔径一般小于800μm，孔径大小由激光聚焦确定，孔径的分布由设计人员根据需要设计好，由微机控制激光器产生。
2.采用四甲基氢氧化铵(TMAH)水溶液，对激光加工后的微孔阵列进行化学抛光(腐蚀)，使微孔孔壁和边缘平滑、整齐。也可以采用、水稀释乙二胺、邻苯二酚混合液(简称EDP)、水加异丙醇稀释KOH混合液、水加醋酸稀释HF、HNO3混合液(简称HNA)和水加异丙醇稀释联氨混合液等进行化学抛光。
3.将准备好的填充材料涂覆填入化学抛光后具有微孔阵列的基片中。填充材料应该与敏感元材料同质，以保证填充材料经处理后具有一定的机械强度、硬度且有耐高温、易刻蚀特性。就制备铁电薄/厚膜敏感元而言，一般采用钛酸铅(PT)、掺镧钛酸铅(PLT)、锆钛酸铅(PZT)和钛酸锶钡(BST)等纳米粉末溶胶作为填充材料。
4.对填充好有关材料的微孔阵列基片进行干燥和热处理，使纳米粉末溶胶在填入的微孔中形成结晶。反复地涂覆填充、干燥和热处理，直至基片表面形成一层平整的多晶薄膜。
5.对基片表面进行减薄、抛光，去掉表面的多晶薄膜，在Si基片表面形成一种多晶膜网格状结构。
6.以多晶膜网格状结构Si基片为衬底分别沉积SiO2和Si3N4，完成前期制备工序。
7.根据薄/厚膜型非致冷红外探测器焦平面阵列的设计要求，分别沉积缓冲电极、底电极、敏感元膜层、红外吸收层、上电极和相应保护层等，完成阵列的有关制备工序。
8.采用与刻蚀敏感元相同的化学试剂溶蚀掉阵列微孔中的填充物，完成微绝热结构阵列的制备。
上述各步骤中所涉及激光打孔、抛光、减薄、膜沉积等工艺与现有技术相同。

Claims (1)

1、一种制备Si基铁电薄/厚膜型微绝热结构阵列的方法，依次包括以下步骤：
(1)在目标基片上用微机控制激光器进行激光打孔，形成有规则的微孔阵列；
(2)激光加工后的微孔阵列进行化学抛光腐蚀，使微孔孔壁和边缘平滑、整齐；
(3)与敏感元材料同质的填充材料涂覆填入化学抛光后具有微孔阵列的基片中；
(4)对填充后的基片进行干燥和热处理，使纳米粉末溶胶在填入的微孔中形成结晶，并反复地涂覆填充、干燥和热处理，直至基片表面形成一层平整的多晶薄膜；
(5)对基片表面进行减薄、抛光，去掉表面的多晶薄膜，在Si-基片表面形成一种多晶膜网格状结构；
(6)以多晶膜网格状结构的Si基片为衬底分别沉积SiO2和Si3N4；
(7)根据薄/厚膜型非致冷红外探测器焦平面阵列的设计要求，分别沉积缓冲电极、底电极、敏感元膜层、红外吸收层、上电极和保护层；
(8)采用与刻蚀敏感元相同的化学试剂溶蚀掉阵列微孔中的填充物即可。
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