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专利名称：非制冷红外探测器及制备方法
技术领域：
本发明属于电子材料与元器件技术领域。
背景技术：
红外探测技术在现代战争中起着至关重要的作用，已广泛应用到制导、跟踪、侦察、遥感和自动控制中，如驾驶员视觉增强器、单兵夜视、导弹红外寻的头、机载红外瞄准吊舱等。在红外探测技术中探测器是核心，其特征决定了其所配套的武器装备的性能和应用领域。按有无制冷装置红外探测器分为制冷型和非制冷型。由于制冷型红外成像仪器制冷系统笨重、机动性差，使得其军事应用受到限制。非制冷型红外探测器虽然没有制冷型性能高，但由于不需要制冷装置，具有性能适中、体积小、重量轻、使用方便、功耗低、价格低的特点，能广泛应用于小型、低成本武器系统中，是各军事大国发展的重点。·
传统的非制冷红外探测器的结构如附图I所示，在衬底5上制作热绝缘结构4，再在热绝缘结构4上制作热敏感单元，热敏感单元由热敏感薄膜3和电极2构成。受到红外辐射I后，会引起热敏感单元温度增加，导致敏感材料3的电学性能的变化，经后续电路处理后实现对红外辐射的探测。其中热绝缘结构4的作用是，减少热敏感单元吸收的热量向周围媒质流失，提高热敏感单元的热绝缘性能，使热敏感薄膜3获得尽可能大的温度增加，因此热绝缘结构4对非制冷红外探测器有十分重要的影响，它的设计和制备是获得高性能非制冷红外探测器的关键。目前，热绝缘结构4主要有微桥结构(Mike A. Todd, PaulA. Manning,Paul P. Donohue,Alan G.Brown and Rex Wattonj Proceedings ofSPIE，USA，4130 (2000)，128-139)、热绝缘薄膜层结构(王三红，吴小清，姚熹，西安交通大学学报，35 (2001), 146-148)和衬底背掏空结构(Kazuhiko Hashimoto, HuapingXu,Tomonori Mukaigawa, Ryuichi Kubo,Hong Zhuc,Minoru Noda,MasanoriOkuyama, Sensors and Actuators A, 88 (2001)，10-19)。微桥结构虽然热绝缘性能高,但技术难度高、工艺复杂、成本高；热绝缘薄膜层结构指在热敏感单元和衬底5之间制备一层热导率很低的薄膜材料，减少热敏感单元向衬底5的热传导，常用的薄膜材料有多孔二氧化硅(SiO2)、聚酰亚胺(PI)等；衬底背掏空结构指将热敏感单元直接制作在衬底5上，将热敏感单元背后的部分衬底掏空，减小衬底5的热容，提高热敏感单元的温度响应。在这三种结构中，热敏感单元还需要进行图形化工艺处理，使其与平面内的环境热隔离，减小横向热损失，降低像元间的热串扰。通常，上述三种结构中热绝缘结构4和热敏感单元都采用干法(等离子体刻蚀)/湿法(化学腐蚀)刻蚀的方法制作，需要分别对热绝缘结构4、敏感材料3、电极材料2进行图形化处理。每一次图形化处理的工艺步骤为①制备薄膜材料，②涂覆光刻胶，③按一定图形对光刻胶曝光，④去除光刻胶，⑤干法或者湿法刻蚀薄膜材料，⑥去除光刻胶。在用干法/湿法刻蚀的方法进行图形化处理的过程中，对于不同的材料，需要选择不同的刻蚀工艺，制作流程多，工艺复杂；刻蚀过程中，容易在薄膜表面留下残余物，不利于下层薄膜材料的生长，进而导致材料性能下降，损害器件性能；刻蚀过程中，等离子体/腐蚀液会对热敏感薄膜材料造成损伤，也会导致材料性能下降，损害器件性能。此外，如在制作衬底背掏空结构时，需要刻蚀的厚度达数百微米，由于干法/湿法刻蚀速度较慢，通常需要十几小时，这就导致加工过程漫长、效率低下。因此，用干法/湿法刻蚀的方法制作非制冷红外探测器工艺复杂、效率低，会损害器件性能。

发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种热绝缘性能高、热容小、机械性能优良的非制冷红外探测器及制备方法。本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，非制冷红外探测器，包括衬底、热敏感单元，热敏感单元包括热敏感薄膜和电极，热敏感薄膜的厚度为50nm-5um，所述热敏感薄膜的材料为VOxl，或非晶硅，或钛酸锶钡(Bax2Sivx2) TiO3,或锆钛酸铅Pb (Zrx3Ti1^x3) O3,或掺
镧锆钛酸铅(PbylLai_yl) (Zrx4Tipx4) O3，或钽钪酸铅 Pb (Tax5SCl_x5) O3;其中，l〈xl( 2. 5,0. 5 彡 x2 彡 O. 9,0 ( χ3〈0· 9，O. 2〈χ4〈0· 5，O. 9〈yl〈l，O. 2<x5<0. 9 ο进一步的，所述电极的材料为(Bax6Sivx6) RuO3 (O彡χ6〈1)，电极的厚度为lOnm-lum,衬底的厚度为O. 01 10mm。在衬底和热敏感单元之间还有支撑层，支撑层的材料为SiO2，或多孔SiO2，或Si3N4 ;支撑层的厚度为50nm-50um。本发明还提供非制冷红外探测器制备方法，包括下述步骤I)制备衬底；选用材料为硅单晶基片，或SrTiO3单晶基片，或LaAlO3单晶基片，或Al2O3单晶基片；2 )在衬底上制备热敏感单元；3)用激光刻蚀的方法自上向下对热敏感薄膜和电极进行图形化；4 )用激光刻蚀的方法自上向下对衬底进行图形化。进一步的，步骤4)为用激光刻蚀的方法，首先自上向下对支撑层进行图形化，然后对衬底6进行图形化。激光刻蚀的参数为激光束光斑直径Ι-lOOum，功率O. 1-10W,扫描速度0-500mm/s。方向定义本发明的热敏感单元处于衬底的上方，前述“自上向下”是指从热敏感单元到衬底的方向。本发明提供了具有独特热绝缘结构的非制冷红外探测器及制备方法。采用传统的干法/湿法刻蚀法制备非制冷红外探测器时，每次只能刻蚀一种薄膜材料，对不同的材料需要采用不同的工艺，每次刻蚀需要涂胶、光刻、显影、刻蚀、去胶等6个工艺步骤，刻蚀过程会污染薄膜界面影响下层薄膜的生长，刻蚀过程会相邻/本层薄膜造成损害降低薄膜性能，刻蚀速度慢，不适合于对数百微米厚度的材料进行刻蚀。与此相比，采用本发明具有如下的优点和积极效果用激光刻蚀时，对刻蚀材料无选择性，可以实现对多层薄膜的一次刻蚀，不会污染薄膜生长的界面，不会损害材料的性能；刻蚀速度快，适合于对数百微米厚度的材料进行刻蚀；加工精度可达数微米，能满足高密度、高精细的制备要求；工艺重复性好、成品率高，适合大批量生产；激光刻蚀设备成熟，工艺简单，能大幅度降低器件制作成本。


图I.为传统的非制冷红外探测器工作原理图。其中，I是红外辐射，2是电极，3是热敏感薄膜，4是热绝缘结构，5是衬底。图2为本发明涉及的非制冷红外探测器工作原理图。其中，6是衬底，7是支撑结构，8是热敏感单元。图3为实施例的结构示意图。其中，2是电极，3是热敏感薄膜。图Γ18为用激光刻蚀制作非制冷红外探测器的工艺流程中的结构示意图，其中， 图4是在Si衬底上制备SiO2支撑层的示意图(侧视)；图5是在Si衬底上制备SiO2支撑层的示意图(俯视)；图6是在SiO2支撑层上制备Pt下电极的示意图(侧视)；图7是在SiO2支撑层上制备Pt下电极的示意图(俯视)；图8是在Pt下电极上制备BST热释电薄膜的示意图(侧视)；图9是在Pt下电极上制备BST热释电薄膜的示意图(俯视)；图10是在BST热释电薄膜上制备NiCr上电极的示意图(侧视)；图11是在BST热释电薄膜上制备NiCr上电极的示意图(俯视)；图12是用激光刻蚀机对NiCr/BST/Pt/Si02/Si样品中的NiCr/BST/Pt进行图形化的示意图(侧视)；图13是用激光刻蚀机对NiCr/BST/Pt/Si02/Si样品中的NiCr/BST/Pt进行图形化的示意图(俯视)；图14是用激光刻蚀机对NiCr/BST/Pt/Si02/Si样品中的SiO2支撑层进行图形化的不意图(侧视);图15是用激光刻蚀机对NiCr/BST/Pt/Si02/Si样品中的SiO2支撑层进行图形化的不意图(俯视);图16是用激光刻蚀机对NiCr/BST/Pt/Si02/Si样品中的Si衬底进行图形化的示意图(侧视);图17是用激光刻蚀机对NiCr/BST/Pt/Si02/Si样品中的Si衬底进行图形化的示意图(俯视);图18是图形化后的衬底示意图。图中，9是Si衬底，10是SiO2薄膜支撑层，11是Pt下电极，12是BST热释电薄膜，13是NiCr上电极，14是被激光刻蚀掉的NiCr/BST/Pt，15是未被刻蚀的Pt下电极，16是未被刻蚀的NiCr上电极，17是未被激光刻蚀掉的NiCr/BST/Pt，用于保持上、下电极分别和15、16的电导通，以及减少18向15和16的热传导，18是热敏感单元NiCr/BST/Pt，19是被激光刻蚀掉的SiO2薄膜支撑层，20是被激光刻蚀掉的Si衬底；图19是本发明涉及的非制冷红外探测器的扫描电镜照片。其中，21是未被刻蚀的Pt下电极，22是热敏感单元NiCr/BST/Pt，23是未被激光刻蚀掉的NiCr/BST/Pt，24是未被激光刻蚀掉的SiO2薄膜支撑层；图20是本发明涉及的非制冷红外探测器的光电响应曲线图。其中，25是非制冷红外探测器的光电响应信号，幅值为130mV，26是斩波器控制信号，频率为40Hz，曲线25与26同频率变化。
具体实施例方式如图2所示。本发明包括衬底6、热敏感单元8,热敏感单元8包括热敏感薄膜3和电极2，热敏感薄膜3的厚度为50nm-5um，所述热敏感薄膜3的材料为V0xl，或非晶娃，或钛酸锶钡(Bax2Sivx2) TiO3,或锆钛酸铅Pb (Zrx3Ti1^x3) O3,或掺镧锆钛酸铅(PbylLai_yl)(Zrx4Tih4) 03，或钽钪酸铅 Pb (Tax5SCl_x5) O3;其中，l〈xl( 2. 5,0. 5 彡 x2 彡 O. 9,0 ( χ3〈0· 9，O. 2〈χ4〈0· 5，O. 9〈yl〈l，O. 2<x5<0. 9 ο所述电极2的材 料为(Bax6Sivx6) RuO3 (O ( χ6〈1),电极的厚度为IOnm-Ium,衬底的厚度为O. Of 10_。所述电极2设置于热敏感薄膜3的上下两面。在衬底和热敏感单元之间还有支撑层7，支撑层7的材料为SiO2，或多孔SiO2，或Si3N4 ;支撑层7的厚度为50nm-50um。图3所示实施例的热敏感薄膜3的上下表面皆设置有电极2。本发明的制备工艺包括以下顺序步骤步骤I :获得衬底6和支撑材料7。衬底6可选用的材料有娃(Si)单晶基片，或钦酸银(SrTiO3)单晶基片，或招酸俩(LaAlO3)单晶基片，或氧化招(Al2O3)单晶基片；衬底6的厚度为O. Ol-IOmm0对于支撑材料7，可以选用和衬底6相同的材料，也可以选用和衬底6不同的材料。当支撑材料7和衬底6材料相同时，不需要另外制备支撑材料7，而是将衬底6的一部分用作支撑材料7。当支撑材料7和衬底6材料不相同时，支撑材料7可选用的材料有Si02，或多孔SiO2,或氮化硅(Si3N4)，或PI ;相应的制备方法有溅射，或脉冲激光沉积(PLD)，或金属有机物化学气相沉积(MOCVD)，或等离子体化学气相沉积(PEVCD);支撑材料7的厚度为50nm_50um ；步骤2 :在支撑材料7上制备热敏感单元8。热敏感单元8由热敏感薄膜3和电极2构成，电极2可以位于热敏感薄膜3的上下两面，如附图3所示；也可以位于热敏感薄膜的一面，如附图4所示。热敏感薄膜3可选用的材料有氧化钒VOxl (l〈xl彡2. 5)，或非晶硅a-Si，或钛酸锶钡(Bax2Sr1^x2) TiO3 (O. 5彡x2彡O. 9)，或锆钛酸铅Pb (Zrx3Ti1^x3)O3 (O ( x3<0. 9)，或掺镧锆钛酸铅(PbylLa^) (Zrx4Ti1^x4) O3 (O. 2〈χ4〈0· 5) (O. 9<yl<l)，或钽钪酸铅Pb (Tax5SCl_x5) O3 (O. 2<x5<0. 9);热敏感薄膜3的厚度为50nm_5um ;热敏感薄膜3的制备方法可为溅射，或PLD，或M0CVD，或溶胶凝胶法(Sol-gel)，或金属有机物沉积法(MOD)。电极2可选用的材料可以是钼(Pt)，或金(Au)，或铝(Al)，或镍铬合金(NiCr)，或氧化铟锡(In2O3-SnO2),或乾钡铜氧(YBaCuO),或钌酸银钡(Bax6Sivx6) RuO3 (O < x6〈I),或镍酸镧(LaNbO3)；电极2的厚度为IOnm-Ium ；电极2的制备方法有溅射，或PLD。步骤3 :用激光刻蚀的方法，从热敏感单元8向衬底的方向，对热敏感薄膜3和电极2进行图形化。按照设计的非制冷红外探测器的结构，确定热敏感薄膜3和电极2需要被刻蚀的部分，将其图形输入到激光刻蚀机的控制软件中，设定激光刻蚀参数，如激光束面积、功率密度和刻蚀速度，激光刻蚀机对热敏感薄膜3和电极2进行刻蚀。激光刻蚀的参数为激光束光斑直径Ι-lOOum，功率O. 1-10W，扫描速度0-500mm/s。步骤4 :用激光刻蚀的方法，从热敏感单元8向衬底的方向，对支撑材料7进行图形化。按照设计的非制冷红外探测器的结构，确定支撑材料7需要被刻蚀的部分，将其图形输入到激光刻蚀机的控制软件中，设定激光刻蚀参数，如激光束面积、功率密度和刻蚀速度。激光刻蚀的参数为激光束光斑直径Ι-lOOum，功率O. 1-10W,扫描速度0-500mm/s。步骤5 :用激光刻蚀的方法从衬底6面自上向下对衬底6进行图形化。按照设计的非制冷红外探测器的结构，确定衬底6需要被刻蚀的部分，将其图形输入到激光刻蚀机的控制软件中，设定激光刻蚀参数，如激光束面积、功率密度和刻蚀速度。激光刻蚀的参数为激光束光斑直径Ι-lOOum，功率O. 1-10W,扫描速度0-500mm/s。本发明的原理是当激光束作用在样品表面时，设定激光束参数，如激光束面积、功率密度和刻蚀速度，就可以将一定深度和宽度的材料刻蚀掉，实现对热敏感单元、支撑材料和衬底的图形化。经热敏感薄膜和电极图形化后，热敏感单元周围的绝大部分材料被刻蚀掉，阻碍了横向热传导，减少了热损失；经支撑材料刻蚀图形后，未被刻蚀的支撑材料用作支撑热敏感单元，其余的被刻蚀掉，阻碍了横向热传导，减少了热损失；经衬底图形化后，热·敏感单元背面的衬底材料被刻蚀掉，减少了向衬底的纵向热传导，减少了热损失。经过上述的激光刻蚀图形化过程制成的非制冷红外探测器，具有独特的热绝缘结构，它综合了微桥结构、热绝缘薄膜层结构和衬底背掏空结构三者的优点，具有热绝缘性能高、热容小、机械性能优的特点。更具体的实施例(I)取(100)取向的η型抛光的Si单晶基片用作衬底，基片厚度为500um。经常规半导体工艺清洗后，用PECVD法在Si基片上制备SiO2薄膜，用作支撑材料，厚度为10um。如图4、5所示。(2)在Si/Si02样品上，用直流磁控溅射法制备Pt薄膜，用作下电极，厚度为lOOnm。如图6、7所示。(3)在Pt/Si02/Si样品上，用射频磁控溅射法制备(Baa65Sra35)TiO3薄膜，用作热敏感薄膜材料，厚度为500nm。如图8、9所示。(4)在BST/Pt/Si02/Si样品上，用直流磁控溅射法制备NiCr薄膜，用作上电极，厚度为50nm。如图10、11所示。(5)用激光刻蚀机对NiCr/BST/Pt/Si02/Si样品中的NiCr/BST/Pt进行图形化，被刻蚀的图形如图12、13所示。激光束的参数为激光束光斑直径Ι-lOOum，功率O. 1-10W，扫描速度 0-500mm/s。(6)用激光刻蚀机对上述样品继续进行图形化，被刻蚀的3102支撑材料的图形如图14、15所示。激光束的参数为激光束光斑直径Ι-lOOum，功率O. 1-10W，扫描速度0_500mm/s。(7)用激光刻蚀机从硅衬底面对上述样品继续进行图形化，被刻蚀的硅衬底的图形如图16、17、18所示。激光束的参数为激光束光斑直径Ι-lOOum，功率O. 1-10W，扫描速度 0_500mm/s。图19为经过上述步骤制成的非制冷红外探测器的扫描电镜照片。对上述非制冷红外探测器进行光电性能测试，测试结果如图20所示，在图中曲线25、26和同频率变化，说明探测器受斩波器信号控制产生了光电响应信号。测试条件为，黑体发射率ε =0. 98，黑体温度ΤΒΒ=800Κ，环境温度TC=305K，探测元光敏面与光阑孔间距d=15cm，光阑孔面积As=O. 096cm2，噪声带宽Λ f = O. 2395，光敏面有效面积Ad=O. 005cm2，噪声峰-峰值VN=0. 1027mv。由图20可知，红外响应电压峰-峰值Vs=125mv，根据下式
其中，能量均方根转换系数Cems=O. 447，斯特藩常数σ =5. 67 X KT12W ·αιΓ2 ·Κ_4。计算出D*=6. 22X 107cm · Hz1/2 · W—1。这表明BST薄膜红外探测器有良好的红外响应性能。
权利要求
1.非制冷红外探测器，包括衬底(6)、热敏感单元(8)，其特征在于，热敏感单元(8)包括热敏感薄膜(3)和电极(2)，热敏感薄膜(3)的厚度为50nm-5um，所述热敏感薄膜(3)的材料为VOxl,或非晶硅，或钛酸锶钡(Bax2Sivx2) TiO3,或锆钛酸铅Pb (Zrx3Ti1^x3) O3,或掺镧锆钛酸铅(PbylLai_yl) (Zrx4Ti1-JO3,或钽钪酸铅 Pb (Tax5SCl_x5) O3 ；其中，l〈xl 彡 2· 5，0· 5 彡 x2 彡 O. 9，0 彡 x3〈0. 9,0. 2〈χ4〈0· 5,0. 9<yl<l,0. 2〈χ5〈0· 9。
2.如权利要求I所述的非制冷红外探测器，其特征在于，所述电极(2)的材料为(Bax6Sr1^x6)RuO3jO ( χ6〈1,电极的厚度为 IOnm-Ium,衬底的厚度为 O. Ol 10mm。
3.如权利要求I所述的非制冷红外探测器，其特征在于，所述电极(2)设置于热敏感薄膜(3)的上下两面。
4.如权利要求I所述的非制冷红外探测器，其特征在于，所述电极(2)设置于热敏感薄膜(3)的上面或下面。
5.如权利要求I所述的非制冷红外探测器，其特征在于，在衬底和热敏感单元之间还有支撑层(7)，支撑层(7)的材料为SiO2，或多孔SiO2，或Si3N4 ;支撑层(7)的厚度为50nm_50umo
6.如权利要求I所述的非制冷红外探测器制备方法，其特征在于，包括下述步骤 1)制备衬底；选用材料为硅单晶基片，或SrTiO3单晶基片，或LaAlO3单晶基片，或Al2O3单晶基片; 2)在衬底上制备热敏感单元8； 3)用激光刻蚀的方法自上向下对热敏感薄膜3和电极2进行图形化； 4)用激光刻蚀的方法自上向下对衬底6进行图形化。
7.如权利要求6所述的非制冷红外探测器制备方法，其特征在于，步骤4)为用激光刻蚀的方法，首先自上向下对支撑层7进行图形化，然后对衬底6进行图形化。
8.如权利要求6所述的非制冷红外探测器制备方法，其特征在于，激光刻蚀的参数为激光束光斑直径Ι-lOOum，功率O. 1-10W,扫描速度0-500mm/s。
全文摘要
非制冷红外探测器及制备方法，属于电子材料与元器件技术领域。本发明包括衬底、热敏感单元，热敏感单元包括热敏感薄膜和电极，热敏感薄膜的厚度为50nm-5um，所述热敏感薄膜的材料为VOx1，或非晶硅，或钛酸锶钡(Bax2Sr1-x2)TiO3，或锆钛酸铅Pb(Zrx3Ti1-x3)O3，或掺镧锆钛酸铅(Pby1La1-y1)(Zrx4Ti1-x4)O3，或钽钪酸铅Pb(Tax5Sc1-x5)O3;其中，1<x1≤2.5，0.5≤x2≤0.9，0≤x3<0.9，0.2<x4<0.5，0.9<y1<1，0.2<x5<0.9。本发明有良好的红外响应性能。
文档编号G01J5/00GK102901565SQ20121023565
公开日2013年1月30日 申请日期2012年7月9日 优先权日2012年7月9日
发明者吴传贵, 蔡光强, 罗文博, 彭强祥, 孙翔宇, 柯淋, 张万里, 王小川 申请人:电子科技大学