復合材料紅外探測器制備方法技術

復合材料紅外探測器制備方法，屬于電子材料與元器件技術領域。本發明專利技術包括下述步驟：1）制備襯底和絕熱層，襯底的厚度為0.01-10mm；絕熱層的厚度為100nm~50um；2）在絕熱層上制備熱敏感單元，所述熱敏感單元包括熱敏感薄膜和電極，熱敏感薄膜的材料為PZT/PVDF復合熱釋電材料；熱敏感薄膜厚度為15~20um；3）在熱敏感單元的表面制作紅外吸收層；4）用激光刻蝕的方法對熱敏感薄膜和電極進行圖形化。本發明專利技術工藝簡單，可以實現薄膜的大面積低溫制備，滿足與ROIC電路兼容的要求。

【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于電子材料與元器件

技術介紹
紅外探測技術在現代戰爭中應用十分廣泛，并已逐步實現了向民用部門的轉化。紅外成像、紅外測溫、紅外測濕、紅外檢測、紅外報警、紅外偵查、紅外夜視、等已是各行各業爭相選用的先進技術，紅外技術在民用部門中發揮著日益重要的作用。在紅外探測技術中探測器是核心，其特征決定了其所配套的儀器設備的性能和應用領域。紅外探測器中常用的熱釋電材料有BaSrTiO3 (BST) ,PbSrTiO3 (PST)以及PbZrTiO3 (PZT)等陶瓷材料，它們具有 熱釋電性能優良、介電損耗低、機電耦合系數高等優點，因此應用十分廣泛。但其介電常數高，濺射等制備工藝復雜，尤其是過高的制備溫度使其與硅基半導體集成電路工藝的兼容性很差，這就極大地限制了 PZT等陶瓷材料在焦平面紅外探測器方面的應用。與之相對，有機聚合物如PVDF等介電常數較低，使其具有較高的探測率優值(ρ/ ε )，同時其制備工藝簡單，制備溫度較低，與硅基集成電路的工藝兼容性較好，這些優點都提高了它在熱釋電器件應用上的競爭力。但是，PVDF等有機聚合物的熱釋電系數通常比陶瓷材料低一個數量級以上，使得基于有機聚合物材料研制的探測器探測率較低。因此，將制備工藝簡單、與硅基集成電路兼容，且熱釋電性能優良的新型熱敏感材料應用到紅外探測器中十分必要。傳統的非制冷紅外探測器首先是在襯底上制作熱絕緣結構，再在熱絕緣結構上制作熱敏感單元。熱敏感單元受到紅外輻射時，其溫度會升高并導致電學性能的變化。這種電學性能的變化經后續電路處理后即可實現對紅外輻射的探測。其中熱絕緣結構可以提高熱敏感單元的熱絕緣性能，減少熱敏感單元吸收的熱量向周圍媒質流失，使熱敏感材料獲得盡可能大的溫升。因此熱絕緣結構對非制冷紅外探測器的性能有十分重要的影響，它的設計和制備是獲得高性能非制冷紅外探測器的關鍵。目前，熱絕緣結構主要有微橋結構、熱絕緣薄膜層結構和襯底背掏空結構。在這些結果中，微橋結構雖然熱絕緣性能好，但技術難度高、工藝復雜、成本高；襯底背掏空結構指將熱敏感單元直接制作在襯底上，將熱敏感單元背后的部分襯底掏空，減小襯底的熱容，提高熱敏感單元的溫度響應；熱絕緣薄膜層結構指在熱敏感單元和襯底之間制備一層熱導率很低的薄膜材料，減少熱敏感單元向襯底的熱傳導，常用的薄膜材料有多孔二氧化硅(SiO2)、聚酰亞胺(PI)等。在這三種結構中，熱敏感單元還需要進行圖形化工藝處理，使其與平面內的環境熱隔離，減小橫向熱損失，降低像元間的熱串擾。上述熱絕緣結構和熱敏感單元通常都采用干法(等離子體刻蝕)/濕法(化學腐蝕)刻蝕的方法制作，需要分別對熱絕緣結構、敏感材料、電極材料分別進行圖形化處理。每一次圖形化處理的工藝步驟為①制備薄膜材料，②涂覆光刻膠，③按一定圖形對光刻膠曝光，④去除光刻膠，⑤干法或者濕法刻蝕薄膜材料，⑥去除光刻膠。在用干法/濕法刻蝕的方法進行圖形化處理的過程中，對于不同的材料，需要選擇不同的刻蝕工藝，制作流程多，工藝復雜；刻蝕過程中，容易在薄膜表面留下殘余物，不利于下一層薄膜材料的生長，進而導致材料性能下降，損害器件性能；刻蝕過程中，等離子體/腐蝕液會對熱敏感薄膜材料造成損傷，也會導致材料性能下降，損害器件性能。因此，用干法/濕法刻蝕的方法制作非制冷紅外探測器工藝復雜、效率低，會損害器件性能。
技術實現思路
本專利技術所要解決的技術問題是，提供一種工藝簡單、效率高、成本低的復合材料紅外探測器制備方法。本專利技術解決所述技術問題采用的技術方案是，包括下述步驟I)制備襯底和絕熱層，襯底的厚度為O. Ol-IOmm ;絕熱層的厚度為100nnT50um ； 2)在絕熱層上制備熱敏感單元，所述熱敏感單元包括熱敏感薄膜和電極，熱敏感薄膜的材料為PZT/PVDF復合熱釋電材料；熱敏感薄膜厚度為15 20um ；3)在熱敏感單元的表面制作紅外吸收層；4)用激光刻蝕的方法對熱敏感薄膜和電極進行圖形化。進一步的，所述襯底的材料為Si單晶基片，或SrTiO3單晶基片，或LaAlO3單晶基片，或Al2O3單晶基片；絕熱層的材料為=SiO2，或Si3N4，或PI。所述步驟2)包括(2. I)掩模鍍底電極，(2. 2)流延成型PZT/PVDF薄膜，(2. 3)掩模鍍上電極。采用傳統的熱釋電陶瓷材料制備非制冷紅外探測器，其介電常數高、濺射等制備工藝復雜，與硅基半導體集成電路工藝的兼容性差；而有機聚合物的熱釋電系數較低，也限制了其在紅外探測器方面的應用。與此相比，本專利技術采用復合熱釋電材料具有如下的優點復合材料敏感層的制備工藝簡單，可以實現薄膜的大面積低溫制備，滿足與ROIC電路兼容的要求。同時復合材料能夠綜合陶瓷和聚合物各自的優點，使其既獲得了陶瓷材料較高的熱釋電性能，又保持了聚合物介電常數和損耗較低的優點。采用傳統的干法/濕法刻蝕制作非制冷紅外探測器工藝復雜，刻蝕過程會污染薄膜界面影響下層薄膜的生長，刻蝕過程會對相鄰/本層薄膜造成損害降低薄膜性能，刻蝕速度慢，不適合于對數百微米厚度的材料進行刻蝕。而本專利技術采用激光刻蝕時，對刻蝕材料無選擇性，可以實現對多層薄膜的一次刻蝕，不會污染薄膜生長的界面，不會損害材料的性能；刻蝕速度快，適合于對數百微米厚度的材料進行刻蝕；加工精度可達數微米，能滿足高密度、高精細的制備要求；工藝重復性好、成品率高，適合大批量生產；激光刻蝕設備成熟，工藝簡單，能大幅度降低器件制作成本。附圖說明圖I是本專利技術涉及的復合材料紅外探測器的俯視結構示意圖。圖2是本專利技術涉及的復合材料紅外探測器的剖視結構示意圖。其中，I是襯底，2是絕熱層，3是底電極，4是熱敏感薄膜，5是上電極，6是紅外吸收層；圖3是本專利技術實施例中的復合材料紅外探測器制備工藝流程圖。圖中序號含義A.在氧等離子體處理過的硅片上旋涂聚酰亞胺層。B.掩模鍍下電極。C.流延成型PZT/PVDF薄膜。D.掩模鍍上電極。E.制備黑金紅外吸收層。F.激光刻蝕，將探測單元圖形化。圖3的每一步驟的示意圖中，左為俯視狀態，右為剖視狀態。圖4是本專利技術實施例中的熱敏感薄膜制備工藝流程圖。圖5是本專利技術實施例中用激光刻蝕制作復合材料紅外探測器的熱釋電系數測圖。圖6是本專利技術實施例中用激光刻蝕制作復合材料紅外探測器的響應電壓圖。圖7是本專利技術實施例中用激光刻蝕制作復合材料紅外探測器在不同頻率下的探 測率曲線圖。具體實施例方式本專利技術提供的用激光刻蝕制作的復合材料紅外探測器由襯底I、絕熱層2、底電極3、熱敏感薄膜4、上電極5和紅外吸收層6構成，如附圖I所示。其特征是，至少包括以下順序步驟步驟I :獲得襯底I和絕熱層2。襯底I可選用的材料有娃(Si)單晶基片，或欽酸銀(SrTiO3)單晶基片，或招酸倆(LaAlO3)單晶基片，或氧化招(Al2O3)單晶基片；襯底I的厚度為O. 01-10mm。對于絕熱層2，可以選用的材料有SiO2，或多孔SiO2，或氮化硅(Si3N4),或PI;相應的制備方法有勻膠，或濺射，或脈沖激光沉積(PLD)，或金屬有機物化學氣相沉積(MOCVD)，或等離子體化學氣相沉積(PEVCD);絕熱層2的厚度為100nm-50um ；步驟2 :在絕熱層2上制備熱敏感單元。熱敏感單元由熱敏感薄膜4和底電極3、上電極5構成，如圖I所示。熱敏感薄膜4選用的材料為P本文檔來自技高網...

【技術保護點】
復合材料紅外探測器制備方法，其特征在于，包括下述步驟：1）制備襯底和絕熱層，襯底的厚度為0.01？10mm；絕熱層的厚度為100nm~50um；2）在絕熱層上制備熱敏感單元，所述熱敏感單元包括熱敏感薄膜和底電極、上電極，熱敏感薄膜的材料為PZT/PVDF復合熱釋電材料；熱敏感薄膜厚度為15~20um；3）在熱敏感單元的表面制作紅外吸收層；4）用激光刻蝕的方法對熱敏感薄膜和電極進行圖形化。

【技術特征摘要】
1.復合材料紅外探測器制備方法，其特征在于，包括下述步驟 O制備襯底和絕熱層，襯底的厚度為O. Ol-IOmm ;絕熱層的厚度為100nnT50um ； 2)在絕熱層上制備熱敏感單元,所述熱敏感單元包括熱敏感薄膜和底電極、上電極,熱敏感薄膜的材料為PZT/PVDF復合熱釋電材料；熱敏感薄膜厚度為15 20um ； 3)在熱敏感單元的表面制作紅外吸收層； 4 )用激光刻蝕的方法對熱敏感薄膜和電極進行圖形化。2.如權利要求I所述的復合材料紅外探測器制備方法，其特征在于，所述襯底的材料為Si單晶基片，或SrTiO3單晶基片，或LaAlO3單晶基片，或Al2O3單晶基片；絕熱層的材料為Si02，或 Si3N4，或 PI。3.如權利要求I所述的復合材料紅外探測器制備方法，其特征在于，所述步驟2)包括 (2. I)掩模鍍底電極， (2. 2)流延成型PZT/PVDF薄膜， (2. 3)掩模鍍上電極。4.如權利要求3所述的復合材料紅外探測器制備方法，其特征在于，所述步驟(2.2)包括 Ca)將PVDF粉料按照一定的的質量配比溶于N，N- 二甲基甲酰胺溶...

【專利技術屬性】
技術研發人員：吳傳貴，蔡光強，羅文博，彭強祥，孫翔宇，柯淋，張萬里，
申請(專利權)人：電子科技大學，
類型：發明
國別省市：