[发明专利]硅杯凹槽结构热释电厚膜探测器的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种热释电红外探测器的制造工艺，尤其涉及一种具有硅杯凹槽结构的热释电厚膜探测器的制备方法，属于电子材料与元器件技术领域。

背景技术

热释电红外探测器利用热释电材料的热释电效应工作。热释电材料处于低于居里温度的恒温环境时，其自极化电荷密度保持不变，这些电荷被空气中的带电离子中和；当红外辐射入射热释电材料，被材料吸收后，材料温度升高，自极化强度变小，即电荷面密度变小。这样，热释电材料表面存在多余的中和电荷，这些电荷以电压或电流的形式输出，该输出信号可以用来探测辐射。相反，当截断该辐射时，热释电材料温度降低，自极化强度增加，有相反方向的电流或电压输出。可见，要提高热释电红外探测器的灵敏度，应该提高热释电敏感元的材料性能和绝热性能，这样在其他条件相同时，可以获得更高的响应信号。

目前，常用的热释电材料有BST、PZT、LiTaO₃和TGS等；热释电材料的形态有：单晶/陶瓷块体材料、薄膜材料和厚膜材料。

单晶/陶瓷块体材料用晶体外延生长或者传统陶瓷工艺制成，其优点是材料性能好，热释电系数高，介电损耗小。缺点是在使用块体材料制作热释电红外探测器件时，块体材料要经过切片、研磨、抛光等工艺，减薄到几十微米，工艺复杂、成本高，且成品率低；当样品减薄到一定厚度时，材料的机械性能下降，一些微缺陷将暴露出来，会损害材料性能。减薄后的热释电敏感元通过导电胶和衬底粘接在一起，使得热绝缘性能差，敏感元吸收的热量大部分被流失，导致响应信号小、探测器灵敏度差。

为了获得更高的器件性能，人们提出了发展以热释电薄膜为敏感元的新型热释电红外探测器。它利用射频溅射（Rf-Sputtering）法、金属有机物化学气相沉积（MOCVD）法、溶胶-凝胶（Sol-gel）法以及分子束外延（MBE）法等在硅衬底上制备厚度为几十——几百纳米厚的薄膜材料，再利用硅微细加工的办法，形成微桥、悬臂梁等结构，提高热释电薄膜敏感元的绝热性能。其优点是一方面采用热绝缘结构减小了热损耗，降低了热串扰，可以提高器件性能；另一方面利用成熟的半导体工艺，简化了工艺、降低了成本，为研制阵列数目更大的探测器提供了保障。缺点是热释电薄膜材料性能低、制备工艺重复性、一致性差，不利于大批量生产。

厚膜材料其厚度在一微米到几十微米的范围，制备工艺成熟，主要的制备方法有丝网印刷(Screen Printing)、新型Sol-gel制备技术和电泳沉积（Electrophoretic Deposition）等。厚膜材料兼顾了块材和薄膜材料的优点，它材料性能高，制备工艺成熟、低廉，工艺重复性和一致性好，适合大批量生产；它图形化能力强，与半导体微细加工工艺兼容，能形成性能良好的绝热结构。

正由于厚膜材料这些优点，人们对利用厚膜热释电材料制备红外探测器进行了深入研究。下面是一种传统的热释电红外探测器（如附图1所示）制作方法：先在衬底表面制备阻挡层，采用光刻工艺和溅射技术，将底电极刻成所需图案并制备底电极，然后在底电极上制备热释电厚膜材料，待厚膜静置平坦和烘干后，利用等静压将厚膜表面压平，接着高温烧结使之成瓷。最后在热释电红外探测单元上面溅射上电极，对厚膜进行极化，获得有一定性能的厚膜材料。上述所制备的红外探测器存在一定的问题。首先是厚膜材料烧结温度高、材料性能差。由于可以通过调整组份来制备所需性能优良的材料，所以在制备厚膜材料时加入了许多相，而材料混合不均匀及致密度较差会导致烧结温度高，所获材料性能较差。其次也是最严重的缺陷：厚膜材料容易开裂。为了获得表面平整度较高的厚膜必须对厚膜材料进行等静压处理，而在做等静压时厚膜会承受一定的压力，由于厚膜底部有阻挡层材料支撑平衡了向下的压力，但是厚膜四周侧面没有支撑体，表面不平整的厚膜受力就会不均衡，其侧面会承受向外的张力，加之如果所制备的厚膜材料混合不均匀，厚膜中存在不均匀的孔洞和间隙，在厚膜承受压力后就很容易发生开裂。开裂严重损害厚膜的质量，同时也不利于上电极的制备，大大降低红外探测器的成品率。

因此，为了保证厚膜材料的质量，获得性能良好和成品率较高热释电厚膜探测器，解决热释电厚膜探测器中厚膜烧结温度高，材料性能差及厚膜开裂问题至关重要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种性能良好的硅杯凹槽结构热释电厚膜探测器及制备方法。