專利名稱：集成式熱釋電薄膜紅外探測器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于一種用熱釋電薄膜材料制作的熱敏紅外探測器，可以用于紅外報(bào)警，紅外成像，紅外監(jiān)控等方面。
目前很多種類的熱釋電紅外探測器所用的熱釋電材料均為塊狀體材料，如三甘胺酸硫酸TGS單晶、鉭酸鋰LiTaOa單晶、鈦酸鉛PbTiO3陶瓷等。例如1991年7月23日公布的美國專利US5034608號(hào)中提出的一種熱釋電紅外傳感器是將片狀陶瓷材料減薄后再用一種介質(zhì)與襯底作熱耦合以制備紅外傳感器?！禢ew Electronics》1991年10月號(hào)上介紹了一種陶瓷攝象機(jī)上采用的熱釋電傳感器，是把片狀陶瓷減薄后加工成100×100元的80μm2的小單元列陣，再用熱焊劑使陶瓷列陣和襯底上晶體管列陣相連接。
由于熱釋電材料只有在2～5μm厚時(shí)制作的紅外敏感元才有較高的探測靈敏度。因此已有技術(shù)的共同技術(shù)難點(diǎn)是需要把體材料從一般機(jī)械加工所能達(dá)到0.1mm厚的極限再減薄到2～5μm厚，而且還要解決紅外敏感元與襯底上放大電路的聯(lián)接問題(通常是用倒裝焊接，熱耦合等技術(shù))，從而導(dǎo)致熱釋電紅外傳感器的制備工藝復(fù)雜，體積大，集成度低，成本高。
本實(shí)用新型的目的就是為了克服已有技術(shù)存在的不足，提出了一種利用現(xiàn)代薄膜制備技術(shù)和現(xiàn)代半導(dǎo)體集成電路技術(shù)，將熱釋電材料直接淀積在硅片襯底上形成熱釋電薄膜紅外敏感元，制備出體積小，集成度高，靈敏度高的集成式熱釋電薄膜紅外探測器。
為實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型的目的，用包含熱釋電材料和吸收電極、傳導(dǎo)電極的紅外敏感元，制有放大電路的硅片襯底和在其之間的熱絕緣隔離層構(gòu)成紅外探測器。其特征是熱釋電材料和熱絕緣隔離層是薄膜層，沉積附著在硅片襯底上。


圖1為集成式熱釋電薄膜紅外探測器的結(jié)構(gòu)原理圖；圖2為具有空氣隙的集成式熱釋電薄膜紅外探測器的結(jié)構(gòu)原理圖。
圖3為集成式熱釋電薄膜紅外探測器的工作原理圖；圖4為象限集成式熱釋電薄膜紅外探測器的結(jié)構(gòu)原理圖；圖5為一維線列陣集成式熱釋電薄膜紅外探測器的結(jié)構(gòu)原理圖；圖6為二維列陣集成式熱釋電薄膜紅外探測器的結(jié)構(gòu)原理以下結(jié)合附圖詳述本實(shí)用新型。
如圖1所示，本實(shí)用新型的紅外敏感元(1)可以包括熱釋電薄膜(6)，在其下面作為傳導(dǎo)電極(7)的一層鉑Pt膜和在其上面作為吸收電極(8)以吸收紅外線的一層的鎳－鉻Ni－Cr膜。硅片襯底(2)中有采用集成電路技術(shù)制作的前置放大電路(3)(可以為單個(gè)場應(yīng)晶體管)和次級(jí)放大電路(4)(可以為集成運(yùn)算放大電路)。為保護(hù)放大電路(3、4)，在硅片襯底(2)上面可有一層電路保護(hù)層(5)。為使熱釋電薄膜(6)有良好的電學(xué)性能和熱絕緣性能，在電路保護(hù)層(5)上有一層熱絕緣隔離層(9)。電路保護(hù)層(5)、熱絕緣隔離層(9)、傳導(dǎo)電極(7)、熱釋電薄膜(6)和吸收電極(8)都可以采用現(xiàn)代薄膜制備技術(shù)依次淀積在硅片襯底(2)上，成為真正的集成化元件。紅外敏感元(1)位于放大電路(3、4)的上面，硅片的填充因子可達(dá)100％。
為使紅外探測器具有更好的熱絕緣性能和電學(xué)性能，獲得更高的靈敏度和分辨率，在熱絕緣隔離層(9)的下面，即電路保護(hù)層(5)和熱絕緣隔離層(9)之間，可以增加一層空氣隙(10)以增強(qiáng)熱絕緣，如圖(2)中所示。將進(jìn)一步改善紅外探測器的低頻響應(yīng)效應(yīng)。
本實(shí)用新型的制作過程是在用半導(dǎo)體集成電路技術(shù)制備好放大電路(3)、(4)的硅片襯底(2)上，首先用熱氧化法制備一層0.2～0.6μm厚的二氧化硅SiO2電路保護(hù)層(5)，以保護(hù)放大電路(3)、(4)在制作紅外敏感元的過程中不致于被破壞。然后在電路保護(hù)層(5)上制備一層0.4～0.8μm的氧化鎂MgO薄膜作為熱絕緣隔離層(9)，以改善熱釋電薄膜的定向生長特性和結(jié)晶特性，提高熱釋電薄膜的電學(xué)性能。氧化鎂MgO薄膜可以用射頻濺射法或激光閃蒸法制備。如要增設(shè)空氣隙(10)，即先在二氧化硅SiO2電路保護(hù)層(5)上面用溶膠凝膠Sol－Gel法制備一層0.5～2μm的磷酸鹽TPS膜，再在磷酸鹽TPS膜上制備氧化鎂MgO熱絕緣隔離層(9)，然后用現(xiàn)代微刻蝕技術(shù)將氧化鎂MgO膜下面的磷酸鹽TPS膜刻蝕掉。這樣，氧化鎂MgO熱絕緣隔離層與二氧化硅SiO2膜保護(hù)層之間即形成一層0.5～2μm的空氣隙(10)。該空氣隙(10)一般僅設(shè)在紅外敏感元下面。如一個(gè)硅片襯底(2)上有若干個(gè)紅外敏感元(1)，則空氣隙(10)如網(wǎng)狀分布，既增強(qiáng)了熱絕緣，又可保證探測器的內(nèi)部強(qiáng)度。接著可以在氧化鎂MgO薄膜(9)上制備一層0.2～0.6μm厚的鉑Pt膜作為傳導(dǎo)電極(7)，要求鉑Pt膜有一定取向以保證熱釋電薄膜(6)有良好的取向。鉑Pt膜可以用射頻濺射法或電子束蒸發(fā)法制備。在傳導(dǎo)電極(7)上可以用射頻濺射法，MOD 法或溶膠凝膠Sol－Gel法制備一層0.5～2μm的具有高度擇優(yōu)取向的晶態(tài)熱釋電薄膜(6)。熱釋電薄膜選用的材料有(Pb，La)TiO3(鈦酸鉛鑭PLT)，(Sr，Ba)Na2O6(鈮酸鍶鋇SBN)，Pb(Mg1/3Nb2/3)O3(鈮鎂酸鉛PMN)，Pb(Sc，Ta)O3(鈧鉭酸鉛PST)，Pb(Zr，Ti)O3(鋯鈦酸鉛PZT)或LiTaO3(鉭酸鋰LT)等。為了利于探測器吸收紅外線，可以采用真空蒸發(fā)法在熱釋電薄膜(6)上制備一層0.01～0.2μm的鎳－鉻Ni－Cr膜作為吸收電極(8)用于吸收紅外輻射。最后再將紅外敏感元(1)和硅片襯底(2)上的放大電路(3、4)用鋁電極(11)相聯(lián)結(jié)，封裝后即可使用。
本實(shí)用新型可以配用頻率可調(diào)的斬波器(13)和不同波段的紅外濾光片(12)，能完成對(duì)特定紅外波段的信號(hào)測量，可以用于紅外成像，紅外報(bào)警，紅外監(jiān)控等方面。其工作原理見圖3所示。
本實(shí)用新型克服了現(xiàn)有技術(shù)的不足，避免了制備熱釋電紅外探測器時(shí)的技術(shù)困難(材料減薄，倒裝焊接等)，其特點(diǎn)是1.集成化生產(chǎn)。采用現(xiàn)代薄膜制備技術(shù)在做有放大電路的硅片襯底上直接淀積熱釋電薄膜，可以實(shí)現(xiàn)熱釋電紅外探測器與放大電路在同一塊硅片襯底上的集成化。熱釋電薄膜的厚度和質(zhì)量可以精確控制。
2.體積小，集成度高。由于一個(gè)紅外敏感元的面積可做到50×50μm2，因而在一塊φ75mm或φ100mm硅片上可以同時(shí)制備多個(gè)紅外探測器，集成度可達(dá)1024×1024或更高。
3.可以規(guī)模生產(chǎn)。利用現(xiàn)代半導(dǎo)體集成電路技術(shù)和現(xiàn)代薄膜制備技術(shù)可以在一條流水線上制備出集成式熱釋電薄膜紅外探測器。
4.靈敏度高，分辨率強(qiáng)。本實(shí)用新型注意了紅外敏感元與襯底之間的熱隔離及各紅外敏感元之間的熱隔離，從而提高了探測器的單元靈敏度及多元分辨率等技術(shù)指標(biāo)。
5.應(yīng)用廣泛。由于集成式熱釋電紅外探測器體積小，靈敏度高，工作可靠，適應(yīng)的譜段寬(0.8μm～200μm)，因而可以廣泛用于紅外成像，紅外報(bào)警，紅外監(jiān)控，光譜分析等方面。
由于一個(gè)硅片襯底(2)上可以制備若干個(gè)獨(dú)立的集成熱釋電薄膜紅外探測器，根據(jù)不同的需要可以構(gòu)成單元、多元(象限、一維線列陣、二維列陣)等多種形式的紅外探測器。
實(shí)施例一象限集成式熱釋電紅外探測器。
如圖4所示，在硅片襯底(2)上有至少4個(gè)紅外敏感元(1)。4個(gè)紅外敏感元成十形排列，分別與鋁電極(11)連接。可用鈦酸鉛鑭PLT或鈮鎂酸鉛PMN作熱釋電薄膜。
實(shí)施例二一維線列陣集成式熱釋電紅外探測器。
如圖5所示，在硅片襯底(2)上有至少16個(gè)紅外敏感元(1)成一線排列，分別與鋁電極(11)連接?？捎免佀徙U鑭PLT或鋯鈦酸鉛PZT作熱釋電薄膜。
實(shí)施例三二維列陣集成式熱釋電紅外探測器。
如圖6所示，在硅片襯底(2)上有至少32個(gè)紅外敏感元(1)，這些紅外敏感元以2×16的形式排列，分別與鋁電極(11)連接。可用鈦酸鉛鑭PLT或鈧鉭酸鉛PST作熱釋電薄膜。
權(quán)利要求1.集成式熱釋電薄膜紅外探測器，由包含熱釋電材料和吸收電極、傳導(dǎo)電極的紅外敏感元，制有放大電路的硅片襯底和在其之間的熱絕緣隔離層構(gòu)成，其特征是熱釋電材料和熱絕緣隔離層是薄膜層，沉積附著在硅片襯底上。
2.如權(quán)利要求1的紅外探測器，其特征是熱釋電薄膜采用鈦酸鉛鑭(PLT)、鈮酸鍶鋇(SBN)、鈮鎂酸鉛(PMN)、鈧鉭酸鉛(PST)、鋯鈦酸鉛(PZT)或鉭酸鋰(LT)材料。
3.如權(quán)利要求1的紅外探測器，其特征是硅片襯底與熱絕緣層之間有二氧化硅SiO2電路保護(hù)層。
4.如權(quán)利要求3的紅外探測器，其特征是二氧化硅SiO2電路保護(hù)層與熱絕緣隔離層之間有一層空氣隙。
5.如權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)的紅外探測器，其特征是在制有放大電路的硅片襯底上包含有一個(gè)以上紅外敏感元，紅外敏感元排列成十形，或排列成一維一線列陣，或排列為二維列陣。
專利摘要集成式熱釋電薄膜紅外探測器，屬于一種熱敏紅外探測器，主要由包含熱釋電薄膜6、吸收電極8和傳導(dǎo)電極7的紅外敏感元1，制有放大電路的硅片襯底2和熱絕緣隔離層9構(gòu)成，熱釋電薄膜直接沉積附著在硅片襯底上。在硅片襯底2與熱絕緣層9之間可有二氧化硅電路保護(hù)層5，電路保護(hù)層5與熱絕緣層9之間還可有一層增強(qiáng)絕熱的空氣隙10。探測器可作成單元、多元等形式，探測器集成度高，體積小，靈敏度高，可廣泛用于紅外報(bào)警、成像、監(jiān)控、光譜分析等方面。
文檔編號(hào)G01D5/26GK2181675SQ93238628
公開日1994年11月2日 申請(qǐng)日期1993年5月5日 優(yōu)先權(quán)日1993年5月5日
發(fā)明者肖定全, 朱建國, 林慎, 張毓榮, 錢正洪 申請(qǐng)人:四川大學(xué)