專利名稱：一種制備Si基鐵電薄/厚膜型微絕熱結(jié)構(gòu)陣列的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微電子技術(shù)領(lǐng)域，具有涉及一種制備Si基鐵電薄/厚膜型微絕熱結(jié)構(gòu)陣列的方法。該方法采用“填充—掏空”技術(shù)制備微絕熱結(jié)構(gòu)陣列，該陣列尤其適用于非致冷紅外探測(cè)器焦平面。微絕熱結(jié)構(gòu)陣列是制備非致冷紅外探測(cè)器焦平面陣列(UFPA)的關(guān)鍵工序，主要作用是降低陣列敏感單元的熱容量，防止熱量向周圍擴(kuò)散，從而提高非致冷紅外探測(cè)器焦平面陣列的探測(cè)靈敏度。
目前成功研制出非致冷紅外探測(cè)器焦平面陣列熱成像儀的代表主要為美國的Texas公司和Honeywell公司。Texas公司采用鈦酸鍶鋇(BST)鐵電陶瓷，通過切片、減薄、拋光、激光刻蝕網(wǎng)格化與銦柱倒裝焊接技術(shù)制備出245×328元鐵電陶瓷混合式非致冷紅外探測(cè)器焦平面陣列。Honeywell公司利用氧化釩(VOx)薄膜研制出245×328元微測(cè)輻射熱計(jì)式非致冷紅外探測(cè)器焦平面陣列。陣列中每一個(gè)敏感元均采用微機(jī)械加工工藝制備微橋結(jié)構(gòu)，并與讀出電路集成形成單片式結(jié)構(gòu)。
上述二種方式制備的非致冷紅外探測(cè)器焦平面陣列從其探測(cè)原理上來說有較大區(qū)別。Texas公司采用具有低溫相變特性的BST鐵電材料來制備敏感元，利用其在相變點(diǎn)附近極化對(duì)溫度的變化具有極其敏感的特點(diǎn)，即材料溫度稍有波動(dòng)則會(huì)導(dǎo)致極化大幅度的改變，而極化的變化便產(chǎn)生電荷，電荷量反映了外界紅外輻射功率的大小。Honeywell公司利用VOx薄膜的電阻值在臨界溫度附近發(fā)生突變的特點(diǎn)來制備敏感元，薄膜電阻值的突變引起輸出電壓的改變，而輸出電壓反映出外界紅外輻射功率的大小。Texas公司和Honeywell公司制造的非致冷紅外探測(cè)器焦平面陣列提高敏感元探測(cè)靈敏度的共同特點(diǎn)在于充分利用紅外入射在材料中引起的溫度變化來產(chǎn)生相應(yīng)的電信號(hào)。換句話說，要充分利用紅外入射在材料中引起的溫度變化就必須制備出合理的敏感元微絕熱結(jié)構(gòu)，降低熱傳導(dǎo)。日本公開了一種“熱釋電紅外傳感器和它的制備方法”(申請(qǐng)?zhí)?5037578，申請(qǐng)日1993.2.1，公告日1994.10.7)，內(nèi)容涉及改進(jìn)小型PZT薄膜熱釋電紅外傳感器陣列的紅外響應(yīng)。提高上述性能的主要手段是用微機(jī)械工藝加工出微橋陣列，微橋陣列是一種底部掏空的平面支撐層，支撐層上沉積電極，PZT薄膜沉積在有電極的支撐層上。用微機(jī)械工藝加工微橋存在以下缺點(diǎn)微機(jī)械工藝加工性脆的無機(jī)材料襯底(例如Si單晶襯底)要求極高，控制困難，成品率低；在微米級(jí)厚度的微橋上沉積敏感元薄膜及各種相關(guān)膜層涉及到薄膜的各種物理、化學(xué)特性與制備工藝的兼容性，兼容因素復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)困難。
一種制備Si基鐵電薄/厚膜型微絕熱結(jié)構(gòu)陣列的方法，依次包括以下步驟(1)在目標(biāo)基片上用微機(jī)控制激光器進(jìn)行激光打孔，形成有規(guī)則的微孔陣列；(2)對(duì)激光加工后的微孔陣列進(jìn)行化學(xué)拋光腐蝕，使微孔孔壁和邊緣平滑、整齊；(3)將與敏感元材料同質(zhì)的填充材料涂覆填入化學(xué)拋光后具有微孔陣列的基片中；(4)對(duì)填充后的基片進(jìn)行干燥和熱處理，使納米粉末溶膠在填入的微孔中形成結(jié)晶，并反復(fù)地涂覆填充、干燥和熱處理，直至基片表面形成一層平整的多晶薄膜；(5)對(duì)基片表面進(jìn)行減薄、拋光，去掉表面的多晶薄膜，在Si基片表面形成一種多晶膜網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)；(6)以多晶膜網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)的Si基片為襯底分別沉積SiO2和Si3N4；(7)根據(jù)薄/厚膜型非致冷紅外探測(cè)器焦平面陣列的設(shè)計(jì)要求，分別沉積緩沖電極、底電極、敏感元膜層、紅外吸收層、上電極和保護(hù)層；(8)采用與刻蝕敏感元相同的化學(xué)試劑溶蝕掉陣列微孔中的填充物即可。
采用“填充—掏空”技術(shù)制備Si基鐵電薄/厚膜型微絕熱結(jié)構(gòu)陣列，與常規(guī)微絕熱結(jié)構(gòu)的制備方法不同。與BST鐵電陶瓷制備非致冷紅外探測(cè)器焦平面陣列相比，其優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在它采用(鐵電)薄/厚膜來制備探測(cè)敏感元，不僅避免了復(fù)雜的陶瓷切片、減薄、拋光、網(wǎng)格化及微組裝等工序，同時(shí)也便于直接在其上集成半導(dǎo)體讀出電路。與VOx薄膜制備非致冷紅外探測(cè)器焦平面陣列相比，其優(yōu)勢(shì)又體現(xiàn)在采用“填充—掏空”技術(shù)制備Si基結(jié)構(gòu)微絕熱陣列，避免了采用微機(jī)械工藝加工技術(shù)制備微橋陣列。微橋陣列與敏感元薄膜的制備涉及到微機(jī)械系統(tǒng)的研究領(lǐng)域和敏感元薄膜在各種物理、化學(xué)條件下的兼容性，實(shí)現(xiàn)起來是較困難的。綜上所述，采用“填充—掏空”技術(shù)制備Si基鐵電薄/厚膜型微絕熱結(jié)構(gòu)紅外探測(cè)器焦平面陣列具有一定的創(chuàng)造性和實(shí)用性。首先，此項(xiàng)技術(shù)避免了國外制備鐵電陶瓷薄片混合式紅外探測(cè)器焦平面陣列需將陶瓷切片、減薄、拋光、網(wǎng)格化及微組裝等復(fù)雜工序；其次，與常規(guī)薄膜型紅外探測(cè)器焦平面陣列相比較優(yōu)勢(shì)又體現(xiàn)在不需為降低襯底的熱容量防止熱擴(kuò)散和提高敏感元的探測(cè)靈敏度而制備微橋陣列，其設(shè)計(jì)思想突破了傳統(tǒng)的思維方式。


圖1為本發(fā)明方法的工藝流程圖。
2.采用四甲基氫氧化銨(TMAH)水溶液，對(duì)激光加工后的微孔陣列進(jìn)行化學(xué)拋光(腐蝕)，使微孔孔壁和邊緣平滑、整齊。也可以采用、水稀釋乙二胺、鄰苯二酚混合液(簡稱EDP)、水加異丙醇稀釋KOH混合液、水加醋酸稀釋HF、HNO3混合液(簡稱HNA)和水加異丙醇稀釋聯(lián)氨混合液等進(jìn)行化學(xué)拋光。
3.將準(zhǔn)備好的填充材料涂覆填入化學(xué)拋光后具有微孔陣列的基片中。填充材料應(yīng)該與敏感元材料同質(zhì)，以保證填充材料經(jīng)處理后具有一定的機(jī)械強(qiáng)度、硬度且有耐高溫、易刻蝕特性。就制備鐵電薄/厚膜敏感元而言，一般采用鈦酸鉛(PT)、摻鑭鈦酸鉛(PLT)、鋯鈦酸鉛(PZT)和鈦酸鍶鋇(BST)等納米粉末溶膠作為填充材料。
4.對(duì)填充好有關(guān)材料的微孔陣列基片進(jìn)行干燥和熱處理，使納米粉末溶膠在填入的微孔中形成結(jié)晶。反復(fù)地涂覆填充、干燥和熱處理，直至基片表面形成一層平整的多晶薄膜。
5.對(duì)基片表面進(jìn)行減薄、拋光，去掉表面的多晶薄膜，在Si基片表面形成一種多晶膜網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)。
6.以多晶膜網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)Si基片為襯底分別沉積SiO2和Si3N4，完成前期制備工序。
7.根據(jù)薄/厚膜型非致冷紅外探測(cè)器焦平面陣列的設(shè)計(jì)要求，分別沉積緩沖電極、底電極、敏感元膜層、紅外吸收層、上電極和相應(yīng)保護(hù)層等，完成陣列的有關(guān)制備工序。
8.采用與刻蝕敏感元相同的化學(xué)試劑溶蝕掉陣列微孔中的填充物，完成微絕熱結(jié)構(gòu)陣列的制備。
上述各步驟中所涉及激光打孔、拋光、減薄、膜沉積等工藝與現(xiàn)有技術(shù)相同。
權(quán)利要求
1.一種制備Si基鐵電薄/厚膜型微絕熱結(jié)構(gòu)陣列的方法，依次包括以下步驟(1)在目標(biāo)基片上用微機(jī)控制激光器進(jìn)行激光打孔，形成有規(guī)則的微孔陣列；(2)激光加工后的微孔陣列進(jìn)行化學(xué)拋光腐蝕，使微孔孔壁和邊緣平滑、整齊；(3)與敏感元材料同質(zhì)的填充材料涂覆填入化學(xué)拋光后具有微孔陣列的基片中；(4)對(duì)填充后的基片進(jìn)行干燥和熱處理，使納米粉末溶膠在填入的微孔中形成結(jié)晶，并反復(fù)地涂覆填充、干燥和熱處理，直至基片表面形成一層平整的多晶薄膜；(5)對(duì)基片表面進(jìn)行減薄、拋光，去掉表面的多晶薄膜，在Si-基片表面形成一種多晶膜網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)；(6)以多晶膜網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)的Si基片為襯底分別沉積SiO2和Si3N4；(7)根據(jù)薄/厚膜型非致冷紅外探測(cè)器焦平面陣列的設(shè)計(jì)要求，分別沉積緩沖電極、底電極、敏感元膜層、紅外吸收層、上電極和保護(hù)層；(8)采用與刻蝕敏感元相同的化學(xué)試劑溶蝕掉陣列微孔中的填充物即可。
全文摘要
一種制備Si基鐵電薄/厚膜型微絕熱結(jié)構(gòu)陣列的方法。采用“填充—掏空”技術(shù)制備Si基鐵電薄/厚膜型微絕熱結(jié)構(gòu)陣列，避免了國外制備鐵電陶瓷薄片混合式紅外探測(cè)器焦平面陣列需將陶瓷切片、減薄、拋光、網(wǎng)格化及微組裝等復(fù)雜工序。與常規(guī)薄膜型紅外探測(cè)器焦平面陣列相比較優(yōu)勢(shì)又體現(xiàn)在不需為降低襯底的熱容量防止熱擴(kuò)散和提高敏感元的探測(cè)靈敏度而制備微橋陣列，其設(shè)計(jì)思想突破了傳統(tǒng)的思維方式。
文檔編號(hào)H01L21/00GK1419263SQ0214788
公開日2003年5月21日 申請(qǐng)日期2002年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月17日
發(fā)明者曾亦可, 姜?jiǎng)倭? 劉梅冬, 李楚容, 周東祥, 龔樹萍, 劉少波, 黃焱球 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)