專利名稱：鋯鈦酸鉛薄膜紅外熱成像探測器懸空結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及紅外熱成像探測技術(shù)領(lǐng)域，進(jìn)一步講是涉及采用PZT薄膜作為紅外敏感材料制作非致冷焦平面紅外熱成像探測器懸空結(jié)構(gòu)技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種鋯鈦酸鉛薄膜紅外熱成像探測器懸空結(jié)構(gòu)的的制作方法。
背景技術(shù)：
基于光電效應(yīng)的光子探測器和基于熱電效應(yīng)的熱電探測器一直是紅外熱成像技術(shù)的兩大支柱。長期以來，由于HgCdTe、InSb和PtSi探測器的發(fā)展，使光電探測器類熱成像技術(shù)得到迅速發(fā)展，并在軍事領(lǐng)域和部分工業(yè)領(lǐng)域得到應(yīng)用，但由于需要致冷以及成本等原因，在民用領(lǐng)域較難形成大市場。經(jīng)過多年的發(fā)展，熱電探測器類熱成像技術(shù)，特別是非致冷紅外焦平面技術(shù)的突破和實(shí)用化，使其與致冷紅外熱像儀相比所具有的低成本、低功耗、長壽命、小型化和可靠性等優(yōu)勢得到很好發(fā)揮，成為當(dāng)前紅外熱成像技術(shù)中最引人注目的突破之一，非致冷紅外焦平面熱像儀由于其性能價(jià)格比的優(yōu)勢，在軍事和非軍事領(lǐng)域都具有巨大的發(fā)展?jié)摿?。美國TI公司夜瞄具200系列攝像機(jī)主要用于警用和汽車夜間駕駛，洛克希德馬丁紅外成像系統(tǒng)公司LTC500攝像機(jī)用于醫(yī)學(xué)研究和醫(yī)療診斷，IRSolutions公司的IR Snapshot攝像機(jī)用于檢測和預(yù)防維護(hù)，美國Elect roPhysics公司1995年研制了民用非致冷熱電鈦酸鍶鋇(BaxSr1-xTiO3，BST)焦平面熱像儀，Agema公司的THV570是采用微測輻射熱計(jì)技術(shù)并于最近進(jìn)入市場的產(chǎn)品，Amber公司新的Hot shot成像輻射測量儀采用了非致冷探測器技術(shù)，日本航空電子公司(Avio)研制的Hot shot也采用了Amber公司的微測輻射熱計(jì)技術(shù)，美國EIect rophysics公司利用PV320，與Lifesight Fire Research公司聯(lián)合開發(fā)了消防熱像儀Lifesight Plus，用于消防救災(zāi)，美國Gileta公司1996年制成警用非致冷微測輻射熱計(jì)成像儀。
目前，國外非致冷焦平面紅外探測器主要采用兩種不同的技術(shù)途徑，即測輻射熱計(jì)焦平面陣列和熱釋電探測器焦平面陣列，它們都取得了重要的技術(shù)突破和應(yīng)用。測輻射熱計(jì)焦平面陣列大致包括以下幾種(1)氧化釩測輻射熱計(jì)焦平面陣列，由美國Honeywell傳感器及系統(tǒng)開發(fā)中心在90年代初提出，近年來已研制成功相應(yīng)的熱成像系統(tǒng)。(2)非晶硅測輻射熱計(jì)焦平面陣列，澳大利亞國防科技署采用非晶、微晶和多晶作為熱敏電阻材料，研制成功單片式非致冷焦平面陣列。(3)溫差電堆焦平面陣列，日本防衛(wèi)廳技術(shù)研究和開發(fā)研究所于1994年研制出128×128元溫差電堆熱像傳感器。熱釋電焦平面陣列目前已形成產(chǎn)品，在軍事和民用方面得到應(yīng)用，主要以美國德克薩斯儀器公司(TI)和英國GEC2馬可尼材料技術(shù)公司(GMMT)為代表。美國TI公司的熱電型非致冷焦平面陣列的紅外探測器材料是由BST組成的具有熱釋電效應(yīng)的陶瓷，典型器件采用40管腳DIP封裝，有328×245像元，像元尺寸48.15×48.15μm2，系統(tǒng)重量約11.36kg，NETD優(yōu)于0.11K，產(chǎn)生實(shí)時(shí)視頻信號，可探測700m遠(yuǎn)的人，目前TI公司和洛克希德馬丁公司正在研制640×480元，像元尺寸在20～30μm的熱電非致冷焦平面陣列。此外，美國洛拉爾紅外成像系統(tǒng)公司也研制出熱釋電焦平面陣列，陣列規(guī)模為192×128，像元尺寸為35×35μm2，典型的NETD為0.11K(f/1)。英國GMMT公司的混合熱釋電非致冷焦平面陣列采用鈦酸鋯鉛(PbxZr1-xTiO3，PZT)熱電陶瓷探測器，1990年已制成直徑為10μm，間距為為40μm的100×100像元探測器陣列，1994年GMMT研制出一種256×128像元，1996年得到384×288像元，節(jié)距為40μm的探測器陣列，典型的NETD為0.11K。
熱釋電探測器的結(jié)構(gòu)主要由輻射調(diào)制系統(tǒng)、吸收層結(jié)構(gòu)、熱絕緣結(jié)構(gòu)、敏感元和讀出電路五個(gè)部分組成，其中敏感元是熱釋電探測器的核心。鐵電薄膜種類較多，常見的有鋯鈦酸鉛Pb(Zr，Ti)O3(PZT)、鈦酸鑭鉛(Pb，La)TiO3(PLT)、鋯鈦酸鑭鉛(Pb，La)(Zr，Ti)O3(PLZT)、鈦酸鍶SrTiO3(ST)、鈦酸鋇BaTiO3(BT)、鈦酸鍶鋇(Ba，Sr)TiO3(BST)、SrBi2Ta2O9(SBT)等。由于PZT鐵電薄膜具有良好的壓電、鐵電、熱釋電、電光及非線性光學(xué)等特性，在微電子和光電子技術(shù)領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，受到人們的廣泛關(guān)注和重視。目前，PZT薄膜的制備方法主要有磁控濺射、射頻濺射、激光燒蝕、金屬有機(jī)化合物氣相沉積(MOCVD)以及溶膠-凝膠(Sol-Gel)等。Sol-Gel與其他方法相比具有設(shè)備簡單，化學(xué)計(jì)量容易控制，可以得到大面積均勻薄膜以及合成溫度較低等優(yōu)點(diǎn)。
熱釋電探測器列陣的研制最早是使用陶瓷型的熱釋電器件所需的陶瓷材料經(jīng)過切割，打磨成需要的厚度而成，但由于工藝水平所限，陶瓷材料探測元只能達(dá)到一定的限度，其集成度有限。制成的列陣體積大，且分辨率不高，因此發(fā)展薄膜型的熱釋電探測器列陣成為必然的趨勢。與陶瓷型探測器相比，薄膜型的探測器具有以下優(yōu)點(diǎn)熱釋電薄膜無需切割，打磨，拋光，無焊接，無溝道網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，微橋具有更好絕熱性能，提高了探測性能，探測靈敏度有望顯著提高。目前，國內(nèi)研究非致冷焦平面熱釋電紅外探測器的單位有昆明物理所、西安交通大學(xué)器件研究所、上海計(jì)量物理所、清華大學(xué)微電子研究所、西安電子科技大學(xué)微電子研究所以及華中科技大學(xué)等。他們大體采用以下步驟來制作PZT紅外探測器的懸空結(jié)構(gòu)采用濺射Ti和Pt的方法制作下電極，然后制備PZT敏感薄膜及其圖形化，再采用濺射Au的方法制作上電極，然后采用倒裝鍵合的方法實(shí)現(xiàn)器件與電路的互連，最后去除硅襯底完成器件微結(jié)構(gòu)。該方法沒有采用緩沖層，在金屬圖形邊沿很難保證電極的連接性，另外，在最后去除硅襯底時(shí)很難保證對器件結(jié)構(gòu)的不破壞性。
到目前為止，還未見有關(guān)制作出非致冷焦平面熱釋電紅外探測器懸空結(jié)構(gòu)的報(bào)道。
本發(fā)明項(xiàng)目組對國內(nèi)外專利文獻(xiàn)和公開發(fā)表的期刊論文檢索，再尚未發(fā)現(xiàn)與本發(fā)明密切相關(guān)和一樣的報(bào)道或文獻(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服上述技術(shù)和方法存在的缺點(diǎn)，提供一種在硅片上制作PZT薄膜非致冷焦平面紅外熱成像探測器懸空結(jié)構(gòu)的方法，該方法采用快速熱處理來對敏感材料進(jìn)行短時(shí)的高溫?zé)崽幚恚玫搅嗣舾胁牧陷^好的結(jié)晶態(tài)，而且對讀出電路也沒有任何損壞，從而保護(hù)了讀出電路；解決了探測器的懸空部分與基片連接的問題，有利于提高探測器的長期穩(wěn)定工作性能；在制作過程中合理的設(shè)計(jì)了保護(hù)層，解決了在PZT薄膜的同時(shí)避免了作為犧牲層的氧化鎂的腐蝕問題；采用該方法制作的PZT薄膜非致冷焦平面紅外熱成像探測器懸空結(jié)構(gòu)性能良好，具有自支撐，結(jié)構(gòu)完整，制作方法其工藝可行，提高了工作可靠性。
下面對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)是一種鋯鈦酸鉛薄膜紅外熱成像探測器懸空結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于采用在硅片上鍍制一定厚度的氧化鎂薄膜作為制作鋯鈦酸鉛薄膜非致冷焦平面紅外熱成像探測器懸空結(jié)構(gòu)的犧牲層，并通過控制犧牲層的厚度來控制懸空高度；采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)的方法制作氮化硅(SiNx)，用于平衡鋯鈦酸鉛(PZT)薄膜的應(yīng)力；應(yīng)用快速熱處理方法對共電極鈦/鉑(Ti/Pt)以及鋯鈦酸鉛敏感薄膜進(jìn)行快速熱處理，獲得高性能的鋯鈦酸鉛薄膜，具體做法步驟如下步驟一、采用RCA工藝清洗單面拋光硅基片，取出用高純氮?dú)獍压杵蹈桑缓蠓旁诤嫦淅锖娓?；步驟二、采用電子束熱蒸發(fā)的方法在硅基片上鍍制氧化鎂犧牲層，氧化鎂膜層厚度采用晶振膜厚控制儀控制，所鍍氧化鎂膜層厚度為1.5～2.5μm；步驟三、采用PECVD的制備方法在氧化鎂薄膜上鍍制一層防止腐蝕PZT薄膜時(shí)腐蝕氧化鎂薄膜的SiNx薄膜，SiNx厚度控制為150～300nm；步驟四、制作探測器結(jié)構(gòu)的共電極，在SiNx薄膜上涂光刻膠，然后用光刻機(jī)曝光，然后用顯影液顯影，然后采用電子束熱蒸發(fā)的方法鍍制共電極Ti/Pt，Ti膜厚度為50nm，Pt膜厚度為100nm，取出，用丙酮腐蝕剩余的光刻膠，得到共電極Ti/Pt的圖形；步驟五、采用快速熱處理的方法對Ti/Pt薄膜進(jìn)行快速熱處理，溫度為600℃，時(shí)間30s；步驟六、采用溶膠-凝膠法制備PZT薄膜，膜層厚度為200～400nm，然后采用步驟四中的甩膠、曝光、顯影的過程制作光刻膠的PZT薄膜圖形的翻轉(zhuǎn)圖形，采用濕法腐蝕制作PZT薄膜圖形，然后再采用丙酮腐蝕剩余的光刻膠，得到敏感材料PZT薄膜的圖形，采用與步驟五相同的方法對PZT薄膜進(jìn)行快速熱處理，獲得結(jié)晶性較好的PZT薄膜；步驟七、采用與步驟四相同的方法制作探測器結(jié)構(gòu)的分離電極Pt，獲得分離電極Pt的圖形；步驟八、采用等離子體反應(yīng)刻蝕去除圖形外的SiNx薄膜；步驟九、采用步驟四中甩膠、曝光、顯影的參數(shù)制作氧化鎂孔的圖形，采用磷酸溶液腐蝕氧化鎂，然后再采用丙酮腐蝕剩余的光刻膠，得到氧化鎂過孔的圖形；步驟十、采用與步驟三相同的方法制作探測器的緩沖層和支撐層SiNx薄膜。采用與步驟四中甩膠、曝光、顯影的過程制作光刻膠的SiNx緩沖層和支撐層圖形的翻轉(zhuǎn)圖形，然后再采用與步驟八相同的方法制作緩沖層和支撐層SiNx薄膜的圖形；步驟十一、采用與步驟四相同的方法制作探測器結(jié)構(gòu)的兩條Pt腿圖形；步驟十二、采用磷酸溶液腐蝕氧化鎂，制作探測器的懸空結(jié)構(gòu)，然后取出放在去離子水中浸泡10min，然后取出放在99％的乙醇中浸泡10min，取出，讓乙醇自然揮發(fā)。
最早采用的絕緣技術(shù)，是把熱釋電鐵電紅外探測器通過可塑性金屬與信號處理電路對接，但可塑性金屬的熱絕緣性能很差，從而不利于制作高性能的大面積集成熱釋電鐵電紅外焦平面陣列。因而要求一個(gè)懸空的膜式結(jié)構(gòu)來改善熱絕緣，這樣當(dāng)紅外光照射時(shí)，每個(gè)感應(yīng)單元可以獲得一個(gè)相對大的溫度升高值，相應(yīng)地提高探測器的靈敏度。良好的熱絕緣結(jié)構(gòu)可以使熱釋電探測器的性能提高。
為了制作懸空膜式結(jié)構(gòu)，就需要選用合適的犧牲層材料，用作制造圖形和懸空結(jié)構(gòu)的犧牲層材料很多，比如氧化鎂、氧化硅、光刻膠以及聚酰亞胺等，本發(fā)明專利選用了氧化鎂，這主要是因?yàn)檠趸V作犧牲層材料，做圖容易，適應(yīng)后續(xù)處理工藝的溫度，而且它也容易腐蝕，去除方法簡單，與其他結(jié)構(gòu)之間的相容性也好。
本發(fā)明專利采用了快速熱處理的方法分別對Ti/Pt薄膜和PZT薄膜進(jìn)行快速熱處理，雖然處理溫度超過了475℃，芯片的最高處理溫度，但處理時(shí)間非常短，還未使讀出電路受到損壞熱處理過程就結(jié)束了，從而保護(hù)了讀出電路。
本發(fā)明采用PECVD方法在側(cè)壁上鍍上一層SiNx薄膜，其支撐效果將得到明顯改變。
本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)還在于步驟二中，所鍍氧化鎂膜層厚度為2μm。
本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)還在于進(jìn)行步驟三時(shí)，SiNx薄膜的厚度控制為200nm。
本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)還在于步驟六中采用溶膠-凝膠法制備PZT薄膜，膜層厚度為300nm。
由于本發(fā)明主要采用了采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)的方法在犧牲層上鍍制SiNx保護(hù)層，形成一種包圍性的SiNx保護(hù)層，從而生成自支撐的懸空結(jié)構(gòu)，合理的設(shè)計(jì)了保護(hù)層，該SiNx保護(hù)層在后續(xù)的腐蝕工藝中也不會被腐蝕掉；采用快速熱處理的方法對共電極Ti/Pt進(jìn)行熱處理，采用溶膠-凝膠的方法進(jìn)行敏感材料PZT薄膜的制作以及PZT薄膜的圖形化，采用快速熱處理的方法對PZT薄膜進(jìn)行熱處理，是用快速熱處理來對敏感材料進(jìn)行短時(shí)的高溫?zé)崽幚?，瞬間的高溫既不破壞基體和結(jié)構(gòu)，還得到了敏感材料較好的結(jié)晶態(tài)，而且對讀出電路也沒有任何損壞，從而保護(hù)了讀出電路；采用PECVD的方法鍍制SiNx緩沖層，采用甩膠、光刻、顯影以及等離子體反應(yīng)刻蝕制作SiNx緩沖層的圖形，采用甩膠、光刻、顯影以及剝離的方法制作單元的支撐腿Pt，最后采用磷酸溶液去除犧牲材料氧化鎂。本發(fā)明是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，其方法主要解決了自支撐結(jié)構(gòu)的形成，探測器的懸空部分與基片連接的問題，犧牲層材料的去除方法簡單，并與其他結(jié)構(gòu)之間的相容性好的問題以及在快速熱處理時(shí)對讀出電路的保護(hù)以及探測器的懸空部分與基片連接的問題，也解決了在PZT薄膜的同時(shí)避免了作為犧牲層的氧化鎂的腐蝕問題。采用該方法制作的PZT薄膜非致冷焦平面紅外熱成像探測器懸空結(jié)構(gòu)性能良好，具有自支撐，結(jié)構(gòu)完整，制作方法其工藝可行，提高了工作可靠性。滿足了工業(yè)生產(chǎn)的客觀需要。


圖1為本發(fā)明專利的制作PZT薄膜非致冷焦平面紅外熱成像探測器懸空結(jié)構(gòu)的工藝流程圖。
圖2為本發(fā)明專利的PZT薄膜非致冷焦平面紅外熱成像探測器懸空結(jié)構(gòu)斷面的SEM照片。
圖3為本發(fā)明專利的采用顯微鏡拍攝的PZT薄膜非致冷焦平面紅外熱成像探測器像元的照片。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明專利做詳細(xì)說明。
實(shí)施例1本發(fā)明是一種鋯鈦酸鉛薄膜紅外熱成像探測器懸空結(jié)構(gòu)的制作方法，采用在硅片上鍍制一定厚度的氧化鎂薄膜作為制作鋯鈦酸鉛薄膜非致冷焦平面紅外熱成像探測器懸空結(jié)構(gòu)的犧牲層，并通過控制犧牲層的厚度來控制懸空高度；采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)的方法制作SiNx，用于平衡鋯鈦酸鉛薄膜的應(yīng)力；應(yīng)用快速熱處理方法對共電極Ti/Pt以及鋯鈦酸鉛敏感薄膜進(jìn)行快速熱處理，獲得高性能的鋯鈦酸鉛薄膜，如圖1所示，具體做法步驟如下步驟一、采用RCA工藝清洗單面拋光硅基片，取出用高純氮?dú)獍压杵蹈桑缓蠓旁诤嫦淅锖娓伞?br> 步驟二、采用電子束熱蒸發(fā)的方法在硅基片上鍍制氧化鎂犧牲層，氧化鎂膜層厚度采用晶振膜厚控制儀控制，所鍍氧化鎂膜層厚度為2μm。保護(hù)層的設(shè)計(jì)主要是考慮到在采用腐蝕溶液(37％鹽酸、濃硝酸、雙氧水以及去離子水)腐蝕PZT薄膜時(shí)會以更快的速度腐蝕作為犧牲層的氧化鎂，從而難以實(shí)現(xiàn)懸空結(jié)構(gòu)的制作，因而在氧化鎂上沉積一層難以被腐蝕溶液(37％鹽酸、濃硝酸、雙氧水以及去離子水)腐蝕的SiNx薄膜作為氧化鎂的保護(hù)層。
步驟三、采用PECVD的制備方法在氧化鎂薄膜上鍍制一層防止腐蝕PZT薄膜時(shí)腐蝕氧化鎂薄膜的SiNx薄膜，SiNx厚度控制為200nm；步驟四、制作探測器結(jié)構(gòu)的共電極，在SiNx薄膜上涂光刻膠，然后用光刻機(jī)曝光，然后用顯影液顯影，然后采用電子束熱蒸發(fā)的方法鍍制共電極Ti/Pt，Ti膜厚度為50nm，Pt膜厚度為100nm，取出，用丙酮腐蝕剩余的光刻膠，得到共電極Ti/Pt的圖形；步驟五、采用快速熱處理的方法對Ti/Pt薄膜進(jìn)行快速熱處理，溫度為600℃，時(shí)間30s；在熱釋電探測器中用到的敏感材料，為了得到它們較好的結(jié)晶態(tài)，一般都要進(jìn)行熱處理，考慮到讀出電路的處理溫度不能超過475℃，本發(fā)明專利采用快速熱處理的方法進(jìn)行，雖然處理溫度超過了該溫度，但處理時(shí)間非常短，還未使讀出電路受到損壞熱處理過程就結(jié)束了，從而保護(hù)了讀出電路。
步驟六、采用溶膠-凝膠法制備PZT薄膜，膜層厚度為300nm，然后采用步驟四中的甩膠、曝光、顯影的過程制作光刻膠的PZT薄膜圖形的翻轉(zhuǎn)圖形，采用濕法腐蝕制作PZT薄膜圖形，然后再采用丙酮腐蝕剩余的光刻膠，得到敏感材料PZT薄膜的圖形，采用與步驟五相同的方法對PZT薄膜進(jìn)行快速熱處理，獲得結(jié)晶性較好的PZT薄膜；步驟七、采用與步驟四相同的方法制作探測器結(jié)構(gòu)的分離電極Pt，獲得分離電極Pt的圖形。緩沖層、支撐層的設(shè)計(jì)主要是為制作兩條Pt腿時(shí)考慮的，因?yàn)殡娮邮鵁嵴舭l(fā)Pt時(shí)，在側(cè)壁上鍍得非常薄，從而很難使探測器的懸空部分與基片連接在一起，導(dǎo)致探測器的懸空部分不能被支撐，但當(dāng)采用PECVD方法在側(cè)壁上鍍上一層SiNx薄膜，其支撐效果將得到明顯改變。
步驟八、采用等離子體反應(yīng)刻蝕去除圖形外的SiNx薄膜。具體選擇采用ICP-98A型等離子體反應(yīng)刻蝕，本發(fā)明專利采用SF6氣體來反應(yīng)刻蝕SiNx薄膜。主要考慮該氣體反應(yīng)生成的離子與器件制作過程中的其他材料不發(fā)生反應(yīng)，確保器件的完整性和尺寸精度。
步驟九、采用步驟四中甩膠、曝光、顯影的參數(shù)制作氧化鎂孔的圖形，采用磷酸溶液腐蝕氧化鎂，然后再采用丙酮腐蝕剩余的光刻膠，得到氧化鎂過孔的圖形；步驟十、采用與步驟三相同的方法制作探測器的緩沖層和支撐層SiNx薄膜。采用與步驟四中甩膠、曝光、顯影的過程制作光刻膠的SiNx緩沖層和支撐層圖形的翻轉(zhuǎn)圖形，然后再采用與步驟八相同的方法制作緩沖層和支撐層SiNx薄膜的圖形；步驟十一、采用與步驟四相同的方法制作探測器結(jié)構(gòu)的兩條Pt腿圖形；步驟十二、采用磷酸溶液腐蝕氧化鎂，制作探測器的懸空結(jié)構(gòu)，然后取出放在去離子水中浸泡10min，然后取出放在99％的乙醇中浸泡10min，取出，讓乙醇自然揮發(fā)。
在采用腐蝕溶液腐蝕氧化鎂和PZT時(shí)，腐蝕溶液的選擇主要應(yīng)考慮腐蝕溶液與已經(jīng)制作在器件上的其他材料不發(fā)生反應(yīng)，本發(fā)明專利采用磷酸溶液腐蝕氧化鎂，采用(37％鹽酸、濃硝酸、雙氧水以及去離子水)腐蝕溶液腐蝕PZT薄膜。腐蝕溶液的配置也是很重要的，它主要影響材料各種成分的腐蝕速率，本發(fā)明專利采用的氧化鎂腐蝕溶液配置是濃磷酸∶去離子水＝25∶75，采用的PZT薄膜腐蝕溶液的配置是37％鹽酸∶濃硝酸∶雙氧水∶去離子水＝45∶1∶1∶53。
實(shí)施例2工藝條件，制作步驟，使用設(shè)備均同實(shí)施例1，不同之處在于步驟二中，所鍍氧化鎂膜層厚度為1.5μm；步驟三中SiNx薄膜的厚度控制為150nm；步驟六中采用溶膠-凝膠法制備PZT薄膜，膜層厚度為200nm。
實(shí)施例3工藝條件，制作步驟，使用設(shè)備均同實(shí)施例1，不同之處在于步驟二中，所鍍氧化鎂膜層厚度為2.5μm；步驟三中SiNx薄膜的厚度控制為300nm；步驟六中采用溶膠-凝膠法制備PZT薄膜，膜層厚度為400nm。
實(shí)施例4工藝條件，制作步驟，使用設(shè)備均同實(shí)施例1，不同之處在于步驟三中SiNx薄膜的厚度控制為180nm。
實(shí)施例5工藝條件，制作步驟，使用設(shè)備均同實(shí)施例1，不同之處在于步驟二中，所鍍氧化鎂膜層厚度為1.5μm；步驟三中SiNx薄膜的厚度控制為250nm；步驟六中采用溶膠-凝膠法制備PZT薄膜，膜層厚度為200nm。
實(shí)施例6工藝條件，制作步驟，使用設(shè)備均同實(shí)施例1，不同之處在于步驟二中，所鍍氧化鎂膜層厚度為2.1μm；步驟三中SiNx薄膜的厚度控制為320nm；步驟六中采用溶膠-凝膠法制備PZT薄膜，膜層厚度為350nm。
實(shí)施例7工藝條件，制作步驟，使用設(shè)備均同實(shí)施例1，不同之處在于步驟二中，所鍍氧化鎂膜層厚度為1.5μm；步驟三中SiNx薄膜的厚度控制為300nm；步驟六中采用溶膠-凝膠法制備PZT薄膜，膜層厚度為400nm。
實(shí)施例8工藝條件，制作步驟，使用設(shè)備均同實(shí)施例1，不同之處在于步驟二中，所鍍氧化鎂膜層厚度為2.5μm；步驟三中SiNx薄膜的厚度控制為150nm；步驟六中采用溶膠-凝膠法制備PZT薄膜，膜層厚度為200nm。
實(shí)施例9工藝條件，制作步驟，使用設(shè)備均同實(shí)施例1，不同之處在于步驟二中，所鍍氧化鎂膜層厚度為1.8μm；步驟三中SiNx薄膜的厚度控制為260nm；步驟六中采用溶膠-凝膠法制備PZT薄膜，膜層厚度為320nm。
實(shí)施例10工藝條件，制作步驟，使用設(shè)備均同實(shí)施例1，不同之處在于步驟二中，所鍍氧化鎂膜層厚度為2.5μm；步驟六中采用溶膠-凝膠法制備PZT薄膜，膜層厚度為200nm。
實(shí)施例11工藝條件，制作步驟，使用設(shè)備均同實(shí)施例1，不同之處在于步驟二中，所鍍氧化鎂膜層厚度為2.2μm；步驟三中SiNx薄膜的厚度控制為200nm；步驟六中采用溶膠-凝膠法制備PZT薄膜，膜層厚度為360nm。
實(shí)施例12工藝條件，制作步驟，使用設(shè)備均同實(shí)施例1，不同之處在于步驟二中，所鍍氧化鎂膜層厚度為2.5μm；步驟三中SiNx薄膜的厚度控制為150nm；步驟六中采用溶膠-凝膠法制備PZT薄膜，膜層厚度為280nm。
實(shí)施例13工藝條件，制作步驟，使用設(shè)備均同實(shí)施例1，不同之處在于步驟二中，所鍍氧化鎂膜層厚度為2.0μm；步驟三中SiNx薄膜的厚度控制為250nm；步驟六中采用溶膠-凝膠法制備PZT薄膜，膜層厚度為270nm。
實(shí)施例14工藝條件，制作步驟，使用設(shè)備均同實(shí)施例1，不同之處在于步驟二中，所鍍氧化鎂膜層厚度為2.7μm；步驟三中SiNx薄膜的厚度控制為190nm；步驟六中采用溶膠-凝膠法制備PZT薄膜，膜層厚度為380nm。
實(shí)施例15參見圖1，為了更詳盡地說明本發(fā)明的方法和有助于理解本發(fā)明，對發(fā)明方法進(jìn)行更加細(xì)化，此處的步驟順序與前述的步驟順序并不對應(yīng)。步驟具體做法是一、清洗硅片；二、鍍制氧化鎂薄膜；三、鍍制SiNx薄膜；四、甩光刻膠；光刻出與共電極相同的圖形；五、顯影；六、鍍制Ti/Pt薄膜；七、用丙酮剝離獲得共電極圖形；八、快速熱處理；溶膠-凝膠法制備PZT薄膜；九、甩光刻膠；光刻出PZT薄膜的反轉(zhuǎn)圖形；十、顯影；十一、用PZT薄膜腐蝕液腐蝕PZT薄膜；十二、用丙酮去除剩余的光刻膠獲得PZT薄膜圖形；十三、快速熱處理；甩光刻膠；十四、光刻出與分離電極相同的圖形；顯影；十五、鍍制Pt薄膜；十六、用丙酮剝離獲得分離電極圖形；十七、等離子體反應(yīng)離子刻蝕圖形外的SiNx薄膜；十八、甩光刻膠；光刻出與氧化鎂孔相同的圖形；十九、顯影；二十、用磷酸溶液腐蝕氧化鎂；二十一、用丙酮去除剩余的光刻膠獲得氧化鎂孔的圖形；二十二、鍍制Si3N4薄膜；二十三、甩光刻膠；二十四、光刻出SiNx支撐層的反轉(zhuǎn)圖形；顯影；二十五、等離子體反應(yīng)離子刻蝕SiNx薄膜；二十六、用丙酮去除剩余的光刻膠獲得SiNx支撐層圖形；二十七、甩光刻膠；二十八、光刻出與Pt電極腿相同的圖形；顯影；二十九、鍍制Pt薄膜；三十、用丙酮剝離獲得Pt電極腿圖形；三十、三十一、用磷酸溶液去除氧化鎂犧牲層；去離子水浸泡去除探測器上的磷酸溶液；乙醇浸泡去除探測器上的去離子水，取出讓乙醇自然揮發(fā)，獲得PZT薄膜非致冷焦平面紅外熱成像探測器懸空結(jié)構(gòu)。
采用該方法制作的PZT薄膜非致冷焦平面紅外熱成像探測器懸空結(jié)構(gòu)性能良好，而且工藝簡單、穩(wěn)定、重復(fù)性好、適用于實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)的需要。發(fā)明人對按照以上工藝流程獲得的PZT薄膜非致冷焦平面紅外熱成像探測器懸空結(jié)構(gòu)進(jìn)行了測試，具體結(jié)果如下探測器像元數(shù)45×45像元尺寸45×45μm2穩(wěn)定性經(jīng)過兩個(gè)月，陣列未發(fā)現(xiàn)損壞；重復(fù)性經(jīng)過五次重復(fù)工藝流程實(shí)驗(yàn)，可以得到相同的探測器結(jié)構(gòu)；懸空高度2μm由此可見，采用此探測器陣列制作技術(shù)，可以獲得性能優(yōu)良的PZT薄膜非致冷焦平面紅外熱成像探測器懸空結(jié)構(gòu)。
實(shí)施例16工藝條件，制作步驟，使用設(shè)備均同實(shí)施例1，具體做法如下步驟一、采用RCA工藝清洗單面拋光硅基片，取出用高純氮?dú)獍压杵蹈?，然后放在烘箱里烘干?br> 步驟二、采用電子束熱蒸發(fā)的方法在硅基片上鍍制氧化鎂犧牲層，氧化鎂膜層厚度采用晶振膜厚控制儀控制，所鍍氧化鎂膜層厚度為2μm。
步驟三、采用PECVD的制備方法在氧化鎂薄膜上鍍制一層防止腐蝕PZT薄膜時(shí)腐蝕氧化鎂薄膜的SiNx薄膜，SiNx厚度為200nm。
步驟四、制作探測器結(jié)構(gòu)的共電極，在SiNx薄膜上涂光刻膠，然后用光刻機(jī)曝光，然后用顯影液顯影，然后采用電子束熱蒸發(fā)的方法鍍制共電極Ti/Pt，Ti膜厚度為50nm，Pt膜厚度為100nm，取出，用丙酮腐蝕剩余的光刻膠，得到共電極Ti/Pt的圖形。
步驟五、采用快速熱處理的方法對Ti/Pt薄膜進(jìn)行快速熱處理。
步驟六、采用溶膠-凝膠法制備PZT薄膜，膜層厚度共300nm，然后采用步驟(4)中的甩膠、曝光、顯影的過程制作光刻膠的PZT薄膜圖形的翻轉(zhuǎn)圖形，采用濕法腐蝕制作PZT薄膜圖形，然后再采用丙酮腐蝕剩余的光刻膠，得到敏感材料PZT薄膜的圖形，采用與步驟(5)相同的方法對PZT薄膜進(jìn)行快速熱處理，獲得結(jié)晶性較好的PZT薄膜。
步驟七、采用與步驟(4)相同的方法制作探測器結(jié)構(gòu)的分離電極Pt，獲得分離電極Pt的圖形。
步驟八、采用等離子體反應(yīng)刻蝕去除圖形外的SiNx薄膜。
步驟九、采用步驟(4)中甩膠、曝光、顯影的參數(shù)制作氧化鎂孔的圖形，采用磷酸溶液腐蝕氧化鎂，然后再采用丙酮腐蝕剩余的光刻膠，得到氧化鎂過孔的圖形。
步驟十、采用與步驟(3)相同的方法制作探測器的緩沖層和支撐層SiNx薄膜。采用與步驟(4)中甩膠、曝光、顯影的過程制作光刻膠的SiNx緩沖層和支撐層圖形的翻轉(zhuǎn)圖形，然后再采用與步驟(8)相同的方法制作緩沖層和支撐層SiNx薄膜的圖形。
步驟十一、采用與步驟(4)相同的方法制作探測器結(jié)構(gòu)的兩條Pt腿圖形。
步驟十二、采用磷酸溶液腐蝕氧化鎂，制作探測器的懸空結(jié)構(gòu)，然后取出放在去離子水中浸泡10min，然后取出放在99％的乙醇中浸泡10min，取出，讓乙醇自然揮發(fā)。
所制作的PZT薄膜非致冷焦平面紅外熱成像探測器懸空結(jié)構(gòu)斷面的SEM照片見圖2和圖3。
本發(fā)明專利經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)研究和理論分析，采用了科學(xué)的制備工藝，從而得到了PZT薄膜非致冷焦平面紅外熱成像探測器的懸空結(jié)構(gòu)，而且性能良好，工藝簡單、穩(wěn)定、重復(fù)性好、適用于實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)的需要。綜合起來，本發(fā)明專利所提供的PZT薄膜非致冷焦平面紅外熱成像探測器的懸空結(jié)構(gòu)的制作方法具有以下優(yōu)點(diǎn)1、采用懸空的膜式結(jié)構(gòu)來改善探測器的熱絕緣性能，提高了探測器的靈敏度；2、選用氧化鎂作為犧牲層材料，它能夠適應(yīng)后續(xù)處理工藝溫度的需要，而且它的去除方法簡單，與其他結(jié)構(gòu)之間的相容性也好；3、采用快速熱處理來對敏感材料進(jìn)行短時(shí)的高溫?zé)崽幚?，得到了敏感材料較好的結(jié)晶態(tài)，而且對讀出電路也沒有任何損壞，從而保護(hù)了讀出電路；4、采用設(shè)計(jì)緩沖層和支撐層解決了探測器的懸空部分與基片連接的問題，有利于提高探測器的長期穩(wěn)定工作性能；5、在制作過程中合理的設(shè)計(jì)了保護(hù)層，解決了在PZT薄膜的同時(shí)避免了作為犧牲層的氧化鎂的腐蝕問題；6、在PZT薄膜非致冷焦平面紅外熱成像探測器的懸空結(jié)構(gòu)的制作中，充分考慮結(jié)構(gòu)和尺寸設(shè)計(jì)、工藝流程的設(shè)計(jì)及其可行性分析。
本發(fā)明專利的發(fā)明人近年來一直從事有關(guān)PZT薄膜非致冷焦平面紅外熱成像探測器懸空結(jié)構(gòu)的制作的研究，為了獲得工藝穩(wěn)定、重復(fù)性好、性能優(yōu)良的PZT薄膜非致冷焦平面紅外熱成像探測器懸空結(jié)構(gòu)，作了大量的工藝研究，最終采用本發(fā)明專利中所述方案解決了該問題，取得了制作PZT薄膜非致冷焦平面紅外熱成像探測器懸空結(jié)構(gòu)的成功。
權(quán)利要求
1.一種鋯鈦酸鉛薄膜紅外熱成像探測器懸空結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于采用在硅片上鍍制一定厚度的氧化鎂薄膜作為制作鋯鈦酸鉛即PZT薄膜非致冷焦平面紅外熱成像探測器懸空結(jié)構(gòu)的犧牲層，并通過控制犧牲層的厚度來控制懸空高度；采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積的即PECVD的方法制作氮化硅薄膜SiNx，用于平衡鋯鈦酸鉛薄膜的應(yīng)力；應(yīng)用快速熱處理方法對共電極鈦/鉑即Ti/Pt以及鋯鈦酸鉛即PZT敏感薄膜進(jìn)行快速熱處理，獲得高性能的鋯鈦酸鉛薄膜，具體做法步驟如下步驟一、采用RCA(給出中文名)工藝清洗單面拋光硅基片，取出用高純氮?dú)獍压杵蹈?，然后放在烘箱里烘干；步驟二、采用電子束熱蒸發(fā)的方法在硅基片上鍍制氧化鎂犧牲層，氧化鎂膜層厚度采用晶振膜厚控制儀控制，所鍍氧化鎂膜層厚度為1.5～2.5μm；步驟三、采用PECVD的制備方法在氧化鎂薄膜上鍍制一層防止腐蝕PZT薄膜時(shí)腐蝕氧化鎂薄膜的SiNx薄膜，SiNx厚度控制為150～300nm；步驟四、制作探測器結(jié)構(gòu)的共電極，在SiNx薄膜上涂光刻膠，然后用光刻機(jī)曝光，然后用顯影液顯影，然后采用電子束熱蒸發(fā)的方法鍍制共電極Ti/Pt，Ti膜厚度為50nm，Pt膜厚度為100nm，取出，用丙酮腐蝕剩余的光刻膠，得到共電極Ti/Pt的圖形；步驟五、采用快速熱處理的方法對Ti/Pt薄膜進(jìn)行快速熱處理，溫度為600℃，時(shí)間30s；步驟六、采用溶膠-凝膠法制備PZT薄膜，膜層厚度為200～400nm，然后采用步驟四中的甩膠、曝光、顯影的過程制作光刻膠的PZT薄膜圖形的翻轉(zhuǎn)圖形，采用濕法腐蝕制作PZT薄膜圖形，然后再采用丙酮腐蝕剩余的光刻膠，得到敏感材料PZT薄膜的圖形，采用與步驟五相同的方法對PZT薄膜進(jìn)行快速熱處理，獲得結(jié)晶性較好的PZT薄膜；步驟七、采用與步驟四相同的方法制作探測器結(jié)構(gòu)的分離電極Pt，獲得分離電極Pt的圖形；步驟八、采用等離子體反應(yīng)刻蝕去除圖形外的SiNx薄膜；步驟九、采用步驟四中甩膠、曝光、顯影的參數(shù)制作氧化鎂孔的圖形，采用磷酸溶液腐蝕氧化鎂，然后再采用丙酮腐蝕剩余的光刻膠，得到氧化鎂過孔的圖形；步驟十、采用與步驟三相同的方法制作探測器的緩沖層和支撐層SiNx薄膜。采用與步驟四中甩膠、曝光、顯影的過程制作光刻膠的SiNx緩沖層和支撐層圖形的翻轉(zhuǎn)圖形，然后再采用與步驟八相同的方法制作緩沖層和支撐層SiNx薄膜的圖形；步驟十一、采用與步驟四相同的方法制作探測器結(jié)構(gòu)的兩條Pt腿圖形；步驟十二、采用磷酸溶液腐蝕氧化鎂，制作探測器的懸空結(jié)構(gòu)，然后取出放在去離子水中浸泡10min，然后取出放在99％的乙醇中浸泡10min，取出，讓乙醇自然揮發(fā)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋯鈦酸鉛薄膜紅外熱成像探測器懸空結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于步驟二中，所鍍氧化鎂膜層厚度為2μm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋯鈦酸鉛薄膜紅外熱成像探測器懸空結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于進(jìn)行步驟三時(shí)，SiNx薄膜的厚度控制為200nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋯鈦酸鉛薄膜紅外熱成像探測器懸空結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于步驟六中采用溶膠-凝膠法制備PZT薄膜，膜層厚度為300nm。
全文摘要
本發(fā)明是一種鋯鈦酸鉛薄膜紅外熱成像探測器懸空結(jié)構(gòu)的制作方法，采用在硅片上鍍制一定厚度的氧化鎂薄膜作為制作鋯鈦酸鉛薄膜非致冷焦平面紅外熱成像探測器懸空結(jié)構(gòu)的犧牲層，并通過控制犧牲層的厚度來控制懸空高度；采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積方法制作SiN
文檔編號G01J5/10GK1889284SQ20061010443
公開日2007年1月3日 申請日期2006年7月31日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月31日
發(fā)明者劉衛(wèi)國, 蔡長龍, 劉歡, 張偉, 周順 申請人:西安工業(yè)大學(xué)