專利名稱：熱電薄膜紅外傳感器及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種熱電薄膜紅外傳感器以及制造這種傳感器的一種方法。
熱電薄膜紅外傳感器通常用于實現(xiàn)更方便的檢測系統(tǒng)，因為這種傳感器具有下列優(yōu)點在長波長時具有高靈敏度;可在室溫下工作，且不采用任何冷卻系統(tǒng)。
參照

圖1，這里示出傳統(tǒng)的熱電薄膜紅外傳感器的一個例子。如圖1中所示，此熱電薄膜紅外傳感器包括襯底1和居中地位于襯底1上表面上的熱電薄膜2。在熱電薄膜2上設有一個Ni-Cr電極3。一聚酰亞胺層覆蓋在所形成的上述結構的全部暴露的上表面上，所述暴露的上表面包括Ni-Cr電極3的暴露的上表面和襯底1的暴露的上表面。聚酰亞胺層5具有一個接觸孔4，Ni-Cr電極3通過此孔部分地暴露出其上表面。在聚酰亞胺層5的上表面的一側部分(圖1中的右側部分)上設有一個由鋁層制備的讀出電極6。讀出電極6通過接觸孔4電連接至Ni-Cr電極3。除讀出電極6的右端外，在讀出電極6上設有另一聚酰亞胺層7。該熱電薄膜紅外傳感器還包括位于襯底1下面的另一Ni-Cr電極9。Ni-Cr電極9電連接至通過一個孔8暴露出的熱電薄膜2的下表面，孔8是采用刻蝕工藝形成于襯底1中的。Ni-Cr電極9位于孔8的表面的右側部分和形成孔8時未蝕去的襯底1的下表面部分的右側部分。
下面結合圖2A至2E描述具有上述結構的現(xiàn)有熱電薄膜紅外傳感器的制造方法。
根據(jù)此方法，首先，如圖2A所示，制備具有(100)面的襯底作為襯底1。襯底1可以是MgO，單晶襯底。
在襯底1上，采用射頻(RF)磁控濺射工藝，淀積一層厚度為3μm的以P5TiO3為主的熱電薄膜。此熱電薄膜具有鈣鈦礦結構和C軸取向。此后，此熱電薄膜要經(jīng)歷公知的光刻工藝，以便它僅保留其中央部分。留下來的熱電薄膜的中央部分構成居中地位于襯底1上的熱電薄膜2。
隨后，采用真空蒸發(fā)工藝，如圖2B所示，在所得到的包括熱電薄膜2和襯底1的結構上淀積0.4μm厚的Ni-Cr薄膜。爾后采用公知的光刻工藝對此Ni-Cr薄膜進行選擇性刻蝕，以便蝕去除位于熱電薄膜2上的部分以外的Ni-Cr薄膜，從而形成Ni-Cr電極3。
在所得結構的全部暴露的上表面上，淀積一聚酰亞胺層作為上述的聚酰亞胺層5。采用公知的光刻工藝選擇性地刻蝕此聚酰亞胺層5，以便在聚酰亞胺層5中形成接觸孔。此接觸孔構成上述的接觸孔4，以便由此暴露Ni-Cr電極3的上表面的中心部位。
如圖2C所示，采用濺射工藝或蒸發(fā)工藝，在所得結構的全部暴露的上表面上淀積一鋁層，所述全部暴露的上表面包括Ni-Cr電極3的上表面和襯底1的暴露的上表面部分。爾后，采用公知的光刻工藝，選擇性地刻蝕鋁層，以便留存下位于聚酰亞胺層5的一側部分即右側部分的鋁層部分。留下的鋁層部分構成讀出電極6。
隨后，采用公知的照相工藝，形成聚酰亞胺層7。聚酰亞胺層7布置于讀出電極6上，但讀出電極6的一側端即右側端除外。聚酰亞胺層7還布置于與讀出電極6左端相鄰的聚酰亞胺層5的一部分上。
如圖2D所示，采用公知的各向異性刻蝕工藝，對襯底1的位于熱電薄膜2下面的部分進行刻蝕，從而形成孔8。在這種情況下，襯底1是通過H3PO4溶液各向異性地刻蝕的，直至熱電薄膜2的下表面完全暴露出來。蝕刻完成后，熱電薄膜2僅由聚酰亞胺層5固位。
此后，采用濺射工藝或蒸發(fā)工藝，在所得結構的全部暴露的下表面上淀積用于吸收紅外線的Ni-Cr層，所述全部暴露的下表面包括孔8的側壁表面、未蝕去的襯底1的下表面部分和熱電薄膜2的暴露的下表面，如圖2E所示。接著，采用公知的光刻工藝，選擇性地刻蝕Ni-Cr層，以使其僅留存于孔8的右側壁部分和襯底1的下表面的右側部分。留下的Ni-Cr層的部分構成Ni-Cr電極9。
最后，進行封裝工序。在封裝工序中，Ni-Cr電極9通過導電膏粘連到未示出的引線架的一個相應引線上。讀出電極6的暴露部分通過Au線連至未示出的結型場效應晶體管(JFET)的柵極。
然而，根據(jù)上述現(xiàn)有方法，在各向異性地刻蝕MgO單晶襯底1的下表面時，熱電薄膜2的下表面可能會被刻蝕溶液損壞。
另外，現(xiàn)有的薄膜紅外傳感器還具有封裝工序復雜之問題，因為用于吸收紅外線的Ni-Cr電極不能線連至引線架的引線。這是由于Ni-Cr電極位于襯底下表面上。
因此，本發(fā)明的一個目的是要提供一種熱電薄膜紅外傳感器，此傳感器通過在襯底上淀積預定厚度的底層Pt電極并隨后在此底層Pt電極上淀積一層熱電薄膜，增強了熱電薄膜的C軸取向特性，從而能夠實現(xiàn)改善的紅外線靈敏度，本發(fā)明還要提供一種制造該傳感器的方法。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，所提供的熱電薄膜紅外傳感器包括一個襯底;設置于襯底上表面的一預定區(qū)域上的一個底層電極;設置于底層電極上表面的一預定區(qū)域上的一層熱電薄膜;以及設置于熱電薄膜上表面的一預定區(qū)域上并適于吸收紅外線的上層電極。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，所提供的用于制造熱電薄膜紅外傳感器的方法包括下列工序在一個襯底的上表面上的一預定區(qū)域上形成一個底層電極;在底層電極上表面上的一預定區(qū)域上形成一層熱電薄膜;并且在熱電薄膜上表面的一預定區(qū)域上形成一個用于吸收紅外線的上層電極。
本發(fā)明的其它目的和其它方面可從參照附圖所做的以下說明中清楚了解，附圖中圖1是顯示現(xiàn)有的熱電薄膜紅外傳感器的剖視圖;
圖2A至2E分別是顯示制造圖1所示的熱電薄膜紅外傳感器的方法的各工序的剖視圖;
圖3是顯示根據(jù)本發(fā)明的熱電薄膜紅外傳感器的剖視圖;
圖4A至4E分別是顯示制造圖3所示的根據(jù)本發(fā)明的熱電薄膜傳感器的方法的各工序的剖視圖;
圖5是顯示根據(jù)X射線衍射分析得到的底層Pt電極的取向的曲線圖，此Pt電極構成圖3所示的熱電薄膜紅外傳感器的一部分;
圖6是顯示C軸取向隨圖3所示的底層Pt電極厚度變化的曲線圖;
圖7是顯示根據(jù)X射線衍射分析得到的熱電薄膜的取向的曲線圖，此熱電薄膜構成圖3所示的熱電薄膜紅外傳感器的一部分;
圖8是顯示熱電薄膜紅外傳感器的輸出隨圖3所示的底層Pt電極的厚度變化的曲線圖;
圖9是顯示圖3所示的熱電薄膜紅外傳感器的輸出隨加至此熱電薄膜紅外傳感器的頻率變化的曲線圖。
參照圖3，其中示出一種根據(jù)本發(fā)明的熱電薄膜紅外傳感器。
如圖3所示，本發(fā)明的熱電薄膜紅外傳感器包括一個襯底21和一個底層Pt電極22，襯底21的下表面的中心部分有一隔膜(membrane)，Pt電極22位于襯底21上表面的一部分上。在底層Pt電極22的上表面的一部分上設有一Pt墊層23。所述的上表面的一部分從底層Pt電極22右端延伸至底層Pt電極22的一預定區(qū)域。在底層Pt電極22和Pt墊層23的左端部分的上表面上設有熱電薄膜24，以便其右側部分與底層Pt電極22的預定部分相重迭。該熱電薄膜紅外傳感器還包括位于熱電薄膜24之上的一個上層Cr電極25;鋁墊層26，它位于襯底21的上表面的左側區(qū)域和熱電薄膜24的左側部分，并電連接至上層Cr電極左端;以及一個鈍化層27，它位于Pt墊層23和鋁墊層26之上，但Pt墊層23的右端部分和鋁墊層26的左端部分除外。
下面參照圖4A至4E描述具有上述結構的本發(fā)明的熱電薄膜紅外傳感器的制造方法。
根據(jù)此方法，首先，如圖4A所示，制備具有(100)面的襯底作為襯底21。襯底21可以為MgO單晶襯底或SrTiO3單晶襯底。
采用濺射技術，在襯底1上淀積厚度為150至400 的Pt薄膜。隨后，采用公知的光刻工藝，選擇性地刻蝕Pt薄膜，以便僅在襯底21上表面上的預定區(qū)域中留存Pt薄膜。結果，Pt薄膜的留存部分形成底層Pt電極22。
雖然Pt薄膜是由金屬制備的，但它具有的晶格常數(shù)與其上生長的熱電薄膜的晶格常數(shù)尤其是在一軸上的3.89 的晶格常數(shù)有很好的一致性，因為它具有150至400 的厚度。因此，當Pt薄膜在具有(100)面的襯底21的上表面上形成時，熱電薄膜可隨后形成于Pt薄膜上，以便具有C軸取向，即具有(001)面。在這種情況下，具有(100)面的襯底21、Pt薄膜和熱電薄膜分別具有4.21 、3.93 和3.89 的晶格常數(shù)。結果，襯底21、Pt薄膜和熱電薄膜之間晶格常數(shù)的不一致在10%以內(nèi)。
若采用濺射工藝，在下表1所列條件下，在具有(100)面的MgO單晶襯底上淀積Pt薄膜，使之具有(100)面，在經(jīng)X-射線衍射分析之后，它呈現(xiàn)圖5所示的特性。
表1靶 Pt氣體壓強 0.1-1 Pa氣體 Ar襯底溫度 580-610 ℃功率密度 1-3 w/cm2參照圖5，可以發(fā)現(xiàn)，具有(200)面的MgO單晶襯底和具有(200)面的Pt薄膜呈現(xiàn)出顯著的束強度。還可發(fā)現(xiàn)，具有(200)面的Pt薄膜外延生長為具有(100)面，因為Pt薄膜的束強度明顯地呈現(xiàn)在46°的2θ角附近。
在采用SEM設備觀察了Pt薄膜的表面條件之后，還可發(fā)現(xiàn)，在Pt薄膜生長至150至400 的厚度時得到了最希望的結果。這將在下面詳細描述。
當Pt薄膜具有小于150 的厚度時，在一后續(xù)步驟中在Pt薄膜上生長呈現(xiàn)良好C軸取向的熱電薄膜是可能的。不過，Pt薄膜具有不希望的類似島狀結構的結構。
當在后續(xù)步驟中進行熱電薄膜的濺射生長時，具有島狀結構的Pt薄膜可能經(jīng)受來自用于熱電薄膜的靶的濺射顆粒的再濺射，由此導致Pt薄膜的導電性下降。
另一方面，當Pt薄膜具有大于400 的厚度時，在Pt薄膜生長時其塊體特性增強。結果，在Pt薄膜上可能會產(chǎn)生微細小丘或應力。
因此，當Pt薄膜的厚度超出100至400 的范圍時，淀積于Pt薄膜上的熱電薄膜呈現(xiàn)出強烈的C軸取向劣化。
換言之，隨著Pt薄膜厚度由100 增加至400 ，熱電薄膜呈現(xiàn)出的C軸取向α由約1降至約0.9，如圖6所示。當Pt薄膜厚度增大至500 時，熱電薄膜的C軸取向α降至約0.65。在Pt薄膜厚度不小于600 時，熱電薄膜的晶體生長取向變?yōu)殡S意的。
因此，Pt薄膜厚度的增加會導致熱電薄膜的C軸取向α的減小，由此引起熱電薄膜紅外傳感器的靈敏度的下降。
C軸取向α可由下列方程式(1)表示α＝I(001)/[I(100)+I(001)]……(1)其中，I(001)表示(001)面的X-射線衍射強度，I(100)表示(100)面的X-射線衍射強度。
另一方面，熱電薄膜紅外傳感器的靈敏度特性Fv可由下列方程式(2)表示Fv＝r/Cvεoεr……(2)
其中，r表示熱電系數(shù)，Cv表示熱電薄膜的容積比熱，εo為真空中的介電常數(shù)，εr為熱電薄膜的介電常數(shù)。
參照方程式(2)，可以發(fā)現(xiàn)，熱電薄膜紅外傳感器的靈敏度特性Fv在較高熱電系數(shù)r和較低熱電薄膜介電常數(shù)εr的情況下得以改善。
同時，因為熱電薄膜的C軸為極軸，因而熱電薄膜在C軸方向呈現(xiàn)出減小的介電常數(shù)εr。由熱電薄膜的溫度變化決定的極性變化引生熱電電流。為了獲得提高的熱電系數(shù)，要求在C軸即極軸方向上生長熱電薄膜。
在形成圖4A所示的底層Pt電極22之后，采用公知的發(fā)射(liftoff)工藝和濺射技術，在所得結構的全部暴露的上表面上淀積2000 厚的另一層Pt薄膜，所述全部暴露的上表面包括底層Pt電極22的暴露的上表面和襯底21的暴露的上表面部分，如圖4B所示。此后，對Pt薄膜進行公知的發(fā)射工藝，以便僅留下位于底層Pt電極22的一預定部分上的Pt薄膜，由此形成Pt墊層23。
在后續(xù)的線連工序中和另一后續(xù)的濺射熱電薄膜的工序中，Pt墊層23適于防止具有150至400 的小厚度的低層Pt電極22受到損壞。
在某些情況下，圖4所示的形成Pt墊層23的步驟可以省除。
采用磁控濺射工藝，在所得結構的全部暴露的上表面上淀積由鐵電材料構成的熱電薄膜，所述暴露的上表面包括襯底21的暴露的上表面部分、底層Pt電極22的暴露的上表面部分和Pt墊層23的暴露的上表面。熱電薄膜的淀積是在表2所列條件下進行的。在這種情況下，熱電薄膜具有Pb0.95La0.05TiO3組分。
表2靶 Pb0.95La0.05TiO3+10wt%PbO氣體壓強 0.3-2Pa氣體 (Ar:O2)5:5-9:1襯底溫度 580-610℃功率密度 2-5w/cm2隨著底層Pt電極22厚度的增加所淀積的熱電薄膜的C軸取向α是減小的，如圖6所示。因為此前已做了詳細說明，故其進一步描述省除。
隨后，采用公知的光刻工藝，選擇性地刻蝕熱電薄膜，以便僅留在于底層Pt電極22的上表面上的一預定區(qū)域。熱電薄膜的留存部分形成熱電薄膜24。
此熱電薄膜24具有分別位于Pr墊層23左端和相鄰于底層Pt電極22左端的襯底21上表面的一部分上的右端和左端。
圖7是顯示在底層Pt電極上生長的熱電薄膜的X射線衍射分析結果的曲線圖，此Pt電極具有300 的厚度，熱電薄膜的C軸取向α不小于0.9。圖7示出在(001)、(100)和(200)面觀測到的熱電薄膜PLT的束強度、在(200)面觀測到的MgO單晶襯底的束強度、以及在(200)面觀測到的Pt薄膜的束強度。
在形成熱電薄膜24之后，采用濺射工藝或蒸發(fā)工藝，在所得結構的全部暴露的上表面上生長厚度為300至400 的Cr薄膜，此Cr薄膜呈現(xiàn)出高的紅外線吸收率，所述全部暴露的上表面包括熱電薄膜24的暴露的上表面、Pt墊層23的暴露的上表面部分和襯底21的暴露的上表面部分。Cr薄膜可由Ni-Cr薄膜替代。采用公知的光刻工藝，對Cr薄膜進行選擇性蝕刻，以便僅留存其位于熱電薄膜24之上的部分，如圖4C所示。Cr薄膜的留存部分形成上層Cr電極25。
然后，采用蒸發(fā)工藝，在所得結構的全部暴露的上表面上淀積一鋁層，所述全部暴露的上表面包括Cr電極25的上表面、Pt墊層23的暴露的上表面以及襯底21的暴露的上表面部分。隨后采用公知的光刻工藝選擇性地刻蝕鋁層，從而形成用于上層Cr電極25的鋁墊層26，如圖4C所示。鋁墊層26電連接至上層Cr電極25的一側端部分。鋁墊層26還布置于襯底21的上表面的一預定區(qū)域上以及熱電薄膜24的一側端部分。
采用公知的照相工藝，在包括上層Cr電極25、Pt墊層23、鋁墊層26和襯底21的所得結構上形成一聚酰亞胺層，如圖4D所示。此時，Pt墊層23的一側端部分和與此側端部分相對的鋁墊層26的一側端部分是暴露的。聚酰亞胺層是由呈現(xiàn)高的紅外線透射率和高的彈性的材料制備的。
為防止最終制成的熱電薄膜紅外傳感器的熱絕緣，即，為防止加至熱電薄膜24的熱量通過襯底外釋，襯底21的下表面要經(jīng)公知的光刻工藝處理，以除去其位于熱電薄膜24之下的部分，如圖4E所示。這將在下面詳細說明。
采用H3PO4溶液，對襯底21的下表面進行各向異性刻蝕，由此形成一隔膜。在這種情況下，隔膜的厚度不超過20μm。隔膜的厚度最好是盡可能地小。
在隨后的封裝工序中，以上述方式制造的熱電薄膜紅外傳感器與具有高電阻率的一電阻器和一個JFET芯片一起封裝于一個殼體中。
在完成封裝工序之后，測量熱電薄膜傳感器的電壓響應特性。為此測量，熱電薄膜紅外傳感器的輸出電壓放大至60dB。電壓響應測量結果將結合圖8和9描述。
參照圖8，可以發(fā)現(xiàn)，在1H2的斬波頻率時，隨著底層Pt電極22的厚度由200 增至1000 ，電壓響應由22μv降至5μv。因此，可以理解，在底層Pt電極22厚度較小時，即，在熱電薄膜24的C軸取向α較大時，熱電薄膜紅外傳感器呈現(xiàn)較高的電壓響應。
參照圖9，還可發(fā)現(xiàn)，當?shù)讓覲t電極22具有300 的厚度時，隨斬波頻率由1H2升至100H2，電壓響應由21μv降至幾微伏。
從上述說明可清楚地看出，根據(jù)本發(fā)明，底層Pt電極生長于具有(100)面的襯底之上，由此能使生長于底層Pt電極之上的熱電薄膜呈現(xiàn)增大的C軸取向。結果，有可能增大最終制成的熱電薄膜紅外傳感器的電壓響應。根據(jù)本發(fā)明，可通過調(diào)節(jié)底層Pt薄膜的厚度，重復地控制熱電薄膜的C軸取向。
由于熱電薄膜直接生長在底層Pt電極上，因此可簡化熱電薄膜紅外傳感器的制備過程。
盡管為描繪目的已公開了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，但本領域的普通技術人員可以理解到，在不脫離所附權利要求公開的本發(fā)明的范圍和精神的情況下，各種變化、增補和替換是可能的。
權利要求
1.一種熱電薄膜紅外傳感器，包括一個襯底；一個底層電極，它位于襯底上表面的一預定區(qū)域上；一熱電薄膜，它位于底層電極上表面的一預定區(qū)域上；一上層電極，它位于熱電薄膜上表面的一預定區(qū)域上，并適于吸收紅外線。
2.根據(jù)權利要求1的熱電薄膜紅外傳感器，進一步包括一底墊層電極，它位于底層電極上表面的另一預定區(qū)域上。
3.根據(jù)權利要求2的熱電薄膜紅外傳感器，其中，熱電薄膜橫向延伸至底墊層電極的一側端。
4.根據(jù)權利要求1的熱電薄膜紅外傳感器，其中，底層電極由具有(100)面的Pt薄膜構成。
5.根據(jù)權利要求1或4的熱電薄膜紅外傳感器，其中，底層電極具有150至400 的厚度。
6.根據(jù)權利要求1的熱電薄膜紅外傳感器，其中，襯底包括具有(100)面的MgO單晶襯底。
7.根據(jù)權利要求1的熱電薄膜紅外傳感器，其中，襯底包括具有(100)面的SrTiO3單晶襯底。
8.根據(jù)權利要求1或6的熱電薄膜紅外傳感器，其中襯底下表面具有隔膜結構。
9.根據(jù)權利要求1或3的熱電薄膜紅外傳感器，其中，熱電薄膜由具有Pb1-xLaxTiO3組分的鐵電材料制成，其中X為0～0.15。
10.一種制造熱電薄膜紅外傳感器的方法，包括下列工序在一襯底的上表面上的一預定區(qū)域上形成一底層電極;在底層電極的上表面上的一預定區(qū)域上形成一層熱電薄膜;以及在熱電薄膜的上表面上的一預定區(qū)域上形成用于吸收紅外線的一上層電極。
全文摘要
一種熱電薄膜紅外傳感器，包括位于襯底上表面的底層Pt電極；位于底層Pt電極上表面的熱電薄膜，其右側部分與底層Pt電極的預定區(qū)域相重疊；以及位于熱電薄膜之上的上層Cr電極，當襯底包括具有(100)面的MgO單晶襯底時，底層Pt電極厚度為150至400，以便增大熱電薄膜的C軸取向。采用這種結構，熱電薄膜呈現(xiàn)出改善的紅外線靈敏度。
文檔編號G01J5/34GK1108759SQ9410900
公開日1995年9月20日 申請日期1994年6月22日 優(yōu)先權日1993年6月22日
發(fā)明者李敦熙, 趙成文, 金成泰 申請人:株式會社金星社