基于鉭酸鋰熱釋電材料的太赫茲線列探測器及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于鉭酸鋰熱釋電材料的太赫茲線列探測器及其制備方法，首先從鉭酸鋰晶圓片上切片減薄獲得線列探測器所需晶片尺寸，然后在晶片背面制備條形電極，形成探測器下電極，該電極亦為線列各單元公用電極；然后在晶片正面形成各單元所需上電極圖形；然后結(jié)合光刻形成單元隔離槽。最后在下電極上制備太赫茲吸收層。至此得到線列探測器敏感元結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)結(jié)合MEMS（微機電系統(tǒng)）加工技術(shù)，可獲得良好的熱隔離效果，且加工工藝相對于微橋結(jié)構(gòu)太赫茲探測器較為簡單。
【專利說明】基于鉭酸鋰熱釋電材料的太赫茲線列探測器及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于太赫茲探測與成像領(lǐng)域，具體涉及一種基于鉭酸鋰熱釋電材料的太赫茲線列探測器及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]太赫茲輻射與其它波段的電磁輻射相比有其獨特的性質(zhì):①瞬態(tài)性:太赫茲脈沖的典型脈寬在皮秒量級寬帶性:太赫茲脈沖源通常只包含若干個周期的電磁振蕩，單個脈沖的頻帶可以覆蓋GHz至幾十THz的范圍相干性:太赫茲時域光譜技術(shù)的相干測量技術(shù)能夠直接測量太赫茲電場的振幅和相位可以方便地提取樣品的折射率、吸收系數(shù)；④低能性:太赫茲光子的能量只有毫電子伏特，不會因為電離而破壞位比被檢測物質(zhì)，從而可以安全地進行生物醫(yī)學方面的檢測和診斷穿透性:太赫茲輻射對于很多非極性絕緣物質(zhì)，例如硬紙板、塑料、紡織物等包裝材料都有很高的穿透特性，用于對藏匿物體進行探測懼水性:大多數(shù)極性分子如水分子、氨分子等對太赫茲輻射有強烈的吸收，可以通過分析它們的特征譜研究物質(zhì)含水量或者進行產(chǎn)品質(zhì)量控制；⑦光譜的特征吸收:由于許多極性大分子的振動和轉(zhuǎn)動能級正好處于太赫茲頻帶范圍，使太赫茲光譜技術(shù)在分析和研究大分子方面有廣闊的應用前景。正因為以上特點，太赫茲波段非常適合于成像，在眾多領(lǐng)域得到廣泛應用。如(I)立體成像:因為透過成像樣品(或從樣品反射)的太赫茲電磁波的強度和相位包含了樣品復介電函數(shù)的空間分布，將太赫茲電磁波的強度和相位的二維信息記錄下來，并經(jīng)過適當?shù)奶幚砗头治觯湍艿玫綐悠返奶掌潏D像，因而可以用來對物體進行三維立體成像。(2)爆炸物探測:借助太赫茲的穿透性強、識別能力高等特點，可以用于遙感探測在一定區(qū)域內(nèi)藏匿的地雷、或其它爆炸物。2010年5月，在美國國防部資助下，美國紐約州倫斯勒理工學院研制出一種太赫茲探測儀，能夠在20米外探測目標物體是否裝有爆炸物。這種探測儀攜帶方便，可用于遙感探測戰(zhàn)場中爆炸物或搜尋炸彈的藏匿地點、人體炸彈等。(3)生化戰(zhàn)劑探測:在太赫茲波段，每種物質(zhì)都有獨特的“指紋”(波譜)，所以，通過測得目標物體的太赫茲波“指紋”，然后與探測器數(shù)據(jù)庫中事先存儲的大量太赫茲標準波譜進行對比，就可以判定目標物體的性質(zhì)及其內(nèi)部情況，由此就能對大氣中的生化戰(zhàn)劑進行有效的探測、識別和跟蹤。
[0003]此外，在機場或重要場合的安全檢查、醫(yī)學人體成像、環(huán)境監(jiān)測、植物結(jié)構(gòu)研究、地質(zhì)勘查、考古及文物鑒定、生化物體探測等民用方面也具有重大的科學價值和廣闊的應用前景。
[0004]太赫茲線列探測器是太赫茲成像的一種途徑。相對于其他類型的太赫茲探測器，熱釋電太赫茲探測器具有熱釋電探測器具有小型化、寬光譜探測、低成本、響應快等優(yōu)勢，是目前研究較為廣泛的一種THz探測技術(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明目的是提供一種基于鉭酸鋰熱釋電材料的太赫茲線列探測器及其制備方法。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案為:基于鉭酸鋰熱釋電材料的太赫茲線列探測器，它從下到上依次為:太赫茲吸收層、下電極、鉭酸鋰晶圓片層、上電極，所述上電極個數(shù)與線列單元數(shù)目一致，各上電極之間設置有單元隔離槽。
[0007]基于鉭酸鋰熱釋電材料的太赫茲線列探測器的制備方法，首先從鉭酸鋰晶圓片上切片減薄獲得線列探測器所需晶片尺寸，然后在晶片背面制備條形電極，形成探測器下電極，該電極亦為線列各單元公用電極；然后在晶片正面形成各單元所需上電極圖形；然后結(jié)合光刻形成單元隔離槽，最后在下電極上制備太赫茲吸收層。至此得到線列探測器敏感元結(jié)構(gòu)。
[0008]進一步地,包括如下步驟:
(1)從鉭酸鋰晶圓片上切片，然后采用晶片減薄工藝將厚度減薄到ΙΟΟμπι以下；
(2)采用磁控濺射或真空蒸發(fā)工藝在晶片背面沉積100(T500nm金屬層作為探測單元下電極，此面電極為線列各單元公用電極；
(3)采用磁控濺射或真空蒸發(fā)工藝在晶片正面沉積100(T500nm金屬層，然后采用上電極光刻版圖結(jié)合光刻工藝形成上電極圖形；
(4)采用濕法刻蝕或剝離工藝去除未被光刻膠保護的金屬層部分，然后去除光刻膠，從而形成上電極圖形，線列各單元上電極圖形獨立分開，因此上電極個數(shù)與線列單元數(shù)目一致；
(5)采用單元隔離槽光刻版圖結(jié)合光刻工藝形成隔離槽圖形，然后采用噴砂(sandblasting)或化學干法或濕法刻蝕去除鉭酸鋰晶片上未被掩蔽的部分,從而形成單元隔離槽；
(6)去除隔離槽圖形掩膜；
(7 )在下電極上制備由復合介質(zhì)薄膜構(gòu)成的太赫茲吸收層，至此，線列太赫茲探測器敏感元加工完畢。
[0009]進一步地，在減薄晶片過程中需結(jié)合粗磨、細磨、粗拋和細拋等工藝步驟，以獲得表面光滑，厚度均勻性良好的鉭酸鋰晶片。
[0010]進一步地，公共下電極的制備可以在薄膜沉積過程中用硬掩膜的方式形成下電極條圖形。同時下電極可采用金屬NiCr合金，以在一定程度上可以起到太赫茲吸收作用。
[0011]進一步地，形成隔離槽時可用噴砂工藝，該工藝具有最快的刻蝕速率，其參數(shù)為空氣壓力3kg/cm2,噴頭與晶片距離6(Tl00mm,砂粒直徑5?10 μ m。
[0012]進一步地，形成隔離槽亦可用HF:HN03=1:1混合溶液腐蝕。
[0013]進一步地，形成隔離槽亦可用反應離子刻蝕工藝，刻蝕氣體為CF4，功率600W，氣壓200mTo
[0014]進一步地，復合介質(zhì)結(jié)構(gòu)太赫茲吸收層由底層金屬層、中間介質(zhì)層以及頂層金屬層構(gòu)成。
[0015]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點:
本發(fā)明提出一種基于鉭酸鋰熱釋電材料的太赫茲熱釋電線列探測器結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)結(jié)合MEMS (微機電系統(tǒng))加工技術(shù)，由于增加隔離槽實現(xiàn)了各單元之間的物理隔離，因此可獲得良好的熱隔離效果；同時，利用下電極條作為復合結(jié)構(gòu)太赫茲吸收層底層金屬，簡化了吸收層工藝。此外，本結(jié)構(gòu)線列探測器加工工序步驟明顯少于微橋結(jié)構(gòu)探測器，因此加工成本相對較低。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明制備的探測器的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為本發(fā)明制備工藝路線圖；
圖中附圖標記為:1-鉭酸鋰晶圓片；2_下電極；3-上電極；4-單元隔離槽。
[0017]具體實施方法
基于鉭酸鋰熱釋電材料的太赫茲線列探測器，它從下到上依次為:太赫茲吸收層、下電極、鉭酸鋰晶圓片層、上電極，所述上電極個數(shù)與線列單元數(shù)目一致，各上電極之間設置有單元隔離槽。
[0018]基于鉭酸鋰熱釋電材料的太赫茲線列探測器的制備方法，首先從鉭酸鋰晶圓片上切片減薄獲得線列探測器所需晶片尺寸，然后在晶片背面制備條形電極，形成探測器下電極，該電極亦為線列各單元公用電極；然后在晶片正面形成各單元所需上電極圖形；然后結(jié)合光刻形成單元隔離槽。最后在下電極上制備太赫茲吸收層。至此得到線列探測器敏感元結(jié)構(gòu)。
[0019]實施例1 32元太赫茲線列探測器 器件結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，工藝步驟如下:
1.從鉭酸鋰晶圓上切出長X寬=16.8mmX3.0mm的晶片,采用減薄工藝將晶片減薄至20 μ m±2 μ m ；
2.采用磁控濺射工藝沉積500nmNiCr合金作為下電極，結(jié)合硬掩膜獲得下電極尺寸為長 X 寬=16.8mmX 1.8mm ；
3.采用磁控濺射工藝沉積500nm金薄膜作為上電極。結(jié)合上電極光刻版圖，采用光刻工藝形成如圖所示尺寸的單元上電極圖形；
4.采用5%I2+10%KI+85%H20，20°C腐蝕未被光刻膠覆蓋的金薄膜層；
5.采用普通去膠工藝(280°C，氧氣3000sccm，壓力IOOOmT,時間I分鐘，功率1000W)去除光刻膠，從而形成單元上電極圖形。
[0020]6.采用單元隔離槽光刻版圖結(jié)合光刻工藝形成隔離槽圖形，然后采用噴砂工藝去除鉭酸鋰晶片上未被掩蔽的部分，從而形成單元隔離槽。噴砂工藝參數(shù)為空氣壓力f3kg/cm2,噴頭與晶片距離60mm,砂粒直徑10 μ m)。隔離槽尺寸為高X寬=1.0mmX0.6mm。
[0021]7.采用普通去膠工藝(280°C，氧氣3000sccm，壓力lOOOmT，時間I分鐘，功率1000W)去除光刻膠。
[0022]8.采用等離子增強化學氣相沉積工藝(SiH4: N20=9:400，功率60W，氣壓550mT，溫度300°C )在下電極上沉積500nm 二氧化硅介質(zhì)層作為復合結(jié)構(gòu)太赫茲吸收層的介質(zhì)層。
[0023]9.采用磁控濺射工藝在二氧化硅介質(zhì)層上沉積約5nm金屬鉬作為太赫茲吸收層的頂層金屬。
[0024]至此32元太赫茲線列探測器敏感元加工完畢，其中單元像素點的有效尺寸為
1.0mmX0.6mm0
【權(quán)利要求】
1.基于鉭酸鋰熱釋電材料的太赫茲線列探測器，其特征在于:它從下到上依次為:太赫茲吸收層、下電極、鉭酸鋰晶圓片層、上電極，所述上電極個數(shù)與線列單元數(shù)目一致，各上電極之間設置有單元隔離槽。
2.基于鉭酸鋰熱釋電材料的太赫茲線列探測器的制備方法，其特征在于:首先從鉭酸鋰晶圓片上切片，減薄獲得線列探測器所需晶片尺寸，然后在晶片背面制備條形電極，形成探測器下電極，該電極亦為線列各單元公用電極；然后在晶片正面形成各單元所需上電極圖形；然后結(jié)合光刻形成單元隔離槽，最后在下電極上制備太赫茲吸收層，至此得到線列探測器敏感元結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于鉭酸鋰熱釋電材料的太赫茲線列探測器的制備方法，其特征在于:包括如下步驟: (1)從鉭酸鋰晶圓片上切片，然后采用晶片減薄工藝將厚度減薄到1ΟΟμm以下； (2)采用磁控濺射或真空蒸發(fā)工藝在晶片背面沉積1000ηm-500ηm金屬層作為探測單元下電極，此面電極為線列各單元公用電極； (3)采用磁控濺射或真空蒸發(fā)工藝在晶片正面沉積1000ηm-500ηm金屬層，然后采用上電極光刻版圖結(jié)合光刻工藝形成上電極圖形； (4)采用濕法刻蝕或剝離工藝去除未被光刻膠保護的金屬層部分，然后去除光刻膠，從而形成上電極圖形，線列各單元上電極圖形獨立分開，因此上電極個數(shù)與線列單元數(shù)目一致； (5)采用單元隔離槽光刻版圖結(jié)合光刻工藝形成隔離槽圖形，然后采用噴砂或化學干法或濕法刻蝕去除鉭酸鋰晶片上未被掩蔽的部分，從而形成單元隔離槽； (6)去除隔離槽圖形掩膜； (7 )在下電極上制備由復合介質(zhì)薄膜構(gòu)成的太赫茲吸收層，至此，線列太赫茲探測器敏感元加工完畢。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于鉭酸鋰熱釋電材料的太赫茲線列探測器的制備方法，其特征在于:下電極的制備在薄膜沉積過程中用硬掩膜的方式形成下電極條圖形，下電極采用金屬NiCr合金。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于鉭酸鋰熱釋電材料的太赫茲線列探測器的制備方法，其特征在于:形成單元隔離槽時采用噴砂工藝，其參數(shù)為空氣壓力f3kg/cm2，噴頭與晶片距離60~1OOmm,砂粒直徑5~10 μ m。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于鉭酸鋰熱釋電材料的太赫茲線列探測器的制備方法，其特征在于:形成單元隔離槽采用HF = HNO3=1:1混合溶液腐蝕。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于鉭酸鋰熱釋電材料的太赫茲線列探測器的制備方法，其特征在于:形成單元隔離槽采用反應離子刻蝕工藝，刻蝕氣體為CF4,功率600W，氣壓.200mT。
8.根據(jù)權(quán)利要求2~7任一項所述的基于鉭酸鋰熱釋電材料的太赫茲線列探測器的制備方法，其特征在于:太赫茲吸收層由底層金屬層、中間介質(zhì)層以及頂層金屬層構(gòu)成。
【文檔編號】H01L31/08GK103606586SQ201310636463
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年12月3日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月3日
【發(fā)明者】黎威志, 王軍, 劉子驥, 王洪, 盧菲, 黃澤華 申請人:電子科技大學