热释电薄膜单片式非致冷红外焦平面阵列的研究

发布时间:2008/6/5 0:00:00 访问次数:381

刘少波1，李艳秋1，刘梅冬2

（1.中国科学院电工研究所微纳加工部，北京 100080;2.华中科技大学电子科学与技术系，湖北武汉 430074）

摘要：采用改进的溶胶-凝胶（sol-gel）技术，在pt/ti/sio2/si3n4/sio2/si基片上研制出具有优良热释电性能的bst，plt和pzt铁电薄膜，它们是制备单片式非致冷红外焦平面阵列的优选深测材料。解决了制备热释电薄膜单片式非致冷红外焦平面阵列的关键技术，成功研制出8元、9元、10元线列和8×8元阵列，器件电压响应率（rv）达8.6×103v/w。

中图分类号：tn304.9;tn21文献标识码：a文章编号：1671-4776（2003）11-0009-04

1引言

热释电薄膜单片式非致冷红外焦平面阵列（uncooled infrared focal plane arrays,简称ufpa）是非致冷红外热成像系统的关键部件，代表了凝视阵列摄像发展的新途径。从上世纪90年代开始，热释电薄膜单片式ufpa在国内外得到了广泛的研究和应用[1~3]。它是一类重要的军民两用产品，在军事上可用于制作夜视仪、导弹和自动武器寻的器、精密制导、入侵报警和侦察等；在民用方面，可用作机械和工业生产过程监控、安全监视、防火报警、非接触式快速测温、红外热成像、变频空调自动控制、车辆及飞机的自动驾驶辅助装置、废物及污染物检测和医疗诊断等[4]。

工作于室温的热释电薄膜单片式红外焦平面阵列，与致冷光子型探测器阵列相比，具有较小的体积、便携式、低功耗和高可靠性。与其他热电型ufpa（如热敏电阻式）相比，热释电灵敏元本身可作为一个滤波器，就其结构而言，可以将一定量的噪声旁路分离掉，故其噪声小于其他类型ufpa的噪声，热时间常数τ也相对较小。与热释电体材料（单晶和陶瓷）混合式ufpa相比，热释电薄膜继承了体材料容易制备、易于掺杂改性等优点，单片式ufpa还具有以下优点：(1)灵敏元薄、体积比热小、灵敏度高；(2)响应速度快；(3)易与半导体ic平面工艺兼容，能显著提高传感器集成度；(4)更高的性能价格比[5~8]。本文主要报道热释电薄膜材料和单片式阵列器件制作工艺，并介绍有关工作的进展。

2热释电薄膜单片式ufpa制备工艺

热释电薄膜单片式ufpa的制备工艺流程如图１所示。它是将两面抛光的（100）ｓｉ基片清洗干净，进行氧化处理，在ｓｉ片两表面生长一层热氧化层，在ｓｉ片正面用ｐｃｖｄ沉积ｓｉ３ｎ４和ｓｉｏ２层。进行光刻，光刻ｓｉ片反面ｓｉ腐蚀窗口。然后在ｓｉ片正面沉积ｐｔ／ｔｉ薄膜并刻蚀其下电极图形。用ｓｏｌｇｅｌ技术制备铁电薄膜并刻蚀其图形。沉积ｎｉｃｒ上电极并刻蚀其图形，沉积ａｕ电极并刻蚀其图形，形成灵敏元。再制作微桥（刻蚀灵敏元下面的ｓｉ基片）。最后进行切片、中间测试、组装、极化和电性能测试。热释电薄膜单片式ｕｆｐａ灵敏元横截面结构如图２所示。

3实验结果与讨论

3.1热释电薄膜的制备

ｂｓｔ，ｐｌｔ和ｐｚｔ铁电薄膜具有大的热释电系数、低的体积比热和合适的介电系数，是制备热释电薄膜单片式ｕｆｐａ灵敏元的优选介质材料。我们用ｓｏｌｇｅｌ技术制备了这些铁电薄膜，其工艺是将薄膜组分所需的原材料钛酸四丁脂、醋酸铅、醋酸钡、醋酸锶、氧化镧和硝酸锆按其组成和化学计量比共溶于有机溶剂中，加入适量催化剂和添加剂，经充分搅拌加热处理，发生水解、聚合反应，形成一定粘度，一定ｐｈ值，一定浓度的先驱体溶液。然后将溶液滴到已制备ｐｔ／ｔｉ／ｓｉｏ２／ｓｉ３ｎ４／ｓｉｏ２／ｓｉ的基片上，用匀胶机匀胶，在基片上形成湿薄膜，经热分解形成无机薄膜。最后在氧气中经５５０～７００ ℃快速回火得到ｂｓｔ，ｐｌｔ和ｐｚｔ热释电薄膜。ｂｓｔ，ｐｌｔ和ｐｚｔ薄膜的热释电系数分别为１２×１０－７ｃ·ｃｍ－２·ｋ－１，４５４×１０－８ｃ·ｃｍ－２·ｋ－１和６１０×１０－８ｃ·ｃｍ－２·ｋ－１。

3.2热释电薄膜和电极的刻蚀

研究了不同刻蚀溶液、不同溶液浓度、不同温度、对热释电薄膜、ｐｔ／ｔｉ下电极、ｎｉｃｒ上电极和ａｕ膜刻蚀图形、结构和电性能的影响。已成功地刻蚀出边缘整齐、电性能符合要求的热释电薄膜和电极图形。

图３和图４示出了刻蚀后的８×８元阵列ｐｔ／ｔｉ下电极及引出线和热释电薄膜单片式红外焦平面８元线列刻蚀图形照片，其刻蚀边缘整齐。

图５和图６示出了沉