热释电薄膜单片式非致冷红外焦平面阵列的研究

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２×１０－７ Ｃ·ｃｍ－２·Ｋ－１，４５４×１０－８ Ｃ·ｃｍ－２·Ｋ－１和６１０×１０－８ Ｃ·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示出了沉积在Ｐｔ／Ｔｉ／ＳｉＯ２／Ｓｉ３Ｎ４／ＳｉＯ２／Ｓｉ基片上的ＰＬＴ１０热释电薄膜刻蚀前后的Ｘ射线衍射图（ＸＲＤ），可以看出刻蚀对薄膜结构未产生不良影响。同时我们对未经刻蚀的热释电薄膜和经刻蚀后的热释电薄膜测试了热释电和铁电性能，其性能基本相似，这足以证明所采用的刻蚀工艺是合理的。

3.3热释电薄膜单片式ＵＦＰＡ微桥的刻蚀

减少热释电薄膜单片式ＵＦＰＡ热传导和热容量的关键技术之一是制备微桥，即腐蚀掉灵敏元下面的硅基片。研究了硅单晶各向异性化学腐蚀的各种方法：ＥＰＷ溶液腐蚀，ＫＯＨ水溶液腐蚀和ＴＭＡＨ水溶液腐蚀。经深入研究认为采用氢氧化四甲铵水溶液（ＴＭＡＨ）刻蚀方法效果较好。其工艺容易控制，腐蚀精度高，腐蚀面平坦，残余物积累少。其腐蚀条件为ＴＭＡＨ浓度为２５％，温度为８５ ℃，硅腐蚀速率约为０５ μｍ／ｍｉｎ。其化学反应式如下

Ｓｉ＋２ＯＨ－＋２Ｈ２ＯＳｉＯ２（ＯＨ）２２－＋２Ｈ２

3.4热释电薄膜单片式ＵＦＰＡ线列的研制

研制了热释电薄膜单片式ＵＦＰＡ ８元、９元和１０元线列模拟电路，并进行了结构、版图设计和试制，其结构分图如图７所示。热释电薄膜单片式ＵＦＰＡ ８元、９元和１０元线列照片如图８所示（未切片）。热释电薄膜单片式ＵＦＰＡ １０元线列照片如图９所示。

3.5热释电薄膜单片式阵列的研制

设计了热释电薄膜单片式８×８元阵列模拟电路，进行了结构、版图设计和试制，其结构分图如图１０所示。热释电薄膜单片式８×８元阵列照片如图１１所示。

4结论

介绍了制备热释电薄膜单片式ＵＦＰＡ的关键技术，如热释电薄膜的制备、热释电薄膜和电极的刻蚀、Ｓｉ基片的定向腐蚀等。采用ｓｏｌｇｅｌ技术制备的ＢＳＴ，ＰＬＴ和ＰＺＴ热释电薄膜制备出单片式ＵＦＰＡ ８元、９元、１０元线列和８×８元阵列，器件电压响应率ＲＶ达６８×１０３ Ｖ／Ｗ。正在研制灵敏元尺寸为１００ μｍ×１００ μｍ和６０ μｍ×６０ μｍ的多元热释电薄膜单片式ＵＦＰＡ。