专利名称：锆钛酸铅薄膜红外热成像探测器悬空结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及红外热成像探测技术领域，进一步讲是涉及采用PZT薄膜作为红外敏感材料制作非致冷焦平面红外热成像探测器悬空结构技术领域，具体是一种锆钛酸铅薄膜红外热成像探测器悬空结构的的制作方法。
背景技术：
基于光电效应的光子探测器和基于热电效应的热电探测器一直是红外热成像技术的两大支柱。长期以来，由于HgCdTe、InSb和PtSi探测器的发展，使光电探测器类热成像技术得到迅速发展，并在军事领域和部分工业领域得到应用，但由于需要致冷以及成本等原因，在民用领域较难形成大市场。经过多年的发展，热电探测器类热成像技术，特别是非致冷红外焦平面技术的突破和实用化，使其与致冷红外热像仪相比所具有的低成本、低功耗、长寿命、小型化和可靠性等优势得到很好发挥，成为当前红外热成像技术中最引人注目的突破之一，非致冷红外焦平面热像仪由于其性能价格比的优势，在军事和非军事领域都具有巨大的发展潜力。美国TI公司夜瞄具200系列摄像机主要用于警用和汽车夜间驾驶，洛克希德马丁红外成像系统公司LTC500摄像机用于医学研究和医疗诊断，IRSolutions公司的IR Snapshot摄像机用于检测和预防维护，美国Elect roPhysics公司1995年研制了民用非致冷热电钛酸锶钡(BaxSr1-xTiO3，BST)焦平面热像仪，Agema公司的THV570是采用微测辐射热计技术并于最近进入市场的产品，Amber公司新的Hot shot成像辐射测量仪采用了非致冷探测器技术，日本航空电子公司(Avio)研制的Hot shot也采用了Amber公司的微测辐射热计技术，美国EIect rophysics公司利用PV320，与Lifesight Fire Research公司联合开发了消防热像仪Lifesight Plus，用于消防救灾，美国Gileta公司1996年制成警用非致冷微测辐射热计成像仪。
目前，国外非致冷焦平面红外探测器主要采用两种不同的技术途径，即测辐射热计焦平面阵列和热释电探测器焦平面阵列，它们都取得了重要的技术突破和应用。测辐射热计焦平面阵列大致包括以下几种(1)氧化钒测辐射热计焦平面阵列，由美国Honeywell传感器及系统开发中心在90年代初提出，近年来已研制成功相应的热成像系统。(2)非晶硅测辐射热计焦平面阵列，澳大利亚国防科技署采用非晶、微晶和多晶作为热敏电阻材料，研制成功单片式非致冷焦平面阵列。(3)温差电堆焦平面阵列，日本防卫厅技术研究和开发研究所于1994年研制出128×128元温差电堆热像传感器。热释电焦平面阵列目前已形成产品，在军事和民用方面得到应用，主要以美国德克萨斯仪器公司(TI)和英国GEC2马可尼材料技术公司(GMMT)为代表。美国TI公司的热电型非致冷焦平面阵列的红外探测器材料是由BST组成的具有热释电效应的陶瓷，典型器件采用40管脚DIP封装，有328×245像元，像元尺寸48.15×48.15μm2，系统重量约11.36kg，NETD优于0.11K，产生实时视频信号，可探测700m远的人，目前TI公司和洛克希德马丁公司正在研制640×480元，像元尺寸在20～30μm的热电非致冷焦平面阵列。此外，美国洛拉尔红外成像系统公司也研制出热释电焦平面阵列，阵列规模为192×128，像元尺寸为35×35μm2，典型的NETD为0.11K(f/1)。英国GMMT公司的混合热释电非致冷焦平面阵列采用钛酸锆铅(PbxZr1-xTiO3，PZT)热电陶瓷探测器，1990年已制成直径为10μm，间距为为40μm的100×100像元探测器阵列，1994年GMMT研制出一种256×128像元，1996年得到384×288像元，节距为40μm的探测器阵列，典型的NETD为0.11K。
热释电探测器的结构主要由辐射调制系统、吸收层结构、热绝缘结构、敏感元和读出电路五个部分组成，其中敏感元是热释电探测器的核心。铁电薄膜种类较多，常见的有锆钛酸铅Pb(Zr，Ti)O3(PZT)、钛酸镧铅(Pb，La)TiO3(PLT)、锆钛酸镧铅(Pb，La)(Zr，Ti)O3(PLZT)、钛酸锶SrTiO3(ST)、钛酸钡BaTiO3(BT)、钛酸锶钡(Ba，Sr)TiO3(BST)、SrBi2Ta2O9(SBT)等。由于PZT铁电薄膜具有良好的压电、铁电、热释电、电光及非线性光学等特性，在微电子和光电子技术领域有着广阔的应用前景，受到人们的广泛关注和重视。目前，PZT薄膜的制备方法主要有磁控溅射、射频溅射、激光烧蚀、金属有机化合物气相沉积(MOCVD)以及溶胶-凝胶(Sol-Gel)等。Sol-Gel与其他方法相比具有设备简单，化学计量容易控制，可以得到大面积均匀薄膜以及合成温度较低等优点。
热释电探测器列阵的研制最早是使用陶瓷型的热释电器件所需的陶瓷材料经过切割，打磨成需要的厚度而成，但由于工艺水平所限，陶瓷材料探测元只能达到一定的限度，其集成度有限。制成的列阵体积大，且分辨率不高，因此发展薄膜型的热释电探测器列阵成为必然的趋势。与陶瓷型探测器相比，薄膜型的探测器具有以下优点热释电薄膜无需切割，打磨，抛光，无焊接，无沟道网络结构，微桥具有更好绝热性能，提高了探测性能，探测灵敏度有望显著提高。目前，国内研究非致冷焦平面热释电红外探测器的单位有昆明物理所、西安交通大学器件研究所、上海计量物理所、清华大学微电子研究所、西安电子科技大学微电子研究所以及华中科技大学等。他们大体采用以下步骤来制作PZT红外探测器的悬空结构采用溅射Ti和Pt的方法制作下电极，然后制备PZT敏感薄膜及其图形化，再采用溅射Au的方法制作上电极，然后采用倒装键合的方法实现器件与电路的互连，最后去除硅衬底完成器件微结构。该方法没有采用缓冲层，在金属图形边沿很难保证电极的连接性，另外，在最后去除硅衬底时很难保证对器件结构的不破坏性。
到目前为止，还未见有关制作出非致冷焦平面热释电红外探测器悬空结构的报道。
本发明项目组对国内外专利文献和公开发表的期刊论文检索，再尚未发现与本发明密切相关和一样的报道或文献。
发明内容
本发明的目的是克服上述技术和方法存在的缺点，提供一种在硅片上制作PZT薄膜非致冷焦平面红外热成像探测器悬空结构的方法，该方法采用快速热处理来对敏感材料进行短时的高温热处理，得到了敏感材料较好的结晶态，而且对读出电路也没有任何损坏，从而保护了读出电路；解决了探测器的悬空部分与基片连接的问题，有利于提高探测器的长期稳定工作性能；在制作过程中合理的设计了保护层，解决了在PZT薄膜的同时避免了作为牺牲层的氧化镁的腐蚀问题；采用该方法制作的PZT薄膜非致冷焦平面红外热成像探测器悬空结构性能良好，具有自支撑，结构完整，制作方法其工艺可行，提高了工作可靠性。
下面对本发明进行详细说明本发明的实现是一种锆钛酸铅薄膜红外热成像探测器悬空结构的制作方法，其特征在于采用在硅片上镀制一定厚度的氧化镁薄膜作为制作锆钛酸铅薄膜非致冷焦平面红外热成像探测器悬空结构的牺牲层，并通过控制牺牲层的厚度来控制悬空高度；采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)的方法制作氮化硅(SiNx)，用于平衡锆钛酸铅(PZT)薄膜的应力；应用快速热处理方法对共电极钛/铂(Ti/Pt)以及锆钛酸铅敏感薄膜进行快速热处理，获得高性能的锆钛酸铅薄膜，具体做法步骤如下步骤一、采用RCA工艺清洗单面抛光硅基片，取出用高纯氮气把硅片吹干，然后放在烘箱里烘干；步骤二、采用电子束热蒸发的方法在硅基片上镀制氧化镁牺牲层，氧化镁膜层厚度采用晶振膜厚控制仪控制，所镀氧化镁膜层厚度为1.5～2.5μm；步骤三、采用PECVD的制备方法在氧化镁薄膜上镀制一层防止腐蚀PZT薄膜时腐蚀氧化镁薄膜的SiNx薄膜，SiNx厚度控制为150～300nm；步骤四、制作探测器结构的共电极，在SiNx薄膜上涂光刻胶，然后用光刻机曝光，然后用显影液显影，然后采用电子束热蒸发的方法镀制共电极Ti/Pt，Ti膜厚度为50nm，Pt膜厚度为100nm，取出，用丙酮腐蚀剩余的光刻胶，得到共电极Ti/Pt的图形；步骤五、采用快速热处理的方法对Ti/Pt薄膜进行快速热处理，温度为600℃，时间30s；步骤六、采用溶胶-凝胶法制备PZT薄膜，膜层厚度为200～400nm，然后采用步骤四中的甩胶、曝光、显影的过程制作光刻胶的PZT薄膜图形的翻转图形，采用湿法腐蚀制作PZT薄膜图形，然后再采用丙酮腐蚀剩余的光刻胶，得到敏感材料PZT薄膜的图形，采用与步骤五相同的方法对PZT薄膜进行快速热处理，获得结晶性较好的PZT薄膜；步骤七、采用与步骤四相同的方法制作探测器结构的分离电极Pt，获得分离电极Pt的图形；步骤八、采用等离子体反应刻蚀去除图形外的SiNx薄膜；步骤九、采用步骤四中甩胶、曝光、显影的参数制作氧化镁孔的图形，采用磷酸溶液腐蚀氧化镁，然后再采用丙酮腐蚀剩余的光刻胶，得到氧化镁过孔的图形；步骤十、采用与步骤三相同的方法制作探测器的缓冲层和支撑层SiNx薄膜。采用与步骤四中甩胶、曝光、显影的过程制作光刻胶的SiNx缓冲层和支撑层图形的翻转图形，然后再采用与步骤八相同的方法制作缓冲层和支撑层SiNx薄膜的图形；步骤十一、采用与步骤四相同的方法制作探测器结构的两条Pt腿图形；步骤十二、采用磷酸溶液腐蚀氧化镁，制作探测器的悬空结构，然后取出放在去离子水中浸泡10min，然后取出放在99％的乙醇中浸泡10min，取出，让乙醇自然挥发。
最早采用的绝缘技术，是把热释电铁电红外探测器通过可塑性金属与信号处理电路对接，但可塑性金属的热绝缘性能很差，从而不利于制作高性能的大面积集成热释电铁电红外焦平面阵列。因而要求一个悬空的膜式结构来改善热绝缘，这样当红外光照射时，每个感应单元可以获得一个相对大的温度升高值，相应地提高探测器的灵敏度。良好的热绝缘结构可以使热释电探测器的性能提高。
为了制作悬空膜式结构，就需要选用合适的牺牲层材料，用作制造图形和悬空结构的牺牲层材料很多，比如氧化镁、氧化硅、光刻胶以及聚酰亚胺等，本发明专利选用了氧化镁，这主要是因为氧化镁作牺牲层材料，做图容易，适应后续处理工艺的温度，而且它也容易腐蚀，去除方法简单，与其他结构之间的相容性也好。
本发明专利采用了快速热处理的方法分别对Ti/Pt薄膜和PZT薄膜进行快速热处理，虽然处理温度超过了475℃，芯片的最高处理温度，但处理时间非常短，还未使读出电路受到损坏热处理过程就结束了，从而保护了读出电路。
本发明采用PECVD方法在侧壁上镀上一层SiNx薄膜，其支撑效果将得到明显改变。
本发明的实现还在于步骤二中，所镀氧化镁膜层厚度为2μm。
本发明的实现还在于进行步骤三时，SiNx薄膜的厚度控制为200nm。
本发明的实现还在于步骤六中采用溶胶-凝胶法制备PZT薄膜，膜层厚度为300nm。
由于本发明主要采用了采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)的方法在牺牲层上镀制SiNx保护层，形成一种包围性的SiNx保护层，从而生成自支撑的悬空结构，合理的设计了保护层，该SiNx保护层在后续的腐蚀工艺中也不会被腐蚀掉；采用快速热处理的方法对共电极Ti/Pt进行热处理，采用溶胶-凝胶的方法进行敏感材料PZT薄膜的制作以及PZT薄膜的图形化，采用快速热处理的方法对PZT薄膜进行热处理，是用快速热处理来对敏感材料进行短时的高温热处理，瞬间的高温既不破坏基体和结构，还得到了敏感材料较好的结晶态，而且对读出电路也没有任何损坏，从而保护了读出电路；采用PECVD的方法镀制SiNx缓冲层，采用甩胶、光刻、显影以及等离子体反应刻蚀制作SiNx缓冲层的图形，采用甩胶、光刻、显影以及剥离的方法制作单元的支撑腿Pt，最后采用磷酸溶液去除牺牲材料氧化镁。本发明是一项系统工程，其方法主要解决了自支撑结构的形成，探测器的悬空部分与基片连接的问题，牺牲层材料的去除方法简单，并与其他结构之间的相容性好的问题以及在快速热处理时对读出电路的保护以及探测器的悬空部分与基片连接的问题，也解决了在PZT薄膜的同时避免了作为牺牲层的氧化镁的腐蚀问题。采用该方法制作的PZT薄膜非致冷焦平面红外热成像探测器悬空结构性能良好，具有自支撑，结构完整，制作方法其工艺可行，提高了工作可靠性。满足了工业生产的客观需要。
图1为本发明专利的制作PZT薄膜非致冷焦平面红外热成像探测器悬空结构的工艺流程图。
图2为本发明专利的PZT薄膜非致冷焦平面红外热成像探测器悬空结构断面的SEM照片。
图3为本发明专利的采用显微镜拍摄的PZT薄膜非致冷焦平面红外热成像探测器像元的照片。
具体实施例方式下面结合附图对本发明专利做详细说明。
实施例1本发明是一种锆钛酸铅薄膜红外热成像探测器悬空结构的制作方法，采用在硅片上镀制一定厚度的氧化镁薄膜作为制作锆钛酸铅薄膜非致冷焦平面红外热成像探测器悬空结构的牺牲层，并通过控制牺牲层的厚度来控制悬空高度；采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)的方法制作SiNx，用于平衡锆钛酸铅薄膜的应力；应用快速热处理方法对共电极Ti/Pt以及锆钛酸铅敏感薄膜进行快速热处理，获得高性能的锆钛酸铅薄膜，如图1所示，具体做法步骤如下步骤一、采用RCA工艺清洗单面抛光硅基片，取出用高纯氮气把硅片吹干，然后放在烘箱里烘干。
步骤二、采用电子束热蒸发的方法在硅基片上镀制氧化镁牺牲层，氧化镁膜层厚度采用晶振膜厚控制仪控制，所镀氧化镁膜层厚度为2μm。保护层的设计主要是考虑到在采用腐蚀溶液(37％盐酸、浓硝酸、双氧水以及去离子水)腐蚀PZT薄膜时会以更快的速度腐蚀作为牺牲层的氧化镁，从而难以实现悬空结构的制作，因而在氧化镁上沉积一层难以被腐蚀溶液(37％盐酸、浓硝酸、双氧水以及去离子水)腐蚀的SiNx薄膜作为氧化镁的保护层。
步骤三、采用PECVD的制备方法在氧化镁薄膜上镀制一层防止腐蚀PZT薄膜时腐蚀氧化镁薄膜的SiNx薄膜，SiNx厚度控制为200nm；步骤四、制作探测器结构的共电极，在SiNx薄膜上涂光刻胶，然后用光刻机曝光，然后用显影液显影，然后采用电子束热蒸发的方法镀制共电极Ti/Pt，Ti膜厚度为50nm，Pt膜厚度为100nm，取出，用丙酮腐蚀剩余的光刻胶，得到共电极Ti/Pt的图形；步骤五、采用快速热处理的方法对Ti/Pt薄膜进行快速热处理，温度为600℃，时间30s；在热释电探测器中用到的敏感材料，为了得到它们较好的结晶态，一般都要进行热处理，考虑到读出电路的处理温度不能超过475℃，本发明专利采用快速热处理的方法进行，虽然处理温度超过了该温度，但处理时间非常短，还未使读出电路受到损坏热处理过程就结束了，从而保护了读出电路。
步骤六、采用溶胶-凝胶法制备PZT薄膜，膜层厚度为300nm，然后采用步骤四中的甩胶、曝光、显影的过程制作光刻胶的PZT薄膜图形的翻转图形，采用湿法腐蚀制作PZT薄膜图形，然后再采用丙酮腐蚀剩余的光刻胶，得到敏感材料PZT薄膜的图形，采用与步骤五相同的方法对PZT薄膜进行快速热处理，获得结晶性较好的PZT薄膜；步骤七、采用与步骤四相同的方法制作探测器结构的分离电极Pt，获得分离电极Pt的图形。缓冲层、支撑层的设计主要是为制作两条Pt腿时考虑的，因为电子束热蒸发Pt时，在侧壁上镀得非常薄，从而很难使探测器的悬空部分与基片连接在一起，导致探测器的悬空部分不能被支撑，但当采用PECVD方法在侧壁上镀上一层SiNx薄膜，其支撑效果将得到明显改变。
步骤八、采用等离子体反应刻蚀去除图形外的SiNx薄膜。具体选择采用ICP-98A型等离子体反应刻蚀，本发明专利采用SF6气体来反应刻蚀SiNx薄膜。主要考虑该气体反应生成的离子与器件制作过程中的其他材料不发生反应，确保器件的完整性和尺寸精度。
步骤九、采用步骤四中甩胶、曝光、显影的参数制作氧化镁孔的图形，采用磷酸溶液腐蚀氧化镁，然后再采用丙酮腐蚀剩余的光刻胶，得到氧化镁过孔的图形；步骤十、采用与步骤三相同的方法制作探测器的缓冲层和支撑层SiNx薄膜。采用与步骤四中甩胶、曝光、显影的过程制作光刻胶的SiNx缓冲层和支撑层图形的翻转图形，然后再采用与步骤八相同的方法制作缓冲层和支撑层SiNx薄膜的图形；步骤十一、采用与步骤四相同的方法制作探测器结构的两条Pt腿图形；步骤十二、采用磷酸溶液腐蚀氧化镁，制作探测器的悬空结构，然后取出放在去离子水中浸泡10min，然后取出放在99％的乙醇中浸泡10min，取出，让乙醇自然挥发。
在采用腐蚀溶液腐蚀氧化镁和PZT时，腐蚀溶液的选择主要应考虑腐蚀溶液与已经制作在器件上的其他材料不发生反应，本发明专利采用磷酸溶液腐蚀氧化镁，采用(37％盐酸、浓硝酸、双氧水以及去离子水)腐蚀溶液腐蚀PZT薄膜。腐蚀溶液的配置也是很重要的，它主要影响材料各种成分的腐蚀速率，本发明专利采用的氧化镁腐蚀溶液配置是浓磷酸∶去离子水＝25∶75，采用的PZT薄膜腐蚀溶液的配置是37％盐酸∶浓硝酸∶双氧水∶去离子水＝45∶1∶1∶53。
实施例2工艺条件，制作步骤，使用设备均同实施例1，不同之处在于步骤二中，所镀氧化镁膜层厚度为1.5μm；步骤三中SiNx薄膜的厚度控制为150nm；步骤六中采用溶胶-凝胶法制备PZT薄膜，膜层厚度为200nm。
实施例3工艺条件，制作步骤，使用设备均同实施例1，不同之处在于步骤二中，所镀氧化镁膜层厚度为2.5μm；步骤三中SiNx薄膜的厚度控制为300nm；步骤六中采用溶胶-凝胶法制备PZT薄膜，膜层厚度为400nm。
实施例4工艺条件，制作步骤，使用设备均同实施例1，不同之处在于步骤三中SiNx薄膜的厚度控制为180nm。
实施例5工艺条件，制作步骤，使用设备均同实施例1，不同之处在于步骤二中，所镀氧化镁膜层厚度为1.5μm；步骤三中SiNx薄膜的厚度控制为250nm；步骤六中采用溶胶-凝胶法制备PZT薄膜，膜层厚度为200nm。
实施例6工艺条件，制作步骤，使用设备均同实施例1，不同之处在于步骤二中，所镀氧化镁膜层厚度为2.1μm；步骤三中SiNx薄膜的厚度控制为320nm；步骤六中采用溶胶-凝胶法制备PZT薄膜，膜层厚度为350nm。
实施例7工艺条件，制作步骤，使用设备均同实施例1，不同之处在于步骤二中，所镀氧化镁膜层厚度为1.5μm；步骤三中SiNx薄膜的厚度控制为300nm；步骤六中采用溶胶-凝胶法制备PZT薄膜，膜层厚度为400nm。
实施例8工艺条件，制作步骤，使用设备均同实施例1，不同之处在于步骤二中，所镀氧化镁膜层厚度为2.5μm；步骤三中SiNx薄膜的厚度控制为150nm；步骤六中采用溶胶-凝胶法制备PZT薄膜，膜层厚度为200nm。
实施例9工艺条件，制作步骤，使用设备均同实施例1，不同之处在于步骤二中，所镀氧化镁膜层厚度为1.8μm；步骤三中SiNx薄膜的厚度控制为260nm；步骤六中采用溶胶-凝胶法制备PZT薄膜，膜层厚度为320nm。
实施例10工艺条件，制作步骤，使用设备均同实施例1，不同之处在于步骤二中，所镀氧化镁膜层厚度为2.5μm；步骤六中采用溶胶-凝胶法制备PZT薄膜，膜层厚度为200nm。
实施例11工艺条件，制作步骤，使用设备均同实施例1，不同之处在于步骤二中，所镀氧化镁膜层厚度为2.2μm；步骤三中SiNx薄膜的厚度控制为200nm；步骤六中采用溶胶-凝胶法制备PZT薄膜，膜层厚度为360nm。
实施例12工艺条件，制作步骤，使用设备均同实施例1，不同之处在于步骤二中，所镀氧化镁膜层厚度为2.5μm；步骤三中SiNx薄膜的厚度控制为150nm；步骤六中采用溶胶-凝胶法制备PZT薄膜，膜层厚度为280nm。
实施例13工艺条件，制作步骤，使用设备均同实施例1，不同之处在于步骤二中，所镀氧化镁膜层厚度为2.0μm；步骤三中SiNx薄膜的厚度控制为250nm；步骤六中采用溶胶-凝胶法制备PZT薄膜，膜层厚度为270nm。
实施例14工艺条件，制作步骤，使用设备均同实施例1，不同之处在于步骤二中，所镀氧化镁膜层厚度为2.7μm；步骤三中SiNx薄膜的厚度控制为190nm；步骤六中采用溶胶-凝胶法制备PZT薄膜，膜层厚度为380nm。
实施例15参见图1，为了更详尽地说明本发明的方法和有助于理解本发明，对发明方法进行更加细化，此处的步骤顺序与前述的步骤顺序并不对应。步骤具体做法是一、清洗硅片；二、镀制氧化镁薄膜；三、镀制SiNx薄膜；四、甩光刻胶；光刻出与共电极相同的图形；五、显影；六、镀制Ti/Pt薄膜；七、用丙酮剥离获得共电极图形；八、快速热处理；溶胶-凝胶法制备PZT薄膜；九、甩光刻胶；光刻出PZT薄膜的反转图形；十、显影；十一、用PZT薄膜腐蚀液腐蚀PZT薄膜；十二、用丙酮去除剩余的光刻胶获得PZT薄膜图形；十三、快速热处理；甩光刻胶；十四、光刻出与分离电极相同的图形；显影；十五、镀制Pt薄膜；十六、用丙酮剥离获得分离电极图形；十七、等离子体反应离子刻蚀图形外的SiNx薄膜；十八、甩光刻胶；光刻出与氧化镁孔相同的图形；十九、显影；二十、用磷酸溶液腐蚀氧化镁；二十一、用丙酮去除剩余的光刻胶获得氧化镁孔的图形；二十二、镀制Si3N4薄膜；二十三、甩光刻胶；二十四、光刻出SiNx支撑层的反转图形；显影；二十五、等离子体反应离子刻蚀SiNx薄膜；二十六、用丙酮去除剩余的光刻胶获得SiNx支撑层图形；二十七、甩光刻胶；二十八、光刻出与Pt电极腿相同的图形；显影；二十九、镀制Pt薄膜；三十、用丙酮剥离获得Pt电极腿图形；三十、三十一、用磷酸溶液去除氧化镁牺牲层；去离子水浸泡去除探测器上的磷酸溶液；乙醇浸泡去除探测器上的去离子水，取出让乙醇自然挥发，获得PZT薄膜非致冷焦平面红外热成像探测器悬空结构。
采用该方法制作的PZT薄膜非致冷焦平面红外热成像探测器悬空结构性能良好，而且工艺简单、稳定、重复性好、适用于实际工业生产的需要。发明人对按照以上工艺流程获得的PZT薄膜非致冷焦平面红外热成像探测器悬空结构进行了测试，具体结果如下探测器像元数45×45像元尺寸45×45μm2稳定性经过两个月，阵列未发现损坏；重复性经过五次重复工艺流程实验，可以得到相同的探测器结构；悬空高度2μm由此可见，采用此探测器阵列制作技术，可以获得性能优良的PZT薄膜非致冷焦平面红外热成像探测器悬空结构。
实施例16工艺条件，制作步骤，使用设备均同实施例1，具体做法如下步骤一、采用RCA工艺清洗单面抛光硅基片，取出用高纯氮气把硅片吹干，然后放在烘箱里烘干。
步骤二、采用电子束热蒸发的方法在硅基片上镀制氧化镁牺牲层，氧化镁膜层厚度采用晶振膜厚控制仪控制，所镀氧化镁膜层厚度为2μm。
步骤三、采用PECVD的制备方法在氧化镁薄膜上镀制一层防止腐蚀PZT薄膜时腐蚀氧化镁薄膜的SiNx薄膜，SiNx厚度为200nm。
步骤四、制作探测器结构的共电极，在SiNx薄膜上涂光刻胶，然后用光刻机曝光，然后用显影液显影，然后采用电子束热蒸发的方法镀制共电极Ti/Pt，Ti膜厚度为50nm，Pt膜厚度为100nm，取出，用丙酮腐蚀剩余的光刻胶，得到共电极Ti/Pt的图形。
步骤五、采用快速热处理的方法对Ti/Pt薄膜进行快速热处理。
步骤六、采用溶胶-凝胶法制备PZT薄膜，膜层厚度共300nm，然后采用步骤(4)中的甩胶、曝光、显影的过程制作光刻胶的PZT薄膜图形的翻转图形，采用湿法腐蚀制作PZT薄膜图形，然后再采用丙酮腐蚀剩余的光刻胶，得到敏感材料PZT薄膜的图形，采用与步骤(5)相同的方法对PZT薄膜进行快速热处理，获得结晶性较好的PZT薄膜。
步骤七、采用与步骤(4)相同的方法制作探测器结构的分离电极Pt，获得分离电极Pt的图形。
步骤八、采用等离子体反应刻蚀去除图形外的SiNx薄膜。
步骤九、采用步骤(4)中甩胶、曝光、显影的参数制作氧化镁孔的图形，采用磷酸溶液腐蚀氧化镁，然后再采用丙酮腐蚀剩余的光刻胶，得到氧化镁过孔的图形。
步骤十、采用与步骤(3)相同的方法制作探测器的缓冲层和支撑层SiNx薄膜。采用与步骤(4)中甩胶、曝光、显影的过程制作光刻胶的SiNx缓冲层和支撑层图形的翻转图形，然后再采用与步骤(8)相同的方法制作缓冲层和支撑层SiNx薄膜的图形。
步骤十一、采用与步骤(4)相同的方法制作探测器结构的两条Pt腿图形。
步骤十二、采用磷酸溶液腐蚀氧化镁，制作探测器的悬空结构，然后取出放在去离子水中浸泡10min，然后取出放在99％的乙醇中浸泡10min，取出，让乙醇自然挥发。
所制作的PZT薄膜非致冷焦平面红外热成像探测器悬空结构断面的SEM照片见图2和图3。
本发明专利经过大量的实验研究和理论分析，采用了科学的制备工艺，从而得到了PZT薄膜非致冷焦平面红外热成像探测器的悬空结构，而且性能良好，工艺简单、稳定、重复性好、适用于实际工业生产的需要。综合起来，本发明专利所提供的PZT薄膜非致冷焦平面红外热成像探测器的悬空结构的制作方法具有以下优点1、采用悬空的膜式结构来改善探测器的热绝缘性能，提高了探测器的灵敏度；2、选用氧化镁作为牺牲层材料，它能够适应后续处理工艺温度的需要，而且它的去除方法简单，与其他结构之间的相容性也好；3、采用快速热处理来对敏感材料进行短时的高温热处理，得到了敏感材料较好的结晶态，而且对读出电路也没有任何损坏，从而保护了读出电路；4、采用设计缓冲层和支撑层解决了探测器的悬空部分与基片连接的问题，有利于提高探测器的长期稳定工作性能；5、在制作过程中合理的设计了保护层，解决了在PZT薄膜的同时避免了作为牺牲层的氧化镁的腐蚀问题；6、在PZT薄膜非致冷焦平面红外热成像探测器的悬空结构的制作中，充分考虑结构和尺寸设计、工艺流程的设计及其可行性分析。
本发明专利的发明人近年来一直从事有关PZT薄膜非致冷焦平面红外热成像探测器悬空结构的制作的研究，为了获得工艺稳定、重复性好、性能优良的PZT薄膜非致冷焦平面红外热成像探测器悬空结构，作了大量的工艺研究，最终采用本发明专利中所述方案解决了该问题，取得了制作PZT薄膜非致冷焦平面红外热成像探测器悬空结构的成功。
权利要求
1.一种锆钛酸铅薄膜红外热成像探测器悬空结构的制作方法，其特征在于采用在硅片上镀制一定厚度的氧化镁薄膜作为制作锆钛酸铅即PZT薄膜非致冷焦平面红外热成像探测器悬空结构的牺牲层，并通过控制牺牲层的厚度来控制悬空高度；采用等离子体增强化学气相沉积的即PECVD的方法制作氮化硅薄膜SiNx，用于平衡锆钛酸铅薄膜的应力；应用快速热处理方法对共电极钛/铂即Ti/Pt以及锆钛酸铅即PZT敏感薄膜进行快速热处理，获得高性能的锆钛酸铅薄膜，具体做法步骤如下步骤一、采用RCA(给出中文名)工艺清洗单面抛光硅基片，取出用高纯氮气把硅片吹干，然后放在烘箱里烘干；步骤二、采用电子束热蒸发的方法在硅基片上镀制氧化镁牺牲层，氧化镁膜层厚度采用晶振膜厚控制仪控制，所镀氧化镁膜层厚度为1.5～2.5μm；步骤三、采用PECVD的制备方法在氧化镁薄膜上镀制一层防止腐蚀PZT薄膜时腐蚀氧化镁薄膜的SiNx薄膜，SiNx厚度控制为150～300nm；步骤四、制作探测器结构的共电极，在SiNx薄膜上涂光刻胶，然后用光刻机曝光，然后用显影液显影，然后采用电子束热蒸发的方法镀制共电极Ti/Pt，Ti膜厚度为50nm，Pt膜厚度为100nm，取出，用丙酮腐蚀剩余的光刻胶，得到共电极Ti/Pt的图形；步骤五、采用快速热处理的方法对Ti/Pt薄膜进行快速热处理，温度为600℃，时间30s；步骤六、采用溶胶-凝胶法制备PZT薄膜，膜层厚度为200～400nm，然后采用步骤四中的甩胶、曝光、显影的过程制作光刻胶的PZT薄膜图形的翻转图形，采用湿法腐蚀制作PZT薄膜图形，然后再采用丙酮腐蚀剩余的光刻胶，得到敏感材料PZT薄膜的图形，采用与步骤五相同的方法对PZT薄膜进行快速热处理，获得结晶性较好的PZT薄膜；步骤七、采用与步骤四相同的方法制作探测器结构的分离电极Pt，获得分离电极Pt的图形；步骤八、采用等离子体反应刻蚀去除图形外的SiNx薄膜；步骤九、采用步骤四中甩胶、曝光、显影的参数制作氧化镁孔的图形，采用磷酸溶液腐蚀氧化镁，然后再采用丙酮腐蚀剩余的光刻胶，得到氧化镁过孔的图形；步骤十、采用与步骤三相同的方法制作探测器的缓冲层和支撑层SiNx薄膜。采用与步骤四中甩胶、曝光、显影的过程制作光刻胶的SiNx缓冲层和支撑层图形的翻转图形，然后再采用与步骤八相同的方法制作缓冲层和支撑层SiNx薄膜的图形；步骤十一、采用与步骤四相同的方法制作探测器结构的两条Pt腿图形；步骤十二、采用磷酸溶液腐蚀氧化镁，制作探测器的悬空结构，然后取出放在去离子水中浸泡10min，然后取出放在99％的乙醇中浸泡10min，取出，让乙醇自然挥发。
2.根据权利要求1所述的锆钛酸铅薄膜红外热成像探测器悬空结构的制作方法，其特征在于步骤二中，所镀氧化镁膜层厚度为2μm。
3.根据权利要求1所述的锆钛酸铅薄膜红外热成像探测器悬空结构的制作方法，其特征在于进行步骤三时，SiNx薄膜的厚度控制为200nm。
4.根据权利要求1所述的锆钛酸铅薄膜红外热成像探测器悬空结构的制作方法，其特征在于步骤六中采用溶胶-凝胶法制备PZT薄膜，膜层厚度为300nm。
全文摘要
本发明是一种锆钛酸铅薄膜红外热成像探测器悬空结构的制作方法，采用在硅片上镀制一定厚度的氧化镁薄膜作为制作锆钛酸铅薄膜非致冷焦平面红外热成像探测器悬空结构的牺牲层，并通过控制牺牲层的厚度来控制悬空高度；采用等离子体增强化学气相沉积方法制作SiN
文档编号G01J5/10GK1889284SQ20061010443
公开日2007年1月3日 申请日期2006年7月31日 优先权日2006年7月31日
发明者刘卫国, 蔡长龙, 刘欢, 张伟, 周顺 申请人:西安工业大学