基于钽酸锂热释电材料的太赫兹线列探测器及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于钽酸锂热释电材料的太赫兹线列探测器及其制备方法，首先从钽酸锂晶圆片上切片减薄获得线列探测器所需晶片尺寸，然后在晶片背面制备条形电极，形成探测器下电极，该电极亦为线列各单元公用电极；然后在晶片正面形成各单元所需上电极图形；然后结合光刻形成单元隔离槽。最后在下电极上制备太赫兹吸收层。至此得到线列探测器敏感元结构。该结构结合MEMS（微机电系统）加工技术，可获得良好的热隔离效果，且加工工艺相对于微桥结构太赫兹探测器较为简单。
【专利说明】基于钽酸锂热释电材料的太赫兹线列探测器及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于太赫兹探测与成像领域，具体涉及一种基于钽酸锂热释电材料的太赫兹线列探测器及其制备方法。
【背景技术】
[0002]太赫兹辐射与其它波段的电磁辐射相比有其独特的性质:①瞬态性:太赫兹脉冲的典型脉宽在皮秒量级宽带性:太赫兹脉冲源通常只包含若干个周期的电磁振荡，单个脉冲的频带可以覆盖GHz至几十THz的范围相干性:太赫兹时域光谱技术的相干测量技术能够直接测量太赫兹电场的振幅和相位可以方便地提取样品的折射率、吸收系数；④低能性:太赫兹光子的能量只有毫电子伏特，不会因为电离而破坏位比被检测物质，从而可以安全地进行生物医学方面的检测和诊断穿透性:太赫兹辐射对于很多非极性绝缘物质，例如硬纸板、塑料、纺织物等包装材料都有很高的穿透特性，用于对藏匿物体进行探测惧水性:大多数极性分子如水分子、氨分子等对太赫兹辐射有强烈的吸收，可以通过分析它们的特征谱研究物质含水量或者进行产品质量控制；⑦光谱的特征吸收:由于许多极性大分子的振动和转动能级正好处于太赫兹频带范围，使太赫兹光谱技术在分析和研究大分子方面有广阔的应用前景。正因为以上特点，太赫兹波段非常适合于成像，在众多领域得到广泛应用。如(I)立体成像:因为透过成像样品(或从样品反射)的太赫兹电磁波的强度和相位包含了样品复介电函数的空间分布，将太赫兹电磁波的强度和相位的二维信息记录下来，并经过适当的处理和分析，就能得到样品的太赫兹图像，因而可以用来对物体进行三维立体成像。(2)爆炸物探测:借助太赫兹的穿透性强、识别能力高等特点，可以用于遥感探测在一定区域内藏匿的地雷、或其它爆炸物。2010年5月，在美国国防部资助下，美国纽约州伦斯勒理工学院研制出一种太赫兹探测仪，能够在20米外探测目标物体是否装有爆炸物。这种探测仪携带方便，可用于遥感探测战场中爆炸物或搜寻炸弹的藏匿地点、人体炸弹等。(3)生化战剂探测:在太赫兹波段，每种物质都有独特的“指纹”(波谱)，所以，通过测得目标物体的太赫兹波“指纹”，然后与探测器数据库中事先存储的大量太赫兹标准波谱进行对比，就可以判定目标物体的性质及其内部情况，由此就能对大气中的生化战剂进行有效的探测、识别和跟踪。
[0003]此外，在机场或重要场合的安全检查、医学人体成像、环境监测、植物结构研究、地质勘查、考古及文物鉴定、生化物体探测等民用方面也具有重大的科学价值和广阔的应用前景。
[0004]太赫兹线列探测器是太赫兹成像的一种途径。相对于其他类型的太赫兹探测器，热释电太赫兹探测器具有热释电探测器具有小型化、宽光谱探测、低成本、响应快等优势，是目前研究较为广泛的一种THz探测技术。
【发明内容】
[0005]本发明目的是提供一种基于钽酸锂热释电材料的太赫兹线列探测器及其制备方法。
[0006]本发明的技术方案为:基于钽酸锂热释电材料的太赫兹线列探测器，它从下到上依次为:太赫兹吸收层、下电极、钽酸锂晶圆片层、上电极，所述上电极个数与线列单元数目一致，各上电极之间设置有单元隔离槽。
[0007]基于钽酸锂热释电材料的太赫兹线列探测器的制备方法，首先从钽酸锂晶圆片上切片减薄获得线列探测器所需晶片尺寸，然后在晶片背面制备条形电极，形成探测器下电极，该电极亦为线列各单元公用电极；然后在晶片正面形成各单元所需上电极图形；然后结合光刻形成单元隔离槽，最后在下电极上制备太赫兹吸收层。至此得到线列探测器敏感元结构。
[0008]进一步地,包括如下步骤:
(1)从钽酸锂晶圆片上切片，然后采用晶片减薄工艺将厚度减薄到ΙΟΟμπι以下；
(2)采用磁控溅射或真空蒸发工艺在晶片背面沉积100(T500nm金属层作为探测单元下电极，此面电极为线列各单元公用电极；
(3)采用磁控溅射或真空蒸发工艺在晶片正面沉积100(T500nm金属层，然后采用上电极光刻版图结合光刻工艺形成上电极图形；
(4)采用湿法刻蚀或剥离工艺去除未被光刻胶保护的金属层部分，然后去除光刻胶，从而形成上电极图形，线列各单元上电极图形独立分开，因此上电极个数与线列单元数目一致；
(5)采用单元隔离槽光刻版图结合光刻工艺形成隔离槽图形，然后采用喷砂(sandblasting)或化学干法或湿法刻蚀去除钽酸锂晶片上未被掩蔽的部分,从而形成单元隔离槽；
(6)去除隔离槽图形掩膜；
(7 )在下电极上制备由复合介质薄膜构成的太赫兹吸收层，至此，线列太赫兹探测器敏感元加工完毕。
[0009]进一步地，在减薄晶片过程中需结合粗磨、细磨、粗抛和细抛等工艺步骤，以获得表面光滑，厚度均匀性良好的钽酸锂晶片。
[0010]进一步地，公共下电极的制备可以在薄膜沉积过程中用硬掩膜的方式形成下电极条图形。同时下电极可采用金属NiCr合金，以在一定程度上可以起到太赫兹吸收作用。
[0011]进一步地，形成隔离槽时可用喷砂工艺，该工艺具有最快的刻蚀速率，其参数为空气压力3kg/cm2,喷头与晶片距离6(Tl00mm,砂粒直径5?10 μ m。
[0012]进一步地，形成隔离槽亦可用HF:HN03=1:1混合溶液腐蚀。
[0013]进一步地，形成隔离槽亦可用反应离子刻蚀工艺，刻蚀气体为CF4，功率600W，气压200mTo
[0014]进一步地，复合介质结构太赫兹吸收层由底层金属层、中间介质层以及顶层金属层构成。
[0015]本发明与现有技术相比具有如下优点:
本发明提出一种基于钽酸锂热释电材料的太赫兹热释电线列探测器结构，该结构结合MEMS (微机电系统)加工技术，由于增加隔离槽实现了各单元之间的物理隔离，因此可获得良好的热隔离效果；同时，利用下电极条作为复合结构太赫兹吸收层底层金属，简化了吸收层工艺。此外，本结构线列探测器加工工序步骤明显少于微桥结构探测器，因此加工成本相对较低。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1为本发明制备的探测器的结构示意图；
图2为本发明制备工艺路线图；
图中附图标记为:1-钽酸锂晶圆片；2_下电极；3-上电极；4-单元隔离槽。
[0017]具体实施方法
基于钽酸锂热释电材料的太赫兹线列探测器，它从下到上依次为:太赫兹吸收层、下电极、钽酸锂晶圆片层、上电极，所述上电极个数与线列单元数目一致，各上电极之间设置有单元隔离槽。
[0018]基于钽酸锂热释电材料的太赫兹线列探测器的制备方法，首先从钽酸锂晶圆片上切片减薄获得线列探测器所需晶片尺寸，然后在晶片背面制备条形电极，形成探测器下电极，该电极亦为线列各单元公用电极；然后在晶片正面形成各单元所需上电极图形；然后结合光刻形成单元隔离槽。最后在下电极上制备太赫兹吸收层。至此得到线列探测器敏感元结构。
[0019]实施例1 32元太赫兹线列探测器 器件结构示意图如图1所示，工艺步骤如下:
1.从钽酸锂晶圆上切出长X宽=16.8mmX3.0mm的晶片,采用减薄工艺将晶片减薄至20 μ m±2 μ m ；
2.采用磁控溅射工艺沉积500nmNiCr合金作为下电极，结合硬掩膜获得下电极尺寸为长 X 宽=16.8mmX 1.8mm ；
3.采用磁控溅射工艺沉积500nm金薄膜作为上电极。结合上电极光刻版图，采用光刻工艺形成如图所示尺寸的单元上电极图形；
4.采用5%I2+10%KI+85%H20，20°C腐蚀未被光刻胶覆盖的金薄膜层；
5.采用普通去胶工艺(280°C，氧气3000sccm，压力IOOOmT,时间I分钟，功率1000W)去除光刻胶，从而形成单元上电极图形。
[0020]6.采用单元隔离槽光刻版图结合光刻工艺形成隔离槽图形，然后采用喷砂工艺去除钽酸锂晶片上未被掩蔽的部分，从而形成单元隔离槽。喷砂工艺参数为空气压力f3kg/cm2,喷头与晶片距离60mm,砂粒直径10 μ m)。隔离槽尺寸为高X宽=1.0mmX0.6mm。
[0021]7.采用普通去胶工艺(280°C，氧气3000sccm，压力lOOOmT，时间I分钟，功率1000W)去除光刻胶。
[0022]8.采用等离子增强化学气相沉积工艺(SiH4: N20=9:400，功率60W，气压550mT，温度300°C )在下电极上沉积500nm 二氧化硅介质层作为复合结构太赫兹吸收层的介质层。
[0023]9.采用磁控溅射工艺在二氧化硅介质层上沉积约5nm金属钼作为太赫兹吸收层的顶层金属。
[0024]至此32元太赫兹线列探测器敏感元加工完毕，其中单元像素点的有效尺寸为
1.0mmX0.6mm0
【权利要求】
1.基于钽酸锂热释电材料的太赫兹线列探测器，其特征在于:它从下到上依次为:太赫兹吸收层、下电极、钽酸锂晶圆片层、上电极，所述上电极个数与线列单元数目一致，各上电极之间设置有单元隔离槽。
2.基于钽酸锂热释电材料的太赫兹线列探测器的制备方法，其特征在于:首先从钽酸锂晶圆片上切片，减薄获得线列探测器所需晶片尺寸，然后在晶片背面制备条形电极，形成探测器下电极，该电极亦为线列各单元公用电极；然后在晶片正面形成各单元所需上电极图形；然后结合光刻形成单元隔离槽，最后在下电极上制备太赫兹吸收层，至此得到线列探测器敏感元结构。
3.根据权利要求2所述的基于钽酸锂热释电材料的太赫兹线列探测器的制备方法，其特征在于:包括如下步骤: (1)从钽酸锂晶圆片上切片，然后采用晶片减薄工艺将厚度减薄到1ΟΟμm以下； (2)采用磁控溅射或真空蒸发工艺在晶片背面沉积1000ηm-500ηm金属层作为探测单元下电极，此面电极为线列各单元公用电极； (3)采用磁控溅射或真空蒸发工艺在晶片正面沉积1000ηm-500ηm金属层，然后采用上电极光刻版图结合光刻工艺形成上电极图形； (4)采用湿法刻蚀或剥离工艺去除未被光刻胶保护的金属层部分，然后去除光刻胶，从而形成上电极图形，线列各单元上电极图形独立分开，因此上电极个数与线列单元数目一致； (5)采用单元隔离槽光刻版图结合光刻工艺形成隔离槽图形，然后采用喷砂或化学干法或湿法刻蚀去除钽酸锂晶片上未被掩蔽的部分，从而形成单元隔离槽； (6)去除隔离槽图形掩膜； (7 )在下电极上制备由复合介质薄膜构成的太赫兹吸收层，至此，线列太赫兹探测器敏感元加工完毕。
4.根据权利要求2所述的基于钽酸锂热释电材料的太赫兹线列探测器的制备方法，其特征在于:下电极的制备在薄膜沉积过程中用硬掩膜的方式形成下电极条图形，下电极采用金属NiCr合金。
5.根据权利要求2所述的基于钽酸锂热释电材料的太赫兹线列探测器的制备方法，其特征在于:形成单元隔离槽时采用喷砂工艺，其参数为空气压力f3kg/cm2，喷头与晶片距离60~1OOmm,砂粒直径5~10 μ m。
6.根据权利要求2所述的基于钽酸锂热释电材料的太赫兹线列探测器的制备方法，其特征在于:形成单元隔离槽采用HF = HNO3=1:1混合溶液腐蚀。
7.根据权利要求2所述的基于钽酸锂热释电材料的太赫兹线列探测器的制备方法，其特征在于:形成单元隔离槽采用反应离子刻蚀工艺，刻蚀气体为CF4,功率600W，气压.200mT。
8.根据权利要求2~7任一项所述的基于钽酸锂热释电材料的太赫兹线列探测器的制备方法，其特征在于:太赫兹吸收层由底层金属层、中间介质层以及顶层金属层构成。
【文档编号】H01L31/08GK103606586SQ201310636463
【公开日】2014年2月26日 申请日期:2013年12月3日 优先权日:2013年12月3日
【发明者】黎威志, 王军, 刘子骥, 王洪, 卢菲, 黄泽华 申请人:电子科技大学