一种钽酸锂热释电红外探测器及其制造方法

本发明属于半导体器件制备领域，特别是涉及一种钽酸锂热释电红外探测器及其制造方法，所述的钽酸锂热释电红外探测器具有复合支撑结构。

背景技术：

1、红外探测器是将红外辐射能转换成电能的一种元器件，在军事、环境污染和气候变化监控、农作物长势观测、工业监控、气体探测、红外光谱术、红外天文学、汽车驾驶、医学诊断以及安防等领域获得广泛应用。根据其工作原理，可将红外探测器分为红外热探测器和红外光子探测器两类。根据其工作温度，可分为非制冷型红外探测器和制冷型红外探测器。

2、热释电红外探测器是典型的非制冷型红外热探测器，具有光谱响应宽、价格低、体积小、室温工作等优点，成为非制冷型红外探测器的主流发展方向。钽酸锂(litao3)晶体具有介电损耗小，制备的红外探测器探测率高等优点，已作为非常优异的热释电材料被广泛用于制造热释电红外探测器。根据热释电红外探测器的相关理论知识可知，除了热释电材料选择外(决定热释电系数)，热释电敏感元厚度、热容、热传导系数等对热释电红外探测器的探测率有很大影响。简单来讲，为了提升钽酸锂热释电红外探测器的探测率，需要尽可能降低探测器的热传导系数，另一方面，为了钽酸锂热释电红外探测器具有合适的时间常数，其热导并非越小越好，而是要取合理的值。

3、现有的钽酸锂热释电红外探测器主要有两种。一种是自支撑钽酸锂晶片结构，钽酸锂晶片厚度在20-100微米范围，晶片有两面，均有电极，其中接受红外线辐射的一面称为正面，其上设有红外吸收层，另一面为反面。使用时，将自支撑钽酸锂晶片结构的反面通过一个导电导热支架(支架与钽酸锂晶片局部接触，钽酸锂晶片大部分区域处于悬空状态)与电路相连，此时钽酸锂热释电红外探测器的热导主要通过支架来调节，比如支架材料的热导率、支架与钽酸锂晶片接触的面积等。另一种是具有支撑基板的悬膜结构，钽酸锂晶片被设置在支撑基板上形成悬膜结构以减小探测器的热容，钽酸锂晶片厚度通常在10-50微米范围，晶片两面设有电极，不和支撑基板接触的一面还设有红外吸收层，钽酸锂晶片和支撑基板一般采用金属材料相连，成为一侧电极的导电和导热通道，此种结构可通过调节钽酸锂晶片与支撑基板之间的接触面积来调节钽酸锂热释电红外探测器的热导，但为了保证支撑基板对钽酸锂晶片的支撑作用，二者之间的接触面积不宜过小，这就导致此种结构的钽酸锂热释电红外探测器的热导往小调有较大的限制，因此，还可以在钽酸锂晶片与支撑基板之间的引入带通孔的绝缘隔热材料来进一步调节热导(发明专利公开号cn115241364a)，通过在通孔中填充导电材料实现电极与支撑基板的导通，此时可通过通孔的数量和面积来实现对热导的大范围调节。

4、众所周知，热释电晶体同时也是压电晶体，因此，当钽酸锂热释电红外探测器在接收到来自外界的机械振动时，会产生麦克风效应，麦克风效应会给钽酸锂热释电红外探测器带来噪声信号，严重时会造成钽酸锂热释电红外探测器无法使用。因此，钽酸锂热释电红外探测器抵抗外界机械振动的能力是评价一个热释电探测器非常重要的指标。现有钽酸锂热释电红外探测器的以上两种结构，为了控制热导，钽酸锂晶片均有部分区域悬空而部分区域与支架或者支撑基板相连。这样的结构对于热导的控制是灵活有效的，但同时也带来了一定的问题，即悬空区域的钽酸锂晶片和与支撑结构相连区域的钽酸锂晶片的受力状态完全不同，变形的自由度也完全不同，这就导致钽酸锂晶片在接收到外界机械振动时，会很容易产生不规则的变形，从而产生显著的麦克风效应，最终使钽酸锂热释电红外探测器噪声很大或者完全无法使用。可见，对麦克风效应的控制是钽酸锂热释电红外探测器需要解决的一大技术难题。

技术实现思路

1、针对现有技术中的上述问题，本发明提供了一种具有复合支撑结构的钽酸锂热释电红外探测器及其制造方法。本发明采用由导电基板和绝热层构成的复合支撑结构，实现了对钽酸锂晶片的整体支撑，从根源上避免了现有钽酸锂热释电红外探测器中钽酸锂晶片局部悬空的问题，改善了钽酸锂热释电红外探测器抵抗外界机械振动的能力，极大的降低了钽酸锂热释电红外探测器的麦克风效应，提升了钽酸锂热释电红外探测器的综合性能。同时，通过控制复合支撑结构中导电基板和绝热层之间的结构参数，可以灵活有效的调控热导，实现钽酸锂热释电红外探测器探测率、时间常数等参数的协同调控。

2、本发明的目的是这样实现的：

3、一种具有复合支撑结构的钽酸锂热释电红外探测器，从下至上依次包括支撑基板、隔热层、第一键合层、第二键合层、第一电极层、钽酸锂晶片、第二电极层、红外吸收层。

4、支撑基板中间有部分凸起形成支撑基板凸台，隔热层位于支撑基板凸台外围区域并铺满支撑基板凸台以外的支撑基板区域，隔热层上表面与支撑基板凸台上表面位于同一平面，支撑基板和隔热层共同构成复合支撑结构，隔热层热导率小于等于0.1w/(m·k)，第一键合层覆盖在隔热层上表面和支撑基板凸台上表面，支撑基板、第一键合层和第二键合层均为导电材料，在红外吸收层上设有焊盘窗口，露出局部第二电极层作为第二电极层的焊窗口，焊盘窗口中心的投影落在支撑基板凸台上表面中心区域。钽酸锂晶片产生的热释电电荷分布在钽酸锂晶片的上、下表面，上表面的电荷通过焊盘窗口的第二电极层向外电路传输，下表面的电荷依次经由第一电极层、第二键合层、第一键合层以及支撑基板凸台向外电路传输。同时支撑基板凸台也是钽酸锂晶片与环境进行热传导的主要通道，而位于支撑基板凸台外围区域的隔热层由于热导很低，起到阻止钽酸锂热释电红外探测器热量向环境散失的作用，其作用类似于现有钽酸锂热释电红外探测器结构中钽酸锂晶片悬空区域的作用。

5、作为本发明进一步的改进，支撑基板凸台上表面面积st和支撑基板下表面sc的比值为k，其中0.01≤k≤0.3，k值的大小用于调节本发明钽酸锂热释电红外探测器与环境之间的热导的大小。

6、作为本发明进一步的改进，隔热层的厚度为0.5-50μm，隔热层可采用热导率小于等于0.05w/(m·k)的无机气凝胶、有机气凝胶和混合气凝胶材料中的一种或几种的组合。

7、作为本发明进一步的改进，钽酸锂晶片的厚度为5-50微米。

8、作为本发明进一步的改进，支撑基板的材质为硅、铜、铜合金、铁、铁合金、镍以及镍合金中的一种，当支撑基板的材质为硅时，其电阻率需小于1ω·cm，第一键合层为au、ag、ausn、in、sn、cu、fe、ni、pt、cr和ti中的一种或几种的组合，第二键合层为au、ag、ausn、in、sn、cu、fe、ni、pt、cr和ti中的一种或几种的组合。

9、一种具有复合支撑结构的钽酸锂热释电红外探测器制造方法，包括以下步骤：

10、(1)提供钽酸锂晶片，在钽酸锂晶片的一侧依次沉积第一电极层和第二键合层，在钽酸锂晶片的另一侧沉积第二电极层，

11、(2)提供支撑基板，通过光刻腐蚀的方法在支撑基板上表面中心区域形成支撑基板凸台，支撑基板凸台的高度根据后续步骤隔热层的厚度确定，即支撑基板凸台的高度等于隔热层的厚度，隔热层厚度确定后，支撑基板凸台高度也会确定；

12、(3)在支撑基板凸台外围区域的支撑基板上制备隔热层，之后对支撑基板凸台上表面以及隔热层上表面进行抛光处理，使得隔热层上表面与支撑基板凸台上表面处于同一平面，支撑基板和隔热层共同构成复合支撑结构，

13、(4)在复合支撑结构的上表面沉积第一键合层，

14、(5)将钽酸锂晶片有第二键合层的一面与复合支撑结构有第一键合层的一面进行键合，使钽酸锂晶片键合在复合支撑结构上；

15、(6)在第二电极层上制备带有焊盘窗口的红外吸收层，焊盘窗口处露出的局部第二电极层成为第二电极层的焊盘窗口，焊盘窗口中心的投影落在支撑基板凸台上表面中心区域，焊盘窗口的制备方法包括光刻、腐蚀、剥离、压印等mems图形制作常用方法。

16、相比于现有技术，本发明有如下有益效果：

17、第一，与现有钽酸锂晶片包含悬空区域的钽酸锂热释电红外探测器相比，本发明采用由导电基板和绝热层构成的复合支撑结构，实现了对钽酸锂晶片的整体支撑，没有悬空区域，从根源上避免了现有钽酸锂热释电红外探测器中钽酸锂晶片局部悬空的问题，改善了钽酸锂热释电红外探测器抵抗外界机械振动的能力，极大的降低了钽酸锂热释电红外探测器的麦克风效应，提升了钽酸锂热释电红外探测器的综合性能。

18、第二，本发明在红外吸收层上设计了焊盘窗口，为与外电路连接提供便利，同时焊盘窗口区域为不吸收红外线的区域，本发明将其位置做了合理设计，使焊盘窗口中心的投影落在支撑基板凸台上表面中心区域，这样就使得不吸收红外线的区域与下方的支撑基板凸台对准，而吸收红外线的红外吸收层区域则与下方的隔热层对准，最大限度的实现了对散热的控制，提升钽酸锂热释电红外探测器的探测率。钽酸锂晶片产生的热释电电荷分布在钽酸锂晶片的两侧，上表面的电荷通过焊盘窗口的第二电极层向外电路传输，下表面的电荷经由第一电极层、第二键合层、第一键合层以及支撑基板凸台向外电路传输。由此可见，吸收红外线主要在红外吸收层区域，而与环境之间隔热则主要利用红外吸收层下方的隔热层，而导电主要在焊盘窗口位置和其下方的支撑基板凸台位置，这就在一定程度上实现了传热和导电的空间分离，更有利于对热学性能和电学性能进行单独设计和调控。

19、第三，本发明通过控制复合支撑结构中导电基板和绝热层之间的结构参数即支撑基板凸台上表面面积st和支撑基板下表面sc的比值k，其中0.01≤k≤0.3，可以灵活有效的调控热导，实现钽酸锂热释电红外探测器探测率、时间常数等参数的协同调控。

20、由此可见，本发明通过对钽酸锂热释电红外探测器的结构创新，解决了现有技术存在的问题，达到在保持高探测率的同时具有良好抗麦克风效应的有益效果。