薄膜型探测器的设计与制备

采用硅基底微桥结构作薄膜敏感元件的基底，在工艺及理论上都是切实可行的，在许多国内外研究工作的总结上，选取了一种较好的薄膜材料。通过实验，最终发现PT/PZT～PZT/PT结构的多层薄膜具有最好的性能，因此，重点讲解在硅基底微桥结构上薄膜的制备。

为了获得高的探测灵敏度，制备的热释电薄膜必须尽可能满足低介电损耗、合适的介电常数以及较大的热释电系数。在制作红外探测器器件时，为了减小热损耗、提高探测率，在薄膜与基底之间应该选择合适的热隔离层，在硅基底薄膜的敏感元件处制作成微桥结构。本书中，设计的微桥结构如图3-10a所示，Si₃N₄/SiO₂薄膜层被制作在硅基底上，实现减小热损耗的目的。在许多实验研究过程中表明，环境温度的改变以及外界阳光会对热释电探测器的输出信号带来一些干扰因素。因此，采用如图3-10b所示的双元件结构，这两个元件被串联连接，它能够抑制一些共模干扰信号，如由PT/PZT～PZT/PT多层薄膜的压电性能，通过机械振动产生的加速度信号，而通过采用双元结构串联，两元件的直接感应极化是相反的，被相互抵消。基于这样的设计思想，环境温度的改变以及外界阳光所带来的影响也被相互抵消。实验、理论及许多研究工作^[77、79]证明，双元串联结构是一种有效提高灵敏度的方法。

图3-10 双元敏感元件示意图

a）探测器敏感元件各层示意图 b）双元结构设计示意图

敏感元件制备的具体工艺流程如图3-11所示。其探测器的窗口采用CaF₂滤光片，整个的薄膜敏感元件被集成并真空封装到一个TO-5型金属壳体内，具体的设计加工工艺被描述为如下几个步骤：

图3-11 敏感单元制备的具体工艺流程

（1）清洗硅基底基片，采用射频磁空溅射工艺方法在基片上沉积150nm的Si₃N₄，500nm的SiO₂薄膜作为热隔离层，然后在Si₃N₄/SiO₂上沉积Ti和Pt层；

（2）在上电极上采用3600rpm/min旋涂30s，形成PT/PZT～PZT/PT多层薄膜层，采取前所述的方法实现0.55μm的多层薄膜结构；(www.xing528.com)

（3）等离子腐蚀法光刻图形化PT/PZT～PZT/PT多层薄膜；

（4）采用蒸镀工艺技术，制作150nm的Pt薄膜层和80nm的Ti薄膜层在薄膜层上；

（5）光刻制作焊接区；在纯N₂气室内、150Pa压力情况下，蒸镀150nm的金黑吸收层，在丙酮中剥离不需要的金属区，形成红外敏感检测区域；

（6）光刻硅基底敏感元件的背面，采用BOE深浸蚀5h制作硅基底微桥结构；

（7）把敏感元件与外部输出电路进行连接，然后真空封装入TO-5型金属壳体内。

制作的红外薄膜型探测器主要由PT/PZT～PZT/PT薄膜敏感元件、JFET场效应晶体管、窄带滤光片、47kΩ电阻以及输出电路等组成，这些被真空封装在TO-5型金属壳体内，原理结构图如图3-12所示。

图3-12 薄膜型探测器的内部等效电路