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基于BST薄膜的UFPA器件单元研究

作　者: 马韬
导　师: 李言荣；吴传贵
学　校: 电子科技大学
专　业: 材料科学与工程
关键词: BST薄膜热释电非制冷红外焦平面阵列微桥
分类号: TN215
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

在最近的二十年中,热释电薄膜单片式非制冷红外探测器是非制冷红外探测器研究中的一大重点。随着热释电薄膜材料制备技术的不断改进,热释电薄膜材料的性能不断的得到了提高;而且随着MEMS技术的不断发展完善,热释电薄膜单片式非制冷红外探测器的结构得到优化,性能也得到提高。使得其在军用和民用市场都有很好的应用前景,成为国内外广泛研究的热点。热释电薄膜单片式非制冷红外探测器的核心部件是热释电薄膜单片式非制冷红外焦平面阵列,阵列的性能主要受热释电敏感材料的性能及其敏感单元的隔热结构的影响。特别对于尺寸不断减小的探测器单元,隔热结构对探测器性能的影响已经大于热释电敏感材料。本论文围绕BST热释电薄膜单片式非制冷红外探测器的隔热结构和制备工艺展开了研究。在对热释电非制冷红外探测器的性能进行了理论分析的基础上,对比了几种常用的探测器隔热结构的优劣。然后设计了一种复合薄膜支撑的悬空微桥结构。分析了薄膜应力对薄膜悬空结构的影响,在此基础上选择合适应力值和厚度的氮化硅薄膜作为应力平衡层和支撑层。探测器的单元有效面积为0.0001cm2,微桥复合薄膜的厚度小于3um。研究了探测器微桥单元制备所需的相关工艺。主要包括热释电敏感薄膜材料的制备、图形化金属电极薄膜的制备和微桥结构的释放。采用实验室成熟的射频溅射工艺制备了具有自缓冲层的BST薄膜;使用剥离技术和直流溅射制备了Pt/Ti下电极和NiCr上电极并采用退火工艺优化了低温沉积的Pt/Ti下电极的性能;研究了TMAH溶液对体硅腐蚀的腐蚀速率及腐蚀表面平整度与各个腐蚀工艺参数之间的关系,在此基础上选用(NH4)2S2O8的加入量为3g/100ml的浓度为25wt%的TMAH溶液进行微桥的硅基腐蚀,腐蚀的温度为80℃;设计了在体硅腐蚀过程中保护基片正面敏感单元的专用保护夹具,结合专用保护胶的使用,避免了在长达10小时的腐蚀过程中TMAH腐蚀溶液对敏感单元的损伤。采用以上的工艺最终成功制备出了完整的微桥单元,单元的电极图形完整、边缘清晰;腐蚀表面平整度好;悬空复合薄膜部分厚度均匀、应力值小,厚度小于3um,实现了设计要求。最终得到的具有完整微桥结构的红外探测器单元通过了红外响应测试系统的测试。在室温305K,黑体温度700K,测试偏压3V,调制频率135Hz的条件下,测得有效面积为0.0001cm2探测单元探测率达到9.67×107cmHz1/2W-1。

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