中北大學(xué)學(xué)位論文 1.1課題研究背景和意義 1.2研究現(xiàn)狀概述及發(fā)展趨勢 31.2.1熱釋電紅外探測器國外研究現(xiàn)狀 31.2.2熱釋電紅外探測器國內(nèi)研究現(xiàn)狀 41.3主要研究工作 51.4本文內(nèi)容整體安排 1.5本章小結(jié) 6 72.1紅外探測器分類 72.2熱釋電探測器的工作原理 82.2.1熱釋電效應(yīng) 82.2.2熱釋電紅外探測器性能參數(shù) 92.3熱釋電探測器的材料選擇 2.3.1熱釋電材料性能參數(shù) 2.3.2熱釋電材料的選擇 2.4本章小結(jié) 3.熱釋電紅外探測器制備工藝的研究 3.1熱釋電探測器工藝設(shè)計 3.1.1熱釋電紅外探測器制備工藝方案 3.1.2新型低熱導(dǎo)率絕熱層材料選擇 3.1.3熱釋電紅外探測器制備工藝流程 3.2薄膜工藝 203.2.1薄膜制備方法 203.2.2工藝參數(shù)對膜沉積速率的影響 22中北大學(xué)學(xué)位論文3.3光刻工藝 313.3.1工藝流程 3.3.2顯影時間確定 3.4減薄工藝 3.4.2研磨液和研磨拋光液的選擇 373.4.3減薄的工藝過程 3.4.4晶片減薄后厚度測試及結(jié)果分析 393.5本章小結(jié) 404.熱釋電探測器封裝及電學(xué)性能測試 4.1熱釋電探測器封裝殼體設(shè)計 424.1.1探測器結(jié)構(gòu) 424.1.2探測器結(jié)構(gòu)設(shè)計原理 4.2熱釋電探測器電學(xué)性能測試 4.2.1測試系統(tǒng)的搭建 4.2.2信號讀取電路設(shè)計 4.2.3測試結(jié)果分析 4.3本章小結(jié) 485.1課題完成的工作 485.2工作展望和建議 49 攻讀碩士期間發(fā)表的論文 54119世紀(jì)初，英國人W.Herschel最早發(fā)現(xiàn)紅外輻射。當(dāng)時在一個偶然機會，他發(fā)現(xiàn)術(shù)的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。但是在之后的30年內(nèi)，紅外輻射并未受到大家的重視。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展、生產(chǎn)成本逐漸下降、各種低價的紅外探測器的問而研發(fā)的。紅外探測器的本質(zhì)是將投射進來的紅外輻射信號轉(zhuǎn)換成可測量的電學(xué)信線的波長不同而已。正常情況下人體的體溫是36-37℃,輻射出9-10μm波長的紅外線。探測器)和PhotonDetector(光子探測器)兩種，它們對紅外輻射信號的轉(zhuǎn)換方式是不些材料的熱釋電效應(yīng)制成的，它是熱探測器的一種，是70年代以來取得重大進展的一種新型熱探測器。對熱釋電紅外探測器的研究經(jīng)歷了一個多世紀(jì)的時間3。由于其價格術(shù)領(lǐng)域研究的熱點之一。如圖1.1給出了熱釋電紅外探測器在各個領(lǐng)域的應(yīng)用。2在軍事領(lǐng)域中，由于每個物體如飛機、導(dǎo)彈等發(fā)出的紅外輻射具有各自的特性，熱釋電紅外探測器可以將這獨特的輻射特性檢測出來，從而判斷出目標(biāo)的位置、形貌等特征。因此熱釋電紅外探測器在軍事上的應(yīng)用得到進一步發(fā)展4]。在軍事上的應(yīng)用主要是四個方面：紅外成像、紅外瞄準(zhǔn)、紅外制導(dǎo)和紅外預(yù)警。如利用熱釋電紅外探測器全天候的對作戰(zhàn)戰(zhàn)場觀察和監(jiān)測、進行夜間情報收集及各種武器裝備和制導(dǎo)系統(tǒng)的夜間觀測在工業(yè)領(lǐng)域中，利用熱釋電效應(yīng)，可以進行工業(yè)設(shè)備監(jiān)控、對煤礦井下瓦斯的濃度進行測量、遠(yuǎn)洋捕魚、海底礦資源勘探、紅外成像、無損檢測等。在醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域中，利用熱釋電紅外探測器制成的遠(yuǎn)紅外磁療護具、X光圖像讀取儀、各類型的紅外理療儀、紅外快速測溫儀等極大的提高了現(xiàn)有的醫(yī)療水平。這些設(shè)備在日常的醫(yī)療應(yīng)用中無論是在精度上還是在方便程度上都有很大提高[7。在空間技術(shù)領(lǐng)域中，熱釋電紅外探測器主要用來探測溫度分布狀況及收集地球上的有關(guān)數(shù)據(jù)。例如“云雨6號衛(wèi)星”上使用了以兩個TGS探測器為核心器件的壓力調(diào)制輻射計和由LiTaO?探測器制成的地球平衡測量儀分別用以測量40Km-85Kmn高度范圍內(nèi)大氣溫度分布狀況及地球和太陽的輻射；在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域中，由于紅外輻射對不同的氣體的吸收光譜不同，如二氧化碳的吸收峰是4.26μm,甲烷的吸收峰是3.39μm等即紅外吸收原理8。利用這一原理，熱釋電紅外探測器可制成氣體傳感器檢測環(huán)境中有毒、有害氣體的成分及濃度，例如紅外一氧化碳報警儀、二氧化硫報警儀、紅外甲烷報警儀、紅外乙醚報警儀及一氧化氮報警儀等，可對存儲和運輸易燃易爆氣體的設(shè)備進行實時監(jiān)控，以免發(fā)生險情。總之由于熱釋電紅外探測器帶來的巨大經(jīng)濟與社會效益，我國政府對熱釋電紅外探3公元前315年之前，當(dāng)時一位古希臘學(xué)者發(fā)現(xiàn)電氣石能吸引木屑，銅鐵屑，其實電質(zhì)是熱釋電材料的發(fā)展史，熱釋電材料的發(fā)展對熱釋電效1672年，法國藥劑師Seignette在法國小城羅息制得酒石酸鉀鈉(NaKC?H?),當(dāng)時將這種晶體稱為羅息鹽。而250年之后，才發(fā)現(xiàn)這種晶體可以用外加的電場使其的1938年，Ta首先提出利用熱釋電效應(yīng)探測電磁輻射，他曾提出器所用的材料是酒石酸鉀和硫酸鋰。1956年，Chtnoweh發(fā)現(xiàn)熱釋電材料的溫度的變化展，并開始應(yīng)用于對交的紅外輻射測量領(lǐng)域。1962年，探測器的響應(yīng)電壓計算公式被Cooper推導(dǎo)出13]。1967年，一個高性能的熱釋電紅外探測器被制備出來，對熱釋電紅外探測器的實用化研究進程起著重要的推動作用14],該探測器用的材料是硫酸三甘肽1993年，一個單片集成的熱釋電紅外探測器被Munch等人制成，他們用的絕熱材4速，處領(lǐng)先地位。到目前為止，德國的Norkus公司、英國Pyreos公司等多家國外公司已經(jīng)成功將熱釋電紅外探測器應(yīng)用到氣體檢測領(lǐng)域。如圖1.2所示，英國Pyreos公司生地球輻射探測儀的核心部件紅外輻射探測器一直是由中科院制的16。該探測儀是利用電工補償原理設(shè)計而成的，具有較大的視場(≥45°),較寬的陣列化、智能化等方向綜合發(fā)展18以滿足其在在軍5材料兩大類。薄膜熱釋電探測器因其熱容量小，響應(yīng)速度較快散失較為嚴(yán)重等眾多缺陷。為了提高晶片式熱釋電探測器的探測1.3主要研究工作(1)熱釋電材料的選擇本文通過比較不同類型的熱釋電材料，最終選擇鉭酸鋰(LT)晶體作為本文探測器(2)熱釋電紅外探測器制備工藝的研究②薄膜工藝(電極制備)※薄膜沉積速率對所沉積薄膜硬度、應(yīng)力、表面光潔度、牢固度、電阻率、微觀工藝參數(shù)(勻膠時間與速度、前烘溫度與時間、曝光劑量、后烘溫度與時間、顯影時間、堅膜溫度與時間等)對光刻圖形質(zhì)量的影響的研究；※研磨液中磨料的選擇及磨料粒徑、形狀對減薄質(zhì)量的影響；※研磨速度、設(shè)定減薄厚度對減薄質(zhì)量的影響；(3)探測器封裝殼體的設(shè)計；(4)探測器信號提取電路的設(shè)計。61.4本文內(nèi)容整體安排本課題是在國家863計劃及山西省歸國人員基金項目支持下進行的，主要研究內(nèi)容(1)在緒論中全面介紹了熱釋電紅外探測器的的發(fā)展過程。對探測器的研究、應(yīng)(2)對紅外探測器的分類、工作原理及判斷其性能優(yōu)劣的幾個參數(shù)作了全面深入(3)詳細(xì)介紹了熱釋電紅外探測器的結(jié)構(gòu)設(shè)計、工藝設(shè)計，通過比較三種不同的磨速度計減薄厚度設(shè)定時間對減薄質(zhì)量的影響進行了一定分析，并對減薄后LT晶片表(4)對探測器封裝殼體的設(shè)計及其設(shè)計原理進行了一定介紹，并依據(jù)實驗室現(xiàn)有(5)總結(jié)與展望，對今后進一步的工作及需克服的難點提出了建議。1.5本章小結(jié)7測器的發(fā)展歷程，它在紅外系統(tǒng)中占據(jù)著舉足輕重的地位。紅外探測器可分為HeatDetector(熱探測器)和PhotonDetector(光子探測器)兩種，它們對紅外輻射信號的轉(zhuǎn)敏感元是熱釋電紅外探測器中的關(guān)鍵部件，鉭酸鋰(LT)晶體由于其有高熱釋電系溫度成為熱釋電紅外探測器制備的理想敏感元材料(熱釋電材料)選擇。8學(xué)性能的變化。雖然光子探測器的響應(yīng)速度快、探測率(敏感度優(yōu)值)高，但是其對波2.2熱釋電探測器的工作原理晶體的32中結(jié)構(gòu)中大約有10種非中心對稱晶體結(jié)構(gòu)能產(chǎn)生熱釋電效應(yīng)14]。這些材料就會被其吸引到其表面的越來越多的電荷抵消(由于吸引力的作用)。如果這些晶體是導(dǎo)中北大學(xué)學(xué)位論文9a恒溫時b溫度變化時c溫度變化時的等效表現(xiàn)假設(shè)有這樣一個理想的條件，整個晶體材料受到的頻率一定的紅外輻射的照射(即其產(chǎn)生的溫度變化均勻),我們就可以用P(熱釋電系數(shù))來說明熱釋電效應(yīng)和熱釋電(1)熱釋電效應(yīng)：(2)熱釋電電流：(2.2),其中A為電極面積。圖2.2熱釋電材料與外電路連接測試電路從等式2.2可以看出，當(dāng)一定量的紅外輻射照射到熱釋電材料上時，探測器敏感元的響應(yīng)電流與熱釋電材料的溫度變化率呈正比，可見熱釋電紅外探測器只對交變的輻射信號有響應(yīng)。從圖2.2可看出，此響應(yīng)電流可通過外接電路測出。2.2.2熱釋電紅外探測器性能參數(shù)如圖2.3所示，熱釋電紅外探測器受到紅外輻射照射(其調(diào)制頻率為f時),光線首先經(jīng)過探測器的窗口，再經(jīng)過濾光片的濾波后將特定波長的輻射信號投射到熱釋電敏感元上。敏感元受到紅外輻射信號照射后(一部分輻射被吸收，另一部分被反射，這就涉及到熱釋電材料的吸收系數(shù)a,它是用來判斷材料的吸收能力的),由于其受到的上下表面的輻射不同，從而產(chǎn)生電子，形成電流。產(chǎn)生的熱釋電電流經(jīng)放大后輸出電壓信號。注(1)窗口；(2)濾光片；(3)熱釋電敏感元；(4)引線下面列舉了幾個參數(shù)以來判斷探測器的性能優(yōu)劣，其中一些參數(shù)大小會隨著探測器的測量條件和工作環(huán)境而變化的，不是絕對量。探測器的響應(yīng)性能通常是用電壓和電流響應(yīng)率來判斷的。光的熱響應(yīng)和熱電響應(yīng)是熱釋電紅外探測器對紅外輻射的兩個步驟：首先進行光熱響應(yīng)，然后進行熱電響應(yīng)，當(dāng)一定量的輻射照射到敏感元上時，敏感元材料是間接的導(dǎo)致其電學(xué)性能的變化，即材料的溫度變化引起其表面電荷的變化。①電壓響應(yīng)率探測器的響應(yīng)電壓與對應(yīng)的這一紅外輻射功率之比就叫做探測器的電壓響應(yīng)率。帶入等式(2.3)則：從等式(2.4)可以看出，探測器的電壓響應(yīng)率與探測器敏感元電極面積成反比、與斬波頻率成反比，而且與探測器的敏感元材料有關(guān)，在設(shè)計探測器時要認(rèn)真考慮與探測器的電壓響應(yīng)率相關(guān)的參數(shù)。②電流響應(yīng)率探測器輸?shù)捻憫?yīng)電流與對應(yīng)的這一紅外輻射功率之比就叫做探測器的電流響應(yīng)率。(2.5)其中，d為熱釋電材料有關(guān)的厚度令β=Pa/c,帶入等式(2.5)則：從等式(2.6)可知熱釋電紅外探測器的電流響應(yīng)率與熱釋電材料有關(guān)，與材料的厚度成反比，與斬波頻率無關(guān)。在設(shè)計探測器時要認(rèn)真考慮與探測器的電流響應(yīng)率相關(guān)的紅外探測器敏感元表面上吸收一定功率的紅外輻射后，其響應(yīng)電壓達到與這一紅外輻射功率相匹配的穩(wěn)定值是需要一定時間的。同理，當(dāng)這一一定功率的紅外輻射突然撤去時，其電壓下降到這一輻射照射前的值也是需要一定時間的。一般來說，上升和下降的時間是相等的，這一相等的時間就是探測器的響應(yīng)時間。噪聲等效功率是這樣一種情況，輻射對探測器產(chǎn)生的效果相等于噪聲，即熱釋電紅外探測器吸收一定功率的紅外輻射會有響應(yīng)電壓產(chǎn)生，這個響應(yīng)電壓等于其自身的噪聲電壓，噪聲等效功率就是此時的紅外輻射功率。(2.8)其中P為紅外輻射功率，V。為輸出電壓，V為撤掉輻射源時中北大學(xué)學(xué)位論文探測器的噪聲等效功率這一性能參數(shù)雖然能夠用來判斷一個熱釋電紅外探測器的性能優(yōu)劣，但是它不能比較兩個來自不同紅外輻射源的熱釋電紅外探測器的優(yōu)劣。因為它的數(shù)值大小與電極面積A和放大器帶寬△f成正比。如果我們制定這樣一種參數(shù)探測率D*其公式如下等式(2.9),這樣就避免了探測器的性能參數(shù)噪聲等效功率的缺點。2.3熱釋電探測器的材料選擇2.3.1熱釋電材料性能參數(shù)熱釋電材料是熱釋電紅外探測器敏感單元的關(guān)鍵部分，工程上往往以電流響應(yīng)優(yōu)值、熱釋電優(yōu)值及探測優(yōu)值[301等三個指標(biāo)來判斷探測器的性能。而介電損耗和介電常數(shù)決定這些性能指標(biāo)的優(yōu)劣。介電損耗是用來衡量材料在自身消耗的電能轉(zhuǎn)化為自身熱能的過程中能量損失的程度。介電常數(shù)用來衡量熱釋電材料儲能和釋放電荷的能力。所以眾所周知，熱釋電材料性能指標(biāo)熱釋電優(yōu)值和探測優(yōu)值可分別表示為：(1)熱釋電優(yōu)值：(3.10),其中P是熱釋電材料極化強度、ε是熱釋電材料介電常數(shù)；(2)探測率優(yōu)值：(3.11),其中c為熱釋電材料的單位體積熱容，tanδ是熱釋電材料介電損耗。從等式(3.10)可看出介電常數(shù)的大小與熱釋電優(yōu)值的大小成反比；從等式(3.11)也可看出介電損耗因子的平方根與探測優(yōu)值大小成反比?？梢娊殡姵?shù)和介電損耗是判由等式(3.10)和(3.11)可知，低的熱釋電材料介電常數(shù)、高熱釋電系數(shù)、低的 熱釋電材料熱容665℃。從七十年代開始，鉭酸鋰及其改性摻雜后的材料從圖2.4可看出，鉭酸鋰分子結(jié)構(gòu)中氧原子分布呈八面體結(jié)構(gòu)，該八面體中心的陽離子分別按照-Li-Ta-空位-Li-Ta-的順序沿著C軸方向堆疊。而與Ta和Li的中心位置有紅外探測器有很好的性能。鉭酸鋰晶體結(jié)構(gòu)是Hexagonal六角結(jié)構(gòu)晶體，同時也是一種晶體式熱釋電紅外探測器與同種熱釋電材料的薄膜熱釋電探測器相比，具2.4本章小結(jié)同時介紹了選擇熱釋電紅外探測器敏感元材料的性能指優(yōu)值、居里溫度高達665℃,與同種熱釋電材料的薄膜熱釋電探測器相比，具有易加工、3.1熱釋電探測器工藝設(shè)計(3)用光刻膠將硅片與執(zhí)行完(2)后的LT晶片鍵合；(4)LT晶片減薄與拋光；(5)沉積上金屬電極；(6)制作黑色吸收層；(7)剝離與引出導(dǎo)線。(2)在硅片上沉積一層絕熱層；(3)以一金屬材料為中間層將LT和Si片鍵合；(5)沉積上金屬電極；(6)制作黑色吸收層；(7)腐蝕硅襯底為凳型結(jié)構(gòu)。新型低熱導(dǎo)率絕熱層?圖3.3方案三工藝流程(3)在LT晶片上制作一層新型低熱導(dǎo)率絕熱層(SU8-2010),并露出電極；(4)用石蠟將(3)中LT與硅片粘合，LT晶片減薄與拋光；(5)沉積上金屬電極；(6)制作黑色吸收層；(7)剝離。減薄程度有限且當(dāng)LT晶片減薄到一定程度后，易碎不容工藝方案二該工藝方案除涉及方案一中涉及的薄膜沉積、減3.1.2新型低熱導(dǎo)率絕熱層材料選擇市場上大多數(shù)的熱釋電紅外探測器都以納米多孔二氧化硅作為探測器的絕熱層，一般通用的納米多孔二氧化硅其熱導(dǎo)率為0.2W/(m·K)I341,然而納米多孔二氧化硅結(jié)構(gòu)質(zhì)地疏松，如果作為探測器的襯底結(jié)構(gòu)的話，其機械強度并沒得到明顯改善。SU-8光刻膠是一種具有良好的耐腐蝕性、熱穩(wěn)定性、優(yōu)異機械性能[35]、超高縱橫比環(huán)氧基負(fù)光刻膠[361,被廣泛應(yīng)用于微制造領(lǐng)域。SU-82010光刻膠其熱導(dǎo)率為0.2W/(m·K),以其作成的襯底結(jié)構(gòu)熱散失小、機械強度高、完全可以代替多孔二氧化3.1.3熱釋電紅外探測器制備工藝流程 (1)真空蒸發(fā)(2)濺射濺射是指在真空系統(tǒng)內(nèi)通入少量的惰性氣體如氬氣，使氬氣放電產(chǎn)生Ar+,而后產(chǎn)而形成薄膜391,具體原理如圖3.6所示。目前市場上被廣泛使用的濺射方法主要有離子(3)磁控濺射應(yīng)用[42]。影響磁控濺射沉積薄膜性能因素很多，而薄膜沉積速率是其重要因素之一。它的大小對薄膜的許多性能有直接的影響如薄膜硬度、應(yīng)力、表面光潔度、牢固度、電阻率、微觀結(jié)構(gòu)以及表面形貌等。而沉積速率可能與工作氣壓、靶基距、濺射功率、基片轉(zhuǎn)速等有關(guān)[43]。本工藝采用JTRC-550型熱蒸發(fā)—磁控濺射復(fù)合鍍膜系統(tǒng)，該設(shè)備是由成都江泰真空鍍膜科技有限公司產(chǎn)的，如圖3.7所示。本工藝主要開展了不同工作氣體壓強和不同濺射功率條件下的二氧化硅、鎳鎘和銅單金屬濺射鍍膜的實驗。使這些參數(shù)量化，以使得今后做濺射鍍膜實驗時能夠準(zhǔn)確的得到所需厚度濺射膜層以及提高靶材的利用率和使用效率。(一)實驗方案的設(shè)計(1)薄膜沉積方案的設(shè)計①濺射功率對膜厚的影響在實驗基本工藝參數(shù)為被底真空5.0×103Pa、氬氣流量47.5mL/min、工作氣體壓強0.15Pa、濺射時間10min、烘烤溫度100℃、靶基距8cm的條件下，采用改變?yōu)R射電流的方法達到改變?yōu)R射功率的目的。鎳鉻和銅金屬采用直流濺射，二氧化硅采用射頻濺射。具體鍍膜方案如下：樣品組別濺射電流(A)工作氣壓(Pa)濺射時間(min)氬氣流量(mL/min)1234樣品組別濺射電流(A)工作氣壓(Pa)濺射時間(min)氬氣流量(mL/min)1234樣品組別濺射電流(A)入射功率(W)濺射時間(min)氬氣流量(mL/min)12345②工作氣體壓強對膜厚的影響在實驗基本工藝參數(shù)為被底真空5.0×10-3Pa、濺射時間10min、烘烤溫度100℃、靶基距8cm、濺射功率一定的條件下，改變工作氣體壓強。鎳鉻和銅金屬采用直流濺射，二氧化硅采用射頻濺射。具體鍍膜方案如下：樣品組別濺射功率(W)工作氣壓(Pa)濺射時間(min)烘烤溫度(℃)12345674樣品組別濺射功率(W)工作氣壓(Pa)濺射時間(min)烘烤溫度(℃)1234567樣品組別入射功率(W)工作氣壓(Pa)濺射時間(min)烘烤溫度(℃)234567(2)測量方案的設(shè)計試?于表二氧薄膜厚度鎳鎘薄膜測試試測量薄膜厚度的儀器有白光干涉儀、臺階儀、膜厚儀等。根據(jù)實驗室現(xiàn)有的條件，本實驗用到的儀器是白光干涉儀。白光干涉儀其本質(zhì)是將白光分解成兩束或者多束光，然后被測物體通過壓電陶瓷的驅(qū)動引入一定量的光程差在每束光中，這樣經(jīng)過不同的光疊加起來就會形成明暗相間干涉條紋，這些干涉條紋在整個掃描過程中的變化情況都被CCD相機記錄下來，根據(jù)零級參考條紋位置對比及相關(guān)算法從而測出物件的表面形貌。由于利用白光干涉儀測薄膜厚度時，需要找出零級參考條紋，所以在作磁控濺射薄膜沉積時沉積成如圖3.10、3.11所示的臺階型薄膜，這樣就容易找出零級參考條紋。測量薄膜厚度時，為了減少鍍膜和測量所帶來的誤差，采用了在薄膜上選取A、B、C、D四個點，分別測出它們的厚度，并求出平均值。如圖3.11所示。(二)實驗結(jié)果及分析根據(jù)實驗方案濺射出一批樣品，如圖3.12所示。使用白光干涉儀對膜厚度進行測量。圖3.13為用白光干涉儀測量膜厚度的截圖。經(jīng)過測量后得到六組數(shù)據(jù)，通過MATLAB軟件分析實驗所得數(shù)據(jù)，并繪成如下所示的關(guān)系圖。鎳鍋厚度/nm鎳鍋厚度/nm408.濺射電流/A銅厚度/nm銅厚度/nm0.10.150.2濺射電流/A圖3.150.15Pa的工作氣壓下，銅的功入射功率W圖3.160.15Pa的工作氣壓下，二氧化硅的功率-膜厚關(guān)系圖鎳鍋厚度/nm鎳鍋厚度/nm銅厚度/銅厚度/nm圖3.18100W的濺射功率下，銅的氣壓-膜厚關(guān)系圖氧化硅厚度/氧化硅厚度/(三)濺射功率對沉積速率的影響從圖3.14到3.16的關(guān)系圖中分析發(fā)現(xiàn)，被底真空、氬氣流量、工作氣體壓強、濺射片與靶材間所夾電壓絕對值亦隨之增大，從而使得電離出的Ar+在電場作用下加速飛向(四)工作氣體壓強對沉積速率的影響氣體壓強的增大，真空腔體內(nèi)氬氣量增大，被電離的Ar+量也隨之3.3光刻工藝襯底，以增加其機械強度。而襯底會增加敏感元材料的熱散失薄的、熱導(dǎo)率低的襯底，本文最終選擇SU8-2010光刻膠最為襯底，這就涉及到光刻工我們采用中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所產(chǎn)的型號為URE-2000S的紫外單雙面深度曝在探測器制備工藝中涉及到光刻工藝的步驟如圖3.5所示主要有LT晶片的清洗于烘干、勻膠、邊角處理、前烘、曝光、后烘、顯影、清洗與烘干、步驟每一步都對光刻效果起著決定性的作用，在各個步中北大學(xué)學(xué)位論文(1)將10*10mm的LT晶片清洗與烘干；分別用丙酮、酒精、去離子水將LT晶片超聲波清洗15min,然后將清洗完的LT晶片放到干燥箱中烘干，最好在其拋光面上做一層電極；我們使用的是SU-82010負(fù)光刻膠。光刻圖形分辨率是由光刻膠厚度決定的，而光下層的光刻膠就會被顯影液融化導(dǎo)致光刻圖速、勻膠時間等工藝參數(shù)。通過實驗分析確定勻膠時間為30s,勻膠轉(zhuǎn)速為1500rpm。(3)邊緣光刻膠去除板造成污染，且容易剝離進而影響到LT晶片表面上其它圖形。具體做法是在正反面邊緣噴出少量的PGMEA去膠溶劑，但要小心噴到其它有效表面區(qū)域；(4)前烘(5)曝光掩膜板如圖3.7所示；(6)后烘后烘的目的一個是為了減少駐波效應(yīng)，另一個是為移除光刻膠上的保護基團已使其易于在顯影液中溶解。其工藝參數(shù)：加熱板95℃×3.5min;(7)顯影顯影是基片表面的光刻膠形成圖形的一個關(guān)鍵步驟，其目的是為了除去曝光后光刻膠可溶的部分、以留下需要的圖形在基片上。光刻膠通常有正膠和負(fù)膠兩種，正膠是曝光的部分可以溶于顯影液中，而負(fù)膠正好相反是未曝光的部分可以溶于顯影液。通常來說，正膠生成的圖形具有更高的分辨率，負(fù)膠更耐腐蝕，一般用來做結(jié)構(gòu)。本工藝使用的SU-82010是負(fù)膠。在顯影過程中，應(yīng)嚴(yán)格控制顯影的時間參數(shù)，如果顯影不足的話，所生成的線條比正常時要寬，在其側(cè)面會有斜坡。在顯影不足的情況下，本來可以被溶解的光刻膠會留下很薄的膠膜，這樣會影響電極的導(dǎo)電性；如果顯影過的話，會除去過多的光刻膠。經(jīng)過反復(fù)實驗確定顯影時間為4min;(8)清洗與烘干清洗與烘干的目的是把通過顯影過程后露出的圖形(電極)上的顯影液及絮狀膠膜清洗干凈，以不影響導(dǎo)電性。具體做法是用異丙醇清洗，直到?jīng)]有乳白色絮狀物、然后再用去離子水沖洗、甩干。堅膜此過程與前烘、后烘一樣，也是一個熱處理的步驟。堅膜的目的是為了提高光刻膠的粘附強度和抗腐蝕能力。經(jīng)過這一步驟后的膠膜的抗腐蝕能力會變?nèi)?，因為在這一過程中膠膜會發(fā)生膨脹和軟化。需要嚴(yán)格的控制堅膜的時間和溫度，因為如果堅膜不鍵和會被破壞掉，導(dǎo)致光刻膠膜容易脫落。通過反復(fù)的實驗驗證本工藝的堅膜溫度為150℃,堅膜時間為20min。3.3.2顯影時間確定將經(jīng)過(1)-(7)工藝后的LT片子分三組分別在顯影液中顯影不同的時間：2min、3min、4min,顯影完后用異丙醇沖洗，最后在顯微鏡下觀察不同效果如圖3.8所示：從圖a可知顯影2min時間內(nèi)LT晶片表面未曝光部分光刻膠幾乎沒被顯影液溶解；從圖b可看出顯影3min時間內(nèi)LT晶片表面未曝光部分光刻膠仍有少量殘余光刻膠沒被顯影液abC3.4減薄工藝器敏感元材料的情況下如何提高探測器的探測性能呢?可以提高熱釋電系數(shù)、降低介電如果用離子銑、反應(yīng)離子刻蝕、濕法刻蝕這幾種方法對LT晶片減薄的話，這些刃口分布在研磨盤上。被壓向研磨盤表面的晶片被旋轉(zhuǎn)時，在晶片表面有著由無數(shù)的交叉裂痕割開形成的小碎塊，由于研磨液的作用，當(dāng)研磨盤旋轉(zhuǎn)時帶動研磨液旋轉(zhuǎn)，在晶圖3.10銑磨示意圖1)研拋工藝是整個熱釋電探測器制備工藝中最關(guān)鍵的一步，鉭酸鋰晶片還相對比的滾輪必須在載樣盤點1/2出，不然在轉(zhuǎn)動中容易造成較強烈的震動。2)在減薄的過程中要注意，隨著晶片減薄的量越來越多，晶片就會變得越來越脆且易碎，此時我們應(yīng)減少設(shè)定的減薄厚度、把研磨的速度放小粒徑的磨料，同時在操作精密磨拋控制儀時3)拋光以后不要用手直接觸摸晶片，用水沖洗后再用酒精擦拭。4)對于精密儀器的在使用過程中一定注意保護，要操作適當(dāng)，輕拿輕放，用完后1、由于石蠟在60℃時融化，將載樣盤放在溫度為80℃的加熱板上，在載樣盤上2、待載樣盤冷卻后將其固定在精確研磨控制儀上；3、將兩支架的滾輪中心與載樣盤中心夾角調(diào)為90度到100度。5、研磨完成后，在測厚儀下測量其減薄厚度，在滴料器中放入拋光液，并開始由于研磨前在鉭酸鋰晶片厚度為0.5mm,此刻的機械性能良好不容易破碎，所以工序轉(zhuǎn)速(r\min)12347576777減薄后在滴料器中換入20wt%的氧化鈰拋光液在轉(zhuǎn)速為30r\min條件下研磨30min(1)晶片厚度均勻性對探測器性能的影響(2)測試結(jié)果及分析晶片厚度采用沈陽科晶自動化設(shè)備有限公司型號為SKCH-1(A)的精密測厚儀進行測試，該儀器的測量精度可達到0.001mm。在減薄后的LT晶片上取5個測試點如圖3.13所示，測試結(jié)果如表3.7所示，從表中可以看出五個點的厚度在40μm,位置1位置2厚度3.5本章小結(jié)本探測器結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要亮點在于以新型低熱導(dǎo)率材料SU-82010膠作為襯底，這溫度和時間、曝光劑量、后烘溫度和時間、顯影時間、堅結(jié)構(gòu)、面形貌以及薄膜硬度等受薄膜沉積速率直一個最佳值，利用這個最佳值進行磁控濺射實驗可以有著重要的影響：在LT晶片前300μm減薄過程中由用大粒徑的磨料顆粒并可把研磨速度適當(dāng)調(diào)快些，而隨著LT晶片厚度越來越薄，其也4.熱釋電探測器封裝及電學(xué)性能測試熱釋電紅外探測器封裝殼體的設(shè)計及信號提要的影響。而判斷一個探測器的性能需要搭建一套測試系統(tǒng)4.1.2探測器結(jié)構(gòu)設(shè)計原理接收到一定頻率的紅外輻射時就會產(chǎn)生與這一一定頻率的輻射毫伏級，由于噪聲的因素在示波器通常是不容易被觀4.2.1測試系統(tǒng)的搭建室現(xiàn)有的條件搭建了如圖4.3所示的測試系統(tǒng)。采用IRL715紅外燈作為紅外輻射源，敏感元就會產(chǎn)生一個熱釋電電流信號，這個電流信號經(jīng)過電路板作用后如圖4.2所示，WW4.2.2信號讀取電路設(shè)計在熱釋電紅外探測器結(jié)構(gòu)中信號讀取電路(放大)的設(shè)計也是非常重要的，因為探測器敏感元輸出的響應(yīng)信號極其微弱，探測器敏感元產(chǎn)生的噪聲信號幾乎可以覆蓋響應(yīng)信號，這樣就需設(shè)計低輸出阻抗、低噪聲、低功耗、高增益的信號提取電路以獲得高信噪比的響應(yīng)信號。低的輸出阻抗可以減小響應(yīng)信號中的高頻分量受電纜分布電容的影響以及減少雜散干擾；較低的噪聲可使的探測器獲得較高信噪比的響應(yīng)信號；低功耗可得背景噪聲減小，降低發(fā)熱量，減少能耗使得工作時間延長；高的增益，當(dāng)電路的信噪比滿足要求時，高的增益可以提高該探測器的最終信噪比。信號讀取電路必須有極高的輸入阻抗，因為敏感元的內(nèi)阻很大(約1×102Q),所以選取高輸入阻抗、低偏置電流的斬波穩(wěn)流放大器ICL7650作為設(shè)計電路的芯片。如圖4.4所示，采用“T”型反饋網(wǎng)絡(luò)接法作為反饋電阻，R,=(R??+R?o+R?·R??/R??),再由R?4.2.3測試結(jié)果分析感元表面，經(jīng)外接放大電路放大后其信號分別如圖4.3、圖4.4、圖4.5、圖4.6、圖4.7圖4.4頻率為1HZ時的波形圖圖4.5頻率為2HZ時的波形圖4.3本章小結(jié)本章主要闡述了探測器封裝殼體的設(shè)計及其設(shè)計原理，并依據(jù)實驗室現(xiàn)有條件搭建了探測器響應(yīng)信號測試系統(tǒng)，采取該測試系統(tǒng)測出探測器在伏值一定、頻率不同的紅外輻射照射下的響應(yīng)信號的輸出曲線，并對測試結(jié)果進行了分析。同時也詳細(xì)介紹了信號讀取電路在探測器中的重要性。(1)對探測器的分類、工作原理、性能參數(shù)、敏感元材料的選擇進行了詳細(xì)的闡(2)設(shè)計出一種結(jié)構(gòu)簡單、易實現(xiàn)且性能優(yōu)越的熱釋電紅外探測器制備工藝。該制備工藝的主要亮點是采用一種新型低熱導(dǎo)率的材料SU-82010膠作探測器的結(jié)構(gòu)襯(2)針對工作氣壓、濺射功率等工藝參數(shù)對薄膜沉積速率的影響進行了實驗研究，(4)針對探測器制備所涉及到的光刻工藝進行了詳細(xì)闡述，在光刻工藝過程中所(5)減薄工藝過程中，通過對研磨液磨料、研磨轉(zhuǎn)速對減薄質(zhì)量的影響進行了詳粒徑的磨料顆粒并可把研磨速度適當(dāng)調(diào)快些，而隨著LT晶片厚度越來越薄，其也越來利用SKCH-1(A)型的精密測厚儀對減薄后的LT晶片的后度進行了測試，并對(6)利用solidwork2008軟件對探測器的封裝殼體進行了設(shè)計，并對殼體結(jié)構(gòu)原理(7)依據(jù)現(xiàn)有的條件搭建了探測器信號響應(yīng)測試系統(tǒng)，采用該系統(tǒng)對探測器在一5.2工作展望和建議(1)敏感元的尺寸對探測器的性能有較大的影響，大面積的敏感元的電容就會很大，(2)敏感元的厚度也是判斷探測器性能的關(guān)鍵元素，其影響著探測器的響應(yīng)率好壞。(3)對探測器結(jié)構(gòu)建立熱分析模型，對其結(jié)構(gòu)參數(shù)、敏感元厚度、結(jié)構(gòu)尺寸等參數(shù)對(5)優(yōu)化或搭建新的測試系統(tǒng)對響應(yīng)率、響應(yīng)時間、噪聲等效功率、探測率等探測器(6)優(yōu)化現(xiàn)有的信號提取電路以獲得更高信噪比的熱釋電響應(yīng)信號。[4]ThomasKiyongJun.Design,modelingandfabricationofaninfrbasedonMEMStechnology.PhDDissertation.UniversityofCalifo[5]Jean-BaptisteSanchez,FranckBerger,MichelFrommandselectivegasdetectionmicro-deviceformonitoringthevolatileorganiccompouportableopticalsensorformethanega學(xué)，2001.[9]PutleyEH.Theapplicationsofpyroelectricdevic[10]LangSB.Reviewof