集成黑硅納米結(jié)構(gòu)吸收層及多層組合膜結(jié)構(gòu)的敏感元件的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及紅外氣體探測器的敏感元件，具體是一種集成黑硅納米結(jié)構(gòu)吸收層及多層組合膜結(jié)構(gòu)的敏感元件。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，人們的生產(chǎn)、生活環(huán)境中充斥著各種各樣的氣體，部分有毒有害氣體、易燃易爆氣體會(huì)因氣體泄漏或過量引起各種事故，危害人們的生產(chǎn)、生活。例如:工業(yè)礦井生產(chǎn)中產(chǎn)生的CH4、C0易造成礦井瓦斯爆炸事故發(fā)生，氮肥生產(chǎn)和鍋爐燃燒中產(chǎn)生的附加廢氣CO常造成工人中毒事故發(fā)生，石化儲運(yùn)站、煤氣站等場所及?；愤\(yùn)輸過程中，有毒易燃?xì)怏w泄露會(huì)導(dǎo)致中毒事故或爆炸事故發(fā)生，還有日常生活中的汽車尾氣、室內(nèi)裝修污染會(huì)對我們的身體造成傷害等等。有效說明了監(jiān)測有毒有害氣體、易燃易爆氣體的必要性。
[0003]以瓦斯氣體的檢測來說，目前國內(nèi)各大煤礦所用的瓦斯報(bào)警系統(tǒng)已有一定的規(guī)模，普遍采用以熱催化元件、光學(xué)干涉元件實(shí)現(xiàn)的瓦斯氣體檢測傳感器，但經(jīng)長期使用發(fā)現(xiàn)，其檢測精度低、檢測范圍窄，對高濃度瓦斯會(huì)檢測錯(cuò)誤，其它氣體的交叉敏感也會(huì)對其造成干擾，導(dǎo)致無效判斷，而且這些瓦斯氣體檢測傳感器一致性、互換性差，需要經(jīng)常校準(zhǔn)，使用不方便;因此，急需研究和開發(fā)新型氣體檢測傳感器來克服上述問題。
[0004]當(dāng)然，除了上述以熱催化元件、光學(xué)干涉元件實(shí)現(xiàn)的氣體檢測方法外，現(xiàn)有氣體檢測方法還有很多，其中以紅外吸收原理檢測氣體的方法在國內(nèi)外較為先進(jìn)。它克服了以往檢測方法容易中毒老化、受環(huán)境因素影響等缺點(diǎn)，同時(shí)它還具有靈敏度高、響應(yīng)速度快、選擇性好等優(yōu)點(diǎn)。并且隨著近年來紅外發(fā)光器件和紅外探測技術(shù)的長足發(fā)展，高效、低電壓、體積小的器件不斷出現(xiàn)，為小型紅外氣體探測器的研制創(chuàng)造了條件。
[0005]紅外氣體探測器所用熱釋電材料有單晶、陶瓷、薄膜等種類。單晶熱釋電晶體的熱釋電系數(shù)高、介質(zhì)損耗小，至今性能最好的熱釋電探測器大多選用單晶制作，如TGS、LATGS、LiTa03等；陶瓷熱釋電晶體成本較低，但響應(yīng)較慢，如入侵報(bào)警用PZT陶瓷探測器工作頻率為0.2?5Hz;薄膜熱釋電材料可以用濺射法、液相外延等方法制備，可以做得很薄，對于制作高性能的熱釋電探測器十分有利。與其它陶瓷片式探測器相比較，熱釋電薄膜型探測器具有紅外吸收波譜區(qū)域?qū)?、加工成本低、可在室溫下工作等?yōu)點(diǎn)；近些年，廣泛研究和應(yīng)用的熱釋電薄膜有:應(yīng)用于微電子技術(shù)方面的PbZrTi03(PZT)薄膜、被廣泛用在熱釋電探測器敏感元件上的PbTi03(PT)薄膜，等等。如何改進(jìn)現(xiàn)有熱釋電薄膜于紅外氣體探測器上的應(yīng)用，使其達(dá)到更好的檢測性能，是目前本領(lǐng)域研究人員的重點(diǎn)研究方向。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明為了進(jìn)一步提高熱釋電薄膜型紅外氣體探測器的檢測性能，提供了一種集成黑硅納米結(jié)構(gòu)吸收層及多層組合膜結(jié)構(gòu)的敏感元件。
[0007]本發(fā)明是采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:集成黑硅納米結(jié)構(gòu)吸收層及多層組合膜結(jié)構(gòu)的敏感元件，所述敏感元件由兩塊敏感元基片加工獲得，其加工方法如下: 1、加工第一敏感元基片
1)、采用濺射工藝技術(shù)在SOI基底片上依次濺射Ti層、Pt層，形成上電極;其中，Ti層厚度為80nm，Pt層厚度為150nm;
2)、采用溶膠-凝膠加工工藝在上電極上交替制備PT薄膜和PZT薄膜，形成PT/PZT/PT?PT/PZT/PT熱釋電薄膜組合層，所述熱釋電薄膜組合層厚度小于等于Ιμπι;
3)、對PT/PZT/PT?PT/PZT/PT熱釋電薄膜組合層涂膠、曝光、顯影，光刻圖形化PT/PZT/PT?PT/PZT/PT熱釋電薄膜組合層；
4)、采用濺射工藝技術(shù)在PT/PZT/PT?PT/PZT/PT熱釋電薄膜組合層上依次濺射Pt層和Ti層，并使用剝離工藝，形成下電極，其中，Ti層厚度為80nm，Pt層厚度為150nm，得到第一敏感元基片；
2、加工第二敏感元基片
1)、先采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法在硅基底片上沉積Si3N4薄膜;然后采用濕氧氧化工藝在Si3N4薄膜上生長S12薄膜，形成Si3N^S12熱隔離層;其中，Si3N4薄膜厚度為150nm，Si02 薄膜厚度為500nm;
2)、采用濺射工藝技術(shù)在Si3N4/Si02熱隔離層上依次濺射Pt層、Ti層，并使用剝離工藝，形成與第一敏感元基片下電極位置對應(yīng)的下電極，得到第二敏感元件基片，其中，Ti層厚度為80nm，Pt層厚度為150nm;
3、加工敏感元件
1)、翻轉(zhuǎn)第一敏感元基片，采用金屬鍵合技術(shù)，將第一敏感元基片的下電極與第二敏感元基片的下電極進(jìn)行鍵合，得到敏感元件半成品；
2)、采用濕法腐蝕工藝，依次腐蝕敏感元件半成品中第一敏感元基片SOI基底片的硅襯底和S12層，保留第一敏感元基片SOI基底片的頂層硅；
3)、采用反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)，將第一敏感元基片SOI基底片的頂層硅加工成錐狀森林形貌結(jié)構(gòu)的黑硅納米結(jié)構(gòu)吸收層，即紅外敏感吸收層，得到敏感元件。
[0008]所述濺射工藝技術(shù)、溶膠-凝膠加工工藝、涂膠、曝光、顯影、光刻圖形化、剝離工藝、等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法、濕氧氧化工藝、金屬鍵合技術(shù)、濕法腐蝕工藝、反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)皆為現(xiàn)有技術(shù)。
[0009]本發(fā)明以多層PT薄膜和PZT薄膜交替設(shè)置構(gòu)成的PT/PZT/PT?PT/PZT/PT多層薄膜結(jié)構(gòu)作為敏感元件的熱敏感層，與單一 PT薄膜作熱敏感層相比，具有較好的表面致密性、好的結(jié)晶性能和較小的殘余應(yīng)力，能夠獲取高性能熱響應(yīng)，滿足高精度紅外探測器對其敏感元件熱響應(yīng)性能的高標(biāo)準(zhǔn)要求，利于實(shí)現(xiàn)基于熱釋電薄膜的高精度紅外探測器。
[0010]本發(fā)明采用具有錐狀森林形貌結(jié)構(gòu)的黑硅納米結(jié)構(gòu)吸收層作為紅外探測器敏感元件的紅外敏感吸收層，首先黑硅本身對紅外光的吸收能力及吸收靈敏度要優(yōu)于碳黑、金黑、銀黑、鉑黑等應(yīng)用于紅外探測器敏感元件的吸收材料;第二黑硅納米結(jié)構(gòu)吸收層設(shè)計(jì)為維狀森林結(jié)構(gòu)，以進(jìn)一步提尚黑娃吸收層的熱吸收性能，利于進(jìn)一步提尚紅外探測器的檢測精度。本發(fā)明中具有錐狀森林形貌結(jié)構(gòu)的黑硅納米結(jié)構(gòu)吸收層是通過腐蝕技術(shù)腐蝕SOI材料的硅襯底及二氧化硅層，保留頂層硅，最后采用反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)將SOI材料的頂層硅加工成錐狀森林形貌結(jié)構(gòu)，其加工方法極具獨(dú)創(chuàng)性，利于實(shí)現(xiàn)紅外氣體探測器的更新?lián)Q代。
[0011]本發(fā)明結(jié)構(gòu)及加工工藝合理，具備良好的熱吸收性能和熱響應(yīng)性能，能用于構(gòu)建高性能紅外氣體探測器，滿足環(huán)境安全、煤礦生產(chǎn)安全、以及危化品氣體儲運(yùn)、煤氣管道防泄、森林火災(zāi)防護(hù)、工業(yè)安全生產(chǎn)、蔬菜大棚種植等領(lǐng)域中的監(jiān)測需要。
【附圖說明】
[0012]圖1為本發(fā)明所述敏感元件的加工工藝流程示意圖；
圖2為雙元結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3為應(yīng)用本發(fā)明所述敏感元件的紅外探測器的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4為本發(fā)明所述敏感元件用外部輸出電路的電路原理圖；
圖中:1_上電極;2-PT/PZT/PT?PT/PZT/PT熱釋