钽酸锂敏感元及应用其的红外热释电传感器、制作方法与流程

1.本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种钽酸锂敏感元及应用其的红外热释电传感器、制作方法。


背景技术：

2.某些材料为了保持其表面电中性状态，会在材料表面吸附一定量电荷，当受到热辐射而导致其温度变化时，这些材料的电偶极矩也会随之发生相应的变化，为了保持其电中性状态，材料的表面会释放出电荷，这种现象被称为热释电效应。利用热释电效应制备的热释电红外探测器，广泛地用于火灾预警及报警、气体检测及分析、入侵报警、污染监测及探测、温差探测、微波探测、激光检测、光谱分析等。红外热释电敏感元组成包括：红外吸收材料，用于提高对红外辐射的吸收；具有热释电效应的单晶体、聚合物或陶瓷；上下电极，用于形成热释电电流；衬底，用于支撑热释电敏感元。
3.现有技术一般采用机械研磨抛光工艺来制备敏感元，减薄厚度有限且工艺难度大；目前量产产品大多使用锆钛酸铅(pzt)等作为敏感元材料，性能较为一般且对环境不友好；外围电路和电极部分采用引线键合方式进行电气连接，需要在吸收层上开孔来预留键合区域，会降低吸收层对红外辐射的吸收。
4.现有技术缺点：
5.1)生产工艺复杂，生产良率低，成本高；
6.2)敏感元通过环氧树脂等与支撑结构粘接，工艺难度大，集成度低；
7.3)量产产品多采用锆钛酸铅(pzt)作为敏感元材料，性能一般且含铅，且锆钛酸铅(pzt)居里点较低(20-270℃)，加工工艺温度受限，封装形式较为单一；
8.4)引线键合区域无支撑，容易导致敏感元破裂，工艺制程风险大，且键合区域需要在吸收层上开孔，影响其对红外辐射的吸收。


技术实现要素：

9.有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种钽酸锂敏感元及应用其的红外热释电传感器、制作方法。
10.为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
11.本发明实施例一提供一种钽酸锂敏感元，包括钽酸锂晶圆、底部电极、硅衬底、顶部电极和吸收层，所述硅衬底的上方设置有底部电极，所述底部电极的上方设置有钽酸锂晶圆，所述钽酸锂晶圆设置有顶部电极，所述顶部电极的上方设置有吸收层。
12.本发明优选地，所述顶部电极包括左电极和右电极，所述左电极和右电极分别设置于钽酸锂晶圆的左右两端，所述吸收层设置于右电极上。
13.本发明优选地，所述底部电极、所述左电极、所述右电极的材质为铂、金、铝、钛、铬或镍中的一种或多种。
14.本发明优选地，所述硅衬底的中心位置设置有空腔，所述空腔为梯形结构，用于降
低热损耗。
15.本发明实施例二提供一种红外热释电传感器，包括上述的钽酸锂敏感元、jfet阻抗转换器、底座、金属管帽和引脚组件，所述金属管帽设置于底座顶部，所述钽酸锂敏感元和jfet阻抗转换器均设置于金属管帽内，且附有吸收层的钽酸锂敏感元的电极居于底座中心位置，jfet阻抗转换器位于底座的一侧，所述钽酸锂敏感元的左电极通过引线接地，右电极与jfet阻抗转换器通过引线连接，所述底座的底部设置有与钽酸锂敏感元和jfet阻抗转换器连接的引脚组件。
16.本发明优选地，所述金属管帽上设置有滤光片。
17.本发明优选地，所述引脚组件包括第一引脚、第二引脚和第三引脚，所述第一引脚、第二引脚和第三引脚均穿过底座后与jfet阻抗转换器连接。
18.本发明实施例三提供一种上述红外热释电传感器的制备方法，该制备方法包括以下步骤：
19.s1、选取200μm厚的钽酸锂晶圆，进行单面抛光，然后在抛光面通过磁控溅射或者蒸镀进行底部电极的沉积；
20.在底部电极上溅射或蒸镀20nm厚的金属钛或铬作为粘附层，再蒸镀200nm金属金作为电极层；
21.s2、将沉积有底部电极的一面和硅衬底进行键合，将键合体固定到减薄设备上，先进行粗磨，将200μm的钽酸锂晶圆减薄，后通过精磨减薄至所需厚度，最后抛光至纳米级表面粗糙度；
22.s3、在钽酸锂晶圆上表面的晶体层上沉积图案化的左电极和右电极，图案部分预留出用于引线键合的区域，键合区域可以是100*100μm的正方形或其他适合引线键合的形状；
23.s4、在右电极上沉积红外吸收层，用于通过热传导将辐射能量转换成热能然后传递到钽酸锂敏感元，红外吸收层的大小为能覆盖右电极且不遮蔽引线键合区域；
24.s5、在钽酸锂晶圆背面通过深硅刻蚀工艺刻蚀掉左电极和右电极对应的硅衬底，露出底部电极；
25.s6、将制备好的有支撑结构的钽酸锂敏感元粘接到陶瓷底座上，然后钽酸锂敏感元的左电极和右电极的引线键合区域分别与接地引脚和jfet阻抗转换器进行引线键合后，在底部引出第一引脚、第二引脚和第三引脚；
26.s7、将特定波段滤光片集成到金属管帽上，后金属管帽和底座通过真空或氮气封焊组装。
27.与现有技术相比，本发明对钽酸锂晶圆顶部金属电极进行图案化处理，对于单个芯片而言，通过硬掩膜设计将顶部电极一分为二，和底部金属电极共同构成了两个热释电探测器敏感元，钽酸锂和硅衬底键合后再减薄，可根据实际应用需求减薄到合适的厚度，采用钽酸锂(lt)单晶代替锆钛酸铅(pzt)作为敏感元，性能更优，而且相对于含铅的锆钛酸铅，钽酸锂对环境更友好，且钽酸锂(lt)居里点高(620℃)，可根据实际需求采用包括表面贴装器件(smd)贴片封装等在内的多种封装形式，封装形式多样，顶部电极通过图案化处理，预留引线键合区域，同时设计有对引线键合区域的支撑结构，降低工艺制程风险，底部电极不需要引线，可在键合前成膜，提高工艺集成度，基于成熟的半导体加工工艺，制备的
器件一致性好。
附图说明
28.图1是本发明实施例1提供的一种钽酸锂敏感元的钽酸锂单晶单面抛光后沉积电极的结构图；
29.图2是本发明实施例1提供的一种钽酸锂敏感元的沉积底部金属电极后的钽酸锂单晶和硅衬底键合后的晶圆结构图；
30.图3是本发明实施例1提供的一种钽酸锂敏感元的根据需求减薄后的钽酸锂晶圆结构图；
31.图4是本发明实施例1提供的一种钽酸锂敏感元的在钽酸锂晶圆顶部沉积图案化电极和吸收层的结构图；
32.图5是本发明实施例1提供的一种钽酸锂敏感元的钽酸锂晶圆背面刻蚀凹槽后的结构图；
33.图6是本发明实施例2提供的一种红外热释电探测器的结构示意图；
34.图7是本发明实施例2提供的一种红外热释电探测器的工作原理图；
35.图8是本发明实施例3所述的左电极沉积图案部分的结构示意图；
36.图9是本发明实施例3所述的右电极沉积图案部分的结构示意图。
具体实施方式
37.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
38.在本发明的描述中，需要明确的是，术语“垂直”、“横向”、“纵向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“水平”等指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅仅是为了便于描述本发明，而不是意味着所指的装置或元件必须具有特有的方位或位置，因此不能理解为对本发明的限制。
39.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
40.实施例一：
41.如图1-5所示，本发明实施例一提供一种钽酸锂敏感元，包括钽酸锂晶圆31、底部电极32、硅衬底33、顶部电极和吸收层35，所述硅衬底33的上方设置有底部电极32，所述底部电极32的上方设置有钽酸锂晶圆31，所述钽酸锂晶圆31设置有顶部电极，所述顶部电极的上方设置有吸收层35。
42.如图1-5所示，所述顶部电极包括左电极34和右电极37，所述左电极34和右电极37分别设置于钽酸锂晶圆31的左右两端，所述吸收层35设置于右电极37上。
43.如图1-5所示，所述底部电极32、所述左电极34、所述右电极37的材质为铂、金、铝、钛、铬或镍中的一种或多种。
44.如图1-5所示，所述硅衬底33的中心位置设置有空腔36，所述空腔36为梯形结构，用于降低热损耗。
45.实施例二：
46.如图6和图7所示，本发明实施例二提供一种红外热释电传感器，包括上述的钽酸锂敏感元3、jfet阻抗转换器2、底座4、金属管帽5和引脚组件，所述金属管帽5设置于底座4的顶部，所述钽酸锂敏感元3和jfet阻抗转换器2均设置于金属管帽5内，且附有吸收层的钽酸锂敏感元3的电极居于底座4中心位置，jfet阻抗转换器2位于底座4的一侧，所述钽酸锂敏感元3的左电极34通过引线接地，右电极37分别与jfet阻抗转换器2通过引线6连接，所述底座4的底部设置有与钽酸锂敏感元3和jfet阻抗转换器2连接的引脚组件。
47.如图6和图7所示，所述金属管帽5上设置有滤光片1。
48.如图6和图7所示，所述引脚组件包括第一引脚71、第二引脚72和第三引脚73，所述第一引脚71、第二引脚72和第三引脚73均穿过底座4后与jfet阻抗转换器2连接。
49.实施例三：
50.如图1-9所示，本发明实施例三提供一种上述红外热释电传感器的制备方法，该制备方法包括以下步骤：
51.s1、选取200μm厚的钽酸锂晶圆31，进行单面抛光，然后在抛光面通过磁控溅射或者蒸镀进行底部电极32的沉积；
52.在底部电极32上溅射或蒸镀20nm厚的金属钛或铬作为粘附层，再蒸镀200nm金属金作为电极层；
53.s2、将沉积有底部电极32的一面和硅衬底33进行键合，将键合体固定到减薄设备上，先进行粗磨，将200μm的钽酸锂晶圆31减薄，后通过精磨减薄至所需厚度，最后抛光至纳米级表面粗糙度；
54.s3、在钽酸锂晶圆31上表面的晶体层上沉积图案化的左电极34和右电极37，图案部分38用于预留出用于引线键合的区域，键合区域可以是100*100μm的正方形或其他适合引线键合的形状；
55.s4、在右电极37上沉积红外吸收层35，用于通过热传导将辐射能量转换为热能然后传递到钽酸锂敏感元3，红外吸收层35的大小为能覆盖右电极37时不遮蔽引线键合区域；
56.s5、在钽酸锂晶圆31背面通过深硅刻蚀工艺刻蚀掉左电极34和右电极37对应的硅衬底33，露出底部电极32；
57.s6、将制备好的有支撑结构的钽酸锂敏感元3粘接到陶瓷底座4上，然后钽酸锂敏感元3的左电极34和右电极37的引线键合区域分别与接地引脚和jfet阻抗转换器2进行引线键合后，在底部引出第一引脚71、第二引脚72和第三引脚73；
58.s7、将特定波段滤光片1集成到金属管帽5上，后金属管帽5和底座4通过真空封焊或氮气封焊组装。
59.综上所述，本发明对钽酸锂晶圆顶部金属电极进行图案化处理，对于单个芯片而言，将顶部电极一分为二，和底部金属电极共同构成了两个热释电探测器敏感元，钽酸锂和硅衬底键合后再减薄，可根据实际应用需求减薄到合适的厚度，采用钽酸锂(lt)单晶代替锆钛酸铅(pzt)作为敏感元，性能更优，而且相对于含铅的锆钛酸铅，钽酸锂对环境更友好，且钽酸锂(lt)居里点高(620℃)，可根据实际需求采用包括表面贴装器件(smd)贴片封装等
在内的多种封装形式，封装形式多样，顶部电极通过图案化处理，预留引线键合区域，同时设计有对引线键合区域的支撑结构，降低工艺制程风险，底部电极不需要引线，可在键合前成膜，提高工艺集成度，基于成熟的半导体加工工艺，制备的器件一致性好。
60.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种钽酸锂敏感元，其特征在于，包括钽酸锂晶圆、底部电极、硅衬底、顶部电极和吸收层，所述硅衬底的上方设置有底部电极，所述底部电极的上方设置有钽酸锂晶圆，所述钽酸锂晶圆设置有顶部电极，所述顶部电极的上方设置有吸收层。2.根据权利要求1所述的一种钽酸锂敏感元，其特征在于，所述顶部电极包括左电极和右电极，所述左电极和右电极分别设置于钽酸锂晶圆的左右两端，所述吸收层设置于右电极上。3.根据权利要求2所述的一种钽酸锂敏感元，其特征在于，所述底部电极、所述左电极、所述右电极的材质为铂、金、铝、钛、铬或镍中的一种或多种。4.根据权利要求3所述的一种钽酸锂敏感元，其特征在于，所述硅衬底的中心位置设置有空腔，所述空腔为梯形结构，用于降低热损耗。5.一种红外热释电传感器，其特征在于，包括权利要求1-4所述的钽酸锂敏感元、jfet阻抗转换器、底座、金属管帽和引脚组件，所述金属管帽设置于底座顶部，所述钽酸锂敏感元和jfet阻抗转换器均设置于金属管帽内，且附有吸收层的钽酸锂敏感元的电极居于底座中心位置，jfet阻抗转换器位于底座的一侧，所述钽酸锂敏感元的左电极通过引线接地，右电极与jfet阻抗转换器通过引线连接，所述底座的底部设置有与钽酸锂敏感元和jfet阻抗转换器连接的引脚组件。6.根据权利要求5所述的一种红外热释电传感器，其特征在于，所述金属管帽上设置有滤光片。7.根据权利要求6所述的一种红外热释电传感器，其特征在于，所述引脚组件包括第一引脚、第二引脚和第三引脚，所述第一引脚、第二引脚和第三引脚均穿过底座后与jfet阻抗转换器连接。8.一种如权利要求5-7任意一项所述的红外热释电传感器的制备方法，其特征在于，该制备方法包括以下步骤：s1、选取200μm厚的钽酸锂晶圆，进行单面抛光，然后在抛光面通过磁控溅射或者蒸镀进行底部电极的沉积；在底部电极上溅射或蒸镀20nm厚的金属钛或铬作为粘附层，再蒸镀200nm金属金作为电极层；s2、将沉积有底部电极的一面和硅衬底进行键合，将键合体固定到减薄设备上，先进行粗磨，将200μm的钽酸锂晶圆减薄，后通过精磨减薄至所需厚度，最后抛光至纳米级表面粗糙度；s3、在钽酸锂晶圆上表面的晶体层上沉积图案化的左电极和右电极，图案部分预留出用于引线键合的区域，键合区域可以是100*100μm的正方形或其他适合引线键合的形状；s4、在右电极上沉积红外吸收层，作用是通过热传导将辐射能量转换为热能然后传递到钽酸锂敏感元，红外吸收层的大小为能覆盖右电极且不遮蔽引线键合区域；s5、在钽酸锂晶圆背面通过深硅刻蚀工艺刻蚀掉左电极和右电极对应的硅衬底，露出底部电极；s6、将制备好的有支撑结构的钽酸锂敏感元粘接到陶瓷底座上，然后钽酸锂敏感元的左电极和右电极的引线键合区域分别与接地引脚和jfet阻抗转换器进行引线键合后，在底部引出第一引脚、第二引脚和第三引脚；
s7、将特定波段滤光片集成到金属管帽上，后金属管帽和底座通过真空或氮气封焊组装。

技术总结
本发明公开了一种钽酸锂敏感元及应用其的红外热释电传感器、制备方法，包括钽酸锂晶圆、底部电极、硅衬底、顶部电极和吸收层。本发明对钽酸锂晶圆顶部金属电极进行图案化处理，对于单个芯片而言，顶部电极通过硬掩膜设计一分为二，和底部金属电极共同构成了两个热释电探测器敏感元，蒸镀有底部电极的钽酸锂晶圆和硅衬底键合后再减薄，可根据实际应用需求减薄到合适的厚度，性能更优，可根据实际需求采用包括表面贴装器件贴片封装等在内的多种封装形式，封装形式多样，顶部电极通过图案化处理，预留引线键合区域，同时设计有对引线键合区域的支撑结构，降低工艺制程风险。降低工艺制程风险。降低工艺制程风险。


技术研发人员：马龙全 武斌 申涛
受保护的技术使用者：深圳市美思先端电子有限公司
技术研发日：2021.12.31
技术公布日：2022/3/8