專利名稱：厚膜材料電子元器件及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種厚膜材料電子元器件的制造エ藝，尤其涉及填充在硅杯結(jié)構(gòu)中厚膜材料的ー種獨特薄膜頂電極引出方法，屬于電子材料與元器件技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前，隨著電子設(shè)備應(yīng)用的空前普及和生產(chǎn)技術(shù)的自動化程度日趨完備，大功率化、小型化、輕量化、多功能化、緑色化以及低成本化不可避免地成為新型電子元器件的發(fā)展方向。厚膜材料電子元器件多應(yīng)用于的厚膜電路和厚膜混合電路，一般是指通過絲網(wǎng)印刷、燒成等エ序在基片上制作互連導(dǎo)線、電阻、電容、電感等，滿足一定功能要求的電路單 元。厚膜材料電子元器件所制作的厚膜混合電路在高溫、高壓、大功率電路方面有其不可替代性。厚膜材料電子元器件是隨著厚膜電子材料和厚膜技術(shù)的產(chǎn)生而產(chǎn)生，隨著其發(fā)展而發(fā)展。厚膜材料電子元器件所運用的厚膜技術(shù)是集電子材料、多層布線技術(shù)、表面微組裝及平面集成技術(shù)于一體的微電子技木。在滿足大部分電子封裝和互連要求方面，厚膜技術(shù)已歷史悠久。特別是在高可靠小批量的軍用、航空航天產(chǎn)品以及大批量エ業(yè)用便攜式無線產(chǎn)品中，該技術(shù)都發(fā)揮出了顯著的優(yōu)勢。厚膜材料應(yīng)用廣泛，其制備的厚膜電子元器件中的電容多采用平板結(jié)構(gòu)。平板結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)成是襯底/電極層/中間絕緣介質(zhì)層/電極層。如制作ー種研究電致發(fā)光特性的厚膜電致發(fā)光器件，整個器件結(jié)構(gòu)為ITO透明電極/內(nèi)電極/厚膜絕緣層/發(fā)光層/ITO透明電極；又如一種硅微超聲換能器，其結(jié)構(gòu)為Si襯底/SiO2層/粘接層(環(huán)氧膠)/下電極/壓電層/上電極。上述例子中有上、下電極層和中間厚膜材料層。其基本原理是通過電極引入某種觸發(fā)如光觸發(fā)或電觸發(fā)，使中間厚膜材料層發(fā)生變化而獲得一定的性能。由此可見，上述厚膜材料電子元器件中厚膜材料和電極的質(zhì)量對性能的影響至關(guān)重要。因此，制備性能良好的厚膜材料電子元器件必須獲得高性能的厚膜材料和高質(zhì)量的電極。傳統(tǒng)的厚膜材料電子元器件制作方法是在襯底表面制備熱釋電厚膜后，再通過等靜壓獲得平整的厚膜材料，然后引出電極，對厚膜進(jìn)行極化，獲得有一定性能的厚膜材料。但是上述方法有兩個主要的缺陷缺陷一由于厚膜材料在襯底表面，在經(jīng)過等靜壓時，容易使厚膜開裂；缺陷ニ電極難以引出。由于厚膜材料的厚度達(dá)數(shù)十微米，即厚膜表面與襯底表面存在數(shù)十微米的高度差，用傳統(tǒng)的剝離法制備電極，首先是難以找到如此厚度的光刻膠，而且エ藝精度難以保證；其次是制備的電極相對較薄，厚膜材料坡面高且陡，制備上電極時在坡面可能只有極其稀薄的電極甚至沒有電極，使厚膜表面的電極與襯底表面的電極難以連接起來，造成電極斷裂，嚴(yán)重影響電極的質(zhì)量。傳統(tǒng)制備電極也可以采用焊接引線的方法，但是為了和微機(jī)械集成エ藝的兼容，電極的制備一般用剝離法制備，而不采用焊接引線。因此為了解決以上兩個的問題，可采取以下方法(如附圖I所示):先用Si作襯底，在Si襯底001上制備阻擋層002，接著在正面制備硅杯凹槽，硅杯凹槽具有一定的坡度，然后利用光刻技術(shù)和濺射エ藝，形成底電極圖形并濺射底電極003。接著在硅杯里沉積熱釋電材料004，在熱釋電探測單元上面濺射薄膜作為上電極005，再使用雙面光刻技術(shù)，與正面探測單元相對應(yīng)，在基片的背面套刻彼此互不相連的面單元圖案，使用濕法腐蝕探測単元背面的Si襯底，使得每個探測單元懸空，形成熱絕緣結(jié)構(gòu)。上述方法制成的紅外探測器用正面腐蝕硅杯凹槽解決了在等靜壓情況下厚膜材料開裂的問題，但是沒能很好的解決電極引出問題。由于厚膜材料004直接與Si襯底001接觸，在高溫?zé)Y(jié)時存在相互擴(kuò)散，嚴(yán)重?fù)p害厚膜材料的性能，因此在硅杯中沉積厚膜材料004之前制備的底電極003必須覆蓋整個硅杯凹槽將其二者隔離。然而覆蓋整個硅杯凹槽底部的底電極003與硅杯凹槽邊緣的上電極005非常接近(如附圖I所示)，而相互靠近的上下電極會在極化實驗時容易短路擊穿，嚴(yán)重影響厚膜材料和金屬電極的質(zhì)量，損害熱釋電厚膜探測器的性能，造成探測器成品率過低。因此，如何在制備熱釋電厚膜探測器過程中防止上下電極短路擊穿，從而保證厚膜材料和金屬電極的質(zhì)量，提高探測器的質(zhì)量和性能，提高成品率，解決電極引出問題顯得尤為重要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種有效的防止上下電極的導(dǎo)通的厚膜材料電子元器件及制備方法。本發(fā)明解決所述技術(shù)問題采用的技術(shù)方案是，厚膜材料電子元器件，包括帶有凹槽的襯底、阻擋層、底電極、熱釋電材料和上電極，在上電極和底電極之間，設(shè)置有隔離層，上電極跨越隔離層和隔離層下方的底電極，連接到熱釋電材料。所述隔離層環(huán)狀設(shè)置于襯底的凹槽邊緣。所述隔離層的材料不同于阻擋層的材料。所述隔離層的材料為光敏感高分子聚合物材料、高靈敏度電子束膠、耐酸堿性保護(hù)膠或聚酰亞胺樹脂PI ;所述阻擋層的材料為SiO2或Si3N4。厚膜材料電子元器件的制備方法包括下述步驟步驟I :制備襯底和阻擋層材料；步驟2 :在阻擋層材料上制備底電極；步驟3 :在底電極上硅杯凹槽里制備熱釋電材料；步驟4 :熱釋電材料高溫?zé)Y(jié)成瓷；步驟5 :在硅杯凹槽邊緣光刻形成隔離層圖形，然后高溫固化形成隔離層；步驟6 :在熱釋電材料和隔離層上方引出上電極。本發(fā)明可以有效防止電極間的短路，使熱釋電厚膜探測器獲得良好的的性能，且提高了探測器的成品率。本發(fā)明具有如下的優(yōu)點和積極效果微機(jī)電光刻エ藝成熟，能獲得各種所需的阻擋層圖形；圖形的精度很高，加工精度可達(dá)數(shù)微米，能滿足高密度、高精細(xì)的制備要求；エ藝簡單，重復(fù)性好。


圖I.現(xiàn)有技術(shù)的熱釋電紅外探測器的結(jié)構(gòu)示意圖其中，001是Si襯底，002是SiO2薄膜阻擋層，003是底電極，004是熱敏感材料，005是上電極；圖2.本發(fā)明的實施例I的結(jié)構(gòu)示意圖其中，101是Si襯底，102是SiO2薄膜阻擋層，103是底電極，104是熱釋電材料，105是AZ9260隔離層，106是上電極；圖3.利用本發(fā)明所制備的熱釋電厚膜探測器的エ藝流程3a是在Si襯底上制備SiO2薄膜阻擋層的示意圖其中，101是Si襯底，102是SiO2薄膜阻擋層；圖3b是在Si襯底上制備硅杯凹槽的示意圖
其中，101是Si襯底，102是SiO2薄膜阻擋層；圖3c是沉積SiO2薄膜阻擋層的示意圖其中，101是Si襯底，102是SiO2薄膜阻擋層；圖3d是在SiO2薄膜阻擋層上制備Pt/Ti底電極的示意圖其中，101是Si襯底，102是SiO2薄膜阻擋層，103是Pt/Ti底電極；圖3e是在Pt/Ti底電極上沉積PZT熱釋電厚膜的示意圖其中，101是Si襯底，102是SiO2薄膜阻擋層，103是Pt/Ti底電極，104是熱釋電材料；圖3f是在硅杯凹槽邊緣制備AZ9260阻擋層的示意圖其中，101是Si襯底，102是SiO2薄膜阻擋層，103是Pt/Ti底電極，104是熱釋電材料，105是AZ9260隔離層；圖3g是在PZT熱釋電厚膜和AZ9260阻擋層上制備Pt/Ti上電極的示意圖其中，101是Si襯底，102是SiO2薄膜阻擋層，103是Pt/Ti底電極，104是熱釋電材料，105是AZ9260阻擋層，106是Pt/Ti上電極；圖4.利用本發(fā)明所制備的熱釋電厚膜探測器的熱釋電電壓響應(yīng)曲線圖其中，107是熱釋電電壓模擬曲線，108是熱釋電電壓測試曲線；
具體實施例方式本發(fā)明立足于微機(jī)械エ藝，利用光刻技術(shù)，采用一種隔離材料在硅杯凹槽邊緣刻出所需的圖形，然后高溫固化形成阻擋層，最后通過光刻技術(shù)和濺射エ藝引出上電極。上述該阻擋層處于底電極、厚膜材料和上電極之間，不僅能巧妙的引出上電極，并且有效的防止上下電極的導(dǎo)通，而且エ藝簡單、精度可控，制成的器件性能優(yōu)良。作為實施例1，厚膜材料電子元器件為熱釋電厚膜探測器，結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。其包括帶有凹槽的襯底101、阻擋層102、底電極103、熱釋電材料104和上電極106，在上電極106和底電極103之間，設(shè)置有隔尚層105,上電極跨越隔尚層105和隔尚層105下方的底電極，連接到熱釋電材料104。所述隔離層105環(huán)狀設(shè)置于襯底101的凹槽邊緣，隔離層105覆蓋凹槽邊緣處的底電極103和熱釋電材料104的局部，使上電極106和底電極103完全隔離。所述隔離層105的材料不同于阻擋層102的材料。所述隔離層105的材料為光敏感高分子聚合物材料、高靈敏度電子束膠、耐酸堿性保護(hù)膠或聚酰亞胺樹脂PI ;所述阻擋層102的材料為SiO2或Si3N4。
本發(fā)明還提供厚膜材料電子元器件的制備方法，包括以下順序步驟步驟I :獲得襯底101和阻擋層材料102。襯底形成凹槽解決了熱釋電厚膜材料開裂的問題，但是對形成的凹槽必須有所要求的。要求凹槽存在一定的坡度，因為如果凹槽的坡面近似垂直，在制備底電極時在凹槽坡面可能只有極其的稀薄電極甚至沒有電極，使得凹槽底面的底電極就無法和襯底表面的底電極連接起來，電極就會斷裂開，嚴(yán)重?fù)p害電極的質(zhì)量，因此要求襯底材料形成的凹槽存在一定的坡度。硅基片不僅滿足上述要求，而且體硅技木工藝簡單，可重復(fù)性高，且與厚膜エ藝兼容性好，基于這些優(yōu)點襯底材料101選用硅基片。襯底101的厚度為0. 3-lmm。腐蝕或者干法刻蝕硅杯凹槽。要獲得具有一定坡度的凹槽所選用的方法有腐蝕或干法刻蝕。腐蝕的方法形成硅杯凹槽所用的各向異性腐蝕液主要有氫氧化鉀(K0H)、有機(jī)溶液EDP、四甲基氫氧化銨(TMAH)等；而干法刻蝕主要有化學(xué)干法等離子體刻蝕、物理干法等離子體刻蝕以及化學(xué)/物理結(jié)合作用的反應(yīng)離子刻蝕(RIE)和高密度等離子體刻蝕(HDP)。制備硅杯凹槽的深度為5-50 iim?！τ谧钃鯇硬牧?02，可選用的材料有=SiO2，或多孔SiO2，或氮化硅(Si3N4);相應(yīng)的制備方法有濺射，或脈沖激光沉積(PLD)，或金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)，或等離子體化學(xué)氣相沉積(PEV⑶)；阻擋層材料102的厚度為200nm-2iim。步驟2 :在阻擋層材料102上制備底電極103。底電極103可選用的材料有鉬(Pt)，或金(Au)，或錳酸鍶鑭(LSM0)，或鑭鍶鈷氧(LSC0)，或釔鋇銅氧(YBaCuO)等；底電極103的厚度為IOnm-I u m ;底電極103的制備方法有濺射，或PLD。步驟3 :在底電極103上硅杯凹槽里制備熱釋電材料104。熱釋電材料104可選用的材料主要有:鋯鈦酸鉛鑭〔PLZT，(Pb, La) (Zr, Ti) O3)，或鋯鈦酸鉛〔Pb (Zr1-Jix) O3),或鈦酸鍶鋇(BST)，或聚偏氟こ烯(PVDF)，或PVDF/PZT復(fù)合材料，或PVDF/BST復(fù)合材料，或聚合物薄膜(PVF2)等；熱釋電材料104的厚度與步驟I中硅杯凹槽深度相同。熱釋電材料104的制備方法有絲網(wǎng)印刷、電泳沉積、電鍍或者流延法等；對制備的熱釋電材料104進(jìn)行等靜壓增加其表面平整度。步驟4:熱釋電材料104高溫?zé)Y(jié)成瓷。常用的燒結(jié)爐主要有連續(xù)式網(wǎng)帶燒結(jié)爐(1150°C)，推桿式燒結(jié)爐(1250°C)，鋼帶燒結(jié)爐(1000°C)，管式燒結(jié)爐等；燒結(jié)溫度為650-1000°C，保溫 0. 5-3h。步驟5 :在硅杯凹槽邊緣光刻隔離材料形成隔離層圖形，然后高溫固化形成阻擋層105。由于本發(fā)明基于微機(jī)械エ藝，利用光刻技術(shù)，因此選用的隔離材料與上述步驟I已敘述的多種阻擋層材料和制備方法會有所不同，這也是本發(fā)明的創(chuàng)新點。隔離材料可選用光敏感高分子聚合物材料、或高靈敏度電子束膠、或耐酸堿性保護(hù)膠、或聚酰亞胺樹脂PI等；通過涂膠、堅膜、曝光、顯影、后烘等一系列的光刻エ藝步驟，形成所需隔離層圖形，即是形成環(huán)繞硅杯凹槽邊緣隔離層圖形，該阻擋層把圖I中相互靠近的上下電極實現(xiàn)電絕緣，使上電極106 (附圖2中)能順利的引出。最后把探測器單元放入烘箱中進(jìn)行高溫固化，溫度150-250°C，保溫0. 5-2h，隔離層的厚度為5-15 Um0步驟6 :在熱釋電材料104和隔離層105上方引出上電極106。上電極106的材料和制備方法在步驟2相同，上電極106的厚度為IOnm-I u m。更具體的制備方法的實施例如下
(I)厚度300 Um(IOO)晶向的硅襯底101熱氧化前預(yù)處理先把硅片放入濃硫酸加熱煮30min,接著娃片放入濃鹽酸中繼續(xù)加熱煮30min,然后用氫氟酸清洗IOmin,最后用等離子水沖洗，氮氣把硅片吹干。把預(yù)處理后的硅襯底101放入1100°C的三管擴(kuò)散爐中熱氧化沉積ー層ニ氧化硅薄膜102，厚度0. 5 ii m。如附圖3a所示。本實施例中，濃硫酸的濃度為71. 5%，濃鹽酸的濃度為77. 7%，濃硫酸和濃硫酸的濃度也可以為其他的近似值，本發(fā)明并不局限于硫酸和鹽酸的具體濃度數(shù)值。(2)在硅片正面光刻腐蝕窗ロ，配制BOE溶液，將用光刻膠作掩膜的Si片放入BOE溶液中浸泡15分鐘，得到以SiO2為掩膜的腐蝕窗ロ。(3)配置25wt. %的TMAH溶液對基片進(jìn)行各向異性腐蝕，按3g/100ml的比例加入(NH4) S2O8，溶液溫度為78°C，腐蝕時間lh30min形成深度為30 硅杯凹槽。如附圖3b所 /Jn o(4)重復(fù)步驟⑴，沉積厚度I U m的ニ氧化硅薄膜102。如附圖3c所示。(5)用丙酮、酒精超聲振蕩清洗硅片，通過涂膠、堅膜、曝光、顯影、后烘等光刻エ藝制作出探測器的底電極對應(yīng)的圖形，然后通過直流磁控濺射沉積Pt/Ti底電極103，電極厚度為130nm。如附圖3d所示。(6)在硅杯凹槽內(nèi)和底電極上方用電泳沉積的方法沉積PZT熱釋電厚膜材料104，接著把厚膜材料烘干，然后等靜壓，最后在管式爐中高溫?zé)Y(jié)成陶瓷，溫度750°C，保溫lh。如附圖3e所示。(7)常規(guī)清洗硅片表面，在表面涂上光刻膠，膠型為AZ9260，轉(zhuǎn)速4000-5000r/min，熱板堅膜100°C/10min，然后按照上述步驟(5)中的光刻エ藝光刻出環(huán)繞硅杯凹槽邊緣的阻擋層圖形。最后在烘箱中進(jìn)行高溫固化，溫度220°C，保溫lh，制備成厚度為7-Sym的阻擋層105。如附圖3f所示。(8)重復(fù)上述步驟(5)中的光刻エ藝和直流磁控濺射エ藝制備Pt/Ti上電極106。電極厚度為130nm。如附圖3g所示。對上述熱釋電厚膜探測器進(jìn)行熱釋電性能測試，測試結(jié)果如附圖4所示。附圖4是熱釋電厚膜探測器的熱釋電電壓響應(yīng)曲線，實際測得的曲線108與模擬曲線107符合良好，曲線比較平滑且干擾信號較少。通過計算得出的熱釋電系數(shù)為
I.05X Kr8Ccnr2IT1,表明所制備的探測器熱釋電性能良好。
權(quán)利要求
1.厚膜材料電子元器件，包括帶有凹槽的襯底[101]、阻擋層[102]、底電極[103]、熱釋電材料[104]和上電極[106]，其特征在于，在上電極[106]和底電極[103]之間，設(shè)置有隔離層[105]，上電極跨越隔離層[105]和隔離層[105]下方的底電極，連接到熱釋電材料[104]。
2.如權(quán)利要求I所述的厚膜材料電子元器件，其特征在于，所述隔離層[105]環(huán)狀設(shè)置于襯底[101]的凹槽邊緣。
3.如權(quán)利要求I所述的厚膜材料電子元器件，其特征在于，所述隔離層[105]的材料不同于阻擋層[102]的材料。
4.如權(quán)利要求I所述的厚膜材料電子元器件，其特征在于，所述隔離層[105]的材料為光敏感高分子聚合物材料、高靈敏度電子束膠、耐酸堿性保護(hù)膠或聚酰亞胺樹脂PI ;所述阻擋層[102]的材料為SiO2或Si3N40
5.如權(quán)利要求I所述的厚膜材料電子元器件的制備方法，其特征在于，包括下述步驟 步驟I :制備襯底[101]和阻擋層材料[102]； 步驟2 :在阻擋層材料[102]上制備底電極[103]； 步驟3 :在底電極[103]上硅杯凹槽里制備熱釋電材料[104]； 步驟4 :熱釋電材料[104]高溫?zé)Y(jié)成瓷； 步驟5:在硅杯凹槽邊緣光刻形成隔離層圖形，然后高溫固化形成隔離層[105]； 步驟6 :在熱釋電材料[104]和隔離層[105]上方引出上電極[106]。
6.如權(quán)利要求5所述的厚膜材料電子元器件的制備方法，其特征在于，所述步驟I包括 (I. D厚度300iim(100)晶向的硅襯底[101]熱氧化前預(yù)處理先把硅片放入濃硫酸加熱煮30min,接著娃片放入濃鹽酸中繼續(xù)加熱煮30min,然后用氫氟酸清洗IOmin,最后用等離子水沖洗，氮氣吹干；把預(yù)處理后的硅襯底[101]放入1100°C的三管擴(kuò)散爐中熱氧化沉積ー層ニ氧化硅薄膜，厚度0. 5 m ; (1.2)在硅片正面光刻腐蝕窗ロ ； (I. 3)配置25wt.%的TMAH溶液對基片進(jìn)行各向異性腐蝕，按3g/100ml的比例加入(NH4) S2O8,溶液溫度為78°C，腐蝕時間lh30min，形成深度為30 y m硅杯凹槽； (I. 4)重復(fù)步驟(I. I)，沉積厚度I U m的ニ氧化硅薄膜。
7.如權(quán)利要求5所述的厚膜材料電子元器件的制備方法，其特征在于，所述步驟2、3、4為 步驟2 :用丙酮、酒精超聲振蕩清洗硅片，通過涂膠、堅膜、曝光、顯影、后烘等光刻エ藝制作出探測器的底電極對應(yīng)的圖形，然后通過直流磁控濺射沉積Pt/Ti底電極103，電極厚度為130nm ； 步驟3 :在硅杯凹槽內(nèi)和底電極上方用電泳沉積的方法沉積PZT熱釋電材料[104]，接著把厚膜材料烘干，然后等靜壓； 步驟4:在管式爐中高溫?zé)Y(jié)至熱釋電材料[104]燒結(jié)成陶瓷，溫度750°C，保溫lh。
8.如權(quán)利要求5所述的厚膜材料電子元器件的制備方法，其特征在于，所述步驟5為 常規(guī)清洗硅片表面，在表面涂上光刻膠，轉(zhuǎn)速4000-5000r/min，熱板堅膜IOO0C /lOmin，然后光刻出環(huán)繞硅杯凹槽邊緣的阻擋層圖形；最后在烘箱中進(jìn)行高溫固化，溫度220°C，保溫Ih,制備成厚度為7-8 u m的隔離層[105]。
9.如權(quán)利要求5所述的厚膜材料電子元器件的制備方法，其特征在于，所述步驟6為采用光刻エ藝和直流磁控濺射エ藝制備Pt/Ti上電極[106]，電極厚度為130nm。
全文摘要
厚膜材料電子元器件，屬于電子材料與元器件技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明包括帶有凹槽的襯底、阻擋層、底電極、熱釋電材料和上電極，在上電極和底電極之間，設(shè)置有隔離層，上電極跨越隔離層和隔離層下方的底電極，連接到熱釋電材料。本發(fā)明可以有效防止電極間的短路，使熱釋電厚膜探測器獲得良好的性能，且提高了探測器的成品率。
文檔編號H01L27/01GK102842530SQ20121029031
公開日2012年12月26日 申請日期2012年8月15日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月15日
發(fā)明者吳傳貴, 陳沖, 彭強(qiáng)祥, 曹家強(qiáng), 羅文博, 帥垚, 張萬里, 王小川 申請人:電子科技大學(xué)