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1、(10)申请公布号 CN 102842530 A (43)申请公布日 2012.12.26 C N 1 0 2 8 4 2 5 3 0 A *CN102842530A* (21)申请号 201210290315.5 (22)申请日 2012.08.15 H01L 21/70(2006.01) H01L 27/01(2006.01) (71)申请人电子科技大学 地址 610000 四川省成都市高新区（西区）西 源大道2006号 (72)发明人吴传贵 陈冲 彭强祥 曹家强 罗文博 帅垚 张万里 王小川 (74)专利代理机构成都惠迪专利事务所 51215 代理人刘勋 (54) 发明名称 厚膜材料电子。
2、元器件及制备方法 (57) 摘要 厚膜材料电子元器件，属于电子材料与元器 件技术领域。本发明包括带有凹槽的衬底、阻挡 层、底电极、热释电材料和上电极，在上电极和底 电极之间，设置有隔离层，上电极跨越隔离层和隔 离层下方的底电极，连接到热释电材料。本发明可 以有效防止电极间的短路，使热释电厚膜探测器 获得良好的性能，且提高了探测器的成品率。 (51)Int.Cl. 权利要求书2页 说明书5页 附图4页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 2 页 说明书 5 页 附图 4 页 1/2页 2 1.厚膜材料电子元器件，包括带有凹槽的衬底101、阻挡层102、底电极1。
3、03、热 释电材料104和上电极106，其特征在于，在上电极106和底电极103之间，设置有 隔离层105，上电极跨越隔离层105和隔离层105下方的底电极，连接到热释电材料 104。 2.如权利要求1所述的厚膜材料电子元器件，其特征在于，所述隔离层105环状设置 于衬底101的凹槽边缘。 3.如权利要求1所述的厚膜材料电子元器件，其特征在于，所述隔离层105的材料不 同于阻挡层102的材料。 4.如权利要求1所述的厚膜材料电子元器件，其特征在于，所述隔离层105的材料为 光敏感高分子聚合物材料、高灵敏度电子束胶、耐酸碱性保护胶或聚酰亚胺树脂PI；所述 阻挡层102的材料为SiO 2 或Si 。
4、3 N 4 。 5.如权利要求1所述的厚膜材料电子元器件的制备方法，其特征在于，包括下述步骤： 步骤1：制备衬底101和阻挡层材料102； 步骤2：在阻挡层材料102上制备底电极103； 步骤3：在底电极103上硅杯凹槽里制备热释电材料104； 步骤4：热释电材料104高温烧结成瓷； 步骤5：在硅杯凹槽边缘光刻形成隔离层图形，然后高温固化形成隔离层105； 步骤6：在热释电材料104和隔离层105上方引出上电极106。 6.如权利要求5所述的厚膜材料电子元器件的制备方法，其特征在于，所述步骤1包 括： (1.1)厚度300m(100)晶向的硅衬底101热氧化前预处理：先把硅片放入浓硫酸 加热煮。
5、30min，接着硅片放入浓盐酸中继续加热煮30min，然后用氢氟酸清洗10min，最后用 等离子水冲洗，氮气吹干；把预处理后的硅衬底101放入1100的三管扩散炉中热氧化 沉积一层二氧化硅薄膜，厚度0.5m； (1.2)在硅片正面光刻腐蚀窗口； (1.3)配置25wt.%的TMAH溶液对基片进行各向异性腐蚀，按3g/100ml的比例加入 (NH 4 )S 2 O 8 ，溶液温度为78，腐蚀时间1h30min，形成深度为30m硅杯凹槽； (1.4)重复步骤(1.1)，沉积厚度1m的二氧化硅薄膜。 7.如权利要求5所述的厚膜材料电子元器件的制备方法，其特征在于，所述步骤2、3、4 为： 步骤2：用。
6、丙酮、酒精超声振荡清洗硅片，通过涂胶、坚膜、曝光、显影、后烘等光刻工艺 制作出探测器的底电极对应的图形，然后通过直流磁控溅射沉积Pt/Ti底电极103，电极厚 度为130nm； 步骤3：在硅杯凹槽内和底电极上方用电泳沉积的方法沉积PZT热释电材料104，接 着把厚膜材料烘干，然后等静压； 步骤4：在管式炉中高温烧结至热释电材料104烧结成陶瓷，温度750，保温1h。 8.如权利要求5所述的厚膜材料电子元器件的制备方法，其特征在于，所述步骤5为： 常规清洗硅片表面，在表面涂上光刻胶，转速：4000-5000r/min，热板坚膜： 100/10min，然后光刻出环绕硅杯凹槽边缘的阻挡层图形；最后在。
7、烘箱中进行高温固化， 权 利 要 求 书CN 102842530 A 2/2页 3 温度220，保温1h，制备成厚度为7-8m的隔离层105。 9.如权利要求5所述的厚膜材料电子元器件的制备方法，其特征在于，所述步骤6为： 采用光刻工艺和直流磁控溅射工艺制备Pt/Ti上电极106，电极厚度为130nm。 权 利 要 求 书CN 102842530 A 1/5页 4 厚膜材料电子元器件及制备方法 技术领域 0001 本发明涉及一种厚膜材料电子元器件的制造工艺，尤其涉及填充在硅杯结构中厚 膜材料的一种独特薄膜顶电极引出方法，属于电子材料与元器件技术领域。 背景技术 0002 目前，随着电子设备应用。
8、的空前普及和生产技术的自动化程度日趋完备，大功率 化、小型化、轻量化、多功能化、绿色化以及低成本化不可避免地成为新型电子元器件的发 展方向。厚膜材料电子元器件多应用于的厚膜电路和厚膜混合电路，一般是指通过丝网印 刷、烧成等工序在基片上制作互连导线、电阻、电容、电感等，满足一定功能要求的电路单 元。厚膜材料电子元器件所制作的厚膜混合电路在高温、高压、大功率电路方面有其不可替 代性。 0003 厚膜材料电子元器件是随着厚膜电子材料和厚膜技术的产生而产生，随着其发展 而发展。厚膜材料电子元器件所运用的厚膜技术是集电子材料、多层布线技术、表面微组装 及平面集成技术于一体的微电子技术。在满足大部分电子封。
9、装和互连要求方面，厚膜技术 已历史悠久。特别是在高可靠小批量的军用、航空航天产品以及大批量工业用便携式无线 产品中，该技术都发挥出了显著的优势。 0004 厚膜材料应用广泛，其制备的厚膜电子元器件中的电容多采用平板结构。平板结 构的主要构成是：衬底/电极层/中间绝缘介质层/电极层。如制作一种研究电致发光特 性的厚膜电致发光器件，整个器件结构为ITO透明电极/内电极/厚膜绝缘层/发光层/ ITO透明电极；又如一种硅微超声换能器，其结构为Si衬底/SiO 2 层/粘接层（环氧胶）/下 电极/压电层/上电极。上述例子中有上、下电极层和中间厚膜材料层。其基本原理是通过 电极引入某种触发如光触发或电触发。
10、，使中间厚膜材料层发生变化而获得一定的性能。由 此可见，上述厚膜材料电子元器件中厚膜材料和电极的质量对性能的影响至关重要。因此， 制备性能良好的厚膜材料电子元器件必须获得高性能的厚膜材料和高质量的电极。 0005 传统的厚膜材料电子元器件制作方法是在衬底表面制备热释电厚膜后，再通过等 静压获得平整的厚膜材料，然后引出电极，对厚膜进行极化，获得有一定性能的厚膜材料。 但是上述方法有两个主要的缺陷：缺陷一由于厚膜材料在衬底表面，在经过等静压时，容易 使厚膜开裂；缺陷二电极难以引出。由于厚膜材料的厚度达数十微米，即厚膜表面与衬底 表面存在数十微米的高度差，用传统的剥离法制备电极，首先是难以找到如此厚。
11、度的光刻 胶，而且工艺精度难以保证；其次是制备的电极相对较薄，厚膜材料坡面高且陡，制备上电 极时在坡面可能只有极其稀薄的电极甚至没有电极，使厚膜表面的电极与衬底表面的电极 难以连接起来，造成电极断裂，严重影响电极的质量。传统制备电极也可以采用焊接引线的 方法，但是为了和微机械集成工艺的兼容，电极的制备一般用剥离法制备，而不采用焊接引 线。 0006 因此为了解决以上两个的问题，可采取以下方法（如附图1所示）：先用Si作衬底， 在Si衬底001上制备阻挡层002，接着在正面制备硅杯凹槽，硅杯凹槽具有一定的坡度，然 说 明 书CN 102842530 A 2/5页 5 后利用光刻技术和溅射工艺，形。
12、成底电极图形并溅射底电极003。接着在硅杯里沉积热释电 材料004，在热释电探测单元上面溅射薄膜作为上电极005，再使用双面光刻技术，与正面 探测单元相对应，在基片的背面套刻彼此互不相连的面单元图案，使用湿法腐蚀探测单元 背面的Si衬底，使得每个探测单元悬空，形成热绝缘结构。 0007 上述方法制成的红外探测器用正面腐蚀硅杯凹槽解决了在等静压情况下厚膜材 料开裂的问题，但是没能很好的解决电极引出问题。由于厚膜材料004直接与Si衬底001 接触，在高温烧结时存在相互扩散，严重损害厚膜材料的性能，因此在硅杯中沉积厚膜材料 004之前制备的底电极003必须覆盖整个硅杯凹槽将其二者隔离。然而覆盖整个。
13、硅杯凹槽 底部的底电极003与硅杯凹槽边缘的上电极005非常接近（如附图1所示），而相互靠近的 上下电极会在极化实验时容易短路击穿，严重影响厚膜材料和金属电极的质量，损害热释 电厚膜探测器的性能，造成探测器成品率过低。 0008 因此，如何在制备热释电厚膜探测器过程中防止上下电极短路击穿，从而保证厚 膜材料和金属电极的质量，提高探测器的质量和性能，提高成品率，解决电极引出问题显得 尤为重要。 发明内容 0009 本发明所要解决的技术问题是，提供一种有效的防止上下电极的导通的厚膜材料 电子元器件及制备方法。 0010 本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，厚膜材料电子元器件，包括带有凹 槽的衬。
14、底、阻挡层、底电极、热释电材料和上电极，在上电极和底电极之间，设置有隔离层， 上电极跨越隔离层和隔离层下方的底电极，连接到热释电材料。 0011 所述隔离层环状设置于衬底的凹槽边缘。所述隔离层的材料不同于阻挡层的材 料。所述隔离层的材料为光敏感高分子聚合物材料、高灵敏度电子束胶、耐酸碱性保护胶或 聚酰亚胺树脂PI；所述阻挡层的材料为SiO 2 或Si 3 N 4 。 0012 厚膜材料电子元器件的制备方法包括下述步骤： 0013 步骤1：制备衬底和阻挡层材料； 0014 步骤2：在阻挡层材料上制备底电极； 0015 步骤3：在底电极上硅杯凹槽里制备热释电材料； 0016 步骤4：热释电材料高温。
15、烧结成瓷； 0017 步骤5：在硅杯凹槽边缘光刻形成隔离层图形，然后高温固化形成隔离层； 0018 步骤6：在热释电材料和隔离层上方引出上电极。 0019 本发明可以有效防止电极间的短路，使热释电厚膜探测器获得良好的的性能，且 提高了探测器的成品率。本发明具有如下的优点和积极效果：微机电光刻工艺成熟，能获得 各种所需的阻挡层图形；图形的精度很高，加工精度可达数微米，能满足高密度、高精细的 制备要求；工艺简单，重复性好。 附图说明 0020 图1.现有技术的热释电红外探测器的结构示意图 0021 其中，001是Si衬底，002是SiO 2 薄膜阻挡层，003是底电极，004是热敏感材料， 说 明。
16、 书CN 102842530 A 3/5页 6 005是上电极； 0022 图2.本发明的实施例1的结构示意图 0023 其中，101是Si衬底，102是SiO 2 薄膜阻挡层，103是底电极，104是热释电材料， 105是AZ9260隔离层，106是上电极； 0024 图3.利用本发明所制备的热释电厚膜探测器的工艺流程图 0025 图3a是在Si衬底上制备SiO 2 薄膜阻挡层的示意图 0026 其中，101是Si衬底，102是SiO 2 薄膜阻挡层； 0027 图3b是在Si衬底上制备硅杯凹槽的示意图 0028 其中，101是Si衬底，102是SiO 2 薄膜阻挡层； 0029 图3c是沉。
17、积SiO 2 薄膜阻挡层的示意图 0030 其中，101是Si衬底，102是SiO 2 薄膜阻挡层； 0031 图3d是在SiO 2 薄膜阻挡层上制备Pt/Ti底电极的示意图 0032 其中，101是Si衬底，102是SiO 2 薄膜阻挡层，103是Pt/Ti底电极； 0033 图3e是在Pt/Ti底电极上沉积PZT热释电厚膜的示意图 0034 其中，101是Si衬底，102是SiO 2 薄膜阻挡层，103是Pt/Ti底电极， 0035 104是热释电材料； 0036 图3f是在硅杯凹槽边缘制备AZ9260阻挡层的示意图 0037 其中，101是Si衬底，102是SiO 2 薄膜阻挡层，103。
18、是Pt/Ti底电极， 0038 104是热释电材料，105是AZ9260隔离层； 0039 图3g是在PZT热释电厚膜和AZ9260阻挡层上制备Pt/Ti上电极的示意图 0040 其中，101是Si衬底，102是SiO 2 薄膜阻挡层，103是Pt/Ti底电极， 0041 104是热释电材料，105是AZ9260阻挡层，106是Pt/Ti上电极； 0042 图4.利用本发明所制备的热释电厚膜探测器的热释电电压响应曲线图 0043 其中，107是热释电电压模拟曲线，108是热释电电压测试曲线； 具体实施方式 0044 本发明立足于微机械工艺，利用光刻技术，采用一种隔离材料在硅杯凹槽边缘刻 出所需。
19、的图形，然后高温固化形成阻挡层，最后通过光刻技术和溅射工艺引出上电极。上述 该阻挡层处于底电极、厚膜材料和上电极之间，不仅能巧妙的引出上电极，并且有效的防止 上下电极的导通，而且工艺简单、精度可控，制成的器件性能优良。 0045 作为实施例1，厚膜材料电子元器件为热释电厚膜探测器，结构示意图如图2所 示。其包括带有凹槽的衬底101、阻挡层102、底电极103、热释电材料104和上电极106，在 上电极106和底电极103之间，设置有隔离层105，上电极跨越隔离层105和隔离层105下 方的底电极，连接到热释电材料104。所述隔离层105环状设置于衬底101的凹槽边缘，隔 离层105覆盖凹槽边缘。
20、处的底电极103和热释电材料104的局部，使上电极106和底电极 103完全隔离。 0046 所述隔离层105的材料不同于阻挡层102的材料。所述隔离层105的材料为光敏 感高分子聚合物材料、高灵敏度电子束胶、耐酸碱性保护胶或聚酰亚胺树脂PI；所述阻挡 层102的材料为SiO 2 或Si 3 N 4 。 说 明 书CN 102842530 A 4/5页 7 0047 本发明还提供厚膜材料电子元器件的制备方法，包括以下顺序步骤： 0048 步骤1：获得衬底101和阻挡层材料102。衬底形成凹槽解决了热释电厚膜材料开 裂的问题，但是对形成的凹槽必须有所要求的。要求凹槽存在一定的坡度，因为如果凹槽的。
21、 坡面近似垂直，在制备底电极时在凹槽坡面可能只有极其的稀薄电极甚至没有电极，使得 凹槽底面的底电极就无法和衬底表面的底电极连接起来，电极就会断裂开，严重损害电极 的质量，因此要求衬底材料形成的凹槽存在一定的坡度。硅基片不仅满足上述要求，而且体 硅技术工艺简单，可重复性高，且与厚膜工艺兼容性好，基于这些优点衬底材料101选用硅 基片。衬底101的厚度为0.3-1mm。 0049 腐蚀或者干法刻蚀硅杯凹槽。要获得具有一定坡度的凹槽所选用的方法有：腐蚀 或干法刻蚀。腐蚀的方法形成硅杯凹槽所用的各向异性腐蚀液主要有：氢氧化钾（KOH）、有 机溶液EDP、四甲基氢氧化铵（TMAH）等；而干法刻蚀主要有：。
22、化学干法等离子体刻蚀、物理 干法等离子体刻蚀以及化学/物理结合作用的反应离子刻蚀（RIE）和高密度等离子体刻蚀 （HDP）。制备硅杯凹槽的深度为5-50m。 0050 对于阻挡层材料102，可选用的材料有：SiO 2 ，或多孔SiO 2 ，或氮化硅(Si 3 N 4 )；相应 的制备方法有溅射，或脉冲激光沉积(PLD)，或金属有机物化学气相沉积(MOCVD)，或等离 子体化学气相沉积(PEVCD)；阻挡层材料102的厚度为200nm-2m。 0051 步骤2：在阻挡层材料102上制备底电极103。底电极103可选用的材料有：铂 （Pt），或金(Au)，或锰酸锶镧（LSMO），或镧锶钴氧（LSC。
23、O），或钇钡铜氧(YBaCuO)等；底电极 103的厚度为10nm-1m；底电极103的制备方法有溅射，或PLD。 0052 步骤3：在底电极103上硅杯凹槽里制备热释电材料104。热释电材料104可选用 的材料主要有：锆钛酸铅镧PLZT，(Pb,La)(Zr,Ti)O 3 ，或锆钛酸铅Pb(Zr 1-x Ti x )O 3 ，或钛 酸锶钡（BST），或聚偏氟乙烯（PVDF），或PVDF/PZT复合材料，或PVDF/BST复合材料，或聚合 物薄膜(PVF2)等；热释电材料104的厚度与步骤1中硅杯凹槽深度相同。热释电材料104 的制备方法有：丝网印刷、电泳沉积、电镀或者流延法等；对制备的热释电。
24、材料104进行等 静压增加其表面平整度。 0053 步骤4：热释电材料104高温烧结成瓷。常用的烧结炉主要有：连续式网带烧结 炉（1150），推杆式烧结炉（1250），钢带烧结炉（1000），管式烧结炉等；烧结温度为 650-1000，保温0.5-3h。 0054 步骤5：在硅杯凹槽边缘光刻隔离材料形成隔离层图形，然后高温固化形成阻挡 层105。由于本发明基于微机械工艺，利用光刻技术，因此选用的隔离材料与上述步骤1已 叙述的多种阻挡层材料和制备方法会有所不同，这也是本发明的创新点。隔离材料可选用： 光敏感高分子聚合物材料、或高灵敏度电子束胶、或耐酸碱性保护胶、或聚酰亚胺树脂PI 等；通过涂胶、。
25、坚膜、曝光、显影、后烘等一系列的光刻工艺步骤，形成所需隔离层图形，即是 形成环绕硅杯凹槽边缘隔离层图形，该阻挡层把图1中相互靠近的上下电极实现电绝缘， 使上电极106（附图2中）能顺利的引出。最后把探测器单元放入烘箱中进行高温固化，温 度150-250，保温0.5-2h，隔离层的厚度为5-15m。 0055 步骤6：在热释电材料104和隔离层105上方引出上电极106。上电极106的材料 和制备方法在步骤2相同，上电极106的厚度为10nm-1m。 0056 更具体的制备方法的实施例如下： 说 明 书CN 102842530 A 5/5页 8 0057 (1)厚度300m(100)晶向的硅衬底。
26、101热氧化前预处理：先把硅片放入浓硫酸 加热煮30min，接着硅片放入浓盐酸中继续加热煮30min，然后用氢氟酸清洗10min，最后用 等离子水冲洗，氮气把硅片吹干。把预处理后的硅衬底101放入1100的三管扩散炉中热 氧化沉积一层二氧化硅薄膜102，厚度0.5m。如附图3a所示。本实施例中，浓硫酸的浓 度为71.5%，浓盐酸的浓度为77.7%，浓硫酸和浓硫酸的浓度也可以为其他的近似值，本发 明并不局限于硫酸和盐酸的具体浓度数值。 0058 (2)在硅片正面光刻腐蚀窗口，配制BOE溶液，将用光刻胶作掩膜的Si片放入BOE 溶液中浸泡15分钟，得到以SiO 2 为掩膜的腐蚀窗口。 0059 (。
27、3)配置25wt.%的TMAH溶液对基片进行各向异性腐蚀，按3g/100ml的比例加入 (NH 4 )S 2 O 8 ，溶液温度为78，腐蚀时间1h30min形成深度为30m硅杯凹槽。如附图3b所 示。 0060 (4)重复步骤(1)，沉积厚度1m的二氧化硅薄膜102。如附图3c所示。 0061 (5)用丙酮、酒精超声振荡清洗硅片，通过涂胶、坚膜、曝光、显影、后烘等光刻工艺 制作出探测器的底电极对应的图形，然后通过直流磁控溅射沉积Pt/Ti底电极103，电极厚 度为130nm。如附图3d所示。 0062 (6)在硅杯凹槽内和底电极上方用电泳沉积的方法沉积PZT热释电厚膜材料104， 接着把厚膜。
28、材料烘干，然后等静压，最后在管式炉中高温烧结成陶瓷，温度750，保温1h。 如附图3e所示。 0063 (7)常规清洗硅片表面，在表面涂上光刻胶，胶型为AZ9260，转速：4000-5000r/ min，热板坚膜：100/10min，然后按照上述步骤(5)中的光刻工艺光刻出环绕硅杯凹槽边 缘的阻挡层图形。最后在烘箱中进行高温固化，温度220，保温1h，制备成厚度为7-8m 的阻挡层105。如附图3f所示。 0064 (8)重复上述步骤(5)中的光刻工艺和直流磁控溅射工艺制备Pt/Ti上电极106。 电极厚度为130nm。如附图3g所示。 0065 对上述热释电厚膜探测器进行热释电性能测试，测试。
29、结果如附图4所示。 0066 附图4是热释电厚膜探测器的热释电电压响应曲线，实际测得的曲线108与模 拟曲线107符合良好，曲线比较平滑且干扰信号较少。通过计算得出的热释电系数为 1.0510 -8 Ccm -2 K -1 ，表明所制备的探测器热释电性能良好。 说 明 书CN 102842530 A 1/4页 9 图1 图2 图3a 说 明 书 附 图CN 102842530 A 2/4页 10 图3b 图3c 图3d 说 明 书 附 图CN 102842530 A 10 3/4页 11 图3e 图3f 图3g 说 明 书 附 图CN 102842530 A 11 4/4页 12 图4 说 明 书 附 图CN 102842530 A 12 。