钽酸锂薄膜离子束增强沉积制备及其红外热波成像应用研究

室温红外探测是重要的军民多用技术，在飞机结构疲劳裂纹、蒙皮下隐性腐蚀、飞机复合材料构件内部缺陷和发动机绝热层脱粘等红外热波成像无损检测方面有广泛的应用需求。室温红外探测器是非制冷红外热波成像系统的核心，钽酸锂薄膜是室温红外探测和成像的优良敏感膜。拟在前国家自然科学基金对红外探测基本理论和溶胶凝胶钽酸锂薄膜红外探测单元器件制备研究的基础上，利用离子束增强沉积方法，干法制备高性能的钽酸锂敏感膜，研制热波红外成像探测阵列器件制备关键技术。从离子束增强沉积钽酸锂薄膜的靶材、溅射率、组分比等工艺条件研究，到室温红外成像阵列器件结构设计、薄膜性能测试、悬空结构形成、钽酸锂薄膜红外探测单元器件和阵列制备工艺试验与性能测试等多个方面展开研究，最终研制出探测率高于1×10<!上标>7<!上标>cmHz<!上标>1/2<！上标>/W、悬空结构非制冷钽酸锂敏感膜红外单元探测器和16×1线阵列成像探测器原型器件。

钽酸锂薄膜是近年来室温热释电红外探测器研究热点材料，具有很好的市场价值。本课题设计了多层钽酸锂薄膜红外探测器结构模型，深入讨论探测器结构参数与性能关系，模拟计算不同结构参数对探测器热扩散及热电响应性能影响，优化了探测器结构设计参数。通过活性化合物烧结工艺，成功制备了11mm×1100mm×1300mm大尺寸钽酸锂靶，XRD分析表明该靶晶相纯度高。利用离子束增强沉积工艺，以氩离子轰击钽酸锂靶形成团簇在Pt/Ti/SiO<！下标>2<！下标>/Si衬底上制备了350-800nm厚、致密无龟裂的钽酸锂薄膜。根据ICP分析结果，将钽酸锂靶中添加过量5atm%锂元素，解决了所制备薄膜组分偏析问题。采取多次交替沉积退火工艺解决了钽酸锂薄膜膨胀系数与硅衬底不匹配造成的薄膜退火中易龟裂问题。电性能测试结果显示，所制备钽酸锂薄膜具有低介电常数、低介电损耗、低漏电流、高热释电系数、高剩余极化强度、强抗击穿能力和抗疲劳特性，已能满足红外探测器实际应用需求。同时，利用独创的溶胶凝胶法制备了多孔化率高达62.8%的二氧化硅薄膜；用离子注入法形成多孔化率17%-29%的多孔氧化硅膜层。筛选了二氧化钛、二氧化锆等优异掩膜材料，实现对硅衬底背面悬空结构无损伤刻蚀，利用硅的各向异性腐蚀工艺，完成了硅衬底MEMS加工，实现了低成本制作悬空结构的工艺突破。针对湿法工艺会引起钽酸锂薄膜漏导增加、铁电和热释电性能劣化、甚至失效情况，创新性提出了用铜掩膜、干法腐蚀制备Pt电极、再用铜箔分立掩膜蒸镀工艺制备钽酸锂薄膜，避免了溶剂、水、酸、碱的使用，保证了钽酸锂薄膜的可靠性。通过离子束增强沉积工艺、光刻工艺、刻蚀工艺及蒸镀工艺等系列工艺成功制备出16×1线阵列集成钽酸锂薄膜器件，为制备更高集成度钽酸锂薄膜器件奠定了坚实的工艺基础。热电响应测试结果表明，所制备线阵列钽酸锂薄膜器件星探测率高达7.243×10<！上标>7< ！上标>cmHz<！上标>1/2<！上标>/W，达到实用水平。分析了不同主动热激励技术在民航飞机主动红外热成像应用中的利弊，设计并实现了用于主动热激励的脉冲加热热源。由于研究经费和研究期限限制，没能实现钽酸锂薄膜阵列器件在民航飞机主动红外热成像无损检测应用研究。