本論文以溶膠－凝膠法及不同熱處理技術製備鉭酸鋰[LiTaO3，簡稱LT]焦電薄膜以作為紅外線感測元件之應用；以旋鍍法將薄膜沈積於Pt/Ti/SiO2/Si(100)基板上，並改變熱處理的溫度及高溫燒結層數，探討不同熱處理方式對薄膜成長及其相關特性之影響，且將薄膜製作成焦電紅外線感測元件並探討高溫結晶層數對動態響應之影響，之後再利用非等向性溼式蝕刻法在感測器之背部矽基板上蝕刻出凹槽，並探討感測器在蝕刻後對焦電特性的影響。
實驗結果顯示，高溫燒結層數的多寡直接影響到LT薄膜的晶粒大小、介電性、鐵電性、及焦電性，隨高溫燒結層數的增加，LT薄膜的晶粒會有變大而緻密的趨勢。在結晶特性方面，c軸排向在高溫燒結12層時會有較大強度。在電性方面，隨著高溫燒結層數的增加，相對介電常數由35上升至65，介電損失由0.00637減少至 0.00324，而矯頑電場從84.79KV/cm下降到46.23KV/cm，殘留極化量由2.54μC/cm2上升至7.36μC/cm2，焦電係數γ則從2.18×10-8C/cm2K上升至5.71×10-8 C/cm2K。
另一方面，實驗結果也顯示在熱處理溫度700℃下，高溫燒結層數為12層之LT薄膜具有最大之優值Fv及Fm，其值分別為3.02×10-10 及4.08×10-8 Ccm/J；且當高溫燒結層數為12層時，電壓響應在截波頻率為70Hz時會有最大值8398V/W；比感測率在截波頻率為200Hz時，隨著高溫燒結層數的增加，在LT12時會得到最大值1.1× 108cmHz1/2/W；由結果顯示，電壓響度和比感測率皆在高溫燒結層數為12層時具有最大值，此與優值(Fv及Fm)評估相符合；因此，本研究中以LT12薄膜最適合紅外線感測元件之應用。
最後，在經過背部蝕刻之後，其電壓響應(Rv)由8398 V/W上升至9537 V/W，比感測率(D*)由1.1×108cmHz1/2/W上升至 2.67×108 cmHz1/2/W，由此可知經過背部蝕刻的紅外線感測器確實可以有效改善感測器之感測特性。

The lithium tantalite [LiTaO3, abbreviated to LT] thin films were deposited on Pt/Ti/SiO2/Si substrates by spin coating with sol-gel technology and various rapid thermal processing in this thesis. By changing the annealed layers and heating temperature(500~800℃), the effects of various thermal treatments on the thin films growth and the related properties are studied. Besides, the dynamic response of pyroelectric IR detector using LiTaO3 films was studied. In addition, the detector with back side etching was achieved by the anisotropic wet etching of back silicon substrate. The comparisons of detectors with and without backside etching were also investigated.
Experimental results reveal that the annealed layers will influence strongly on grain size, dielectricity, ferroelectricity and pyroelectricity of LT thin films. With the increase of the annealed layers, the grain size of LT thin film increases slightly, and highly c-axis orientated LT films can be obtained for the twelve annealed layers. From 4 to 12 annealed layers, the relative dielectric constant of LT thin film increases from 35 up to 65, the dielectric loss (tand) decreases from 0.00637 to 0.00324, the coercive field (Ec) decreases from 84.79KV/cm to 46.23KV/cm, the remnant polarization (Pr) increases from 2.54 mC/cm2 to 7.36 mC/cm2, and the pyroelctric coefficient (g) increases from 2.18´10-8 C/cm2K up to 5.71´10-8 C/cm2K.
In addition, the results also show that the LT thin film possesses the largest figures of merit Fv (3.02×10-10 Ccm/J) and Fm (4.08×10-8 Ccm/J) at heating temperature of 700℃ with twelve annealed layers. The voltage responsivities (Rv) measured at 70 Hz exists a largest value of 8398 V/W with twelve annealed layers. The specific detectivity (D*) measured at 200 Hz has the maximum value of 1.1×108 cmHz1/2/W with twelve annealed layers. The results show that LT12 pyroelectric thin film detector exists both the maximums of voltage responsivity and specific detecivity. Therefore, optimizing the conditions of this study, LT12 thin film will be the most suitable for IR detector application.
Finally, the voltage responsivities (Rv) of LT thin film increases from 8398 V/W to 9537 V/W, and the specific detectivity (D*) increases from 1.1×108 cmHz1/2/W to 2.67×108 cmHz1/2/W after backside etching. The results show that the detectivity can be improved after backside etching.

摘要I
目錄Ⅴ
圖表目錄VII
第一章 前言1
第二章 理論4
2.1 鉭酸鋰(LT)的基本結構4
2.2 溶膠-凝膠法4
2.3 鐵電現象7
2.4 焦電現象8
2.5 焦電感測元件分析10
2.6 蒸鍍原理16
2.7 濺鍍原理16
2.8 矽基板的背部蝕刻18

第三章 實驗22
3.1 起始溶液的研製與調配22
3.2 薄膜的製作24
3.3 熱處理過程27
3.4 薄膜性質分析28
3.5 電性量測29
3.6 感測元件的製作30

第四章 結果與討論33
4.1 膜厚分析33
4.2 結晶方向分析33
4.3 薄膜表面結構分析34
4.4 電性量測35
4.5 焦電特性量測38
4.6 感測元件特性評估39
4.7 感測元件特性量測39
4.8 感測元件背部蝕刻之特性量測42
第五章 結論44
參考文獻46

圖 表 目 錄
圖2-1鉭酸鋰的基本結構51
圖2-2旋轉塗佈薄膜的步驟52
圖2-3鐵電材料之遲滯曲線52
圖2-4焦電效應53
圖2-5一般焦電偵測系統54
圖2-6感測器電壓響應和頻率的關係圖55
圖2-7蒸鍍機構造圖56
圖2-8直流輝光放電結構與電位分佈圖57
圖2-9不同晶格之矽晶圓所蝕刻出之凹槽58
圖2-10鐵氟龍或壓克力夾具保護元件示意圖59
圖3-1直流濺鍍系統結構圖60
圖3-2 LT薄膜製備流程圖61
圖3-3 (a)感測器所用之金屬遮罩圖,及(b)單一元件架構62
圖3-4 背部蝕刻製程示意圖63
圖4-1 燒結溫度700℃下，LT（12）薄膜重複12次塗佈後之SEM剖面圖（圖中Bar為0.5μm）65
圖4-2 熱處理溫度500℃下，不同高溫燒結層之LT薄膜的
XRD圖形66
圖4-3 熱處理溫度600℃下，不同高溫燒結層之LT薄膜的
XRD圖形67
圖4-4 熱處理溫度700℃下，不同高溫燒結層之LT薄膜的
XRD圖形68
圖4-5 熱處理溫度800℃下，不同高溫燒結層之LT薄膜的
XRD圖形69
圖4-6 不同熱處理溫度(500℃∼800℃)對c軸排向因子的關
係圖70
圖4-7 熱處理溫度700℃下，不同高溫燒結層對c軸排向因
子的關係圖71
圖4-8 熱處理溫度500℃下，不同高溫燒結層下之LT薄膜的
表面結構分析72
圖4-9 熱處理溫度600℃下，不同高溫燒結層下之LT薄膜的
表面結構分析73
圖4-10 熱處理溫度700℃下，不同高溫燒結層下之LT薄膜
的表面結構分析74
圖4-11 熱處理溫度800℃下，不同高溫燒結層數下之LT薄
膜的表面結構分析75
圖4-12 Si浸泡於KOH溶液中蝕刻之表面形態圖76
圖4-13 在頻率10KHz、熱處理溫度700℃下，不同高溫燒結
層數之LT薄膜相對介電常數及介電損失的關係圖77
圖4-14 不同高溫燒結層數下之LT薄膜在熱處理溫度700℃
下，其頻率和相對介電常數的關係圖78
圖4-15 熱處理溫度700℃之不同高溫燒結層數下，LT薄膜
介電損失和頻率的關係圖79
圖4-16 不同高溫燒結層數下其漏電流密度對電場的關係圖80
圖4-17 Sawyer-Tower 電路81
圖4-18 熱處理溫度700℃下，不同高溫燒結層數的LT薄膜
遲滯曲線82
圖4-19 不同高溫燒結層數下之LT薄膜其矯頑電場與殘留極
化量的關係圖83
圖4-20 焦電電流量測系統84
圖4-21 熱處理溫度700℃下，不同高溫燒結層數下LT薄膜
和焦電係數的關係圖85
圖4-22 不同高溫燒結層數之LT薄膜對優值(Fv&Fm)關係圖86
圖4-23 焦電薄膜感測元件測試系統87
圖4-24 在熱處理溫度700℃下，LT(03)薄膜感測元件之電壓
響應與電流響應對截光頻率的關係圖88
圖4-25 在熱處理溫度700℃下，LT(04)薄膜感測元件之電壓
響應與電流響應對截光頻率的關係圖89
圖4-26 在熱處理溫度700℃下，LT(06)薄膜感測元件之電壓
響應與電流響應對截光頻率的關係圖90
圖4-27 在熱處理溫度700℃下，LT(12)薄膜感測元件之電壓
響應與電流響應對截光頻率的關係圖91
圖4-28 在截光頻率為70Hz下，電壓響應對不同高溫燒結層
數之LT薄膜感測元件的關係圖92
圖4-29 不同高溫燒結層數下，LT薄膜感測元件其雜訊電壓
對截光頻率的關係圖93
圖4-30 LT(03)薄膜感測元件之雜訊等效功率與比感測率對
截光頻率的關係圖94
圖4-31 LT(04)薄膜感測元件之雜訊等效功率與比感測率對
截光頻率的關係圖95
圖4-32 LT(06)薄膜感測元件之雜訊等效功率與比感測率對
截光頻率的關係圖96
圖4-33 LT(12)薄膜感測元件之雜訊等效功率與比感測率對
截光頻率的關係圖97
圖4-34 黑體爐溫度1000K與截光頻率200Hz下，LT薄膜感
測元件其不同高溫燒結層數和比感測率的關係圖98
圖4-35 LT薄膜感測元件其感測特性於蝕刻前後之比較圖99
表一 各種蝕刻液成分及其適用之蝕刻罩幕100

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