基于MEMS技術的紅外成像焦平面陣列

1、第27卷第1期2006年1月半導體學報CHINESEJOURNALOFSEMICONDUCTORSVol.27No.1Jan.,2006基于MEMS技術的紅外成像焦平面陣列李超波1焦斌斌1石莎莉1葉甜春1陳大鵬1,張青川2郭哲穎2董鳳良2伍小平2(1中國科學院微電子研究所微細加工與納米技術研究室,北京100029)(2中國科學技術大學中國科學院材料力學行為和設計重點實驗室,合肥230037)3摘要:選用Au和LPCVD的低應力SiNx薄膜材料,采用MEMS技術研制了新型間隔鍍金熱隔離結構的薄膜鏤)背景下獲得了人體的熱像.實驗空式非制冷紅外成像焦平面陣列,并應用光學讀出的方法成功地在室溫(271

2、47證明間隔鍍金熱隔離結構的引入有效抑制了熱傳導對變形梁溫升的限制,從而大大降低了系統(tǒng)的噪聲等效溫度差(NETD),NETD達到約200mK.關鍵詞:微機械;焦平面陣列;光力學;低壓化學氣相淀積;氮化硅;噪聲等效溫度差PACC:4283EEACC:2575B;2575F中圖分類號:TN405文獻標識碼:A文章編號:025324177(2006)01201502061引言基于微機械(MEMS)技術的應用光力學效應的非制冷紅外成像技術是最近發(fā)展起來的新型非制冷紅外探測技術14.相對于傳統(tǒng)的制冷型和熱電型非制冷紅外成像系統(tǒng),它省去了昂貴的制冷器和復雜的讀出電路,使得低成本的廣泛應用成為可能.另外理論

3、上預測的該原理的熱檢測靈敏度極限可以達到K量級5,這使得其在高性能紅外探測領域也有廣泛的應用前景.基于光力學效應的非制冷紅外成像系統(tǒng)的基本框架包括紅外透鏡、焦平面陣列(FPA)和光學檢測系統(tǒng)三部分,光學檢測部分由讀出可見光、透鏡組和光學濾波單元三部分組成.整個系統(tǒng)的核心部分為FPA,它由一系列成像單元組成面陣列,成像單元由微鏡面和變形機構組成,通常采用雙材料微懸臂梁的結構.當紅外輻射照射到像素單元時,被其中的紅外吸收材料吸收并轉化為變形機構和鏡面的溫升,其中的雙材料梁部分由于兩種材料的熱膨脹系數的差異從而產生形變,使整個像素單元產生一定的轉角變化或離面位移,每個像素的溫升也不同,產生的轉角變化

4、或離面位移也不同,再利用光學檢測系統(tǒng)讀出這些轉角變化或離面位移,并把這些信號轉化為相應輻射源的熱圖像.對于其中核心部件FPA的研究,前人的工作大都采用犧牲層結構14,基本思路是在硅(Si)襯底m的懸空面陣列結構,并做上做出距離襯底23固支梁把懸空結構的每一個像素單獨固定在硅襯底上.這種結構的優(yōu)點是可以將單元相互嵌套,占空比很高.缺點是由于懸空結構下面有硅襯底存在,在吸收紅外輻射時,硅襯底的反射和吸收會使大約40%的能量無法到達成像單元,這就使輻射的吸收率嚴重下降;另外由于采用此結構必須使用難度很大的犧牲層釋放工藝,在加工過程中很容易造成器件與襯底的粘連,使懸空結構失效,導致器件的盲元率很高6.

5、在已報道的文獻14中,噪聲等效溫度差(NETD)達到大約1K.有鑒于此,本課題組在2004年對FPA的結構和制作工藝進行了研究,提出并制作了一種新型無Si襯底的薄膜鏤空式結構FPA,并得到了對200高溫物體的溫度分辨率約為7K的紅外熱像7.這種結構的基本思路是面陣列結構區(qū)采用無Si襯底的自支撐懸空結構,其主要優(yōu)點如下:(1)無襯底對紅外輻射的反射,輻射能量利用率高;(2)不需要采用犧牲層釋放工藝,加工方法簡便,盲元率低.但此FPA由于沒有熱隔離結構,使得變形梁的長度沒有達到理想要求,溫度分辨率較低.在此基礎上,為了3國家自然科學基金(批準號:60236010)和國家高技術研究發(fā)展計劃(批準號:

6、2005AA404210)資助項目 通信作者.Email:chendp2005207222收到,2005209201定稿2006中國電子學會第1期李超波等:基于MEMS技術的紅外成像焦平面陣列151提高熱變形的效果和溫度分辨率,本文設計并制作了間隔鍍金熱隔離結構的薄膜鏤空式FPA,并利用前述光學讀出方法進行了成像試驗,在室溫的背景下成功得到了人體的熱圖像,NETD約為200mK.2焦平面陣列材料的選擇采用雙材料微懸臂梁結構的像素單元通常包括三部分:用于紅外吸收和反射可見光的微鏡面、雙材料變形梁和單材料熱隔離梁.所選擇的兩種材料應根據具體的結構和工藝滿足不同的要求,間隔鍍金薄膜鏤空式結構的基本要

7、求如下:(1)其中一種應是紅外輻射的良好吸收材料;(2)其中一種材料的薄膜應具有良好的反光特性用于反射讀出可見光;(3)兩種材料的熱膨脹系數要有很大的差異,相同溫升下應使雙材料變形梁的形變盡可能大;(4)其中一種材料應具有比較低的熱傳導系數,可以作為單材料的熱隔離梁;(5)雙材料應具有低的殘余應力;(6)材料的選擇還要滿足工藝加工中耐KOH溶液濕法腐蝕的要求.表12列出了幾種通常使用的雙材料搭配,SiNx和SiO2一般用作紅外的吸收材料,而Au和Al用來做可見光的反光板.由于SiO2和Al具有不耐濕法腐蝕的特點,我們選擇了LPCVD的低應力SiNx和Au作為雙材料微懸臂梁的兩種材料.從表中可以

8、看出兩種材料的熱膨脹系數有很大的差異,兩者構成的雙材料梁可以作為變形梁,同時SiNx薄膜的熱傳導系數很小,可以作為單材料的熱隔離梁.表1雙材料結構常用材料的力學和熱學特性Table1Mechanicalandthermalpropertiesofseveralmaterialsusedusually材料SiNxAuSiO2Al楊氏模量/GP傳導系數/(Wm-1K-1)5.50.52961.1237熱膨脹系數/10-6-10.814.20.0512.323.6熱容量/(Jkg-1K-1)691129908密度/(1000kgm-3)2.400圖12是

9、SiNx薄膜材料對紅外輻射的折射率圖,材料折射率的虛部代表該材料對一定波長輻射的吸收特性,可以看到SiNx材料對814m的紅外輻射(即室溫物體對應的紅外輻射波段)具有高的吸收率.3低應力SiNx薄膜的制備SiNx薄膜是一種在MEMS領域中廣泛應用的圖1LPCVDSiNx薄膜折射率的實部(n)和虛部(k)Fig.1Real(n)andimaginary(k)partsofrefractiveindexofLPCVDSiNx材料,然而它在常規(guī)的制備過程中會產生很大的張應力,且張應力會隨著厚度的增加而增加.而我們所要實現的鏤空自支撐結構要求薄膜具有一定的厚度(0152m)、面積(20mm20mm)以

10、及良好的力學和機械性能,所以采用低壓化學氣相淀積(LPCVD)來制備低應力的自支撐SiNx薄膜.實驗采用雙面拋光的p型100Si片.首先用常規(guī)的半導體清洗工藝對Si片進行處理,然后在石英管式爐內進行雙面SiNx淀積,反應氣體為SiH2Cl2和NH3,氣體流量、爐管內壓力和沉積溫度皆可控,適當調節(jié)這些參數可得到不同結構的SiNx薄膜.淀積完成后,在Si片背面光刻刻蝕出一定面積的Si窗口,并腐蝕掉Si窗口中露出的Si襯底,留下淀積于正面的自支撐SiNx薄膜.實驗發(fā)現腐蝕后留下的正面自支撐薄膜應具有一定的張應力,合適的應力范圍應在107108Pa之間(如圖2中的二維應力分布圖所示).張應力過大,Si

11、Nx薄膜被腐蝕的時候會破裂;而具有壓應力的膜在腐蝕成膜后呈褶皺狀.在對成膜質量完好的薄膜進行透射電鏡(TEM)分析時,均能觀察到類似圖2中TEM照片的鑲嵌硅結構,而腐蝕破裂或腐蝕后呈褶皺狀的薄膜TEM照片都未能觀察到類似圖2的結構.此SiNx薄膜已在本組前面的工作8中證明是含有大量分布均勻、尺度適中(10nm)并部分晶化的納米相Si顆粒的鑲嵌型低應力復合膜.4全鏤空結構的FPA我們設計的全鏤空結構FPA為100100像素的面陣列,整個陣列由支撐框架和像素單元組成.其中單個像素面積為200m200m,整個自支撐區(qū)域達到20mm20mm.每個像素都由紅外吸收板和兩組變形機構組成,兩組變形機構對稱分

12、布于紅外吸收板的兩側并固定在支撐框架上.紅外吸收板部152半導體學報第27卷圖2成膜質量完好的SiNx薄膜的TEM照片(a)及二維應力分布圖(b)Fig.2TEMmicrograph(a)andplanarstressdistri2butiongraph(b)ofsubstrate2freeSiNxfilm分采用SiNx/Au雙材料層結構,SiNx主要用來吸收紅外輻射,而鍍Au的一面用來反射讀出可見光;變形機構由兩次回折、交替分布的變形梁和熱隔離梁組成,變形梁為SiNx/Au雙材料層結構,熱隔離梁為SiNx的單材料結構.用這種交替回折的結構取代全部鍍Au的結構有效地增加了熱變形梁的長度,起到多

13、級放大的效果6.主要制作工藝步驟如圖3所示,圖4是本課題組制作完成的FPA的局部SEM照片,右上角為一個像素的清晰圖.5成像實驗結果及討論5.1光路檢測系統(tǒng)設計目前我們采用的是非相干光測量方法,系統(tǒng)工作原理如圖5所示.將平行光束照在FPA上,反射出來的光被透鏡做光學傅里葉變換,在譜平面上對微鏡反射面的零級譜進行濾波檢測,像元的轉角信號通過光學傅里葉變換和濾波轉變?yōu)楣鈴娮兓?再由CCD接收,使FPA上的熱變形圖像轉變?yōu)镃CD灰度變化的數字光學圖像.5.2成像實驗結果將所研制的新型FPA置于上述光學讀出系統(tǒng)圖3主要的制作工藝步驟Fig.3Mainstepsoffabricationprocesso

14、fFPA圖4FPA的局部掃描電鏡照片右上角為一個像素的清晰照片.Fig.4SEMmicrographofapartoftheFPATop2rightinsertedphotoshowsstructureofonepixelclearly.圖5光學讀出系統(tǒng)的示意圖Fig.5Schematicdiagramofopticalreadoutsystem中進行成像試驗,使用f/017的紅外透鏡,另外為減小空氣對流和擾動對FPA的影響,將FPA置于第1期李超波等:基于MEMS技術的紅外成像焦平面陣列153真空腔(1Pa)內.圖6所示為對人手和人體的紅外成像結果.實驗中人手位于紅外透鏡外1m的距離,而對人

15、體的成像為離透鏡5m的位置.從人手的紅外熱像可以看出,手掌和五個手指的整體形狀可以看得比較清楚,但在相鄰手指的連接處只能看到大致輪廓,說明相距較近的像素之間的熱竄擾造成了灰度級的趨同.人體的熱像可以比較清楚地看到身體的輪廓.圖6人手和人體的紅外熱像Fig.6IRimagesofapersonandhishand5.3系統(tǒng)探測靈敏度與噪聲漲落統(tǒng)計分析NETD是衡量一個紅外成像系統(tǒng)的重要指標.它是指目標物體上溫差為Ts的區(qū)域所對應成像系統(tǒng)的輸出信號差(灰度值N)正好等于系統(tǒng)的噪聲信號(灰度值Nnoise)時的溫度差,即:NETD=Ts=N/TsN(1)N/Ts定義為系統(tǒng)的熱響應靈敏度,即目標物體單

16、位溫升所對應的灰度響應.系統(tǒng)的噪聲信號Nnoise和熱響應靈敏度的測量過程如下:(1)測量系統(tǒng)噪聲灰度值Nnoise:連續(xù)采集32幅無熱圖像的背景圖序列,求出噪聲漲落的灰度分布直方圖,如圖7所示.由于噪聲主要分布在最大概率的灰度值附近,可以將其作為系統(tǒng)的噪聲值Nnoise.計算得到噪聲浮動值為5個灰度級;(2)測量系統(tǒng)的溫度響應率:確定紅外物體(人的手掌)與背景的溫差所對應的灰度響應,得到系統(tǒng)的熱響應靈敏度.背景溫度由三種不同溫度計測量值(見表2)的平均值給出,為27147;用商品化的紅外熱像儀測得圖5中人手的平均溫度約為35;人手與背景的平均溫差Ts約為7153.再在圖5中所成的人手熱像中的

17、不同區(qū)域取6個33像素陣列的區(qū)域,在其中選擇6個高灰度值像素,分別測量它們的灰度響應統(tǒng)計值N(見表3),灰度響應統(tǒng)計平均值為194.表2測量時的背景溫度統(tǒng)計平均Table2Temperatureofbackgroundmeasuredbythreethermometers溫度計類型背景溫度/數字溫度計酒精溫度計27.927.5水銀溫度計27表3FPA單個像素灰度響應測試結果Table3Graylevelofthepixelsfortesting像素單元灰度響應值121322113167415251836238圖7系統(tǒng)的噪聲分布Fig.7Noisedistributionofsystem根據公式

18、(1),N和Ts分別取平均值時,NETD為01194K;N取最小值152時,NETD為01247K;N取最大值238時,NETD為01158K.從以上分析可以看出,系統(tǒng)的平均NETD大約為200mK,單個像素最好的NETD可以達到154半導體學報第27卷158mK,最差的為247mK,這個差異主要是由于陣列器件中像素單元加工的不一致性造成的.如果對加工工藝做進一步的優(yōu)化,包括所用薄膜材料應力的均勻性控制、光刻刻蝕工藝的優(yōu)化等,相信可以得到更理想的器件性能.5.4器件性能局限與改進從圖6中可以看到,除了溫度有明顯差異的部位(如眼鏡和臉),人體其他各部分的溫度分布并不明顯,且人體的細節(jié)并不十分清晰

19、.這主要是由于器件的探測靈敏度和分辨率不夠高的原因.為提高器件的探測性能,需要綜合考慮FPA的材料選擇、器件結構和工藝實現等幾方面的問題.我們選擇低應力SiNx和Au作為雙材料微懸臂梁的兩種材料,滿足了雙材料梁的熱膨脹系數相差大且楊氏模量小的要求,但并不是最優(yōu)值.同樣從表1中可以看到,SiO2的楊氏模量比SiNx小,而SiO2/Al,SiO2/Au,SiNx/Al三種雙材料組合的熱膨脹系數差比SiNx/Au大.按照材料力學的原理6,采用相同的器件結構時,此三種雙材料組合的變形效果比SiNx/Au更好,但由于SiO2和Al在目前必需的濕法腐蝕工藝中會被腐蝕掉,所以無法采用.在以后研發(fā)新工藝的基礎

20、上,此三種雙材料組合的使用應當可以得到更高的探測靈敏度.從器件結構上看,提高分辨率必須縮小像素面積,同時又必須保持高的探測靈敏度.根據材料力學的理論,變形平衡后的變形滿足以下公式6:=6(2-1)T(n+1/P)L2/h1(2)其中為梁的自由端位移;為材料熱膨脹系數;L為懸臂梁長度;h為懸臂梁厚度;T為溫度變化量;n為兩種材料的厚度比.P=222n(3)其中=E2/E1,E為彈性模量.對(2)和(3)式分析可知,對于限定厚度,在同樣的溫升下,兩層材料厚度比值為材料楊氏模量的反比平方根值時變形達到最大,且變形量和梁的總厚度成反比.在減少梁的總厚度的同時,減少懸臂梁的長度可以縮小像素的面積,這樣就

21、可以提高分辨率并保持高的探測靈敏度.由于加工工藝的局限,目前所采用的結構是由2m厚的SiNx和012m厚的Au組成,遠沒有達到理論設計的最優(yōu)值.在對薄膜沉積、腐蝕損傷等工藝進行改進的基礎上,就可以實現小像素的陣列器件以提高成像的分辨率.6結論成功研制了基于MEMS技術的新型熱隔離結構的薄膜鏤空式非制冷紅外成像焦平面陣列,將其應用到光學讀出系統(tǒng)中并成功得到了人體的熱像.系統(tǒng)的NETD平均值約為200mK.如果對材料選擇、器件結構和加工工藝做進一步的優(yōu)化,可以得到更理想的實驗結果.參考文獻1MaoM,PerazzoT,KwonO,etal.Direct2viewuncooledmi2cro2opt

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