紅外成像陣列與系統(tǒng)(7)

1、第一節(jié) IC制造工藝與MEMS加工工藝簡介第二節(jié) 探測器設(shè)計(jì)第三節(jié) 硅基底的集成熱電探測器陣列第四節(jié) 以砷化鎵為襯底的集成熱電探測器第五節(jié) 總結(jié)l光刻與刻蝕技術(shù)l氧化l擴(kuò)散與離子注入lCVD與PVDl接觸與互連l隔離技術(shù)l封裝技術(shù)什么叫微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)? 廣義上講，是指集微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號處理和控制電路、接口電路、通信和電源于一體的微型機(jī)電系統(tǒng)。像素圖陣列圖三種MEMS加工工藝l日本：傳統(tǒng)機(jī)械加工手段l美國：利用化學(xué)腐蝕或IC工藝技術(shù)對硅材料進(jìn)行加工，形成硅基MEMS器件l德國：LIGA技術(shù)，利用X射線光刻技術(shù)，通過電鑄成型和鑄塑形成深層微結(jié)構(gòu)l硅的化學(xué)腐蝕l深槽刻蝕l鍵

2、合l表面犧牲層工藝l各向同性腐蝕l各向異性腐蝕 缺點(diǎn)： 與集成電路工藝不兼容，難以與集成電路進(jìn)行集成，且難以準(zhǔn)確控制橫向尺寸精度，器件尺寸較大Back 用于形成既有懸浮結(jié)構(gòu)又有襯底相連接的微機(jī)械結(jié)構(gòu)。 優(yōu)點(diǎn)： 與IC工藝均采用薄膜技術(shù)，易將微機(jī)械結(jié)構(gòu)和集成電路集成在一起和批量生產(chǎn)，成本遠(yuǎn)低于用其它方法制造的MEMS產(chǎn)品 該工藝的基本步驟后面詳述氧化鋅（ZnO）鈦酸鉛（PbTiO3）鈦酸鉛鋯（PZT）l優(yōu)點(diǎn)：l 可以利用大量沉積技術(shù)和電極材料，易制備l缺點(diǎn)：l 熱釋電響應(yīng)率低l優(yōu)點(diǎn)：l 熱電性能活躍。l缺點(diǎn)：l 需仔細(xì)控制沉積條件，尤其注意電極交界面的質(zhì)量和化學(xué)穩(wěn)定性。性能參數(shù) ZnO PZT（

3、54/46） PbTiO3 相對介電常數(shù) 10.3 965 1006 80 110 1KHz下介電 _損耗角正切值 0.02 0.04 0.0010.002 剩余極化強(qiáng)度 沒有鐵電性 35C/cm2 30C/cm2矯頑電場 沒有鐵電性 54kV/cm 40 kV/cm 電阻率 3107cm 1011cm 1011cm介電擊穿強(qiáng)度 0.5MV/cm 0.6 0.8 MV/cm 0.4 0.7 MV/cm熱電系數(shù) 0.9nC/ cm2K壓電系數(shù)d33 12pC/N 190 220pC/N楊氏模量EY 41011N/m2 41011N/m2 熱釋電薄膜性能ZnO，PbTiO3，PZT熱釋電系數(shù)測量值

4、與溫度的關(guān)系 重要性:a.該層提供所需的介電特性和熱電特性b.必須與整個(gè)制備流程相匹配制備方法: 溶膠（sol-gel）和其它溶液沉積方法 這種方法非常適合于熱釋電MEMS，可以在能接受的加工溫度下制備出可再生產(chǎn)的成分和特性的涂層 制備步驟：1.合成含有大量烴氧化物的溶液供沉積2.通過旋轉(zhuǎn)制膜法沉積3.加工膜層形成晶體陶瓷層合成路徑： 作者提出了很多合成路徑，文中只簡介了下頁圖中所示方法，該法制得膜層性能較好，但溶劑致癌，需繼續(xù)評價(jià)其它路徑。如含水醋酸鹽方法等制備鈦酸鉛鋯（PZT）型的基本工藝方法 合成溶膠的三個(gè)總體要求： a.當(dāng)材料沉積在微結(jié)構(gòu)上時(shí)能在薄膜上獲得好的結(jié)晶性 b.能對薄膜材料的

5、熱電性能和介電性能進(jìn)行可預(yù)測控制 c.能根據(jù)熱隔離結(jié)構(gòu)的不同材料來進(jìn)行復(fù)合壓力的控制 Back 旋轉(zhuǎn)制膜法的膜層分布與階高和自轉(zhuǎn)速度有關(guān)，因階層表面與基片周圍膜層厚度不均，經(jīng)過高溫加熱后（7000C）導(dǎo)致張力加強(qiáng)，在階層頂部和底部附近出現(xiàn)裂紋和分離層。 為了更好調(diào)節(jié)表面外形，要采用多層沉積來建立涂層厚度，它優(yōu)于高溫加熱的方法 熱釋電響應(yīng)率的影響因素：a.熱釋電薄膜的結(jié)晶程度 結(jié)晶程度與任何非熱釋電燒綠石相位的關(guān)系能直接說明紅外探測應(yīng)用中薄膜的預(yù)期響應(yīng)率 。 通常用X射線的衍射來判斷熱釋電薄膜的結(jié)晶性 ，如下圖所示Back一個(gè)3000厚度的具有混合相位結(jié)晶度的鈦酸鉛鋯（PZT）（54/46）薄膜

6、的X射線的衍射光譜圖b.介電常數(shù) 介電常數(shù)也可以決定薄膜的熱釋電響應(yīng)率 ，同時(shí)介電常數(shù)又與熱電材料的摻雜濃度有關(guān)，如下圖所示3000/4000厚度的鈦酸鉛（PbTiO3）薄膜所測得的介電常數(shù)和損耗角正切值與鑭摻雜濃度的關(guān)系 作用：將熱敏感像素和與之相連的基底 之間的熱量損耗降到最低MEMS中常用的三種結(jié)構(gòu)型薄膜材料l多晶硅l氮化硅l鋁實(shí)現(xiàn)方法：體微機(jī)械加工表面微機(jī)械加工兩種方法比較，表面微機(jī)械加工技術(shù)是熱釋電陣列應(yīng)用的首選： a.不需要兩面光刻 b.沒有非標(biāo)準(zhǔn)的化學(xué)處理 c.可以獲得精確的尺寸控制 d.不會削弱襯底的機(jī)械強(qiáng)度 第一步 在硅底上沉積一層介電密封層l作用：后面微傳感器制備過程中保護(hù)

7、下面電路l制備：用PECVD制備高質(zhì)量的Si3N4l厚度：決定于圓片上是否已制備了晶體管，一般約1微米厚第二步 沉積和制版犧牲層l作用：作為臨時(shí)層（犧牲層），將來進(jìn)行熱隔離的氣隙區(qū)域l制備：用CVD沉積SiO2，若附加摻入磷可形成磷硅玻璃，具有低密度、腐蝕速率快的特點(diǎn)l厚度：通常在0.51.0微米第三步 沉積結(jié)構(gòu)型支持膜層l作用： 增加疊加其上熱釋電薄膜的剛硬性， 將不需要的壓電響應(yīng)降至最低 將像素與襯底間的熱傳導(dǎo)率降最小,以保持高的靈敏度l制備： 需專門的制作流程，使結(jié)構(gòu)膜層具有輕微張力的良好內(nèi)力特性，并與以前沉積的材料有良好附著特性。第四步 沉積熱釋電薄膜制備：PbTiO3溶膠沉積法 先噴

8、涂一層厚度為5001000埃的底層鉑電極，再沉積PZT或PbTiO3，然后鐵電體通過化學(xué)腐蝕或離子束濺射制版。第五步 沉積具有保護(hù)作用的密封層l作用：在接下來的微機(jī)械加工中作為熱釋電薄膜的保護(hù)層l制備：考慮到熱釋電薄膜的制作溫度限制，在350400采用PECVD法沉積1.52.0m厚的氮化硅或非晶體硅第六步 在氫氟酸中進(jìn)行側(cè)向犧牲腐蝕第七步 除去密封層第八步 熱釋電像素結(jié)構(gòu)的完成直接做在前置放大器上熱釋電微橋垂直示意圖Back 完成第七步后再用鈦金蒸鍍法在鐵電極上沉積一個(gè)頂層電極。 MOS晶體管和傳感器底部多晶硅電極接觸口用化學(xué)腐蝕，再噴涂Al（2Si）形成內(nèi)連接和鍵合槽基本的熱釋電微傳感器信

9、號處理電路圖 熱釋電像素直接與輸入的耗盡型NMOS晶體管的柵極相連。耗盡型晶體管用作輸入是由于能通過一個(gè)不變的熱釋電電容器，在零直流的柵源下進(jìn)行正常的傳輸通道工作。而一個(gè)耗盡型的輸入負(fù)載管用作完成一個(gè)簡單的雙三極管放大的結(jié)構(gòu)。兩個(gè)附加晶體管用作一個(gè)傳輸端供行尋址，以及一個(gè)復(fù)位晶體管以清除相鄰兩次信號讀出的殘余熱釋電電荷。 陣列圖l 負(fù)載晶體管（M2）為處于同一列的另外63個(gè)前置放大器公用。注意到在恰當(dāng)?shù)墓ぷ鳁l件下，任何時(shí)刻的64個(gè)反相管（M1）只有一個(gè)與負(fù)載管相連。這個(gè)條件可以相應(yīng)減少芯片上的晶體管數(shù)。在這個(gè)電路里，晶體管M1，M2是前置放大器的主要元件。這個(gè)電路的組態(tài)和一個(gè)耗盡型負(fù)載反相器相

10、似，只是M1管也是一個(gè)耗盡型元件。作為一個(gè)耗盡管，M1保證了在輸入小于1mv時(shí)，也就是傳感器信號的范圍，也能使放大器工作在線形區(qū)。M3管阻抗低，并在M2打開時(shí)將M2和M1相連。同時(shí)還應(yīng)注意到晶體管M3作為一個(gè)共柵極放大器被連接起來，從而降低了限制前置放大器高頻響應(yīng)的米勒效應(yīng)。晶體管M4管是一個(gè)復(fù)位管，它在掃描到陣列的最后一個(gè)像素時(shí)才完全關(guān)閉。其下帶有前置放大器的鈦酸鉛紅外象素元件的掃描電子顯微圖 帶有芯片金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管的6464像素的硅基底單片陣列Back熱釋電6464像素陣列結(jié)構(gòu)圖Back用來去除不想要的熱釋電效應(yīng)和環(huán)境溫度漂移的參考電路 第一級和第三級提供了電壓增益，第二級提供了功

11、率增益；模擬電壓經(jīng)過采樣后用一個(gè)8-Bits的A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，這個(gè)過程會一直重復(fù)直到整個(gè)陣列按順序掃描 在室溫下的大氣中可進(jìn)行傳感器和電路的性能測試 一個(gè)PbTiO3硅基底的紅外探測器陣列的集成系統(tǒng)性能總結(jié) 像素尺寸 3030m2 陣列尺寸 6464像素 芯片大小 11cm2 熱釋電響應(yīng)率 9010nC/cm2K 30Hz下的黑體電壓響應(yīng)率 1.20.2104V/W 297K，30Hz下的探測率D* 2.00.4108cmHz1/2/W 用Lake Shore低溫溫度控制器將溫度變化率控制在1.01.50C/分，測量中用一個(gè)性能良好的PZT樣品作為附加參考，這樣測得的熱電元件響應(yīng)率是9010nc/cm2K，這個(gè)響應(yīng)是熱電效應(yīng)和作用于PbTiO3結(jié)構(gòu)的支撐界面的第二熱能壓力聯(lián)合產(chǎn)生的 Back 297K，調(diào)制頻率為30Hz的陣列上的一個(gè)PbTiO3熱釋電像素，寬帶黑體電壓響應(yīng)率的測得值，就芯片的前置放大器電壓增益而言，這個(gè)響應(yīng)率值已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化 Back先測量探測像素的噪聲電壓4040m2的鈦酸鉛鋯以及鈦酸鉛電容器所測得的噪聲特性再用電壓響應(yīng)率與噪聲電壓比