红外成像阵列与系统(7)

第五章单片热释电测辐射热计阵列本章内容索引第一节IC制造工艺与MEMS加工工艺简介第二节探测器设计第三节硅基底的集成热电探测器阵列第四节以砷化镓为衬底的集成热电探测器第五节总结第一节IC制造工艺与MEMS加工工艺简介一.集成电路制造工艺光刻与刻蚀技术氧化扩散与离子注入CVD与PVD接触与互连隔离技术封装技术二.MEMS加工工艺什么叫微电子机械系统(MEMS)?广义上讲，是指集微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的微型机电系统。像素图阵列图三种MEMS加工工艺日本：传统机械加工手段美国：利用化学腐蚀或IC工艺技术对硅材料进行加工，形成硅基MEMS器件德国：LIGA技术，利用X射线光刻技术，通过电铸成型和铸塑形成深层微结构硅微机械加工工艺硅的化学腐蚀深槽刻蚀键合表面牺牲层工艺硅的化学腐蚀各向同性腐蚀各向异性腐蚀缺点：与集成电路工艺不兼容，难以与集成电路进行集成，且难以准确控制横向尺寸精度，器件尺寸较大Back表面牺牲层工艺用于形成既有悬浮结构又有衬底相连接的微机械结构。优点：与IC工艺均采用薄膜技术，易将微机械结构和集成电路集成在一起和批量生产，成本远低于用其它方法制造的MEMS产品该工艺的基本步骤后面详述第二节探测器设计一.材料选择与材料特性氧化锌（ZnO）钛酸铅（PbTiO3）钛酸铅锆（PZT）ZnO优点：可以利用大量沉积技术和电极材料，易制备缺点：热释电响应率低PZT、PbTiO3优点：热电性能活跃。缺点：需仔细控制沉积条件，尤其注意电极交界面的质量和化学稳定性。性能参数ZnOPZT（54/46）PbTiO3相对介电常数10.3965～100680～1101KHz下介电_____损耗角正切值0.02～0.040.001～0.002剩余极化强度没有铁电性35µC/cm230µC/cm2矫顽电场没有铁电性54kV/cm40kV/cm电阻率3×107cm1011cm1011cm介电击穿强度0.5MV/cm0.6～0.8MV/cm0.4～0.7MV/cm热电系数0.9nC/cm2K压电系数d3312pC/N190220pC/N杨氏模量EY4×1011N/m24×1011N/m2热释电薄膜性能ZnO，PbTiO3，PZT热释电系数测量值与温度的关系二.铁电体层加工重要性:a.该层提供所需的介电特性和热电特性b.必须与整个制备流程相匹配制备方法:溶胶（sol-gel）和其它溶液沉积方法这种方法非常适合于热释电MEMS，可以在能接受的加工温度下制备出可再生产的成分和特性的涂层制备步骤：1.合成含有大量烃氧化物的溶液供沉积2.通过旋转制膜法沉积3.加工膜层形成晶体陶瓷层合成路径：作者提出了很多合成路径，文中只简介了下页图中所示方法，该法制得膜层性能较好，但溶剂致癌，需继续评价其它路径。如含水醋酸盐方法等制备钛酸铅锆（PZT）型的基本工艺方法合成溶胶的三个总体要求：a.当材料沉积在微结构上时能在薄膜上获得好的结晶性b.能对薄膜材料的热电性能和介电性能进行可预测控制c.能根据热隔离结构的不同材料来进行复合压力的控制Back旋转制膜法的膜层分布与阶高和自转速度有关，因阶层表面与基片周围膜层厚度不均，经过高温加热后（7000C）导致张力加强，在阶层顶部和底部附近出现裂纹和分离层。为了更好调节表面外形，要采用多层沉积来建立涂层厚度，它优于高温加热的方法热释电响应率的影响因素：a.热释电薄膜的结晶程度结晶程度与任何非热释电烧绿石相位的关系能直接说明红外探测应用中薄膜的预期响应率。通常用X射线的衍射来判断热释电薄膜的结晶性，如下图所示Back一个3000Å厚度的具有混合相位结晶度的钛酸铅锆（PZT）（54/46）薄膜的X射线的衍射光谱图b.介电常数介电常数也可以决定薄膜的热释电响应率，同时介电常数又与热电材料的掺杂浓度有关，如下图所示3000/4000Å厚度的钛酸铅（PbTiO3）薄膜所测得的介电常数和损耗角正切值与镧掺杂浓度的关系三.热隔离结构作用：将热敏感像素和与之相连的基底之间的热量损耗降到最低MEMS中常用的三种结构型薄膜材料多晶硅氮化硅铝实现方法：体微机械加工表面微机械加工两种方法比较，表面微机械加工技术是热释电阵列应用的首选：a.不需要两面光刻b.没有非标准的化学处理c.可以获得精确的尺寸控制d.不会削弱衬底的机械强度四.微机械加工传感器的制作流程设计第一步在硅底上沉积一层介电密封层作用：后面微传感器制备过程中保护下面电路制备：用PECVD制备高质量的Si3N4厚度：决定于圆片上是否已制备了晶体管，一般约1微米厚第二步沉积和制版牺牲层作用：作为临时层（牺牲层），将来进行热隔离的气隙区域制备：用CVD沉积SiO2，若附加掺入磷可形成磷硅玻璃，具有低密度、腐蚀速率快的特点厚度：通常在0.5~1.0微米第三步沉积结构型支持膜层作用：⑴增加叠加其上热释电薄膜的刚硬性，将不需要的压电响应降至最低⑵将像素与衬底间的热传导率降最小,以保持高的灵敏度制备：需专门的制作流程，使结构膜层具有轻微张力的良好内力特性，并与以前沉积的材料有良好附着特性。第四步沉积热释电薄膜制备：PbTiO3溶胶沉积法先喷涂一层厚度为500～1000埃的底层铂电极，再沉积PZT或PbTiO3，然后铁电体通过化学腐蚀或离子束溅射制版。第五步沉积具有保护作用的密封层作用：在接下来的微机械加工中作为热释电薄膜的保护层制备：考虑到热释电薄膜的制作温度限制，在350℃～400℃采用PECVD法沉积1.5~2.0μm厚的氮化硅或非晶体硅第六步在氢氟酸中进行侧向牺牲腐蚀第七步除去密封层第八步热释电像素结构的完成直接做在前置放大器上热释电微桥垂直示意图Back完成第七步后再用钛金蒸镀法在铁电极上沉积一个顶层电极。MOS晶体管和传感器底部多晶硅电极接触口用化学腐蚀，再喷涂Al（2％Si）形成内连接和键合槽五.集成电路基本的热释电微传感器信号处理电路图热释电像素直接与输入的耗尽型NMOS晶体管的栅极相连。耗尽型晶体管用作输入是由于能通过一个不变的热释电电容器，在零直流的栅－源下进行正常的传输通道工作。而一个耗尽型的输入负载管用作完成一个简单的双三极管放大的结构。两个附加晶体管用作一个传输端供行寻址，以及一个复位晶体管以清除相邻两次信号读出的残余热释电电荷。阵列图负载晶体管（M2）为处于同一列的另外63个前置放大器公用。注意到在恰当的工作条件下，任何时刻的64个反相管（M1）只有一个与负载管相连。这个条件可以相应减少芯片上的晶体管数。在这个电路里，晶体管M1，M2是前置放大器的主要元件。这个电路的组态和一个耗尽型负载反相器相似，只是M1管也是一个耗尽型元件。作为一个耗尽管，M1保证了在输入小于1mv时，也就是传感器信号的范围，也能使放大器工作在线形区。M3管阻抗低，并在M2打开时将M2和M1相连。同时还应注意到晶体管M3作为一个共栅极放大器被连接起来，从而降低了限制前置放大器高频响应的米勒效应。晶体管M4管是一个复位管，它在扫描到阵列的最后一个像素时才完全关闭。第三节硅基底的集成热电探测器阵列1.像素结构其下带有前置放大器的钛酸铅红外象素元件的扫描电子显微图带有芯片金属氧化物半导体晶体管的64×64像素的硅基底单片阵列Back2.电路处理热释电64×64像素阵列结构图Back用来去除不想要的热释电效应和环境温度漂移的参考电路第一级和第三级提供了电压增益，第二级提供了功率增益；模拟电压经过采样后用一个8-Bits的A/D转换器转换成数字信号，这个过程会一直重复直到整个阵列按顺序扫描3.硅底PbTiO3阵列的性能在室温下的大气中可进行传感器和电路的性能测试一个PbTiO3硅基底的红外探测器阵列的集成系统性能总结像素尺寸30×30µm2阵列尺寸64×64像素芯片大小1×1cm2热释电响应率90±10nC/cm2K30Hz下的黑体电压响应率1.2±0.2×104V/W297K，30Hz下的探测率D*2.0±0.4×108cmHz1/2/W用LakeShore低温温度控制器将温度变化率控制在1.0～1.50C/分，测量中用一个性能良好的PZT样品作为附加参考，这样测得的热电元件响应率是90±10nc/cm2K，这个响应是热电效应和作用于PbTiO3结构的支撑界面的第二热能压力联合产生的Back297K，调制频率为30Hz的阵列上的一个PbTiO3热释电像素，宽带黑体电压响应率的测得值，就芯片的前置放大器电压增益而言，这个响应率值已经标准化Back先测量探测像素的噪声电压40×40µm2的钛酸铅锆以及钛酸铅电容器所测得的噪声特性再用电压响应率与噪声电压比值计算D*由所测得的电压响应率除以所测得的噪声电压得到的D*第四节以砷化镓为衬底的集成热电探测器砷化镓基底的单片红外探测器的扫描电子显微图第五节总结表面微机械加工技术的应用使得制作高灵敏度、小尺寸像素的单片阵列成为可能。作者在室温下和30Hz的机械调制频率下得到的正常宽带黑体探测率D*达2×108cmHz1/2/W，说明制作热释电薄膜电容器与信号处理电子线路单片集成在同一芯片上的非致冷红外探测器是可行的