第四章-红外结构设计

4红外探测器设计4红外探测器设计4.1红外敏感元的结构设计高质量探测器的先决条件是多元列阵器件有高的响应率、线性、低的1/f噪声及一致性，这不但要求材料满足一定的热学、电学等物理条件，结构上，还应结合实际制造过程中的可能遇到的各种问题，设计合理的器件结构，尽量降低探测单元的热损失，解决好热绝缘等工艺问题。使红外光照射时，每个感应单元可以获得一个相对大的温升，相应地提高探测器的灵敏度、降低噪声和信号串扰等等。本节将具体介绍红外敏感元的结构设计。4.1.1单元探测器的热学分析图4-1为红外探测器的结构原理图，如图所示，敏感材料吸收红外光的照射所发出的热量，引起自身温度升高，同时，吸收的热量也通过支架传向热沉，由于红外辐射产生的热量原本就是微弱的，因此通过各种媒介损失的热量将会极大影响探测器的探测率，故对红外探测器结构的设计首先要对其进行热分析。假设在没有受到红外目标辐射时，像元和周围环境处于热平衡状态。当像元受到温度为Tt的目标物体的红外辐射，像元产生的温度变化ΔT其中：F是f/1光学镜头（=1），T0为环境温度，A是像元的吸收面积，ε是探测元的红外吸收率，dp/dTt是目标物体在Tt温度时的辐射，G是探测元的总体热损失。根据热学的相关知识，落到像元上的红外辐射由该热敏感区吸收，使其温度上升。同时，热从敏感区流向其周围，途径包括三种：辐射、传导与对流。即：321GGGG图4-1单元探测器的结构原理图)(402TTGFdTdPATtt（4.1）（4.2）4红外探测器设计G1是探测元的辐射热损失，G2是探测元的传导热损失，G3是探测元的对流热损失。假设探测器为真空封装，则像元的对流热损失G3可忽略不计。其中：A1为像元的总的外表面积，为各层材料的热辐射率总和，σ是玻尔兹曼常数，Ai、ki分别为各层材料的横截面积和热导率，L为支撑体的总长度。由式（4.1）可知，提高ΔT可以通过增大红外吸收面积、增加红外吸收率和减少热损失来实现。但是由于受探测器面阵大小限制，红外吸收面积是有限的，且会导致器件热容增大，热响应时间常数增大。因此，增加红外吸收率和减少热损失是提高ΔT比较好的方法。热吸收的增加可以通过在热敏材料表面制作一层对红外光敏感的吸收层来解决。在真空封装的情况下，红外探测单元的热损失途径主要是热传导和热辐射。由于器件工作在常温下，其热辐射无法避免，因此，主要减少热损失的方法是降低热传导。由于Si衬底的热传导系数较大，衬底、支撑和引线是三个主要的热传导途径。通过引线的热流失可通过使用热导小且电导大的引线材料Ni-Cr代替传统的Al线来改善。显然，衬底与热敏膜的接触面积最大，是最主要的热损失通道，又由式（4.4）可知，减小各层材料的的横截面积和增加支撑体长度都可以减少热传导，由此设计了三种热探测单元的结构方案。4.1.2结构及工艺流程为单元探测器设计了三种悬空结构：背面腐蚀结构、微桥结构和隧道结构。其中背面腐蚀结构是利用硅的湿法各向异性腐蚀，将敏感元下方的硅衬底腐蚀掉，从而减少热量经衬底的流失。微桥结构是在硅衬底上涂覆一层牺牲层，利用表面MEMS工艺腐蚀后形成上凸的空腔，只留两个低热导的细长支撑臂将敏感薄膜支撑在空腔上方。隧道结构与微桥结构相似，不同之处在于，制作过程中，需热生长一层较厚的SiO2，通过光刻腐蚀工艺形成下凹的空腔，读出电路则制作在空腔的旁边，与支撑腿位于同一水平面上。三种结构的工艺流程如图4-2：（4.4）4111)(4TAGiiLkAGiii12（4.3）1ii4红外探测器设计4.1.3三种悬空结构单元探测器的比较以上三种悬空结构，从热绝缘效果来说，微桥和隧道两种结构更有优势。因为这种膜结构周围是导热性很差的空气或真空，减少了薄膜通过衬底的热损失，并且，由于这种结构的空腔高度设计为2.5μm，即1/4的红外波长，并在空腔下制作一层金属反射材料，当红外辐射首先射到红外吸收膜上时，有部分被反射掉，其余部分穿过膜，由金属反射层反射到吸收膜上。这样两个反射辐射产生干涉，在吸收膜上释放载子，因而吸收红外辐射，从而增加了红外光的二次吸收，故热耗散少，热阻高，隔热效果好，热转换效率高。而背面腐蚀结构无法制作谐振腔，无法增加薄膜的二次吸收，故热耗散相对较大，热电转换率低，灵敏度小。从工艺方面考虑，背面腐蚀结构由于在正面均为平面制作，因此工艺相对简单，但由于机械强度差，很难用于制造64×64元以上的大面积阵列。而微桥和隧道两种结构需要利用表面MEMS工艺进行牺牲层的腐蚀，制作过程中容易因为应力发生坍塌或者破裂，不易制作。微桥结构特有的优点是探测器的信号取出电路可以制作在空腔的下方，而较其它两种结构提高了芯片的占空比。4.1.4几个关键工艺4.1.4.1体硅刻蚀工艺在背面腐蚀结构与隧道结构中，需要用到硅的各向异性腐蚀工艺。通常利用图4-2三种悬空结构的工艺流程4红外探测器设计碱性金属的氢氧化物（如KOH、NaOH等）来作为硅的各向异性腐蚀剂，其反应式为：Si+2KOH+H2O=K2SiO3+2H2在对硅的各向异性腐蚀过程中，腐蚀液对100面的腐蚀是最快的，而对〈111〉面的腐蚀最慢。所以，对有掩膜层的（100）Si片，光刻露出Si窗口，在经过长时间的各向异性腐蚀后，形成一个硅杯状的腐蚀深槽，（100）晶面和（111）晶面间的夹角约为54.7o。该深槽的顶视图和截面图如图4-3所示。实验中，我们以KOH溶液为腐蚀剂，测试其在不同温度和不同浓度下对Si的腐蚀速率。如图4-3，同等浓度的KOH溶液，温度越高，腐蚀速率越快，而腐蚀液浓度对腐蚀速率的影响则较复杂。似乎，处于恒温下的腐蚀液，当其浓度高过某一值a%（浓度低于a%的溶液对Si片的腐蚀曲线未画出）后，随浓度的增大，Si片的腐蚀速率会随之降低。而对于浓度低于a%的KOH溶液，由于腐蚀反应生成的气体副产物极多，阻止了腐蚀液与硅表面充分接触，使得腐蚀反应速率下降。同时，在腐蚀过程中还发现，Si片在经过低浓度、低温度下的KOH溶液腐蚀过后，具有粗糙、无光泽的表面；而随腐蚀液温度和浓度的提高，样品逐渐变得平坦有光泽。图4-3KOH浓度及温度对Si片腐蚀速率曲线图4-3KOH溶液对Si的腐蚀特性4红外探测器设计在腐蚀过程中还应该注意的是，掩膜材料是选择性腐蚀的必要因素。贵重金属的掩蔽效果较好，但由于价格昂贵并不适合于工业上的大量使用。而光刻胶在溶液中浸泡后，时间不长即脱落，因此一般不能作为体硅腐蚀的掩膜层。比较而言，二氧化硅薄膜对于强碱性溶液在长时间内具有比光刻胶更好的掩膜作用，但其常用厚度不足以掩蔽Si片深度腐蚀。而LPCVD氮化硅薄膜较致密，KOH对其腐蚀速率很小，可以作为腐蚀的掩蔽层。但是，氮化硅与硅的热膨胀系数相差较大，氮化硅在硅片上会出现裂纹，甚至脱落，根本不能起到保护作用。而热生长的氧化硅可以与Si有好的结合界面，和氮化硅之间的热膨胀系数也相差不大。因此在制备氮化硅之前，可以先热生长一层较厚的氧化硅，这样可以降低应力，从而起到腐蚀掩蔽的作用。氮化硅膜的厚度可通过腐蚀时间长短来确定。由于KOH溶液含有金属离子，与SiCMOS器件工艺不兼容，因此在实际器件制备过程中，最好采用不会成金属离子沾污的TMAH（四甲基氢氧化氨）、EPW（邻苯二酚：乙二胺：水=1.2g：7.5ml:2.4ml）等。腐蚀深度的控制通过控制腐蚀速率并制备一层抗腐蚀的氧化硅和氮化硅薄膜作为腐蚀停止层来实现。50wt.%KOH溶液对Si和SiO2的腐蚀速率比约为300：1[1]。4.1.4.2牺牲层的选择与释放工艺由于衬底上读出电路的限制，可用的牺牲层材料不多，我们选用的是聚酰亚胺，它具有良好的热稳定性和热绝缘性，与硅、二氧化硅表面也有很好的粘附性。牺牲层的刻蚀是微桥结构关键性的一步，因此其工艺要求非常严格，为了使后续的其它工艺和CMOS电路不受其影响，牺牲层的刻蚀在结构层刻蚀完毕之后立即进行。有两种刻蚀方法可供选择：湿法腐蚀与氧等离子干法刻蚀。湿法腐蚀须选用腐蚀速率较快的腐蚀液，避免因为薄膜结构完全释放的时间过长,导致薄膜结构易被腐蚀液破坏。利用97％的发烟硝酸作为腐蚀液对聚酰亚胺牺牲层的腐蚀情况如表4-1所示，其中，聚酰亚胺经过3500r/min旋涂，得到的厚度约为2.5μm。从表中可以看出，发烟硝酸不易用于烘烤温度超过200oC的聚酰亚胺。发烟硝酸的另一个特点是不腐蚀Al反射层，且对氮氧化硅桥腿的腐蚀性也极小，这使得适当延长腐蚀时间成为可能。但利用湿法腐蚀进行牺牲层的释放有一个缺点，即在结构释放之后的干燥过程中，由于液体的流动会对悬浮的结构产生下拉的表面张力，易导致悬浮结构粘附在衬底上。氧等离子体刻蚀是将硅片置于真空反应系统中，通入少量氧气，加高压，由高频信号发生器产生高频信号，使石英管内形成强的电磁场，使氧气电离，形成氧离子、活化的氧原子、氧分子和电子等混合物的等离子体的辉光柱。活化氧（活泼的原子态氧）可以迅速地将聚酰亚胺膜氧化成为可挥发性气体，被机械泵抽走。这种方法避免了粘附效应的产生，不会对已形成的结构造成影响且工艺可操作性4红外探测器设计好。表4-1发烟硝酸（浓度97%）对不同烘烤时间与烘烤温度的polyimide腐蚀情况表150oC170oC200oC230oC250oC30min20s28s1min05s2min30s5min20s40min25s45s1min45s10min难腐50min33s1min10s2min18s难腐难腐60min40s1min3s3min5s难腐难腐4.1.4.3SiOxNy支架的制备在桥式及隧道悬空结构中，对支撑腿的设计要求包括：良好的力学性能、机械性能与低热导，且桥面的热容不能太大，即桥面不能太厚，以免延长热响应时间。氮化硅薄膜由于其良好的机械支撑性能通常被用作桥式结构的支撑腿。考虑到后续的聚酰亚胺牺牲层的刻蚀工艺要求，氮化硅薄膜的生长温度不能过高，采用PECVD（等离子体增强化学气相沉积）方法来制备氮化硅薄膜是很好的选择。但PECVD是低温沉积，得到的薄膜中含有氧的成分，一般为氮氧化硅薄膜。制备过程中，应控制好薄膜的应力，以免影响微桥的平整度。目前，M.S.Guimaraes在320oC的温度下制备出了5μm厚的表面均匀平整的氮氧化硅薄膜，且具有较小的张应力[2]。但是，由于生长温度低的薄膜其应力也较大，因此如何将PECVDSiOxNy的生长温度降低到200oC是一个难点。低温生长导致薄膜应力大的原因主要是因为薄膜中氢含量的增加，因此可以减少薄膜中的氢含量来降低薄膜的应力。采用三种方法：1）采用N2来代替NH3作为反应物中N的来源；2）在反应物中添加稀释气体（如He）；3）降低NH3/SiH4比例。除此之外，还通过淀积应力状态不同的薄膜来相互抵消残余应力。如在具有残余拉应力的氮化硅薄膜之上淀积一层存在残余压应力的二氧化硅。通过调节控制二氧化硅和氮氧化硅的膜厚，可使得整体的力降至很小，甚至为零。实验表明我们在200oC的温度下已经可以得到光滑平整的SiOxNy薄膜，表4-2为不同条件生长的SiOxNy的生长情况，从中可看出，同样在200W的功率下，气体流量比不变，腔内总压强越大，生长速率越高；当腔内总压强不变，且反应气体流量比不变时，功率的增加能够明显提高生长速率。我们以样品3的生长条件在聚酰亚胺和玻璃衬底上制备的氮氧化硅薄膜厚度达到了0.57μm，且薄膜光滑平整，可以作为器件的支撑层。表4-2不同条件生长的SiNx的生长速率4红外探测器设计样品编号温度（oC）功率（W）通入该气体后反应腔内压强(Pa)生长速率（nm/min）SiH4NH31200200802503.672200200702004.725320020010030014.25420013010030010525013010030011.75从热学性能考虑，红外辐射激发的热量主要通过支撑腿传输而损失，因此如何降低支撑腿的热导也是保证良好热绝缘性能的关键。热导的降低可以通过增加支撑腿长度，减少其厚度与宽度的方法实现[3]。又由热响应时间τ=C