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反射式光读出非致冷红外成像阵列器件研究

作　者: 李珂
导　师: 王跃林
学　校: 中国科学院研究生院（上海微系统与信息技术研究所）
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: MEMS技术反射式光读出非致冷红外成像阵列器件温度补偿热-机械灵敏度噪声等效温差
分类号: TP211
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

本论文研究了基于MEMS技术的反射式光读出非致冷红外成像阵列器件制作工艺及新结构设计。器件制作方面,为减小微镜表面弯曲,提出一种改善器件微镜表面平坦性的方案:通过Lifioff工艺在微镜和双材料梁上实现不同厚度的Al膜,该方案保证了器件的高热-机械灵敏度和可见光的有效读出。针对之前器件释放中存在的释放不均匀性,提出了一种利用SiO₂薄膜作阻挡层的工艺方案来保障释放过程中边缘像素不会因释放时间过长而被破坏,从而改善了释放的不均匀性,为实现器件的整片释放奠定了工艺基础,并且,该工艺方案能进而解决整片Si-Glass阳极键合问题以实现阵列器件的真空封装。利用WYKO表面轮廓仪测试分析了最终释放得到的像元微镜区域粗糙度,此外,搭建了红外成像器件的性能测试平台,进行了热-机械灵敏度的测试。针对当前器件设计中存在热-机械灵敏度较低、热导和噪声等效温差（NETD）较高等不足,而且大多数器件设计尚未考虑周围环境温度变化对器件红外探测性能的影响,本文从相关理论分析入手,提出一种带温度补偿梁结构的高灵敏度光读出红外成像阵列器件设计,该像素设计具有高热-机械灵敏度、低NETD,理论计算表明器件热-机械灵敏度达4.78×10^-3rad/K,NETD达2.42mK;同时,由于在器件结构中引入了具有温度补偿效应的梁结构设计,提高了器件抗环境温度波动的能力,降低了环境温度变化所带来的噪声。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-8
第一章引言  8-21
  1.1 MEMS技术  8-12
    1.1.1 什么是MEMS  8
    1.1.2 MEMS技术特点  8-9
    1.1.3 MEMS加工工艺  9-10
    1.1.4 MEMS技术的应用及前景展望  10-12
  1.2 红外探测技术  12-19
    1.2.1 光子型红外探测器发展简述  12-13
    1.2.2 传统电读出热型红外探测器发展简述  13-15
    1.2.3 非致冷光读出红外探测器发展状况  15-19
  1.3 论文创新点和主要内容  19-21
第二章光读出非致冷红外成像阵列器件设计的理论基础  21-32
  2.1 反射式非致冷红外成像阵列器件典型读出光路  21-22
  2.2 器件的功能、结构及材料选择  22
  2.3 热-机械响应  22-26
    2.3.1 热-机械灵敏度的一般理论分析  22-25
    2.3.2 热-机械灵敏度的优化  25-26
  2.4 像元热导分析  26-27
    2.4.1 微镜辐射热导  26-27
    2.4.2 梁结构传导热导  27
  2.5 像素温度响应  27-28
  2.6 热时间常数  28
  2.7 品质因子  28-29
  2.8 噪声等效温差  29-31
    2.8.1 像素单元的噪声  29-30
    2.8.2 LED光源噪声  30
    2.8.3 CCD的噪声源  30
    2.8.4 系统噪声  30-31
  本章小结  31-32
第三章 Liftoff工艺改善微镜表面平坦性的器件制作工艺研究  32-44
  3.1 改善微镜表面平坦性的意义  32-35
    3.1.1 微镜弯曲对像素热-机械灵敏度的影响  32-33
    3.1.2 微镜弯曲对像素可见光读出灵敏度的影响  33-35
  3.2 器件制作工艺流程设计  35-38
  3.3 器件关键工艺的研究  38-43
    3.3.1 锚柱刻蚀及保护工艺  38-39
    3.3.2 刻蚀像素图形后的去胶问题  39-40
    3.3.3 Liftoff工艺  40-41
    3.3.4 工艺方法对Al/SiN_x复合膜应力的影响  41-42
    3.3.5 像素的XeF_2气相释放技术  42-43
  本章小结  43-44
第四章利用薄热氧化硅作阻挡层改善器件XeF_2释放的均匀性  44-55
  4.1 利用SiO_2薄膜做释放阻挡层的器件制作流程  45-47
    4.1.1 SiO_2做释放阻挡层的优势  45-46
    4.1.2 常规SOI片的不足  46
    4.1.3 利用SiO_2做释放阻挡层的器件工艺流程  46-47
  4.2 改进工艺中的关键技术研究  47-52
    4.2.1 带氧化层的Si-Si键合  47-50
    4.2.2 键合硅片的减薄抛光  50-51
    4.2.3 键合硅片的锚柱刻蚀  51-52
  4.3 新工艺的器件释放结果  52-53
  本章小结  53-55
第五章测试结果  55-60
  5.1 微镜表面形貌观测  55
  5.2 微镜表面粗糙度测量  55-56
  5.3 热-机械灵敏度测量  56-59
    5.3.1 测试系统  56-57
    5.3.2 热-机械灵敏度测试  57-59
  本章小结  59-60
第六章带温度补偿梁的高灵敏度光读出红外成像阵列器件设计  60-66
  6.1 双材料梁长度L_(BM)的优化  60-61
  6.2 温度响应H对绝热梁L_(iso)的限定  61-62
  6.3 器件结构及相应尺寸  62-63
  6.4 温度补偿特性的ANSYS模拟分析  63-64
  本章小结  64-66
第七章结论  66-68
参考文献  68-72
攻读硕士学位期间发表的论文  72-73
致谢  73-74
作者简介  74-75

反射式光读出非致冷红外成像阵列器件研究

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