微测辐射热计制造工艺与品质测试研究

论文摘要

非制冷微测辐射热计阵列系统基于MEMS技术而得到了迅猛的发展,较之于原始的制冷型红外测辐射热计,非制冷型探测器在携带性、制造和维护成本等方面存在巨大优势。本实验室多年来从事于氧化钒薄膜及多孔硅材料的理论、制备及性能方面研究,在所积累的大量的经验基础上具备了重复制备高性能材质的能力,为寻求这些高性能材料在微测辐射热计上的成功应用,着力解决其在应用于微测辐射热计制造流程中的工艺兼容性等问题。本论文对实现基于MEMS工艺技术的非制冷型红外测辐射热计的两个主要关键内容进行了深入研究,即敏感器件结构的设计和整个制造工艺流程的合理设计。同时开展了建立微测辐射热计品质测试系统的前期研究工作。在敏感结构研究中,指出研究初期单层结构较之于复杂的双层结构具有更好的可行性与实用性,对已有的多种微桥结构进行力学及热学方面模拟,总结其各自在力学与热学表现中所独有的优点,同时就器件热导对热时间常数的影响进行深入研究;在制造工艺流程研究中,就氮化硅掩蔽层抗氢氟酸腐蚀效果进行研究,为解决支撑结构薄膜间应力问题,创新提出氧化硅-氮化硅-氧化硅的“三明治”结构,很好的保证了微桥表面平整度;初步研究了微测辐射热计产品品质测试系统,拟定出一套基于外围电路、敏感单元、功能单元等三大模块的失效分类系统,同时结合现有大尺寸晶圆集成电路代工厂工艺制造中的一些工艺条件,联系在微测辐射热计设计与工艺制造中遇到的问题,指出其对测辐射热计制造可能存在的影响。提出惰性气体封装的优点,弥补了真空封装带来的高成本等缺点。随着研究的深入,微测辐射热计必将得到越来越快的发展,可以预见,微测辐射热计的产业化之路即将到来。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 MEMS 简介
• 1.1.1 MEMS 的定义
• 1.1.2 微机电系统的应用
• 1.1.3 MEMS 技术的重要性与市场
• 1.1.4 MEMS 技术基础
• 1.2 微系统加工工艺
• 1.2.1 体微加工技术
• 1.2.2 表面微加工技术
• 1.2.3 大高宽比的微系统技术
• 1.2.4 小结
• 1.3 红外探测器
• 1.3.1 红外探测器应用领域
• 1.3.2 测辐射计种类
• 1.4 微测辐射热计
• 1.4.1 测辐射热计原理
• 1.4.2 测辐射热计基本性能参数
• 1.4.3 信号读取
• 1.4.4 测辐射热计的噪声
• 1.4.5 测辐射热计性能限制因素
• 1.5 有限元分析方法
• 1.5.1 MEMS 辅助分析软件
• 1.5.2 有限元方法
• 1.5.3 Intellisuite
• 1.6 本论文研究背景、工作内容和创新性
• 第二章 微测辐射热计基本材料及工艺
• 2.1 微测辐射热计用多孔硅研究
• 2.1.1 多孔硅形成原理
• 2.1.2 多孔硅制备
• 2.1.3 多孔硅的微观结构
• 2.2 氧化钒热敏感薄膜研究
• 2.2.1 氧化钒晶体的结构与特性
• 2.2.2 氧化钒薄膜制备工艺研究
• 2.2.3 氧化钒薄膜分析方法
• 第三章 微测辐射热计工艺流程研究
• 3.1 微测辐射热计结构选择
• 3.2 版图绘制
• 3.3 微测辐射热计制造工艺
• 3.4 工艺流程说明
• 3.4.1 硅片准备
• 3.4.2 多孔硅掩蔽膜
• 3.4.3 多孔硅腐蚀窗口
• 3.4.4 制备多孔硅
• 3.4.5 制备结构层
• 3.4.6 制备红外敏感层
• 3.4.7 制备红外吸收层
• 3.4.8 释放多孔硅牺牲层
• 3.5 小结
• 第四章 微测辐射热计产品失效研究
• 4.1 MEMS 产业化发展要求
• 4.2 硬失效与软失效
• 4.3 微测辐射热计失效分类系统研究
• 4.3.1 失效分类系统编号规则
• 4.3.2 Model 1——合格，Model 2——可修复
• 4.3.3 Model 3——电路失效
• 4.3.4 Model 4——敏感单元失效
• 4.3.5 Model 5——功能失效
• 4.4 测试后封装
• 4.5 小结
• 第五章 微测辐射热计微结构力学与热学模拟
• 5.1 蛇形结构模拟
• 5.2 基本微桥结构模拟
• 5.3 特殊结构模拟
• 5.4 小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 实验结论
• 6.2 工作展望
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢