红外微测辐射热计结构优化设计与制备

论文摘要

红外探测器是应用于热成像的主要探测技术,在国防、航天领域具有重要的战略意义。作为当今非制冷热成像的主流技术,氧化钒（VOx）微测辐射热计焦平面成像阵列具有重量轻、成本低,且符合单兵作战装备要求等优点,成为世界各国许多商业机构和研究单位竞相开发的目标。但是,焦平面阵列制备涉及集成电路设计、红外光学、薄膜生长、MEMS工艺等众多技术,是一项复杂的系统工程。本文针对红外微测辐射热计器件结构优化设计、薄膜生长以及器件制备工艺进行研究,成功地制备出具有微桥结构的、热敏材料为VOx的微测辐射热计像元,桥面为SiNx/VOx/SiNx三明治结构,由被SiO2包裹的AL微柱所支撑。器件具有红外响应特性。本文主要工作如下:1.为提高器件的红外吸收率及其响应度,本文对器件结构进行优化设计。以光学导纳矩阵原理为理论基础,采用从头算的方式获得器件的红外吸收特性,结果表明当反射层与吸收层间距取2.5μm时器件的平均吸收率最大;采用ANSYS有限元软件定量分析桥臂宽度及引线材料对器件热学及热形变特性的影响,表明减小桥臂宽度、降低材料热导率是提高器件红外响应特性、获得平整桥面结构的重要途径。2.薄膜生长技术是微测辐射热计的关键技术,本文以制备高电阻温度系数（TCR）的热敏VOx为研究目标,采用反应电子束蒸发工艺,通过退火提高薄膜晶体质量。由此获得的薄膜其TCR可达-3%/K,并且在55℃附近电阻率跃迁超过2个量级。为避免残余应力过大导致SiNx吸收层龟裂,本文采用PECVD沉积SiNx薄膜,通过调整衬底温度、反应气体流量比,以及结合应力释放槽工艺制备符合要求的SiNx薄膜。3.为优化器件工艺,降低成本,本文对AZ5214E图像反转光刻以及PI牺牲层工艺进行详细研究。当反转烘温度为96～98℃,掩模曝光、泛曝光时间分别为8.1s和8.4s时可以获得清晰的光刻胶掩模图形,并以此为基础采用剥离技术制备高2μm、宽度3 gm且有SiO2薄膜包裹的AL桥墩;利用PI在碱性溶液中的可溶性,采用先在122℃预固化PI后湿法腐蚀工艺来制备PI图形,有效简化工序、降低成本。4.对真空封装后的器件进行红外响应和TCR测试,表明器件具有红外响应特性,并对影响器件TCR的衬底材料及多层薄膜应力等因素进行分析。本文的主要创新点有:1.采用基于AZ5214E图像反转光刻工艺的剥离技术制备AL/SiO2桥墩,具有可靠性高、成本低、操作简单的优点,解决了基于一般正胶光刻工艺剥离大高宽比薄膜图形时存在的光刻分辨率低、剥离难的问题。2.采用PI作为器件的牺牲层,并采用湿法腐蚀工艺来制备PI图形。与传统的等离子各向异性刻蚀工艺相比,采用湿法腐蚀工艺制备的PI图形,其台阶较为光滑,从而可以获得相对平整的器件桥面结构,同时具有工序少、操作简单等优点。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 红外微测辐射热计发展现状
• 1.2 红外微测辐射热计的发展趋势
• 1.3 本文主要工作
• 参考文献
• 第二章 红外微测辐射热计结构优化设计
• 2.1 器件红外光学设计
• 2.1.1 吸收介质中的电磁波理论
• x、SiN_x、Al薄膜的复折射率'>2.1.2 V0_x、SiN_x、Al薄膜的复折射率
• 2.1.3 器件红外吸收特性模拟
• 2.2 器件ANSYS仿真
• 2.2.1 有限元方法简介
• 2.2.2 器件ANSYS模拟
• 2.3 器件电学性能的定性分析
• 2.3.1 忽略焦耳效应的简化模型
• 2.3.2 焦耳效应的影响
• 2.3.3 器件热导
• 2.4 小结
• 参考文献
• 第三章 红外微测辐射热计制备
• 3.1 工艺流程
• 3.2 版图设计
• 3.3 氧化钒薄膜的电阻温度特性
• x薄膜工艺'>3.4 PECVD SiN_x薄膜工艺
• 3.5 AL反射层工艺
• 3.6 基于AZ5214E图像反转光刻的剥离工艺
• 3.6.1 烘烤温度对光刻图形的影响
• 3.6.2 曝光时间对光刻图形的影响
• 3.6.3 光刻工艺参数
• 3.7 PI牺牲层工艺
• 3.7.1 PI预固化、固化工艺
• 3.7.2 PI牺牲层释放工艺
• 3.8 小结
• 参考文献
• 第四章 器件测试
• 4.1 器件制备与封装
• 4.2 器件红外响应测试
• 4.3 器件TCR测试
• 4.4 小结
• 参考文献
• 第五章 总结与展望
• 5.1 工作总结
• 5.2 今后研究的工作计划
• 硕士期间发表的论文
• 致谢