基于MEMS技術(shù)的紅外成像焦平面陣列

1、第27卷第1期2006年1月半導(dǎo)體學(xué)報CHINESEJOURNALOFSEMICONDUCTORSVol.27No.1Jan.,2006基于MEMS技術(shù)的紅外成像焦平面陣列李超波1焦斌斌1石莎莉1葉甜春1陳大鵬1,張青川2郭哲穎2董鳳良2伍小平2(1中國科學(xué)院微電子研究所微細(xì)加工與納米技術(shù)研究室,北京100029)(2中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)中國科學(xué)院材料力學(xué)行為和設(shè)計重點實驗室,合肥230037)3摘要:選用Au和LPCVD的低應(yīng)力SiNx薄膜材料,采用MEMS技術(shù)研制了新型間隔鍍金熱隔離結(jié)構(gòu)的薄膜鏤)背景下獲得了人體的熱像.實驗空式非制冷紅外成像焦平面陣列,并應(yīng)用光學(xué)讀出的方法成功地在室溫(271

2、47證明間隔鍍金熱隔離結(jié)構(gòu)的引入有效抑制了熱傳導(dǎo)對變形梁溫升的限制,從而大大降低了系統(tǒng)的噪聲等效溫度差(NETD),NETD達到約200mK.關(guān)鍵詞:微機械;焦平面陣列;光力學(xué);低壓化學(xué)氣相淀積;氮化硅;噪聲等效溫度差PACC:4283EEACC:2575B;2575F中圖分類號:TN405文獻標(biāo)識碼:A文章編號:025324177(2006)01201502061引言基于微機械(MEMS)技術(shù)的應(yīng)用光力學(xué)效應(yīng)的非制冷紅外成像技術(shù)是最近發(fā)展起來的新型非制冷紅外探測技術(shù)14.相對于傳統(tǒng)的制冷型和熱電型非制冷紅外成像系統(tǒng),它省去了昂貴的制冷器和復(fù)雜的讀出電路,使得低成本的廣泛應(yīng)用成為可能.另外理論

3、上預(yù)測的該原理的熱檢測靈敏度極限可以達到K量級5,這使得其在高性能紅外探測領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用前景.基于光力學(xué)效應(yīng)的非制冷紅外成像系統(tǒng)的基本框架包括紅外透鏡、焦平面陣列(FPA)和光學(xué)檢測系統(tǒng)三部分,光學(xué)檢測部分由讀出可見光、透鏡組和光學(xué)濾波單元三部分組成.整個系統(tǒng)的核心部分為FPA,它由一系列成像單元組成面陣列,成像單元由微鏡面和變形機構(gòu)組成,通常采用雙材料微懸臂梁的結(jié)構(gòu).當(dāng)紅外輻射照射到像素單元時,被其中的紅外吸收材料吸收并轉(zhuǎn)化為變形機構(gòu)和鏡面的溫升,其中的雙材料梁部分由于兩種材料的熱膨脹系數(shù)的差異從而產(chǎn)生形變,使整個像素單元產(chǎn)生一定的轉(zhuǎn)角變化或離面位移,每個像素的溫升也不同,產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角變化

4、或離面位移也不同,再利用光學(xué)檢測系統(tǒng)讀出這些轉(zhuǎn)角變化或離面位移,并把這些信號轉(zhuǎn)化為相應(yīng)輻射源的熱圖像.對于其中核心部件FPA的研究,前人的工作大都采用犧牲層結(jié)構(gòu)14,基本思路是在硅(Si)襯底m的懸空面陣列結(jié)構(gòu),并做上做出距離襯底23固支梁把懸空結(jié)構(gòu)的每一個像素單獨固定在硅襯底上.這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是可以將單元相互嵌套,占空比很高.缺點是由于懸空結(jié)構(gòu)下面有硅襯底存在,在吸收紅外輻射時,硅襯底的反射和吸收會使大約40%的能量無法到達成像單元,這就使輻射的吸收率嚴(yán)重下降;另外由于采用此結(jié)構(gòu)必須使用難度很大的犧牲層釋放工藝,在加工過程中很容易造成器件與襯底的粘連,使懸空結(jié)構(gòu)失效,導(dǎo)致器件的盲元率很高6.

5、在已報道的文獻14中,噪聲等效溫度差(NETD)達到大約1K.有鑒于此,本課題組在2004年對FPA的結(jié)構(gòu)和制作工藝進行了研究,提出并制作了一種新型無Si襯底的薄膜鏤空式結(jié)構(gòu)FPA,并得到了對200高溫物體的溫度分辨率約為7K的紅外熱像7.這種結(jié)構(gòu)的基本思路是面陣列結(jié)構(gòu)區(qū)采用無Si襯底的自支撐懸空結(jié)構(gòu),其主要優(yōu)點如下:(1)無襯底對紅外輻射的反射,輻射能量利用率高;(2)不需要采用犧牲層釋放工藝,加工方法簡便,盲元率低.但此FPA由于沒有熱隔離結(jié)構(gòu),使得變形梁的長度沒有達到理想要求,溫度分辨率較低.在此基礎(chǔ)上,為了3國家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號:60236010)和國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(批準(zhǔn)號:

6、2005AA404210)資助項目 通信作者.Email:chendp2005207222收到,2005209201定稿2006中國電子學(xué)會第1期李超波等:基于MEMS技術(shù)的紅外成像焦平面陣列151提高熱變形的效果和溫度分辨率,本文設(shè)計并制作了間隔鍍金熱隔離結(jié)構(gòu)的薄膜鏤空式FPA,并利用前述光學(xué)讀出方法進行了成像試驗,在室溫的背景下成功得到了人體的熱圖像,NETD約為200mK.2焦平面陣列材料的選擇采用雙材料微懸臂梁結(jié)構(gòu)的像素單元通常包括三部分:用于紅外吸收和反射可見光的微鏡面、雙材料變形梁和單材料熱隔離梁.所選擇的兩種材料應(yīng)根據(jù)具體的結(jié)構(gòu)和工藝滿足不同的要求,間隔鍍金薄膜鏤空式結(jié)構(gòu)的基本要

7、求如下:(1)其中一種應(yīng)是紅外輻射的良好吸收材料;(2)其中一種材料的薄膜應(yīng)具有良好的反光特性用于反射讀出可見光;(3)兩種材料的熱膨脹系數(shù)要有很大的差異,相同溫升下應(yīng)使雙材料變形梁的形變盡可能大;(4)其中一種材料應(yīng)具有比較低的熱傳導(dǎo)系數(shù),可以作為單材料的熱隔離梁;(5)雙材料應(yīng)具有低的殘余應(yīng)力;(6)材料的選擇還要滿足工藝加工中耐KOH溶液濕法腐蝕的要求.表12列出了幾種通常使用的雙材料搭配,SiNx和SiO2一般用作紅外的吸收材料,而Au和Al用來做可見光的反光板.由于SiO2和Al具有不耐濕法腐蝕的特點,我們選擇了LPCVD的低應(yīng)力SiNx和Au作為雙材料微懸臂梁的兩種材料.從表中可以

8、看出兩種材料的熱膨脹系數(shù)有很大的差異,兩者構(gòu)成的雙材料梁可以作為變形梁,同時SiNx薄膜的熱傳導(dǎo)系數(shù)很小,可以作為單材料的熱隔離梁.表1雙材料結(jié)構(gòu)常用材料的力學(xué)和熱學(xué)特性Table1Mechanicalandthermalpropertiesofseveralmaterialsusedusually材料SiNxAuSiO2Al楊氏模量/GP傳導(dǎo)系數(shù)/(Wm-1K-1)5.50.52961.1237熱膨脹系數(shù)/10-6-10.814.20.0512.323.6熱容量/(Jkg-1K-1)691129908密度/(1000kgm-3)2.400圖12是

9、SiNx薄膜材料對紅外輻射的折射率圖,材料折射率的虛部代表該材料對一定波長輻射的吸收特性,可以看到SiNx材料對814m的紅外輻射(即室溫物體對應(yīng)的紅外輻射波段)具有高的吸收率.3低應(yīng)力SiNx薄膜的制備SiNx薄膜是一種在MEMS領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的圖1LPCVDSiNx薄膜折射率的實部(n)和虛部(k)Fig.1Real(n)andimaginary(k)partsofrefractiveindexofLPCVDSiNx材料,然而它在常規(guī)的制備過程中會產(chǎn)生很大的張應(yīng)力,且張應(yīng)力會隨著厚度的增加而增加.而我們所要實現(xiàn)的鏤空自支撐結(jié)構(gòu)要求薄膜具有一定的厚度(0152m)、面積(20mm20mm)以

10、及良好的力學(xué)和機械性能,所以采用低壓化學(xué)氣相淀積(LPCVD)來制備低應(yīng)力的自支撐SiNx薄膜.實驗采用雙面拋光的p型100Si片.首先用常規(guī)的半導(dǎo)體清洗工藝對Si片進行處理,然后在石英管式爐內(nèi)進行雙面SiNx淀積,反應(yīng)氣體為SiH2Cl2和NH3,氣體流量、爐管內(nèi)壓力和沉積溫度皆可控,適當(dāng)調(diào)節(jié)這些參數(shù)可得到不同結(jié)構(gòu)的SiNx薄膜.淀積完成后,在Si片背面光刻刻蝕出一定面積的Si窗口,并腐蝕掉Si窗口中露出的Si襯底,留下淀積于正面的自支撐SiNx薄膜.實驗發(fā)現(xiàn)腐蝕后留下的正面自支撐薄膜應(yīng)具有一定的張應(yīng)力,合適的應(yīng)力范圍應(yīng)在107108Pa之間(如圖2中的二維應(yīng)力分布圖所示).張應(yīng)力過大,Si

11、Nx薄膜被腐蝕的時候會破裂;而具有壓應(yīng)力的膜在腐蝕成膜后呈褶皺狀.在對成膜質(zhì)量完好的薄膜進行透射電鏡(TEM)分析時,均能觀察到類似圖2中TEM照片的鑲嵌硅結(jié)構(gòu),而腐蝕破裂或腐蝕后呈褶皺狀的薄膜TEM照片都未能觀察到類似圖2的結(jié)構(gòu).此SiNx薄膜已在本組前面的工作8中證明是含有大量分布均勻、尺度適中(10nm)并部分晶化的納米相Si顆粒的鑲嵌型低應(yīng)力復(fù)合膜.4全鏤空結(jié)構(gòu)的FPA我們設(shè)計的全鏤空結(jié)構(gòu)FPA為100100像素的面陣列,整個陣列由支撐框架和像素單元組成.其中單個像素面積為200m200m,整個自支撐區(qū)域達到20mm20mm.每個像素都由紅外吸收板和兩組變形機構(gòu)組成,兩組變形機構(gòu)對稱分

12、布于紅外吸收板的兩側(cè)并固定在支撐框架上.紅外吸收板部152半導(dǎo)體學(xué)報第27卷圖2成膜質(zhì)量完好的SiNx薄膜的TEM照片(a)及二維應(yīng)力分布圖(b)Fig.2TEMmicrograph(a)andplanarstressdistri2butiongraph(b)ofsubstrate2freeSiNxfilm分采用SiNx/Au雙材料層結(jié)構(gòu),SiNx主要用來吸收紅外輻射,而鍍Au的一面用來反射讀出可見光;變形機構(gòu)由兩次回折、交替分布的變形梁和熱隔離梁組成,變形梁為SiNx/Au雙材料層結(jié)構(gòu),熱隔離梁為SiNx的單材料結(jié)構(gòu).用這種交替回折的結(jié)構(gòu)取代全部鍍Au的結(jié)構(gòu)有效地增加了熱變形梁的長度,起到多

13、級放大的效果6.主要制作工藝步驟如圖3所示,圖4是本課題組制作完成的FPA的局部SEM照片,右上角為一個像素的清晰圖.5成像實驗結(jié)果及討論5.1光路檢測系統(tǒng)設(shè)計目前我們采用的是非相干光測量方法,系統(tǒng)工作原理如圖5所示.將平行光束照在FPA上,反射出來的光被透鏡做光學(xué)傅里葉變換,在譜平面上對微鏡反射面的零級譜進行濾波檢測,像元的轉(zhuǎn)角信號通過光學(xué)傅里葉變換和濾波轉(zhuǎn)變?yōu)楣鈴娮兓?再由CCD接收,使FPA上的熱變形圖像轉(zhuǎn)變?yōu)镃CD灰度變化的數(shù)字光學(xué)圖像.5.2成像實驗結(jié)果將所研制的新型FPA置于上述光學(xué)讀出系統(tǒng)圖3主要的制作工藝步驟Fig.3Mainstepsoffabricationprocesso

14、fFPA圖4FPA的局部掃描電鏡照片右上角為一個像素的清晰照片.Fig.4SEMmicrographofapartoftheFPATop2rightinsertedphotoshowsstructureofonepixelclearly.圖5光學(xué)讀出系統(tǒng)的示意圖Fig.5Schematicdiagramofopticalreadoutsystem中進行成像試驗,使用f/017的紅外透鏡,另外為減小空氣對流和擾動對FPA的影響,將FPA置于第1期李超波等:基于MEMS技術(shù)的紅外成像焦平面陣列153真空腔(1Pa)內(nèi).圖6所示為對人手和人體的紅外成像結(jié)果.實驗中人手位于紅外透鏡外1m的距離,而對人

15、體的成像為離透鏡5m的位置.從人手的紅外熱像可以看出,手掌和五個手指的整體形狀可以看得比較清楚,但在相鄰手指的連接處只能看到大致輪廓,說明相距較近的像素之間的熱竄擾造成了灰度級的趨同.人體的熱像可以比較清楚地看到身體的輪廓.圖6人手和人體的紅外熱像Fig.6IRimagesofapersonandhishand5.3系統(tǒng)探測靈敏度與噪聲漲落統(tǒng)計分析NETD是衡量一個紅外成像系統(tǒng)的重要指標(biāo).它是指目標(biāo)物體上溫差為Ts的區(qū)域所對應(yīng)成像系統(tǒng)的輸出信號差(灰度值N)正好等于系統(tǒng)的噪聲信號(灰度值Nnoise)時的溫度差,即:NETD=Ts=N/TsN(1)N/Ts定義為系統(tǒng)的熱響應(yīng)靈敏度,即目標(biāo)物體單

16、位溫升所對應(yīng)的灰度響應(yīng).系統(tǒng)的噪聲信號Nnoise和熱響應(yīng)靈敏度的測量過程如下:(1)測量系統(tǒng)噪聲灰度值Nnoise:連續(xù)采集32幅無熱圖像的背景圖序列,求出噪聲漲落的灰度分布直方圖,如圖7所示.由于噪聲主要分布在最大概率的灰度值附近,可以將其作為系統(tǒng)的噪聲值Nnoise.計算得到噪聲浮動值為5個灰度級;(2)測量系統(tǒng)的溫度響應(yīng)率:確定紅外物體(人的手掌)與背景的溫差所對應(yīng)的灰度響應(yīng),得到系統(tǒng)的熱響應(yīng)靈敏度.背景溫度由三種不同溫度計測量值(見表2)的平均值給出,為27147;用商品化的紅外熱像儀測得圖5中人手的平均溫度約為35;人手與背景的平均溫差Ts約為7153.再在圖5中所成的人手熱像中的

17、不同區(qū)域取6個33像素陣列的區(qū)域,在其中選擇6個高灰度值像素,分別測量它們的灰度響應(yīng)統(tǒng)計值N(見表3),灰度響應(yīng)統(tǒng)計平均值為194.表2測量時的背景溫度統(tǒng)計平均Table2Temperatureofbackgroundmeasuredbythreethermometers溫度計類型背景溫度/數(shù)字溫度計酒精溫度計27.927.5水銀溫度計27表3FPA單個像素灰度響應(yīng)測試結(jié)果Table3Graylevelofthepixelsfortesting像素單元灰度響應(yīng)值121322113167415251836238圖7系統(tǒng)的噪聲分布Fig.7Noisedistributionofsystem根據(jù)公式

18、(1),N和Ts分別取平均值時,NETD為01194K;N取最小值152時,NETD為01247K;N取最大值238時,NETD為01158K.從以上分析可以看出,系統(tǒng)的平均NETD大約為200mK,單個像素最好的NETD可以達到154半導(dǎo)體學(xué)報第27卷158mK,最差的為247mK,這個差異主要是由于陣列器件中像素單元加工的不一致性造成的.如果對加工工藝做進一步的優(yōu)化,包括所用薄膜材料應(yīng)力的均勻性控制、光刻刻蝕工藝的優(yōu)化等,相信可以得到更理想的器件性能.5.4器件性能局限與改進從圖6中可以看到,除了溫度有明顯差異的部位(如眼鏡和臉),人體其他各部分的溫度分布并不明顯,且人體的細(xì)節(jié)并不十分清晰

19、.這主要是由于器件的探測靈敏度和分辨率不夠高的原因.為提高器件的探測性能,需要綜合考慮FPA的材料選擇、器件結(jié)構(gòu)和工藝實現(xiàn)等幾方面的問題.我們選擇低應(yīng)力SiNx和Au作為雙材料微懸臂梁的兩種材料,滿足了雙材料梁的熱膨脹系數(shù)相差大且楊氏模量小的要求,但并不是最優(yōu)值.同樣從表1中可以看到,SiO2的楊氏模量比SiNx小,而SiO2/Al,SiO2/Au,SiNx/Al三種雙材料組合的熱膨脹系數(shù)差比SiNx/Au大.按照材料力學(xué)的原理6,采用相同的器件結(jié)構(gòu)時,此三種雙材料組合的變形效果比SiNx/Au更好,但由于SiO2和Al在目前必需的濕法腐蝕工藝中會被腐蝕掉,所以無法采用.在以后研發(fā)新工藝的基礎(chǔ)

20、上,此三種雙材料組合的使用應(yīng)當(dāng)可以得到更高的探測靈敏度.從器件結(jié)構(gòu)上看,提高分辨率必須縮小像素面積,同時又必須保持高的探測靈敏度.根據(jù)材料力學(xué)的理論,變形平衡后的變形滿足以下公式6:=6(2-1)T(n+1/P)L2/h1(2)其中為梁的自由端位移;為材料熱膨脹系數(shù);L為懸臂梁長度;h為懸臂梁厚度;T為溫度變化量;n為兩種材料的厚度比.P=222n(3)其中=E2/E1,E為彈性模量.對(2)和(3)式分析可知,對于限定厚度,在同樣的溫升下,兩層材料厚度比值為材料楊氏模量的反比平方根值時變形達到最大,且變形量和梁的總厚度成反比.在減少梁的總厚度的同時,減少懸臂梁的長度可以縮小像素的面積,這樣就

21、可以提高分辨率并保持高的探測靈敏度.由于加工工藝的局限,目前所采用的結(jié)構(gòu)是由2m厚的SiNx和012m厚的Au組成,遠(yuǎn)沒有達到理論設(shè)計的最優(yōu)值.在對薄膜沉積、腐蝕損傷等工藝進行改進的基礎(chǔ)上,就可以實現(xiàn)小像素的陣列器件以提高成像的分辨率.6結(jié)論成功研制了基于MEMS技術(shù)的新型熱隔離結(jié)構(gòu)的薄膜鏤空式非制冷紅外成像焦平面陣列,將其應(yīng)用到光學(xué)讀出系統(tǒng)中并成功得到了人體的熱像.系統(tǒng)的NETD平均值約為200mK.如果對材料選擇、器件結(jié)構(gòu)和加工工藝做進一步的優(yōu)化,可以得到更理想的實驗結(jié)果.參考文獻1MaoM,PerazzoT,KwonO,etal.Direct2viewuncooledmi2cro2opt

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26、n1,ShiShali1,YeTianchun1,ChenDapeng1, ,ZhangQingchuan2,GuoZheying2,DongFengliang2,andWuXiaoping2(1Micro2ProcessingandNano2TechnologyDepartment,InstituteofMicroelectronics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100029,China)(2KeyLaboratoryofMechanicalBehaviorandDesignofMaterials,UniversityofScienceandTechnologyofChina,Hefei230027,China)Abstract: