基于黏性键合的非制冷红外焦平面阵列制备技术研究

摘要

本文研究了基于黏性键合的非制冷红外焦平面阵列制备技术，以及应用其制造出了基于硅锗/硅多量子阱材料的最大640×480规模的非制冷红外焦平面阵列，为新型敏感薄膜材料在MEMS传感器制造领域的应用提供了经验和思路。
　　首先针对硅锗/硅多量子阱材料的特性，在国外现有微测辐射热计阵列像元微桥结构-工艺设计的基础上，提出了适应于硅锗/硅多量子阱材料特点的微测辐射热计阵列微桥结构一工艺设计流程，并以此完成了40×40-L型悬臂梁构型微桥像元、35×40-U型悬臂梁构型微桥像元、35×35-Ⅰ型悬臂梁构型微桥像元结构一工艺设计，并且对制备过程的工艺难点进行了分析。
　　其次，在国内外黏性键合研究的基础上，提出了基于PDAP胶黏性键合的缺陷成因及优化理论，并根据这一理论提出了一种针对PDAP胶黏性键合的工艺参数优化方法，并由此获得了微米级低缺陷黏性键合结果。这一套理论方法对于应用热塑性聚合物的其他黏性键合技术也有参考价值。
　　第三，针对微桥阵列制备中的应力影响进行研究，包括低应力快速晶圆减薄、氮化硅-钛-氮化硅悬臂梁应力控制、胶基底高精度光刻。
　　以低缺陷黏性键合为基础，通过实验研究提出了一种自停止低应力晶圆快速减薄工艺，并完成了由微米级低缺陷黏性键合工艺与其的整合，形成了微米级敏感薄膜转移技术，并在阵列制备过程中得到了实际应用。针对阵列制造中的悬臂梁应力失配问题，通过理论分析和实验方法研究，提出了一种通过改变PECVD氮化硅沉积参数来调整氮化硅-钛-氮化硅悬臂梁应力的控制方法。经过实验研究，完成了光刻对准标记的优化设计，最高对准精度可达±0.2微米以内。
　　第四，针对微桥阵列制备中的通用工艺进行研究，包括微小尺寸电极互联、金属薄膜低温沉积及图形化工艺、非金属薄膜刻蚀工艺。
　　通过独立的电镀实验，确定电镀金柱填充互联通孔的工艺参数，并解决了工艺中遇到的测试问题、电镀速率问题以及电镀均匀性问题，保证了制造工艺的一致性。最后对金属薄膜低温沉积及图形化工艺、非金属薄膜刻蚀工艺进行了实验研究，优化了工艺参数。
　　最后，整合阵列制造各关键工艺，首次完成了应用硅锗/硅多量子阱材料的640×480规模微测辐射计阵列的制造。然后针对制造好的阵列进行了结构表征，确认三种像元构型的阵列微桥均支撑良好且阵列一致性良好，其中35×40-U型640×480微桥阵列的完好率＞99％。之后对阵列的热电性能进行了测试，确定了35×40-U型在8-14μm波段的红外吸收率＞90％，阵列像元电阻约为40kΩ，阵列的电阻温度系数＞2.6％/K。35×35-Ⅰ型阵列像元稳态热响应较差未封装测试;测得了40×40-L型阵列像元的热导为1.645×10-7W/K，热容为1.043×10-9J/K，热时间常数为7.25ms;35×40-U型阵列像元的热导为1.741×10-7W/K，热容为1.383×10-9J/K，热时间常数为7.94ms。

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摘要

图表目录

1 绪论

1．1 引言

1．2 微测辐射热计红外焦平面阵列的国内外研究进展和发展趋势

1．2．1 国外研究进展

1．2．2 国内研究现状

1．2．3 非制冷红外焦平面阵列的发展趋势

1．3 论文研究内容

2 应用硅锗／硅多量子阱材料的非制冷红外焦平面阵列像元设计

2．1 红外共振吸收腔设计

2．2 自支撑微桥热学设计

2．3 自支撑微桥的机械特性

2．3．1 自支撑微桥静态结构分析

2．3．2 自支撑微桥振动分析

2．4 自支撑微桥制备工艺流程设计及难点分析

2．4．1 自支撑微桥制备工艺流程设计

2．4．2 自支撑微桥制备工艺难点分析

2．5 本章小结

3 微米级黏性键合工艺研究

3．1 工艺需求分析及键合胶选型

3．2 工艺设备选择及探索实验参数

3．3 PDAP胶键合缺陷归类及成因分析

3．4 PDAP胶黏性键合缺陷影响因素分析及工艺参数优化

3．5 PDAP胶键合强度测试及优化

3．6 本章小结

4 自支撑微桥阵列制备工艺的应力影响研究

4．1 低应力晶圆快速减薄

4．1．1 晶圆减薄方法对比分析

4．1．2 晶圆快速减薄方法研究

4．1．3 晶圆快速减薄中的应力控制

4．2 氮化硅-钛-氮化硅悬臂梁应力控制

4．3 胶基底高精度接触式光刻

4．3．1 接触式光刻工艺基础

4．3．2 胶基底高精度光刻对准标记设计

4．4 本章小结

5 自支撑微桥阵列构建通用工艺研究

5．1 微小尺寸电极互联

5．2 金属薄膜低温沉积及图形化工艺

5．2．1 低温磁控溅射

5．2．2 lift-off工艺

5．2．3 IBE刻蚀

5．3 非金属薄膜刻蚀工艺

5．3．1 RIE与ICP刻蚀

5．3．2 等离子体去胶工艺

5．4 本章小结

6 阵列制备及测试

6．1 阵列制备

6．2 阵列结构SEM检测

6．3 阵列红外吸收及电学性能测试

6．3．1 阵列芯片的红外吸收率测试

6．3．2 像元TCR测试

6．3．3 像元热响应测试

6．4 阵列芯片指标

6．5 本章小结

7 总结与展望

7．1 研究工作总结及创新点

7．2 未来工作展望

致谢

参考文献

附录