基于标准CMOS工艺的微测辐射热计研究

摘要

非制冷红外探测器具有工作无需制冷、成本低、功耗小、重量轻、体积小、启动快、使用方便等优点，得到了广泛关注。其中，微测辐射热计为应用最为广泛的非制冷红外探测，它的发展主要依托于军事应用，但随着红外技术的发展和市场的需要，应用于商业领域和民用领域的基于标准CMOS工艺的低成本微测辐射热计成为研究热点。本文从结构设计、制作工艺以及性能测试等方面，对基于标准0.5μm CMOS工艺（两层多晶硅、三层金属铝）的微测辐射热计进行系统的研究。 着眼于低成本大批量生产，根据标准CMOS工艺，设计并制作了两种基于单层微桥结构的单牺牲层微测辐射热计。其微桥结构采用表面牺牲层技术实现，不需要任何额外的光刻和沉积工艺。标准CMOS工艺中的金属1层与金属2层间的钨通孔2层以及金属3层分别作为热敏电阻材料，多晶硅2层和金属2层分别作为牺牲层材料，多晶硅牺牲层的腐蚀采用不腐蚀铝的TMAH溶液配方，金属2层牺牲层腐蚀采用磷酸溶液配方。测试结果表明，单牺牲层钨微测辐射热计的电压响应率为139.95V/W，探测率为8.19×107cmHz1/2/W，单牺牲层铝微测辐射热计的电压响应率为643.6V/W，探测率为3.44×108cmHz1/2/W。 为进一步提高性能指标，设计并制作了基于单层微桥结构的双牺牲层铝微测辐射热计。其微桥结构采用表面牺牲层技术实现，不需要任何额外的光刻和沉积工艺。标准CMOS工艺中的金属3层作为热敏电阻材料，金属1层和金属2层间的通孔钨以及金属2层作为双牺牲层材料，牺牲层腐蚀分别采用过氧化氢溶液配方和磷酸溶液配方。同单牺牲层相比，双牺牲层形成的空腔可以进一步降低近场热辐射现象，并且其对于3～5μm的红外辐射可形成光学谐振腔，增强红外吸收。测试结果表明，双牺牲层铝微测辐射热计的电压响应率1751V/W，探测率为8.37×108cmHz1/2/W。 为解决像元尺寸进一步减小时单层微桥结构的热隔离性能与填充因子的矛盾，设计并制作了基于双层微桥结构的多牺牲层铝微测辐射热计。其双层微桥结构采用隐藏桥腿式设计，由表面牺牲层技术实现，不需要任何额外的光刻工艺。标准CMOS工艺中的金属3层作为热敏电阻材料，多晶硅2层、多晶硅2层与金属1层间的过孔材料钨、金属1层、金属1层与金属2层间的过孔材料钨层以及金属2层作为多牺牲层材料，牺牲层腐蚀分别采用TMAH溶液配方、过氧化氢溶液配方和磷酸溶液配方。同单层微桥结构相比，双层微桥结构可以获得最大的填充因子，更适合制作小尺寸的微测辐射热计单元。测试结果表明，多牺牲层双层铝微测辐射热计的电压响应率863.96V/W，探测率为6.39×108cmHz1/2/W。 为实现单片集成化，进行了铝微测辐射热计阵列与读出电路集成的初步研究。阵列单元采用单牺牲层铝微测辐射热计结构，并对其支撑腿进行优化设计，读出电路可以集成在微桥结构正下方，节省流片面积。测试结果表明，铝微测辐射热计阵列单元的电压响应率1206V/W，探测率为5.98×108cmHz1/2/W。阵列电阻分布均匀，成品率高，集成读出电路工作正常，可行性好，为制作低成本、大规模、高集成度的微测辐射热计阵列奠定了基础。

目录

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摘要

图目录

表目录

主要符号表

1 绪论

1．1 红外探测器概述

1．1．1 光子红外探测器

1．1．2 热探测器

1．2 非制冷红外探测器研究现状与发展趋势

1．2．1 非制冷红外探测器研究现状

1．2．2 非制冷红外探测器的发展趋势

1．3 基于标准CMOS工艺的非制冷红外探测器研究进展

1．4 本文研究内容

2 微测辐射热计的设计理论

2．1 引言

2．2 红外辐射理论

2．2．1 黑体

2．2．2 普朗克辐射定律

2．2．3 斯特藩-玻尔兹曼定律

2．2．4 维恩位移定律

2．3 微测辐射热计工作原理

2．4 微测辐射热计性能参数

2．4．1 微测辐射热计的热学参数

2．4．2 微测辐射热计的光电参数

2．5 微测辐射热计的结构的设计与材料的选择

2．5．1 微测辐射热计热隔离结构的设计

2．5．2 微测辐射热计基本材料的选择

2．6 微测辐射热加工工艺的选择

2．6．1 标准CMOS工艺的选择

2．6．2 Post-CMOS工艺的选择

2．7 微桥结构悬空隙对微测辐射热计性能的影响

2．7．1 近场热辐射现象

2．7．2 光学谐振腔效应

2．8 本章小结

3 基于单层微桥结构的单牺牲层微测辐射热计

3．1 引言

3．2 单牺牲层微测辐射热计设计与仿真

3．2．1 结构设计与材料选择

3．2．2 版图设计

3．2．3 热性能仿真

3．3 单牺牲层微测辐射热计加工

3．3．1 单牺牲层微测辐射热计的标准CMOS加工

3．3．2 单牺牲层微测辐射热计的Post-CMOS加工

3．3．3 单牺牲层微测辐射热计的照片

3．4 单牺牲层微测辐射热计性能参数测量

3．4．1 热学性能测量

3．4．2 光电特性测量

3．4．3 测量结果分析

3．5 本章小结

4 基于单层微桥结构的双牺牲层铝微测辐射热计

4．1 引言

4．2 双牺牲层铝微测辐射热计设计

4．2．1 结构设计与材料选择

4．2．2 版图设计

4．2．3 热性能仿真

4．3 双牺牲层铝微测辐射热计加工

4．3．1 双牺牲层铝微测辐射热计的标准CMOS加工

4．3．2 双牺牲层铝微测辐射热计的Post-CMOS加工

4．3．3 双牺牲层铝微测辐射热计的照片

4．4 双牺牲层铝微测辐射热计性能参数测量

4．4．1 热学性能测量

4．4．2 光电特性测量

4．4．3 测量结果分析

4．5 本章小结

5 基于双层微桥结构的多牺牲层铝微测辐射热计

5．1 引言

5．2 多牺牲层双层铝微测辐射热计设计

5．2．1 结构设计与材料选择

5．2．2 版图设计

5．2．3 热性能仿真

5．3 多牺牲层双层铝微测辐射热计加工

5．3．1 多牺牲层双层铝微测辐射热计的标准CMOS加工

5．3．2 多牺牲层双层铝微测辐射热计的Post-CMOS加工

5．3．3 多牺牲层双层铝微测辐射热计的照片

5．4 多牺牲层双层铝微测辐射热计性能参数测量

5．4．1 热学性能测量

5．4．2 光电特性测量

5．4．3 测量结果分析

5．5 本章小结

6 铝微测辐射热计阵列

6．1 引言

6．2 铝微测辐射热计阵列设计与加工

6．2．1 阵列的设计

6．2．2 阵列的加工

6．3 阵列读出电路设计

6．3．1 片内集成电路设计

6．3．2 片外读出电路设计

6．4 铝微测辐射热计阵列测试

6．4．1 微测辐射热计单元测试

6．4．2 铝微测辐射热计阵列成像测试

6．5 本章小结

7 结论与展望

7．1 结论

7．2 创新点

7．3 展望

参考文献

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介