新型气动室温红外探测器制备及其超薄敏感膜研究

摘要

红外探测器作为红外探测系统核心部件,始终是红外技术发展的中心.随着红外实验和理论的发展,新器件不断涌现.今天的探测器制备已成为涉及物理、材料等基础科学和光、机械、微电子及计算机等多领域的综合性科学技术.红外探测器按工作原理的不同可分为热探测器和光子探测器.热探测器可在室温下工作,但其响应时间较长,探测灵敏度低,且对不同波段红外辐射的检测无选择性;光子探测器响应速度快,探测灵敏度较高,具有波长选择性,但须低温工作,大大限制了它的应用.鉴于现有热探测器和光子探测器由于受工作原理的限制存在着无法避免的缺陷,沈光地教授提出了一种可在室温工作、具有高灵敏度且可实现探测波段选择性的全新红外探测机理.该文工作围绕这一物理思想展开,在原有工作基础上,对新型气动室温红外探测器进行了结构设计及工艺深入研究.论文的主要内容如下:1.概述了红外探测器的发展、研究现状及应用,介绍了现有的热探测器和光子探测器的优缺点,并在此基础上说明了新型红外探测器的优越性.2.介绍了新型气动室温红外探测器的工作机理,并对其实现技术——微机械加工技术(MEMS)进行了概述.3.对新型气动室温红外探测器结构进行了理论分析与参数计算.包括红外透射窗口的选材分析,红外吸收气体的选取及其特性分析,弹性敏感硅膜、吸收腔、检测电容的关键结构参数的分析计算,最后给出垂直双腔和水平双腔两种器件结构.4.对超薄敏感膜的各项异性湿法腐蚀工艺制备及其性能进行了深入研究.改进传统的腐蚀停工艺,首次采用KOH腐蚀实现了厚度小于1μm的平整超薄硅膜.与EPW进行比较,KOH的优势在于毒性小、操作简单、腐蚀边缘规则.采用测量溶液对重掺硅/本征硅的腐蚀速率比的新方法来研究腐蚀停特性,得出KOH与EPW腐蚀比分别为1:400和1:483.另外对薄膜应力进行了初步分析,并提出通过生长P+Si/Si3N4复合膜来减小应力的方案.5.设计器件结构的整体制备工艺流程,实现了器件的垂直双腔结构样品.6.建立新型气动室温红外探测器的响应理论模型,在现有测试系统基础上对样品响应进行了测试,结果表明器件对红外辐射有明显响应.

目录

文摘

英文文摘

独创性声明及关于论文使用授权的说明

第1章绪论

1.1红外探测器综述

1.1.1红外探测器的分类

1.1.2红外探测器的发展及研究现状

1.2新型红外探测器的提出

1.2.1当前红外探测器存在的问题

1.2.2新型红外探测器的提出及其意义

1.3本论文的研究工作

第2章新型红外探测器的工作机理及其实现技术

2.1新型红外探测器的工作机理

2.2新型红外探测器的实现技术

2.2.1 MEMS技术概述

2.2.2新型红外探测器采用的技术

2.3本章小结

第3章新型红外探测器的结构设计

3.1红外透射窗口的设计

3.1.1材料选择

3.1.2影响硅红外透射率的主要因素

3.2红外吸收气体的选择

3.2.1红外光谱理论

3.2.2红外吸收气体的选择

3.3弹性敏感膜的设计

.3.4吸收腔的设计

3.5检测结构的设计

3.6整体结构设计

3.7本章小结

第4章各向异性湿法腐蚀的研究

4.1 KOH腐蚀系统

4.1.1 KOH腐蚀的化学机理

4.1.2 KOH对不同掺杂浓度硅的腐蚀研究

4.1.3 KOH重掺杂腐蚀停特性的研究

4.1.4 KOH腐蚀实现弹性敏感薄膜

4.2 EPW腐蚀系统

4.2.1 EPW腐蚀的化学机理

4.2.2 EPW腐蚀的研究

4 . 2.3 EPW腐蚀实现弹性敏感薄膜

4.3 KOH与EPW的比较

4.4薄膜残余应力的研究

4.4.1薄膜中残余应力理论

4.4.2残余应力的控制

4.5本章小结

第5章新型红外探测器的制备

5.1整体结构的实现方案

5.2关键工艺的研究

5.2.1各项异性湿法腐蚀工艺的研究

5.2.2玻璃腐蚀工艺的研究

5.2.3键合工艺的研究

5.3整体制备工艺

5.3.1垂直双腔结构的制备研究

5.3.2水平双腔结构的制备研究

5.4本章小结

第6章新型红外探测器的测试分析

6.1新型红外探测器的响应理论分析

6.2新型红外探测器的测试

6.2.1测试系统及步骤

6.2.2测试结果

6.3本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢