基于黏性键合的非制冷红外焦平面阵列制备技术研究

发布时间：2020-08-21 05:14

【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—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、35×35-1型悬臂梁构型微桥像元结构—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~(-9)J/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~(-9)J/K,热时间常数为7.94ms。
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TJ5;TN21
【图文】：

红外光,黑体辐射,大气层,透射率

不同波段的红外光与大气中的气体分子相互作用不同，因而其在大气中的传播特性逡逑也不同。其中，水、二氧化碳、臭氧等分子对红外光的强烈吸收是影响红外光在大气中逡逑传播的主要因素，图１．１（ａ）展示了邋０．７５－１５微米波段红外光在大气层中传播的透射率。红逡逑外光在大气中传播透射率较高的波段可以称为红外“大气透射窗口”。红外波段有四个主逡逑要的“大气透射窗口”：近红外（ＮＩＲ），邋０．７８－１微米：短波红外（ＳＷＩＲ），邋１－２．５微米；中逡逑波红外（ＭＷＩＲ），邋３－５微米；长波红外（ＬＷＩＲ），邋８－１４微米［１’２］。逡逑室温物体辐射的红外光主要集中在中波红外和长波红外波段。构成物质的分子和原逡逑子的热运动对应的振动能级跃迁及伴随转动能级跃迁会辐射出该波段的红外光，分子振逡逑动及伴随转动的能量大致与室温相当。黑体辐射出射度的普朗克公式如下：逡逑２／ｉｆｉｃ２逡逑ＭｂｘＪ邋＝邋—逦，逦邋（１．１）逡逑Ａ５邋■邋ｅｘｐ（／ｊｃ／ＡｋＴ）邋－１逡逑其中

示意图,微测辐射热计,自支撑,微桥

微测辐射热计红外焦平面阵列是非制冷红外焦平面阵列最常见的一种形式。１８７２逡逑年，美国天文学家Ｌａｎｇｌｅｙ发明并制造了第一只测辐射热计，典型的微测辐射热计原理逡逑及示意图如图１．２所示，它是由红外吸收层、介质层、热敏电阻、导热结构以及恒温基逡逑底所组成。红外吸收层吸收了红外光后，将其转化为热能，然后引起介质层以及热敏电逡逑阻的温度发生变化，之后热量通过导热结构散出到恒温基底上，微测辐射热计恢复初始逡逑标定状态。通过读出热敏电阻的阻值变化，可以求出红外光的强度变化，从而完成红外逡逑光探测［２（），２１１。微测辐射热计红外焦平面阵列常用的ＴＣＲ（电阻温度系数）材料有金属薄膜、逡逑非晶硅薄膜、氧化钒薄膜、钇钡铜氧体超导薄膜、硅锗／桂多量子阱薄膜、氧化石墨烯薄逡逑膜。逡逑？Ｖ彻邋１逦一一一一一二一，一一逦－一一邋ｒ二－一逡逑Ｈ邋＋逦、＿逡逑＾＾逦＾邋＊＂－Ｖｒ0逦Ｒ邋Ｊ逦＼逦互联幢ｔｔ逡逑ａｍ逦顶电极逦＾逡逑１０邋０００邋ｌｕｍ）逡逑５邋０００逡逑（ａ）逦（ｂ）逡逑图１．２邋（ａ）微测辐射热计原理图；（ｂ）微测辐射热计自支撑微桥像元示意图逡逑微测辐射热计红外焦平面阵列由于是读出电阻阻值变化，所以需要脉冲电流，由此逡逑产生的焦耳热有可能对探测器性能有所影响，同时对脉冲偏置和采样技术也有一定的要逡逑求

公司,陶瓷管壳,微测辐射热计,阵列

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