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1、第27卷第1期半导体学报Vol.27No.12006年1月CHINESEJOURNALOFSEMICONDUCTORSJan.,2006*基于MEMS技术的红外成像焦平面阵列11111,†李超波焦斌斌石莎莉叶甜春陈大鹏2222张青川郭哲颖董凤良伍小平(1中国科学院微电子研究所微细加工与纳米技术研究室,北京100029)(2中国科学技术大学中国科学院材料力学行为和设计重点实验室,合肥230037)摘要:选用Au和LPCVD的低应力SiNx薄膜材料,采用MEMS技术研制了新型间隔镀金热隔离结构的薄膜镂空式非制冷红
2、外成像焦平面阵列,并应用光学读出的方法成功地在室温(27.47℃)背景下获得了人体的热像.实验证明间隔镀金热隔离结构的引入有效抑制了热传导对变形梁温升的限制,从而大大降低了系统的噪声等效温度差(NETD),NETD达到约200mK.关键词:微机械;焦平面阵列;光力学;低压化学气相淀积;氮化硅;噪声等效温度差PACC:4283EEACC:2575B;2575F中图分类号:TN405文献标识码:A文章编号:0253-4177(2006)01-0150-06为相应辐射源的热图像.1引言对于其中核心部件FPA的研究,
3、前人的工作大[1～4]都采用牺牲层结构,基本思路是在硅(Si)衬底基于微机械(MEMS)技术的应用光力学效应上做出距离衬底2～3μm的悬空面阵列结构,并做的非制冷红外成像技术是最近发展起来的新型非制固支梁把悬空结构的每一个像素单独固定在硅衬底[1～4]冷红外探测技术.相对于传统的制冷型和热电上.这种结构的优点是可以将单元相互嵌套,占空比型非制冷红外成像系统,它省去了昂贵的制冷器和很高.缺点是由于悬空结构下面有硅衬底存在,在吸复杂的读出电路,使得低成本的广泛应用成为可能.收红外辐射时,硅衬底的反射和吸收会使大约
4、40%另外理论上预测的该原理的热检测灵敏度极限可以的能量无法到达成像单元,这就使辐射的吸收率严[5]达到μK量级,这使得其在高性能红外探测领域重下降;另外由于采用此结构必须使用难度很大的也有广泛的应用前景.牺牲层释放工艺,在加工过程中很容易造成器件与基于光力学效应的非制冷红外成像系统的基本衬底的粘连,使悬空结构失效,导致器件的盲元率很[6][1～4]框架包括红外透镜、焦平面阵列(FPA)和光学检测高.在已报道的文献中,噪声等效温度差系统三部分,光学检测部分由读出可见光、透镜组和(NETD)达到大约1K.光学滤
5、波单元三部分组成.整个系统的核心部分为有鉴于此,本课题组在2004年对FPA的结构FPA,它由一系列成像单元组成面阵列,成像单元由和制作工艺进行了研究,提出并制作了一种新型无微镜面和变形机构组成,通常采用双材料微悬臂梁Si衬底的薄膜镂空式结构FPA,并得到了对200℃[7]的结构.当红外辐射照射到像素单元时,被其中的红高温物体的温度分辨率约为7K的红外热像.这外吸收材料吸收并转化为变形机构和镜面的温升,种结构的基本思路是面阵列结构区采用无Si衬底其中的双材料梁部分由于两种材料的热膨胀系数的的自支撑悬空结构,其
6、主要优点如下:(1)无衬底对差异从而产生形变,使整个像素单元产生一定的转红外辐射的反射,辐射能量利用率高;(2)不需要采角变化或离面位移,每个像素的温升也不同,产生的用牺牲层释放工艺,加工方法简便,盲元率低.但此转角变化或离面位移也不同,再利用光学检测系统FPA由于没有热隔离结构,使得变形梁的长度没有读出这些转角变化或离面位移,并把这些信号转化达到理想要求,温度分辨率较低.在此基础上,为了*国家自然科学基金(批准号:60236010)和国家高技术研究发展计划(批准号:2005AA404210)资助项目†通信作
7、者.Email:chendp@sohu.com2005-07-22收到,2005-09-01定稿d2006中国电子学会第1期李超波等:基于MEMS技术的红外成像焦平面阵列151提高热变形的效果和温度分辨率,本文设计并制作了间隔镀金热隔离结构的薄膜镂空式FPA,并利用前述光学读出方法进行了成像试验,在室温的背景下成功得到了人体的热图像,NETD约为200mK.2焦平面阵列材料的选择采用双材料微悬臂梁结构的像素单元通常包括三部分:用于红外吸收和反射可见光的微镜面、双材料变形梁和单材料热隔离梁.所选择的两种材料应根
8、据具体的结构和工艺满足不同的要求,间隔镀金图1LPCVDSiNx薄膜折射率的实部(n)和虚部(k)Fig.1Real(n)andimaginary(k)partsofrefractive薄膜镂空式结构的基本要求如下:(1)其中一种应是indexofLPCVDSiNx红外辐射的良好吸收材料;(2)其中一种材料的薄膜应具有良好的反光特性用于反射读出可见光;(3)两材料,然而它在常规的制备过程中会产生很大
