【摘要】：非制冷紅外探測器具有工作無需制冷、成本低、功耗小、重量輕、體積小、啟動快、使用方便等優(yōu)點,得到了廣泛關(guān)注。其中,微測輻射熱計為應(yīng)用最為廣泛的非制冷紅外探測,它的發(fā)展主要依托于軍事應(yīng)用,但隨著紅外技術(shù)的發(fā)展和市場的需要,應(yīng)用于商業(yè)領(lǐng)域和民用領(lǐng)域的基于標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的低成本微測輻射熱計成為研究熱點。本文從結(jié)構(gòu)設(shè)計、制作工藝以及性能測試等方面,對基于標(biāo)準(zhǔn)0.5μm CMOS工藝(兩層多晶硅、三層金屬鋁)的微測輻射熱計進(jìn)行系統(tǒng)的研究。著眼于低成本大批量生產(chǎn),根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝,設(shè)計并制作了兩種基于單層微橋結(jié)構(gòu)的單犧牲層微測輻射熱計。其微橋結(jié)構(gòu)采用表面犧牲層技術(shù)實現(xiàn),不需要任何額外的光刻和沉積工藝。標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝中的金屬1層與金屬2層間的鎢通孔2層以及金屬3層分別作為熱敏電阻材料,多晶硅2層和金屬2層分別作為犧牲層材料,多晶硅犧牲層的腐蝕采用不腐蝕鋁的TMAH溶液配方,金屬2層犧牲層腐蝕采用磷酸溶液配方。測試結(jié)果表明,單犧牲層鎢微測輻射熱計的電壓響應(yīng)率為139.95V/W,探測率為8.19×107cmHz1/2/W,單犧牲層鋁微測輻射熱計的電壓響應(yīng)率為643.6VAW,探測率為3.44×108cmHz1/2/W。為進(jìn)一步提高性能指標(biāo),設(shè)計并制作了基于單層微橋結(jié)構(gòu)的雙犧牲層鋁微測輻射熱計。其微橋結(jié)構(gòu)采用表面犧牲層技術(shù)實現(xiàn),不需要任何額外的光刻和沉積工藝。標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝中的金屬3層作為熱敏電阻材料,金屬1層和金屬2層間的通孔鎢以及金屬2層作為雙犧牲層材料,犧牲層腐蝕分別采用過氧化氫溶液配方和磷酸溶液配方。同單犧牲層相比,雙犧牲層形成的空腔可以進(jìn)一步降低近場熱輻射現(xiàn)象,并且其對于3～51μm的紅外輻射可形成光學(xué)諧振腔,增強(qiáng)紅外吸收。測試結(jié)果表明,雙犧牲層鋁微測輻射熱計的電壓響應(yīng)率1751V/W,探測率為8.37×108cmHz1/2/W。為解決像元尺寸進(jìn)一步減小時單層微橋結(jié)構(gòu)的熱隔離性能與填充因子的矛盾,設(shè)計并制作了基于雙層微橋結(jié)構(gòu)的多犧牲層鋁微測輻射熱計。其雙層微橋結(jié)構(gòu)采用隱藏橋腿式設(shè)計,由表面犧牲層技術(shù)實現(xiàn),不需要任何額外的光刻工藝。標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝中的金屬3層作為熱敏電阻材料,多晶硅2層、多晶硅2層與金屬1層間的過孔材料鎢、金屬1層、金屬1層與金屬2層間的過孔材料鎢層以及金屬2層作為多犧牲層材料,犧牲層腐蝕分別采用TMAH溶液配方、過氧化氫溶液配方和磷酸溶液配方。同單層微橋結(jié)構(gòu)相比,雙層微橋結(jié)構(gòu)可以獲得最大的填充因子,更適合制作小尺寸的微測輻射熱計單元。測試結(jié)果表明,多犧牲層雙層鋁微測輻射熱計的電壓響應(yīng)率863.96V/W,探測率為6.39×108cmHz1/2/W。為實現(xiàn)單片集成化,進(jìn)行了鋁微測輻射熱計陣列與讀出電路集成的初步研究。陣列單元采用單犧牲層鋁微測輻射熱計結(jié)構(gòu),并對其支撐腿進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,讀出電路可以集成在微橋結(jié)構(gòu)正下方,節(jié)省流片面積。測試結(jié)果表明,鋁微測輻射熱計陣列單元的電壓響應(yīng)率1206V/W,探測率為5.98×108cmHz1/2/W。陣列電阻分布均勻,成品率高,集成讀出電路工作正常,可行性好,為制作低成本、大規(guī)模、高集成度的微測輻射熱計陣列奠定了基礎(chǔ)。
[Abstract]:Uncooled infrared detectors have attracted much attention due to their advantages such as low cost, low power consumption, light weight, small size, fast start-up and easy operation. Among them, microcalorimeter is the most widely used uncooled infrared detector, and its development mainly depends on military applications. However, with the development of infrared technology and market demand Low-cost microbolometers based on standard CMOS process for commercial and civilian applications have become a research hotspot. This paper systematically studies the microbolometers based on standard 0.5 micron CMOS process (two-layer polycrystalline silicon, three-layer metallic aluminum) from the aspects of structure design, fabrication process and performance testing. According to the standard CMOS process, two kinds of single sacrificial layer microbolometers are designed and fabricated. The micro-bridge structure is realized by surface sacrificial layer technology without any additional lithography and deposition process. As thermistor material, polycrystalline silicon 2 layer and metal 2 layer are sacrificial layer material, polycrystalline silicon sacrificial layer is corroded by TMAH solution without corrosive aluminum, and metal 2 layer is corroded by phosphoric acid solution. The voltage response rate of the single sacrificial layer aluminum microbolometer is 643.6 VAW and the detection rate is 3.44 In standard CMOS process, three layers of metal are used as thermistors, tungsten and two layers of metal are used as double sacrificial layers, and hydrogen peroxide solution and phosphoric acid solution are used for sacrificial layer corrosion respectively. The results show that the voltage response rate of the double sacrificial layer aluminum microbolometer is 1751V/W, and the detection rate is 8.37 *108cmHz 1/2/W. The thermal isolation performance and filling factor of the single-layer micro-bridge structure are solved when the pixel size is further reduced. A double-deck micro-bridge structure is designed and fabricated based on a double-deck micro-bridge structure. The double-deck micro-bridge structure is designed with hidden bridge legs and is realized by surface sacrificial layer technology without any additional lithography process. The metal three layers in the standard CMOS process are used as thermistor materials, polysilicon two layers, polysilicon two layers and gold. The tungsten layer, metal layer, metal layer and metal layer are used as multi-sacrificial layers. The TMAH solution, hydrogen peroxide solution and phosphoric acid solution are used for sacrificial layer corrosion respectively. The results show that the voltage response rate of the multi-sacrificial double-layer aluminum microbolometer is 863.96V/W and the detection rate is 6.39 *108cmHz 1/2/W. In order to realize the monolithic integration, the integration of the aluminum microbolometer array and the readout circuit is studied. The readout circuit can be integrated directly below the micro-bridge structure to save the chip area. The test results show that the voltage response rate of the array unit is 1206V/W, the detection rate is 5.98 *108cmHz 1/2/W. It works well and has good feasibility, which lays a foundation for fabricating low cost, large scale and high integration microbolometer array.
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TN215

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本文編號：2205046