【摘要】：本文研究了基于黏性鍵合的非制冷紅外焦平面陣列制備技術(shù),以及應(yīng)用其制造出了基于硅鍺/硅多量子阱材料的最大640×480規(guī)模的非制冷紅外焦平面陣列,為新型敏感薄膜材料在MEMS傳感器制造領(lǐng)域的應(yīng)用提供了經(jīng)驗和思路。首先針對硅鍺/硅多量子阱材料的特性,在國外現(xiàn)有微測輻射熱計陣列像元微橋結(jié)構(gòu)-工藝設(shè)計的基礎(chǔ)上,提出了適應(yīng)于硅鍺/硅多量子阱材料特點的微測輻射熱計陣列微橋結(jié)構(gòu)—工藝設(shè)計流程,并以此完成了 40×40-L型懸臂梁構(gòu)型微橋像元、35×40-U型懸臂梁構(gòu)型微橋像元、35×35-1型懸臂梁構(gòu)型微橋像元結(jié)構(gòu)—工藝設(shè)計,并且對制備過程的工藝難點進(jìn)行了分析。其次,在國內(nèi)外黏性鍵合研究的基礎(chǔ)上,提出了基于PDAP膠黏性鍵合的缺陷成因及優(yōu)化理論,并根據(jù)這一理論提出了一種針對PDAP膠黏性鍵合的工藝參數(shù)優(yōu)化方法,并由此獲得了微米級低缺陷黏性鍵合結(jié)果。這一套理論方法對于應(yīng)用熱塑性聚合物的其他黏性鍵合技術(shù)也有參考價值。第三,針對微橋陣列制備中的應(yīng)力影響進(jìn)行研究,包括低應(yīng)力快速晶圓減薄、氮化硅-鈦-氮化硅懸臂梁應(yīng)力控制、膠基底高精度光刻。以低缺陷黏性鍵合為基礎(chǔ),通過實驗研究提出了一種自停止低應(yīng)力晶圓快速減薄工藝,并完成了由微米級低缺陷黏性鍵合工藝與其的整合,形成了微米級敏感薄膜轉(zhuǎn)移技術(shù),并在陣列制備過程中得到了實際應(yīng)用。針對陣列制造中的懸臂梁應(yīng)力失配問題,通過理論分析和實驗方法研究,提出了一種通過改變PECVD氮化硅沉積參數(shù)來調(diào)整氮化硅-鈦-氮化硅懸臂梁應(yīng)力的控制方法。經(jīng)過實驗研究,完成了光刻對準(zhǔn)標(biāo)記的優(yōu)化設(shè)計,最高對準(zhǔn)精度可達(dá)±0.2微米以內(nèi)。第四,針對微橋陣列制備中的通用工藝進(jìn)行研究,包括微小尺寸電極互聯(lián)、金屬薄膜低溫沉積及圖形化工藝、非金屬薄膜刻蝕工藝。通過獨立的電鍍實驗,確定電鍍金柱填充互聯(lián)通孔的工藝參數(shù),并解決了工藝中遇到的測試問題、電鍍速率問題以及電鍍均勻性問題,保證了制造工藝的一致性。最后對金屬薄膜低溫沉積及圖形化工藝、非金屬薄膜刻蝕工藝進(jìn)行了實驗研究,優(yōu)化了工藝參數(shù)。最后,整合陣列制造各關(guān)鍵工藝,首次完成了應(yīng)用硅鍺/硅多量子阱材料的640×480規(guī)模微測輻射計陣列的制造。然后針對制造好的陣列進(jìn)行了結(jié)構(gòu)表征,確認(rèn)三種像元構(gòu)型的陣列微橋均支撐良好且陣列一致性良好,其中35×40-U型640×480微橋陣列的完好率99%。之后對陣列的熱電性能進(jìn)行了測試,確定了 35×40-U型在8-14μm波段的紅外吸收率90%,陣列像元電阻約為40kΩ,陣列的電阻溫度系數(shù)2.6%/K。35×35-I型陣列像元穩(wěn)態(tài)熱響應(yīng)較差未封裝測試;測得了 40×40-L型陣列像元的熱導(dǎo)為1.645×10-7W/K,熱容為1.043×10~(-9)J/K,熱時間常數(shù)為7.25ms;35×40-U型陣列像元的熱導(dǎo)為1.741×10-7W/K,熱容為1.383×10~(-9)J/K,熱時間常數(shù)為7.94ms。
【學(xué)位授予單位】：南京理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TJ5;TN21
【圖文】：

不同波段的紅外光與大氣中的氣體分子相互作用不同，因而其在大氣中的傳播特性逡逑也不同。其中，水、二氧化碳、臭氧等分子對紅外光的強(qiáng)烈吸收是影響紅外光在大氣中逡逑傳播的主要因素，圖１．１（ａ）展示了邋０．７５－１５微米波段紅外光在大氣層中傳播的透射率。紅逡逑外光在大氣中傳播透射率較高的波段可以稱為紅外“大氣透射窗口”。紅外波段有四個主逡逑要的“大氣透射窗口”：近紅外（ＮＩＲ），邋０．７８－１微米：短波紅外（ＳＷＩＲ），邋１－２．５微米；中逡逑波紅外（ＭＷＩＲ），邋３－５微米；長波紅外（ＬＷＩＲ），邋８－１４微米［１’２］。逡逑室溫物體輻射的紅外光主要集中在中波紅外和長波紅外波段。構(gòu)成物質(zhì)的分子和原逡逑子的熱運動對應(yīng)的振動能級躍遷及伴隨轉(zhuǎn)動能級躍遷會輻射出該波段的紅外光，分子振逡逑動及伴隨轉(zhuǎn)動的能量大致與室溫相當(dāng)。黑體輻射出射度的普朗克公式如下：逡逑２／ｉｆｉｃ２逡逑ＭｂｘＪ邋＝邋—邐 ，邐邋（１．１）逡逑Ａ５邋■邋ｅｘｐ（／ｊｃ／ＡｋＴ）邋－１逡逑其中

微測輻射熱計紅外焦平面陣列是非制冷紅外焦平面陣列最常見的一種形式。１８７２逡逑年，美國天文學(xué)家Ｌａｎｇｌｅｙ發(fā)明并制造了第一只測輻射熱計，典型的微測輻射熱計原理逡逑及示意圖如圖１．２所示，它是由紅外吸收層、介質(zhì)層、熱敏電阻、導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)以及恒溫基逡逑底所組成。紅外吸收層吸收了紅外光后，將其轉(zhuǎn)化為熱能，然后引起介質(zhì)層以及熱敏電逡逑阻的溫度發(fā)生變化，之后熱量通過導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)散出到恒溫基底上，微測輻射熱計恢復(fù)初始逡逑標(biāo)定狀態(tài)。通過讀出熱敏電阻的阻值變化，可以求出紅外光的強(qiáng)度變化，從而完成紅外逡逑光探測［２（），２１１。微測輻射熱計紅外焦平面陣列常用的ＴＣＲ（電阻溫度系數(shù)）材料有金屬薄膜、逡逑非晶硅薄膜、氧化釩薄膜、釔鋇銅氧體超導(dǎo)薄膜、硅鍺／桂多量子阱薄膜、氧化石墨烯薄逡逑膜。逡逑？Ｖ徹邋１邐一一一一一二一，一一邐－一一邋ｒ二－一逡逑Ｈ邋＋邐、＿逡逑＾＾邐＾邋＊＂－Ｖｒ0邐Ｒ邋Ｊ邐＼邐互聯(lián)幢ｔｔ逡逑ａｍ邐頂電極邐＾逡逑１０邋０００邋ｌｕｍ）逡逑５邋０００逡逑（ａ）邐（ｂ）逡逑圖１．２邋（ａ）微測輻射熱計原理圖；（ｂ）微測輻射熱計自支撐微橋像元示意圖逡逑微測輻射熱計紅外焦平面陣列由于是讀出電阻阻值變化，所以需要脈沖電流，由此逡逑產(chǎn)生的焦耳熱有可能對探測器性能有所影響，同時對脈沖偏置和采樣技術(shù)也有一定的要逡逑求

微測輻射熱計紅外焦平面陣列是非制冷紅外焦平面陣列最常見的一種形式。１８７２逡逑年，美國天文學(xué)家Ｌａｎｇｌｅｙ發(fā)明并制造了第一只測輻射熱計，典型的微測輻射熱計原理逡逑及示意圖如圖１．２所示，它是由紅外吸收層、介質(zhì)層、熱敏電阻、導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)以及恒溫基逡逑底所組成。紅外吸收層吸收了紅外光后，將其轉(zhuǎn)化為熱能，然后引起介質(zhì)層以及熱敏電逡逑阻的溫度發(fā)生變化，之后熱量通過導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)散出到恒溫基底上，微測輻射熱計恢復(fù)初始逡逑標(biāo)定狀態(tài)。通過讀出熱敏電阻的阻值變化，可以求出紅外光的強(qiáng)度變化，從而完成紅外逡逑光探測［２（），２１１。微測輻射熱計紅外焦平面陣列常用的ＴＣＲ（電阻溫度系數(shù)）材料有金屬薄膜、逡逑非晶硅薄膜、氧化釩薄膜、釔鋇銅氧體超導(dǎo)薄膜、硅鍺／桂多量子阱薄膜、氧化石墨烯薄逡逑膜。逡逑？Ｖ徹邋１邐一一一一一二一，一一邐－一一邋ｒ二－一逡逑Ｈ邋＋邐、＿逡逑＾＾邐＾邋＊＂－Ｖｒ0邐Ｒ邋Ｊ邐＼邐互聯(lián)幢ｔｔ逡逑ａｍ邐頂電極邐＾逡逑１０邋０００邋ｌｕｍ）逡逑５邋０００逡逑（ａ）邐（ｂ）逡逑圖１．２邋（ａ）微測輻射熱計原理圖；（ｂ）微測輻射熱計自支撐微橋像元示意圖逡逑微測輻射熱計紅外焦平面陣列由于是讀出電阻阻值變化，所以需要脈沖電流，由此逡逑產(chǎn)生的焦耳熱有可能對探測器性能有所影響，同時對脈沖偏置和采樣技術(shù)也有一定的要逡逑求

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本文編號：2798976