CMOS兼容的微机械热电堆红外探测器阵列的研究.pdfVIP

CMOS 兼容的微机械热电堆红外探测器 阵列研究 1,2,* 1 1 徐德辉 ，熊斌 ，王跃林 （1. 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 传感技术国家重点实验室，上海 200050; 2. 中国科学院研究生院，北京 100039） 摘要：微机械热电堆红外探测器由于无需致冷，后续检测电路简单，成本低等优点在许多领域得到了广泛 应用。本文设计并制造了两种 22 微机械热电堆红外探测器阵列，热电堆的热电偶材料采用N型多晶硅和铝， 结构支撑膜为氧化硅-氮化硅-氧化硅的复合介质膜，悬浮绝热结构是通过前端XeF2 干法各向同性硅腐蚀工 艺而制备。阵列器件采用两维的面阵列结构，单元探测器则以串联和并联两种方式分别组成阵列，并联方 式的阵列可以实现红外探测并行扫描的功能，串联的阵列则可以进一步提高红外探测器的输出电压及探测 率，但不能提高器件的响应率。由于采用XeF2 干法工艺对器件进行最终释放，器件的良率可以得到很大的 提高；热电堆的材料及制造工艺都与标准CMOS技术完全兼容，器件的成本可以进一步的降低。 关键词：微机械热电堆；红外探测器；阵列；CMOS 兼容； 中图分类号：TN379;TN403 文献标识码：A 文章编号： 随着微电子技术和微机械加工技术的发展，基于微机电系统（MEMS-MicroElectro Mechanical System ）技术的非致冷热电堆红外探测器逐渐成为红外探测器研究中的一个热点 [1,2]。与传统的红外探测器相比，基于 MEMS 技术的热电堆红外探测器不仅尺寸小，重量 轻，无需致冷，探测的波长范围长，灵敏度高，噪声小，对环境温度不敏感，接口电路简单， 更重要的是其制作工艺可以与标准的 CMOS 工艺兼容，可以在同一芯片上集成电路处理系 统，成本低廉，适合批量生产 [2] 。美国Dexter 公司已成功开发并批量生产了基于微机械热 电堆的ST 系列的红外探测器 [3] ，Perkinelmer 公司也开发并生产了基于微机械热电堆的TPS 系列的红外探测器 [4] 。微机械热电堆红外探测器也在非接触式测温、微波功率计、频谱仪、 流量计、气体检测传感等方面得到了广泛的应用。 微机械热电堆红外探测器的研究主要是集中在单个器件的研究，对其阵列研究则报道不 多。由于将微机械热电堆红外探测器设计成阵列可以实现阵列探测，这就进一步的扩大了微 机械热电堆红外探测器的应用范围。例如，微机械热电堆红外探测器阵列可以对面阵温度进 行非接触测量、对外来入侵物移动方位进行监测、对卫星姿态进行传感、对多种气体进行同 时检测。本文设计了两种 22 微机械热电堆红外探测器阵列结构，利用标准CMOS工艺和后 续无掩膜的二氟化氙（XeF2 ）硅各向同性干法腐蚀工艺完成了器件的制作，并对器件的性 能进行了测试。 1．器件结构设计 图 1 给出了采用正面硅腐蚀技术制作的微机械热电堆红外探测器的一个典型结构，在器 件结构制作完后，通过正面的释放孔对硅衬底进行腐蚀，从而将热电堆微结构释放。探测器 中间是红外吸收层，负责吸收外界红外辐射，红外吸收层及其附近位置构成热电堆的热结区。 由于热结区悬浮在硅衬底上，热结区和硅衬底之间实现了良好的热绝缘，因此吸收区吸收的 *通讯作者：徐德辉，男，博士研究生。E-mail:dehuixu@ 图 1 微机械热电堆红外探测器结构示意图 红外辐射被转换成热量从而导致热结区的温度上升 [5]。热电堆的冷结区则位于硅衬底上， 由于硅单晶具有良好的导热特性，冷结区可以与环境的温度保持一致，所以热结区与冷结区 之间就存在一个温度梯度。在无需偏置的情况下，通过热电材料的塞贝克（Seebeck ）效应 可以将温度差转换成电压直接输出。所以，微机械热电堆红外探测器探测红外信号的过程就 是一个“光-热-电”两级传感转换的过程。为了增加器件的输出电压，热电堆一般采用多个 热电偶串联而成。 对于 CMOS 兼容的热电堆红外探测器而言，由于 CMOS 工艺中的材料种类有限，热电 偶材料被限制为 N- 多晶硅，P-多晶硅和铝，而 Bi 和 Sb 这类高塞贝克系数的材料则不能用 来构成热电偶 [6] 。由于 N- 多晶硅和铝对后 CMOS 处理工艺的兼容性高，并且