電阻陣列紅外景物產(chǎn)生器微橋結(jié)構(gòu)的材料及制作研究.pdf

1、動態(tài)紅外景物模擬系統(tǒng)由于能夠在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對紅外探測系統(tǒng)的動態(tài)性能進(jìn)行測試與評估而受到國內(nèi)外的重視。該系統(tǒng)的關(guān)鍵器件是紅外景物產(chǎn)生器。目前，具有微橋結(jié)構(gòu)的電阻陣列紅外景物產(chǎn)生器由于具有寬光譜、大動態(tài)范圍、高分辨率、高幀頻、無閃爍等優(yōu)點(diǎn)已成為國際上重點(diǎn)發(fā)展的紅外景物產(chǎn)生技術(shù)。本文圍繞電阻陣列紅外景物產(chǎn)生器微橋結(jié)構(gòu)所涉及的介電材料、電阻材料及低應(yīng)力薄膜的沉積技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，并采用微加工技術(shù)成功制作了160×120陣列的微橋結(jié)構(gòu)，為今后器件的

2、工程化制造打下良好的基礎(chǔ)。研究的主要內(nèi)容及結(jié)論如下：
　　 1.對介電材料氫化非晶硅(α-Si：H簡寫α-Si)薄膜的沉積技術(shù)及應(yīng)力特性進(jìn)行了研究。采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)法沉積α-Si薄膜，研究了工藝參數(shù)對薄膜沉積速率及折射率的影響，重點(diǎn)研究了薄膜應(yīng)力與工藝參數(shù)的關(guān)系。研究結(jié)果表明，SiH4氣體流量與射頻功率對薄膜的沉積速率及折射率影響顯著；提高射頻功率能夠使薄膜從張應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力且壓應(yīng)力隨射頻功率的增大而

3、增大；提高壓強(qiáng)能夠使薄膜從壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閺垜?yīng)力；應(yīng)力隨沉積溫度的升高而增大；薄膜中H、SiH組態(tài)與SiH2組態(tài)含量隨射頻功率的增大而增大；通過調(diào)節(jié)射頻功率大小是改變薄膜應(yīng)力的較為方便的方法。通過優(yōu)化工藝，獲得了具有較小張應(yīng)力薄膜的沉積工藝參數(shù)。
　　 2.對介電材料氮化硅(SiNx)、氧化硅(SiOx)薄膜應(yīng)力及兩者特性進(jìn)行了對比研究。采用PECVD法沉積了低應(yīng)力的SiNx與SiOx薄膜，分別研究了流量比、射頻功率、壓強(qiáng)等工藝參數(shù)

4、與薄膜應(yīng)力之間的關(guān)系。研究結(jié)果表明，對于SiNx薄膜，薄膜應(yīng)力隨SiH4/NH3或SiH4/N2流量比，射頻功率的增大而減小，隨壓強(qiáng)的增大而增大，采用N2反應(yīng)所得到的SiNx薄膜H含量低于采用NH3反應(yīng)所得薄膜；對于SiOx薄膜，低的N2O/SiH4流量比、低的射頻功率可以獲得低應(yīng)力的薄膜。對SiNx與SiOx薄膜的力學(xué)特性、熱穩(wěn)定性、吸收特性進(jìn)行了對比。結(jié)果表明，SiOx薄膜具有相對低的楊氏模量與硬度，具有較好的熱穩(wěn)定性；SiOx薄膜

5、紅外吸收帶的寬度較小且在9.4μm處具有最大的吸收系數(shù)2.18×104cm-1，而SiNx薄膜在11.6μm處具有最大的吸收系數(shù)1.61×104cm-1，兩種薄膜在長波紅外窗口8～12μm波段內(nèi)吸收強(qiáng)度相當(dāng)；SiOx、SiNx薄膜具有良好的干法刻蝕特性從而易于通過微加工方法來實(shí)現(xiàn)微橋結(jié)構(gòu)的制作。
　　 3.對介電材料氮氧化硅(SiOxNy)薄膜進(jìn)行了研究。采用PECVD法沉積SiOxNy薄膜，研究不同N2O/NH3流量比R時薄膜

6、的組分、光學(xué)常數(shù)及紅外吸收特性。隨著流量比R的增加，SiOxNy薄膜中O的相對百分含量提高，N含量降低，而Si含量基本不變；薄膜由于Si-0、Si-N鍵形成的吸收峰峰值波長向短波(高波數(shù))移動，變化范圍為11.6μm(860 cm-1)～9.4μm(1063 cm-1)，且吸收峰的寬度先增大后減小。此外，薄膜的折射率與薄膜中H含量也隨流量比R的增加而降低。相比于SiOx、SiNx薄膜，組分特定的SiOxNy薄膜的吸收峰最寬且在長波紅外窗

7、口8～12μm內(nèi)吸收強(qiáng)度最大。SiOxNy薄膜本身具有低應(yīng)力的特性，且應(yīng)力可以通過改變N2O/NH3流量比來進(jìn)一步調(diào)節(jié)。研究結(jié)果還表明，SiOxNy是一種優(yōu)良的梯度折射率材料，可以同時具有低的薄膜應(yīng)力與可見光范圍內(nèi)的低吸收特性。比較了本文所涉及的四種介電材料楊氏模量和硬度值。
　　 4.對電阻材料TiWN薄膜的沉積技術(shù)及特性進(jìn)行了研究。采用射頻濺射方法沉積了TiWN薄膜，深入研究了不同N2分壓比(0～11％)對薄膜電阻率、組分與

8、晶體結(jié)構(gòu)的影響。同時，對薄膜的表面形貌、電阻溫度系數(shù)(TCR)進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，當(dāng)N2分壓比由0增至6％時，薄膜的電阻率由117.5μΩ·cm緩慢變化至675μΩ·cm，當(dāng)進(jìn)一步增加N2的分壓比，薄膜電阻率急劇增大。XPS測試表明隨著N2分壓比的增加，薄膜中N含量逐漸增大(當(dāng)N2分壓比為11％時，薄膜中N含量達(dá)到36％)，從而引起薄膜結(jié)構(gòu)的變化，此變化是薄膜電阻率改變的主要原因。隨著N2分壓比的增大，薄膜的晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯變化，薄

9、膜中β-W相轉(zhuǎn)變?yōu)?Ti，W2)的固溶相。XPS與XRD分析證明所沉積的TiWN(N2分壓比為11％)薄膜是一個(Ti，W2)N的固溶相(形成WxTiyNz固溶體)。TiWN薄膜典型的TCR值為-391ppm/C。AFM測試表明沉積的TiWN薄膜能夠較好地復(fù)制基底的形貌。
　　 5.對電阻陣列紅外景物產(chǎn)生器微橋結(jié)構(gòu)的設(shè)計、制作及熱學(xué)性能仿真進(jìn)行了研究。微橋結(jié)構(gòu)設(shè)計主要包括制作工藝工程中材料選擇與版圖設(shè)計。采用微加工技術(shù)制作了自支