MEMS技術(shù)在非制冷紅外探測(cè)器中的應(yīng)用

　　微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)作為一項(xiàng)新興的微細(xì)加工技術(shù)，已開(kāi)始在各領(lǐng)域應(yīng)用。它可將信息獲取、處理和執(zhí)行等功能集成，具有微小、智能、可執(zhí)行、可集成、工藝兼容性好、成本低等優(yōu)點(diǎn)，在紅外探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域也有非常廣泛的應(yīng)用前景，將為該領(lǐng)域的研究提供一條更新的途徑。將MEMS技術(shù)用于非制冷紅外探測(cè)器的研制能夠使器件向高可靠性、微型化、智能化、高密度陣列集成和低成本、可批量生產(chǎn)等方向發(fā)展，并有可能利用該技術(shù)制造出具有全新機(jī)理的非制冷紅外探測(cè)器。

　　紅外探測(cè)器是紅外儀器中最基本的關(guān)鍵部件，是紅外裝置的心臟。紅外技術(shù)的發(fā)展水平，是以紅外探測(cè)器的發(fā)展為主要標(biāo)志的。60年代以前，紅外探測(cè)器主要為單元探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)紅外成像需要二維光機(jī)掃描；70年代出現(xiàn)線列多元紅外探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)紅外成像只要一維光機(jī)掃描；進(jìn)入80年代以后，開(kāi)發(fā)了焦平面器件，可以不用光機(jī)掃描，直接凝視成像。但由于一直以來(lái)，量子型紅外系統(tǒng)必須低溫制冷才能獲得所希望的系統(tǒng)應(yīng)用性能，而這種要求帶來(lái)了系統(tǒng)可靠性和成本昂貴等問(wèn)題，使其應(yīng)用受到很大的限制。近年來(lái)，隨著各種新技術(shù)的研發(fā)，特別是MEMS技術(shù)的應(yīng)用，使得可在室溫下工作的非制冷紅外探測(cè)器的整機(jī)性能及可靠性有了大幅度提高，而且由于該系統(tǒng)小型便于攜帶，使用方便靈活，成本低，進(jìn)一步促進(jìn)了非制冷紅外探測(cè)器的應(yīng)用與發(fā)展。本文綜述了MEMS技術(shù)的工藝及主要特點(diǎn)，詳細(xì)介紹了其有代表性的非制冷紅外探測(cè)器的具體應(yīng)用及工藝結(jié)構(gòu)的制作。對(duì)它們的性能及成本等方面做了詳細(xì)的比較，并對(duì)當(dāng)前應(yīng)用MEMS技術(shù)在非制冷紅外探測(cè)器中所取得的最新成果做了簡(jiǎn)略的介紹。

　　2 HEHS技術(shù)簡(jiǎn)介

　　MEMS技術(shù)是在微電子制造工藝基礎(chǔ)上吸收融合其它加工工藝技術(shù)逐漸發(fā)展起來(lái)的。它是實(shí)現(xiàn)微型傳感器、微型執(zhí)行器、微能源及電子線路集成為一體的新興特殊微加工技術(shù)r3）， 由較小的0．5～500gm的可動(dòng)子元件構(gòu)成的器件系統(tǒng)。60年代初開(kāi)發(fā)出了MEMS的重要技術(shù)一一晶體各向異性腐蝕和陽(yáng)極鍵合技術(shù)；80年代末開(kāi)發(fā)出LIGA技術(shù)，并取得初步成果，研制出了齒輪、曲柄、彈簧和微型電極以及更為復(fù)雜的MEMS；90年代，MEMS技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用，如汽車(chē)防撞氣囊用的加速度傳感器，成本僅為5美元左右。

　　通常，MEMS技術(shù)可分為體微機(jī)械加工（腐蝕、鍍膜、摻雜、鍵合）、表面微加工、高深寬比微加工及超微精密加工等，同時(shí)還借助了一些成熟的半導(dǎo)體工藝，如光刻、氧化、擴(kuò)散、離子注入、濺射、外延生長(zhǎng)和淀積等技術(shù)。目前加工材料以硅基為主，同時(shí)對(duì)金屬、玻璃、陶瓷、塑料和Ⅲ，V族化合物等材料的研究也逐漸增多。

　　微電子技術(shù)是MEMS技術(shù)的重要基礎(chǔ)，其加工手段是MEMS技術(shù)重要加工手段之一。MEMS也有它自己的特點(diǎn)，如工藝多樣化，能制作梁、隔膜、凹槽、孔、密封洞、錐、針尖、彈簧及所構(gòu)成的復(fù)雜機(jī)械結(jié)構(gòu)，同時(shí)它能與微電子工藝兼容，器件實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，成本降低。MEMS技術(shù)幾乎可應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域，尤其是要求小尺寸、高精度、高可靠性及低功耗的高科技領(lǐng)域。

　　3 MEMS技術(shù)在非制冷紅外探測(cè)器中的應(yīng)用

　　近年來(lái)，MEMS技術(shù)得到了迅速發(fā)展，將其應(yīng)用于非制冷紅外探測(cè)器有了比較成功的例子，為現(xiàn)有單元器件小型化和高密度陣列集成開(kāi)辟了一條新的途徑。

　　3．1微機(jī)械紅外熱電堆探測(cè)器

　　紅外熱電堆探測(cè)器的工作原理為塞貝克效應(yīng)（Seebeckeffect）。早先的紅外熱電堆探測(cè)器是利用掩膜真空鍍膜的方法，將熱電偶材料沉積到塑料或陶瓷襯底上獲得的，但器件的尺寸較大，且不易批量生產(chǎn)。隨著MEMS技術(shù)的應(yīng)用，出現(xiàn)了微機(jī)械紅外熱電堆探測(cè)器。K．D．Wise等人，最先利用MEMS技術(shù)于20世紀(jì)80年代初制造獲得了硅基紅外熱電堆探測(cè)器。

　　微機(jī)械紅外熱電堆芯片的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示‘刮。器件制作一般采用體硅，從硅片背面利用硅的各向異性腐蝕而得到呈金字塔型的腐蝕孔，側(cè)壁為慢腐蝕面（111）?，F(xiàn)在主要通過(guò)薄膜結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)熱結(jié)區(qū)與冷結(jié)區(qū)的隔熱結(jié)構(gòu)。應(yīng)用的薄膜結(jié)構(gòu)有兩類(lèi)，即封閉膜結(jié)構(gòu)（圖1（a））和懸梁結(jié)構(gòu)（圖1（b）），其中封閉膜是指熱堆的支撐膜為整層的復(fù)合介質(zhì)膜，一般為氮化硅膜或氮化硅與氧化硅復(fù)合膜。懸梁則是指周?chē)鸀闅夥战橘|(zhì)所包圍，一端固支、一端懸空的膜結(jié)構(gòu)。從隔熱效果來(lái)說(shuō)，懸梁比封閉膜更具優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樵诜忾]膜結(jié)構(gòu)中熱可以沿著介質(zhì)支撐膜傳播，而并不完全沿著熱偶對(duì)傳播，使熱耗散較大，熱電轉(zhuǎn)換效率低，靈敏度小。但從工藝制造過(guò)程以及成品率角度來(lái)說(shuō)，封閉膜更具優(yōu)勢(shì)，因?yàn)檫@種膜結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，由于膜與基體處處相連，因此受應(yīng)力影響小，制造過(guò)程中膜本身不易破裂，成品率高，易制造而懸梁與基體間只通過(guò)固支一端相連，另一端懸空，因此受應(yīng)力的影響顯著，制造過(guò)程中膜容易發(fā)生翹曲或破裂，故成品率較低，不易制造。

　　現(xiàn)在許多研究團(tuán)體正致力于微機(jī)械紅外熱電堆陣列的研究，而硅基熱電堆是其中的研究熱點(diǎn)，如多晶硅／金熱偶線陣列、硅／鋁熱偶線陣列、n型多晶硅／p型多晶硅熱偶面陣列。與一般的紅外探測(cè)器相比，微機(jī)械紅外熱堆探測(cè)器的優(yōu)點(diǎn)在于：①具有較高的靈敏度，寬松的工作環(huán)境與非常寬的頻譜響應(yīng)：②與標(biāo)準(zhǔn)IC工藝兼容，成本低廉且適合批量生產(chǎn)。

　　3．2熱釋電非制冷紅外探測(cè)器

　　熱釋電探測(cè)器的工作原理為熱電晶體的熱釋電效應(yīng)。由于熱釋電探測(cè)器的性能隨著熱量的下降而降低，所以良好的熱絕緣結(jié)構(gòu)是制作高性能熱釋電探測(cè)器的關(guān)鍵。最早采用的絕緣技術(shù)，是把熱釋電紅外探測(cè)器或陣列通過(guò)可塑性金屬（如In）臺(tái)面與Si信號(hào)處理電路對(duì)接，但I(xiàn)n的熱絕緣性能很差，不利于制作高性能的大面積集成熱釋電紅外焦平面陣列?，F(xiàn)在多采用MEMS技術(shù)制作橋式結(jié)構(gòu)或者懸浮的膜式結(jié)構(gòu)來(lái)改善感應(yīng)單元的熱鄉(xiāng)這樣當(dāng)紅外光照射時(shí)，每個(gè)感應(yīng)單元可以獲得一個(gè)相對(duì)大的溫度升高值，相應(yīng)地提高了探測(cè)器的靈敏度。圖2是一種采用懸浮的膜式結(jié)構(gòu)的微機(jī)械熱釋電紅外探測(cè)器感應(yīng)單元截面圖。

　　現(xiàn)在用于非致冷紅外焦平面的鐵電材料主要有BST，PZT和PST三種。下面是一種BST薄膜紅外探測(cè)器膜式絕緣結(jié)構(gòu)的制作方法。先用Pt／Ti／pSi／n-Si作襯底，采用溶膠-凝膠法沉積BST薄膜，然后利用光刻和離子束刻蝕技術(shù)，將BST薄膜與pt底電極刻成列陣圖案，接著采用光刻和離子束濺射技術(shù)，在每個(gè)BST薄膜探測(cè)單元上面濺射Pt薄膜作為上電極，再使用雙面光刻技術(shù)，與正面探測(cè)單元相對(duì)應(yīng)，在基片的背面套刻彼此互不相連的面單元圖案，使用EDP腐蝕去探測(cè)單元背面的Si襯底，使得每個(gè)探測(cè)單元懸空，形成膜式絕緣結(jié)構(gòu)。

　　用MEMS技術(shù)制作橋式結(jié)構(gòu)或者懸浮的膜式結(jié)構(gòu)有兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題需要解決：一是找到沉積高質(zhì)量鐵電材料薄膜的技術(shù)，該技術(shù)還必須與Si-CMOS電路的工藝溫度和刻蝕技術(shù)相兼容；二是沉積膜與硅基底之間必須有高的熱絕緣。

　　T．Evans等人利用硅膠做沉積膜與硅基底之間的熱絕緣層，較好地解決了沉積膜與硅基底之間的熱絕緣問(wèn)題。當(dāng)硅膠的孔隙率為75％～95％時(shí)，有著比空氣更低的熱導(dǎo)率（比較結(jié)果如圖3所示），而且該方法與標(biāo)準(zhǔn)IC工藝完全兼容（這種技術(shù)在鐵電存儲(chǔ)器制作中已得到成熟運(yùn)用），用這種技術(shù)做出的陣列是低成本非制冷紅外探測(cè)器制作的又一選擇。

　　3．3微測(cè)輻射熱計(jì)

　　微測(cè)輻射熱計(jì)是利用物體體電阻對(duì)溫度的敏感性制成的。為了盡可能的增加器件的熱絕緣性，減小熱導(dǎo)以提高器件的靈敏度，現(xiàn)在大多采用MEMS技術(shù)實(shí)現(xiàn)懸浮微橋結(jié)構(gòu)來(lái)解決這一問(wèn)題。圖4是一種采用微橋結(jié)構(gòu)的微測(cè)輻射熱計(jì)的結(jié)構(gòu)示意圖。它采用兩臂支撐的微橋?qū)崿F(xiàn)熱絕緣，Si，N，作為支撐薄膜，微橋下方的硅襯底被掏空，微橋橋面上制作多晶鍺硅Poly-Si07Ge03，薄膜電阻作熱敏探測(cè)源，為提高對(duì)紅外的吸收，表面有Sio／SiN復(fù)合膜作紅外吸收層。

　　和微機(jī)械熱釋電探測(cè)器相比較而言，在性能和低成本等方面，微測(cè)輻射熱計(jì)占有優(yōu)勢(shì)，走單片式橋狀熱絕緣探測(cè)器結(jié)構(gòu)的途徑，測(cè)輻射熱計(jì)也比熱釋電探測(cè)器早走了十多年。目前微測(cè)輻射熱計(jì)陣列大小已達(dá)640X 480，像素尺寸可以做到25um×25um，性能已達(dá)到非制冷光子探測(cè)器的水平。

　　DenizSabuncuoglutezcan等人最新報(bào)道用一種完全與IC技術(shù)兼容的MEMS~藝做出了一種新的微測(cè)輻射熱計(jì)。它利用硅的各向異性腐蝕把CMOS結(jié)構(gòu)的n阱掏空而形成懸吊結(jié)構(gòu)（利用TMAH溶液的電化學(xué)腐蝕停技術(shù)），如圖5所示。用這種方法做成的微測(cè)輻射熱計(jì)， 當(dāng)象素單元為74LLmX 74~tm時(shí)，直流響應(yīng)率達(dá)到9250V／W，探測(cè)率可達(dá)2 X 109cmHzla／W，而且由于這種方法在完成CMOS結(jié)構(gòu)后不再需要任何光刻或者紅外敏感材料的沉積，使得探測(cè)器的成本就大大降低，幾乎可以做到與CMOS芯片的成本等價(jià)，因此這種方法具有非常大的發(fā)展前途。

　　相比較以上三類(lèi)探測(cè)器，熱電堆探測(cè)器的性能處于劣勢(shì)，研究也相對(duì)較少，而對(duì)測(cè)輻射熱探測(cè)器和熱釋電探測(cè)器而言，在性能和低成本方面相對(duì)較好。但正是由于MEMS技術(shù)和IC工藝的應(yīng)用，才使得探測(cè)器整體性能不斷提高、成本不斷降低。

　　3．4其它非制冷紅外探測(cè)器

　　由于MEMS技術(shù)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，使得探測(cè)器陣列元件集成度更高，性能更好，有越來(lái)越多的研究團(tuán)體利用MEMS技術(shù)研制出了其它種類(lèi)的非制冷紅外探測(cè)器。圖6就是一種利用真空勢(shì)壘中存在的電子隧穿效應(yīng)而制成的微機(jī)械電子隧道紅外探測(cè)器這種探測(cè)器采用三層硅結(jié)構(gòu)：第一層硅結(jié)構(gòu)制作隧道硅尖電極和靜電偏轉(zhuǎn)電極；第二層硅結(jié)構(gòu)制作彈性敏感薄膜和一半氣腔：第三層硅結(jié)構(gòu)制作紅外透射膜和另一半氣腔。這種探測(cè)器的靈敏度比較高，電子隧穿位移傳感器部分的分辨率可達(dá)10-4nm／Hzl／2。

　　MEMS技術(shù)作為一種新興交叉學(xué)科的產(chǎn)物，在非制冷紅外探測(cè)器的發(fā)展中起到了突破性的作用，隨著各種MEMS新技術(shù)越來(lái)越多地融入，非制冷紅外探測(cè)器的發(fā)展也必定會(huì)越來(lái)越有生機(jī)。