第31卷 第1期 红 外 技 术 Vol.31 No.1 2009年1月 Infrared Technology Jan. 2009

1〈材料与器件〉 氧化钒非制冷红外焦平面探测器芯片工艺研究 袁 俊，太云见，雷晓虹，何雯瑾，陈 妞 （昆明物理研究所，云南 昆明，650223）

摘要：非制冷红外探测器具有成本低廉、无需制冷等优异特点，在红外探测和红外成像领域占有极其重要的地位。从氧化钒非制冷焦平面探测器的牺牲层、支撑层、氧化钒等制备工艺进行了研究，为国内非制冷焦平面探测器工程化研究奠定了坚实的技术基础。 关键字：非制冷；红外焦平面；氧化钒；工艺 中图分类号：TN215 文献标识码：A 文章编号：1001-8891(2009)01-0001-04

Research on Fabrication of VOx UFPA Detectors YUAN Jun，TAI Yun-jian，LEI Xiao-hong，HE Wen-jing，CHENG Niu (Kunming Institute of Physics, Kunming Yunnan 650223, China)

Abstract：High performance and inexpensive VOx infrared detectors play an important role in the field of thermal detection and imaging of objects, because of the advantages of high sensitivity at long-wavelength and room-temperature operation without cooling system. This paper focused on fabrication of sacrificial layers, supporting layers, vanadium oxides film, and so on, which is technology foundation for domestic uncooled infrared focal plane array. Key words：uncooled；infrared focal plane array；VOx film；sacrificial layers

引言 非制冷焦平面探测器按工作模式可分为3种类型：微测辐射热计（Microbolometer）、热释电型和热电堆。按结构可分为单片式和混成式，单片式非制冷焦平面探测器是在读出电路上用热隔离臂支撑悬空（即微桥结构）的红外探测敏感元列阵；而混成式非制冷焦平面探测器则是分别制作焦平面敏感元列阵和CMOS信号读出电路，最后采用铟柱倒装焊技术将二者组装在一起的红外焦平面列阵。与混成技术相比，单片式结构可消除伪边缘、晕圈和频闪等效应，其列阵邻近像元之间的完全隔离几乎消除了串音、图像拖影和模糊现象，因此，单片式的非制冷焦平面探测器较之混成式焦平面探测器具有潜在的性能优势[1]。 目前广泛使用的单片式非制冷焦平面探测器是微测辐射热计，所使用的热敏电阻材料主要是氧化钒、非晶硅和多元复合氧化物薄膜，并且以氧化钒（VOx）薄膜和非晶硅薄膜为热敏材料的焦平面探测器在国外已投入大批量的生产，而国内目前仍处于实验室阶段，产品更是空白。为此本文将展开对单片式红外焦平面探测器芯片工艺研究。 1 研究方案 320×240 VOx非制冷焦平面探测器组件由读出电路、微桥结构列阵、VOx薄膜材料、封装组成。其

中VOx薄膜的作用是将红外辐射转变成电信号；微桥结构将在其上的VOx薄膜悬空起来，其极小的热容量和热导保证探测元有足够高的热灵敏度；读出电路将每个探测元的信号读出，变空间分布的电信号为时序信号，以便于实现凝视热成像，同时作为微桥结构的支撑衬底[2, 4]。为此我们采用了如图1的工艺流程对

氧化钒非制冷焦平面探测器芯片展开了研究。

2 研制过程 2.1 牺牲层制备 收稿日期：2008-09-08. 作者简介：袁俊（1980-），男，硕士研究生，主要从事非制冷红外探测器研究，E-mail：yuanjun5516@tom.com . 第31卷 第1期 红 外 技 术 Vol.31 No.1 2009年1月 Infrared Technology Jan. 2009

21）牺牲层材料选择[3] 常用的牺牲层材料主要有磷硅玻璃，疏松SiO2，聚酰亚胺等。选择牺牲层材料时应考虑的因素包括：后续工艺温度，去除方法对整个微桥结构的影响，与其它结构材料间的兼容性等。 牺牲层制备支撑层制备电极开孔电极生长VOx薄膜生长膜层图形化吸收膜生长牺牲层去除封装焊接 图1 VOx焦平面探测器芯片制备流程 Fig.1 The processing flow diagram of VOx detectors fabrication 聚酰亚胺制备牺牲层图形较有磷硅玻璃、疏松SiO2等材料方便，去除方法较多，且去除时不损伤微桥结构。此外，聚酰亚胺还具有良好的绝缘性，弹性系数大，线膨胀系数大，能承受较大的应变，在较宽的温度范围内具有良好的机械特性能等特点。因此，聚酰亚胺是牺牲层的首选材料。聚酰亚胺分为光敏型和非光敏型聚酰亚胺。光敏型聚酰亚胺具有一次成型、不需二次光刻和刻蚀、分辨率高和工艺简单等优点。基于此，我们在工艺中选择光敏型聚酰亚胺作为牺牲层材料。 2）牺牲层厚度控制 牺牲层的厚度，也就是微桥悬空的高度，根据探测器吸收结构的设计公式：d＝λ0/4n，空气的折射率为n＝1，长波红外的波段λ0为8～12 µm，因此，牺牲层厚度设计为2～2.5 µm就能满足谐振腔高度的要求。通过控制涂胶的工艺参数可获得牺牲层的厚度。 3）实验过程 为了制备出满足要求的牺牲层，我们采用光敏型聚酰亚胺，匀胶速度控制在4500～5000 r/min，通过曝光显影的方式使其图形化，并在350℃的真空烘箱中进亚胺化，制备出了牺牲层厚度在2.1～2.4 µm之间的图形，如图2所示。 2.2 支撑层生长 1）支撑层材料的选择 作为微机械支撑和热绝缘结构的薄膜材料，一般有晶态Si、SiO2、氮化硅（Si3N4）、Al等。然而对这些材料的剩余本征应力需要在1000～1100℃下对其进行退火减小，但氮化硅薄膜具有自身张力小，低热导、低比热、机械性能良好、工艺兼容性好等特点，同时具有光电性能、化学稳定性、热稳定性及力学性能[4]，因此被广泛用于非制冷焦平面探测器微桥结构的支撑层材料。因此我们采用Si3N4作为支撑层材料。

图2 牺牲层显微图形 Fig.2 Photograph of sacrificial layers 2）支撑层材料的制备方法 氮化硅薄膜的制备方法很多，如何制备高质量的氮化硅薄膜已成为研究的热点。目前，IBED、LPCVD 和PECVD三种方法用得较多，薄膜质量也比较好，可以广泛用于光电和材料表面改性领域。如IBED法可以增强薄膜对衬底的粘附力，提高薄膜的稳定性，膜厚不受离子能量的限制，但此法制备的膜有较多的表面缺陷；LPCVD 法可以制备较高质量的薄膜，因为此法具有良好的台阶覆盖性能、很高的产率和好的均匀性，但它在高温下生产会损伤衬底；而PECVD法虽然有沉积温度低，但重复性好的优点，满足氧化钒非制冷焦平面工艺兼容性的要求，我们采用PECVD制备法制备氮化硅薄膜。 其反应方程式为： SiH4＋NH3→SixNyHz＋H2 (1)

3）实验结果 我们采用PECVD，通过控制NH3、SiH4的流量

及配比、射频功率、衬底温度，制备的Si3N4薄膜厚

度为400～500 nm左右、耐受温度为400～450℃、薄膜应力小于75 MPa，并且薄膜的质量和均匀性都较好，如图3所示。

图3 氮化硅显微图形 Fig.3 Photograph of Si3N4 film 第31卷 第1期 Vol.31 No.1 2009年1月 袁 俊等：氧化钒非制冷红外焦平面探测器芯片工艺研究 Jan. 2009

32.3 VOx薄膜生长 氧化钒薄膜非制冷焦平面的电压响应率： ()2/122be1τωηα+=GRIR (2) 式中：Ib为偏置电流；α为热敏电阻的电阻温度系数TCR；R为热敏电阻；η为红外吸收率；G为热通道的热导；ω为调制频率；τ为器件的时间常数。从中可以看出，这对于氧化钒材料，一方面其TCR要尽可能的大，以得到最佳的红外探测性能；另一方面，氧化钒薄膜的电阻需要一定的数值，以得到比较理想的响应率。同时由于有功耗和电源电压的限制，其阻值不能过大，需要保持在一定的范围内。所以氧化钒薄膜的TCR、电阻R值是氧化钒薄膜制备技术研究的关键参数[4,5]。 为此我们采用IBED制备出均匀性较好的薄膜，并通过适当的热处理消除薄膜在沉积过程中产生的内应力，实现晶体结构的重构，改善薄膜机械性能、晶体结构和电学性能，其TCR优于－2%，阻值在20～60 kΩ，适用于非制冷红外探测器。薄膜的TCR曲线和AFM图如图4，5所示。 TCR曲线02040608025354555657585T(℃)R(kΩ) 图4 VOx薄膜的TCR曲线 Fig.4 TCR curves of VOx film 图5 VOx薄膜的AFM表面形貌图 Fig.5 Surface images of VOx film 2.5 膜层图形化及牺牲层去除 1）膜层图形化及牺牲层去除方法选择 支撑层、氧化钒的刻蚀与牺牲层的去除方法一般采用的湿法腐蚀和干法刻蚀，而湿法刻蚀（腐蚀）显然简单，但对3 µm以下的精细线宽及孔洞，它的能力已经达到了极限，且湿法刻蚀为各向同性刻蚀，有

侧向腐蚀现象，即钻蚀。 干法腐蚀包括等离子体刻蚀（PE）、离子束刻蚀（IBE）和电感耦合等离子体（ICP）刻蚀等。等离子体刻蚀（PE）是一种纯化学的刻蚀方法，它主要由等离子体中的活性物质和片子之间的化学反应引起，可以很容易地得到材料的选择性，刻蚀均匀性好，但仍有一定程度的各向同性刻蚀，不利于进一步提高刻蚀分辨率；离子束刻蚀（IBE）是一种纯物理刻蚀方法，它具有很强的方向性，刻蚀分辨率高，无钻蚀，线条深度及线宽精度可控到0.01～0.05 µm，其缺点是刻蚀

速率低（－100 Å/min）和刻蚀选择性差（1:1）；电感耦合等离子体刻蚀（ICPE）是一种物理作用和化学作用共存的刻蚀工艺，主要依赖于活性刻蚀剂，气体的离子和游离基与基片表面之间的化学反应，这些活性粒子具有的能量主要损耗于化学反应，物理轰击能量较小，所以不仅刻蚀分辨率高，而且刻蚀速率也快、对薄膜的轰击损伤较小[6]。因此，我们将电感耦合等