非晶硅室温微测辐射热计的研制

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基于非晶硅薄膜的微测辐射热计光学仿真和优化

何敏，李伟，李雨励，孙言，蒋亚东
（．电子科技大学光电信息学院，四川成都６０５；．电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室，四川成都６０５）１１０４２１０４
摘要：基于非晶硅薄膜的非制冷微测辐射热计具有结构简单、易于大规模集成、工艺兼容以及良好探测性能等特点，在红外探测领域等受到关注。引入氮化钛薄膜作为新型红外吸收材料，通过光学导纳矩阵法，对基于非晶硅薄膜的微测辐射热计的红外吸收特性，进行了仿真和优化研究。结果表
明，非晶硅微测辐射热计中，氮化钛／非晶硅复合薄膜具有良的红外吸收性能。当非晶硅薄膜厚度好为１０ｍ时，由氮化钛／２ｎ非晶硅组成的膜系在８４ｍ范围内具有９％左右的红外吸收率，其中氮～１ ¨ ６
化钛薄膜的最佳吸收厚度为３２ｍ。ｎ关键词：非晶硅；氮化钛；微测辐射热计；光学仿真中图分类号：Ｔ１Ｎ２５文献标识码：Ａ文章编号：１０ —８１２１）６０１—７０１８９（０２０．３９０
ｏｔｚｔｎｏｈｎａｅｂｏｂｎｅｆｒａｃｆｍｉｒ — ｏｏｅｅｓｂｓｄｏ一ｉｔｉｌＴｅｐｉａｉｎｔｅｉｆｒｄａｓｒｉｇｐｒｏｍｎｅｏｃｏｂｌｍｔｒａｅｎＳ：ｈｎｆｍ．ｈｍｉｏｒＨｉｒｓｌｈｗｈｔｗｈｎｔｅａＳ：ｔｉｌｉａｅｓ２ｍｈｃ．ｔｅｃｍｂｎｄｔｉｌｌｙｒｅｕｔｓｏｔａｅｈ．ｉｓＨｈｎｆｍｓｔｋｎａ１０ｎｔｉｋｈｏｉｅｈｎｆｍａｅｉｉｃｎｉｔｇｏｉａｄ－ｉｈｓａｈｇｎａｅｂｏｐｉｎａｉｈａ６ｉｅｗａｅｅｇｈｆｏ８ｕｏｓｓｉｆＴＮｎＳ：ａｉｈｉｆｒｄａｓｒｔｓｈｇｓ９％ｎｔｖｌｎｔｍｍｎＨｒｏｈｒ

龚宇光(2009)非晶硅微测辐射热计热学和力学仿真研究

第22卷　第8期2009年8月传感技术学报CHIN ES E JOURNAL OF S ENSORS AND ACTUA TORSVol.22　No.8Aug.2009项目来源:国家自然科学基金重点项目资助(60736005)收稿日期:2009203227 修改日期:2009205220Simulation of Microbolometers B ased on a 2Si :H Thin Films withThermal and Mechanical PerformanceGO N G Yu g uang ,L I W ei3,CA I H ai hong ,L I Zhi ,C H EN Chao ,J I A N G YadongS tate Key L aboratory of Elect ronic T hin Fil ms &I ntegrated Devices ,Universit y of Elect ronic S cience and Technolog y of China ,Cheng du 610054,ChinaAbstract :The t hermal performance and mechanical properties of a microbolometer was analyzed t hrough t heoretical calculating and finite element s simulation.The relationship between size of t he micro 2bridge and t he t hermal conductance ,t hermal time constant ,temperat ure rise and displacement of bridge shape re 2sult from self 2gravity were also obtained.In order to make an excellent effect on t he microbolometer ’s per 2formance ,it is needed to select approp riate size of micro 2bridge leg.The 50μm pixel 2pitch of micro 2bridge was analyzed as an example ,and the appropriate size for micro 2bridge legs was suggested at last ,based on which the final properties can be obtained as thermal conductance of 5.05×10-7W/K ,thermal time constant of 1.18ms ,temperature rise of micro 2bridge surface of 34.71m K and maximum displacement of 3.62×10-4μm.K ey w ords :amorp hous silicon ;microbolometer ;finite element s analysis ;t hermal performance ;mechanic p roperties EEACC :7230;7320R非晶硅微测辐射热计热学和力学仿真研究龚宇光,李　伟3,蔡海洪,李　志,陈　超,蒋亚东电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室,成都610054摘　要:通过理论计算及有限元方法仿真研究微测辐射热计的热学和力学性能,得出了微桥桥腿尺寸与微桥的热导、热时间常数、桥面温升以及由微桥自身重力引起的位移形变的关系;提出了为了兼顾较好的热学和力学性能,需要选取合适的微桥桥腿尺寸的观点。

非晶硅测辐射热计的性能将可超越红外焦平面技术

ＩＦＡＥＭＮＨＹ／Ｏ．，Ｏ２Ｅ０２ＮＲＲＤ（ＯＴＬ）ＶＬ３Ｎ．，ＦＢ２１３
ｈｔ：ｊｕｎ１ｉ．．／ｗｔｐ／ｏｒａ．ｔａｃｈ／ｓｐｃｎ
ＭＯＬ３公司生产的非晶硅微计是在ＣＳ工艺刚刚起步时一以替代ＶＯ器件的非晶硅（Ｓ）测辐射热计原本并非用于成像研制出来的。由于电容不足，ａｉ－而是作为一项新兴技术出人们并没有选择在像元单元中微测辐射热计。为了克服ＢＴ领域，Ｓ
若干个小的Ｖ电阻元件（Ｏ或像元）成，每个元件（像元）组或与环境之间及与其他元件之间是通过微机械结构（图１实见）现热绝缘的。当其中一个元件（元）像吸收红外辐射时，温度其会相应发生改变。细长的支撑腿起热绝缘的作用，这样一给定的辐射通量变化便可以产生最大的温度变化。温度变化引起像元电阻发生改变，然后读出集成电路（ＯＣ读出该电阻ＲＩ）
变化。
微测辐射热计最初是由美国霍尼韦尔公司研制出来的，随后它在行业内得到了广泛推广。由于ＢＴ技术存在局限性，Ｓ
图１微测辐射热计焦平面阵列中的典型微机械结构的显微照片。其中，像
元位于读出集成电路的上方，细长的支撑腿则为像元提供热绝缘功能
继续占据市场领头羊的地位，但是微测辐射热计在快速增长的热成像市场所占的份额已越来越大。２０年，０４雷神公司将德州公司非致冷红外研究团队及其ＢＴ、ＴＦＳＦＥ和微测辐射热计ＢＴ探０９Ｓ测器。由于制造方面的困难，他们几乎同时中断了ＴＦＦＥ技术的发展非晶硅微测辐射热计

基于非晶硅薄膜的微测辐射热计光学仿真和优化

摘要：基于非晶硅薄膜的非制冷微测辐射热计具有结构简单、易于大规模集成、工艺兼容以及良好探测性能等特点，在红外探测领域等受到关注。引入氮化钛薄膜作为新型红外吸收材料，通过光学导纳矩阵法，对基于非晶硅薄膜的微测辐射热计的红外吸收特性，进行了仿真和优化研究。结果表明，非晶硅微测辐射热计中，氮化钛/非晶硅复合薄膜具有良好的红外吸收性能。当非晶硅薄膜厚度为 120 nm时，由氮化钛/非晶硅组成的膜系在 8～14 μm范围内具有 96%左右的红外吸收率，其中氮化钛薄膜的最佳吸收厚度为 32 nm。关键词：非晶硅；氮化钛；微测辐射热计；光学仿真中图分类号：TN215 文献标识码：A 文章编号：1001-8891(2012)06-0319-07
收稿日期：2012-04-06；修订日期：2012-05-21.
作者简介：何敏(1986-)，男，四川人，电子科技大学在读研究生。主要从事红外焦平面器件结4 卷第 6 期 2012 年 6 月
红外技术 Infrared Technology
Vol.34 No.6 June 2012
模非制冷红外探测器[2]，采用氧化钒薄膜。同为热阻型热敏薄膜的非晶硅，具有较高的电阻温度系数、良好的自支撑特性、较佳的热隔离性能及与良好的与硅半导体工艺兼容性，同样受到业界关注。目前，从事非晶硅非制冷红外探测器研究的主要机构包括：法国原子能委员会与信息技术实验室/红外实验室（CEA-LETI/LIR）、美国Raytheon商用红外公司、德州L-3 通讯红外线产品公司、澳大利亚国防科学技术署[3]和奥地利研究中心[4]等。CEA-LETI/LIR授权的ULIS公司已经研制出像元间距为 17 μm、阵列大小为 1024×768 元、低热时间常数的非晶硅微测最佳性能系数（FOM）辐射热计， NETD小于 40 mK、小于 280 mK·ms[5]。微测辐射热计的光学性能是其光、热、电、力学等基本性能中最重要的性能，在器件的设计过程中必须重点进行研究。光学性能的提高不仅可以通过象元结构的改进、薄膜制备及其性能优化得到，还可以进一步通过采用红外吸收材料以增强红外吸收来实现[6]。目前，基于非晶硅薄膜的非制冷微测辐射热计，红外吸收材料常采用氮化硅、氧化硅、氧化钛、非晶碳、多孔硅及黑硅等[7]。无红外吸收层而仅由单层非晶硅薄膜构成的微测辐射热计，红外吸收率仅能达到 70%左右[8]。可见，红外吸收效率亟待提高，以获得更高的探测效率。氮化硅、多孔硅、氧化钛等材料在红外领域已有不少的研究，被广泛使用在一些光学器件和镜头之中，通过周期复合的方式，以提升器件的光学性在大规模阵列器件设计和制造成本的制约下，能[9]。寻求简单高效的器件结构及材料也成为一种趋势。氮化钛薄膜具有熔点高、硬度大、导电导热性能优良的特点，不仅作为耐磨硬质涂层广泛应用于各种切削工具、机械部件，也作为装饰薄膜应用于各种装饰行业[10]。氮化钛薄膜可以通过在化学气相沉积（CVD）条件下由四氯化钛辉光放电裂解实现薄膜沉积，或通过磁控溅射的方法进行薄膜沉积。相关研究表明，氮化钛薄膜在可见光区表现为半透光状态。在近红外波段，当氮化钛薄膜厚度为 90 nm左右时，其反射超过 75%[11]。但是，当氮化钛薄膜厚，表现出一定的红外吸收特度较薄时（小于 70 nm）性。本文将磁控溅射工艺制备得到的氮化钛薄膜应用于非晶硅微测辐射热计，采用带微腔的多层膜模型，对其在中远红外波段的吸收特性进行了初步研究，对比分析和优化。

2007年《红外与激光工程》第1～4期目次

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红外液晶光阀参数设计及电光特性分析 …… … …… … … …… …
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毛
峡，俊伟ｌ９张（）
刘正云，金伟其，教波４４９高（７）
多光谱、光谱成像技术在军事上的应用 … … … … … … … … 超
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非晶硅室温微测辐射热计的研制 …… … …… … … …… …… …
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王邦新，法华，东松，１６）沈孙等（９
刘兴明，韩
琳，理天３（２）刘３９
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真实自然地表的红外辐射特性研究 … …… … … …… … …… … …
… … … … … … … … … … …
许
洪，向军ｌ１王（３）
张俊华，国土，宝成，４４４沈杨等（８）
… … … … … … … … … … … … … … … …
基于灰度级共享的红外热像显示与增强 …… … …… … … …… …
… … … … … … … … … … … … … … … …
周晓东，郭
明ｌ５（）
胡永生，钱４４５陈（７）
半捷联导引头光轴稳定的研究 … … … … … … … … … … … … …

微测辐射热计制造工艺与品质测试研究的开题报告

微测辐射热计制造工艺与品质测试研究的开题报告一、选题背景及意义辐射热计是一种测量材料热辐射能量的仪器。

它对于研究材料热学性质、空间热辐射传输规律等方面有着重要的应用。

而微测辐射热计更是针对微小样品的热辐射能量进行精确测量的仪器，具有高精度、高灵敏度、高分辨率等特点，可应用于材料学、生物学、医学等多领域的研究中。

然而，微测辐射热计的制造工艺与品质测试在国内仍相对滞后，存在仪器制造精度不高、测试精度较低、稳定性差等问题。

因此，对微测辐射热计的制造工艺与品质测试研究具有重要意义。

本研究旨在对微测辐射热计的制造工艺和品质测试进行研究，提高微测辐射热计的制造和测试水平，推动其在热学研究中的应用和发展。

二、研究内容和方法（一）研究内容1. 微测辐射热计的制造工艺研究2. 微测辐射热计的品质测试研究（二）研究方法1. 实验法：通过对微测辐射热计的材料、结构、制造工艺等方面进行实验研究，探索最佳的制造工艺。

2. 数学模拟法：建立微测辐射热计的数学模型，对其工艺流程进行优化和仿真，以提高制造精度。

3. 分析方法：采用光学镜面检测和热量测试等方法，对微测辐射热计的品质进行分析和测试，评价其性能和稳定性。

三、进度计划（一）第一年1. 向相关领域专家请教，认真研读相关文献，搜集与微测辐射热计制造工艺和品质测试相关的最新技术和信息。

2. 建立微测辐射热计的模型，模拟仿真微测辐射热计的制造工艺流程，确定最优工艺参数。

（二）第二年1. 进行微测辐射热计的模拟制造实验。

2. 采用光学镜面检测和热量测试等方法对微测辐射热计进行品质测试，分析和评价其性能和稳定性。

（三）第三年1. 完善微测辐射热计的制造流程和品质测试方法，提高微测辐射热计的制造精度和测试精度。

2. 对微测辐射热计的应用性能进行测试和验证，提高其在热学研究中的实际应用水平。

四、预期成果1. 微测辐射热计的制造工艺流程得到优化和改进，制造精度得到提高，制造成本得到降低。

室温非晶硅薄膜热电阻温度系数研究

室温非晶硅薄膜热电阻温度系数研究伞振雷;谢建生;李金华【摘要】The amorphous silicon (a—Si) thin film and the hydrogenated one were deposited on SiO2/Si substrates by ion beam enhanced deposition (IBED) method. The changes of the temperature coefficient of resistance (TCR) with preparation technology were studied and the effect of the stability of the a-Si thin film to TCR was analyzed. The resistance value of intrinsic amorphous silicon film is too high to make a device although TCR can reach 6. 39%K-1 after appropriate annealing. The resistance of amorphous silicon films decreases significantly when doped with boron, the corresponding TCR can reach 6. 80% K-1. The TCR of hydrogenated a—Si thin film is 8. 72%K-1 at room temperature, and the preparation technology is simple and compatible with conventional IC process. The amorphous silicon thin film deposited by ion beam enhanced deposition can be used for the preparation of infrared detector. But further experimental research must be done for solving the problem of the bad repeatability.%用离子束增强沉积(IBED)方法,在SiO2/Si衬底上沉积了非晶硅薄膜和注氢的非晶硅薄膜.研究薄膜的电阻温度系数(TCR)随制备工艺的变化,分析非晶硅薄膜电阻的稳定性对电阻温度系数的影响.本征非晶硅电阻太大,虽然经过适当地退火后,TCR能够达到6.39％ K-1,但是电阻值还是过高,不适合制作器件.经过硼掺杂的非晶硅薄膜,电阻显著下降,相应的TCR可以达到6.80％ K-1.制作的氢化非晶硅薄膜的电阻温度系数(TCR)高达8.72％K-1,且制作工艺简单,与常规集成电路工艺兼容性好.用离子束增强沉积的非晶硅薄膜可以用于制备红外探测仪.但实验还存在着重复性不好等问题,需要作深入的实验研究.【期刊名称】《常州大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2012(024)003【总页数】5页(P9-13)【关键词】非晶硅薄膜;离子束增强沉积;热电阻温度系数;红外探测仪【作者】伞振雷;谢建生;李金华【作者单位】常州大学数理学院,江苏常州213164;常州大学数理学院,江苏常州213164;常州大学数理学院,江苏常州213164【正文语种】中文【中图分类】TN21红外探测技术按照不同的工作机理可以分为制冷(光子型探测仪)和非制冷(热探测仪)2大类，而非制冷红外探测仪在器件小型化和降低成本方面有着巨大的优势，从而成为红外探测技术研究领域的热点。

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（Ｉｓｔｔｏｃｏｌｔｎｃ，ｓｇｕｎｖｒｔＢｉｎ００４，ｈｎ）ｎｔｕｅｆＭｉｅｅｒｉｓＴｉｈａＵｉｅｓｙ，ｅｉｇ１０８ＣｉａｉｒｃｏｎｉｊＡｂｔａｔＴａｉｇｐｌｉｎｄａｔｅｍａ－ｏａｏｍａｅａ，ｔｅｃｎｅｔｎｒｏｔｍｐｒｔｒｓｒｃ：ｋｎｏｙｒｉｅｓｈｒｌｉｌｔｎｓｉｔｒｌｈｏｖｎｏａｉｉｌｏｍｅｅａｕｅｍｉｒｂｌｍｅｅｔｕｔｒｓｉｐｏｅｎＳｉｒｏｅｐｒｔｒｎｃｏｏｏｅｅｓｆｂｃｔｄａｄｔｓｅｃｏｏｏｔｒｓｒｃｕｅｉｍｒｖｄａｄａ－：ｏｍｔｍｅａｅｒｉｒｂｌｍｔｒｉａｒａｅｎｅｔｄＨｕｉ
关键词：晶硅；室温微测辐射热计；聚酰亚胺；三明治结构非
红外辐射下，测器的响应度探
中图分类号：Ｎ１Ｔ２５
文献标识码：Ａ
文章编号：０７２７（０７０－３９术，低了成本、高了成品率。在传统探测器结构基础上，底部制备一层金属用作红外反射层，降提在利
用吸收层可以对红外辐射进行二次吸收。金属层和有源层间的隔离层对红外也有很好的吸收效果，由隔离层、源层和钝化层构成三明治结构，有可以显著改善对红外辐射的吸收。对器件的制备工艺进行了说明并对器件特性进行了测试，结果表明，７３Ｋ黑体源８１在７－４最大为２．ｋ／，明器件具有较高的性能。６４ＶＷ表
ｓｃｅｓｕｌ．ｎｔａｆｓｒａｅｓｃｉｃａａｅｄｂｌｃｏｃｉｉｇｔｃｎｑ，ｕｉｇｐｌｍｅｓｔｅａｕｃｓｆｌｙＩｓｅｄｏｕｆｃａｒｆｉｌｌｙｒａｕｋｍｉｒｍａｈｎｎｅｈｉｕｅｓｎｏｙｒａｒｌｉｎｈｍ
ｉｏａｏａｅａｅｒａｅｏｔａｄｉｐｏｅｉｌ．Ｂａｅｎｔｅｃｎｅｔｎｌｓｒｃｕｅｏｏｒｆｅｔｅｓｌｔｎｍｔｒｌｄｃｅｓｓｃｓｉｉｎｍｒｖｓｙｅｄｓｄｏｏｖｎｏａｔｕｔｒ，ａｂｓｍｅｌｃｖｈｉｉ
维普资讯
第３６卷第３期
Ｖｏ．６ＮＯ３１．３
红外与激光工程
ＩｆａｅｎｓｒｇｎｅｉｇｎｒｒｄａｄＬａｅｉｅｒｎＥｎ
２ｏ０７年６月
Ｊｕｎ．２ｏ７０
非晶硅室温微测辐射热计的研制
ｍｅａｌｙｒｓｄｅｔａｓｒｉｆａｅｒ￣ａｏｔｃ．Ｔｈｕｉｕｓｄｃｓｒｃｒｗｈｃｃｎａｎｔｌａｅｉａｄｄｏｂｏｂｎｒｒｄａｔｎｗｉｅｉｅｎｑｅａｗｉｈｔｕｔｅｎｕｉｈｏｔｉｓ
ｓｇｅｔｎｌｙｒｂｔｅｎｔｅｍｅａｎｅａｔｖａｅ，ａｄｕｐｒｌｙｒｉｐｏｅｔｅｉｆａｅｂｓｒｔｅｒｇａｏａｅｅｗｅｔｌａｄｔｃｉｅｌｙｒｎｐｅａｅｓｍｒｖｎｒｄａｏｐｏｎｉｈｈｈｒｉｏｓｏｓｙｂｉｕｌ，ｍｅｉｌｅｓｇｅａｏｌｙｒｅｒａｅｔｅａｏｄｃａｃｏｅｓｎｏ．Ｔｅｐｏｅｓｓｎａｗｈｅｔｅｒｇｔｎａｅｄｃｅｓｓｈｒｌｃｎｕｔｎｅｆｔｅｓｒｈｒｃｓｉｈｉｍｈｄｓｒｂｄｎｄｈｅｅｆｒａｃｉｔｓｅｉｄｔｉｓｅｅｕｔｈｏｈａｔｅｅｃｅａｔｐｒｏｎｅｓｅｔｄｎｅａｌ．ｒｓｌｓｗｔｔｈｍａｉｕｉｍｈＴｓｘｍｍｒｓｏｉｉｔｏｅｐｎｓｂｌｙｆｉ
刘兴明，琳，理天韩刘
（清华大学微电子学研究所，北京１０８）００４
摘要：聚酰亚胺作为绝热材料，传统室温微测辐射热计结构进行了改进，功制备了非晶将对成
硅室温微测辐射热计并进行了测试。以聚合物材料作为绝热材料，免了表面牺牲层工艺和体加工技避