上海微系统所-CMOS-MEMS热电堆红外传感器

LR
1.7
R (5) LR
1.6
R (7.5) LR
1.5
R (10) LR
1.4
1.3
1.2
1.1
1.0
0.9 0
20 40 60 80 100 120
Number of etch cycle
横向尺寸效应
释放孔越大， 尺寸效应越 不明显。
Vertical etch rate ratio, R (x) VR
CMOS-MEMS 热电堆红外传感器
徐德辉
2016-05-17
大纲
一．热电堆红外传感器概述 二．器件模型 三．CMOS-MEMS关键工艺 四．CMOS-MEMS热电堆红外传感器 五．总结
1、热电堆红外传感器
塞贝克效应
Vout Rsrad
热电偶红外传感器
1、热电堆红传感器结构
1、 热电堆红外传感器
8.0x10-4
1.5x10-2 1.4x10-2 1.3x10-2 1.2x10-2 1.1x10-2 1.0x10-2 9.0x10-3 8.0x10-3 7.0x10-3 6.0x10-3 5.0x10-3 4.0x10-3 3.0x10-3 2.0x10-3 1.0x10-3
1.0x10-3
10 Measured
9
Simulated with absorption in TP area
Simulated without absorption in TP area 8
新模型和实验误
2.0x107 1.8x107 1.6x107
Measured Simulated with absorption in TP area Simulated without absorption in TP area
0.50 0.45
硅腐蚀速率反 r=2.5um
r=5um
0.40
比于腐蚀脉冲 r=7.5um
r=10um
0.35
0.30
数，释放孔尺
0.25
0.20
0.15 0
20 40 60 80 100 120
Number of etch cycle
横向腐蚀速率
寸与腐蚀速率 呈现“马太效 应”
Vertical etch rate (um/cycle)
目标
高性价比热电堆红外传感器
传统热电堆红外传感器
CMOS-MEMS热电堆红外传感器
分立器件工艺+湿法硅腐蚀制作
CMOS工艺+干法硅腐蚀制作
成品率低、集成度低、性价比低
成品率高、集成度高、性价比高
传统CMOS-MEMS技术
DRIE 高成本，离子损伤
XeF2硅腐蚀 低成本，无损伤
只在平面方向集成
通过键合在垂直 方向提高集成度
2.1 2.0 1.9 1.8 1.7 1.6 1.5 1.4 1.3 1.2 1.1 1.0 0.9
0
R (2.5) VR
R (5) VR
R (7.5) VR
R (10) VR
20 40 60 80 100 120
Number of etch cycle
纵向尺寸效应
3.1
XeF Post-CMOS模块 2
1、热电堆红外传感器发展方向-真空封装
传统热电堆红外传感器模块制作示意图
微机械热电堆红 外探测器圆片
硅基红外滤光片 真空键合
采用圆片键合制作热电堆红外传感器示意图
效率低，尺寸大
划片
焊接
真空封装红 外探测器
效率高，尺寸小
大纲
一．热电堆红外传感器概述 二．器件模型 三．CMOS-MEMS关键工艺 四．CMOS-MEMS热电堆红外传感器 五．总结
z
l1 x1 q12
z x2
Φrad l2
Zone 1
Zone 2
Box cover of package
SiO2
厚度：
Poly
Al
Si3N4
d2
Si
热导率：
2.2 模型求解
吸收区边界条件：
热电偶区边界条件：
热结区温度条件：
冷热结温差：
响应率： 探测率：
2.2 模型验证
Sensitivity (V/W)
-1.4x10-5
-1.6x10-5
-1.8x10-5
-5
-4
-3
-2
-1
V (V) gs
(b)
NMOS单管
6.0x10-6
5.0x10-6
4.0x10-6
g (S) m
3.0x10-6
2.0x10-6
XeF 腐 蚀 对 1.0x10-6
0.0 0
2
MOS 器 件 特 性
无明显影响
g (S) m
(c)
3
差大于50%。
8.0x106 6.0x106
2
4.0x106
400 500 600 700 800 900 1000
400 500 600 700 800 900 1000
Thermocouple length (um)
Thermocouple length (um)
热电偶对数和吸收区尺寸固定，改变热电偶长度。
热电偶尺寸和吸收区尺寸固定，改变热电偶对数。
Detectivity (cmHz1/2W-1)
Sensitivity (V/W)
8 Measured
7
Simulated with absorption in TP area
Simulated without absorption in TP area
6
I before XeF etching
ds
2
I after XeF etching
0.0
ds
2
g before XeF etching
m
2
-2.0x10-6
g after XeF etching
m
2
-4.0x10-6
-6.0x10-6
-8.0x10-6
I (A) ds
-1.0x10-5
(a)
-1.2x10-5
800 600 400
Poly length (um)200
x 107 3.5
3
2.5
2
1.5
1
0.5
0 1000
800 600 400
Poly length (um) 200
50 40 30
20 Poly width (um)
10
探测率
50 40 30
20 Poly width (um)
10
大纲
ds
2
I after XeF etching
ds
2
g before XeF etching
m
2
g after XeF etching
m
2
1
2
3
4
V (V) gs
PMOS单管
1.8x10-5 1.6x10-5 1.4x10-5 1.2x10-5 1.0x10-5 8.0x10-6 6.0x10-6 4.0x10-6 2.0x10-6 0.0 5
00
x 10−7 1.4
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0 1000
800 600 400
Poly length (um) 200
60 40
20 Poly width (um)
噪声电压
50 40 30
20 Poly width (um)
10
Detectivity (cmHz1/2W−1)
0 1000
一．热电堆红外传感器概述 二．器件模型 三．CMOS-MEMS关键工艺 四．CMOS-MEMS热电堆红外传感器 五．总结
3.1 XeF2硅腐蚀工艺
DRIE:增加热预算!离子损伤! 湿法腐蚀:对Al选择性差!微结构黏附！
纯化学腐蚀，工艺简单
Surface
XeF2 (ADS) Si2+
Si
Si
Si
Si
2.3 吸收区尺寸与性能的关系
Response voltage (V)
Response voltage (V)
6.0x10-4 5.9x10-4
air vacuum
5.8x10-4
5.7x10-4
5.6x10-4
5.5x10-4
5.4x10-4
5.3x10-4
2.0x10-4
4.0x10-4
6.0x10-4
3.1 XeF2 Post-CMOS模块 5
Output Voltage, Vout (V)
4
3
2
1
0
-1
-2
-3
NMOS单管一周前后特性
-4
-5
Before XeF etching 2
After XeF etching 2
-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5
2.1 CMOS-MEMS热电堆红外传感器
传统微机械热电堆红外传感器
热电偶区和吸收区无释放孔
CMOS-MEMS热电堆红外传感器
热电偶区和吸收区有释放孔
传统热电堆红外传感器模型不适用CMOS-MEMS热电堆红外传感 器！！
2.2 模型建立
Etching window
Thermocouple
Output electrode
1、传统热电堆红外传感器
湿法腐蚀
背面释放热电堆结构
正面释放热电堆结构
Absorber Structure layer
Thremocouple
缺点:
• 释放时间长！ • CMOS兼容性差！ • 选择性差！
缺点:
Silicon substrate
• 结构黏附！
• CMOS兼容性差！
• 性能低！
1、 热电堆红外传感器发展方向
Si
Xe Surface
2F (ADS) Si2+
Si
Si
Si
Si
Si
干法腐蚀，选择性高
F
F
Si
F
F
Surface
Si+
Si+
Si
Si
Si XeF2硅腐蚀原理
Surface
F
F
F Si F
Si
Si
Si
Si
Si
3.1 圆片级XeF2硅腐蚀
降低制作成本，提高效率
圆片级释放√ 芯片级释放×
Lateral etch rate (um/cycle)
W (m) a
输出电压
热对流影响传感器优化设计规则!!
2.3 多晶硅尺寸与性能的关系
x 10−4
输出电压
8
15
响应率
Sensitivity (V/W)
Response voltage (V)
6 10
4
5 2
Noise vlotage (VHz−1/2)
0 1000
800 600 400
Poly length (um) 200
Si Sub Well MOS Poly Via Al Dielectric
D/S
layers
XeF2 Post-CMOS工艺流程
Maskless!!
I (A) ds
3.0x10-5 2.5x10-5 2.0x10-5 1.5x10-5 1.0x10-5 5.0x10-6
0.0 0
I before XeF etching
0.50 0.45 0.40 0.35 0.30 0.25 0.20 0.15
0
r=2.5um r=5um r=7.5um r=10um
20 40 60 80 100 120
Number of etch cycle
纵向腐蚀速率
Lateral etch rate ratio, R (x) LR
1.8
R (2.5)
结构
等效
Wa
Wpoly
WAl Wspace
+ +…+
百度文库l2
+ +…+
Wetch
2 Wetch
Wa
0.5 Wa
N /8 Wa
0.5

Wa N /8
l1
N/8 Wa
N /8
材料等效
Hot junction
Absorber
Cold junction
传感器结构
h21
h22
h11
h12
Φrad d1
q12
Detectivity (cmHz1/2W-1)
7 6
差小于7.7%。传 1.4x107
5 4
统模型和实验误
1.2x107 1.0x107
3
差大于50%。
8.0x106
2
6.0x106
30
40
50
60
70
80
30
40
50
60
70
80
Number of thermocouples
Number of thermocouples
5
4
新模型和实验误 差小于6.6%。传 统模型和实验误
2.0x107 1.8x107 1.6x107 1.4x107 1.2x107 1.0x107
Measured Simulated with absorption in TP area Simulated without absorption in TP area
红外 测温
红外成像[2]
红外 气体 探测
航姿控制[3]
[1] G.R. Lahiji and K.D. Wise. A monolithic thermopile detector fabricated using integrated-circuit technology. IEDM, 1980,26:676-679 [2]A.Schaufelbuhl, N. Schneeberger, U. Munch, M. Waelti, O. Paul, O. Brand, H. Baltes, C. Menolfi, Q. Huang, E. Doering and M. Loepfe. Uncooled Low-Cost Thermal Imager Based on Micromachined CMOS Integrated Sensor Array. JMEMS, 2001, 10:503-510. [3] A.W. Herwaarden. Low-cost satellite attitude control sensors based on integrated infrared detector arrays. IEEE Trans. Instrum. Meas. 2001, 50:1524-1529