電阻陣列紅外景物產生器微橋結構的材料及制作研究.pdf

1、動態(tài)紅外景物模擬系統(tǒng)由于能夠在實驗室內對紅外探測系統(tǒng)的動態(tài)性能進行測試與評估而受到國內外的重視。該系統(tǒng)的關鍵器件是紅外景物產生器。目前，具有微橋結構的電阻陣列紅外景物產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)點已成為國際上重點發(fā)展的紅外景物產生技術。本文圍繞電阻陣列紅外景物產生器微橋結構所涉及的介電材料、電阻材料及低應力薄膜的沉積技術進行了系統(tǒng)研究，并采用微加工技術成功制作了160×120陣列的微橋結構，為今后器件的

2、工程化制造打下良好的基礎。研究的主要內容及結論如下：
　　 1.對介電材料氫化非晶硅(α-Si：H簡寫α-Si)薄膜的沉積技術及應力特性進行了研究。采用等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)法沉積α-Si薄膜，研究了工藝參數對薄膜沉積速率及折射率的影響，重點研究了薄膜應力與工藝參數的關系。研究結果表明，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力轉變?yōu)閴簯η覊簯﹄S射頻功率的增大而

3、增大；提高壓強能夠使薄膜從壓應力轉變?yōu)閺垜?；應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；通過調節(jié)射頻功率大小是改變薄膜應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力薄膜的沉積工藝參數。
　　 2.對介電材料氮化硅(SiNx)、氧化硅(SiOx)薄膜應力及兩者特性進行了對比研究。采用PECVD法沉積了低應力的SiNx與SiOx薄膜，分別研究了流量比、射頻功率、壓強等工藝參數

4、與薄膜應力之間的關系。研究結果表明，對于SiNx薄膜，薄膜應力隨SiH4/NH3或SiH4/N2流量比，射頻功率的增大而減小，隨壓強的增大而增大，采用N2反應所得到的SiNx薄膜H含量低于采用NH3反應所得薄膜；對于SiOx薄膜，低的N2O/SiH4流量比、低的射頻功率可以獲得低應力的薄膜。對SiNx與SiOx薄膜的力學特性、熱穩(wěn)定性、吸收特性進行了對比。結果表明，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2.18×104cm-1，而SiNx薄膜在11.6μm處具有最大的吸收系數1.61×104cm-1，兩種薄膜在長波紅外窗口8～12μm波段內吸收強度相當；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現微橋結構的制作。
　　 3.對介電材料氮氧化硅(SiOxNy)薄膜進行了研究。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、光學常數及紅外吸收特性。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)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內吸收強度最大。SiOxNy薄膜本身具有低應力的特性，且應力可以通過改變N2O/NH3流量比來進一步調節(jié)。研究結果還表明，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力與可見光范圍內的低吸收特性。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薄膜的沉積技術及特性進行了研究。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、晶體結構的影響。同時，對薄膜的表面形貌、電阻溫度系數(TCR)進行了研究。結果表明，當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，當進一步增加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N2分壓比為11％時，薄膜中N含量達到36％)，從而引起薄膜結構的變化，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，薄膜的晶體結構發(fā)生了明顯變化，薄

9、膜中β-W相轉變?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薄膜能夠較好地復制基底的形貌。
　　 5.對電阻陣列紅外景物產生器微橋結構的設計、制作及熱學性能仿真進行了研究。微橋結構設計主要包括制作工藝工程中材料選擇與版圖設計。采用微加工技術制作了自支