MEMS技术在非制冷红外探测器中的应用

1 引言

微电子机械系统(MEMS)技术作为一项新兴的微细加工技术，已开始在各领域应用。它可将信息获取、处理和执行等功能集成，具有微小、智能、可执行、可集成、工艺兼容性好、成本低等优点，在红外探测技术领域也有非常广泛的应用前景，将为该领域的研究提供一条更新的途径。将MEMS技术用于非制冷红外探测器的研制能够使器件向高可靠性、微型化、智能化、高密度阵列集成和低成本、可批量生产等方向发展，并有可能利用该技术制造出具有全新机理的非制冷红外探测器。

红外探测器是红外仪器中基本的关键部件，是红外装置的心脏。红外技术的发展水平，是以红外探测器的发展为主要标志的。，60年代以前，红外探测器主要为单元探测器，实现红外成像需要二维光机扫描；70年代出现线列多元红外探测器，实现红外成像只要一维光机扫描；进入80年代以后，开发了焦平面器件，可以不用光机扫描，直接凝视成像。但由于一直以来，量子型红外系统必须低温制冷才能获得所希望的系统应用性能，而这种要求带来了系统可靠性和成本昂贵等问题，使其应用受到很大的限制。近年来，随着各种新技术的研发，特别是MEMS技术的应用，使得可在室温下工作的非制冷红外探测器的整机性能及可靠性有了大幅度提高，而且由于该系统小型便于携带，使用方便灵活，成本低，进一步促进了非制冷红外探测器的应用与发展。本文综述了MEMS技术的工艺及主要特点，详细介绍了其有代表性的非制冷红外探测器的具体应用及工艺结构的制作。对它们的性能及成本等方面做了详细的比较，并对当前应用MEMS技术在非制冷红外探测器中所取得的成果做了简略的介绍。

2 HEHS技术简介

MEMS技术是在微电子制造工艺基础上吸收融合其它加工工艺技术逐渐发展起来的。它是实现微型传感器、微型执行器、微能源及电子线路集成为一体的新兴特殊微加工技术r3)， 由较小的0．5～500gm的可动子元件构成的器件系统。60年代初开发出了MEMS的重要技术一一晶体各向异性腐蚀和阳极键合技术；80年代末开发出LIGA技术，并取得初步成果，研制出了齿轮、曲柄、弹簧和微型电极以及更为复杂的MEMS；90年代，MEMS技术已经进入实际应用，如汽车防撞气囊用的加速度传感器，成本仅为5美元左右。

通常，MEMS技术可分为体微机械加工(腐蚀、镀膜、掺杂、键合)、表面微加工、高深宽比微加工及超微精密加工等，同时还借助了一些成熟的半导体工艺，如光刻、氧化、扩散、离子注入、溅射、外延生长和淀积等技术。目前加工材料以硅基为主，同时对金属、玻璃、陶瓷、塑料和Ⅲ，V族化合物等材料的研究也逐渐增多。

微电子技术是MEMS技术的重要基础，其加工手段是MEMS技术重要加工手段之一。MEMS也有它自己的特点，如工艺多样化，能制作梁、隔膜、凹槽、孔、密封洞、锥、针尖、弹簧及所构成的复杂机械结构，同时它能与微电子工艺兼容，器件实现批量生产，成本降低。MEMS技术几乎可应用到各个领域，尤其是要求小尺寸、高、高可靠性及低功耗的高科技领域。

3 MEMS技术在非制冷红外探测器中的应用
近年来，MEMS技术得到了迅速发展，将其应用于非制冷红外探测器有了比较成功的例子，为现有单元器件小型化和高密度阵列集成开辟了一条新的途径。
3，1微机械红外热电堆探测器
红外热电堆探测器的工作原理为塞贝克效应(Seebeckeffect)。早先的红外热电堆探测器是利用掩膜真空镀膜的方法，将热电偶材料沉积到塑料或陶瓷衬底上获得的，但器件的尺寸较大，且不易批量生产。随着MEMS技术的应用，出现了微机械红外热电堆探测器。K．D．Wise等人，利用MEMS技术于20世纪80年代初制造获得了硅基红外热电堆探测器。
微机械红外热电堆芯片的基本结构如图1所示'刮。器件制作一般采用体硅，从硅片背面利用硅的各向异性腐蚀而得到呈金字塔型的腐蚀孔，侧壁为慢腐蚀面(111)。现在主要通过薄膜结构来实现热结区与冷结区的隔热结构。应用的薄膜结构有两类，即封闭膜结构(图1(a))和悬梁结构(图1(b))，其中封闭膜是指热堆的支撑膜为整层的复合介质膜，一般为氮化硅膜或氮化硅与氧化硅复合膜。悬梁则是指周围为气氛介质所包围，一端固支、一端悬空的膜结构。从隔热效果来说，悬梁比封闭膜更具优势，因为在封闭膜结构中热可以沿着介质支撑膜传播，而并不完全沿着热偶对传播，使热耗散较大，热电转换效率低，灵敏度小。但从工艺制造过程以及成品率角度来说，封闭膜更具优势，因为这种膜结构的优点在于结构稳定，由于膜与基体处处相连，因此受应力影响小，制造过程中膜本身不易破裂，成品率高，易制造而悬梁与基体间只通过固支一端相连，另一端悬空，因此受应力的影响显著，制造过程中膜容易发生翘曲或破裂，故成品率较低，不易制造。

现在许多研究团体正致力于微机械红外热电堆阵列的研究，而硅基热电堆是其中的研究热点，如多晶硅／金热偶线阵列、硅／铝热偶线阵列、n型多晶硅／p型多晶硅热偶面阵列。与一般的红外探测器相比，微机械红外热堆探测器的优点在于：①具有较高的灵敏度，宽松的工作环境与非常宽的频谱响应：②与标准IC工艺兼容，成本低廉且适合批量生产。

3．2热释电非制冷红外探测器

热释电探测器的工作原理为热电晶体的热释电效应。由于热释电探测器的性能随着热量的下降而降低，所以良好的热绝缘结构是制作高性能热释电探测器的关键。早采用的绝缘技术，是把热释电红外探测器或阵列通过可塑性金属(如In)台面与Si信号处理电路对接，但In的热绝缘性能很差，不利于制作高性能的大面积集成热释电红外焦平面阵列。现在多采用MEMS技术制作桥式结构或者悬浮的膜式结构来改善感应单元的热乡这样当红外光照射时，每个感应单元可以获得一个相对大的温度升高值，相应地提高了探测器的灵敏度。图2是一种采用悬浮的膜式结构的微机械热释电红外探测器感应单元截面图。

现在用于非致冷红外焦平面的铁电材料主要有BST，PZT和PST三种。下面是一种BST薄膜红外探测器膜式绝缘结构的制作方法。先用Pt／Ti／pSi／n-Si作衬底，采用溶胶-凝胶法沉积BST薄膜，然后利用光刻和离子束刻蚀技术，将BST薄膜与pt底电极刻成列阵图案，接着采用光刻和离子束溅射技术，在每个BST薄膜探测单元上面溅射Pt薄膜作为上电极，再使用双面光刻技术，与正面探测单元相对应，在基片的背面套刻彼此互不相连的面单元图案，使用EDP腐蚀去探测单元背面的Si衬底，使得每个探测单元悬空，形成膜式绝缘结构。

用MEMS技术制作桥式结构或者悬浮的膜式结构有两个关键问题需要解决：一是找到沉积高质量铁电材料薄膜的技术，该技术还必须与Si-CMOS电路的工艺温度和刻蚀技术相兼容；二是沉积膜与硅基底之间必须有高的热绝缘。

T．Evans等人利用硅胶做沉积膜与硅基底之间的热绝缘层，较好地解决了沉积膜与硅基底之间的热绝缘问题。当硅胶的孔隙率为75％～95％时，有着比空气更低的热导率(比较结果如图3所示)，而且该方法与标准IC工艺完全兼容(这种技术在铁电存储器制作中已得到成熟运用)，用这种技术做出的阵列是低成本非制冷红外探测器制作的又一选择。

3．3微测辐射热计

微测辐射热计是利用物体体电阻对温度的敏感性制成的。为了尽可能的增加器件的热绝缘性，减小热导以提高器件的灵敏度，现在大多采用MEMS技术实现悬浮微桥结构来解决这一问题。图4是一种采用微桥结构的微测辐射热计的结构示意图。它采用两臂支撑的微桥实现热绝缘，Si，N，作为支撑薄膜，微桥下方的硅衬底被掏空，微桥桥面上制作多晶锗硅Poly-Si07Ge03，薄膜电阻作热敏探测源，为提高对红外的吸收，表面有Sio／SiN复合膜作红外吸收层。

和微机械热释电探测器相比较而言，在性能和低成本等方面，微测辐射热计占有优势，走单片式桥状热绝缘探测器结构的途径，测辐射热计也比热释电探测器早走了十多年。目前微测辐射热计阵列大小已达640X 480，像素尺寸可以做到25um×25um，性能已达到非制冷光子探测器的水平。

DenizSabuncuogluTezcan等人报道用一种完全与IC技术兼容的MEMS~艺做出了一种新的微测辐射热计。它利用硅的各向异性腐蚀把CMOS结构的n阱掏空而形成悬吊结构(利用TMAH溶液的电化学腐蚀停技术)，如图5所示。用这种方法做成的微测辐射热计， 当象素单元为74LLmX 74~tm时，直流响应率达到9250V／W,探测率可达2 X 109cmHzla／W，而且由于这种方法在完成CMOS结构后不再需要任何光刻或者红外敏感材料的沉积，使得探测器的成本就大大降低，几乎可以做到与CMOS芯片的成本等价，因此这种方法具有非常大的发展前途。

相比较以上三类探测器，热电堆探测器的性能处于劣势，研究也相对较少，而对测辐射热探测器和热释电探测器而言，在性能和低成本方面相对较好。但正是由于MEMS技术和IC工艺的应用，才使得探测器整体性能不断提高、成本不断降低。

3．4其它非制冷红外探测器

由于MEMS技术的独特优势，使得探测器阵列元件集成度更高，性能更好，有越来越多的研究团体利用MEMS技术研制出了其它种类的非制冷红外探测器。图6就是一种利用真空势垒中存在的电子隧穿效应而制成的微机械电子隧道红外探测器这种探测器采用三层硅结构：层硅结构制作隧道硅尖电极和静电偏转电极；第二层硅结构制作弹性敏感薄膜和一半气腔：第三层硅结构制作红外透射膜和另一半气腔。这种探测器的灵敏度比较高，电子隧穿位移传感器部分的分辨率可达10-4nm／Hzl／2。
MEMS技术作为一种新兴交叉学科的产物，在非制冷红外探测器的发展中起到了突破性的作用，随着各种MEMS新技术越来越多地融入，非制冷红
外探测器的发展也必定会越来越有生机。