硅基MEMS紅外光源熱穩(wěn)定性測(cè)試研究

孔齡婕，楊玉華，張 鵬，賀 婷，丑修建

硅基MEMS紅外光源熱穩(wěn)定性測(cè)試研究

孔齡婕，楊玉華，張 鵬，賀 婷，丑修建

（中北大學(xué) 電子測(cè)試技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051）

光電標(biāo)識(shí)是完成識(shí)別和搜救任務(wù)的“眼睛”。作為“眼睛”核心組成器件，MEMS紅外光源的工作穩(wěn)定性對(duì)標(biāo)識(shí)效果具有最直接的影響，而MEMS紅外光源的工作穩(wěn)定性取決于輻射薄膜的熱穩(wěn)定性，表現(xiàn)為輻射體薄膜結(jié)構(gòu)工作電阻的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)。為此通過(guò)開(kāi)展MEMS紅外光源電阻特性研究對(duì)于深入探索光電標(biāo)識(shí)裝置的標(biāo)識(shí)特性意義重大。采用阻抗分析儀進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明MEMS紅外光源長(zhǎng)時(shí)間工作下其本征電阻值變化量?jī)H為0.4%，熱穩(wěn)定性良好；在可承受驅(qū)動(dòng)電壓范圍內(nèi)，光源的動(dòng)態(tài)電阻隨電壓的變化無(wú)明顯偏移，薄膜表面形貌變化正常，MEMS紅外光源整體結(jié)構(gòu)工作穩(wěn)定。

MEMS紅外光源；熱穩(wěn)定性；動(dòng)態(tài)電阻；薄膜形貌

0 引言

硅基MEMS紅外光源具有電光轉(zhuǎn)化效率高、輻射強(qiáng)度高、可變頻調(diào)制等優(yōu)點(diǎn)[1-2]，可代替?zhèn)鹘y(tǒng)紅外光源應(yīng)用于目標(biāo)識(shí)別和紅外定位通信等多種紅外光電標(biāo)識(shí)系統(tǒng)中，因此，MEMS光源的各項(xiàng)特性研究對(duì)于紅外光電識(shí)別系統(tǒng)的有著重要意義[3]。

在實(shí)際應(yīng)用中，常常要求紅外光電標(biāo)識(shí)系統(tǒng)在極其惡劣的環(huán)境中進(jìn)行目標(biāo)探測(cè)、識(shí)別、定位及大容量信息的安全傳輸[4-5]。復(fù)雜的工作環(huán)境要求MEMS紅外光源具有較強(qiáng)的可靠性和工作穩(wěn)定性[6]，而MEMS紅外光源的工作穩(wěn)定性取決于輻射薄膜的熱穩(wěn)定性，表現(xiàn)為輻射體薄膜結(jié)構(gòu)工作電阻的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)，同時(shí)MEMS紅外光源電學(xué)特性中的電壓和電流特性也受其電阻特性的影響，為此通過(guò)采集光源工作過(guò)程中的動(dòng)態(tài)電阻，對(duì)光源電學(xué)特性中電阻特性進(jìn)行測(cè)試分析是非常有必要的。

1 硅基MEMS紅外光源

MEMS紅外光源的工作穩(wěn)定性依賴于輻射薄膜的熱穩(wěn)定性，宏觀上表現(xiàn)為光源結(jié)構(gòu)的工作電阻的穩(wěn)定性，微觀上表現(xiàn)為輻射薄膜的材料組分，即多晶硅摻雜薄膜的硼離子注入量，因此光源輻射層薄膜的加工制造非常關(guān)鍵[7]。多晶硅材料具有較高的熔點(diǎn)（約為1688K），不容易氧化，并且與MEMS加工技術(shù)有良好的兼容性，可通過(guò)使用低壓化學(xué)氣相淀積（LPCVD）技術(shù)在SOI基片上進(jìn)行生長(zhǎng)，但多晶硅材料作為發(fā)光薄膜，在高溫條件下容易發(fā)生再結(jié)晶現(xiàn)象[8]。因此，在器件設(shè)計(jì)中，通過(guò)硼離子注入技術(shù)對(duì)多晶硅輻射薄膜層進(jìn)行改性摻雜，不僅能夠有效抑制多晶硅再結(jié)晶，還可以進(jìn)一步降低多晶硅薄膜層內(nèi)應(yīng)力，以實(shí)現(xiàn)多晶硅輻射層薄膜較好的電阻加熱和體輻射效應(yīng)，進(jìn)而提高多晶硅輻射層良好的熱穩(wěn)定性和MEMS紅外光源的輻射強(qiáng)度。

文中測(cè)試光源采用本課題組研制的一種新型懸浮薄膜結(jié)構(gòu)的MEMS紅外光源，其發(fā)光薄膜的總體結(jié)構(gòu)采用反刻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。整個(gè)工藝實(shí)現(xiàn)需要4塊光刻掩模板，包括多晶硅版，電極版，正面刻蝕版，背面刻蝕版。襯底為雙面拋光的SOI基片，SOI是在器件層Si與背面的Si襯底之間增加掩埋二氧化硅層從而形成的一種新硅基材料。與傳統(tǒng)硅片相比，SOI基片具有較高的集成密度和較小的寄生熱容，可以實(shí)現(xiàn)完全的介質(zhì)隔離[9]。并且發(fā)光薄膜采用懸浮結(jié)構(gòu)防止熱應(yīng)力引起輻射層薄膜的破例或邊緣卷曲，如圖1所示為MEMS紅外光源微結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 MEMS紅外光源微結(jié)構(gòu)示意圖

濺射鋁電極使器件實(shí)現(xiàn)電氣互連，采用可靠同軸密封進(jìn)行封裝，通過(guò)半導(dǎo)體-金屬鍵合技術(shù)將MEMS紅外光源芯片裝貼到鋁合金TO-39管腳封裝的基座上，并使用金絲球焊機(jī)把芯片和封裝管腳電極引線連接，器件封裝成品如圖2所示。

2 硅基MEMS紅外光源電阻性能的測(cè)試

2.1 測(cè)試原理

硅基MEMS紅外光源的輻射機(jī)理是通過(guò)外部電信號(hào)的激勵(lì)實(shí)現(xiàn)電-光轉(zhuǎn)換，其電-光轉(zhuǎn)換模型如圖3所示。MEMS紅外光源電壓驅(qū)動(dòng)發(fā)光原理類(lèi)似于電阻功耗的熱損耗部分，即當(dāng)外部電壓驅(qū)動(dòng)時(shí)，加載到電阻上的電壓以熱輻射的形式發(fā)生能量轉(zhuǎn)換，只是光源的熱轉(zhuǎn)化為有用功。假設(shè)電路控制端電壓在限流電阻作用下產(chǎn)生的電流為，經(jīng)穩(wěn)壓?jiǎn)卧刂乒╇姺€(wěn)定，輸送給光源供電為2，產(chǎn)生的相應(yīng)電流為Q，則負(fù)載電阻T的驅(qū)動(dòng)功率為＝Q2T。

圖2 封裝后的MEMS紅外光源器件

圖3 電壓驅(qū)動(dòng)的電阻自加熱電路模型

2.2 測(cè)試平臺(tái)搭建

硅基MEMS紅外光源的工作穩(wěn)定性，表現(xiàn)為輻射體結(jié)構(gòu)工作電阻的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)，通過(guò)采集光源工作過(guò)程中的動(dòng)態(tài)電阻，測(cè)試器件穩(wěn)定性。本論文采用安捷倫系列的Agilent 4284A阻抗分析儀進(jìn)行光源穩(wěn)定性的測(cè)試。Agilent 4284A精密LCR測(cè)試儀是用于元件和材料測(cè)量的電學(xué)測(cè)試儀器，具有20Hz～1MHz的寬頻段測(cè)試范圍和6位數(shù)字分辨率的高精準(zhǔn)測(cè)試精度，測(cè)試時(shí)采用的是IEC/MIL標(biāo)準(zhǔn)（國(guó)際電工委員/美國(guó)軍用標(biāo)準(zhǔn)），可以滿足對(duì)MEMS紅外光源電阻性能測(cè)試的精度和特性要求。

通過(guò)采用間接測(cè)試法對(duì)MEMS紅外光源動(dòng)態(tài)電阻進(jìn)行測(cè)試，即利用4284A測(cè)試MEMS紅外光源的-特性，再利用＝/計(jì)算光源的動(dòng)態(tài)電阻。測(cè)試時(shí)通過(guò)使用DC Bias功能對(duì)光源施加直流偏置驅(qū)動(dòng)電壓，從儀器讀取其電流值，計(jì)算得到電阻值。測(cè)試環(huán)境為普通潔凈度，測(cè)試環(huán)境溫度為18℃，濕度51%。測(cè)試工作臺(tái)如圖4所示。

圖4 MEMS紅外光源電阻性能測(cè)試系統(tǒng)

因?yàn)椴捎?284A直接測(cè)試讀取數(shù)據(jù)是非連續(xù)的，且手動(dòng)控制無(wú)法保證測(cè)試數(shù)據(jù)間隔的均勻性，故利用AgilentVEE虛擬儀器圖形編程開(kāi)發(fā)軟件編寫(xiě)了一套連續(xù)的測(cè)試程序，程序如圖5所示?？梢栽谀骋辉O(shè)定時(shí)間內(nèi)進(jìn)行連續(xù)測(cè)量，測(cè)量間隔可以人為設(shè)置，相比直接測(cè)試具有更高的測(cè)試精度與可靠性。

圖5 基于Agilent VEE虛擬儀器的自動(dòng)數(shù)據(jù)采集程序

2.3 電學(xué)性能測(cè)試與分析

2.3.1 MEMS紅外光源動(dòng)態(tài)電阻測(cè)試

光源穩(wěn)定性測(cè)試分兩次進(jìn)行，一次以時(shí)間為變化量，驅(qū)動(dòng)電壓不變，觀察光源電阻隨時(shí)間推移的變化量；另一次測(cè)試以電壓為變化量，測(cè)試電壓以一定步長(zhǎng)變化時(shí)光源電阻變化趨勢(shì)是否呈線性變化。

以時(shí)間為變量進(jìn)行測(cè)試時(shí)，設(shè)定固定驅(qū)動(dòng)電壓為5.8V，交流測(cè)試頻率10kHz，振蕩電壓0.5V，采樣間隔為10Sa/min，共采樣1h。得到的MEMS紅外光源動(dòng)態(tài)工作電阻曲線如圖6所示，光源電阻值隨時(shí)間推移從48.95W持續(xù)下降到了48.75W，但變化量很小僅為0.4%。由于多晶硅材料達(dá)到一定溫度時(shí)，載流子遷移率提高，同時(shí)陷入晶粒間界中的雜質(zhì)在高溫下被熱激活，運(yùn)動(dòng)到晶粒中參與導(dǎo)電，體內(nèi)載流子數(shù)目增加，自然電阻值降低。說(shuō)明光源輻射體未出現(xiàn)明顯的再結(jié)晶現(xiàn)象，熱穩(wěn)定性良好。

圖6 MEMS紅外光源動(dòng)態(tài)電阻（時(shí)間為變量）

以驅(qū)動(dòng)電壓為變量進(jìn)行測(cè)試時(shí)，最大偏壓設(shè)置為6.2V，最小偏壓5.2V，電壓步進(jìn)為0.1V，交流信號(hào)振蕩頻率10kHz，振蕩電壓0.5V，循環(huán)次數(shù)2次，采樣間隔為1Sa/V。測(cè)試曲線如圖7所示，光源動(dòng)態(tài)電阻值隨電壓升高而增大，但變化量?jī)H1.5W。這可以被解釋為：多晶硅材料晶粒之間存在著晶粒界面，對(duì)于導(dǎo)電電子而言，晶粒間界面相當(dāng)于一個(gè)位壘，當(dāng)溫度升高到臨界溫度時(shí)，內(nèi)電場(chǎng)受到破壞，不能幫助導(dǎo)電電子越過(guò)位壘，所以表現(xiàn)為電阻值的增加。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明光源在可承受驅(qū)動(dòng)電壓的范圍內(nèi)，動(dòng)態(tài)電阻偏移很小，光源本征電阻穩(wěn)定，驅(qū)動(dòng)電壓對(duì)輻射體再結(jié)晶抑制能力的影響可忽略不計(jì)。

2.3.2 發(fā)光薄膜表面結(jié)構(gòu)形貌變化

在時(shí)間為變量的測(cè)試時(shí)中，MEMS光源發(fā)光薄膜表面結(jié)構(gòu)形貌圖像如圖8所示，從薄膜形貌圖可以看出，發(fā)光薄膜并未隨加壓時(shí)間的加長(zhǎng)發(fā)生塌陷、結(jié)晶等現(xiàn)象，圖8(b)中光源的薄膜仍處于上電工作中，薄膜中心有輕微鼓起，但撤去驅(qū)動(dòng)電壓后，薄膜恢復(fù)加壓前狀態(tài)，整體薄膜結(jié)構(gòu)工作穩(wěn)定。

圖7 MEMS紅外光源動(dòng)態(tài)電阻（驅(qū)動(dòng)電壓為變量）

圖8 MEMS紅外光源發(fā)光薄膜表面形貌圖

在以驅(qū)動(dòng)電壓為變量的測(cè)試中，光源輻射薄膜形貌變化如圖9所示，當(dāng)電壓增大到5.6V時(shí)，薄膜中心發(fā)生了較小程度的塌陷，同時(shí)四周伴有小程度鼓起，當(dāng)撤消電壓驅(qū)動(dòng)時(shí)，薄膜恢復(fù)原結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)電壓為6.2V時(shí)，塌陷與鼓起情況最為明顯，且光源發(fā)出微微的可見(jiàn)紅光，撤消驅(qū)動(dòng)電壓，可見(jiàn)紅光與形貌變化消失恢復(fù)原態(tài)。

薄膜型MEMS紅外光源有很好的機(jī)械強(qiáng)度，但是輻射體部熱容產(chǎn)生的熱應(yīng)力會(huì)使輻射薄膜層的邊緣出現(xiàn)卷曲或破裂現(xiàn)象[10]。在以時(shí)間為變量的測(cè)試中，工作中光源發(fā)光薄膜表面結(jié)構(gòu)形貌變化良好，因此該MEMS紅外光源工作穩(wěn)定性能較好。

3 結(jié)語(yǔ)

硅基MEMS紅外光源具有體積小、能耗低、調(diào)制頻率高等顯著特點(diǎn)，其發(fā)光薄膜組分及結(jié)構(gòu)對(duì)于其工作電阻具有很大的影響，可直接決定光源的可靠性及工作年限。對(duì)光源的動(dòng)態(tài)測(cè)量可知,長(zhǎng)時(shí)間工作下光源本征電阻變化量為0.4%，其熱穩(wěn)定性較好；在光源可承受外部驅(qū)動(dòng)電壓的范圍內(nèi)，電壓對(duì)輻射體本身再結(jié)晶抑制能力的影響很小，整體薄膜結(jié)構(gòu)工作穩(wěn)定。器件具有較強(qiáng)的可靠性和工作穩(wěn)定性，可適用于人員搜索和營(yíng)救、飛機(jī)降落指引等復(fù)雜工作環(huán)境，具有廣泛的應(yīng)用前景。

[1] 田英, 熊繼軍, 關(guān)新鋒, 等. MEMS紅外光源研究及其應(yīng)用[J]. 微納電子技術(shù), 2012, 49(9): 607-612.

[2] 孫玉虹, 曹嘉峰, 王成, 等. 硅基MEMS紅外光源光譜特性測(cè)試研究[J]. 紅外技術(shù), 2015, 37(4): 347-350.

[3] 李軍, 王佳軼, 孫彥鋒, 等. 紅外目標(biāo)探測(cè)與應(yīng)用分析[J]. 艦船電子工程, 2008, 164(2): 26-28.

[4] 萬(wàn)茲蒂（美）.紅外技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 1981.

[5] 胡繪鈞. MEMS熱輻射紅外光源的研究[D]. 上海: 復(fù)旦大學(xué), 2008.

[6] 淦元柳, 宋斌, 王曉飛, 等. 紅外探測(cè)與應(yīng)用分析[J]. 紅外與激光工程, 2007, 36(增刊2): 62-66.

[7] Guo Tao, Guan Xin-Feng, Chou Xiu-Jian. Modulating and driving system for the application of microelect romechanical system infrared source array [J]., 2012, 51(12): 1-4.

[8] 吳飛蝶, 紀(jì)新明, 王建業(yè), 等. MEMS紅外光源及應(yīng)用[J]. 傳感器與微系統(tǒng), 2006, 25(5): 78-80.

[9] 陳媛媛, 楊笛. SOI材料在光電子學(xué)中的應(yīng)用[J]. 激光與紅外, 2012(1) 13-17.

[10] 程美英. 硅基微機(jī)械紅外光源的設(shè)計(jì)和制備[D]. 廈門(mén): 廈門(mén)大學(xué), 2009.

The Testing Research of Thermal Stability of Silicon MEMS Infrared Source

KONG Ling-jie，YANG Yu-hua，ZHANG Peng，HE Ting，CHOU Xiu-jian

(,,,,030051,)

Photoelectric identification is the eye of the recognition and search and rescue mission.As the core of the eye, the working stability of MEMS infrared light source has the most direct effects on identification effect, and the working stability of MEMS infrared light source depends on the thermal stability of the film，that is, the dynamic variation of the film working resistance. Therefore research on MEMS infrared light source resistance characteristics to explore the photoelectric device identification features is of great significance. Test results of using impedance analyzer show that the MEMS infrared light intrinsic resistance variation is only 0.4% under long hours work, which means good thermal stability. In the sustainable driving voltage range, the dynamic resistance of the source has no obvious change with the voltage offset. The morphology change of thin film surface is normal, and the integral structure of the MEMS infrared source is stable.

MEMS infrared source，thermal stability，dynamic resistance，film morphology

TN212

A

1001-8891(2015)10-0873-04

2015-06-08；

2015-09-17.

孔齡婕（1991-），女，山西太原人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)槲⒓{傳感與執(zhí)行器件。

丑修建（1979- ），男，湖北咸寧人，教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)殡娮有畔⒐δ懿牧虾臀⒓{器件與系統(tǒng)。

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目，編號(hào)：51275492；中國(guó)博士后科學(xué)基金特別資助項(xiàng)目，編號(hào)：2013T60557；中國(guó)博士后科學(xué)基金面上資助項(xiàng)目，編號(hào)：2012T52118；江蘇省博士后科研資助計(jì)劃項(xiàng)目，編號(hào)：1201038C。