基于氧化钒微测辐射热计的室温太赫兹探测器研究

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作者：

苟君

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摘要：

太赫兹波与其它波段的电磁辐射相比具有瞬态性、宽带性、低能性、穿透性等很多独特的性质。太赫兹探测技术在爆炸物探测、军用通信等军事领域以及安全检查、医学人体成像等民用领域都有着广阔的应用前景。本论文基于氧化钒(VOx)微测辐射热计开展室温太赫兹探测器的研究,以探测单元结构设计与仿真、微桥结构制备、太赫兹波吸收薄膜及探测单元性能测试等为主要研究内容,突破了NiCr薄膜与VOx薄膜的干法刻蚀、光敏聚酰亚胺(PSPI)牺牲层的图形化、NiCr薄膜的增强吸收等关键技术,制作出室温太赫兹探测单元与80×60探测阵列器件,探测单元在太赫兹辐射源的激励下实现太赫兹波的室温探测。本文的主要研究内容和成果分为以下几个方面:1.太赫兹微测辐射热计的结构设计与仿真优化设计太赫兹微测辐射热计的微桥结构,提高太赫兹辐射吸收率。相较于传统微测辐射热计,在微桥结构顶层增加一层NiCr薄膜用作太赫兹辐射吸收层,利用其电阻损耗吸收太赫兹辐射。同时,增大像元尺寸,提高占空比以增大太赫兹辐射的吸收量。设计了10种不同像元尺寸、不同桥腿宽度的探测单元微桥结构,建立其有限元分析模型进行力学与热学仿真,研究了桥面厚度与残余应力对力学性能的影响。仿真结果表明:像元尺寸75×75μm2,桥腿宽度1.3μm,氮化硅、金属电极、氧化钒层应力值分别为250 MPa、150 MPa、150 MPa的微桥结构具有较好的力学与热学性能,适合用作太赫兹微测辐射热计的探测单元结构。对探测单元膜系结构的光学仿真表明,调节金属吸收薄膜的方阻(厚度)与电导率等参数可以将太赫兹辐射吸收最大化。2.太赫兹微测辐射热计的结构制备设计了微桥结构的制备工艺路线并采用L-edit软件完成各层的版图设计,然后采用微机械加工技术进行太赫兹微测辐射热计探测单元与80×60探测阵列的制备,并研究了主要功能薄膜的图形化工艺。(1)提出一种基于氯基与氟基混合气体的NiCr薄膜反应离子刻蚀工艺。将少量SF6气体引入Cl2和BCl3组成的混合刻蚀剂,通过SF6对等离子体能量的吸收及其与光刻胶反应产生的聚合物沉积,大大减小了光刻胶的刻蚀速率,将对光刻胶的刻蚀选择比提高了4.4~8.3倍。优化后的工艺可以提供9.45 nm/min的NiCr刻蚀速率与5.8%的刻蚀非均匀性,对光刻胶的刻蚀选择比为0.3。(2)提出一种高选择比的VOx薄膜图形化技术,采用光刻胶作为掩膜,用基于Cl/N的刻蚀剂进行反应离子刻蚀。采用正交实验法进行工艺设计与参数优化。研究表明射频功率是影响VOx刻蚀速率、刻蚀均匀性与对光刻胶的选择比的最主要参数。引入少量氮气可提高刻蚀均匀性与对光刻胶的选择比。通过优化设计,得到VOx刻蚀速率为74 nm/min、刻蚀非均匀性为2.4%、对光刻胶的选择比为0.96、对SiNx的选择比为5、对SiO2的选择比为10的反应离子刻蚀工艺。(3)基于光学放射频谱分析(OES)研究了反应离子刻蚀的终点监测技术。通过监测反应室内特定波段的光谱强度变化,实时、在线监测薄膜的刻蚀状态并有效地探测刻蚀终点。研究确立了适用于不同薄膜的终点监测波长区域:VOx薄膜:328~347nm,Al薄膜:395~400 nm。(4)开发了基于多次掩膜曝光技术的牺牲层图形化技术,使PSPI图案断面呈现正梯形形状,将侧面倾斜角度控制在恰当的范围(30°~50°),有利于金属引线爬坡和桥腿机械支撑。3.太赫兹波吸收薄膜研究采用NiCr薄膜作为太赫兹辐射吸收层,通过优化NiCr薄膜厚度实现不同频率下太赫兹辐射吸收的最大化。采用基于RIE的衬底表面粗糙工艺使NiCr薄膜形成表面微结构,增大有效吸收面积。采用RIE减薄的方法制备较小厚度的高表体比NiCr吸收薄膜。这些研究为室温太赫兹探测器的研制提供了简单有效的、与MEMS制备工艺兼容的增强吸收的方法。4.太赫兹微测辐射热计探测单元性能测试对制备的太赫兹微测辐射热计探测单元器件进行杜瓦封装,采用高功率太赫兹激光器为辐射源,完成2.56 THz辐射下探测单元的性能测试。测试表明探测单元噪声等效功率(NEP)优于298 pw/Hz1/2,平均响应时间达到11.2 ms。

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关键词：

太赫兹微测辐射热计；结构制备；图形化；太赫兹吸收；单元性能测试

学位级别：

博士

DOI：

CNKI:CDMD:1.1015.711088