[發(fā)明專利]一種熱敏薄膜噪聲測(cè)試方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210325916.5
• 申請(qǐng)日: 2012-09-06
• 公開（公告）號(hào): CN102788911A
• 公開（公告）日: 2012-11-21
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 顧德恩;孫言;李偉;劉子驥;蔣亞東;王濤
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 電子科技大學(xué)
• 主分類號(hào): G01R29/26
• 分類號(hào): G01R29/26
• 代理公司: 成都華典專利事務(wù)所(普通合伙) 51223
• 代理人: 徐豐;楊保剛

技術(shù)領(lǐng)域：

本發(fā)明涉及紅外探測(cè)器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及熱敏薄膜噪聲測(cè)試。

技術(shù)背景：

氧化釩、非晶硅等半導(dǎo)體熱敏電阻薄膜材料的電阻隨溫度升高而降低，并具有較大的電阻溫度系數(shù)（TCR）和良好的工藝兼容性等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛用于微測(cè)輻射熱計(jì)型非制冷紅外探測(cè)器和微測(cè)輻射熱計(jì)型非制冷太赫茲探測(cè)器。在這兩類探測(cè)器中，熱敏薄膜的TCR、電阻率和本征噪聲是影響器件靈敏度的關(guān)鍵參數(shù)。其中，TCR和電阻率容易通過四探針測(cè)試儀、臺(tái)階儀等常用測(cè)試手段進(jìn)行精確測(cè)試，從而為優(yōu)化熱敏薄膜工藝提出基礎(chǔ)。而熱敏薄膜本征噪聲的測(cè)試則成為熱敏薄膜材料技術(shù)中的一個(gè)難點(diǎn)。

熱敏薄膜材料的噪聲（特別是低頻噪聲）是制約熱敏材料器件靈敏度和檢測(cè)精度的一個(gè)關(guān)鍵因素，隨著微測(cè)輻射熱計(jì)靈敏度要求的不斷提升，檢測(cè)和控制熱敏薄膜材料的噪聲尤為重要。研究表明：熱敏材料的噪聲（主要討論低頻噪聲）主要包含：白噪聲（Johnson噪聲）、1/f噪聲。白噪聲是一種廣泛存在的噪聲，存在于任何具有電阻的材料中，代表著電阻性元器件的最小噪聲水平。主要源于溫度變化導(dǎo)致無規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)迭加在載流子的有規(guī)則運(yùn)動(dòng)上，就引起了電流偏離平均值的起伏。其滿足以下公式：

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1/f噪聲又稱閃爍噪聲，包括兩部分：一是非基本1/f噪聲，由表面載流子數(shù)漲落引起的，通過改善器件的表面質(zhì)量可以消除的；另一是基本1/f噪聲，由遷移率漲落引起的。其服從Hooge經(jīng)驗(yàn)公式：

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式中S_V(f)、S_I(f)分別為噪聲電壓和電流功率譜密度；A為與材料有關(guān)的常數(shù)；V、I為單元兩端所加的偏壓和電流；β為指數(shù)因子，對(duì)于材料均勻的單元β=2；f為頻率；γ為頻率指數(shù)，通常取1。

在微測(cè)輻射熱計(jì)中廣泛使用的氧化釩、非晶硅薄膜等半導(dǎo)體熱敏薄膜一般具有較高的電阻溫度系數(shù)，溫度變化將導(dǎo)致熱敏薄膜電阻明顯的變化。如果溫度變化為隨機(jī)波動(dòng)，則將在噪聲測(cè)試時(shí)引入新的噪聲成分。例如，在薄膜噪聲性能測(cè)試時(shí)，外加的偏置會(huì)使薄膜發(fā)生比較大的溫度變化，外加偏置的隨機(jī)波動(dòng)將導(dǎo)致薄膜電阻起伏變化，從而引入一定的噪聲；同時(shí)，被測(cè)試單元附近空氣的對(duì)流帶來被測(cè)試單元表面的溫度起伏，也將引入噪聲。這些因測(cè)試環(huán)境的隨機(jī)起伏帶來的噪聲疊加到測(cè)試結(jié)果中，將使熱敏薄膜的噪聲分析變得非常復(fù)雜。因此，對(duì)熱敏薄膜材料測(cè)試及評(píng)價(jià)其噪聲特性時(shí)，要注意到很多細(xì)節(jié)方面，尤其在測(cè)試環(huán)境和基片散熱方面要有更多的措施。

通常情況下，熱敏薄膜的噪聲都非常的微弱，但是通過測(cè)試薄膜單元的噪聲功率譜可以得到非常豐富的信息，不僅可以反映器件MEMS制造中熱敏薄膜相關(guān)的工藝質(zhì)量，同時(shí)對(duì)評(píng)價(jià)薄膜本征結(jié)構(gòu)缺陷和進(jìn)一步改善熱敏薄膜工藝提供重要的參考。

目前大多的噪聲測(cè)試都局限于針對(duì)器件級(jí)的測(cè)試方案，其噪聲測(cè)試結(jié)果一般包含了除熱敏薄膜本征噪聲外其它多個(gè)部分的貢獻(xiàn)，難以直接評(píng)價(jià)熱敏薄膜材料的噪聲特性。而且，以往的器件噪聲測(cè)試系統(tǒng)忽略了熱敏薄膜材料的電阻溫度特性，未對(duì)環(huán)境溫度起伏進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)，因此難以準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)熱敏薄膜的噪聲特性。

為了進(jìn)一步控制熱敏薄膜的噪聲特性，特別針對(duì)不同的熱敏薄膜材料，考慮到不同工藝條件下制備薄膜樣品的需要，基于MEMS技術(shù)下制備相應(yīng)的測(cè)試單元，并做成圖形化的陣列，更好的對(duì)比分析熱敏薄膜的噪聲特性。以此為依據(jù)，改善熱敏薄膜器件應(yīng)用下的材料及工藝條件，例如，評(píng)估微測(cè)輻射熱計(jì)熱敏材料陣列的噪聲特性，對(duì)控制其每步的工藝參數(shù)、改良微橋結(jié)構(gòu)、完善封裝工藝等都有很大的指導(dǎo)意義，以此來降低器件的噪聲，提高器件性能，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

綜上所述，提出一套可靠、方便的熱敏薄膜噪聲測(cè)試方法，對(duì)于熱敏薄膜制備工藝優(yōu)化、薄膜質(zhì)量評(píng)價(jià)、器件工藝設(shè)計(jì)、提高器件成品率等方面，都具有非常重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容：

本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有噪聲測(cè)試技術(shù)的不足，提出了針對(duì)熱敏薄膜材料（包括氧化釩薄膜，非晶硅薄膜等）的噪聲測(cè)試方法。兼顧半導(dǎo)體熱敏薄膜材料高電阻溫度系數(shù)特征和不同熱敏材料制備工藝差別，并考慮到膜后處理的工藝要求。在測(cè)試單元陣列及其制備工藝設(shè)計(jì)中盡量減少非熱敏薄膜噪聲對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，并在測(cè)試單元陣列封裝設(shè)計(jì)中材料針對(duì)性的散熱方案，以盡量真實(shí)反映熱敏薄膜材料的噪聲特性。為熱敏薄膜質(zhì)量控制及其制備工藝優(yōu)化等提供可靠的依據(jù)。

一種熱敏薄膜的噪聲測(cè)試方法步驟如下：