CN102788911A

CN102788911A - 一种热敏薄膜噪声测试方法

Info

Publication number: CN102788911A
Application number: CN2012103259165A
Authority: CN
Inventors: 顾德恩; 孙言; 李伟; 刘子骥; 蒋亚东; 王涛
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2012-09-06
Filing date: 2012-09-06
Publication date: 2012-11-21
Anticipated expiration: 2032-09-06
Also published as: CN102788911B

Abstract

本发明涉及红外探测器技术领域，公开了一种热敏薄膜噪声测试方法，该方法包括：设计具有金属参比单元组和不同单元尺寸的噪声测试阵列芯片，在芯片制作的MEMS工艺中结合反溅工序步骤，在芯片封装中采用金属板导热设计，在测试电路中采用多级桥式放大电路设计，在测试环境中同时进行电磁和气流扰动屏蔽。该方法可实现热敏薄膜噪声的可重复精确测试。

Description

一种热敏薄膜噪声测试方法

技术领域：

本发明涉及红外探测器技术领域，具体涉及热敏薄膜噪声测试。

技术背景：

氧化钒、非晶硅等半导体热敏电阻薄膜材料的电阻随温度升高而降低，并具有较大的电阻温度系数（TCR）和良好的工艺兼容性等优点，因此被广泛用于微测辐射热计型非制冷红外探测器和微测辐射热计型非制冷太赫兹探测器。在这两类探测器中，热敏薄膜的TCR、电阻率和本征噪声是影响器件灵敏度的关键参数。其中，TCR和电阻率容易通过四探针测试仪、台阶仪等常用测试手段进行精确测试，从而为优化热敏薄膜工艺提出基础。而热敏薄膜本征噪声的测试则成为热敏薄膜材料技术中的一个难点。

热敏薄膜材料的噪声（特别是低频噪声）是制约热敏材料器件灵敏度和检测精度的一个关键因素，随着微测辐射热计灵敏度要求的不断提升，检测和控制热敏薄膜材料的噪声尤为重要。研究表明：热敏材料的噪声（主要讨论低频噪声）主要包含：白噪声（Johnson噪声）、1/f噪声。白噪声是一种广泛存在的噪声，存在于任何具有电阻的材料中，代表着电阻性元器件的最小噪声水平。主要源于温度变化导致无规则的热运动迭加在载流子的有规则运动上，就引起了电流偏离平均值的起伏。其满足以下公式：

（1）

1/f噪声又称闪烁噪声，包括两部分：一是非基本1/f噪声，由表面载流子数涨落引起的，通过改善器件的表面质量可以消除的；另一是基本1/f噪声，由迁移率涨落引起的。其服从Hooge经验公式：

（2）

式中S_V(f)、S_I(f)分别为噪声电压和电流功率谱密度；A为与材料有关的常数；V、I为单元两端所加的偏压和电流；β为指数因子，对于材料均匀的单元β=2；f为频率；γ为频率指数，通常取1。

在微测辐射热计中广泛使用的氧化钒、非晶硅薄膜等半导体热敏薄膜一般具有较高的电阻温度系数，温度变化将导致热敏薄膜电阻明显的变化。如果温度变化为随机波动，则将在噪声测试时引入新的噪声成分。例如，在薄膜噪声性能测试时，外加的偏置会使薄膜发生比较大的温度变化，外加偏置的随机波动将导致薄膜电阻起伏变化，从而引入一定的噪声；同时，被测试单元附近空气的对流带来被测试单元表面的温度起伏，也将引入噪声。这些因测试环境的随机起伏带来的噪声叠加到测试结果中，将使热敏薄膜的噪声分析变得非常复杂。因此，对热敏薄膜材料测试及评价其噪声特性时，要注意到很多细节方面，尤其在测试环境和基片散热方面要有更多的措施。

通常情况下，热敏薄膜的噪声都非常的微弱，但是通过测试薄膜单元的噪声功率谱可以得到非常丰富的信息，不仅可以反映器件MEMS制造中热敏薄膜相关的工艺质量，同时对评价薄膜本征结构缺陷和进一步改善热敏薄膜工艺提供重要的参考。

目前大多的噪声测试都局限于针对器件级的测试方案，其噪声测试结果一般包含了除热敏薄膜本征噪声外其它多个部分的贡献，难以直接评价热敏薄膜材料的噪声特性。而且，以往的器件噪声测试系统忽略了热敏薄膜材料的电阻温度特性，未对环境温度起伏进行针对性设计，因此难以准确地评价热敏薄膜的噪声特性。

为了进一步控制热敏薄膜的噪声特性，特别针对不同的热敏薄膜材料，考虑到不同工艺条件下制备薄膜样品的需要，基于MEMS技术下制备相应的测试单元，并做成图形化的阵列，更好的对比分析热敏薄膜的噪声特性。以此为依据，改善热敏薄膜器件应用下的材料及工艺条件，例如，评估微测辐射热计热敏材料阵列的噪声特性，对控制其每步的工艺参数、改良微桥结构、完善封装工艺等都有很大的指导意义，以此来降低器件的噪声，提高器件性能，优化设计方案。

综上所述，提出一套可靠、方便的热敏薄膜噪声测试方法，对于热敏薄膜制备工艺优化、薄膜质量评价、器件工艺设计、提高器件成品率等方面，都具有非常重要的意义。

发明内容：

本发明针对现有噪声测试技术的不足，提出了针对热敏薄膜材料（包括氧化钒薄膜，非晶硅薄膜等）的噪声测试方法。兼顾半导体热敏薄膜材料高电阻温度系数特征和不同热敏材料制备工艺差别，并考虑到膜后处理的工艺要求。在测试单元阵列及其制备工艺设计中尽量减少非热敏薄膜噪声对测试结果的影响，并在测试单元阵列封装设计中材料针对性的散热方案，以尽量真实反映热敏薄膜材料的噪声特性。为热敏薄膜质量控制及其制备工艺优化等提供可靠的依据。

一种热敏薄膜的噪声测试方法步骤如下：

步骤一：通过微细加工工艺（MEMS）制备基于热敏薄膜的测试单元阵列芯片，其中每个测试单元包括：在单晶硅片衬底上制备金属（Al、Ti等）连接点、金属（NiCr，Al，Ti等）电极薄膜、热敏薄膜，具体制备方案如图2、图3所示，阵列单元特征尺寸如下表所示，并对金属电极薄膜及热敏薄膜做相应的钝化保护；

项目	规格
		L _array	根据阵列布局而定
L ₁	0.8~2.0mm
		L _apd	50~150μm
W _e	20~40μm
		W _e’	4~9μm
L _e	按实验设计而定
		L _wire	70~110μm
W _wire	4~9μm
		W _pole1	＜W_wire
W _pole2	＜W _e’

步骤二：把制备好的测试阵列芯片固定在陶瓷基板上，并通过金丝键合，从热敏感膜测试单元的金属连接点与基板金属电极相连；

步骤三：将用于封装的方形卡盒卡在陶瓷基板，方形卡盒内的金属弹片与测试阵列基板金属电极紧密连接，金属弹片的另一端与对应并口引脚相连；并通过同轴电缆接口（BNC）实现卡盒金属弹片电极与外电路各引脚相连接；

步骤四：把封装有测试阵列芯片的卡盒与多级桥式放大电路相连接，放大器一端连接偏置电源，另一端连接测试仪器，并将整体测试电路用金属箱封闭起来；

步骤五：根据对被测试单元的阻值及偏压条件的分析，选择合适的偏置电源及测试仪器，并选择合适的低噪放大器；

步骤六：根据测试需要，选择测试阵列芯片上任意测试单元进行测试；对采样的数据进行计算和分析，得到噪声信号的功率密度谱，并通过分析得到相应的噪声参数；

本发明对测试阵列芯片设计和关键制备工艺上进行了有益改进，对此做如下说明：

1）在一个热敏薄膜测试阵列芯片设计中，包含至少3种不同尺寸的热敏薄膜测试单元，且同一尺寸的单元至少有3个。通过对不同尺寸热敏薄膜测试单元的噪声测试与分析，为薄膜噪声来源分析和薄膜工艺优化提供依据；

2）在热敏薄膜测试阵列芯片结构中，设计一组以金属电极薄膜直接形成的金属单元，以用于评价测试系统中除被测单元外其余部分的噪声水平；

3）通过MEMS工艺，在选定的基片上制造多层图形化测试单元阵列芯片，并精确控制热敏薄膜的厚度和沉积工艺条件；

4）制备金属电极薄膜前，用Ar等离子反溅2～10分钟，充分去除连接点材料氧化层及其它污染物；

5）在金属电极薄膜和热敏薄膜上沉积氮化硅等介质薄膜材料，以保证测试过程中关键材料的稳定性。

本发明在测试芯片封装做出如下改进：

1）将测试阵列芯片固定在陶瓷基板上，再将陶瓷基板固定在导热良好的金属板上，以保证测试单元温度的稳定性，降低环境温度起伏和热敏薄膜自加热效应对热敏薄膜噪声的影响；

2）测试阵列用金丝键合与基板金属电极相连，基板金属电极通过接触面积较大的金属弹片与外电路相连，以保证各个连接点连接良好，减少接触噪声；

由于热敏薄膜本身的噪声非常微弱，本发明在测试电路特别做出改进，通过如下方案，抑制电源及外部其它噪声，并放大测试单元的噪声，以便更容易检测到热敏薄膜本身的噪声。对此做如下说明：

1）所有电路连接均通过同轴电缆相连接，以屏蔽环境电磁干扰和外部噪声；

2）通过特殊的多级桥式放大电路设计，以实现对被测单元噪声进行放大，并有效抑制电源及其他外电路的噪声贡献；

3）将整个测试电路封闭在一个金属箱中，与测试阵列芯片封装盒，形成双层屏蔽，以减少环境电磁辐射对样品测试的影响，同时可减少气流扰动等外部因素对测试结果的影响。

使用本发明的热敏薄膜噪声测试方案，可以可靠、便捷的测试并分析出待测热敏薄膜的噪声性能，对优化热敏薄膜材料工艺和改进器件工艺设计等都具有非常重要的意义。

附图说明：

图1：热敏薄膜噪声测试流程图

图2：薄膜测试单元示意图

图3：测试阵列芯片示意图

图4：测试阵列芯片陶瓷基板封装示意图

图5：测试阵列芯片卡盒引线示意图

图6：多级桥式电路图

图7：热敏薄膜噪声测试系统框图

图8：测试样品噪声功率密度谱图

图中1为金属连接点、2为连接孔1、3为金属电极导线、4为接触孔2、5为热敏薄膜、6为金属电极薄膜、7为陶瓷基板、8为基板金属电极、9为金属弹片、10为方形卡盒、11为排线插口。

具体实施例：

参见附图，本发明所述测试方法的基本流程为四部分，分别是：1. 制备热敏薄膜测试阵列芯片并封装；2. 搭建测试所需的外部放大电路；3. 选择合适偏置电源和测试系统；4. 对所采集的数据进行计算和分析。

本发明所述的测试方法实施步骤如图1所示，氧化钒薄膜噪声测试具体流程如下：

步骤一，针对氧化钒热敏薄膜制备综合分析设计测试单元如图2所示，其中设计尺寸如下表：

项目	规格
		L _apd	120μm
W _e	30μm
		W _e’	5μm
L _e	18,36,54,72,90 (μm)
		L _wire	100μm
W _wire	7μm
		W _pole1	9μm
W _pole2	3μm

本实例中，阵列中包含5个不同尺寸的敏感膜测试单元组及一组镍铬（NiCr）金属参比测试单元组，每组中包含4个相同的单元。阵列芯片布局如图3所示，整个芯片长宽L_array均为9mm，相邻两个单元的间距L₁为1.2mm；每组不同单元的两电极之间敏感膜尺寸按照上表中L_e所示变化。通过MEMS工艺制备热敏薄膜测试阵列芯片，其工艺步骤如下：

1.1 对样品基片氮化硅衬底进行清洗，烘干；

1.2 溅射金属铝，通过剥离法进行图形化，留下金属连接点；

1.3 以等离子化学气相沉积（PECVD）法制备100nm氮化硅薄膜，保护金属铝连接点；

1.4 以干法刻蚀形成如图2所示的连接孔1，暴露出与金属电极导线相连接的金属铝；

1.5 反溅3分钟，再溅射约100nm厚的NiCr金属电极薄膜；

1.6 以湿法腐蚀进行NiCr电极图形化；

1.7 在NiCr金属电极薄膜上以PECVD法制备80nm氮化硅薄膜；

1.8 以干法刻蚀形成如图2所示的接触孔2，暴露出与氧化钒热敏薄膜相连接的金属NiCr部分；

1.9 以溅射法制备120nm的氧化钒热敏薄膜；

1.10在氧化钒热敏薄膜上以PECVD法制备100nm氮化硅钝化膜；

1.11以干法刻蚀对氧化钒热敏薄膜进行图形化；

步骤二，对制备好的氧化钒测试阵列芯片进行封装，包括如下：

2.1 将制备好的测试阵列切割成规划好的阵列尺寸，测试阵列如图3；

2.2 将切割好的测试阵列芯片固定在陶瓷基板上，陶瓷基板如图4所示；

2.3 通过金丝键合连接金属铝连接点和基板金属金电极；

2.4 将制备好的对应的方形卡盒扣在陶瓷基板上，卡盒内部的金属铜弹片与测试阵列基板上的金属金电极紧密的连接，金属铜弹片的另一端与对应的并口内针相连，卡盒如图5所示；

步骤三，对封装好的氧化钒测试阵列芯片连入外电路，包括如下：

3.1通过同轴电缆接口（BNC）实现卡盒金属弹片电极与外电路各引脚相连接；

3.2选择如图3所示阵列芯片中敏感膜测试单元1，测试其电阻率和I-V特征曲线，记录其电阻，并判断单元中金半接触是否为欧姆接触，若是，则记录下单元编号，并进行后续的噪声测试；若非欧姆接触，跳过这一单元继续执行3.2；

3.3 将验证接触良好的测试单元连入已制备好的多级桥式放大电路，电路图如图6所示，其中R_d为被测单元，调整电路中R_m阻值，使R_m=10R_d；

步骤四：将整个测试单元电路依照图7所示的系统框图，搭建测试系统：

4.1 选择9V镍氢电池作为噪声测试的偏置电压源；

4.2 在测试单元电路后端加入前置电压放大器Standford Research Systems SR560。选择放大倍数1；打开放大器自带的带通滤波功能（带通滤波范围0.03Hz~10KHz）；以交流耦合方式输入信号，去除部分工频噪声；

4.3 测试仪器选用动态频谱分析仪Standford Research Systems SR785，直观采集数据，并计算出噪声的功率密度谱，测试结果如图8所示。

本发明不限于前述实施例，不脱离本发明的整个技术范围，可进行各种修改和改变。

Claims

1.一种热敏薄膜的噪声测试方法，其特征在于包括以下步骤：

1）通过微细加工工艺制备基于热敏薄膜的测试单元阵列芯片，其中每个测试单元包括：在单晶硅片衬底上制备金属连接点、金属电极薄膜、热敏薄膜，并对金属电极薄膜及热敏薄膜做相应的钝化保护；

2）把制备好的测试阵列芯片固定在陶瓷基板上，并通过金丝键合，从热敏感膜测试单元的金属连接点与基板金属电极相连；

3）将用于封装的方形卡盒卡在陶瓷基板上，方形卡盒内的金属弹片与测试阵列基板金属电极紧密连接，金属弹片的另一端与对应并口引脚相连；

4）通过同轴电缆接口（BNC）实现卡盒金属弹片电极与外电路各引脚相连接；

5）把封装有测试阵列芯片的卡盒与多级桥式放大电路相连接，放大器一端连接偏置电源，另一端连接测试仪器，并将整体测试电路用金属箱封闭起来；

6）根据对被测试单元的阻值及偏压条件的分析，选择偏置电源及测试仪器的工作参数，并选择合适的低噪放大器；

7）根据测试需要，选择测试阵列芯片上某一单元进行测试，对测试数据进行计算和分析，得到相应的噪声参数。

2.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于步骤（1）中所述的制备测试阵列芯片，其具体特征包括以下几点说明：

1）在一个热敏薄膜测试阵列芯片设计中，包含至少3种不同尺寸的热敏薄膜测试单元，且同一尺寸的单元至少有3个；

2）在热敏薄膜测试阵列芯片结构中，设计一组其形状及尺寸与任意一组热敏薄膜测试单元相同的参比金属单元组，以用于评价测试系统中除测试单元外其余部分的噪声水平；

3）沉积金属电极薄膜前，用Ar等离子反溅2～10分钟，充分去除连接点材料氧化层及其它污染物；

4）在金属电极薄膜和热敏薄膜上沉积氮化硅等介质薄膜材料。

3.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于步骤（2）、（3）中的测试阵列芯片封装，其具体特征包括以下几点：

1）将测试阵列芯片固定在陶瓷基板上，再将陶瓷基板固定在导热良好的金属板上；

2）测试阵列用金丝键合与基板金属电极相连，基板金属电极通过接触面积较大的金属弹片与外电路相连，保证各个连接点连接良好。

4.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于步骤（4）、（5）、（6）中的测试芯片外电路，其特征包括以下几点：

2）通过多级桥式放大电路对被测单元噪声进行放大，抑制电源及其他外电路的噪声贡献；

3）将整个测试电路封闭在一个金属箱中，与测试阵列芯片封装盒，形成双层屏蔽，以减少环境电磁辐射对样品测试的影响，同时减少气流扰动等外部因素对测试结果的影响。