孔齡婕，楊玉華，張 鵬，賀 婷，丑修建

硅基MEMS紅外光源熱穩(wěn)定性測試研究

孔齡婕，楊玉華，張 鵬，賀 婷，丑修建

（中北大學(xué) 電子測試技術(shù)國防重點實驗室，儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西 太原 030051）

光電標(biāo)識是完成識別和搜救任務(wù)的“眼睛”。作為“眼睛”核心組成器件，MEMS紅外光源的工作穩(wěn)定性對標(biāo)識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)工作電阻的動態(tài)變化趨勢。為此通過開展MEMS紅外光源電阻特性研究對于深入探索光電標(biāo)識裝置的標(biāo)識特性意義重大。采用阻抗分析儀進(jìn)行測試，結(jié)果表明MEMS紅外光源長時間工作下其本征電阻值變化量僅為0.4%，熱穩(wěn)定性良好；在可承受驅(qū)動電壓范圍內(nèi)，光源的動態(tài)電阻隨電壓的變化無明顯偏移，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[1-2]，可代替?zhèn)鹘y(tǒng)紅外光源應(yīng)用于目標(biāo)識別和紅外定位通信等多種紅外光電標(biāo)識系統(tǒng)中，因此，MEMS光源的各項特性研究對于紅外光電識別系統(tǒng)的有著重要意義[3]。

在實際應(yīng)用中，常常要求紅外光電標(biāo)識系統(tǒng)在極其惡劣的環(huán)境中進(jìn)行目標(biāo)探測、識別、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)工作電阻的動態(tài)變化趨勢，同時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，為此通過采集光源工作過程中的動態(tài)電阻，對光源電學(xué)特性中電阻特性進(jìn)行測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（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，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)計中，通過硼離子注入技術(shù)對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。整個工藝實現(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現(xiàn)電氣互連，采用可靠同軸密封進(jìn)行封裝，通過半導(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試

2.1 測試原理

硅基MEMS紅外光源的輻射機(jī)理是通過外部電信號的激勵實現(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)動發(fā)光原理類似于電阻功耗的熱損耗部分，即當(dāng)外部電壓驅(qū)動時，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)壓單元控制供電穩(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)動功率為＝Q2T。

圖2 封裝后的MEMS紅外光源器件

圖3 電壓驅(qū)動的電阻自加熱電路模型

2.2 測試平臺搭建

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)工作電阻的動態(tài)變化趨勢，通過采集光源工作過程中的動態(tài)電阻，測試器件穩(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)定性的測試。Agilent 4284A精密LCR測試儀是用于元件和材料測量的電學(xué)測試儀器，具有20Hz～1MHz的寬頻段測試范圍和6位數(shù)字分辨率的高精準(zhǔn)測試精度，測試時采用的是IEC/MIL標(biāo)準(zhǔn)（國際電工委員/美國軍用標(biāo)準(zhǔn)），可以滿足對MEMS紅外光源電阻性能測試的精度和特性要求。

通過采用間接測試法對MEMS紅外光源動態(tài)電阻進(jìn)行測試，即利用4284A測試MEMS紅外光源的-特性，再利用＝/計算光源的動態(tài)電阻。測試時通過使用DC Bias功能對光源施加直流偏置驅(qū)動電壓，從儀器讀取其電流值，計算得到電阻值。測試環(huán)境為普通潔凈度，測試環(huán)境溫度為18℃，濕度51%。測試工作臺如圖4所示。

圖4 MEMS紅外光源電阻性能測試系統(tǒng)

因為采用4284A直接測試讀取數(shù)據(jù)是非連續(xù)的，且手動控制無法保證測試數(shù)據(jù)間隔的均勻性，故利用AgilentVEE虛擬儀器圖形編程開發(fā)軟件編寫了一套連續(xù)的測試程序，程序如圖5所示?？梢栽谀骋辉O(shè)定時間內(nèi)進(jìn)行連續(xù)測量，測量間隔可以人為設(shè)置，相比直接測試具有更高的測試精度與可靠性。

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

2.3 電學(xué)性能測試與分析

2.3.1 MEMS紅外光源動態(tài)電阻測試

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

以時間為變量進(jìn)行測試時，設(shè)定固定驅(qū)動電壓為5.8V，交流測試頻率10kHz，振蕩電壓0.5V，采樣間隔為10Sa/min，共采樣1h。得到的MEMS紅外光源動態(tài)工作電阻曲線如圖6所示，光源電阻值隨時間推移從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，載流子遷移率提高，同時陷入晶粒間界中的雜質(zhì)在高溫下被熱激活，運(yùn)動到晶粒中參與導(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紅外光源動態(tài)電阻（時間為變量）

以驅(qū)動電壓為變量進(jìn)行測試時，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。測試曲線如圖7所示，光源動態(tài)電阻值隨電壓升高而增大，但變化量僅1.5W。這可以被解釋為：多晶硅材料晶粒之間存在著晶粒界面，對于導(dǎo)電電子而言，晶粒間界面相當(dāng)于一個位壘，當(dāng)溫度升高到臨界溫度時，內(nèi)電場受到破壞，不能幫助導(dǎo)電電子越過位壘，所以表現(xiàn)為電阻值的增加。實驗結(jié)果表明光源在可承受驅(qū)動電壓的范圍內(nèi)，動態(tài)電阻偏移很小，光源本征電阻穩(wěn)定，驅(qū)動電壓對輻射體再結(jié)晶抑制能力的影響可忽略不計。

2.3.2 發(fā)光薄膜表面結(jié)構(gòu)形貌變化

在時間為變量的測試時中，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間的加長發(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紅外光源動態(tài)電阻（驅(qū)動電壓為變量）

圖8 MEMS紅外光源發(fā)光薄膜表面形貌圖

在以驅(qū)動電壓為變量的測試中，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，薄膜中心發(fā)生了較小程度的塌陷，同時四周伴有小程度鼓起，當(dāng)撤消電壓驅(qū)動時，薄膜恢復(fù)原結(jié)構(gòu)，驅(qū)動電壓為6.2V時，塌陷與鼓起情況最為明顯，且光源發(fā)出微微的可見紅光，撤消驅(qū)動電壓，可見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)力會使輻射薄膜層的邊緣出現(xiàn)卷曲或破裂現(xiàn)象[10]。在以時間為變量的測試中，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

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，其發(fā)光薄膜組分及結(jié)構(gòu)對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。對光源的動態(tài)測量可知,長時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)動電壓的范圍內(nèi)，電壓對輻射體本身再結(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。

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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，主要研究方向為微納傳感與執(zhí)行器件。

丑修建（1979- ），男，湖北咸寧人，教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向為電子信息功能材料和微納器件與系統(tǒng)。

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