專利名稱：一種熱敏薄膜噪聲測試方法
技術領域：
本發明涉及紅外探測器技術領域，具體涉及熱敏薄膜噪聲測試。技術背景
氧化釩、非晶硅等半導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(TCR)和良好的工藝兼容性等優點，因此被廣泛用于微測輻射熱計型非制冷紅外探測器和微測輻射熱計型非制冷太赫茲探測器。在這兩類探測器中，熱敏薄膜的TCR、電阻率和本征噪聲是影響器件靈敏度的關鍵參數。其中，TCR和電阻率容易通過四探針測試儀、臺階儀等常用測試手段進行精確測試，從而為優化熱敏薄膜工藝提出基礎。而熱敏薄膜本征噪聲的測試則成為熱敏薄膜材料技術中的一個難點。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精·度的一個關鍵因素，隨著微測輻射熱計靈敏度要求的不斷提升，檢測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)、l/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致無規則的熱運動迭加在載流子的有規則運動上，就引起了電流偏離平均值的起伏。其滿足以下公式
Sv(J) = AkTR(O
ι/f噪聲又稱閃爍噪聲，包括兩部分一是非基本1/f噪聲，由表面載流子數漲落引起的，通過改善器件的表面質量可以消除的；另一是基本Ι/f噪聲，由遷移率漲落引起的。其服從Hooge經驗公式
= AV(ff : f(2)
式中Sv(f)、S^f)分別為噪聲電壓和電流功率譜密度；A為與材料有關的常數；V、I為單元兩端所加的偏壓和電流；β為指數因子，對于材料均勻的單元β =2 ；f為頻率；Y為頻率指數，通常取I。在微測輻射熱計中廣泛使用的氧化釩、非晶硅薄膜等半導體熱敏薄膜一般具有較高的電阻溫度系數，溫度變化將導致熱敏薄膜電阻明顯的變化。如果溫度變化為隨機波動，則將在噪聲測試時引入新的噪聲成分。例如，在薄膜噪聲性能測試時，外加的偏置會使薄膜發生比較大的溫度變化，外加偏置的隨機波動將導致薄膜電阻起伏變化，從而引入一定的噪聲；同時，被測試單元附近空氣的對流帶來被測試單元表面的溫度起伏，也將引入噪聲。這些因測試環境的隨機起伏帶來的噪聲疊加到測試結果中，將使熱敏薄膜的噪聲分析變得非常復雜。因此，對熱敏薄膜材料測試及評價其噪聲特性時，要注意到很多細節方面，尤其在測試環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的工藝質量，同時對評價薄膜本征結構缺陷和進一步改善熱敏薄膜工藝提供重要的參考。目前大多的噪聲測試都局限于針對器件級的測試方案，其噪聲測試結果一般包含了除熱敏薄膜本征噪聲外其它多個部分的貢獻，難以直接評價熱敏薄膜材料的噪聲特性。而且，以往的器件噪聲測試系統忽略了熱敏薄膜材料的電阻溫度特性，未對環境溫度起伏進行針對性設計，因此難以準確地評價熱敏薄膜的噪聲特性。為了進一步控制熱敏薄膜的噪聲特性，特別針對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技術下制備相應的測試單元，并做成圖形化的陣列，更好的對比分析熱敏薄膜的噪聲特性。以此為依據，改善熱敏薄膜器件應用下的材料及工藝條件，例如，評估微測輻射熱計熱敏材料陣列的噪聲特性，對控制其每步的工藝參數、改良微橋結構、完善封裝工藝等都有很大的指導意義，以此來降低器件的噪聲，提高器件性能，優化設計方案。綜上所述，提出一套可靠、方便的熱敏薄膜噪聲測試方法，對于熱敏薄膜制備工藝優化、薄膜質量評價、器件工藝設計、提高器件成品率等方面，都具有非常重要的意義。
發明內容
本發明針對現有噪聲測試技術的不足，提出了針對熱敏薄膜材料(包括氧化釩薄膜，非 晶硅薄膜等)的噪聲測試方法。兼顧半導體熱敏薄膜材料高電阻溫度系數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。在測試單元陣列及其制備工藝設計中盡量減少非熱敏薄膜噪聲對測試結果的影響，并在測試單元陣列封裝設計中材料針對性的散熱方案，以盡量真實反映熱敏薄膜材料的噪聲特性。為熱敏薄膜質量控制及其制備工藝優化等提供可靠的依據。一種熱敏薄膜的噪聲測試方法步驟如下
步驟一通過微細加工工藝(MEMS)制備基于熱敏薄膜的測試單元陣列芯片，其中每個測試單元包括在單晶娃片襯底上制備金屬(Al、Ti等)連接點、金屬(NiCr,Al,Ti等)電極薄膜、熱敏薄膜，具體制備方案如圖2、圖3所示，陣列單元特征尺寸如下表所示，并對金屬
電極薄膜及熱敏薄膜做相應的鈍化保護;_
項目 j規格
Larray 根據陣列布局而定L1 O. 8~2. ΟτηπιLnnrl ~ 50^150 μ m
Wg_20^40 μ m_
ffe, ' 4^9 μ m
Ls_按實驗設計而定
~ 70^110 μ m Wwire 4^9 μ m_
Wp0Iel < Wwire_
Wno1fia l<We,
步驟二 把制備好的測試陣列芯片固定在陶瓷基板上，并通過金絲鍵合，從熱敏感膜測試單元的金屬連接點與基板金屬電極相連；
步驟三將用于封裝的方形卡盒卡在陶瓷基板，方形卡盒內的金屬彈片與測試陣列基板金屬電極緊密連接，金屬彈片的另一端與對應并口引腳相連；并通過同軸電纜接口(BNC)實現卡盒金屬彈片電極與外電路各引腳相連接；
步驟四把封裝有測試陣列芯片的卡盒與多級橋式放大電路相連接，放大器一端連接偏置電源，另一端連接測試儀器，并將整體測試電路用金屬箱封閉起來；
步驟五根據對被測試單元的阻值及偏壓條件的分析，選擇合適的偏置電源及測試儀器，并選擇合適的低噪放大器；
步驟六根據測試需要，選擇測試陣列芯片上任意測試單元進行測試；對采樣的數據進行計算和分析，得到噪聲信號的功率密度譜，并通過分析得到相應的噪聲參數；
本發明對測試陣列芯片設計和關鍵制備工藝上進行了有益改進，對此做如下說明
O 在一個熱敏薄膜測試陣列芯片設計中，包含至少3種不同尺寸的熱敏薄膜測試單元，且同一尺寸的單元至少有3個。通過對不同尺寸熱敏薄膜測試單元的噪聲測試與分析，為薄膜噪聲來源分析和薄膜工藝優化提供依據；
2)在熱敏薄膜測試陣列芯片結構中，設計一組以金屬電極薄膜直接形成的金屬單元，以用于評價測試系統中除被測單元外其余部分的噪聲水平；
3)通過MEMS工藝，在選定的基片上制造多層圖形化測試單元陣列芯片，并精確控制熱敏薄膜的厚度和沉積工藝條件；·
4)制備金屬電極薄膜前，用Ar等離子反濺2 10分鐘，充分去除連接點材料氧化層及其它污染物；
5)在金屬電極薄膜和熱敏薄膜上沉積氮化硅等介質薄膜材料，以保證測試過程中關鍵材料的穩定性。本發明在測試芯片封裝做出如下改進
1)將測試陣列芯片固定在陶瓷基板上，再將陶瓷基板固定在導熱良好的金屬板上，以保證測試單元溫度的穩定性，降低環境溫度起伏和熱敏薄膜自加熱效應對熱敏薄膜噪聲的影響；
2)測試陣列用金絲鍵合與基板金屬電極相連，基板金屬電極通過接觸面積較大的金屬彈片與外電路相連，以保證各個連接點連接良好，減少接觸噪聲；
由于熱敏薄膜本身的噪聲非常微弱，本發明在測試電路特別做出改進，通過如下方案，抑制電源及外部其它噪聲，并放大測試單元的噪聲，以便更容易檢測到熱敏薄膜本身的噪聲。對此做如下說明
O所有電路連接均通過同軸電纜相連接，以屏蔽環境電磁干擾和外部噪聲；
2)通過特殊的多級橋式放大電路設計，以實現對被測單元噪聲進行放大，并有效抑制電源及其他外電路的噪聲貢獻；
3)將整個測試電路封閉在一個金屬箱中，與測試陣列芯片封裝盒，形成雙層屏蔽，以減少環境電磁輻射對樣品測試的影響，同時可減少氣流擾動等外部因素對測試結果的影響。使用本發明的熱敏薄膜噪聲測試方案，可以可靠、便捷的測試并分析出待測熱敏薄膜的噪聲性能，對優化熱敏薄膜材料工藝和改進器件工藝設計等都具有非常重要的意義。
圖I:熱敏薄膜噪聲測試流程圖 圖2 :薄膜測試單元示意圖 圖3 :測試陣列芯片示意圖 圖4 :測試陣列芯片陶瓷基板封裝示意圖 圖5 :測試陣列芯片卡盒引線示意6 :多級橋式電路圖 圖7 :熱敏薄膜噪聲測試系統框圖 圖8 :測試樣品噪聲功率密度譜圖
圖中I為金屬連接點、2為連接孔1、3為金屬電極導線、4為接觸孔2、5為熱敏薄膜、6為金屬電極薄膜、7為陶瓷基板、8為基板金屬電極、9為金屬彈片、10為方形卡盒、11為排線插口。具體實施例
參見附圖，本發明所述測試方法的基本流程為四部分，分別是1.制備熱敏薄膜測試陣列芯片并封裝；2.搭建測試所需的外部放大電路；3.選擇合適偏置電源和測試系統；
4.對所采集的數據進行計算和分析。
本發明所述的測試方法實施步驟如圖I所示，氧化釩薄膜噪聲測試具體流程如下
步驟一，針對氧化釩熱敏薄膜制備綜合分析設計測試單元如圖2所示，其中設計尺寸如下表
權利要求
1.一種熱敏薄膜的噪聲測試方法，其特征在于包括以下步驟 1)通過微細加工工藝制備基于熱敏薄膜的測試單元陣列芯片，其中每個測試單元包括在單晶硅片襯底上制備金屬連接點、金屬電極薄膜、熱敏薄膜，并對金屬電極薄膜及熱敏薄膜做相應的鈍化保護； 2)把制備好的測試陣列芯片固定在陶瓷基板上，并通過金絲鍵合，從熱敏感膜測試單元的金屬連接點與基板金屬電極相連； 3)將用于封裝的方形卡盒卡在陶瓷基板上，方形卡盒內的金屬彈片與測試陣列基板金屬電極緊密連接，金屬彈片的另一端與對應并口引腳相連； 4)通過同軸電纜接口(BNC)實現卡盒金屬彈片電極與外電路各引腳相連接； 5)把封裝有測試陣列芯片的卡盒與多級橋式放大電路相連接，放大器一端連接偏置電 源，另一端連接測試儀器，并將整體測試電路用金屬箱封閉起來； 6)根據對被測試單元的阻值及偏壓條件的分析，選擇偏置電源及測試儀器的工作參數，并選擇合適的低噪放大器； 7)根據測試需要，選擇測試陣列芯片上某一單元進行測試，對測試數據進行計算和分析，得到相應的噪聲參數。
2.根據權利要求I所述的測試方法，其特征在于步驟(I)中所述的制備測試陣列芯片，其具體特征包括以下幾點說明 1)在一個熱敏薄膜測試陣列芯片設計中，包含至少3種不同尺寸的熱敏薄膜測試單元，且同一尺寸的單元至少有3個； 2)在熱敏薄膜測試陣列芯片結構中，設計一組其形狀及尺寸與任意一組熱敏薄膜測試單元相同的參比金屬單元組，以用于評價測試系統中除測試單元外其余部分的噪聲水平； 3)沉積金屬電極薄膜前，用Ar等離子反濺2 10分鐘，充分去除連接點材料氧化層及其它污染物； 4)在金屬電極薄膜和熱敏薄膜上沉積氮化硅等介質薄膜材料。
3.根據權利要求I所述的測試方法，其特征在于步驟(2)、(3)中的測試陣列芯片封裝，其具體特征包括以下幾點 1)將測試陣列芯片固定在陶瓷基板上，再將陶瓷基板固定在導熱良好的金屬板上； 2)測試陣列用金絲鍵合與基板金屬電極相連，基板金屬電極通過接觸面積較大的金屬彈片與外電路相連，保證各個連接點連接良好。
4.根據權利要求I所述的測試方法，其特征在于步驟(4)、(5)、(6)中的測試芯片外電路，其特征包括以下幾點 1)所有電路連接均通過同軸電纜相連接，以屏蔽環境電磁干擾和外部噪聲； 2)通過多級橋式放大電路對被測單元噪聲進行放大，抑制電源及其他外電路的噪聲貢獻； 3)將整個測試電路封閉在一個金屬箱中，與測試陣列芯片封裝盒，形成雙層屏蔽，以減少環境電磁輻射對樣品測試的影響，同時減少氣流擾動等外部因素對測試結果的影響。
全文摘要
本發明涉及紅外探測器技術領域，公開了一種熱敏薄膜噪聲測試方法，該方法包括設計具有金屬參比單元組和不同單元尺寸的噪聲測試陣列芯片，在芯片制作的MEMS工藝中結合反濺工序步驟，在芯片封裝中采用金屬板導熱設計，在測試電路中采用多級橋式放大電路設計，在測試環境中同時進行電磁和氣流擾動屏蔽。該方法可實現熱敏薄膜噪聲的可重復精確測試。
文檔編號G01R29/26GK102788911SQ20121032591
公開日2012年11月21日 申請日期2012年9月6日 優先權日2012年9月6日
發明者劉子驥, 孫言, 李偉, 王濤, 蔣亞東, 顧德恩 申請人:電子科技大學