制冷工艺论文提纲

论文题目：非晶硅非制冷红外焦平面阵列设计制备及抗冲击特性研究

摘要：非制冷红外焦平面阵列具有低成本,低功耗,无需制冷等优点,在军用和民用领域获得了广泛的应用。论文以非晶硅型非制冷红外焦平面阵列为研究对象,开展了非晶硅热敏薄膜的电学特性研究,像元结构光学、热学和力学三方面的优化设计,并进行了阵列制备试验。首先,论文开展了工艺参数对非晶硅薄膜电学特性的影响研究。采用等离子体增强化学气相沉积法（PECVD）制备了不同锗含量的非晶硅薄膜。通过电学测试,测得薄膜样片的电阻温度系数（TCR）和电阻率。测试结果表明:随着反应气体流量比（GeH4/SiH4）的增加,薄膜的TCR和电阻率呈现下降趋势。而过高的锗掺杂在进行金属剥离工艺后会使非晶硅薄膜发生裂解。论文最终确定了制备高质量,高TCR（-3.5%/K）和适中电导率(1.47×10-3（Ωcm）-1)非晶硅薄膜的相关工艺参数。第二,论文开展了阵列像元结构的光学和热学设计。基于光学导纳矩阵法构建了像元红外谐振腔吸收率数学模型,通过数值仿真对谐振腔膜系厚度进行优化,得到了8-14mm波段平均红外吸收率达93%的膜系结构;针对不同桥臂构型像元的热学参数进行理论计算和仿真分析,并以像元热变形为指标优化了桥臂膜系厚度;根据热电偶合仿真结果分析了直流偏置和脉冲偏置对像元性能的影响。第三,针对焦平面阵列像元的力学性能和抗冲击特性进行了研究。通过纳米压痕测试,论文开展了氮化硅沉积参数（高低频时间配比差异）、退火温度和光刻工艺对氮化硅薄膜弹性模量及硬度的影响研究;推导了适用于U型微桥结构整体升高相同温度和桥臂温度呈梯度分布两种情况下桥臂变形大小的解析解,并通过仿真加以验证;分别对像元垂直和水平方向施加冲击载荷进行抗冲击特性仿真,并根据像元的冲击敏感性分析优化桥臂结构长度和宽度的关键尺寸。最后,综合优化设计结果,进行非制冷红外焦平面阵列的制备及流片测试。进行了制备工艺流程设计和版图设计;流片过程中,对关键工艺包括lift-off剥离工艺和电极柱孔刻蚀工艺加以优化改进,并对关键工艺步骤进行形貌表征;流片完成后,通过热响应测试,确定了所设计像元的热响应时间参数,测得双Ⅰ型像元热响应时间为4.03ms,U型像元14.80ms。

关键词：非制冷红外焦平面阵列;非晶硅;优化设计;抗冲击特性;工艺制备

学科专业：机械电子工程

摘要

Abstract

1 绪论

1.1 引言

1.1.1 选题意义

1.1.2 红外探测器种类

1.1.3 非制冷红外焦平面阵列发展概况

1.2 非制冷红外焦平面阵列概述

1.2.1 焦平面阵列基本工作原理

1.2.2 红外敏感薄膜材料种类

1.2.3 热平衡方程

1.2.4 焦平面阵列性能参数

1.3 焦平面阵列抗冲击性能研究

1.4 论文主要工作

2 非晶硅热敏材料电学特性研究

2.1 非晶硅薄膜沉积工艺

2.2 非晶硅薄膜性能测试

2.2.1 测试方法

2.2.2 GeH_4/SiH_4 流量比对薄膜质量的影响

2.2.3 GeH_4/SiH_4 流量比对TCR和电导率的影响

2.2.4 GeH_4/SiH_4 流量比对薄膜电阻非均匀性的影响

2.3 本章小结

3 非晶硅非制冷红外焦平面阵列像元设计

3.1 红外谐振腔设计

3.1.1 红外吸收模型研究

3.1.2 谐振腔膜系结构优化

3.2 像元构型设计分析

3.3 热学设计

3.3.1 热学参数研究

3.3.2 像元热学分析

3.3.3 桥臂膜系厚度优化设计

3.4 不同偏置形式下的像元热电偶合特性

3.4.1 像元直流偏置

3.4.2 像元脉冲偏置

3.4.3 热电耦合有限元分析

3.5 本章小结

4 像元力学性能研究

4.1 氮化硅薄膜力学性能测试

4.1.1 氮化硅薄膜沉积试验

4.1.2 工艺条件对薄膜力学性能影响分析

4.2 桥臂结构变形研究

4.2.1 微桥膜系应力解析模型

4.2.2 氮化硅-钛-氮化硅桥臂结构

4.3 像元抗冲击特性研究

4.3.1 模态分析

4.3.2 冲击仿真分析

4.3.3 像元结构冲击敏感性分析

4.4 本章小结

5 阵列制备及测试

5.1 制备工艺流程设计

5.2 版图设计

5.3 阵列流片试验及测试

5.3.1 关键工艺研究及形貌检测

5.3.2 像元热响应时间测试

5.4 本章小结

6 总结与展望

6.1 工作总结

6.2 未来工作展望

致谢

参考文献