[发明专利]一种热敏薄膜噪声测试方法

说明书

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：