CMOS紅外光源的設計與實現*

王林峰，余 雋，李中洲，黃正興，朱慧超，唐禎安

（大連理工大學 電信學部生物醫學工程學院 遼寧省集成電路與生物醫學電子系統重點實驗室，遼寧 大連 116024）

0 引言

氣體傳感器因在實時監測有害氣體方面具有獨特優勢而被普遍應用于家庭環境檢測［1］、工業生產安全［2］和疾病輔助診斷［3］等領域。目前氣體傳感器常用的檢測方法有半導體氣敏法、催化燃燒法、電化學法、氣相色譜法、紅外光譜吸收法等。基于光譜吸收原理的非色散紅外（non-dispersive infrared，NDIR）氣體傳感器具有檢測范圍廣、維護成本低和使用壽命長等優點［4］。隨著智能移動終端和可穿戴設備在生物醫學領域的應用［5］，微型化、低功耗、高靈敏度的NDIR集成氣體傳感器已成為氣體傳感器的重要研究方向［6］。NDIR氣體傳感器主要由紅外光源、氣室、濾光片和紅外光探測器4部分組成。其中，紅外光源是決定NDIR集成氣體傳感器性能的關鍵部件之一，直接決定了傳感器的尺寸、功耗和檢測性能［7］。硅（Si）基紅外光源與傳統燈泡式紅外光源相比，具有功耗低、電光轉換率高、成本低、體積小、熱調制迅速等優點［8，9］，可滿足紅外氣體傳感器微型化、低成本和低功耗的發展需求。本文基于標準互補金屬氧化物半導體（complementary metal oxide semiconductor，CMOS）工藝設計和制造了一種CMOS 紅外光源，具有熱響應迅速和高溫工作性能良好的優點。由于采用了標準CMOS工藝，該紅外光源未來可與光源驅動電路進行單芯片集成制造，從而進一步提高集成度。

1 紅外光源熱輻射理論

基于CMOS工藝加工的紅外光源是利用普朗克輻射體電致自加熱效應誘導輻射層輻射紅外光的有源半導體器件［10］。該器件的主要結構是內嵌加熱電阻絲的介質薄膜，也叫微熱板。對電阻絲通入電流后，由于焦耳熱效應，微熱板發熱升溫，從而產生紅外熱輻射。

眾所周知，黑體輻射遵循普朗克輻射定律（Planck’s Law）

式中 WBλ為光譜輻射通量密度，W·m－2·μm－1；λ 為輻射波長，μm；T為絕對溫度，K；c 為光速2.997 925×108m／s；h為普朗克常數6.625 6×10－34W·s2；k 為波爾茲曼常數1.380 54×10－23W·s·K。對式（1）進行全波長范圍積分可獲得黑體的單位面積輻射能量WB。黑體是理想化的輻射體，對于非理想黑體—灰體，定義其單位面積輻射量WG與黑體單位面積輻射量WB之比ε 為比輻射率。熱輻射光源均可視為灰體，其比輻射率代表熱輻射能力。紅外光源熱輻射區的熱輻射功率Er（單位是W）可表示為［11］

式中 ε為CMOS紅外光源表面的比輻射率；A為光源熱輻射區表面積，m2；σ 為斯蒂芬—玻爾茲曼常數5.669 7×10－8W·m－2·K－4；T 為光源熱輻射區的平均工作溫度，K。除了輻射散熱以外，紅外光源與環境之間還有熱傳導和熱對流，熱傳導功耗Ec如式（3）、熱對流功耗Ev如式（4）所示［12］

式中 kc為CMOS 紅外光源輻射區的等效橫向熱導率，W／m·K；Ab為薄膜導熱面積，m2；L 為輻射區到Si 基低的傳熱距離，m；T0為環境溫度，K；ha為自然對流系數，取20 W／m2·K。

從上述分析中可知，提高CMOS 紅外光源的熱輻射在器件總功耗中所占比例的途徑包括提高工作溫度、增大輻射區面積和提高比輻射率3個途徑。由于工作溫度太高將導致器件失效，輻射區面積增大會同時增加熱對流散熱以及芯片面積，提高比輻射率往往需要進行非CMOS 兼容的加工工藝，因此需要綜合考慮相關因素進行合理設計。

2 CMOS紅外光源設計、仿真與制造

2.1 結構設計與有限元仿真

在材料設計方面，標準CMOS工藝中鋁（Al）、鎢（W）和多晶Si均可用作紅外光源的電阻絲材料，但Al熔點較低，多晶Si在300 ℃以上存在阻值漂移不穩定的問題［13］。根據紅外光源工作原理，為了提高紅外熱輻射能量，必須提高工作溫度，所以熱輻射型紅外光源通常工作在400 ℃以上。因此選用具有良好的高溫穩定性和抗電遷移特性的W 作為CMOS紅外光源的加熱絲材料。二氧化硅（SiO2）和氮化硅（Si3N4）是CMOS工藝中最常見的介質材料，SiO2薄膜絕熱性良好，Si3N4薄膜機械強度大，兩者構成的復合薄膜熱應力匹配性好，且能保護其中的W 電阻不被氧化，故選用SiO2與Si3N4復合介質層作為支撐膜。

在結構設計方面，為了降低器件的熱傳導散熱，Si基紅外光源通常采用懸浮薄膜結構。設計CMOS紅外光源結構如圖1所示。懸空區域尺寸為1 000 μm×1 000 μm，下方空氣間隙形成隔熱區域，區域中心為700 μm×700 μm的紅外輻射區，設計輻射區邊緣與懸空區域邊緣的距離為150 μm，對應于式（3）中的L，進一步減小熱傳導；復合介質層內嵌的W加熱絲采用非等距的蛇型走線方式，這種圖案能使輻射區溫度分布更均勻；考慮到Si3N4薄膜的比輻射率較低，在復合介質層上淀積紅外輻射增強（radiation enhanced，RE）層，提高紅外光源的比輻射率。

圖1 紅外光源剖面結構示意

使用有限元仿真軟件COMSOL對CMOS紅外光源進行電熱耦合仿真。因為Si 的導熱性能良好且介質薄膜熱阻很大，通常，紅外光源高溫工作時Si 基底的溫度仍接近常溫［14］。為了簡化計算，只對紅外光源懸空區域建模，在傳熱場中，將紅外光源四周邊界設為室溫來等效紅外光源整個Si基底的常溫特性。根據標準CMOS工藝和材料屬性設置材料的厚度和物性參數。在電流場中設置加熱絲兩端的電勢，對模型進行電—熱耦合的穩態仿真分析，獲得紅外光源溫度分布云圖［15］。以平均溫度467 ℃為例，沒有涂覆紅外RE層（No-RE-layer）的紅外光源溫度分布云圖如圖2（a）所示，涂覆紅外RE-layer 的紅外光源溫度分布云圖如圖2（b）所示，圖3對比了兩者沿縱向對稱軸的溫度分布。仿真結果表明：紅外RE-layer具有提高溫度分布均勻性的作用，這是由于涂層增加了所涂區域的橫向熱導和熱輻射功率。

圖2 紅外光源溫度分布云圖

圖3 紅外光源沿縱向對稱軸的溫度分布

2.2 CMOS紅外光源的流片加工

CMOS紅外光源加工工藝流程如圖4所示。

圖4 CMOS紅外光源工藝流程

首先，采用華潤上華晶圓廠6 in（1 in ＝2.54 cm）0.5 μm標準CMOS工藝進行流片，完成內嵌W加熱絲的復合薄膜結構的加工。在該工藝中，金屬A1 和金屬A2 之間的過孔的W材料被設計用作紅外光源的蛇形加熱電阻絲，頂層金屬A3形成金屬互連線和焊盤，隨后淀積Si3N4鈍化層，然后刻蝕使金屬A3焊盤露出［16］。然后，采用Si 的深刻蝕工藝從背面刻蝕體Si，形成絕熱性能優良的膜片式懸空結構。最后，為了增強比輻射率，使用電流體動力學（electro-hydro dynamics，EHD）打印系統［17］在紅外光源的輻射區表面淀積一層氧化銅（CuO）和氧化錳（MnO2）納米材料復合薄膜，使用管式爐400 ℃退火2 h，在紅外光源表面形成一層附著性良好的紅外RE薄膜。經測試，CMOS工藝的Si3N4作為輻射層，其比輻射率在0.6左右；其上淀積上述RE薄膜后，比輻射率在0.8 以上，該結果與文獻［18］的測量結果一致。使用紅外RE-layer 使得紅外光源的表面比輻射率提高約35%，且該方法具有工藝簡單、易于實現、薄膜附著穩定等優點。加工完成后紅外光源的顯微照片如圖5所示。

圖5 CMOS紅外光源芯片實物照片

3 CMOS紅外光源測試結果與分析

3.1 電熱特性測試

使用紅外成像測溫儀FLIR A655測量紅外光源輻射區溫度分布，經過以比輻射率0.8 進行溫度補償后，測試結果如圖6所示，圖中虛線區域為700 μm×700 μm 的輻射區。紅外光源輻射區平均溫度達到478 ℃時，懸空區域之外的溫度低于30 ℃，證明該器件良好的隔熱性能。芯片溫度分布的測試結果與仿真結果基本一致。

圖6 紅外測溫儀測得的光源典型溫度分布

將紅外光源置于馬弗爐中，從室溫升到300 ℃，每50 ℃為1個溫度點，每個溫度點保持1 h。使用數字萬用表測量W加熱絲的阻值變化，結果如圖7（a）所示。可見，阻值與溫度呈線性關系，紅外光源W 加熱絲的溫阻系數（temperature coefficient of resistance，TCR）為0.19% ／℃，根據此線性關系可推測500 ℃時的加熱絲阻值［19］。因此，可通過W加熱絲的阻值來估算紅外光源的平均工作溫度。

圖7 電熱特性測試曲線

采用階躍電壓進行驅動，測量紅外光源從室溫升至469 ℃時的熱響應［20］曲線如圖7（b）所示。CMOS紅外光源熱響應時間約為41 ms，有較高的響應頻率，可適用于低功耗的脈沖工作模式［21］。

由于紅外光源熱響應速度快，故1 s的時間間隔足以讓其進入穩態。使用電流源表以0.5 V 為步長、1 s 為時間間隔，對CMOS紅外光源芯片進行電壓掃描，讀取電流源表對應電壓下的電阻和功耗，根據TCR計算出紅外光源輻射區的平均溫度。圖7（c）顯示了通過W加熱絲阻值測試結果、仿真結果和紅外熱像儀測試結果三者的關系，可見三者具有較為良好的一致性。

3.2 紅外輻射特性測試

使用紅外輻射功率計Gentec—XLP12 對RE-layer和No-RE-layer的兩種紅外光源進行測量，測試結果如圖8（a）所示。由于功率計探頭尺寸遠大于紅外光源核心發熱區域的尺寸，功率計測量的是紅外光源整個芯片還有封裝管殼的全部熱輻射，因此測試結果大于紅外光源核心發熱區域紅外輻射功率的理論估計值。在相同溫度下，RE-layer 的紅外光源比No-RE-layer的紅外光源紅外輻射功率更高，兩者的差值來源于紅外RE-layer對光源的紅外輻射功率的增強作用。當工作溫度為469 ℃時，RE-layer使紅外光源的紅外輻射功率提高了約3.7 mW。

圖8 輻射特性測試曲線

采用MR170型傅里葉變換（Fourier transform，FT）紅外光譜輻射計，測量RE-layer的紅外光源在2～15 μm 波段的紅外光譜輻射強度。由于光源核心發熱區域面積小，紅外輻射能量微弱，因此測量結果存在一定的噪聲和誤差。當紅外光源的平均工作溫度約為469 ℃時，測量結果如圖8（b）所示。RE-layer在3～8 μm波段比No-RE-layer的紅外輻射強度有顯著提升。對2～15 μm 波段進行積分，RElayer光源的輻射強度為6.42 mW／sr，No-RE-layer光源的輻射強度為4.3 mW／sr，說明紅外RE-layer使得CMOS紅外光源在相同工作溫度下的紅外輻射強度增大了約50%。

4 結論

本文設計并實現了一種CMOS 紅外光源，其輻射區尺寸為700 μm×700 μm，采用耐高溫的W 電阻，采用絕熱性優良且機械強度高的SiO2與Si3N4復合薄膜，輻射區表面涂敷紅外RE-layer。在加熱功耗138 mW時，該紅外光源的平均溫度約469 ℃，熱響應時間約為41 ms，具有功耗低、熱響應時間迅速、溫度分布均勻等特點。紅外光源輻射區表面打印了CuO和MnO2的復合納米涂層，使得光源的表面比輻射率提升約35%，紅外光源的輻射功率和紅外光譜輻射強度測試結果也證實了該涂層對紅外輻射的顯著增強作用。該CMOS紅外光源可應用于對尺寸和電功耗要求苛刻的NDIR集成氣體傳感器，并且該CMOS 光源未來可與CMOS電路進行單芯片集成制造，從而進一步提高集成度。