采用有限元仿真软件 COMSOL 对 CMOS 红外光源进行电热耦合分析。由于 Si 的导热性能较好且介质薄膜具有较大热阻，在高温工作时基底温度仍接近环境温度。为简化计算，仅对红外光源悬空区域建立模型，在传热场中将红外光源的外边界设为室温，以近似表达整个 Si 基底的热特性。按标准 CMOS 工艺及材料属性设定厚度与热物性参数，在电场中给定加热丝两端电势，进行稳态电–热耦合计算，获得温度分布云图（见图2），并对两种红外光源在纵向对称轴处的温度分布进行对比（见图3）。

图2 红外光源温度分布云图

图3 红外光源沿纵向对称轴的温度分布

CMOS 红外光源的流片加工

加工流程如图4所示。首先在华润上华晶圆厂采用 6 英寸、0.5 μm 标准 CMOS 工艺实现嵌入式 W 加热丝的复合薄膜结构。随后通过背向深刻蚀刻蚀出体 Si，形成具有良好绝热性能的膜片式悬空结构。最后为提升比辐射率，在红外辐射区表面通过电场驱动的液滴沉积系统涂覆一层铜氧（CuO）与锰酸化物（MnO₂）组成的纳米材料复合薄膜，并在 400℃ 下管式炉退火 2 小时，使薄膜具有良好附着性，形成红外 RE 薄膜。

图4 CMOS红外光源工艺流程

经测试，Si₃N₄ 作为辐射层时比辐射率约为 0.6；在其上沉积上述 RE 薄膜后，比辐射率提升至约 0.8 以上。引入红外 RE 层后，光源表面的总比辐射率提升约 35%，此方法工艺简单、易实现、薄膜附着稳定。加工完成后，光源的显微照片如图5所示。

图5 CMOS红外光源芯片实物照片

CMOS红外光源测试结果与分析

电热特性测试

使用红外成像测温仪 FLIR A655 对红外辐射区进行温度分布测量，并以比辐射率 0.8 进行温度补偿。结果显示，辐射区平均温度达到约 478 ℃，悬空区域之外温度低于 30 ℃，表明器件具备良好的热隔离性能VSport。芯片温度分布与仿真结果基本一致。

图6 红外测温仪测得的光源典型温度分布

将红外光源置于马弗炉中，室温逐步升至 300 ℃，每上升 50 ℃ 为一个温度点，每点保持 1 小时。用数字万用表测量加热丝电阻变化，结果呈现线性关系，温阻系数约为 0.19%/℃，可据此线性外推在 500 ℃时的加热丝阻值，从而估算光源的平均工作温度。

图7 电热特性测试曲线

红外辐射特性测试

利用 Gentec-XLP12 辐射功率计对 RE-layer 与 No-RE-layer 两种光源进行测量，测试结果如图8(a)所示。由于探头尺寸大于核心发热区，测得值包含整颗芯片及封装管壳的总热辐射，因此略高于核心区域的理论值。在相同温度下，具 RE 层的光源红外辐射功率显著高于无 RE 层的光源；当工作温度为 469 ℃ 时，RE 层使辐射功率增加约 3.7 mW。

图8 辐射特性测试曲线

采用 MR170 型傅里叶变换红外光谱辐射计，在 2–15 μm 波段测量 RE-layer 光源在红外域的辐射强度。由于核心发热区面积较小，信号较弱，测量存在一定噪声，但在 469 ℃ 时，RE-layer 在 3–8 μm 区段的辐射强度显著高于无 RE 层。在 2–15 μm 的积分结果显示，RE-layer 光源的辐射强度为 6.42 mW/sr，无 RE 层为 4.3 mW/sr，说明相同工作温度下 RE 层使辐射强度提升约 50%。

结论

设计并实现的 CMOS 红外光源核心辐射区尺寸为 700 μm × 700 μm，采用耐高温的 W 电阻以及具有良好绝热和高机械强度的 SiO₂/Si₃N₄ 复合薄膜，表面覆盖红外 RE 层。在工作功耗约 138 mW 时，平均温度约 469 ℃，热响应时间约 41 ms，具备低功耗、快速热响应与温度分布均匀等优点。红外辐射区表面涂覆 CuO/MnO₂ 纳米涂层可使表面比辐射率提升约 35%，并且辐射功率与红外光谱辐射强度的测试结果均印证了涂层对辐射性能的显著增强。该 CMOS 红外光源可用于对尺寸和电功耗要求苛刻的 NDIR 集成气体传感器，未来有望实现与 CMOS 电路的单芯片集成，从而进一步提升系统集成度。