晶圆级CMOS-SOI-MEMS红外传感器性能提升方案：硅基“蛾眼”超构表面抗反射涂层
2026-02-15 16:05:51 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
以色列理工学院提出了一套端到端的设计、制造和验证框架，可直接在硅晶圆上图案化CMOS兼容型“蛾眼”抗反射涂层。该研究方案融合了有效介质理论、传输矩阵分析、全波时域有限差分模拟以及傅里叶变换红外实验测量，对亚波长柱阵列进行优化，以实现宽带和宽视角容差性能。
长波红外（LWIR）传感器在热成像、环境监测及国防领域具有重要作用，但其性能往往受限于晶圆级封装（WLP）中的光学损耗。采用硅窗口的晶圆级封装长波红外传感器，每个界面均承受约30%的菲涅耳反射，严重限制其光通量和探测器灵敏度。亚波长“蛾眼”纳米结构通过在空气与硅介质间构建渐变折射率过渡层，实现了宽带阻抗匹配与宽视角接收，成为极具前景的替代方案。
据麦姆斯咨询报道，近日，以色列理工学院提出了一套端到端的设计、制造和验证框架，可直接在硅晶圆上图案化CMOS兼容型“蛾眼”抗反射涂层（ARC）。该研究方案融合了有效介质理论、传输矩阵分析、全波时域有限差分（FDTD）模拟以及傅里叶变换红外（FTIR）实验测量，对亚波长柱阵列进行优化，以实现宽带（8-14 μm）和宽视角容差性能。相较于裸硅窗口，所制备结构使CMOS-SOI-MEMS热传感器响应度提高了46.7%，而双面图案化器件模拟预测传输率可提升至85.1%、响应度可提升至57.1%。这些成果证实，“蛾眼”超构表面可作为可扩展、CMOS兼容的解决方案，适用于下一代晶圆级加工和封装红外传感平台，能够将光学性能提升直接转化为可测量的电学性能增益。这项研究成果为面向“实际应用”的CMOS兼容红外传感器制造，建立了完整的“蛾眼”晶圆级加工和封装的端到端设计框架。相关研究成果以“Broadband Sub-Micron Moth-Eye Anti-Reflection Coatings on Silicon for Wafer-Level CMOS–SOI–MEMS Thermal Infrared Sensors”为题，发表于Micromachines期刊上。
晶圆级封装与抗反射涂层的作用
在CMOS-SOI-MEMS器件等各类红外传感器架构中，晶圆级封装是其中关键。硅窗口虽能实现晶圆级组装和可靠性封装，但其高折射率（在中波红外和长波红外中折射率约为3.4）会引发强菲涅耳反射。这些效应显著降低了到达传感元件的光通量，并限制了系统灵敏度。因此，高性能抗反射涂层对于最大化红外光通量、确保宽入射角下的稳定光学性能至关重要。
图1 高真空热红外MEMS传感器的晶圆级封装架构示意图
“蛾眼”结构原理
“蛾眼”表面由亚波长结构（通常是锥体、圆柱体或矩形柱）的周期性阵列组成，其几何形状决定了局部硅填充因子。这种填充因子的变化可形成连续的（或准连续的）有效折射率分布。图2展示了“蛾眼”抗反射涂层概念。这些结构天然具备宽带性能、宽角度容差以及偏振不敏感等特性，使其成为红外光学窗口、传感器及晶圆级封装的理想选择。
图2 “蛾眼”仿生硅表面示意图及其有效折射率分布图
CMOS制造兼容性
在晶圆级加工和封装的长波红外传感器中集成“蛾眼”结构，需要同时满足制造限制和系统级性能指标。研究人员讨论了CMOS兼容制造工艺的选型，并在制造可扩展性、光谱范围及传感器电学集成等角度，将本研究与先前研究进行比较。结果表明，深反应离子蚀刻（DRIE）是唯一满足量产规模CMOS-SOI-MEMS集成全部要求的工艺。
器件模拟及表征
研究人员采用FDTD方法进行全波电磁模拟，突破有效介质近似，评估“蛾眼”的光学性能。图3展示了两种模拟几何形状：左图为用于参数优化的单面柱阵列，右图为模拟实际器件几何形状的有限厚度硅片（单面或双面图案化）。
图3 FDTD模拟架构
随后，研究人员使用相关设备对该器件进行光学表征。图4展示了裸硅窗口与“蛾眼”图案化样品在6-14 μm波段的透射光谱及差分分析结果。
图4 是否有单面柱的硅样品的透射光谱及差分分析
研究人员通过数值模拟、分析建模和实验测量，系统评估了“蛾眼”抗反射涂层在长波红外波段的光学性能。这些结果与CMOS-SOI-MEMS热红外传感器的预期响应度增强相关。图5展示了将“蛾眼”结构应用于硅光学窗口的两个表面，可显著提高传感器的性能。
图5 所提出器件的晶圆级封装架构：其顶部光学窗口的两个表面均采用“蛾眼”图案化，通过晶圆键合保持密封真空密封，显著提升入射光传输到底层MEMS传感器的透射效率。
总结与展望
综上所述，这项研究面向长波红外CMOS-SOI-MEMS热传感器，建立了一套硅晶圆级封装的“蛾眼”抗反射涂层的设计、制造和表征的完整框架。通过整合有效介质理论、全波FDTD模拟和FTIR实验验证，研究人员证实了亚波长柱阵列可在8-14 μm大气窗口内将透射率提高18.1%，从而使基于TMOS的热探测器的响应度提高46.67%。分析预测、数值模拟与测量光谱之间高度吻合，验证了该建模方法的有效性并证实了晶圆级加工和封装方案的可行性。本研究重点在于设计准则和基础光学分析的优化，而非最终性能的优化。后续研究将围绕以下几个关键方向，以推动该技术的实际应用：双面图案化工艺优化、缩短周期以实现宽带优化、先进结构表征、系统级传感器原型制备与测试。这些进展将共同推动“蛾眼”抗反射微结构从实验室演示迈向量产技术，为新一代热红外成像系统提供解决方案。
论文链接：https://doi.org/10.3390/mi17020170
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