DE60007804T2

DE60007804T2 - Bolometrischer Detektor mit elektrischer Zwischenisolation und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE60007804T2
Application number: DE60007804T
Authority: DE
Inventors: Michel Vilain; Jean-Jacques Yon
Original assignee: Ulis SAS
Current assignee: Ulis SAS
Priority date: 1999-07-08
Filing date: 2000-07-04
Publication date: 2004-11-25
Anticipated expiration: 2020-07-05
Also published as: DE60007804D1; EP1067372A1; US6426539B1; FR2796148A1; FR2796148B1; EP1067372B1

Description

TECHNISCHER BEREICH
Die vorliegende Erfindung betrifft einen bolometrischen Detektor sowie ein Verfahren zur Herstellung dieses Detektors.
Sie wird insbesondere bei der Infrarot-Bilderzeugung angewendet.
STAND DER TECHNIK
Es sind bereits Detektoren für Infrarotstrahlung bekannt, welche im allgemeinen in Matrizenform gestaltet sind und bei Umgebungstemperatur, das heißt ohne Kühlung, funktionieren können, im Gegensatz zu den als "Quantendetektoren" bezeichneten Vorrichtungen.
Diese nicht gekühlten Detektoren verwenden gewöhnlich die Veränderung einer Eigenschaft eines geeigneten Materials in Abhängigkeit von der Temperatur, nahe 300 K. Im Falle der bolometrischen Detektoren ist diese Eigenschaft der spezifische Widerstand.
Ein derartiger nicht gekühlter Detektor verbindet im allgemeinen (a) Mittel zur Absorption der Infrarotstrahlung und zu deren Umwandlung in Wärme, (b) Mittel zur Wärmedämmung des Detektors, welche es diesem ermöglichen, sich zu erwärmen, (c) Mittel zur Temperaturmessung, welche im Falle eines bolometrischen Detektors ein resistives Element verwenden, und (d) Mittel zum Lesen der von den Mitteln zur Temperaturmessung gelieferten elektrischen Signale.
Die zur Infrarot-Bilderzeugung bestimmten Detektoren sind in Form einer Matrize aus elementaren Detektoren, wobei diese Matrize eine oder zwei Dimensionen hat, auf einem Substrat ausgeführt, welches im allgemeinen aus Silizium besteht und Mittel zur elektrischen Stimulation der elementaren Detektoren durch deren Polarisierung ("bias") und Mittel zur Erfassung und Vorverarbeitung der von diesen elementaren Detektoren gelieferten elektrischen Signale aufweist. Diese Mittel zur Erfassung und Vorverarbeitung sind auf dem Substrat ausgebildet und bilden einen Lesekreis.
Die monolithische Integration der Detektoren in den entsprechenden Lesekreis ist vorteilhaft hinsichtlich der Herstellungskosten. Jedoch ist es gleichermaßen möglich, eine Hybridschaltung mit einer Matrize aus elementaren Detektoren und diesem Lesekreis zu bilden.
Ein Detektor, welcher eine Matrize aus elementaren Detektoren und den zugehörigen Lesekreis aufweist, ist im allgemeinen in einem Gehäuse angeordnet und mit der äußeren Umgebung durch herkömmliche Techniken verbunden. In dem Gehäuse ist der Druck reduziert, um die Wärmeverluste zu begrenzen, und dieses Gehäuse ist mit einem für die zu erfassende Infrarotstrahlung transparenten Fenster versehen.
Um eine Szene mittels dieses Detektors zu beobachten, wird die Szene durch eine geeignete Optik auf die Matrize aus elementaren Detektoren projiziert, und rhythmische elektrische Erregungen werden über den Lesekreis (auch zu diesem Zweck vorgesehen) auf jeden elementaren Detektor oder auf jede Reihe derartiger Detektoren aufgebracht, um ein elektrisches Signal zu erhalten, welches das Bild der durch jeden elementaren Detektor erhaltenen Temperatur bildet. Dieses Signal wird auf mehr oder weniger umfangreiche Weise durch den Lesekreis verarbeitet und danach gegebenenfalls durch eine elektronische Vorrichtung, welche außen an dem Gehäuse angeordnet ist, um ein Bild der beobachteten Szene zu erzeugen.
Die Leistung und die Kosten der nicht gekühlten bolometrischen Detektoren hängen im wesentlichen ab (1) von der Qualität der Verarbeitung und der Integration der leistungsfähigsten bolometrischen Materialien, (2) von der Qualität der Konstruktion der Mikrobrücken, leichten und empfindlichen Strukturen, welche eine thermische Isolierung der elementaren Detektoren des Lesekreises ermöglichen, (3) von der Qualität der Anwendung dieser Detektoren und verschiedener Korrekturfunktionen, welche in dem Lesekreis und bei anderen angebauten Vorrichtungen eingesetzt werden, und (4) von der Qualität der Techniken und den Kosten der Verpackung in einem Gehäuse.
Die vorliegende Erfindung steht im Zusammenhang mit Punkt (1) oben, insofern als sie es ermöglicht, sehr leistungsfähige bolometrische Detektoren mit Hilfe relativ einfacher Techniken zu erhalten.
Ein bolometrischer Detektor, im allgemeinen auf der Basis von amorphem Silizium, ist aus der folgenden Druckschrift bekannt:
[1] US 5 021 663 A (L.J. Hornbeck).
Dieser bekannte Detektor weist verschiedene Nachteile und insbesondere die folgenden auf: (1) ist eine erhebliche Anzahl unterschiedlicher Schichten zu seiner Herstellung erforderlich, insbesondere zwei parallele elektrisch leitende Schichten, welche sich auf jeder Seite der Schicht aus bolometrischem Material des Detektors befinden, und (2) ist es nicht möglich, auf einer gegebenen Oberfläche den elektrischen Widerstand dieses Detektors einzustellen, außer durch Modifikation des spezifischen Widerstandes oder der Dicke des bolometrischen Materials.
Ebenfalls ist ein weiterer bolometrischer Detektor aus der folgenden Druckschrift bekannt:
[2] US 5 367 167 (W.F. Keenan).
Dieser andere bekannte Detektor umfaßt zwei koplanare Elektroden, welche sich auf derselben Seite der Schicht aus bolometrischem Material (im allgemeinen aus amorphem Silizium) befinden, sowie eine elektrisch leitende Schicht, welche sich auf der anderen Seite dieser Schicht aus bolometrischem Material befindet. Die Funktion dieser leitenden Schicht besteht in der Absorption der Infrarotstrahlung, die erfaßt werden soll, und sie muß vom Körper des Detektors durch eine elektrisch isolierende Schicht getrennt sein.
Der aus der Druckschrift [2] bekannte Detektor beseitigt bestimmte Nachteile des aus der Druckschrift [1] bekannten Detektors, aber weist weiterhin die weiter oben erwähnten Nachteile (1) und (2) auf.
Ferner ist ein bolometrischer Detektor mit Mikrobrücken aus der folgenden Druckschrift bekannt, auf die bezug genommen wird:
[3] FR 2752299 A , entsprechend EP 0 828 145 A und der amerikanischen Patentanmeldung mit der Seriennummer 08/905059 vom 1. August 1997 (M. Vilain und J.J. Yon).
Der aus dieser Druckschrift [3] bekannte Detektor weist nicht die weiter oben erwähnten Nachteile (1) und (2) auf. Er verwendet eine einzige elektrisch leitende Schicht, welche sich direkt in Kontakt mit dem bolometrischen Material befindet. Die Elektroden sind in diesem Fall ausgehend von dieser einzigen Schicht gebildet, welche ebenfalls eine Funktion der optischen Absorption hat.
Die Struktur eines elementaren Detektors gemäß der Lehre der Druckschrift [3] ist einfacher als die eines gemäß der Druckschrift [1] oder [2] hergestellten Detektors und ermöglicht eine Einstellung des elektrischen Widerstandes dieses Detektors innerhalb einer großen Widerstands-Bandbreite für eine gegebene verfügbare Detektor-Oberfläche sowie eine gegebene Dicke und Leitfähigkeit des verwendeten bolometrischen Materials.
Die Optimierung des Widerstandes zum Erhalt einer guten Kopplung mit dem Lesekreis kann also mit begrenzten Beschränkungen der Optimierung anderer Parameter des Detektors erhalten werden, nämlich (1) der Dicke des bolometrischen Materials, von der teilweise die Wärmekapazität Cth und die Wärmedämmung Rth des Detektors und somit die thermische Zeitkonstante dieses Detektors abhängen, welche gleich dem Produkt aus Cth mal Rth ist, und (2) des spezifischen Widerstandes des bolometrischen Materials, von dem der TKR-Koeffizient des bolometrischen Materials abhängt, das heißt die logarithmische Ableitung des elektrischen Widerstandes dieses Materials in bezug auf die Temperatur.
Jedoch sollte angemerkt werden, daß die Gestaltung der elektrisch leitenden Elemente (Steuerelektroden und etwaige elektrisch schwebende Elektroden) besonderen Kriterien entsprechen muß, um die Wirksamkeit der Funktion der optischen Absorption und letztlich die Leistung des bolometrischen Detektors zu optimieren: insbesondere muß die "Teilung" dieser Gestaltung, das heißt die Summe der Werte l und e im Beispiel der 2, die im folgenden beschrieben werden wird, zwischen 5 μm und 10 μm liegen für eine optimierte Erfassung von Infrarotstrahlung, deren Wellenlängen zwischen 8 μm und 14 μm liegen. Zudem ist es vorzuziehen, daß l und e ähnliche Werte haben. Eine Verringerung von e führt nämlich zu einer Erhöhung des Pegels des elektrischen Rauschens, und eine Erhöhung von e neigt dazu, diesen Pegel des Rauschens zu verringern, aber der Verlust von optischer Absorption, der sich daraus ergibt, ist maßgeblich.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die Konzeption des durch die Druckschrift [3] bekannten bolometrischen Detektors ist, dank der Einfachheit der Struktur dieses Detektors, die zu erhöhten Leistungen geführt hat, vom Gesichtspunkt des Kompromisses zwischen Leistung und Kosten annehmbar, aber es wurde angestrebt, diese Leistung mittels einer Verbesserung dieser Struktur deutlich zu verbessern.
Die vorliegende Erfindung hat genau diese Verbesserung zum Gegenstand und schlägt einen bolometrischen Detektor vor, welcher eine hohe Leistung unabhängig von dem verwendeten bolometrischen Material aufweist, zum Beispiel amorphes Silizium oder ein vergleichbares Material, welches natürlich einen erhöhten Pegel von niederfrequentem Rauschen hat, wobei die Mehrzahl der Vorteile des durch die Druckschrift [3] bekannten bolometrischen Detektors bewahrt wird.
Bei diesem bekannten Detektor werden den Oberflächen der Elektroden geometrische Beschränkungen auferlegt (Breite und Teilung).
Bei der vorliegenden Erfindung werden diese Beschränkungen beseitigt mittels zusätzlicher elektrischer Isolationen, die es ermöglichen, die dem Abstand zwischen den Elektroden auferlegten Beschränkungen zu trennen von den Beschränkungen der Absorption der einfallenden Strahlung. So wird die Leistung des Detektors durch eine Verringerung des Rauschens und eine Erhöhung der optischen Absorption erhöht.
Genau hat die vorliegende Erfindung einen bolometrischen Detektor zum Gegenstand, mit einer Schicht aus bolometrischem Material (dessen spezifischer Widerstand abhängig von der Temperatur variiert) und wenigstens zwei Elektroden, welche gegenüber derselben Fläche dieser Schicht aus bolometrischem Material und ausgehend von ein und derselben Schicht aus elektrisch leitendem Material gebildet sind, wobei dieser Detektor dadurch gekennzeichnet ist, daß jede der beiden Elektroden wenigstens eine erste Zone und wenigstens eine zweite Zone aufweist, daß die jeweils den beiden Elektroden zugehörigen zweiten Zonen voneinander elektrisch isoliert sind und von der Schicht aus bolometrischem Material elektrisch isoliert sind und daß die jeweils den beiden Elektroden zugehörigen ersten Zonen voneinander beab standet und in elektrischem Kontakt mit dieser Schicht aus bolometrischem Material sind.
Gemäß einer ersten besonderen Ausführungsform der Vorrichtung, die den Gegenstand der Erfindung darstellt, sind die zweiten Zonen von der Schicht aus bolometrischem Material durch eine Schicht aus elektrisch isolierendem Material elektrisch isoliert.
Dieses elektrisch isolierende Material wird beispielsweise aus der Gruppe ausgewählt, welche Siliziumnitrid und Siliziumdioxid umfaßt.
Gemäß einer zweiten besonderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die zweiten Zonen von der Schicht aus bolometrischem Material durch einen materiefreien Zwischenraum elektrisch isoliert.
Vorzugsweise wird das bolometrische Material aus der Gruppe ausgewählt, welche amorphes Silizium, Vanadiumoxide, amorphes SiGe und Si_xGe_yC_z umfaßt, wobei x ≥ 0, y ≥ 0, z ≥ 0 und x+y+z = 1.
Das elektrisch leitende Material ist zum Beispiel Titannitrid.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hat das bolometrische Material eine Mikrobrücken-Struktur.
Die vorliegende Erfindung betrifft ebenfalls einen bolometrischen Detektor mit einer Matrizenstruktur, welcher wenigstens zwei erfindungsgemäße Detektoren umfaßt.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen bolometrischen Detektors, bei dem eine erste Opfer-Hilfsschicht ("sacrificial coating") auf einem Substrat gebildet wird, die Schicht aus bolometrischem Material und die Elektroden auf dieser ersten Hilfsschicht gebildet werden, indem die zweiten Zonen der Elektroden von der Schicht aus bolometrischem Material elektrisch isoliert werden, und die erste Hilfsschicht entfernt wird.
Gemäß einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ferner die Schicht aus dem elektrisch isolierenden Material gebildet, um die zweiten Zonen von der Schicht aus bolometrischem Material zu trennen.
Gemäß einer zweiten besonderen Ausführungsform wird ferner eine zweite Opfer-Hilfsschicht ("sacrificial coating") gebildet, um die zweiten Zonen von der Schicht aus bolometrischem Material zu trennen, und es wird ferner diese zweite Hilfsschicht entfernt.
KURZE ZEICHNUNGSBESCHREIBUNG
Die vorliegende Erfindung wird besser verständlich bei der Lektüre der nachstehend rein hinweisend und in keiner Weise einschränkend gegebenen Beschreibung von Ausführungsbeispielen, wobei auf die beigefügten Zeichnungen bezug genommen wird, in denen:
die 1 eine schematische Perspektivansicht einer besonderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen bolometrischen Detektors mit zwei parallelen Elektroden ist,
die 2 eine schematische Schnittansicht eines bolometrischen Detektors gemäß der Lehre der Druckschrift [3] ist,
die 3 eine schematische Schnittansicht eines erfindungsgemäßen bolometrischen Detektors ist,
die 4 eine schematische Draufsicht eines bolometrischen Detektors gemäß der Lehre der Druckschrift [3] mit zwei Interdigital-Elektroden (Doppelkamm-Elektroden) ist,
die 5 eine schematische Draufsicht eines erfindungsgemäßen bolometrischen Detektors mit zwei Interdigital-Elektroden ist und
die 6A bis 10B schematisch verschiedene Schritte eines Verfahrens zur Herstellung eines erfindungsgemäßen bolometrischen Detektors darstellen, wobei die schematischen Schnittansichten der 6A, 7A, 8A, 9A und 10A jeweils den schematischen Draufsichten der 6B, 7B, 8B, 9B und 10B entsprechen.
AUSFÜHRLICHE DARSTELLUNG BESONDERER AUSFÜHRUNGSFORMEN
In den 1 bis 10B stellen die gleichen Bezugszeichen die gleichen Elemente dar.
Der erfindungsgemäße bolometrische Detektor, welcher perspektivisch in 1 schematisch dargestellt ist, umfaßt ein Substrat 1, zum Beispiel aus Silizium, mit elektronischen Vorrichtungen (nicht dargestellt), welche zum Beispiel nach der CMOS-Technologie (oder einer analogen Technologie) hergestellt sind, wobei diese Vorrichtungen geeignet sind, die Erregungen aufzuprägen, welche für die Funktion des Detektors erforderlich sind, und die von dem oder den einen Bestandteil dieses Detektors bildenden Bolometer(n) ausgegebenen Informationen zu "lesen".
Auf im Stand der Technik bekannte Weise kann auf der Oberfläche des Substrates 1 eine im Infrarotbereich optisch reflektierende Schicht 2 angeordnet werden.
Ein oder mehrere Bolometer sind auf dem Substrat 1 (ein einziges Bolometer in dem Beispiel der 1) gebildet, wobei jedes Bolometer mechanisch mit dem Substrat 1 und elektrisch mit den auf diesem Substrat gebildeten Vorrichtungen mit Hilfe wenigstens zweier geeigneter Strukturen 3 (zum Beispiel Säulen, auf im Stand der Technik bekannte Weise) verbunden ist, welche geeignet sind, das entsprechende Bolometer ungefähr 2,5 μm von der Oberfläche des Substrates anzuordnen, wenn letzteres die reflektierende Schicht 2 aufweist.
Auf im Stand der Technik bekannte Weise ist jedes Bolometer von dem Substrat thermisch isoliert und in bezug auf letzteres über wenigstens zwei Stützarme 4 mechanisch gehalten, welche jeweils mit den Strukturen 3 verbunden sind, wie in 1 zu sehen ist. Abgesehen von den Strukturen oder Zonen 3 ist der zwischen dem Substrat und dem Bolometer liegende Zwischenraum frei von Materie: in diesem Zwischenraum wird ein schwacher Druck eines schweren Gases wie beispielsweise Xenon oder ein Restgasdruck aufgebaut (indem der Detektor in einer unter Vakuum stehenden Kapselung angeordnet wird).
Ein derartiger Detektor bildet eine Mikrobrücken-Struktur.
Jedes Bolometer umfaßt auch eine Schicht 5 aus einem bolometrischen Material (das somit resistiv ist), deren Dicke in der Größenordnung von 50 nm bis 100 nm liegt und die beispielsweise aus dotiertem amorphem Silizium hergestellt sein kann.
Dieses Bolometer umfaßt auch eine Schicht 6 aus einem elektrisch isolierenden Material (zum Beispiel SiO₂), deren Dicke in der Größenordnung von 5 nm bis 20 nm liegt und die über der Schicht 5 gebildet ist. Diese Schicht 6 ist in wenigstens zwei Zonen 7A und 7B bis zur Schicht aus bolometrischem Material 5 entfernt.
Jedes Bolometer umfaßt auch eine Schicht 8 aus elektrisch leitendem Material, welches auf der elektrisch isolierenden Schicht 6 und ebenfalls auf der Schicht 5 im Bereich der Zonen 7A und 7B gebildet ist. Diese leitende Schicht 8 ist bis zur Schicht 6 in wenigstens einer Zone 9 entfernt, deren Ausdehnung ausreichend ist, um in jedem Bolometer, ausgehend von dessen Schicht 8, wenigstens zwei elektrisch voneinander isolierte leitende Strukturen 8A, 8B zu bilden.
Die Schicht 8 ist auf den Armen 4 verlängert, um die leitenden Strukturen 8A bzw. 8B mit den Zonen 3 und somit mit den Vorrichtungen des Substrates 1 zu verbinden.
Jede der beiden leitenden Strukturen 8A und 8B ist einer der Zonen 7A und 7B (wo sich die leitende Schicht 8 befindet) zugeordnet, um eine Elektrode des Detektors zu bilden. Letzterer umfaßt somit zwei Elektroden 8A–7A und 8B–7B.
In 1 ist zu sehen, daß dieser Detektor so ausgerichtet ist, daß die zu erfassende Infrarotstrahlung R in Richtung der Elektroden des Detektors auftrifft.
2 ist eine schematische Schnittansicht eines Detektors gemäß der Lehre der Druckschrift [3], und der isolierte Teil links in dieser Figur stellt einen Schnitt durch die Wärmedämmungsstruktur (Stützarm) gemäß einer bevor zugten Konfiguration dar. Zum Vergleich ist 3 eine schematische Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Detektors.
Im Fall der 1 war zu sehen, daß zwei Elektroden 8A und 8B vorhanden waren, während in der allgemeineren Konfiguration der 2 drei Elektroden 81, 82 und 83 zu erkennen sind und im Fall der 3, welche auch einer allgemeineren Konfiguration als 1 entspricht, auch drei Elektroden 8A–7A, 8B–7B und 8C–7C zu erkennen sind. Es sollte angemerkt werden, daß bestimmte Elektroden mit dem Lesekreis nicht verbunden sein können. Derartige Strukturen werden als "schwebende Elektroden" bezeichnet.
Es wird nun ein vereinfachtes Design des erfindungsgemäßen Detektors der 1 betrachtet. Im Betrieb wird diesem Detektor mittels elektrischer Eingänge in Form der Zonen 3 eine Lesespannung v zugeführt. Daraus ergibt sich, in Abwesenheit infraroter Bestrahlung des einzigen Bolometers, das der Detektor aufweist, der Durchfluß eines Stroms, dessen Stärke i gleich v/R ist, wobei R der elektrische Widerstand des zwischen den beiden Eingängen 3 gesehenen Bolometers ist.
Dieser Detektor ist durch das bolometrische Material gekennzeichnet, das die Rolle eines Thermometers spielt, denn sein spezifischer Widerstand variiert mit der Temperatur T. Diese Variation wird durch den Koeffizienten TKR ausgedrückt, der gleich dR/(RdT) ist. Für amorphes Silizium ist dieser Koeffizient negativ: er liegt in der Größenordnung von –1,5%/K bis –5%/K, je nach Dotierung des amorphen Siliziums.
Bei einer infraroten Bestrahlung des Bolometers wird eine Brechkraft dP in die Elektroden abgeführt, welche als Absorber dienen, und an die Schicht aus bolometrischem Material übertragen. Daraus ergibt sich eine derartige Stromschwankung di wie folgt: di = TKR·i·Rth·dP.
Das elektrische Rauschen in dem Widerstand R ist die Summe aus einem weißen Rauschen (das heißt, unabhängig von der Frequenz f), welches die klassische Form σi² = 4kT/R hat, wobei k die Boltzmansche Konstante ist, und aus einem niederfrequenten Rauschen, das typischerweise durch das Hoogesche Gesetz bestimmt wird: σi2(nf)/i2 = α/N·f,wobei α der Hoogesche Parameter (Konstante für ein gegebenes Material) und N die Gesamtzahl elektrischer Träger ist, die an dem Leitvorgang beteiligt sind: N ist gleich W·L·E·n, wobei W und L das elektrische Breitenmaß bzw. das elektrische Längenmaß des Bolometers sind. E ist die Dicke der Schicht aus bolometrischem Material, und n ist die räumliche Dichte der beweglichen Träger elektrischer Ladung. Die Spektraldichte von niederfrequentem Rauschen wird somit durch die folgende Formel ausgedrückt: σi2(nf) = i2·α/n·(1/W·L·E)(1/f).
Das Signal oder die Antwort di/dP ist eine steigende Funktion von i, und ein Benutzer hat Interesse daran, diese Antwort, und somit den Strom i, aus Gründen der Einfachheit der analogen und/oder digitalen Verarbeitung in dem Lesekreis zu maximieren.
Da das niederfrequente Rauschen eine steigende Funktion von i ist, wird das Bolometer unter optimalen Betriebsbedingungen typischerweise durch das Rauschen aus 1/f dominiert, nahezu unabhängig von dem bolometrischen Material, und es kann zur Vereinfachung der Anteil des weißen Rauschens in der mit BPCL bezeichneten Lese-Bandbreite vernachlässigt werden. Unter diesen Bedingungen kann geschrieben werden, daß σi² wenig abweicht von: i2·α/n·(1/W·L·E)·Log (BPCL).
Das Signal/Rauschen-Verhältnis (di/dP)/σi ist somit durch die folgende Formel gegeben: (di/dP)/σi = TKR·Rth/((α/n)(1/W·L·E)·Log (BPCL))1/2.
Die Leistung des Bolometers wird durch die thermische Auflösung NedT (für "Noise equivalent differential Temperature") ausgedrückt, wobei diese Auflösung proportional zu der mit NeP (für "Noise equivalent Power") bezeichneten äquivalenten Rauschleistung ist. Diese äquivalente Rauschleistung ist die infrarote Brechkraft dP, so daß di gleich σi ist. Somit erhält man: NedT = k·α(W·L·E)–1/2/(TKR·Rth).
Durch Einführen der festgelegten Lese-Bandbreite sieht man, daß die Leistung des Bolometers durch die geometrischen Konstruktions-Parameter bestimmt ist, welche gebildet sind durch

(1) Rth, welcher durch die geometrische Konfiguration und die die Zonen 4 aus 1 bildenden Materialien definiert ist, wobei Rth so hoch wie möglich sein muß,
(2) W, L und E, deren Produkt gleich dem elektrisch aktiven Volumen des bolometrischen Materials ist, wobei dieses Volumen maximal sein muß,
(3) TKR, welcher das grundlegende Merkmal des bolometrischen Materials bildet und daher vorzugsweise maximal sein muß und
(4) α, welcher so schwach wie möglich sein muß.

Durch Vergleich des Wertes L1 von L im Fall der 2 mit dem Wert L2 von L im Fall der 3, wobei die Dicke E bei beiden Figuren gleich ist, sieht man auf eine vereinfachte Art den hauptsächlichen Vorteil eines erfindungsgemäßen Detektors: im Fall des letzteren ist das elektrisch aktive Volumen oder Nutzvolumen W·L·E deutlich größer.
4 ist eine schematische Draufsicht eines Bolometers gemäß der Lehre der Druckschrift [3], welches zwei interdigitale (kämmende) leitende Strukturen 8A und 8B umfaßt. Diese Konfiguration ist als Beispiel gewählt, aber der Fachmann stellt auf einfache Weise fest, daß jede andere gemäß der Lehre der Druckschrift [3] erstellte Konfiguration leitender Strukturen durch Anpassung an die Erfindung zu einem hohen Verbesserungsgrad führt.
Gemäß der Druckschrift [3] ist bekannt, daß der Zwischenraum e zwischen zwei interdigitalen leitenden Strukturen und die Breite l jeder dieser beiden leitenden Strukturen ungefähr den gleichen Wert, vorzugsweise in der Größenordnung von 4 μm, haben müssen, um eine maximale optische Absorption (zwischen 90% und 95% bei Vorhandensein einer Vertiefung von einer Viertelwelle und eines einwandfreien Reflektors an der Oberfläche des Substrates) in dem Infrarotband zu erhalten, welches zwischen 8 μm und 14 μm liegt. Der Schichtwiderstand der leitenden Strukturen beträgt vorzugsweise ungefähr 200 Ω/Quadrat. Die Maßeinteilung der leitenden Strukturen der 4 führt zu Gesamtabmessungen des dargestellten Pixels, welche verein bar sind mit einer Matrizenkonfiguration mit einer Teilung von 40 μm in zwei rechtwinklig zueinander verlaufenden Richtungen.
5 stellt ein erfindungsgemäßes Bolometer dar, mit den gleichen Gesamtabmessungen wie das der 4 und welches den gleichen Typ der Doppelkamm-Elektroden 8A–7A und 8B–7B aufweist. Die Kontaktzonen 7A und 7B zwischen der leitenden Schicht 8 und der Schicht aus bolometrischem Material 5 sind so gestaltet, daß sie so schmal wie möglich sind, zum Beispiel mit einer Breite von 1 μm.
Die Breite e des Zwischenraums 9 zwischen den beiden Interdigital-Elektroden kann ungefähr gleich der Breite l der Elektroden sein, aber sie ist vorteilhafterweise kleiner als diese Breite l wie im Fall der durch die 5 dargestellten Konfiguration, um die optische Absorption der Infrarotstrahlung zu verbessern.
Ein Zwischenraum e beispielsweise in der Größenordnung von 2 μm ist ausreichend, um die beiden Elektroden ohne übermäßige Gefahr eines Kurzschlusses zu trennen.
Der Schichtwiderstand (Rquadrat) der leitenden Schicht 8 muß in diesem Fall in der Größenordnung von 350 Ω/Quadrat bis 400 Ω/Quadrat liegen, denn die Konfiguration dieser leitenden Strukturen ist nahezu kontinuierlich.
5 stellt einen Detektor mit einer besonderen Konfiguration dar, mit einer nicht geradlinigen Interdigital- oder Kamm-Struktur der Zonen 7A und 7B, einerseits um die wichtigsten Regeln zur Ausführung der Erfindung nahezulegen, welche sich der Fachmann einfach vorstellen wird, und andererseits um zu zeigen, daß sich die Freischnitte 9 in der leitenden Schicht 8 nicht notwendigerweise auf der Mittelachse der Zwischenräume zwischen Zonen 7A und 7B befinden. Daraus ergibt sich ein gewisses Maß an Vereinfachung der Gestaltung, welches beispielsweise nützlich ist, um die lithographische Ausbeute (die Gesamtlänge der Freischnitte 9) sowie die optische Absorption (minimale nicht metallisierte Oberfläche) zu optimieren.
Die Zwischenräume zwischen den Kontaktzonen 7A und 7B sind so gestaltet, daß sie eine annähernd konstante Breite L haben, wie dies die 5 nahelegt, um das Vorhandensein von Zonen mit einem höheren elektrischen Feld zu vermeiden, das heißt von Zonen, wo der Pegel des niederfrequenten Rauschens höher wäre, wie es das Hoogesche Gesetz zeigt.
Man wird bemerken, daß die Wärmedämmungs-Zonen 4 (die Stützarme in den 1 bis 5) eine einfache Erweiterung der Zonen 7A und 7B des mittleren Teils des Bolometers bilden. Diese Eigenschaft bildet eine bevorzugte Konfiguration aufgrund der sich daraus ergebenden Einfachheit der Konstruktion.
Auf diese Weise verlaufen einerseits die elektrischen Kontakte auf dem bolometrischen Material kontinuierlich (ohne "Durchlaufen" der Schicht 6) bis zu den Kontaktzonen 3 mit dem Lesekreis, und andererseits vermeidet dies eine Verdickung der Wärmedämmungs-Arme durch die Schicht 6.
Der ideale Wärmewiderstand Rth des Bolometers ist dann, wenn alle Abmessungen und Materialien im übrigen gleichwertig sind, unverändert in Bezug auf die Druckschrift [3].
Diese bevorzugte Konfiguration ist besonders geeignet in dem Fall, daß das bolometrische Material amorphes Silizium (oder eine verwandte Legierung) ist, denn ein derartiges Material weist alle für die Herstellung der Halte- und Wärmedämmungs-Arme nützlichen Eigenschaften auf.
In dem Fall, in dem die Detektoren der 4 und 5 in einem Quadrat mit einer Seite von 50 μm angeordnet sind, hat das in 4 dargestellte Bolometer eine gemäß dem dargestellten Modell zu 1/(W·L·E)^1/2 proportionale Wärmeauflösung, wobei typischerweise L = L1 = 4 μm und W = W1, wobei W1 wenig von 110 μm abweicht. Bei dem in 5 dargestellten Bolometer sind L = L2 = 7,5 μm und W = W2, wobei W2 wenig von 120 μm abweicht. Die Leistung (NedT) in Bezug auf den Referenz-Stand der Technik (4) ist somit durch die Zahl ((L2·W2) / (L1·W1))^1/2 dargestellt, welche wenig von 0,70 abweicht.
Man wird feststellen, daß die Verbesserung teilweise mit der Tatsache verbunden ist, daß gemäß der Erfindung die Kontaktzonen 7A und 7B auf die äußersten Ränder des Detektors verschoben sein können, im Gegensatz zur Druckschrift [3], in der das erste Leitungsband am Rand des Detektors wie die anderen Bänder eine Breite in der Größenordnung von 4 μm aufweisen muß, um eine annähernd gleichförmige Absorption auf dem Detektor zu erzeugen. Dies wird ausgedrückt durch den Vergleich der 2 und 3, wo Elektroden in einem Raum angeordnet sind, dessen Länge D bei den 2 und 3 gleich ist. Wenngleich diese Wirkung bei Pixeln großer Größe mit einer Seite größer als 50 μm relativ vernachlässigbar ist, so ist sie umso deutlicher, je kleiner die Abmessungen des Detektors sind.
Zudem ist die durchschnittliche optische Absorption nahe einer Wellenlänge von 10 μm höher bei dem Detektor der 5. Mit dem Detektor der 4 kann 90% bis 95% Absorption erhalten werden und theoretisch 100% mit dem der 5 (auf den optisch empfindlichen Oberflächen) für eine Schicht aus leitendem Material mit einem angemessenen Schichtwiderstand (Rquadrat), welche den gesamten oder fast den gesamten verfügbaren Raum einnimmt, wie dies die Erfindung ermöglicht. Vernünftigerweise kann unter Berücksichtigung der optisch inaktiven Zonen des Detektors (im wesentlichen die Zonen 3) ein durchschnittlicher Gewinn in der Größenordnung von 5% auf dem nutzbaren Band von 8 μm bis 14 μm angenommen werden.
Ferner führt die Einstellung von "Rquadrat", welche für die optische Optimierung erforderlich ist, zu einer Reduzierung um einen Faktor in der Größenordnung von 2 der Dicke der in der Erfindung verwendeten leitenden Schicht in Bezug auf einen Detektor gemäß der Druckschrift [3]. Gleiches gilt auf den Zonen 4 im Fall der bevorzugten Konfigurationen, welche in den 1 bis 5 dargestellt sind, wo diese Zonen (Stützarme) nur die Schicht aus bolometrischem Material und die leitende Schicht aufweisen. Daraus ergibt sich eine Erhöhung des Wärmewiderstandes, wenn im übrigen alles andere gleich ist, in der Größenordnung von 9% bis 17% gemäß den in dem weiter unten gegebenen Beispiel vorgeschlagenen Konfigurationen der Materialien und Dicken.
Ausgehend von einem gemäß der Druckschrift [3] konzipierten und gemäß der Erfindung verbesserten Bolometer wird gemäß dem gewählten Beispiel eine direkte Verringerung in der Größenordnung von 40% bei der Wärmeauflösung NedT erhalten (von +14% bis +23% bei der Antwort und –30% bei dem Rauschen). Diese Höhe der Verbesserung gilt unabhängig von dem resistiven bolometrischen Material und der Elektrodenkonfiguration.
6A bis 10B stellen schematisch Schritte der Herstellung eines erfindungsgemäßen bolometrischen Detektors gemäß einer bevorzugten Ausführungsform dar.
Tatsächlich kann, auch wenn im folgenden von einem Detektor die Rede ist, gleichzeitig eine große Anzahl Detektoren gebildet werden.
Es sind Varianten möglich, zum Beispiel in bezug auf die Reihenfolge der Schichtung der verschiedenen Schichten und die Reihenfolge der Verknüpfung der lithographischen Ebenen sowie die Wahl der Materialien und der Auftragverfahren, die zugehörigen Ätzungen sowie die Abmessungen und die Konfigurationen der verschiedenen Elemente des Detektors.
Die 6A, 7A, 8A, 9A und 10A stellen Schritte der Erstellung des Detektors gemäß einem Schnitt durch dessen Struktur dar. Dieser Schnitt ist der Schnitt AA (in einer strichpunktierten Linie) in den Draufsichten der 6B, 7B, 8B, 9B und 10B, welche Konfigurationen der den verschiedenen Schritten zugeordneten lithographischen Ebenen darstellen. Die durch dick gezeichnete Linien in diesen 6B, 7B, 8B, 9B und 10B begrenzten Flächen grenzen die durch jede lithographische Maske geschützten Flächen ab. Die Symmetrie der Pixel untereinander in dem dargestellten Beispiel ist vorteilhaft für die Anordnung von Matrizen derartiger Pixel oder Bolometer auf dem Substrat, welches den Lesekreis enthält.
Der Fachmann wird von diesen Figuren leicht andere Konfigurationen der lithographischen Ebenen ableiten, welche den Erhalt anderer erfindungsgemäßer Detektoren ermöglichen.
Die verschiedenen erwähnten Techniken werden im allgemeinen nicht detailliert beschrieben, denn es handelt sich um in der Mikroelektronik übliche Techniken.
Während eines ersten Schritts (6A und 6B) wird eine metallische und reflektierende Schicht 2, zum Beispiel aus Aluminium oder aus Gold, direkt auf die Oberfläche des Substrates 1 abgelagert, welches zum Beispiel aus Silizium ist und die aktiven oder passiven (nicht dargestellt) Elemente des dem Detektor zugehörigen Lesekreises aufweist.
Mit Hilfe einer ersten, in 6B dargestellten lithographischen Ebene wird ein Reflektor durch Ätzen dieser Schicht 2 mit herkömmlichen Mitteln definiert.
Danach werden gemäß der bevorzugten Konfiguration nacheinander drei übereinanderliegende Schichten abgelagert:

– eine erste Schicht 10 (6A), hergestellt aus einem Material, welches geeignet ist, später beseitigt zu werden, zum Beispiel ein Polymer wie ein Polyimid, wobei diese Schicht 10 aus Polyimid auf eine angemessene Temperatur gekühlt wird, um die Fortsetzung des Verfahrens auszuhalten, wobei die Dicke dieser Schicht vorzugsweise ungefähr 2,5 μm beträgt, um die Viertelwellen-Wirkung der optischen Vertiefung sicherzustellen, welche zwischen dem Reflektor und dem Körper des Detektors induziert wird, welcher danach an der Oberfläche der Polyimidschicht erstellt wird,
– eine zweite Schicht 5 (7A), gebildet aus dem bolometrischen Material, zum Beispiel dotiertem amorphem Silizium oder einer verwandten Legierung, mit einer Dicke beispielsweise in der Größenordnung von einigen Vielfachen von zehn bis einigen hundert Nanometer, wobei der spezifische Widerstand und die Dicke dieser Schicht 5 mittels Kriterien bestimmt werden, welche den Rahmen der Erfindung verlassen, zum Beispiel des elektrischen Widerstandes oder der mechanischen Steifigkeit des Detektors, und
– eine dritte, elektrisch isolierende Schicht 6 (7A), zum Beispiel aus Siliziumnitrid oder vorzugsweise (aus Gründen der Qualität der dielektrischen Isolierung) aus Siliziumoxid.

Die Dicke dieser Schicht 6 muß ausreichend sein (in der Größenordnung von 5 nm bis 20 nm), um ohne schädlichen Durchlaß zwischen den Elektroden und dem bolometrischen Material den dem Detektor zugeführten Betriebsspannungen (die in der Größenordnung von einigen Volt liegen) standzuhalten.
Diese Schicht 6 kann auch aus einem Polymer wie zum Beispiel Polyimid gebildet sein.
Es wird klargestellt, daß das durch die punktierten Linien in den 6A bis 10B begrenzte Quadrat B einen elementaren Detektor oder Bolometer oder Pixel des Detektors begrenzt und daß die Zonen wie die Zone 2a (6B) ausgehend von der Schicht 2 im Hinblick auf die spätere Bildung der Kontaktzonen oder Verbindungsstrukturen 3 gebildet werden.
Mit Hilfe einer zweiten, in 7B dargestellten lithographischen Ebene wird die Schicht 6 von den Zonen 7 entfernt (was dazu dient, später die Zonen 7A, 7B und 7C zu erhalten, von denen weiter oben die Rede war), mit Hilfe eines geeigneten, in Bezug auf das bolometrische Material selektiven Ätzverfahrens. Die Breite dieser Zonen 7, ohne notwendigerweise gleichförmig zu sein, ist so gering wie möglich und beträgt zum Beispiel 1 μm in den schmalsten Abschnitten. Zudem wird bei einer in 7B dargestellten bevorzugten Konfiguration diese Schicht 6 von den Oberflächen entfernt, welche später von den Haltearmen 4 und den Zonen 3 für den Kontakt mit dem Lesekreis eingenommen werden.
Auf der gesamten Oberfläche wird danach eine elektrisch leitende Schicht 8 abgelagert, welche beispielsweise aus einem Metall wie Titannitrid hergestellt ist, einem Material, welches einfach in sehr feinen Schichten mit einem mittels herkömmlicher Methoden vorgegebenen spezifischen Widerstand zu erhalten ist. Der Widerstand (Rquadrat) dieser Schicht 8 wird gemäß der Beschaffenheit der Gestaltung der folgenden lithographischen Ebene eingestellt.
Mit Hilfe einer dritten in 8B dargestellten lithographischen Ebene wird die leitende Schicht 8 selektiv in Bezug auf die Schicht 6 mit herkömmlichen Mitteln geätzt, um die Zonen 8A und 8B zu erhalten, wie in 8A dargestellt. So wird die Trennung der Elektroden des Detektors ausgeführt. Diese lithographische Ebene wird vorteilhafterweise mit relativ schmalen offenen Zwischenräumen 9 gestaltet, deren Breite beispielsweise gleich 2 μm ist.
Für den Fall, daß die Zwischenräume und die Breite der metallischen Strukturen nach dem Ätzen ähnlich sind, wird die Schicht 8 auf ungefähr 200 Ω/Quadrat eingestellt.
Um diese Schicht 8 zu bilden, können beispielsweise 8 nm Titannitrid mit einem spezifischen Widerstand in der Größenordnung von 130 μΩcm bis 160 μΩcm verwendet werden.
Bei einer bevorzugten Konfiguration mit schmalen Zwischenräumen können ungefähr 4 nm dieses gleichen Materials verwendet werden, und bei dieser bevorzugten Konfiguration weisen die Haltearme 4 beispielsweise 50 bis 100 nm amorphes Silizium und 4 nm TiN auf.
Bei Betrachtung typischer spezifischer Wärmeleitfähigkeitswerte von 2 W/mK für Silizium und 5 W/mK für TiN (unter Berücksichtigung seines spezifischen Widerstandes) zeigt eine einfache Rechnung, daß die Differenz in dem Wärmewiderstand zwischen den beiden vorangehenden Fällen zwischen ungefähr 9% und 17% liegt je nach Dicke des amorphen Siliziums. Die Erfindung schafft somit einen nicht vernachlässigbaren Vorteil bei dieser bevorzugten Konfiguration der Gestaltung der leitenden Strukturen und der Ausbildung der Haltearme.
Mit Hilfe einer vierten lithographischen Ebene werden Öffnungen 12 durch vorzugsweise trockenes Ätzen nacheinander durch die Schichten 8, 5 und 10 erstellt, bis sie auf bestimmte metallisierte Strukturen 2a der ersten lithographischen Ebene münden, wie in 9A dargestellt.
Eine leitende Schicht 13, zum Beispiel aus einem Metall wie Aluminium hergestellt, wird danach gleichförmig abgelagert. Diese Schicht bedeckt kontinuierlich den Grund und die Seiten der Öffnungen 12. Um dieses Bedecken zu erleichtern, werden die Öffnungen 12 vorzugsweise mit geneigten Seiten gemäß einer bekannten Konfiguration ausgeführt.
Diese Schicht 13 wird sehr selektiv in bezug auf die Schichten 8 und 6 mit einem Standardverfahren mit Hilfe einer fünften lithographischen Ebene geätzt, die mit der vierten lithographischen Ebene in 9B zu sehen ist.
Mit Hilfe einer sechsten in 10B dargestellten lithographischen Ebene werden bei der bevorzugten Konfiguration die Umrisse jedes Detektors und die Wärmedämmungs-Arme durch vorzugsweise trockenes Ätzen der Schichten 8, 6 und 5 definiert. Dieses Ätzen wird typischerweise bis in die Dicke der Polyimidschicht 10 fortgesetzt, wie in 10A gezeigt, um den vollständigen Freischnitt der Schichten 8, 6 und 5 gemäß den Umrissen der Maske sicherzustellen.
Die Bilderzeugungs-Schaltkreise werden danach in Form von einzelnen Chips getrennt, und schließlich wird die Polyimidschicht 10 mit einem Verbrennungsverfahren unter Sauerstoffplasma oder dergleichen entfernt, um die Bolometer freizugeben, die dann nur von den durch die Stützarme 4 verlängerten Säulen 3 gehalten werden.
Im Fall, daß die Schicht 6 aus einem Polymer gebildet ist, wird sie ebenfalls im Verlauf dieses Schritts entfernt. In diesem Fall finden sich die Schichten 5 und 8 durch einen materiefreien Zwischenraum voneinander isoliert.
Die üblichen Vorgänge des Übertragens auf einen mit der geeigneten Metallisierung versehenen Träger und danach der Befestigung ("bonding") der elektrischen Verbindungen des Schaltkreises und schließlich der Integration in eine Kapselung, in der das Vakuum erzeugt wird und die mit einem für Infrarotstrahlung transparenten Fenster versehen ist, vervollständigen den Herstellungsprozeß.

Claims

Bolometrischer Detektor mit einer Schicht aus bolometrischem Material (5) und wenigstens zwei Elektroden, welche gegenüber derselben Fläche dieser Schicht aus bolometrischem Material und ausgehend von ein und derselben Schicht aus elektrisch leitendem Material (8) gebildet sind, wobei dieser Detektor dadurch gekennzeichnet ist, daß jede der beiden Elektroden wenigstens eine erste Zone (7A, 7B) und wenigstens eine zweite Zone (8A, 8B, 8C) aufweist, daß die jeweils den beiden Elektroden zugehörigen zweiten Zonen voneinander elektrisch isoliert sind und von der Schicht aus bolometrischem Material (5) elektrisch isoliert sind und daß die jeweils den beiden Elektroden zugehörigen ersten Zonen voneinander beabstandet und in elektrischem Kontakt mit dieser Schicht aus bolometrischem Material (5) sind.
Detektor nach Anspruch 1, bei dem die zweiten Zonen (8A, 8B, 8C) von der Schicht aus bolometrischem Material (5) durch eine Schicht aus elektrisch isolierendem Material (6) elektrisch isoliert sind.
Detektor nach Anspruch 2, bei dem das elektrisch isolierende Material aus der Gruppe ausgewählt ist, welche Siliziumnitrid und Siliziumdioxid umfaßt.
Detektor nach Anspruch 1, bei dem die zweiten Zonen (8A, 8B, 8C) von der Schicht aus bolometrischem Material (5) durch einen materiefreien Zwischenraum elektrisch isoliert sind.
Detektor nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das bolometrische Material aus der Gruppe ausgewählt ist, welche amorphes Silizium, Vanadiumoxide, amorphes SiGe und Si_xGe_yC_Z umfaßt, wobei x ≥ 0, y ≥ 0, z ≥ 0 und x+y+z = 1.
Detektor nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das elektrisch leitende Material Titannitrid ist.
Detektor nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 6, mit einer Mikrobrücken-Struktur.
Bolometrischer Detektor mit Matrizenstruktur, welcher wenigstens zwei Detektoren nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 7 umfaßt.
Verfahren zur Herstellung des bolometrischen Detektors nach Anspruch 1, bei dem eine erste Opfer-Hilfsschicht (10) auf einem Substrat (1) gebildet wird, die Schicht aus bolometrischem Material (5) und die Elektroden auf dieser ersten Hilfsschicht gebildet werden, indem die zweiten Zonen der Elektroden von der Schicht aus bolometrischem Material elektrisch isoliert werden, und die erste Hilfsschicht entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, zur Herstellung des Detektors nach Anspruch 2, bei dem ferner die Schicht aus dem elektrisch isolierenden Material (6) gebildet wird, um die zweiten Zonen von der Schicht aus bolometrischem Material (5) zu trennen.
Verfahren nach Anspruch 9, zur Herstellung des Detektors nach Anspruch 4, bei dem ferner eine zweite Opfer-Hilfsschicht (6) gebildet wird, um die zweiten Zonen von der Schicht aus bolometrischem Material (5) zu trennen, und bei dem ferner diese zweite Hilfsschicht (6) entfernt wird.