Неохлаждаемый микроболометрический приемник излучения
Полезная модель «Неохлаждаемый микроболометрический приемник излучения» относится к области оптоэлектроники, а более конкретно - к микроэлектронным компонентам типа микроэлектромеханических структур, и может быть использована при изготовлении микроболометрических фотоприемных устройств.
Сущность заявляемого технического решения заключается в том, что в неохлаждаемом микроболометрическом приемнике излучения, содержащем матрицу с изолированными друг от друга пикселями, каждый из которых включает слой первого уровня из полупроводникового кристалла с интегральной схемой считывания и контактами, термоизолирующий слой второго уровня, выполненный в виде ломаных линий, расположенных вдоль двух противоположных сторон пикселя, состоящих из диэлектрического материала, снабженного отражающим покрытием, внутри которого размещен проводящий металл, при этом контактные выходы проводящего металла первой ломаной линии соединены с первым контактом первого уровня, второй - со вторым контактом первого уровня, а контактные входы проводящих металлов первой и второй ломаных линий - с соответствующими контактами абсорбирующего термочувствительного слоя третьего уровня, ломаные линии слоя второго уровня выполнены в виде меандров, так что величина их амплитуд составляет менее 2/5 ширины размера пикселя, дополнительно введенный шунтирующий элемент установлен между контактными входами меандров с обеспечением их термического объединения и электрической развязки со слоем третьего уровня, который снабжен дополнительным абсорбирующим металлическим покрытием в виде тонкой пленки.
Технический результат выражается в повышении чувствительности микроболометрического детектора инфракрасного излучения и его механической прочности, достижении высокого коэффициента заполнения матрицы пикселями.
Полезная модель относится к области оптоэлектроники, а более конкретно - к микроэлектронным компонентам типа микроэлектромеханических структур, и может быть использована при изготовлении микроболометрических фотоприемных устройств, предназначенных для тепловизионных инфракрасных (ИК) систем различного назначения.
Широко известны терморезистивные микроболометры, работающие на принципе изменения сопротивления терморезистора, изготовленного из металла с малым температурным коэффициентом сопротивления (ТКС), или терморезисторов на основе поликристаллических полупроводников с высоким ТКС.
Одно из устройств такого типа, «Инфракрасный болометр», описано в патенте US 5939971, кл. H01L 31/08, опубл. 17.08.1999 г. Оно представляет собой трехуровневую структуру, в состав которой входят:
- расположенная на первом уровне интегральная схема считывания с терморезистора разностного напряжения, изменяющего свое сопротивление при нагреве, содержащая кремниевую подложку с двумя металлическими токовыми контактами;
- находящиеся на втором уровне две мостиковые Г-образные структуры с двумя столбиковыми контактами, примыкающими к кремниевой подложке, и двумя - примыкающими к абсорбирующему слою третьего уровня;
- абсорбирующий слой третьего уровня, состоящий из титанового терморезистора, изолированного оксинитридом кремния и дополнительным слоем абсорбера, нанесенного в виде мультипористой структуры поверх слоя окси-нитрида кремния.
К недостаткам инфракрасного болометра следует отнести определяемую вышеуказанной структурой низкую чувствительность приемного элемента, не позволяющую сформировать оптический резонатор, настроенный на 1/4 длины волны поглощаемого излучения, при этом использование зеркала для формирования оптического резонатора уменьшит зазоры между первым-вторым и вторым-третьим уровнями структуры инфракрасного болометра, что приведет к тепловому замыканию при незначительной деформации мостиковых структур. Кроме того, конструктивное исполнение инфракрасного болометра не позволяет формировать двумерные массивы с высоким коэффициентом заполнения из-за выступающих контактов мостиковых структур за адсорбирующий слой третьего уровня. Терморезистор из титана имеет низкий ТКС, что снижает величину выходного сигнала с микроболометра.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемым результатам является неохлаждаемая микроболометрическая матрица с высокой плотностью расположения чувствительных элементов по патенту, выбранному в качестве прототипа: US 6144030, кл. G01J 5/20, опубл. 07.11.2000 г.
Известное устройство представляет собой элемент микроболометрического приемника, входящий в состав матрицы. Все термочувствительные элементы приемника (пиксели) изолированы друг от друга. Каждый из них выполнен в виде трехслойной структуры, состоящей из расположенных друг над другом плоских слоев:
- первый уровень - подложка из полупроводникового кристалла (кремния) с интегральной схемой считывания;
- второй уровень - термоизолирующий слой, выполненный в виде двух мостов, выполненных в форме ломаных линий, вытянутых вдоль двух противоположных сторон пикселя с проводящим слоем металла, расположенным между двумя диэлектрическими слоями, одновременно являющимися отражающими поверхностями, формирующими оптический резонатор. Этот уровень мостикового типа через соответствующие металлические контактные ножки электрически взаимодействует со структурами первого и третьего уровня, указанного ниже. Каждый из мостов характеризуется высоким соотношением длины ножки к ее ширине и не влияет на площадь третьего активного абсорбирующего слоя, что способствует достижению высокого коэффициента заполнения матрицы пикселями.
- третий уровень - активный абсорбирующий слой, выполненный из оптического поглощающего материала, изменяющего свое сопротивление при нагреве.
Недостатком данного технического решения является низкая механическая прочность, обусловленная деформацией мостиковых структур консольного типа, связанная с выполнением двух мостов в форме вытянутых линий, вытянутых вдоль двух противоположных сторон пикселя. Большая длина плеч ножек каждого моста приводит к пониженной механической прочности на изгиб при нагрузке абсорбирующего термочувствительного слоя третьего уровня.
Задачей изобретения является создание неохлаждаемого матричного микроболометрического приемника излучения с высокой чувствительностью, малыми шумами и низким процентом дефектных элементов.
Техническим результатом полезной модели является повышение чувствительности микроболометрического детектора инфракрасного излучения, его механической прочности и достижение высокого коэффициента заполнения матрицы пикселями.
Согласно настоящей полезной модели, поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в неохлаждаемом микроболометрическом приемнике излучения, содержащем матрицу с изолированными друг от друга пикселями, каждый из которых включает слой первого уровня из полупроводникового кристалла с интегральной схемой считывания и контактами, термоизолирующий слой второго уровня, выполненный в виде ломаных линий, расположенных вдоль двух противоположных сторон пикселя, состоящих из диэлектрического материала, снабженного отражающим покрытием, внутри которого размещен проводящий металл, при этом контактные выходы проводящего металла первой ломаной линии соединены с первым контактом первого уровня, второй - со вторым контактом первого уровня, а контактные входы проводящих металлов первой и второй ломаных линий - с соответствующими контактами абсорбирующего термочувствительного слоя третьего уровня, ломаные линии слоя второго уровня выполнены в виде меандров, так что величина их амплитуд составляет менее 2/ 5 ширины размера пикселя, дополнительно введенный шунтирующий элемент установлен между контактными входами меандров с обеспечением их термического объединения и электрической развязки со слоем третьего уровня, который снабжен дополнительным абсорбирующим металлическим покрытием в виде тонкой пленки.
Выполнение слоя второго уровня в виде меандров, образующих ряд спиралей с указанными относительными размерами, позволило сформировать механически прочную конструкцию, форма и площадь которой обеспечивает равномерное распределение нагрузок, оказываемых слоем третьего уровня, что приводит к повышению чувствительности устройства. Введение и установка его между контактными выходами меандров с электрической развязкой от слоя третьего уровня обеспечивает баланс между вторым и третьим уровневыми слоями, так как из-за неравномерного нагрева слоев третьего уровня при тепловом облучении возникает дисбаланс, приводящий к потере чувствительности. Введение абсорбирующего слоя металла в виде тонкой пленки в третьем уровне пикселя повышает выходной сигнал пикселя за счет дополнительного поглощения ИК излучения.
Для пояснения сущности технического решения предлагаются чертежи, где:
на фиг.1 изображен пиксель матрицы неохлаждаемого микроболометрического приемника излучения;
на фиг.2 показано поперечное сечение пикселя микроболометрического приемника излучения.
Неохлаждаемый микроболометрический приемник излучения фиг.1 состоит из полупроводникового кристалла, расположенного на первом уровне 1, с интегральной КМОП схемой считывания информации и двумя металлическими контактами 2-2'. На втором уровне расположен термоизолирующий слой - мост 3 в виде двух меандров 4-4', состоящих из диэлектрического материала, внутри которого размещен металлический проводник 5 (см. фиг.2), с двумя столбиковыми выводами 6-6', обеспечивающими электрический контакт между схемой считывания первого уровня 1 (через контакты 2-2') и металлическим проводником 5 термоизолирующего слоя второго уровня 3, и два столбиковых вывода 7-7', расположенных на термическом шунте 8, обеспечивающие электрический контакт между термоизолирующим слоем второго уровня 3 и абсорбирующим термочувствительным слоем третьего уровня 9. Одновременно слой 3 является зеркалом, формирующим резонансную полость между слоями 3 и 9. На фиг.2 проиллюстрирована структура первого уровня 1 - кремниевая интегральная КМОП схема считывания информации, снабженная диэлектрическим слоем защиты 10 и контактным металлическим слоем 2 (алюминий-кремний), который обеспечивает электрическую связь схемы считывания структуры 1 через столбиковые выводы 6-6' с металлическим проводником 5-5' (не показан) термоизолирующего слоя 3. В качестве металла предпочтителен нихром, а в качестве диэлектрика, расположенного с верхней и нижней стороны, - нитрид кремния. Два столбиковых вывода 7-7' через металлический проводник 11, выполненный, например, из нихрома, создают электрическую связь между контактными выводами металлического проводника 5 и контактом 11 абсорбирующего термочувствительного слоя 9, в котором в качестве терморезистора 13 применен поликристаллический полупроводник из оксида ванадия с высоким ТКС 2-2.5%, снабженный дополнительным абсорбирующим слоем металла 14, выполненного в виде тонкой пленки нихрома. Металлическая пленка 14 и терморезистор 13 расположены внутри диэлектрика (типа нитрида кремния), как защитного, так и поглощающего падающее оптическое излучение. Жертвенные слои формируют зазоры 15 и 16, удаляемые после изготовления структуры пикселя. Величина резонансной полости 15 микроболометра определяется толщиной жертвенного слоя между вторым и третьим уровнями. Величина зазора между первым и вторым уровнями 16 определяется толщиной жертвенного слоя между ними и выбирается в пределах 1-2 мкм в зависимости от технологических и конструктивных требований.
Заявляемый неохлаждаемый микроболометрический приемник излучения работает следующим образом. Излучаемая объектом ИК энергия попадает на термочувствительную структуру 9 пикселя, выполненную из материала с высоким ТКС. Вследствие поглощения структурой третьего уровня ИК-излучения меняется ее температура, что приводит к изменению электрического сопротивления термочувствительного слоя 9, регистрируемого интегральной схемой считывания сигнала, проходящего через слои 3-2-1 и их контакты.
Предлагаемая полезная модель может быть реализована в соответствии с описанием и чертежами с использованием известных технологических разработок и изготовлена на современном оборудовании. Целесообразно изготавливать микроболометрические матрицы различных форматов с шагом пикселя от 35 мкм. Предпочтительным вариантом является использование данного технического решения для шага пикселя от 17 мкм до 12 мкм по прямому назначению.
Таким образом, предлагаемая полезная модель:
- позволяет повысить чувствительность болометрического элемента за счет увеличения температурного коэффициента сопротивления терморезистивного слоя с высоким коэффициентом заполнения;
- представляет особый интерес в двумерных матрицах с размером пикселя от 17×17 мкм до 12×12 мкм;
- обеспечивает создание микроболометрических матриц с высоким коэффициентом заполнения с использованием двойного жертвенного слоя и управляемой термической изоляцией, расположенной между схемой считывания информации и абсорбирующим слоем, одновременно являющимся зеркалом, формирующим резонансную полость.
Неохлаждаемый микроболометрический приемник излучения, содержащий матрицу с изолированными друг от друга пикселями, каждый из которых включает слой первого уровня из полупроводникового кристалла с интегральной схемой считывания и контактами, термоизолирующий слой второго уровня, выполненный в виде ломаных линий, расположенных вдоль двух противоположных сторон пикселя, состоящих из диэлектрического материала, снабженного отражающим покрытием, внутри которого размещен проводящий металл, при этом контактные выходы проводящего металла первой ломаной линии соединены с первым контактом первого уровня, второй - со вторым контактом первого уровня, а контактные входы проводящих металлов первой и второй ломаных линий - с соответствующими контактами абсорбирующего термочувствительного слоя третьего уровня, отличающийся тем, что в нем ломаные линии слоя второго уровня выполнены в виде меандров, так что величина их амплитуд составляет менее 2/5 ширины размера пикселя, дополнительно введенный шунтирующий элемент установлен между контактными входами меандров с обеспечением их термического объединения и электрической развязки со слоем третьего уровня, который снабжен дополнительным абсорбирующим металлическим покрытием в виде тонкой пленки.
