DE69509263T2

DE69509263T2 - Infrarotszene projektanordnung geringer leistung und herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE69509263T2
Application number: DE69509263T
Authority: DE
Inventors: Barrett Cole; Chien Han
Original assignee: Honeywell Inc
Current assignee: Honeywell Inc
Priority date: 1994-12-30
Filing date: 1995-12-20
Publication date: 1999-11-04
Anticipated expiration: 2015-12-21
Also published as: CA2198021A1; EP0800707B1; USRE37146E1; EP0800707A1; WO1996021248A1; US5600148A; DE69509263D1; JPH10511773A; JP4044612B2; CA2198021C

Description

ANWENDUNGSGEBIET DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft die Bildprojektion, insbesondere die Infrarot-(IR)-Bildprojektion eines Felds (Arrays) von dicht gepackten, widerstandsbegrenzten, beheizten Mikrostruktur- Emittern, die einen relativ geringen Betrag elektrischer Leistung benötigen, um die Emitter zu versorgen. Das Mikrostruktur-Feld arbeitet bei cryogenen Temperaturen, um Hintergründe geringer Helligkeit für Raumfahrtanwendungen zu simulieren, und es arbeitet bei Raumtemperaturen für erdgebundene Hintergründe.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Eine Hauptherausforderung in der IR-Projektions-Feld-Technologie liegt in der Herstellung hochabstrahlender Strukturen, die während ihres Betriebs nur eine relativ geringe elektrische Leistung benötigen. Widerstands-Felder sind eine geläufige Methode zur Bereitstellung von IR-Szenen-Projektoren mit einem großen Dynamikbereich.
Typischerweise wird ein Feld (Array), welches für die Abstrahlung im IR-Spektrum entworfen wurde, eine große Anzahl von diskreten Pixelstrukturen aufweisen, die an eine Ansteuerungselektronik gekoppelt sind. Arrays können mit einem großen Bereich von Pixelgrößen und Pixelabständen gefertigt werden, um die Anforderungen eines spezifischen optischen Systems zu erfüllen. Ein beispielhaftes Array nach dem Stand der Technik kann 96 Pixel aufweisen und arbeitet in den Wellenlängenbändern zwischen Kurz-Wellenlängen-IR (SWIR) und Lang-Wellenlängen-IR (LWIR). Die Arrays können auf eine gewünschte Wellenlänge oder einen gewünschten Projektionszweck optimiert werden, wie z. B. der Erzeugung dynamischer Festzeichen Abstrahlung oder mehrfacher unabhängiger bewegender Ziele gegen einen Hintergrund, der Bedingungen in der oberen Erdatmosphäre simuliert. Änderungen in den thermischen und elektrischen Eigenschaften des Arrays sind über die Modifikation der Pixel erzielbar, unter Berücksichtigung der Kollimator-Optik und der Sichtfeld (FOV)-Anforderungen der gewünschten Anwendung.
Ein kritischer Parameter von thermischen Abstrahl-Projektionselementen ist als thermische Zeitkonstante "T" bekannt, definiert durch "T" = C/G, wobei G die thermische Leitung zwischen dem beheizten Element und einem dem Element zugeordneten Substrat ist, und wobei C die thermische Masse des beheizten Elements ist. Um Hochgeschwindigkeits- Leistung zu erzielen, die zur Anzeige dynamischer IR-Szenen notwendig ist, muß ein Pixel eine kurze thermische Zeitkonstante aufweisen. Daher wird ein erfolgreicher Entwurf eine thermische Zeitkonstante aufweisen, die ein Bruchteil der Bildfrequenz ist, mit der der Projektor arbeitet. Bei einer gegebenen thermischen Zeitkonstante von Millisekunden- Dauer, müssen die Pixel auf viele hunderte Grad oberhalb der Umgebungstemperatur aufgeheizt werden, um Szenen hoher Helligkeit anzuzeigen, unter Verwendung lediglich einiger Milliwatt an Leistung pro Pixel. Die thermische Isolation zwischen benachbarten Pixeln und dem einem Pixel zugeordneten Substrat muß jedoch aufrechterhalten werden, um die Auswirkungen zwischen benachbarten Pixeln im Array zu begrenzen.
Die Array-Elektronik soll Pixeltemperaturen regeln und Temperaturen zwischen Bilderneuerungen aufrechterhalten, um Bildflackern zu reduzieren. Neuere Entwicklungen in der CMOS-Adressier-Elektronik und in Herstellungstechniken haben zu einer zweischichtigen IR-Arraystruktur geführt, wobei die Elektronik, die traditionell neben dem IR-Array angeordnet war, unterhalb eines zugeordneten Pixel-Emitters angeordnet ist, so daß hohe Ausfüllungsgrade erzielt werden können, mit Pixeln, die nahezu die gesamte Oberfläche eines IR-Arrays bedecken.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung stellt eine Vorrichtung bereit, wie sie nachfolgend in Anspruch 1 definiert ist.
Die vorliegende Erfindung kann eines oder mehrere Elemente der abhängigen, nachfolgenden Ansprüche 2 bis 8 umfassen.
Das Array arbeitet in einer zweischichtigen Architektur, wobei das Array schwebend auf Trägerbeinen ruht, die einen Pfad mit sehr geringer thermischer Leckage gewährleisten, und die Array-Elektronik ist unterhalb des Arrays in einer kompakten und effizienten Art angeordnet, so daß sich Faktoren hoher Ausfüllung ergeben.
Eine Vakuum-Umgebung und die Verwendung von Materialien mit geringer thermischer Leitfähigkeit dienen dazu, die gesamte Vorrichtung gegen thermische Übertragungen zu isolieren. Hohe optische Abstrahlung ergibt sich aus einem abgestimmten optischen Hohlraum-Design und bedachter Auswahl der Emitter sowie spezieller Filme, die ausgewählt werden, um die optischen Eigenschaften des Arrays zu optimieren.
Niedertemperatur-Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus der sorgfältigen Auswahl der Widerstände, Pixelfilme sowie der Elektronik.
Der Emitter-Widerstand verfügt über einen großen Betriebstemperatur-Bereich durch: niedere negative thermische Widerstandskoeffizienten (TCR) in einem Temperaturbereich von 20-650 Grad Kelvin sind ideal geeignet, um einen durch elektrischen Strom verursachten Projektionsbetrieb zu gewährleisten, ein Pixelwiderstand von ungefähr 40kOhm gewährleistet optimales Erhitzen bei geringen elektrischen Strompegeln, das Emittermaterial verfügt über ein Widerstand von ungefähr 1kOhm pro Quadrat, wobei die Verwendung eines 40 Quadrat-Serpentinen-Musters möglich ist, welches in eine kleine Pixel-Geometrie paßt. Das thermische Design des Emitters trägt geringen Temperaturen Rechnung: Silizium-Nitrid-Filme, Implementierung einer kalten Hitzesenke, die die effektive Wärmeleitung um 50% reduziert, und im Hinblick auf temperaturabhängige Zeitkonstanten voreingestelltes Pixeldesign.
Das Pixel verfügt über eine Antwortzeit in der Größenordnung von Millisekunden und über kein Flackern, weil: thermische Leitfähigkeit Helligkeitsabfall definiert, Erhitzungsleistung Helligkeitszuwachs steuert, der flexible Entwurf einen großen Bereich von Zeitkonstanten abdeckt, und der nicht-erneuerte Stromabfall weniger als 1% nach fünf Minuten beträgt. Der Pixel-Feldeffekttransistor (FET) profitiert von ausgezeichneten Niedertemperatur-Eigenschaften durch die Verwendung von gegen Strahlung gehärterter RICMOS-Elektronik, durch einen um einen Faktor von zwei bei 20 Grad Kelvin verbesserten FET-Leitwert, und dadurch, daß die Träger-Gefrierung die Leistung nicht beeinflußt. Die Pixel-Zeitkonstante ist durch Veränderung der Länge der Trägerbeine einstellbar, die das Array mit dem Substrat verbinden.
Zur Erzielung sehr hoher Geschwindigkeitsleistungen sind Mikrolinsenanordnungen mit jedem Emitterpixel verbunden, was ermöglicht, daß der Emitter kleiner wird, und daher eine kürzere Zeitkonstante aufweist für dieselbe thermische Leitfähigkeit während ein hundertprozentiger Ausfüllungsfaktor simuliert wird. Die Mikrolinsen erlauben des weiteren die Verwendung von in der Größe reduzierter Emitter, und daher wird die thermische Antwortzeit der Pixel verringert, wodurch die Bilderneuerungsraten vergrößert werden.
Die Zwei-Schicht-Architektur, die auf hybride Pixel-Ansteuerungselektronik unterhalb der getragenen Emitter, die nahe der Raumtemperatur betrieben werden können, gerichtet ist, verbessert merklich den Stand der Technik und stellt die letzte Weiterentwicklung dieser fortschreitenden IR-Szenenprojektions-Technologie dar.

KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN

Fig. 1 stellt bei A eine perspektivische Ansicht auf einen zweischichtigen Emitter-Pixel nach der vorliegenden Erfindung dar, und eine schematische Darstellung eines elektrischen Schaltkreises, der einem einzelnen Emitter-Pixel zugeordnet ist.
Fig. 2 ist eine graphische Darstellung eines berechneten Emitterpixel- Temperaturgradienten für ein Ausführungsbeispiel eines Emitter-Pixel nach der vorliegenden Erfindung.
Fig. 3 ist ein Flußdiagramm, welches die funktionalen Elemente eines Szenenprojektions-Arrays darstellt, die an eine Bild- Erzeugungseinrichtung, Ansteuerungen, Kamera- und Anzeige- Einheiten angekoppelt sind.
Fig. 4 ist eine Höhendarstellung eines optischen Systems, das zur Bildprojektion geeignet ist, angesteuert durch ein Emitterpixel-Array, welches an eine Mikrolinsenanordnung angeschlossen ist, wobei das Emitterpixel-Array in einer teilweise auseinandergezogenen Schnittdarstellung gezeigt ist.
Fig. 5 ist eine Draufsicht auf die Adressierelektronik, die einem Emitterpixel- Array der vorliegenden Erfindung zugeordnet ist.
Fig. 6 ist ein Flußdiagramm, welches die grundlegende Abfolge der Herstellung der Emitterpixel darstellt, die in den Arrays der vorliegenden Erfindung Verwendung finden.
Fig. 7 stellt zwei Elektronenmikroskop-Mikrodarstellungen dar mit 15% Füllfaktor und 50% Füllfaktor 2-mil-Pixeln.
Fig. 8 ist eine Array-Karte eines elektrischen Stroms in einem gegebenen Array nach der vorliegenden Erfindung, welches prinzipiell "tote" Pixel in einem Array mißt.
Fig. 9 stellt eine perspektivische Ansicht eines diskreten Pixels dar, welches in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde, ein elektrisches Schemata einer diskreten Pixelelektronik und ein elektrisches Schemata einer CMOS-Pixelelektronik für einen Bereich eines Arrays nach der vorliegenden Erfindung.
Fig. 10 stellt die Adressierelektronik der vorliegenden Erfindung schematisch dar.
Fig. 11 ist eine Höhendarstellung im Querschnitt eines "Korb"-Kontakts, der bei der vorliegenden Erfindung Verwendung finden kann, zur Unterstützung, elektrischen Ankopplung und thermischen Isolierung eines Emitterpixels vom Substrat.
Fig. 12 ist eine Höhendarstellung im Querschnitt eines "Steckmetall"-Kontakts, der bei der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden kann, zur Unterstützung, elektrischen Ankopplung und thermischen Isolierung eines Emitterpixels vom Substrat.
Fig. 13 ist eine Höhendarstellung im Querschnitt einer Emitter-Teststation, die zur Testung der Arrays der vorliegenden Erfindung Verwendung finden kann.
Fig. 14 ist eine graphische Darstellung zeitlicher Messungen von Emitter- Scheitelwerten über der Zeit (in Millisekunden) für ein Array in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung.
Fig. 15 sind zwei Darstellungen, welche eine typische FET-Steuerung der Pixel-Temperatur und den elektrischen Strom über der Spannung eines in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung hergestellten Pixel zeigen.
Fig. 16a)-c) sind Draufsichten auf Anordnungen von Pixel-Widerständen, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden können.

BESCHREIBUNG DES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS

Fig. 1 zeigt einen einzelnen Emitterpixel 12, der einer zweistufigen IR-Matrix- Architektur 10 der vorliegenden Erfindung zugeordnet ist, zusätzlich zu der Verwendung von kollimierenden Mikrolinsen-Anordnungen 20, die auf abstehenden Haltern 21 montiert sind zur Fokussierung von Strahlung, die von jedem Emitterpixel emittiert wird, wie dies in größerem Detail in Fig. 4 dargestellt ist. Das Array 10 verfügt typischerweise über eine Vielzahl von Emitterpixeln 12, wobei jedes Pixel oberhalb einer Emitterpixel- Ansteuerungselektronik 14 angeordnet und elektrisch mit dieser verbunden ist, welche auf einem Substrat 16 durch wenigstens ein Bein 18 angeordnet ist. Ein Ausführungsbeispiel des Pixels 12 stellt ein serpentinenförmiges Widerstandelement 22 bereit, angeordnet auf einem Siliziumnitrid-Dünnfilm 24, so daß das Widerstandselement 22 elektrisch an die Ansteuerungselektronik 14 mit einem elektrischen Leiterpfad 26 angekoppelt ist, der dem Bein 18 in Richtung auf das Substrat 16 folgt, und eine geeignete elektrische Kopplung (in Fig. 1B gezeigt) auf dem Substrat ist, damit ein Pixel schnell adressiert werden kann in Kooperation mit anderen Emitter-Pixeln 12 des Arrays 10, wodurch eine einem Bild indikative Strahlung projiziert wird. Die Beine 18 können aus Siliziumnitrid oder anderem Material geformt werden, welche einen hohen Grad an thermischer Isolation aufweisen.
Die Ansteuerungselektronik 40 koppelt dort an den Emitter an, wo der Pfad 26 elektrisch an das Emitterpixel 12 ankoppelt, um, wie erwähnt, das aufgehängte Emitterpixel 12 anzusteuern. Die Ansteuerungselektronik 14 regelt die Temperatur jedes Emitterpixels 12 während des Betriebs des Arrays 10 und hält diese Temperatur aufrecht, und sie umfaßt weiter unten beschriebene CMOS-Adressierelektronik 50, die vorzugsweise aus strahlungsunempfindlichen CMOS-Halbleiter-Schaltkreiselementen hergestellt sind, um die Verwendung des Arrays 10 in Testumgebungen für Nuklearstrahlung zu verwenden. Wie in Fig. 5 dargestellt ist, trägt die Umgebung des Arrays 10 die Adressierelektronik 50, die aus einer Vielzahl von Spalten-Gruppen-Elektroniken 36 und wenigstens einem Zeilen-Decoder 38 und einem Pixel-Decoder-Muliplex-Auswahlschaltkreis 40 besteht, um einzelne Emitterpixel 12 angemessen zu aktivieren und um ein Bild der abgegebenen Strahlung zu erzeugen, wie dies aus dem Stand der Technik für Anzeigen bekannt ist (siehe A. P. Pritchard und 5. P. Lake, Proc. SPIE 1994, Seiten 182-188). Die Decoder 38 und Multiplexer 37 schälten einen Pixel-Durchlaßtransistor 31 an, wodurch es ermöglicht ist, daß eine analoge, temperaturäquivalente Spannung am Gate des Ansteuer-FET-33 angelegt wird, der sich in elektrischer Reihenschaltung mit dem thermisch isolierten Emitterpixel 12 befindet. Fig. 5 zeigt ein Schemata des elektrischen Pixellayouts für eine 256 · 256 Elementform, die in einer Array-Anordnung 50 positioniert ist.
Ein wichtiger Aspekt im Array-Design ist die Substrat-Adressierelektronik 50. Die Adressierelektronik 50 erfüllt an der Pixelstufe zwei Hauptfunktionen. Die Adressierelektronik 50 wird benutzt zum Auswählen eines geeigneten Pixels, welches ein Bild projizieren soll, unter Verwendung der Adreßleitungen, und sie wird benutzt zur Aufrechterhaltung des analogen Temperaturwerts, der dem Pixel zwischen Adressierrahmen zugeordnet ist, um Flackern zu vermeiden. Zeilen- und Spalten- Adreßsignale wählen einen Durchlaßwiderstand 31 an der Pixelstufe aus, der das analoge Temperatursignal an das Gate eines Leistungs-FET 33 übermittelt, der den durch den Pixel-Widerstand 22 laufenden Strom regelt. Die Größe des Leistungs-FET 33 bestimmt den Betrag des Stroms durch das Pixel, und er bestimmt in Verbindung mit der thermischen Pixelleitfähigkeit die Pixel-Temperaturdifferenz zwischen dem cyrogenen Substrat und dem Emitterpixel. Der Emitter-Widerstand 22 berührt die Adressierelektronik 50 über zwei Leitungen auf der Stufe des Substrats 16, wobei eine die VDD-Leitung 34 berührt und die andere den Ansteuerungs-FET 33 berührt. Der Widerstand 22 und der FET 33 sind derart entworfen, um mit der Temperatur- und dem Geschwindigkeits-Bereich des Pixels übereinzustimmen, über die Bereitstellung einer ausreichenden Leistung durch richtige Auswahl der Widerstände und FET-Dimensionen. In einer typischen Anwendung ist eine zehn (10) Micron mal fünf (5) Micron-FET-Gatter-Dimension ausreichend, um Temperaturanstiege von vielen hunderten Grad zu ermöglichen, wegen der hohen Pixel- Aufheiz-Effizienz. Die gesamte Zellen-Elektronik 14 ist einfach innerhalb der Pixelzelle angeordnet, die sehr klein mit einem Durchmesser von zwei Mils hergestellt werden kann (1 Mil = 2,54 · 10&supmin;&sup5; m.).
Die Zellenelektronik 14 unter jedem Emitterpixel 12 beinhaltet einen Abtast- und -Halte- Schaltkreis und einen Ansteuerungs-Transistor. Monolithische, digitale Decoder und analoge Puffer-Ansteuerungen sind um die Umgebung des Arrays herum angeordnet, um die Eingangs-Leitungen zu reduzieren. Für ein 512 · 512-Array von Emitterpixeln ist das Array in Spaltengruppen organisiert, abhängig von der Adressiergeschwindigkeit. Typische Adressierzeiten sind eine (1) Mikrosekunde pro Pixel. Für ein Array, das bei dreißig (30) Hertz arbeitet, stellen acht (8) Spaltengruppen die notwendige Geschwindigkeit zur Verfügung. Demgemäß werden acht (8) analoge Temperatursignale durch das Array unter Verwendung digitaler Adreßleitungen gerichtet. Neun digitale Leitungen wählen eine von 512 Reihen aus, während sechs digitale Leitungen, die acht parallelen Temperatursignale an die richtige Spaltengruppe weiterleiten. Das gesamte Array von 512 · 512 Pixeln ist derart entworfen, daß dieses durch dreißig (30) Bilder pro Sekunde adressiert wird. Jedes Pixel verfügt über eine Mikrosekunde, um das analoge Signal zu lesen und den Wert im Abtast- und Halte-Schaltkreis zu speichern. Die Array- Formgröße ändert sich, jedoch für ein 3,5 Mil großes Pixel ist die Arraygröße 1,9 Inch · 1,9 Inch, und es paßt auf eine 4 Inch Halbleiterplatte 16. Trotz der großen Arraygröße bewegt sich die Gleichförmigkeit des elektrischen Stroms innerhalb von plus oder minus zweieinhalb Prozent (2.5%), und weniger als 0,7% der Pixel sind nicht betriebsbereit.
Die Gate-Spannung des Ansteuerungs-FET 33 bestimmt den Pixel-Strom und die Temperatur. Das analoge Spannungssignal, welches die Temperaturinformation enthält, wird am Gate des Ansteuerungs-FET 33 mit einem Pixel-Halte-Kondensator 35 gehalten. Es wurde herausgefunden, daß bei cyrogenen Temperaturen der Halte-Kondensator 35 seine Ladung ausreichend lange speichert, um weniger als ein Prozent Verlust über eine Zeitperiode von vielen Minuten zu erzeugen und weniger Verlust bei höheren Bildraten aufweist. Eine Quelle von unerwünschten Pixel-Temperaturveränderungen ergibt sich, falls sich strominduzierte Spannung an der Bodenplatte des Halte-Kondensators 35 ändert, wodurch sich die Gate-Spannung vom ursprünglich dem Pixel bereitgestellten Wert verändert. Dies ist am deutlichsten, wenn das Array große elektrische Ströme trägt, was dann stattfindet, wenn große Abschnitte des Arrays bei hohen Temperaturen arbeiten. Um diesen Effekt zu minimieren, wurde die Leitfähigkeit der zur Erde führenden Leitungen maximiert, indem die VSS- oder Erde-Rückführleitung sowohl im ersten als auch zweiten Metall ausgeführt wurde. Zusätzlich wurden die Leitungen in horizontaler und vertikaler Richtung gekreuzt. Leitungen verbinden beide Lagen, sie sind jedoch nicht dargestellt. Diese Design-Veränderung stellt Strompfade in einem zweidimensionalen Feld bereit. Dies war wichtig bei der Verringerung szenen-abhängiger Temperaturveränderungen und in der Aufrechterhaltung der Temperatur-Gleichförmigkeit des Arrays.
Die andere Quelle von Temperaturänderungen sind Vdd-Verluste im Array. Um dieses Problem zu korrigieren, wurde das Array dahingehend entworfen, daß der Ansteuerungs- FET 33 in Sättigung betrieben wird, so daß eine Vdd-Änderung keinen Strom erzeugt und daher eine minimale Temperaturänderung.
Um einzelne Pixel 12 in der Bilderneuerungszeit zu adressieren, die benötigt wird, um das Bild durch das Array 10 zu leiten, müssen eine Vielzahl von Pixeln parallel adressiert werden. Z. B. müssen in einem arbeitenden 128 · 128-Array acht analoge Spaltensignale gleichzeitig auf acht Pixel verteilt werden, deren Position durch sieben Eingänge des Zeilen-Decoders 38 und durch vier Eingänge des Spaltengruppen-Decoders 36 bestimmt wird. Ein Betrieb mit geringem Flackern wird dadurch erreicht, daß ein Kondensator 35 am Gate des Ansteuerungs-FET 33 eine lange Entlade-Zeitkonstante relativ zur Bilderneuerungsrate aufweist.
Basierend auf Tests, die bei cyrogenen Temperaturen durchgeführt wurden, wurden adressierte Seiten für jeden Kanal eines 512 · 512-Arrays in der Größenordnung von ungefähr 300 Nanosekunden bestimmt. Daher werden für ein 512 · 512-Array, welches bei einer Bildrate von 200 Hertz betrieben wird, 32 analoge Kanäle die notwendige Zugriffszeit zur Verfügung stellen. Für eine langsamere Bildrate kann die Anzahl der analogen Kanale und der korrespondierenden externen parallelen Ansteuerleitungen auf acht reduziert werden.
Bei gewissen Anwendungen kann eine Mikrolinsen-Anordnung 20 (Fig. 4) zur Steigerung der Leistung des Arrays 10 verwendet werden. In einem Ausführungsbeispiel wird die Mikrolinse 20 durch Ätzen einer 51-Platte in einer Plasma-Ätzung hergestellt. Die Linsen werden durch Übereinanderlagerung von drei getrennten Maskenstufen hergestellt, wobei jede zweimal so viel Stufen wie die vorhergehende Stufe enthält, wodurch insgesamt 2"-Stufen hergestellt werden. Mit einer Höhe von 2 Mil abstehende Posten 21 sind vorzugsweise auf der Linsenplatte galvanisch hergestellt, um eine geeignete Emitter- Linsen-Beabstandung (von ungefähr 2 bis 5 Mikrometern) zu gewährleisten. Ein dünner Lötmittel-Film ist oben auf die Posten aufgestäubt, um das nachfolgende Binden mit der Emitter-Maske zu ermöglichen. Das physikalische Montieren der Linse 20 auf dem Array 10 wird erreicht durch Ausrichten der Linsenmaske und Emittermaske mit einer Genauigkeit von einem Mikrometer unter Verwendung eines IR-Abgleichers, was eine Vorrichtung ist, die eine Ausrichttoleranz von näherungsweise zwei (2) Mikrometern gewährleistet, die jedoch nicht dargestellt ist. Die zwei Masken werden in Nähe zueinander gebracht und in einem IR-Ausrichter aufeinander ausgerichtet, und ein nicht gezeigter Dünnfilm-Erhitzer erhöht die Temperatur auf der Oberfläche des Substrats auf Näherungsweise 250ºC, um angemessene Lötmittel-Flußbedingungen zu gewährleisten.
Typische Pixel-Entwurfvariationen sind: Arrays können mit einem großen Bereich von Pixelgrößen und Pixelabständen hergestellt werden, um die Anforderungen eines spezifischen optischen Systems zu erfüllen. Ein 512 · 512-Array mit Pixeln auf einem 3,5Mil-Abstand dient zur Anzeige entfernter Zielmuster für ein großes kollimierendes System bei bis zu Video-Bilderneuerungsraten. Fig. 7 ist eine Darstellung eines abtastenden Elektronenmikroskops (SEM), welches ein Array mit einem 2-Mil-Abstand darstellt mit einem 15%-Füllfaktor bei Fig. 7A und ein Array mit einem 50% Füllfaktor bei Fig. 7B. Das Array mit 15%-Füllfaktor der Fig. 7A ermöglicht 200Hz-Bildraten, während das Array mit 50%-Füllfaktor gemäß Fig. 7B Bildraten von bis zu 60Hz ermöglicht, wobei jedes Array die gleiche thermische Leitfähigkeit aufweist. Die Länge des Beines 18 liegt vorzugsweise bei 8 Mikrometern für das Array mit einem 50%-Füllfaktor, und sie liegt bei 30 Mikrometern für das Array mit einem 15%-Füllfaktor. In einem Ausführungsbeispiel sind die Pixel in einer pseudo-hexagonalen Geometrie angeordnet, um verbesserte räumliche Auflösung zu ermöglichen, und sie verfügen über einen gemeinsamen elektrischen Kontakt zum Substrat, der es elektrisch mit dem Ansteuerungsbus koppelt (Fig. 16c), der die elektrische Spannung (Vdd) auf der elektrischen Leitung 34 bereitstellt. Das Substrat 16 liegt näherungsweise 1 bis 2 Mikrometer unterhalb der Schicht des Emitter-Pixels 12, und es enthält eine Vielzahl von elektrischen Leitersträngen, Vdd34, Pixel-Adreßleitungen 30 und Signal- Spannungsleitungen 32. Ein Bereich der Pixel-Adressierleitungen 30 bildet einen elektrischen Verbindungspfad auf dem Substrat 16, angeordnet auf dem Transistor- Sperrschaltkreis 31 (in Fig. 1B schraffiert dargestellt). Fig. 16C zeigt eine skalierte Zeichnung eines Emitters mit einem 2-Mil-Abstandsmuster, der eine thermische Zeitkonstante von zwei Millisekunden aufweist.
Jedes Pixel 12 verfügt über eine relativ flache Oberfläche, innerhalb einiger Zehntel von Mikrometern, zur Bereitstellung von optischen Eigenschaften der Pixel und zur Sicherstellung, daß die Pixel sich nicht in thermischen Kontakt mit dem Substrat 16 befinden. Während des Betriebs ist es erwünscht, eine ausgeglichene Topographie auf jeder Oberfläche eines jeden Pixels aufrechtzuerhalten, was im vorliegenden Prozeß dadurch erzielt wird, daß die Beanspruchungen des Dünnfilms im Dünnfilm- Herstellungsprozeß sorgfältig überwacht und geregelt werden.
Ein typischer Emitter-Herstellungsprozeß ist: Der Hauptteil der Emitterstruktur 10 besteht aus einem Siliziumnitrid-(Si&sub3;N&sub4;)-Film 62. Dieser Film bildet auch die Hauptmasse des Materials, aus dem das Bein 18 besteht, welches zur Gewährleistung eines minimalen thermischen Kontakts zwischen dem Substrat 16 und dem Emitter 12 dient. In einem Ausführungsbeispiel ist der serpentinenförmige Widerstand 22 in den Film 62 eingebettet. Für einen cyrogenen Betrieb muß das Widerstandsmaterial einen geringen TCR aufweisen, gegenüber in zur Herstellung des Arrays eingesetzten Ätzmaterialien widerstandsfähig sein, und einen Scheibenwiderstand in der Größenordnung von einigen hundert Ohm pro Quadrat aufweisen. Gesprühter TiNx ist ein Film, der diese Kriterien erfüllt. Die Zusammensetzung des Films kann über enge Grenzen variiert werden durch Änderung des Nitrogen-Inhalts während dem Auftragungsverfahren und dem weiter unten beschriebenen, sich dem Auftragen anschließenden Nachbehandlungsverfahren.
Im Hinblick auf den Emitter-Pixel ist ein typischer Herstellungsprozeß in Fig. 6 gezeigt, der das wiederholte Auftragen und Mustern einer Schicht 60 auf dem Substrat 16 umfaßt, wobei die Ansteuerungselektronik 14 an der Umgebung des Substrats angeordnet ist. Dann werden sich abwechselnde Schichten des Siliziumnitridfilms 62 und eines einzelnen Widerstandsfilms 22 überlagert und über der Schicht 60 gemustert. Ein bevorzugtes Material für den Widerstand 22 ist TiNx, welches Kontakt mit den Substratfäden herstellt, die typischerweise aus Metall hergestellt sind. Im abschließenden Verfahrensschritt wird durch die Entfernung der Schicht 60 mit einem geeigneten Ätzmittel der freistehende Emitterpixel 12 vom Mikrobrückentyp hergestellt.
Typischer Matritzen-Herstellungsprozeß: Bevor die gesamten Array-Strukturen auf einer Halbleiterplatte hergestellt werden, wird eine temporäre dünne Passivierungsschicht aus Polyimid über dem Substrat angeordnet und ein "Dummy"-Widerstand wird angeordnet und elektrisch zu Testzwecken an die Substratelektronik angeschlossen. Gegenwärtig ist keine Reparatur von möglicherweise defekter Substratelektronik möglich, so daß der Test einfach anzeigt, ob das Substrat arbeitet und ob weiterer Bearbeitungsaufwand im Hinblick auf ein nicht-arbeitendes Substrat verschwendet würde. Nach dem Testverfahren wird das Polyimid entfernt, und falls der Test anzeigt, daß das Substrat arbeitet, wird in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung weiter fortgefahren. Für das Testverfahren wurde Polyimid aufgrund seiner elektrischen Isolation und des geringen thermischen Leitwerts ausgewählt, des weiteren ist es einfach anwendbar und mit bekannten Ätzmitteln komplett entfernbar, ebenso wie die relative Ätzung hergestellter metallisierter Leitungen in der Polyimidschicht zur Leitung elektrischen Stroms vom "Dummy"-Widerstand zum Substrat dient. Die Matritzen werden auf Plattenstufe vor Beginnen des Würfelschmid-Verfahrens elektrisch getestet, so daß vor weiterer Bearbeitung alle Fehler eliminiert werden können. Dann wird jedes einzelne Array von der Platte abgeschnitten. Die bereitgestellten Arrays 10 werden dann vorzugsweise in evakuierten Anordnungen oder in einem cyrogenen Dewar-Gefäß hergestellt. Das elektrische Testen der Matritze auf Plattenstufe wird vervollständigt durch das Adressieren jedes Pixels zu einer gewissen Zeit und durch Messen des durch das Array 10 gezogenen Stroms, wenn das Pixel zyklisch an- und abgeschaltet wird. Wie in Fig. 8 dargestellt ist, kann eine Karte des elektrischen Stroms für jede Matritze eines Test-Arrays erzeugt werden. Als ein Ergebnis der Tatsache, daß die Messungen typischerweise mit einem FET vorgenommen werden, der bei Sättigungsbedingungen betrieben wird, ist die Karte typischerweise eine Messung von "toten" Pixeln und von FET-Stromgleichförmigkeit. Die Anzahl der toten Pixel ist ein Hauptfaktor in der Leistungsfähigkeit eines fertiggestellten Arrays. Oft werden tote Pixel durch elektrische Kurzschlüsse zwischen den metallisierten Substratleitungen 30, 32, 34 erzeugt, die den elektrischen Strom den Pixeln bereitstellen. Diese Kurzschlüsse können jedes Spaltenpixel zerstören. Ein zweiter Grund von toten Pixeln ist die Unmöglichkeit des elektrischen Stroms, den Emitter-Widerstand 22 zu erreichen. Der typische Grund für einen solchen Defekt ist ein offener Widerstand, der irrtümlich während der Ätzphase beeinträchtigt wurde, oder der Grund kann ein schlechter elektrischer Kontakt zwischen dem Widerstand 22 und der Substratelektronik 14 sein.
Elektrische Messungen für Array-Gleichförmigkeit und -Defekte: Überwachte Defekte der oben dargestellten Vielfalt wurden dahingehend minimiert, daß weniger als fünf Matritzen von hundert mit Reihen- und Spalten-Ausgängen fehlerhaft sind. Eine gute Meßgröße der Arrayqualität ist die Zählung der Pixel, deren Strom mehr als 20% vom durchschnittlichen elektrischen Strom abweicht. Einige der Matritzen hatten nur ein totes Pixel von 16.000 Pixeln. Die Standardabweichung im elektrischen Pixelstrom war für die meisten Matritzen in einem Bereich zwischen 3% und 5%.
In einem überwachten 512 · 512-Array wurde der durchschnittliche elektrische Stromfluß bei 147 Mikroampere gemessen, mit einer Standardabweichung von 3%. Von den 262.144 Pixeln eines solchen Arrays waren nur 1.919 (oder nur 0,7%) außerhalb der Standardabweichung und 895 derselben (0,3%) waren tot. Die verbleibenden toten Pixel waren in einer Spalte und in zwei Reihen beinhaltet. Es soll bemerkt werden, daß dieser Grad von Pixelleistung mehr als ausreichend ist, um eine Abbildung von hoher Qualität zu erzeugen.
Optische Entwurfsvorteile werden durch Verwendung eines Materials von hohem Widerstand für den serpentinenförmigen Widerstand 22 erzielt, welches auch optisch gleichförmig ist; wie bereits erwähnt, ermöglicht die Verwendung von Siliziumnitrid sehr hohe Füllfaktoren wegen der thermischen Isolierungseigenschaften und wegen der Zugänglichkeit für bekannte Halbleiter-Bearbeitungsmethoden; und die Verwendung von einstellbaren Lückenstrukturen erlaubt es jedem Pixel Strahlung zu projizieren, die eine Funktion des Lückenabstands und der Wellenlänge der emittierten Strahlung ist.
Typischerweise kann ein Infrarot-Szenenprojektor zur Testung von Infrarot-Abtast- Hardwaresystemen und zur Simulierung dynamischer Antworten auf gewünschte vorbestimmte künstliche Szenen verwendet werden. In vielen Fällen können diese Tests aktuelle Feldtests der Infrarot-Abtast-Hardware ersetzen und hierdurch erhebliche Testkosten sparen. In der Literatur sind verschiedene Ausführungsformen von Infrarot- Szenenprojektor-Arrays verfügbar. Die Erfinder haben viele Typen von IR- Szenenprojektor-Technologie untersucht, und sie glauben, daß die widerstandsgeheizte Infrarot-Szenenprojektor-Technologie der Lösungweg mit der größten Anwendbarkeit und der höchsten Leistung ist, daß jedoch die zweistufige Siliziumnitrid-Pixel-Mikrobrücken- Struktur die beste Kombination einer hohen Strahlen-Ausgangsgröße und geringen Leistungsverbrauchs hat. Die letztgenannten Typen ermöglichen es, daß unter Verwendung dieser Technik sehr große Arrays der 512 · 512-Form hergestellt werden können.
Zur Wiederholung sei angemerkt, daß die Mikrobrücken-Struktur vorzugsweise eine Siliziumnitrid-Mikrobrücke ist, die monolithisch auf der Adressierelektronik unter Verwendung standardisierter IC-Prozesse hergestellt wird. Die Auslese-Elektronik kann eine von verschiedenen Einrichtungen sein, z. B. CMOS, TFT, BiCMOS, bipolare, GaAs- Einrichtungen, SOI-Einrichtungen usw. Die spezielle Vorrichtung, die in einem Ausführungsbeispiel verwendet wird, verwendet CMOS-Einrichtungen, wobei das Mikrobrücken-Pixel 12 oberhalb der Auslese-Elektronik in jedem Pixel angeordnet ist, so daß die emittierende Oberfläche nicht mit der Auslese-Elektronik um Raum wetteifert. Daher können Entwürfe mit hohen Füllfaktoren erzielt werden, und für ein Abstandsdesign von 3,5-Mil kann ein Füllfaktor von 89% unter Verwendung dieser Struktur erzielt werden. Das Siliziumnitrid-Material, das die Mikrobrücken-Pixel 12 aufweist, ermöglicht des weiteren sehr geringe thermische Leitfähigkeit zwischen der Mikrobrücke und dem Siliziumsubstrat. Diese thermische Isoliereigenschaft ist insbesondere bei großflächigen Arrays kritisch, in denen mehr als 250.000 Pixel auf einmal aktiviert werden müssen. Ein typisches Ausführungsbeispiel kann eine Leistungs-Anforderung von 0,1 uW/K pro Pixel aufweisen und Kreuzkopplungen zwischen benachbarten Pixeln sind nahezu nicht vorhanden. Bei einem Betrieb im Vakuum sind die einzigen gemeinsamen Kontakte zwischen benachbarten Pixeln die elektrischen Kontakte zum Siliziumsubstrat, und da das Siliziumsubstrat als Hitzesenke arbeitet, ist der Betrag der Kreuzkopplung praktisch Null. Die Strahlungskopplung ist ebenfalls sehr gering, weil nur eine dünne Querfläche der Mikrobrücke benachbarten Pixeln ausgesetzt ist.

Opferschicht

Die thermische Isolierung der Mikrobrücken-Pixelstruktur 12 wird durch Betreiben der Vorrichtung in Vakuum gewährleistet, da ohne Vakuum die Luftleitung (durch die Brown'sche Bewegung der Gasmoleküle) die thermische Leckage der Mikrobrücke in etwa um das Zweifache anwächsen läßt. Wie aus Fig. 6 gesehen werden kann, ist dann, wenn die Struktur hergestellt ist, die Struktur vorzugsweise oben auf einer Opferschicht angeordnet. Am Ende des Prozesses wird die Opferschicht entfernt, um die Struktur thermisch vom Siliziumsubstrat 16 zu isolieren. Der einschlägige Fachmann wird leicht erkennen können, daß viele unterschiedliche Filme als Opferschichten für die hier vorliegende Struktur verwendet werden können.
Siliziumdioxyd ist eine allgemein bekannte und verwendete dielektrische Schicht, die als Opferschicht bei der hier vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Dieses Material kann durch Verwendung bekannter feuchter Ätztechniken, die HF-basierte Chemie verwenden, entfernt werden. Andere das Ätzen beschleunigende Schichten zwischen der Mikrobrücke und der Opferschicht können hinzugefügt werden, um die seitliche Ätzrate der Opferschicht zu vereinfachen. Polyimid kann ebenfalls als Opferschicht für die hier vorliegende Struktur verwendet werden, da dieses Material unter Verwendung von Oxygenplasma geätzt werden kann, um die Struktur auszuhüllen. Das Ergebnis eines solchen trockenen Ätzprozesses liegt darin, daß dieser selektiver ist und die herzustellende Struktur weniger beschädigt.

Thermisch isolierende Beine

Für großflächige Arrays können verschiedene Verbesserungen in bezug auf die thermischen Isolierungseigenschaften der bisher beschriebenen Struktur vorgenommen werden. Zuerst kann die Beinstruktur dünn gemacht werden, um thermische Leitung zu verringern. Die Begrenzung der Dicke des Beins 18 hängt ab von der mechanischen Stärke des verwendeten Materials. Sollte sich die Struktur als Ergebnis biegen oder krümmen infolge einer zu dünnen Struktur des Beins 18, wird als Folge der Hohlraum 23 einiges seiner kritischen Leistung verlieren, und in einigen extremen Fällen könnte der Körper oder das Pixel 12 der Mikrobrücke das Siliziumsubstrat 16 berühren und in einem Verlust der thermischen Isolation resultieren. In unseren Fabrikationsläufen hatte das Bein 18 eine Dicke, die bis zu 5.000 Å (10 Å = 1nm) herabreichte. Eine Dicke des Beins 18 von 4.000 Å sollte ohne unzumutbaren experimentellen Aufwand für die hier einschlägigen Fachleute erreichbar sein.
Der thermische Widerstand der Beine muß groß sein verglichen mit dem Widerstand des Mikrobrücken-Pixels 12. Dies verhindert große thermische Gradienten im Mikrobrücken- Pixel 12 während des Betriebs. Ein großer Gradient würde einen kleineren effektiven Strahlungsbereich des Pixels 12 und eine nicht gleichförmige Abstrahltemperatur ergeben. Während des Entwurfs der Struktur muß die Länge des Beins 18 auf die Antwortgeschwindigkeit des Emitters 12 und seinen Füllfaktor abgestimmt werden.
Die Mikrobrücken-Struktur verwendet einen Reflektor 70 und eine Absorberschicht 72 im inneren der Lücke 23, um für die Mikrobrücken-Struktur eine hohe Emission zu gewährleisten. Der aus den Mikrobrücken-Schichten, der Vakuum-Lücke 23 und dem Reflektor 70 bestehende Stapel bildet einen Resonanzhohlraum von geringer Güte für die Strahlung im 2 bis 20 um Wellenlängenband. Das Widerstandsmuster 22 im Emitter verändert nicht das optische Gesamtverhalten des Emitter-Hohlraums 23 wegen des hohen Widerstandswerts des Widerstands 22. Daraus ergibt sich eine hohe Abstrahlung in allen durch die Siliziumnitrid-Mikrobrücke abgedeckten Bereichen, unabhängig davon, ob ein Widerstandsmuster in der Mikrobrücke vorhanden ist.
Wenn die Mikrobrücke hergestellt wird, stehen die Siliziumnitrid-Filme unter zusammendrückender Beanspruchung, wenn diese auf die Opferschicht aufgebracht werden. Sobald die Struktur durch die Opferschicht-Ätzung entstanden ist, baut sich die Beanspruchung des Films ab, und die Brücke tendiert dahin, sich um die Berührungsregion herumzuwinden. Der Entwurf der Mikrobrücke verbindet den Hauptkörper der Mikrobrücke an den Ecken, so daß der Hauptkörper sich nur leicht windet, wobei die Beine die Spannung der Windungsbewegung aufnehmen. Daher wird der Körper in einer flachen Pixelstruktur mit relativ geringer Beanspruchung verbleiben, und es wurde herausgefunden, daß eine flache Pixelstruktur wichtig ist, um die thermische Isolierung aufrechtzuerhalten, die notwendig ist, daß die Struktur effektiv als Emitter arbeiten kann.
Optimierte Details der Absorptionschicht sind bevorzugte vorteilhafte Eigenschaften.
Hohe Abstrahlung über ein breites Band wird durch eine Absorptionsschicht 72 gewährleistet, die unterhalb der Siliziumnitrid-Mikrobrücken-Pixel 12 angeordnet ist. Eine dünne Materialschicht mit näherungsweise ungefähr 400 Ohm pro Quadrat verfügt über die optimale Absorption im Stapel und arbeitet derart, daß die durch den Reflektor und den Vakuumspalt gesetzte Resonanz abgeglichen wird. In der vorliegenden Erfindung wird eine dünne Schicht von NiCr für diese Absorptionsschicht 72 benutzt, wegen seiner Widerstandsfähigkeit in bezug auf Ätzmittel während der Ätzbehandlung der Opferschicht und wegen seiner Steuerbarkeit während der Sprühablagerung.

Physikalische Abstützung, thermisches Isolieren und elektrische Leitungskontakte:

Die geringe thermische Leitfähigkeit und die hohe Abstrahlung wären nicht möglich ohne einen starken Kontaktbereich, der die gesamte Struktur trägt. Dieselbe Struktur muß auch gute elektrische und thermische Kontakte zum Substrat 16 bereitstellen. Für eine Viertel- Wellenlängen-Struktur, die zur Optimierung der Abstrahlung entworfen wird, müssen diese Kontakte bis zu 1,8 um tief und weniger als 10 um auf einer Seite sein, um den Abdruck zu verringern. Die Erzielung eines guten elektrischen Kontakts durch solche Leitungen ist für die gesamte Leistungsfähigkeit des Arrays von Bedeutung. Die Metallisierung, die sich durch das Mikrobrücken-Pixel 12 erstreckt, muß ebenfalls einen Kontakt zur Metallisierung der Adressier-Elektronik 50 herstellen. Der Kontakt muß gegenüber Ätzung unempfindlich sein bezüglich der Ätzmittel, die während der Ätzung der Opferschicht verwendet werden. Zwei Lösungswege können zur Herstellung dieses Kontakts verwendet werden. Der erste ist ein "Korb"-Kontakt, der in Fig. 11 dargestellt ist, und dieser wird in erster Linie genutzt bei feuchten Ätzprozessen für die Opferschicht, und der zweite ist ein "Steck"-Kontakt, der in Fig. 12 gezeigt ist, und der in erster Linie bei trockenen Ätzprozessen der Opferschicht benutzt wird; beide werden weiter unten in größerem Detail beschrieben.
Während eines feuchten Ätzprozesses zur Entfernung der Opferschicht kann das Ätzmittel auch das Planarisationsoxyd unterhalb des Kontaktbereichs attackieren. Das Ziel des "Korb"-Kontakts ist die Herstellung einer mechanisch stabilen Stütze für das Mikrobrücken-Pixel 12, die genau so gut isoliert wie sie mechanisch stützt; und die zur selben Zeit einen guten elektrischen Kontakt bereitstellt. Um die Schrittabdeckung des Metalls auf dem Bein 18 zu verbessern, die den elektrischen Kontakt vom Mikrobrücken- Pixel 12 bis zur Metallisierung in der Adressier-Elektronik 50 bereitstellt, ist der Kontakt in zwei Schritte eingeteilt. Der erste Schritt erstreckt sich vom Mikrobrücken-Pegel herab in Richtung auf den Boden der Vakuumlücke 23. Dieser Schritt ist typischerweise 1- 1,8 um groß. Die Seitenwände sind zur Vereinfachung der Schrittabdeckung abgeschrägt. Der zweite Schritt erstreckt sich durch das Planarisationsoxyd in Richtung auf die Adressier-Elektronik. Das Metall des Beins 18 ist über diese Schritte gemustert, um einen Kontakt zum Metall auf dem Substrat 15 herzustellen. Der Entwurf der thermischen Isolierstruktur erfordert es, daß das Metall auf dem Bein 18 so dünn wie möglich sein muß, um die thermische Leitung zu minimieren. Die mechanische Stärke des "Korb"-Kontakts 60 kommt von den Silizium-Nitrid-Schichten, die auch benutzt werden in dem Mikrobrücken-Körper. Das Metall-Bein ist zwischen den Nitridschichten geschichtet, um es gegen mögliche Angriffe durch das Ätzmittel, welches während der Ätzung der Opferschicht eingesetzt wird, abzuschirmen.
Ein "Steck"-Metall 64, welches sowohl kupfer-basiertes Metall oder aluminium-basiertes Metall verwenden kann, kann im "Korb"-Kontakt angewendet werden, um den elektrischen Kontakt zwischen dem Metallbein und dem Metallsubstrat zu sichern. Dieses "Steck"-Metall 64 schirmt auch den Boden des Korbs gegen das feuchte Ätzmittel während der Ätzung der Opferschicht ab. Ohne dieses "Steck"-Metall kann das Ätzmittel während des feuchten HF-Ätzprozesses Risse in die Dünnfilm-Struktur einführen, und so das Planarisationsoxyd angreifen und die Basis entfernen, auf welcher der "Korb"-Kontakt steht. Zusätzlich verringert das "Steck"-Metall die Möglichkeit des Ätzmittels in das Planarisationsoxyd einzudringen. Das "Steck"-Metall vergrößert auch die mechanische Stärke des Kontakts zur Stabilisierung des Mikrobrücken-Pixels 12 gegenüber einer Krümmung nach dem Ätzen der Opferschicht.
Wenn eine trockengeätzte Opferschicht verwendet wird, wie z. B. Polyimid, so ist das Planarisationsoxyd im trockenen Ätzprozeß sehr viel unempfindlicher. Der Kontaktbereich kann merklich vereinfacht werden im Hinblick auf gleich hohe elektrische Leitfähigkeit und mechanische Stärke. Der "Steck"-Kontakt kann zwei Maskenschichten im Verfahren reduzieren, verglichen mit dem Prozeß zur Herstellung des "Korb"-Kontakts. Das "Steck"-Metall 64 kann zuerst durch einen Abhebe-Prozeß abgesetzt und gemustert werden. Die Spitze des "Steck"-Metalls muß gleich sein mit der Spitze des Boden-Pixel- Nitrids, so daß das Beinmetall direkt über dem "Steck"-Metall angeordnet werden kann. Das obere Brückennitrid ist dann über dem Beinmetall angeordnet und gemustert. Aufgrund der hohen Selektivität zwischen Polyimid und dem in diesen Prozeß verwendeten Metall, gibt es exzellente elektrische Eigenschaften in diesem Prozeß. Die Siliziumnitrid-Materialien gewährleisten exzellente mechanische Stabilität, um den Arrays gute mechanische Eigenschaften zu verleihen.

TiWN

Eine Vielzahl von Widerstandsmaterialien können in der vorliegenden Erfindung verwendet werden, sie müssen jedoch vorzugsweise einen Scheibenwiderstand in der Größenordnung von 100 Ohm bis 1 KOhm für gute optische Eigenschaften und niedrige Ströme aufweisen. Widerstandsfilme müssen des weiteren stabil bei hohen Temperaturen sein und des weiteren müssen sie reproduzierbar aufbringbar sein. Ein zusätzlicher Vorteil liegt dann vor, falls die verschiedenen Filmwiderstände durch Änderung der Gasumgebung während des Aufbringungsprozesses verändert werden können. Eine Vielzahl von Übergangsmetall-Nitriden erfüllen diese Eigenschaften, die besten sind jedoch wahrscheinlich TiWN und TiN.
Über Zerstäubung aufgebrachtes TiWN wird als Material für den Widerstand 22 im Szenen-Projektions-Array 10 benutzt. Dieses Material stellt die geforderten Filme von hohem Widerstand bereit, um geringe Betriebsströme für jedes Pixel zu gewährleisten; zugleich verfügt es über einen sehr geringer TCR, so daß die Pixel über einen großen Temperaturbereich arbeiten können. Die Szenen-Projektor-Emitter, die hier beschrieben werden, arbeiten zwischen 200K und 1000K. Die Aufbringung des TiWN-Materials ist einfach zu steuern, da der Widerstand des Materials durch die Flußrate des Nitrogens während des Aufsprühprozesses bestimmt werden kann. Der Widerstand kann über drei Größenordnungen gesteuert werden und ist von mal zu mal reproduzierbar.

Große Toleranz in bezug auf hohe Betriebsströme

Beim Betrieb eines großflächigen Emitter-Arrays wie eines 512 · 512-Szenen-Projektors kann der Strombetrag, der zur Versorgung des gesamten Arrays benötigt wird, zu einem großen Spannungsverlust über die Busleitung führen. Wir haben herausgefunden, daß die signifikanteste Spannungsänderung in der Erdeleitung stattfinden wird, und da die analoge Spannung auf die externe Erdeleitung bezogen ist, wird jede Änderung in der internen Erdeleitung in derselben Betragsänderung der Gatespannung resultieren. Daher wird, abhängig von den Betriebsbedingungen, der Betrag des Spannungsanstiegs in der Erdeleitung einen Strahlungsverlust bis zu 50% bewirken.
In der vorliegenden Erfindung ist, ebenso wie zur Minimierung des Spannungsverlustes in der Erdeleitung, das Erdungsgitter des Arrays sowohl in horizontaler als auch in vertikaler Richtung gedrahtet. Dies reduziert den effektiven Widerstand der Busleitung merklich. Das Abdriften des Spannungsverlustes findet auch graduell in einer radialen Richtung statt, eher als scharf über eine Reihe oder eine Spalte - falls die Busleitung in eine Richtung verzweigt wird, wie dies aus dem Stand der Technik bekannt ist. Die horizontalen Erdeleitungen sind mit den vertikalen Erdeleitungen an jedem Pixel verbunden, um mehrfache Leitungspfade für den elektrischen Strom bereitzustellen.
Eine andere effektive Widerstands-Reduktionstechnik, die in der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird, liegt darin, einen Aufsatz auf das Erde- oder Referenzpotential durch das Substrat an jedem Pixel zu gewährleisten. Bei Raumtemperatur ist dies ein effektiver Weg, den Anstieg der Erdespannung an jedem Pixel zu reduzieren. Ein typischer Substratwiderstand an jedem Pixel liegt näherungsweise bei 100 Ohm für ein 2-Mil- Abstands-Pixel. Die Rückseite der Platte dient als eine große Erde-Kontaktfläche zur Unterstützung des Verfahrens.
Änderungen in der VDD-Busleitung können auch den Betriebsstrom in jedem Pixel beeinflussen. Da die FET-Ströme sich nach jedem Abklemmen sättigen, ist der Pixel- Strom durch Änderungen in VDD relativ unbeeinflußt. Die Auswahl der FET-Größe und Emitterströme müssen sorgfältig den Biaspunkt des Ansteuerungs-FET berücksichtigen, so daß die Lastleitung die FET 1-V-Kurven in einem gesättigten Bereich kreuzt. Dies verhindert, daß VDD-Veränderungen in der Busleitung die Ausgangsstrahlung des Emitters beeinflussen.
Obwohl die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die bevorzugten Ausführungsbeispiele beschrieben wurden, werden die einschlägigen Fachleute Abänderungen der Erfindung erkennen, die im Schutzbereich der vorliegenden Erfindung liegen, wie er durch die folgenden Ansprüche definiert wird.

Claims

1. Vorrichtung (10) zur Abstrahlung eines Breitband-Infrarotbildes, umfassend ein Halbleitersubstrat (16), eine auf dem Substrat (16) angeordnete Adressiereinrichtung (50) zum Verzweigen elektrischer Signale zu verschiedenen Teilen des Substrates (16), wobei die elektrischen Signale umfassen ein Pixel-Adressiersignal, ein Spannungssignal und eine Ansteuerspannung und wobei die Vorrichtung gekennzeichnet ist durch:

wenigstens zwei Emitter-Pixelelemente (12), die an die Adressiereinrichtung (50) angeschlossen sind und von denen jedes oberhalb einer von mehreren Ausnehmungen in dem Substrat (16) angeordnet ist, wobei jedes Emitter-Pixelelement (12) eine 2-Pegel-Mikrostruktur umfaßt:

einen ersten eine Transistoreinrichtung (33) tragenden Pegel und einen zweiten Pegel, der seitlich oberhalb des ersten Pegels angeordnet ist, wobei der erste Pegel aus Siliziumnitrid hergestellt ist und wobei der zweite Pegel eine Absorberschicht (72) besitzt und der erste Pegel gegenüber und benachbart zu der Absorberschicht (72) eine Reflektorschicht (70) besitzt;

Mittel zur Verbindung, Abstützung und thermischen Isolierung jedes Pixelelementes (12) gegen das Substrat (16);

eine Spur (26) aus elektrischem Widerstandsmaterial, die mit jedem Pixelelement (12) verbunden ist und wenigstens ein Bein (18), das physikalisch und elektrisch mit dem Substrat (16) verbunden ist;

eine elektrische Steuereinrichtung (14) zur elektrischen Verbindung des Pixel- Adressiersignales, des Spannungssignales und der Ansteuerspannung mit jedem Emitter-Pixelelement (12); und

wobei die Transistoreinrichtung (33) dazu dient, einen gesteuerten Betrag eines elektrischen Stromes durch die Spur (26) des elektrischen Widerstandsmaterials zu steuern und die Temperatur der Spur (26) beizubehalten.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Emitterpixel eine 2-Pegel-Mikrostruktur umfaßt:

einen ersten die Transistoreinrichtung tragenden Pegel und einen zweiten oberhalb des ersten Pegels angeordneten Pegel, der das Emitterpixel aufweist, wobei der zweite Pegel aus Siliziumnitrid hergestellt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Widerstandsmaterial in den zweiten Pegel eingebettet ist, wobei das Widerstandsmaterial Titannitrid umfaßt.

4. Vorrichtung nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, gekennzeichnet durch mehrere Emitter-Pixelelemente (12), die in einer Feldkonfiguration angeordnet sind und einen Füllfaktor größer als 80% besitzen.

5. Vorrichtung nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, gekennzeichnet durch eine Mikrolinsenanordnung (20), die über mehrere abstehende Posten (21) mit dem Substrat (16) verbunden ist, so daß eine einzelne Mikrolinse (20) optisch mit jedem Emitter-Pixelelement (12) gekoppelt ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die mehreren abstehenden Posten (21) Siliziumnitrid mit einer Schicht aus Dünnfilm- Lötmittel in der Nähe der Mikrolinsenanordnung (20) umfassen.

7. Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die mehreren Emitterpixel (12) ein Feld mit einer Teilung von 8,89 · 10&supmin;&sup5; m (3,5 mil) umfassen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Feld wenigstens ein 512 · 512 Feld von 262.144 Emitterpixeln umfaßt.