DE69216862T2

DE69216862T2 - Verwendung von vanadium oxyd in mikrobolometer sensoren

Info

Publication number: DE69216862T2
Application number: DE69216862T
Authority: DE
Inventors: R Wood
Original assignee: Honeywell Inc
Current assignee: Honeywell Inc
Priority date: 1992-06-11
Filing date: 1992-06-11
Publication date: 1997-06-12
Anticipated expiration: 2012-06-12
Also published as: EP0645001B1; CA2133081A1; DE69216862D1; WO1993025877A1; JP2756730B2; JPH07507141A; CA2133081C; EP0645001A1

Description

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Mikrobolometer-Sensoren für Infrarotstrahlung. Insbesondere wird hier die Verwendung eines neuen Detektormaterials (ABx) im Mikrobolometersensor beschrieben.
- Eine monolithisch integrierte Brennebene, welche sowohl für Millimeterwellen (typischerweise 94GHz) sowie Infrarotstrahlung (typischerweise 3 bis 5 x 10&supmin;&sup6;m und 5 bis 12 x 10&supmin;&sup6;m) empfindlich ist, wird auf einer Siliziumscheibe durch selektives anisotropes Ätzen hergestellt, um auf diese Weise Mikrobolometer-Strahlungssensoren in einer linearen oder zweidimensionalen Anordnung entstehen zu lassen. Sensoren für IR-Detektion sind mit einem IR-absorbierenden Material beschichtet. Sensoren für Millimeterwellen sind an Metallfilmantennen angeschlossen, welche auf der Oberfläche der Siliziumscheibe angebracht sind. In dieser Struktur wird die bekannte Herstellungstechnik für integrierte Schaltkreise aus Silizium mit einer gegen hohe Schockbelastungen unempfindlichen Struktur kombiniert, welche es ermöglicht, daß die thermischen Leitungsverluste sich den Strahlungsverlusten des Elements annähern. Von besonderer Bedeutung ist die Kombination und das Verschachteln von Millimeterwellensensoren mit Hochleistungs-Infrarotsensoren und der Elektronik auf dem gleichen Siliziumchip und deren Herstellung in den gleichen Verfahrensschritten.
Die Herstellung neuer dreidimensionaler mikroelektronischer Anordnungen in einem Haibleiterkristall, üblicherweise Silizium, wurde mittels zahlreicher Techniken einschließlich isotropen und anisotropen Ätzens erreicht. Diese Techniken benutzen die Kristallstruktur eines Einkristall-Halbleiters. Ein Beispiel hierfür ist im US-Patent 4,472,239 "Method of Making Semiconductor Device" beschrieben, welches dem Anmelder der vorliegenden Erfindung gehört. Dieses Patent zeigt, daß die Technik zum Herstellen mikromechanischer Einrichtungen durch Ätzen eines Silizium-Einkristalls bekannt ist. Die Erwähnung dieses Patents dient zur Erläuterung des Hintergrunds und soll nicht als Stand der Technik für die vorliegend beanspruchte spezielle Erfindung angesehen werden.
Im Stand der Technik, z.B. im US-Patent 3,801,949 wird eine infrarotempfindliche Festkörper-Bildaufnahmeeinrichtung vorgeschlagen, welche von geringen Abmessungen ist und eine zweidimensionale Anordnung von IR-Detektorelementen in einer integrierten Mikroschaltung aufweist. Die Detektoranordnung wird auf einem Silizium-Einkristall- Substrat angebracht, die mit einer dünnen Schicht aus elektrisch isolierendem Material, beispielsweise Siliziumdioxyd oder Siliziumnitrid versehen ist. Wo ein Fühlerelement entstehen soll, werden geätzte Öffnungen im Silizium unter der Isolierschicht hergestellt, um die Fühlerelemente von ihrer Umgebung thermisch zu isolieren.
Die vorliegende Erfindung schafft einen Infrarotstrahlungsdetektor mit einer monolithisch integrierten linearen Mikrobolometer-Anordnung als Strahlungsdetektor für thermische Abbildung und thermische Detektion, welche gekennzeichnet ist durch einen Halbleiterkörper mit mehreren, in einem linearen Muster in einer ersten Oberfläche des Halbleiterkörpers angeordneten Vertiefungen; mehreren dielektrischen Dünnschichtelementen, welche jeweils wenigstens an einer Stelle an der ersten Oberfläche derart befestigt sind, daß jedes Dünnschichtelement als thermisch isolierte Struktur über einer entsprechenden Vertiefung liegt; eine in jedes Dünnschichtelement an einer Stelle über der entsprechenden Vertiefung eingebettete Dünnfilmschicht aus Vanadiumoxyd, welche einen hohen thermischen Widerstandskoeffizienten hat; und einen an einem Meßschaltung anschließbaren Kontakt für jede Vanadiumoxyd-Dünnschicht.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Figur 1 zeigt den hier interessierenden Teil des elektromagnetischen Spektrums;
Figur 2a ist eine Ausführungsform einer linearen Mikrosensoranordnung;
Figur 2b zeigt in zweidimensionaler Geometrie eine Ausführungsform eines integrierten dualen Infrarotsensors und Millimeterwellensensors;
Figur 3 gibt einen Querschnitt durch eine Mikrosensorstruktur wieder;
Figur 4 zeigt eine Einzelheit der Vorderfläche einer Vollwellendipolantenne integriert zu einer IR/mm-Wellen- Anordnung;
die Figuren 5a und 5b zeigen Einzelheiten eines Mikrosensors mit hoher thermischer Isolation;
Figur 6 gibt das Funktionsdiagramm der gesamten Abtastanordnung wieder;
die Figuren 7 und 8 zeigen Dualmodus-Fühlereinrichtungen mit schleifenförmigen Mikroantennen; und
Figur 9 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines schematisch in Figur 6 wiedergegebenen Doppelfunktionssystems.

Beschreibung

Figur 2a zeigt eine lineargeometrische Ausgestaltung einer monolithisch integrierten Dualmodus-Mikrosensoranordnung für IR- und mm-Wellen. Zweidimensionale Anordnungen kann man dadurch erhalten, daß man mehrere benachbarte lineare Anordnungen vorsieht. Eine sowohl für IR-Strahlung (3 bis 5 und/oder 8 bis 12µ) sowie Millimeterwellen empfindliche Brennebene besteht aus einer Halbleitersubstratscheibe 10, beispielsweise monokristallinem Silizium. Die Mikrosensoren 12 für IR-Strahlung sind mit einem IR-absorbierenden Material, beispielsweise einem dünnen Metallfilm, beschichtet. Die für die Millimeterwellendetektion bestimmten Mikrosensoren 13 sind an Metallschichtantennen 14 angeschlossen, welche auf der Oberfläche der Siliziumscheibe angebracht sind. Eine zweidimensionale Geometrieversion ist in Figur 2b gezeigt, wo die IR-empfindliche Mikrosensoranordnung 15 auf der einen Oberfläche der Siliziumscheibe 10 angebracht ist und die Antennen 16 auf der anderen Oberfläche der Scheibe vorgesehen sind. Diese Ausführungsform wird später beschrieben.
In Figur 3 ist ein Querschnitt durch eine Mikrosensorstruktur wiedergegeben, welche die Anordnung der thermischen Isolation gemäß dem obenerwähnten US-Patent 4,472,239 zeigt. Die Mikrosensor-Abbildungsanordnung befindet sich auf einem Siliziumchip 19. Durch anisotropes Ätzen des Siliziums wird ein Dünnschicht-Strahlungsdetektor 20 geringer Masse in einer thermisch isolierten dielektrischen Auslegerstruktur 21 an der Oberfläche des Siliziumchips hergestellt. Die geringe Masse und die thermische Isolierung führen zu Anordnungen mit ausgezeichneter Detektorempfindlichkeit und Ansprechgeschwindigkeit. Die Millimeterwellenanordnung verwendet ebene Dipole oder schleifenförmige Dipolantennen, um die Millimeterwellenstrahlung an die thermisch integrierenden Mikrosensoren anzukoppeln.
In Figur 4 ist eine Einzelheit der Vorderfläche einer Vollwellen-Dipolantenne eines integrierten Infrarot-Millimeterwellen-Fühlers wiedergegeben, der als lineare Anordnung elektronisch abgetastet wird. Mit einer Vielzahl (z.B. 300) IR-Detektorelementen 12' sind eine Mehrzahl (z.B. 10) antennengekoppelte mm-Wellenelemente 13' zusammengebaut. Ebenfalls in Blockform dargestellt ist ein bipolarer Vorverstärker 30 und ein FET-Multiplexer 31. Ein IR/mm-Wellenausgangssignal wird bei 32 festgestellt. Ein Teilschnitt durch die Detektoranordnung nach Figur 4 ist in Figur 5a wiedergegeben. Die Siliziumscheibe 10 hat ferner eine dielektrische Schicht 33 sowie eine Kupfergrundplatte 34. Eine Einzelheit der thermisch hochisolierten Mikrosensoren 35 ist in der Vergrößerung gemäß Figur 5b wiedergegeben, wo ein Widerstand 20 getragen vom dielektrischen Ausleger 21 mit Hilfe eines Ätzhohlraums im Silizium thermisch isoliert ist.
Eine Struktur, welche wirksam mit einer Millimeterwellenstrahlung gekoppelt werden soll, muß Abmessungen in der Größenordnung der Wellenlänge, d.h. von 3 x 10&supmin;³m (3 Millimeter) bei 94 GHz aufweisen. Im Falle eines ungekühlten Sensors wurde eine empfindliche Fläche dieser Größe zu einer verringerten Empfindlichkeit oder Ansprechgeschwindigkeit führen, was auf die erhöhte thermische Masse des Fühlers zurückzuführen ist. Man braucht deshalb Abmessungen weniger tausendstel Zoll und muß folglich den Fühlsensor mit dem Strahlungsfeld über eine Antennenstruktur koppeln, während die Abmessungen in der Größenordnung der Wellenlänge liegen. Da Mikrosensoranordnungen durch photolithographische Verfahren leicht auf Silikonsubstraten hergestellt werden können, ist es erwünscht, die Antenne und alle koppelnden Wellenleiter planar auszubilden.
Der in den Figuren 2a und 4 dargestellte Millimeterwellenteil ist ferner in Figur 6 wiedergegeben und besteht aus einem Siliziumsubstrat 10', auf dem durch Photolithographie eine Anordnung planarer Mikroantennnen 40, Koppel-Wellenleiter 41 und Mikrosensoren 13 hergestellt ist, wobei die elektrischen Ausgangsleitungen an eine elektrische Leseschaltung angeschlossen sind. Millimeterwellenstrahlung wird durch die Mikroantennen 40 gesammelt und an die Strahlungslast der Mikrosensoren 13 angekoppelt, deren Temperaturen ansteigen und eine Anderung des Widerstands veranlassen. Eine rauscharme elektronische Schaltung mit einem Spaltenadressen-Multiplexer 42 sowie einem Zeilenadressen-Multiplexer 43 überwacht die Widerstände der Mikrosensorelemente und liefert elektrische Signale 44 an eine Ausgangsschaltung, welche vom Anwendungsfall, beispielsweise Zielauffassung oder Zielerkennung, abhängt.
Der Mikrosensor besteht aus einem Sensorelement 20 geringer Masse, welches von der Trägerstruktur thermisch nahezu vollständig isoliert ist, wie dies zuvor in Figur 3 gezeigt wurde. Ein Widerstandselement wird auf dem Sensor hergestellt, indem man ein Material verwendet, dessen Widerstand sich mit der Temperatur ändert. Jede in diesen Sensorwiderstand eingestrahlte elektrische Leistung (z.B. infolge direkter Infrarotbestrahlung des Sensors oder durch Millimeterwellenstrahlung, welche über eine Antenne angekoppelt wird) heizt das Sensorelement 20 um einen Betrag auf, der der thermischen Masse des Sensors und der thermischen Leitfähigkeit der Tragstruktur umgekehrt proportional ist. Die Empfindlichkeit des Mikrosensors erfordert einen Sensor mit geringer thermischer Masse und guter thermischer Isolation. Die aufgenommene Wärme fließt mit einer Zeitkonstanten zur Tragstruktur ab, welche durch das Produkt aus der thermischen Kapazität des Fühlers und dem thermischen Widerstand zur Umgebung gegeben ist. Diese Ansprechzeit kann ohne Beeinträchtigung der Empfindlichkeit auf Millisekunden eingestellt werden. Kürzere Ansprechzeiten lassen sich bei Verringerung der Empfindlichkeit erzielen. Das Dünnschicht-Widerstandselement hat Kontakte, welche an einen äußeren Stromkreis anschließbar sind. Die elektrischen Ausgangssignale werden unter Verwendung einer Leseschaltung abgeleitet, die auf Widerstandsänderungen des Mikrosensor-Widerstands anspricht.
Das endgültige Signal/Rausch-Verhältnis eines solchen Mikrosensors wird durch die Verwendung einer sehr geringen thermischen Sensormasse und eine hohe thermische Isolation von der Tragstruktur erzielt. Der erzielbare minimale Rauschpegel hängt vom Johnson-Rauschen im Sensorlastwiderstand, vom Vorverstärkerrauschen sowie von Fluktuationen in der Strahlungs- und Ableitungsleistung beim Übergang zwischen dem Sensor und seiner Umgebung ab. Im Falle von in einen Mikrosensor von einer Mikroantenne elektrisch eingekoppelten Millimeterwellenstrahlung kann der Sensor mit einem hochreflektierenden Material beschichtet werden, wodurch das Strahlungsaustauschrauschen auf einen niedrigen Pegel verringert werden kann. In diesem Fall ergeben sich die Rauschgrenzen durch a) das Johnson-Rauschen, b) das Verstärkerrauschen und c) das thermische Leitungsrauschen.
Von besonderer Bedeutung ist das sehr niedrige Leitungsrauschen, welches man durch die vorzügliche thermische Isolation sowie die geringe Masse der vorgeschlagenen Struktur erzielt. Unter Verwendung typischer Parameterwerte bei einem Prototyp berechnet man, daß rausch-äquivalente Leistungspegel von 6 x 10&supmin;¹² Watt/ Hz zu erwarten sind, wobei eine Koppeleffektivität von 75% an das Millimeter-Wellenstrahlungsfeld angenommen ist. Dieser Rechenwert liegt dicht bei den experimentell bei Prototypen ermittelten Daten.

Experimentelle Ergebnisse

Die Prototypen wurden an einen elektrischen Ausleseschaltkreis angeschlossen, um kleine Widerstandsänderungen auf einem Oszilloskop wiederzugeben. Die Sensoren waren in einer Metallkammer angeordnet, die evakuiert werden konnte, um die thermische Ableitung des Fühlers zu verändern. Fenster aus ZnS und Glas standen zur Verfügung, um der Infrarot- und der Millimeterwellenstrahlung Zugang zur Fühlerkammer zu ermöglichen. Eine 10Hz-Wechselblende war vor dem Fühlerfenster angeordnet. Zum Kalibrieren des Sensors wurde eine Schwarzkörper-IR-Quelle bei 1000ºK mit einer Intensität von 7 x 10&supmin;&sup4; W/cm² eingesetzt. Ein Fühlerausgangssignal von etwa 100mV war zu beobachten, wenn der Sensor dem Atmosphärendruck ausgesetzt ist, und ein Signal von 400mV erschien bei evakuierter Sensorzelle. Ein 3,2mm (940Hz) Dauerstrichoszillator wurde zum Bestrahlen des Sensors mit einer Millimeterwellenintensität von etwa 2 x 10&supmin;³ W/cm² am Fühler eingesetzt. Die beobachtete Signalamplitude am Sensor betrug 280mV. Das Millimeterwellensignal erhöhte sich ungefähr um den Faktor vier, wenn man den Zellendruck von 10&supmin;&sup5; auf 10&supmin;² Pa (760 auf 0,5 Torr) verringerte. Dies zeigt, daß das Signal vom normalen thermischen Ansprechmechanismus des Mikrosensors abhängt.

Mikroantennen-Betrachtungen

Die Eigenschaften planarer Antennen auf dielektrischen Oberflächen (z.B. Si, Si&sub3;N&sub4;, SiO&sub2;) sind im Vergleich zu Antennen in homogenen Medien sehr unterschiedlich. Die Hauptunterschiede sind folgende: 1) das Polardiagramm ist immer stark gegenüber dem Dielektrikum vorgespannt, so daß die effektive Sammlung der Strahlung in Richtung auf Strahlung, welche von der dielektrischen Seite einfallt, vorgespannt ist; (2) zusätzliche Spitzen im Polardiagramm können auftreten, wobei einige Spitzen längs der Oberflächenebene des Substrats erscheinen, die eine Kopplung mit Substratoberflächenwellen anzeigen, welche zu einem Übersprechen zwischen benachbarten Antennen längs der Oberfläche führen. Obwohl das Polardiagramm einer Planarantenne auf einem dielektrischen Substrat stark in Richtung auf das Dielektrikum vorgespannt ist, kann man diese Vorspannung umkehren, indem man eine metallische Grundfläche, z.B. 0,2µ (2000Å) Kupfer auf der Rückseite des Siliziumsubstrats vorsieht, wie dies Figur 5a andeutet. Damit wird die gesamte Strahlung zur Luftseite reflektiert und die Antenne sieht nur in Richtung Luft. Diese Anordnung ist sehr erwünscht, weil IR-Sensoren Strahlung von der Luftseite empfangen und eine gemeinsame reflektierende Optik für eine Anordnung von Millimeterwellen- und IR-Sensoren eingesetzt werden kann, welche auf der gleichen Siliziumscheibe hergestellt sind.
Eine früher erwähnte alternative Anordnung ist die Verwendung von Schleifenantennen, wo die auftreffende Strahlung durch das dielektrische Substrat verläuft. Untersuchungen haben gezeigt, daß die Schleifenantennten in linearer Anordnung benutzt werden können, um durch das Substrat hindurchtretende Millimeterwellenstrahlung wirksam aufzunehmen. In dieser Konfiguration wird die IR-Strahlung in den vorderseitigen Detektorelementen absorbiert, während die Millimeterwellenstrahlung durch die Siliziumscheibe hindurchtritt und von den rückseitigen Schleifenantennen (Figur 8) aufgenommen wird. Bei dieser Ausgestaltung werden Verbindungen von der Antenne zum Sensor bevorzugt durch die Scheibe hindurch geführt. Diese alternative Ausgestaltung hat gute Eigenschaften wegen:
einer einfachen planaren Geometrie, welche aus Metalischichten hergestellt wird, die auf der Oberfläche der Siliziumscheibe hergestellt werden;
eines stark (um einen Faktor n³) vorgespannten Polardiagramms, wobei n der Brechungsindex in das Dielektrikum hinein ist und die Strahlbreite durch Einstellung des Schleifenwinkels, wie in Figur 1, anpaßbar ist; und
einer Widerstandscharakteristik, die sich durch Einstellen des Schleifenwinkels über einem weiten Frequenzbereich konstant halten läßt.

Ankopplung der Antenne an die Mikrofühler

Die einfachste Weise der Ankopplung einer Dipolantenne an einen Strahlungsfühler besteht darin, daß man den Sensor zwischen den Auslegern des Dipols anordnet und die Antenne metallisch mit der Sensorlast verbindet. Die Antennenimpedanz kann im Bereich von 100Ohm an die Sensorlasten angepaßt werden.

Hochempfindliches Detektormaterial

Figur 3 zeigt einen Querschnitt durch eine Mikrosensorstruktur eines Detektorelements 20. Die Anforderungen an ein hochempfindliches Material für Mikrobolometer- Sensordetektoren sind:
a) hoher thermischer Widerstandskoeffizient (TCR)
b) niedriges 1/f-Rauschen
c) Aufbringen in einem dünnen Film von weniger als 0,1µ (kleiner 1000Å);
d) der Prozeß ist kompatibel mit der Herstelltechnologie für Mikrobolometer;
e) keine anormale thermische Kapazität;
f) die Filmimpedanz ist kompatibel mit der Ausleseschaltung für das Mikrobolometer (100 bis 100,000 Ohm).
Vanadiumoxyde (vorzugsweise VO&sub2;) erfüllen diese Anforderungen. Vanadiumoxyde zeigen starke Widerstandsänderungen in Abhängigkeit von der Temperatur und ermöglichen einen hochempfindlichen Mikrobolometer-Betrieb. Der Temperaturkoeffizient (TCR) liegt üblicherweise bei -0,01 bis -0,04 pro Grad Celcius und ist am Halbleiter/Metall-Übergang wesentlich höher. Dieser typische Bereich ist wesentlich größer als der TCR für das flüher benutzte Detektormaterial Permalloy, wo er etwa 0,0035 pro Grad Celcius beträgt. Das 1/f-Rauschen kann durch Verwendung von hochleitfähigem VO&sub2; niedrig gehalten werden, d.h. mit einer Leitfähigkeit von 1000 Ohm&supmin;² in Filmen von 0,1µ (1000 Å) Dicke. Der VO&sub2; Dünnschichtdetektor 20 kann mit einer vorgewählten Schichtimpedanz unmittelbar auf der dielektrischen Schicht 21 abgeschieden werden. Dieses Abscheiden erfolgt vorzugsweise durch Ionenstrahlsputtern, das den Niederschlag sehr dünner Schichten ermöglicht. Dabei werden Aufwachsbedingungen erreicht, die vergleichbar sind, mit denen der Silizium- Mikrobrückentechnologie. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel wird das VO&sub2; derzeit in seiner Halbleiterphase betrieben. Eine erhöhte thermische Kapazität ergibt sich am Phasenübergang Halbleiter/Metall, ist aber annehmbar niedrig.

Claims

1. Der thermischen Bildaufnahme oder thermischen Detektion dienender Strahlungsdetektor in Form einer linearen, monolithisch integrierten Mikrobolometeranordnung, gekennzeichnet durch :

einen Halbleiterkörper (19) mit mehreren, in einem linearen Muster in einer ersten Oberfläche des Halbleiterkörpers angeordneten Vertiefungen (107);

mehreren dielektrischen Dünnschichtelementen (21), welche jeweils wenigstens an einer Stelle an der ersten Oberfläche derart befestigt sind, daß jedes Dünnschichtelement (21) als thermisch isolierte Struktur über einer entsprechenden Vertiefüng liegt;

eine in jedes Dünnschichtelement (21) an einer Stelle über der entsprechenden Vertiefüng (107) eingebettete Dünnfilmschicht (20) aus Vanadiumoxyd, welche einen hohen thermischen Widerstandskoeffizienten hat; und

einen an eine Meßschaltung anschließbaren Kontakt für jede Vanadiumoxyd- Dünnschicht.

2. Detektor nach Anspruch 1, bei dem die Dünnschicht aus Vanadiumoxyd eine Dicke von ≤x 10&sup7; m (1000 Å) hat.

3. Detektor nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Dünnschicht aus Vanadiumoxyd einen spezifischen Widerstand in der Größenordnung von 1000 Ohm&supmin;² hat.

4. Detektor nach einem vorangehenden Anspruch, bei dem die dielektrische Dünnschicht aus Siliziumnitrid besteht.

5. Detektor nach einem vorangehenden Anspruch, bei dem der Halbleiter aus einkristallinem Silizium besteht.

6. Detektor nach einem vorangehenden Anspruch, ferner gekennzeichnet durch einen zusätzlichen, als lineare Mikrosensoranordnung ausgebildeten Strahlungsdetektor auf dem gleichen Halbleiterkörper (19) wie der erste, als integrierte lineare Mikrosensoranordnung ausgebildete Strahlungsdetektor, so daß eine zweidimensionale Anordnung entsteht.

7. Detektor nach Anspruch 6, bei dem die monolithisch integrierten linearen Mikrosensoranordnungen in der Brennebene eines thermischen Abbildungssystems angeordnet sind.

8. Detektor nach einem vorangehenden Anspruch, bei dem eine Untergruppe der Vielzahl von Dünnfilmschichten aus Vanadiumoxyd jeweils an ein Antennenelement angeschlossen ist.

9. Detektor nach Anspruch 8, bei dem das Antennenelement einen Metallfilmleiter mit Abmessungen in der Größenordnung der Wellenlänge aufweist.

10. Detektor nach Anspruch 9, ferner gekennzeichnet durch eine metallische Bodenplatte auf einer der ersten Oberfläche des Halbleiterkörpers gegenüberliegenden zweiten Oberfläche.