DE69221901T2

DE69221901T2 - Mikrostruktur-entwurf für hohe ir - empfindlichkeit

Info

Publication number: DE69221901T2
Application number: DE69221901T
Authority: DE
Inventors: Barrett Cole
Original assignee: Honeywell Inc
Current assignee: Honeywell Inc
Priority date: 1992-07-08
Filing date: 1992-07-08
Publication date: 1998-01-29
Anticipated expiration: 2012-07-09
Also published as: EP0649517A1; JPH07509057A; WO1994001743A1; JP3062627B2; DE69221901D1; EP0649517B1

Description

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet einer hochempfindlichen Inftarot-Bolometeranordnung mit zwei Mikrostrukturebenen, welche Absorptionspegel von mehr als 80% sowie eine hohe Infrarot-Empfindlichkeit über einen Wellenbereich von 8 - 14 x 10&supmin;&sup6;m (8 - 14 Mikron) liefern kann.

Hintergrund und Zusammenfassung der Erfindung

EP-0354369 beschreibt eine Bolometerstruktur mit einer oberen Detektorebene, welche mittels metallischer Zwischenverbinder mit einem untern Siliziumsubstrat verbunden ist.
Die vorliegende Erfindung offenbart eine Mikrobrückenstruktur eines Infrarot-Bolometers mit einer auf einem Substrat vorgesehenen Bolometerstruktur, welche ein Unterteil auf der Substratoberfläche sowie eine obere Mikrobrücken-Detektorebenen-Struktur im Abstand von und unmittelbar über dem Unterteil aufweist; einer IR-reflektierenden Dünnfilm- Metall schicht auf der Oberfläche des Unterteils; wobei die obere Mikrobrücken- Detektorebenen-Struktur eine ebene Sandwich-Struktur mit einer tragenden dielektrischen Dünnschicht sowie einem temperaturempfindlichen Dünnschicht-Widerstandselement mit ersten und zweiten Anschlüssen aufweist; und welche gekennzeichnet ist durch sich nach unten erstreckende dielektrische Fußteile der Struktur, welche eine sich nach unten erstreckende Fortsetzung der oberen dielektrischen Struktur sind und die obere Mikrobrücken-Detektorebenen-Struktur oberhalb des Unterteils derart halten, daß ein thermisch isolierender Spalt zwischen Ober- und Unterteil besteht; sowie durch elektrische Leiterpfade in den sich nach unten erstreckenden Fußteilen, um die ersten und zweiten Anschlüsse mit dem Unterteil zu verbinden.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Die Figuren 1 und 2 sind Vorderansicht und Draufsicht auf eine Mikrostrukturanordnung gemäß der Erfindung;
Figur 3 ist eine graphische Darstellung der Gesamtabsorptionsfähigkeit in Abhängigkeit von der Wellenlänge über einen ausgewählten Wellenlängenbereich einschließlich 8 - 14 x 10&supmin;&sup6;m (8 - 14 Mikron);
Figur 4 zeigt graphisch die Durchlässigkeit, die Absorption sowie die Reflektivität der Widerstandsschicht;
Figur 5 zeigt graphisch die Absorption in Abhängigkeit von der Luftspaltdicke;
Figur 6 zeigt die Absorption der Gesamtstruktur in Abhängigkeit von der Dicke des metallischen Absorbers; und
Figur 7 zeigt die gemessenen optischen Eigenschaften von Si&sub3;N&sub4;.

Beschreibung

Ein Querschnitt durch das Zweiebenen-Mikrobrücken-Bolometerpixel 10 zeigt Figur 1. Die Anordnung hat zwei Ebenen, nämlich eine erhöhte Mikrobrücken-Detektorebene 11 sowie eine untere Ebene 12. Die untere Ebene besteht aus einem Halbleitersubstrat 13 mit flacher Oberfläche, beispielsweise einem Einkristall-Siliziumsubstrat. Auf der Oberfläche 14 des Substrats sind herkömmliche Komponenten einer integrierten Schaltung 15, wie Dioden, Busleitungen, Anschlüsse und Kontaktkissen angebracht, welche nicht im einzelen gezeigt sind. Die Herstellung erfolgt mit herkömmlicher Silizium- IC-Technologie. Der integrierte Schaltkreis ist mit einer Schutzschicht 16 aus Siliziumnitrid bedeckt.
Die angehobene Detektorebene 11 umfaßt eine Siliziumnitridschicht 20, eine Dünnschicht- Widerstandsschicht 21, vorzugsweise aus Vanadium- oder Titanoxyd (z.B. V&sub2;0&sub3;, Ti0x, V0x), ferner eine ABx-Siliziumnitridschicht 22 über den Schichten 20 und 21 sowie eine IR-Absorberschicht 23 über der Siliziumnitridschicht 22. Die dünne Absorberschicht (etwa 20A dick) kann aus einer Nickel-Eisenlegierung, bekannt als Permalloy, bestehen. Sich nach unten erstreckende Siliziumnitridschichten 20' und 22' werden zur gleichen Zeit wie die Schichten 20 und 22 während der Fabrikation hergestellt und bilden sich nach unten erstreckende Stützen 30 für die angehobene Detektorebene. Der Hohlraum oder Zwischenraum 26 (etwa 1 bis 2 x 10&supmin;&sup6;m oder 1-2 Mikron hoch) zwischen den beiden Ebenen steht mit der umgebenden Atmosphäre in Verbindung. Während der Herstellung war der Hohlraum 26 allerdings mit einer zuvor angebrachten Schicht aus leicht lösbarem Glas oder einem anderen lösbaren Material gefüllt bis die Schichten 20, 20', 22 und 22' aufgebracht waren. Einige andere leicht lösbare Werkstoffe sind Quarz, Polyimid und Resist. Anschließend wurde während der Herstellung das Glas ausgelöst, um einen thermisch isolierenden Hohlraum oder Luftspalt zu erzeugen (d.h. der Luftspalt kann im Betrieb in Wirklichkeit ein Vakuumspalt sein). In Figur list die dargestellte horizontale Dimension stark gekürzt. D.h. die Höhe in Figur list in der Zeichnung übertrieben im Vergleich zur Länge, um Einzelheiten der Erfindung erkennen zu lassen.
Figur 2 ist eine Draufsicht auf die erhöhte Detektorebene 11. In dieser Zeichnung scheint es als ob die überdeckende Absorberschicht 23 sowie die obere Siliziumnitridschicht 22 transparent seien, so daß die resistive Dünnschicht 21 sichtbar ist. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Material für die resistive Schicht 21 Vanadiumoxyd, vorzugsweise V&sub2;0&sub3;. Vanadiumoxyde zeigen sehr starke Widerstandsänderungen in Abhängigkeit von der Temperatur und ermöglichen somit einen hochempfindlichen Mikrobolometer-Betrieb. Sie haben auch einen niedrigen Reflexionsgrad für Infrarot im Bereich 8 - 14 x 10&supmin;&sup6;m (8 - 14 Mikron). Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel wird hier das V&sub2;0&sub3; in seiner Halbleiterphase betrieben. Sein Niederschlag erfolgt vorzugsweise durch Ionenstrahlsputtern, was die Anbringung sehr dünner Schichten von 5 -7,5 x 10&supmin;&sup5;m (50 - 75nm) ermöglicht. Dieses Material wurde wegen seiner niedrigen IR-Reflektivität zusammen mit einem relativ hohen Widerstandstemperaturkoefflzienten TCR ausgewählt. Die Enden der Widerstandspfade 21a und 21b sind nach unten längs des geneigten Bereichs 30 zwischen den Teilen 20' und 22' fortgesetzt, um einen elektrischen Kontakt mit Anschlußkissen 31 und 32 auf der unteren Ebene herzustellen.
Figur 2 zeigt auch die Ausschnitte 35, 36 und 37 im Nitridfenster, welche in den Siliziumnitridschichten 20 und 22 offengelassen sind, um Zutritt zum darunterbefindlichen Phosphorglas zu ermöglichen, wenn dieses aus dem Bereich unterhalb der Detektorebene herausgelöst wird. Die geneigten Träger können von geeigneter Länge sein, um eine entsprechende Abstützung und thermische Isolation der oberen Ebene 11 zu gewährleisten.
Obwohl die Beschreibung sich im Grunde nach auf einzelne Detektorpixel bezieht, ist die Erfindung für die Anwendung in einer X- Y-Anordnung benachbarter Pixel vorgesehen, welche eine Abbildungs oder Mosaik-Detektoranordnung bilden. Jede Pixelanordnung kann beispielsweise einen Bereich von etwa 5 x 10&supmin;&sup5;m (50 Mikron) aufjeder Seite bedecken.
Unter Hinweis auf Figur 1 wird nunmehr eine Folge von Produktionsschritten für die obere Ebene beschrieben. An das Abscheiden der Siliziumnitridschicht 16 bei der Herstellung der unteren Ebene 12 schließt sich das Abscheiden einer Dünnschicht 18 aus reflektierendem Material, beispielsweise aus einer Metallschicht wie Platin oder Gold an. Der Aufbau der oberen Ebene kann dann weitergehen. Die hier beschriebenen Detektoren sind für die Verwendung in einem IR-Wellenlängenbereich von 8- 14 x 10&supmin;&sup6;m (8-14 Mikron) gedacht. Die reflektierende Schicht 18 befindet sich auf der unteren Ebene 12. Der vertikale Abstand zwischen der Reflexionsschicht 18 und der oberen Ebene 11 ist so gewählt, daß die von der Schicht 18 nach oben reflektierte IR-Strahlung Interferenzeigenschaften zeigt, so daß über einen weiten Wellenlängenbereich von 8 - 14 x 10&supmin;&sup6;m (8 - 14 Mikron) eine wesentliche Absorption erzielt wird. Dementsprechend ist der Luftspalt zwischen der Reflektor- und der Detektorstruktur gewählt.
Eine Schicht aus Phosphorglas oder einem anderen leicht lösbaren Material in der Größenordnung von 1 bis 2 x 10&supmin;&sup6;m (1 bis 2 Mikron) Dicke wird abgeschieden, und die geneigten Teile 30 und 30' werden anschließend abgerundet, um Bedeckungsprobleme der Neigung zu beseitigen. Anschließend wird die Siliziumnitrid-Grundschicht 20 der oberen Ebene abgeschieden, die resistive Schicht 21 aufgebracht, Verbindungen längs der geneigten Teile zu Kontaktkissen auf der unteren Ebene hergestellt, und eine Siliziumnitrid-Passivierungsschicht 22 bedeckt die Schichten 21 und 20. Eine dünne metallische Absorberschicht 23 von etwa 1,5 bis 4 x 10&supmin;&sup5;m oder 15 - 40A wird auf die Oberseite der oberen Ebene aufgebracht. Die zuvor erwähnten Schlitze 35, 36 und 37 werden hergestellt und das Phosphorglas wird aus dem Raum unterhalb der Detektorebene herausgelöst. Wie zuvor beschrieben, kann man durch Abscheiden von Platin, Gold oder einer anderen reflektierenden Dünnschicht 18 auf dem Substrat, und zwar vor dem Herstellen des Stapels, erreichen, daß die reflektierende Schicht erreichende reflektierte und übertragene Strahlung zur Absorberschicht zurückreflektiert wird.
Die optischen Eigenschaften der gesamten Struktur werden durch sorgfältige Auswahl der optischen Werkstoffe mit geeigneten optischen und elektrischen Eigenschaften erzielt. Die obere Schicht muß Strahlung sehr wenig reflektieren und im wesentlichen einen erheblichen Prozentsatz der nicht absorbierten Strahlung zum reflektierten Licht an einer Knotenposition in der Schicht hindurchlassen, welche durch den Luftspaltabstand bestimmt ist. Eine zusätzliche Einschränkung für den absorbierenden Film besteht darin, daß das absorbierende Material sehr dünn und deshalb von sehr geringer Masse sein muß, um mit der Gesamtstruktur kompatibel zu sein.
Zum Optimieren der Absorption in der Sturktur muß die Dicke aller absorbierenden Schichten und des Luftspaltabstandes gesteuert werden. Die absorbierenden Schichten bestehen bei der vorliegenden Vorrichtung aus ABx, SIN und dem oben beschriebenen dünnen absorbierenden Metall. In der Praxis werden die Dicke von ABx und SIN-Nitrid durch elektrische und physikalische Anforderungen bestimmt. Beide haben Absorptionspegel zwischen 10% und 20% im interssierenden Spektralbereich (Figuren 4 und 7). Eine Kombination dieser Werkstoffe erzeugt eine Absorption von nicht mehr als 30% im Bereich von 8-14 x 10&supmin;&sup6;m (8- 14 Mikron). Dieser Absorptionspegel liegt dem Idealfall sehr nahe. Für die Verwendung einer reflektierenden Platinschicht und eines Luftspaltes, welcher das Feld im absorbierenden Film intensiviert, ist es jedoch mit einer solchen Konfiguration möglich, Absorptionswerte von über 80% (Figur 3) zu erzielen. Die Verwendung eines dünnen absorbierenden Metalls, welches bei einer Standardausführung 50% Absorption liefert, wird hier dazu benutzt, die Absorption auf eine maximale Wirkung fein abzustimmen. Figur 6 zeigt seinen Absorptionsverbesserungen, welche durch Einsatz dieses Metallfilms erzielbar sind.
Bei dieser Zwei-Ebenen-Struktur ist die Struktur 11 mit geringer thermischer Masse durch einen Luftspalt von der Pt-Substratschicht getrennt. Die Interferenzeigenschaften der reflektierten Strahlung sind derart, daß über einen weiten Wellenlängenbereich und einem Luftspaltabstand zwischen dem Pt-Reflektor und der Detektorschicht eine wesentliche Absorption erzielt wird.
Damit diese optische Interferenz im Detektor auftritt, ist es notwendig, in der Detektorstruktur andere Schichten zu vermeiden, die Inftarotstrahlung reflektieren. Die Verwendung von ABx, das sowohl einen hohen Temperatur-Widerstandskoefflzienten als auch einen niedrigen IR-Reflektionsgrad hat (Figur 4), erfüllt diese Anforderungen ideal. Die Verbindung dieses Absorptionsphänomens mit einer Detektorstruktur, welche einen Detektor aufweist, dessen Material sowohl einen hohen Widerstandstemperaturkoeffizienten TCR als auch eine niedrige Reflektivität aufweist, ermöglicht das Auftreten dieses Interferenzeffekts.
Es besteht ein erheblicher Grad von Veränderbarkeit der Detektorabsorption in Abhängigkeit vom Luftspalt der Struktur. Unter Bezugnahme auf die unten wiedergegebene Tabelle, welche die Wellenlängen in Nanometer in der linken Spalte und den Luftspalt in Mikron in der oberen Zeile wiedergibt, ist ersichtlich, daß mit einem Luftspalt von nur 5 x 10&supmin;&sup7;m (0,5 Mikron) die Detektorabsorption stark mit der Wellenlänge variiert und nicht sehr groß ist. Mit Luftspalten von 1-2 x 10&supmin;&sup6;m (1-2 Mikron) und insbesondere bei 1,5 x 10&supmin;&sup6;m (1,5 Mikron) ist die Absorption über den gewünschten Wellenlängenbereich relativ hoch. Tabelle I - Detektorabsorption
Die Auswirkung der Luftspaltbreite auf die Absorption in Abhängigkeit von der Wellenlänge ist in den interessierenden Bereichen weiterhin graphisch in Figur 5 dargestellt. Es ist aus der Kurve von 1,5 x 10&supmin;&sup6;m (1,5 Mikron) Luftspaltbreite ersichtlich, daß bei 8 x 10&supmin;&sup6;m (8 Mikron) die Absorption der Struktur rasch auf 90% und mehr zunimmt und das sie relativ hoch bleibt bis zu etwa 14 Mikron. Die Kurve für einen Luftspalt von 2 x 10&supmin;&sup6;m (2 Mikron) läßt erkennen, daß bei einer IR-Wellenlänge von 1,4 x 10&supmin;&sup6;m (14 Mikron) die Absorption besser ist und gut über 90% liegt. Beim Messen der Daten gemäß Figur 5 fehlte die Absorberschicht 23 in dem Strukturstapel.
Figur 6 zeigt graphisch, wie sich die Gesamtabsorption der Schichtstruktur mit der IR-Wellenlänge von 8-14 x 10&supmin;&sup6;m (8-14 Mikron) ändert, wenn die Dicke der metallischen Absorberschicht auf 3 x 10&supmin;&sup9;m (3nm) bzw. 5 x 10&supmin;&sup9;m (5nm) erhöht wird. Bei dieser Schichtstapelanordnung ist die Si&sub3;N&sub4;-Schicht 22 hier 1 x 10&supmin;&sup7;m (100nm), die Widerstandsschicht 21 ist 7,5 x 10&supmin;&sup8;m (75nm) und die Si&sub3;N&sub4;-Schicht 20 ist 1 x 10&supmin;&sup7;m (100nm) dick, während der Luftspalt 1,5 x 10&supmin;&sup6;m (1,5 Mikron) und die reflektierende Platinschicht 18 hier 5 x 10&supmin;&sup8;m (50nm) beträgt. Die Kurve für 3 x 10&supmin;&sup9; (3nm) zeigt eine Absorption von > 90% im Bereich zwischen 8 und 14 x 10&supmin;&sup6;m (8 bis 14 Mikron).
Die gemessenen optischen Eigenschaften der Reflektivität R, der Durchlässigkeit T sowie der Absorption A der Siliziumnitridschichten 20 und 22 (8 x 10&supmin;&sup8;m bzw. 800 A dick) sind in Figur 7 dargestellt, wobei das prozentuale Signal längs der Ordinate und die IR-Wellenlänge längs der Abzisse aufgetragen ist. Es ist ersichtlich, daß die Durchlässigkeit bei 8 x 10&supmin;&sup6;m (8 Mikron) etwa 90%, und bei 1,4 x 10&supmin;&sup5;m (14 Mikron) etwa 80% beträgt, also sehr hoch ist und daß die Reflektivität R bei beiden Werten 8 x 10&supmin;&sup6;m (8 Mikron) und 1,4 x 10&supmin;&sup5;m (14 Mikron) weit unter 10 liegt.

Claims

1. Mikrobrückenstruktur eines Infrarot-Bolometers mit:

einer auf einem Substrat (13) vorgesehenen Bolometerstruktur, welche ein Unterteil auf der Substratoberfläche sowie eine obere Mikrobrücken-Detektorebenen-Struktur (11) im Abstand von und unmittelbar über dem Unterteil aufweist;

einer IR-reflektierenden Dünnfilm-Metallschicht (18) auf der Oberfläche (14) des Unterteils; wobei

die obere Mikrobrücken-Detektorebenen-Struktur eine ebene Sandwich-Struktur mit einer tragenden dielektrischen Dünnschicht (20) sowie einem temperaturempfindlichen Dünnschicht-Widerstandselement (21) mit ersten und zweiten Anschlüssen aufweist; gekennzeichnet durch sich nach unten erstreckende dielektrische Fußteile (30) der Struktur, welche eine sich nach unten erstreckende Fortsetzung der oberen dielektrischen Struktur sind und die obere Mikrobrücken-Detektorebenen- Struktur oberhalb des Unterteils derart halten, daß ein thermisch isolierender Spalt zwischen Ober- und Unterteil besteht; und

elektrische Leiterpfade (21a, 21b) in den sich nach unten erstreckenden Fußteilen, um die ersten und zweiten Anschlüsse mit dem Unterteil zu verbinden.

2. Mikrobrückenstruktur nach Anspruch 1, bei der die reflektierende Dünnfilm- Metallschicht (18) aus einem Material der Gruppe bestehend aus Gold, Platin und Aluminium ausgewählt ist.

3. Mikrobrückenstruktur nach Anspruch 1 oder 2, bei der das Dielektrikum (20) aus Siliziumnitrid besteht.

4. Mikrobrückenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der das Dünnschicht- Widerstandselement (21) aus einem Material der Gruppe bestehend aus Vanadiumoxyd und Titanoxyd ausgewählt ist.

5. Mikrobrückenstruktur nach einem vorangehenden Anspruch, bei der das Dünnschicht- Widerstandselement (21) aus V&sub2;O&sub3; besteht.

6. Mikrobrückenstruktur nach Anspruch 1, bei der Spalt zwischen dem Unterteil (12) und der oberen Detektorstruktur (11) 1 bis 2 x 10&supmin;&sup6;m (1 bis 2 Mikron) breit ist.

7. Mikrobrückenstruktur nach einem vorangehenden Anspruch, bei der die Schicht (18) eine Dicke von etwa 5 x 10&supmin;&sup8;m (50nm) hat.

8. Mikrobrückenstruktur nach einem vorangehenden Anspruch, welche in der ebenen Sandwich-Struktur eine zweite dielektrische Dünllilmschicht (22) sowie eine Dünnfilm-Absorberschicht (23) auweist.

9. Mikrobrückenstruktur nach einem vorangehenden Anspruch, bei der die erste dielektrische Schicht (26) eine Dicke in der Größenordnung von 100nm und die zweite dielektrische Schicht (22) eine Dicke in der Größenordnung von 2,5 x 10&supmin;&sup7;m (250nm) hat.

10. Mikrobrückenstruktur nach Anspruch 8 oder 9, bei der das Widerstands- Dümifilmelement eine Dicke in der Größenordnung von 5 bis 7 x 10&supmin;&sup8;m (50 bis 75nm) aufweist.

11. Mikrobrückenstruktur nach einem der Ansprüche 8 bis 10, bei der die Absorberschicht (22) eine Dicke in der Größenordnung von 3 x 10&supmin;&sup8;m (30nm) hat.