DE69615932T2

DE69615932T2 - Bolometrische Detektorvorrichtung für Millimeter- und Submillimeterwellen und Herstellungsverfahren für diese Vorrichtung

Info

Publication number: DE69615932T2
Application number: DE69615932T
Authority: DE
Inventors: Patrick Agnese; Jean-Michel Sajer
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1995-06-15
Filing date: 1996-06-13
Publication date: 2002-06-13
Anticipated expiration: 2016-06-14
Also published as: FR2735574A1; FR2735574B1; US5825029A; DE69615932D1; EP0749007B1; EP0749007A1

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung betrifft eine bolometrische Detektionsvorrichtung für Millimeter- und Submillimeter-Wellen sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Vorrichtung.
Die Anwendungsgebiete sind insbesondere die Weltraum-Astrophysik sowie die Beobachtung im mittleren Infrarotbereich und die astronomische Beobachtung von Bodenteleskopen aus.

STAND DER TECHNIK

Man kennt schon Vorrichtungen zur bolometrischen Detektion von Millimeter- und Submillimeter-Wellen.
Diese bekannten Vorrichtungen werden durch den Zusammenbau einzelner Bolometer realisiert, die jeweils durch Konen verlängert werden.
Zu diesem Thema kann man die Dokumente (1) bis (5) konsultieren, die wie die anderen in der Folge zitierten Dokumente am Ende der vorliegenden Erfindung aufgelistet sind.
Aufgrund der Öffnung der Konen und des Platzbedarfs der Fokalebene der oben erwähnten bekannten Vorrichtungen ist die Zahl der Bolometer dieser Vorrichtungen begrenzt und diese Vorrichtungen führen zu einer räumlichen Teil- bzw. Unterabtastung.
Zudem verursacht die individuelle Realisierung der Bolometer dieser Vorrichtungen vor allem Probleme der Reproduktion und der Zuverlässigkeit, insbesondere bei den Weltraumanwendungen der Vorrichtungen.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung hat eine bolometrische Detektionsvorrichtung für Millimeter- und Submillimeter-Wellen zum Gegenstand, die eine größere Zuverlässigkeit hat und die leichter reproduzierbar ist, als die weiter oben erwähnten bekannten Vorrichtungen.
Noch genauer hat die Erfindung eine bolometrische Detektionsvorrichtung für Millimeter- und Submillimeter-Wellen zum Gegenstand, die wenigstens ein Bolometer umfasst, das auf einem Träger ausgebildet ist, der für die zu detektierenden Wellen durchlässig ist. Dabei ist diese Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass jedes Bolometer umfasst:
- einen reflektierenden Hohlraumresonator,
- ein vom Träger thermisch isoliertes und über dem Hohlraum bzw. Resonator angeordnetes Gitter,
- ein System periodischer Muster, elektrisch leitfähig, die auf dem Gitter ausgebildet sind und deren elektrische Impedanz an die des Vakuums angepasst ist, und
- ein Hauptthermometer, fest verbunden mit dem Gitter.
Die leitfähigen Muster können elektrisch miteinander verbunden sein oder elektrisch voneinander isoliert sein.
Vorzugsweise beträgt die Größe der Muster ungefähr die Hälfte der mittleren Wellenlänge der zu detektierenden Wellen.
Ebenfalls vorzugsweise beträgt die Gitterteilung ungefähr die Hälfte der mittleren Wellenlänge der zu detektierenden Wellen.
Nach einer speziellen Ausführungsart Vorrichtung nach der Erfindung umfasst jedes Bolometer außerdem ein Hilfsthermometer, dem Hauptthermometer hinzugefügt im Hinblick auf eine durchzuführende Differentialmessung der Temperatur.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann außerdem eine elektronische Leseschaltung der durch jedes Bolometer gelieferten Signale umfassen.
Jedes Bolometer kann einem Konzentrationskonus zugeordnet sein.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann eine Matrix aus M · N Bolometern umfassen, wobei M und N ganze Zahlen sind und wenigstens gleich 1 sind.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung der vorliegenden Erfindung, das dadurch gekennzeichnet ist, dass es die folgenden Schritte umfasst:
- Bilden des Hauptthermometers und des leitfähigen Musters des Bolometers auf einem Silicium/Siliciumdioxid/Silicium-Substrat,
- Bilden des Gitters des Bolometers auf diesem Substrat,
- Eliminieren des Siliciumdioxid des Substrats unter diesem Gitter, und
- Bilden des reflektierenden Hohlraumresonators unter dem Gitter.
Nach der ersten speziellen Durchführungsart des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Bilden des Hohlraums bzw. Resonators
- eliminiert man unter dem Gitter das Silicium des Substrats von der Rückseite dieses Substrat aus, indem man eine Siliciumschicht stehen lässt, deren Dicke der Resonanz entspricht, und
- man bildet auf dieser Siliciumschicht auf der Seite der Substratrückseite eine reflektierende Schicht.
Nach einer anderen speziellen Durchführungsart geht man zur Bildung des Hohlraums wie folgt vor:
- man eliminiert unter dem Gitter das Silicium des Substrats von der Vorderseite dieses Substrats aus, und dies über eine der Resonanz entsprechenden Tiefe, und
- man bildet auf dem Boden des durch die Eliminierung des Siliciums hergestellten Hohlraums eine dem Gitter gegenüberstehende reflektierende Schicht aus.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die vorliegende Erfindung wird besser verständlich durch die nachfolgende, rein erläuternde und keinesfalls einschränkende Beschreibung von Ausführungsbeispielen, bezogen auf die beigefügten Zeichnungen:
- die Fig. 1 ist eine schematische perspektivische Ansicht einer speziellen Ausführungsart der erfindungsgemäßen bolometrischen Detektionsvorrichtung, eine Bolometer-Matrix umfassend,
- die Fig. 2 ist eine schematische Ansicht eines der Bolometer der in der Fig. 1 dargestellten Vorrichtung,
- die Fig. 3A bis 3H zeigen schematisch verschiedene Herstellungsschritte einer Vorrichtung nach Art der in der Fig. 1 dargestellten,
- die Fig. 31 zeigt schematisch einen Schritt eines Verfahrens, das auch die in den Fig. 3A bis 3D dargestellten Schritte umfasst und das ermöglicht, eine weitere erfindungsgemäße Vorrichtung herzustellen, und
- die Fig. 4 bis 7 zeigen schematisch verschiedene leitfähige Muster, verwendbar in der vorliegenden Erfindung.

DETAILLIERTE DARSTELLUNG VON BESONDEREN AUSFÜHRUNGSARTEN

Die erfindungsgemäße Vorrichtung, schematisch dargestellt in der Fig. 1, ist zur bolometrischen Detektion von Millimeter- und Submillimeter-Wellen 2 bestimmt.
Diese Vorrichtung der Fig. 1 umfasst eine Bolometer-Matrix 4, ausgebildet auf einem Träger 6, der für die zu detektierenden Wellen durchlässig ist.
Die Fig. 2 ist eine schematische perspektivische Ansicht eines Bolometers 8 der Matrix 4 der Fig. 1.
Jedes Bolometer 8 umfasst:
- einen reflektierenden Resonanzhohlraum 10,
- ein Gitter 12, das thermisch vom Träger 6 isoliert ist und das über dem Hohlraum 10 angeordnet ist,
- ein System periodischer, elektrisch leitfähiger Muster 14, die auf dem Gitter 12 ausgebildet sind und deren elektrische Impedanz angepasst ist an die des Vakuums, und
- ein Thermometer 16, das fest mit dem Gitter 12 verbunden ist.
Bei dem in den Fig. 1 und 2 dargestellten Beispiel ist der Träger, oder das Substrat, 6 aus einem Halbleitermaterial wie Silicium.
Das Gitter 12 jedes Bolometers wird in diesem Träger 6 durch Mikrobearbeitung realisiert, wie man in der Folge besser sehen wird.
Dieses Gitter 12 ist aufgehängt am Substrat 6 durch zwei Arme 18 und 20, wie man in der Fig. 2 sieht.
Die leitfähigen Muster 14, die periodisch über das Gitter 12 verteilt sind, können diverse Formen haben, wie man in der Folge besser sehen wird, und können
- entweder elektrischen Kontakt miteinander haben und werden in diesem Fall "induktive Muster" genannt,
- oder elektrisch voneinander isoliert sein, und werden in diesem Fall "kapazitive Muster" genannt (was der Fall der Fig. 2 ist)
Bei dem in der Fig. 2 dargestellten Beispiel nimmt das Thermometer 16 einen zentralen Platz auf dem entsprechenden Gitter 14 ein.
Dieses Thermometer 16 ist in einem Teil des Siliciums ausgebildet, der im Gegensatz zum Rest des Gitters voll bleibt.
Man sieht in der Fig. 2 auch zwei elektrische Leitungen 22 und 24, die dem Thermometer 16 zugeordnet sind.
Die elektrische Leitung 22 erstreckt sich auf dem Gitter, ausgehend vom Thermometer 16, wie in der Fig. 2 zu sehen.
Diese Leitung 22 verlängert sich anschließend auf dem Arm 18 und verläuft dann auf der Oberseite des Trägers 6, wie zu sehen im linken Teil der Fig. 2.
Diese Leitung 22 bildet die Leseleitung des Thermometers 16.
Die andere diesem Thermometer zugeordnete Leitung 24 ist eine elektrische Versorgungsleitung dieses Thermometers.
Anzumerken ist, dass die elektrische Versorgung aller Bolometer der Matrix 4 eine gemeinsame ist.
Diese Leitung 24 erstreckt sich ab dem Thermometer 16 auf dem Gitter, verläuft auf dem diesem Gitter entsprechenden Arm 20 und dann auf der Oberseite des Trägers 6, wie man im rechten Teil der Fig. 2 sieht.
In dem in der Fig. 2 dargestellten Beispiel ist jedes Thermometer 16 einem anderen Thermometer 26 zugeordnet, das ein Kompensationsthermometer bildet, das ermöglicht, mit dem Thermometer 16 Differentialmessungen zu machen.
Das Thermometer 26 ist auf der Oberseite des Trägers 6 ausgebildet (bei dem dargestellten Beispiel links des Gitters 6).
Der Detektor 26 ist ebenfalls mit zwei elektrischen Leitungen versehen, nämlich
- einer Leitung 28, die mit der Leitung 22 des Detektors 16 verbunden ist, wie in der Fig. 2 zu sehen, und
- einer anderen Leitung 30, die eine Leseleitung bildet, die parallel zu dem Teil der Leitung 22 ist, der sich auf der Oberseite des Substrats 6 befindet (linker Teil der Fig. 2).
Die Bolometer-Matrix 4 ist reihenförmig organisiert, und wenn es z. B. 10 Bolometer pro Reihe gibt, erhält man für jede Reihe 10 · 2 Leseleitungen auf der einen Seite und auf der anderen Seite eine gemeinsame Versorgungsleitung der Bolometer dieser Reihe.
Wie in der Fig. 1 zu sehen, sind die diversen Zeilen der Matrix entsprechend den Ausgangsbussen 32 zusammengefasst, die auf der Oberseite des Trägers 6 ausgebildet sind.
Diese Ausgangsbusse sind mit einer Leseschaltung 34 der Matrix 4 verbunden.
Bei dem in der Fig. 1 dargestellten Beispiel ist diese Leseschaltung hybrid auf die Oberseite des Trägers 6 montiert.
In der Fig. 1 sieht man auch diverse elektrische Leitungen 36, die mit der Leseschaltung 34 verbunden sind und die Eingangs-Ausgangsleitungen dieser Leseschaltung bilden.
Anzumerken ist, dass das Kompensationsthermometer 26 wie das Thermometer 16 durch entsprechende Ionenimplantation in dem Silicium erzeugt wurde, wie man in der Folge besser sehen wird.
Der Boden des Hohlraums bzw. Resonators 10 ist metallisiert, um einen reflektierenden Hohlraum zu erhalten.
Der Abstand zwischen den leitenden Mustern 14 kann gleich einem Viertel der mittleren Wellenlänge der Wellen des Bereichs der elektromagnetischen Wellen sein, die man mit der Vorrichtung der Fig. 1 detektieren will, wobei der oben genannte metallisierte Boden einen Reflektor 37 bildet.
Anzumerken ist auch, dass diese Vorrichtung, um hohe Leistungen zu erzielen, auf tiefe Temperaturen gebracht werden kann, unter einige Kelvin, z. B. auf 0,3 K, und dies unter Tiefsttemperatur-Vakuum.
Bei bestimmten Anwendungen kann man die Vorrichtung bei Umgebungstemperatur benutzen.
Die in der Fig. 1 schematisch dargestellte Bolometer-Matrix ist eine monolithische Matrix, die Bolometer oder Pixel umfasst, die im Wesentlichen aneinandergrenzen und die zahlreich sein können, z. B. ungefähr hundert.
Die Verwendung einer monolithischen Matrix mit einer großen Anzahl aneinandergrenzender Pixel ermöglicht - im Gegensatz zu den weiter oben erwähnten bekannten Vorrichtungen - eine räumliche Überabtastung.
Es wird dank jedes Bolometers eine nahe bei 100% liegende und spektral selektive Absorption realisiert.
Die spektrale Selektivität und die optische Öffnung bzw. Apertur ("field of view") können dank optischer Einrichtungen (nicht dargestellt) verbessert werden, die zur Benutzung der Vorrichtung den Bolometern zugeordnet werden.
Anzumerken ist, dass das Prinzip der Erfindung benutzt werden kann, um das Äquivalent eines schwarzen Anstrichs zu realisieren, der nötig ist, um Flüsse zu beherrschen, die in dem Behälter reflektiert werden, in dem man die Detektionsvorrichtung anordnet.
Weiter unten wird ein Verfahren beschrieben, das ermöglicht, alle Bolometer der Vorrichtung in kollektiver Weise herzustellen.
Es ist nicht unerlässlich, die Leseschaltung 34 des Typs Tiefsttemperatur-MOS in der Fokalebene der Vorrichtung anzuordnen, aber es ist vorteilhaft, um in dieser Ebene eine komplette Komponente bzw. ein komplettes Bauelement zu haben.
Die Vorrichtung der Fig. 1 kombiniert die drei folgenden Prinzipien:
- das Prinzip der Absorption mittels Viertelwellenlängen-Resonator (bei den Antiradarsystemen benutztes Prinzip), wobei man sich zu diesem Thema auf das Dokument (6) bezieht,
- das Prinzip der Absorption durch Erregung elektromagnetischer Oberflächenwellen, wobei man sich zu diesem Thema auf das Dokument (7) bezieht,
- das Prinzip der Wellenlängenselektivität eines Submillimeter-Filters, ein periodisches Gitter metallischer Muster nutzend, wobei man sich zu diesem Thema auf das Dokument (8) bezieht, jedoch ist anzumerken, dass es in diesem Dokument (8) keine Frage ist bzw. nicht davon die Rede ist, die Absorptionseigenschaften eines Metalls von geeigneter Resistivität zu nutzen.
Jeder der Bolometer der Vorrichtung, von denen ein Exemplar in der Fig. 2 dargestellt ist, ist um so leistungsfähiger, je niedriger seine Temperatur ist (z. B. in der Größenordnung von 0,1 K bis 0,3 K), je kleiner seine Wärmekapazität ist und je besser seine thermische Isolation ist.
Die Bedingung der kleinen Wärmekapazität wird durch die Wahl eines Gitters besser erfüllt als durch eine homogene Ebene.
Gleichzeitig wird dadurch eine relative Immunität gegenüber kosmischen Teilchen garantiert, die insbesondere im All vorhanden sind.
Zwei Merkmale der Vorrichtung der Fig. 1 tragen bei zur Realisierung einer elektromagnetischen Doppelresonanz gegenüber einer eintreffenden Welle, nämlich:
- der unter dem Gitter eingerichtet Hohlraum bzw. Resonator, auf dessen Boden ein metallischer Reflektor abgeschieden ist, mit einem Abstand, der dem Viertel der mittleren Wellenlänge der Wellen entspricht, die man detektieren will, und
- die leitfähigen Muster (metallische Abscheidungen) auf dem Siliciumgitter, wobei diese Muster z. B. die Form eines Kreuzes oder eine L haben können und voneinander beabstandet sein können oder nicht.
Diese Muster werden entsprechend der Teilung des periodischen Gitters reproduziert und haben eine Länge, die der Hälfte der Wellenlänge entspricht, für die man die Resonanz sucht und folglich die Absorption sowie einen angepassten elektrischen Widerstand pro Quadrat (par carré).
Mit einer Vorrichtung der Art wie dargestellt in der Fig. 1 kann man Absorptionen von annähernd 1 bzw. 100% erzielen, mit einer relativ schwachen spektralen Selektivität (Absorption höher als 95% bei 400 um Wellenlänge) gegenüber dem Einfallwinkel der Wellen (unter 30º als Absolutwert).
In thermischer Hinsicht ermöglichen das Thermometer 16, das sich in der Mitte des Gitters befindet, und das Thermometer 26, das sich auf dem Träger 6 befindet (Temperaturbezugsträger) oder eventuell in der Mitte eines "blinden" Gitters (Gitter mit leitfähigen Mustern, die nicht wechselwirken mit den Wellenlängen, die man detektieren will), eine Differentialmessung, um sich freizumachen von den störenden Bezugstemperaturschwankungen sowie den räumlichen Dispersionen bzw. Raumstreuungen der Bolometer im großen Maßstab.
Bei einer nicht dargestellten vorteilhaften Variante, die zu einer besseren Kompensation führt, befindet sich das Thermometer 26 in der Mitte eines vom Träger 6 thermisch isolierten, zusätzlichen Arms, angeordnet längs einer Seite des Pixels 8, so dass diese thermische Isolierung für das eine wie das andere Thermometer gleich ist.
Diese beiden Thermometer können auf den Transport- bzw. Übertragungseigenschaften des implantierten Siliciums beruhen.
Zu diesem Thema kann man sich auf das Dokument (2) beziehen.
Die Vorrichtung der Fig. 1 hat gute Leistungen bei 0,3 K und ist geeignet für die meisten Raum- oder Bodenanwendungen.
Ihre Leistungen sind noch besser bei 0,1 K.
In Anbetracht des Füllfaktors des Gitters ist der Widerstand pro Quadrat (par carré) des Metallfilms, den man benutzt, um die Impedanzanpassung zu realisieren, kleiner als derjenige, der im Fall der Bolometer nötig ist, die auf einer homogenen Ebene ausgebildet sind, unter genereller Verwendung einer Wismutschicht.
Um diesen Metallfilm zu realisieren, kann man eine dünne Schicht aus Aluminium, aus Gold oder TIN (unter Stickstoff abgeschiedenes Titan) verwenden, deren Resistivität um drei Größenordnungen höher sein kann als die einer massiven Materials, und dies auf Grund seiner Körnigkeit und der benutzten Abscheidungsmethode.
Man kann auch eine Implantation im Silicium selbst realisieren, was eine viel bessere thermische Kopplung zwischen den Elektronenbädern in der Absorptionsschicht und dem Photonenbad im Träger ermöglicht, jedoch wird die Wärmekapazität des Films größer.
Diese Kopplung ist sehr empfindlich für die in Betracht gezogenen Temperaturen.
Anschließend wird das Funktionsprinzip der Vorrichtung der Fig. 1 beschrieben.
Das bekannte Prinzip des Resonanzhohlraums ermöglicht, das elektrische Feld in Höhe des Metalls zu verstärken, wo man durch Unterbrechung des Magnetfelds eine elektrische Stromdichte induziert.
Dieser Strom führt durch Joule-Effekt in das resistive Metall eine Leistung ab, die folglich einer Absorption der einfallenden Wellen entspricht.
Zu diesem Thema kann man das Dokument (6) konsultieren.
Wenn es keine elektrische Kontinuität der leitenden Muster gibt, d. h. wenn sie kapazitiv sind, wird der in der Schicht induzierte Strom schwingen bzw. in Resonanz sein, da die charakteristische Wellenlänge der Muster gleich der Hälfte der mittleren Wellenlänge der einfallenden Wellen ist.
Der Vorteil eines Gitters in Bezug auf eine homogene Ebene ist vor allem der Gewinn bezüglich der Wärmekapazität (das Volumen ist wesentlich kleiner) und außerdem ein breiteres Absorptionsband.
Die Verbindung Gitter-Hohlraumresonator führt zu einem viel leistungsstärkeren Bolometer in Bezug auf die bekannten Bolometer (die eine homogene Ebene mit oder ohne Hohlraum haben).
Anzumerken ist, dass die leitenden Muster allein, egal ob kapazitiv oder induktiv, bei der Absorption keinen ebenso deutlichen Resonanzeffekt aufweisen, wie wenn sie einem Hohlraum zugeordnet sind.
Die Fig. 1 zeigt ebenfalls schematisch die Möglichkeit, eine Matrix von Konzentrationskonen 38, auch "Winston-Konen" genannt, der Bolometer-Matrix zuzuordnen.
Im gegenteiligen Fall kann man, um den Störfluss der optischen Einrichtungen (nicht dargestellt) zu begrenzen, die der Vorrichtung zugeordnet sind und die nicht unbedingt gekühlt werden müssen, den Sehwinkel in kollektiver Weise reduzieren und Vorteil aus der Tatsache ziehen, dass die Gitter-Bolometer nicht nur bei der Wellenlänge selektiv sind, sondern auch beim Einfallwinkel.
Im Falle der Verwendung der Konzentrationskonen, wird jeder Resonanzhohlraum nicht nur am Boden metallisiert, sondern auch noch an den Seiten, um einen "geschlossenen" Hohlraum bzw. Resonator zu erhalten.
Das Substrat 39, in dem die Konen ausgebildet sind, kann auf der Saite der Bolometer-Matrix reflektierend gemacht werden
Zudem kann man den Bolometern der Vorrichtung der Fig. 1 Gitter-Filter zuordnen (die die "Negative" der Gitter-Bolometer bilden).
Diese Gitter-Filter sind dann gekoppelt, d. h. mit einem Abstand in der Größenordnung der mittleren zu detektierenden Wellenlänge angeordnet, um diese Filter und die Bolometer in dem Sinne unabhängig zu machen, dass die erhaltene spektrale Reaktion nicht äquivalent ist zum Produkt der spektralen Transmission der Filter mal der spektralen Absorption der Vorrichtung.
Schließlich sei die Möglichkeit angemerkt, dass man konstruktiv den Antiresonanzhohlräumen eine Wellenlänge λ1 geben kann und den kapazitiven Resonanzgittern eine Wellenlänge λ2.
Man wählt die Höhe des Hohlraums gleich der Hälfte der mittleren Wellenlänge der zurückzuweisenden bzw. auszuschließenden Wellen.
In diesem Fall absorbieren die Hohlräume diese Wellen nicht; daher der Ausdruck "Antiresonanz-Hohlräume".
Die Konjugation dieses Antiresonanz-Effekts und der Resonanzeffekt der kapazitiven Gitter führen zu modulierbaren spektralen Absorptionen, um zum Beispiel Absorptions-Bandfilter oder sogar Doppelabsorptions-Bandfilter zu erhalten.
Die Fig. 3A bis 3H zeigen schematisch ein Herstellungsverfahren, das ermöglicht, eine Vorrichtung von der Art der in den Fig. 1 und 2 dargestellten zu erhalten.
Man verwendet (Fig. 3A) ein Substrat 40 des Typs SIMOX, das ein Primärsubstrat 42 aus Silicium umfasst, das überdeckt wird von einer Schicht 44 aus Siliciumoxid, die selbst von einer Schicht 46 aus Silicium überdeckt wird.
Man realisiert die Thermometer 16 durch lokale Implantation in der Siliciumschicht 46.
Man realisiert auch die diversen Gitter-Metallisierungen (leitende Muster) durch Abscheidung und Ätzung einer Metallschicht.
Anschließend (Fig. 3B) maskiert man die diversen Thermometer und die diversen Gitter-Metallisierungen mittels einer Photoresistschicht 50.
Die Resistmaske hat die der Ätzung entsprechende Form, die ermöglicht, die Siliciumgitter und die Verbindungsarme der Gitter auf dem Substrat herzustellen (das nicht dargestellt aber in der Beschreibung der Fig. 2 erwähnt ist).
Dieser Ätzschritt wird durch die Fig. 3C dargestellt und führt zu der Herstellung der Gitter 52 und der Verbindungsarme und zur Individualisierung der Thermometer.
Anschließend ätzt man die Siliciumdioxidschicht 44, um die thermische Isolation der Gitter 52 (Fig. 3D) zu realisieren und dabei deren Abstützpunkte (Arme) stehen zu lassen.
Anschließend scheidet man auf dem hergestellten Aufbau eine Photoresistschicht 54 ab, in der sich dann die Gitter befinden (Fig. 3E).
Man ätzt diese Resistschicht 54 so, dass sich an der oberen Oberfläche des Primärsubstrats 42 Zugangslöcher bilden (Fig. 3F).
Anschließend (Fig. 3 G) ätzt man das Silicium dieses Substrats 42 durch diese Löcher hindurch, so dass man jeden Hohlraum 10 erhält (schon erwähnt in der Beschreibung der Fig. 2), und man scheidet auf dem Boden jedes Hohlraums 10 eine reflektierende Metallschicht 37 ab.
Anschließend eliminiert man die Resistschicht 54 (Fig. 3H).
In der Folge wird ein anderes Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen bolometrischen Detektionsvorrichtung beschrieben.
Dieses andere Verfahren umfasst ebenfalls die mit Bezug auf die Fig. 3A bis 3D beschriebenen Schritte.
Jedoch ist dieses andere Verfahren einfacher, da man nach dem der Fig. 3D entsprechenden Schritt einen durch die Fig. 31 dargestellten Schritt anfügt.
Im Laufe dieses Schritts ätzt man das Silicium des Primärsubstrats 42 von dessen Unterseite aus, und scheidet auf dem Boden jeder derart hergestellten Zone 56 eine Metallschicht 54 ab.
Diese Metallschicht 54 bildet einen Reflektor auf der Rückseite der Hohlraumresonators 58, den man in der Fig. 31 sieht.
In diesem Fall wird dieser Hohlraumresonator 58 durch eine Silicium-Dicke gebildet.
Der Abstand h zwischen dem Reflektor 54 und den leitenden Mustern 48 ist annähernd λ/(4n), wobei λ die mittlere Wellenlänge der zu detektierenden Wellen ist und n der optische Index des Siliciums.
Festzustellen ist, dass man mit diesem anderen Herstellungsverfahren einen Resonanzhohlraum aus Silicium erhält, und nicht mehr einen materiallosen, also leeren Hohlraum.
Die Fig. 4 bis 7 zeigen schematisch diverse leitende Muster, verwendbar in erfindungskonformen Vorrichtungen.
In der Fig. 4 sieht man kreuzförmige Muster 14, die auf einem Siliciumgitter 12 ausgebildet sind.
In der Fig. 4 sieht man auch die Metallschicht 37, die den Reflektor des Hohlraums des die Muster 14 umfassenden Bolometers bildet.
Diese Schicht 37 ist aus einem Metall von sehr niedriger Resistivität mit einer Dicke von ungefähr 1 um und einem Widerstand pro Quadrat (par carré) von weniger als Zo/N, wobei Zo die Impedanz des Vakuums ist (337 Ω) und N größer als 100 ist.
Es handelt sich also sehr wohl um einen Reflektor.
Wie man weiter oben schon gesehen hat, beträgt der Abstand h zwischen den leitenden Mustern 14 und dieser Metallschicht 37 annähernd ein Viertel der zu detektierenden Wellenlänge λ, wenn das Milieu zwischen dem Gitter und dem Reflektor ein Vakuum ist.
Jedoch ist der Abstand h annähernd λ/(4n), wo n der optische Index des Mediums ist, das das Gitter und den Reflektor trennt, wenn dieses Medium kein Vakuum ist (sondern das Silicium in einem weiter oben betrachteten Beispiel).
Das Gitter 12 aus einem die zu detektierenden Wellen durchlassenden Material, ungefähr 1 um oder weniger dick, dient als mechanische Stütze bzw. mechanischer Träger.
Die leitenden Muster 14 haben eine Dicke von weniger als 1 um und sind aus einem Metall von bestimmter Resistivität, mit einem Widerstand pro Quadrat (par carré) der Größenordnung A.Zo/n1.
Der Parameter n1 ist ein Faktor, der von den optischen Indices der Medien abhängt, die sich zwischen den leitenden Mustern und dem Reflektor befinden.
Der Parameter A, enthalten zwischen 0 und 1, ist ein Faktor, der von der Geometrie der leitenden Muster abhängt.
Da die analytischen Ausdrücke nicht einfach zu erstellen sind, ist eine Simulation durch Auflösung der Maxwell-Gleichungen nötig.
Zu beachten ist, dass die Teilung oder Periode p des Gitters auf zwei zueinander senkrechten Achsen in der Ebene des Gitters gleich oder verschieden sein kann.
Diese Teilung p liegt in der Größenordnung der minimalen zu detektierenden Wellenlänge, um jede Braggsche Streuung zu vermeiden.
Die Breite 1 des Gitters kann frei gewählt werden, innerhalb der technischen Ausführungsgrenzen und unter der Bedingung, einen zwischen 0 und 1 enthaltenen Parameter A zu erhalten.
Der Vorteil eines kleinen Parameters A besteht darin, Bolometer mit sehr kleiner Wärmekapazität und - im All - einer Immunität gegenüber kosmischen Teilchen zu erhalten.
Die Länge L der Muster (im kapazitiven Fall, dargestellt in der Fig. 4) liegt in der Größenordnung der Hälfte der mittleren zu detektierenden Wellenlänge.
Anzumerken ist, dass man die Länge L unabhängig von der Periode p des Gitters vorschreiben kann, indem man den topologischen Zwängen Rechnung trägt.
Der Parameter a stellt die Breite der Muster dar und ist kleiner als 1.
Der Parameter b stellt den minimalen Abstand zwischen den Mustern dar, der begrenzt wird durch die Machbarkeit des Gitters in technischer Hinsicht.
Man ist bestrebt, den Füllfaktor des Gitters dem des Trägers anzupassen.
Die Fig. 5 zeigt schematisch weitere Muster 60 des kapazitiven Typs.
Diese Muster 60 haben die Form von Rahmen, die jede Öffnung 62 des Siliciumgitters 12 umgeben.
Die Fig. 6 zeigt schematisch weitere Muster 64 des kapazitiven Typs, wieder kreuzförmig.
Im Fall der Fig. 6 befinden sich zwei Zweige dieser kreuzförmigen Muster 64 zwischen zwei benachbarten Öffnungen 62 des Gitters 12.
Die Fig. 7 zeigt schematisch ein weiteres Beispiel von in der Erfindung verwendbaren leitenden Mustern 66, wobei diese Muster 66 der Fig. 7 elektrischen Kontakt miteinander haben und folglich induktiven Typs sind.
Die obigen Beispiele zeigen Gitter mit "cartesischer" Periodizität (entsprechend zwei zueinander senkrechten Achsen in der Ebene des Gitters).
Die Erfindung ist nicht auf solche Gitter begrenzt.
Man kann erfindungsgemäße Vorrichtungen herstellen, bei denen die Periodizität des Gitters und seiner metallischen Muster in der Ebene des Gitters radial und zirkular ist.
Die in der vorliegenden Beschreibung zitierten Dokumente sind die folgenden:
(1) "Bolometers for infrared and millimeter waves", P. L. Richards, J. Appl. Phys. 76(1), 1. Juli 1994, Seiten 1 bis 24
(2) "Monolithic silicon bolometers", P. M. Downey et al., Applied Optics, Vol. 23, Nr. 6, 15. März 1984, Seiten 910 bis 914
(3) "Issues in the readout of FIR and mm-wave bolomters for astrophysical applications", P. T. Timbie et al., SPIE Vol. 2226 Infrared Readout Electronics II (1994), Seiten 2 bis 13
(4) "Developpement et exploitation de bolomètres au sol", R. Neri et al., interne Mitteilung des "Institut de Radio-Astronomie Millimétrique"
(5) "First Far-Infra-Red and Submillimetre Space Telescope", S. Beckwith et al., European Space Agency, SCI (93)6, September 1993
(6) "Infrared and millimeter wave absorber structures for thermal detectors", A. Hadni et al., Infrared Phys., Vol. 30, Nr. 6, 1990, S. 465 bis 478
(7) "Absorption of electromagnetic radiation in a layered metal and insulator structure", A. Ya. Blank et al., Journal of communications technology and electronics, 39(3), 1994, Seiten 113 bis 122
(8) "Millimeter-submillimeter wavelength filter system", L. A. Page et al., Applied Optics, Vol. 33, Nr. 1, 1. Januar 1994, Seiten 11 bis 23.

Claims

1. Bolometrische Detektorvorrichtung für Millimeter- und Submillimeterwellen, wenigstens ein Bolometer (8) enthaltend, gebildet durch einen für die zu detektierenden Wellen durchlässigen Träger (6), wobei diese Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, dass dieses Bolometer umfasst:

- einen reflektierenden Hohlraumresonator (10),

- ein Gitter (12), thermisch isoliert vom Träger und über dem Hohlraum angeordnet,

- ein System periodischer Muster (14, 60, 64, 66), elektrisch leitfähig, die auf dem Gitter ausgebildet sind und deren elektrische Impedanz an die des Vakuums angepasst ist, und

- ein Hauptthermometer (16), fest verbunden mit dem Gitter.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Muster (14, 60, 64) elektrisch miteinander verbunden sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Muster (66) elektrisch voneinander isoliert sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe der Muster die gleiche Größenordnung aufweist wie die halbe mittlere Wellenlänge der zu detektierenden Wellen.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilung des Gitters (12) die gleiche Größenordnung aufweist wie die halbe Wellenlänge der zu detektierenden Wellen.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Bolometer außerdem ein Hilfsthermometer (26) umfasst, das mit dem Hauptthermometer (16) hinsichtlich einer Temperaturdifferentialmessung verbunden ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass es außerdem eine elektronische Schaltung (34) zum Lesen der durch jedes Bolometer gelieferten Signale umfasst.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Bolometer mit einem Konzentrationskonus (38) verbunden ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Matrix (4) aus M · N Bolometern umfasst, wobei M und N ganze Zahlen, wenigstens gleich 1, sind.

10. Verfahren zur Herstellung der Detektionsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es die folgenden Schritte umfasst:

- man bildet das Hauptthermometer und die leitfähigen Muster des Bolometers auf einem Silicium/Siliciumdioxid/Silicium-Substrat (42, 44, 46),

- man bildet das Gitter des Bolometer auf diesem Substrat,

- man eliminiert das Siliciumdioxid (44) des Substrats unter diesem Gitter, und

- man bildet den reflektierenden Hohlraumresonator (10, 58) unter dem Gitter.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass, zur Bildung des Hohlraums:

- man das Silicium des Substrats unter dem Gitter von der Rückseite dieses Substrats aus eliminiert, wobei man eine Siliciumschicht (58) stehen lässt, deren Dicke der Resonanz entspricht, und

- man auf dieser Siliciumschicht auf der Rückseite des Substrats eine reflektierende Schicht (54) bildet.

12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass, um den Hohlraum zu bilden:

- man das Silicium des Substrats unter dem Gitter von der Vorderseite dieses Substrats aus über eine Dicke eliminiert, die der Resonanz entspricht, und

- man auf dem Boden des derart durch Eliminierung des Siliciums hergestellten Hohlraums (10) eine dem Gitter gegenüberstehende reflektierende Schicht (37) bildet.