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TECHNISCHES
GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Infrarotbolometer und im Spezielleren
ein Drei-Ebenen-Infrarotbolometer.
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HINTERGRUNDTECHNIK
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Bolometer
sind Energiedetektoren, die auf einer Änderung im Widerstand von Materialien
(Bolometerelemente genannt) basieren, die einem Strömungsfluss
ausgesetzt sind. Die Bolometerelemente sind aus Metallen oder Halbleitern
hergestellt worden. Bei Metallen beruht die Widerstandsänderung im
Wesentlichen auf Variationen in der Trägerbeweglichkeit, die typischer
Weise mit der Temperatur abnimmt. Eine größere Empfindlichkeit kann bei
Halbleiterbolometerelementen hohen Widerstands erreicht werden,
bei denen die Dichte freier Träger
eine exponentiale Funktion der Temperatur ist, aber eine Dünnschichtherstellung
von Halbleitern für
Bolometer stellt ein schwieriges Problem dar.
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1 und 2 sind
eine Querschnitts- und eine perspektivische Ansicht, die ein Zwei-Ebenen-Bolometer 10 veranschaulichen,
das in dem U.S. Patent Nr. 5,300,915 mit dem Titel "Thermal Sensor" offenbart ist, wobei
das Bolometer 10 eine erhöhte Mikrobrückendetektorebene 11 und
eine untere Ebene 12 aufweist. Die untere Ebene 12 weist ein
flaches oberflächenbearbeitetes
Halbleitersubstrat 10 auf, wie zum Beispiel ein einzelnes
Kristallsiliziumsubstrat. Die Oberfläche 14 des Siliziumsubstrats
weist darauf hergestellt einige Komponenten eines integrierten Schaltkreises 15 einschließlich Dioden,
x und y Busleitungen, Verbindungen und Kontaktanschlussbereichen
an den Enden der x und y Busleitungen auf, wobei die Herstellung
herkömmlicher
Silizium-IC-Technologie folgt. Der integrierte Schaltkreis 15 ist
mit einer Schutzschicht aus Siliziumnitrid 16 beschichtet.
Der vertiefte Streifen 17 ist der Bereich, der nicht von
dem erhöhten
Detektor bedeckt ist.
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Die
erhöhte
Detektorebene 11 weist eine Siliziumnitridschicht 20,
einen schlangenlinienförmigen metallischen
Widerstandspfad 21, eine Siliziumnitridschicht 22 über den
Schichten 20 und 21 und eine Infrarotabsorberbeschichtung 23 (im
folgenden "IR-Absorberbeschichtung") über der
Siliziumnitridschicht 22 auf. Sich nach unten erstreckende
Siliziumnitridschichten 20' und 22', die gleichzeitig
während
der Herstellung abgeschieden werden, bilden die vier abfallenden
Trägerbeine
für die
erhöhte
Detektorebene 11. Die Anzahl von Trägerbeinen kann größer oder kleiner
als 4 sein. Die Kavität 26 zwischen
den zwei Ebenen ist Umgebungsatmosphäre. Während des Herstellungsprozesses
war die Kavität 26 jedoch
ursprünglich
mit einer zuvor abgeschiedenen Schicht aus leicht lösbarem Glas
oder einem anderen lösbaren
Material gefüllt,
bis die Schichten 20, 20' und 22, 22' abgeschieden
wurden. Danach wurde in dem Prozess das Glas herausgelöst, um die
Kavität
zu verlassen.
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In 3 gibt
es eine Aufsicht, die die in 1 gezeigte,
erhöhte
Detektorebene 11 abbildet. Diese Zeichnung ist derart,
als ob die darüber
liegende Absorberbeschichtung 23 und die obere Siliziumnitridschicht 22 transparent
sind, so dass der schlangenförmige
Widerstandsschichtspfad 21 gezeigt werden kann. Die Enden 21a, 21b des
Widerstandspfads 21 sind nach unten zu dem geneigten Bereich 30 fortgesetzt,
um einen elektrischen Kontakt mit Anschlussbereichen 31 und 32 auf
der unteren Ebene 12 herzustellen. 3 zeigt
auch die Nitridfensterausschnitte 35, 36 und 37,
die durch die Siliziumnitridschichten 20 und 22 hindurch
geöffnet
sind, um für einen
Zugriff auf das Phosphorglas darunter zu sorgen, um es unterhalb
der Detektorebene zu lösen. Die
Nitridfensterausschnitte 35, 36, 37,
um für
diesen Zugriff zu sorgen, sind schmal und werden mit benachbarten
Pixeln an den Seiten geteilt, wodurch der für den Detektor verfügbare Bereich
maximiert wird und wodurch der Füllfaktor
maximiert wird. Die vier Trägerbrücken können kurz
oder so lang wie notwendig sein, um für eine adequate Abstützung und
thermische Isolierung zu sorgen.
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Einer
der Nachteile des oben beschriebenen Bolometers ist sein nicht optimaler
Füllfaktor,
der aus dem Vorhandensein der Brücken
auf der gleichen Ebene sowie der erhöhten Mikrobrückendetektorebene
resultiert, was wiederum den Gesamtbereich zur IR-Absorption, d.h.
den Füllfaktor,
verringert.
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OFFENBARUNG
DER ERFINDUNG
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Es
ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Drei-Ebenen-Infrarotbolometer
mit erhöhtem
Füllfaktor
und verbesserter Absorption bereitzustellen.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Drei-Ebenen-Infrarotbolometer
bereitgestellt, wobei das Bolometer umfasst: eine Aktivmatrixebene,
wobei die Aktivmatrixebene ein Substrat und wenigstens ein Paar
von Verbindungsanschlüssen
aufweist, wobei das Paar von Verbindungsanschlüssen auf der Oberseite des
Substrats gebildet ist, eine Trägerebene,
die mit wenigstens einem Paar von Brücken ausgestattet ist, wobei
jede der Brücken eine
Verbindungsleitung aufweist, wobei ein Ende der Verbindungsleitung
mit dem zugehörigen
Verbindungsanschluss elektrisch verbunden ist, eine Absorptionsebene,
wobei die Absorptionsebene einen Absorber, ein Bolometerelement,
das von dem Absorber umgeben ist, eine Dünnschicht auf der Oberseite
des Absorbers und eine Infrarotabsorberbeschichtung aufweist, die
auf der Oberseite der Dünnschicht
gebildet ist, wobei die Infrarotabsorberbeschichtung mehrere Poren
darin und eine raue obere Oberfläche
aufweist, und wenigstens ein Paar Stützen, wobei jede der Stützen zwischen
der Absorptionsebene und der Trägerebene
angeordnet ist und eine elektrische Leitung aufweist, die von einem
Isolationsmaterial umgeben ist, wobei jedes Ende des Bolometerelements
der Absorptionsebene mit dem entsprechenden Verbindungsanschluss über die
entsprechende elektrische Leitung und die entsprechende Verbindungsleitung
verbunden ist.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
obigen und weitere Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung
werden aus der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
in Verbindung mit den beigefügten
Zeichnungen ersichtlich, in denen:
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1 eine
schematische Querschnittsansicht zeigt, die ein zuvor offenbartes,
Zwei-Ebenen-Mikrobrückenbolometer
veranschaulicht;
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2 eine
perspektivische Ansicht zeigt, die das in 1 gezeigte
Zwei-Ebenen-Mikrobrückenbolometer
darstellt;
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3 eine
Aufsicht zeigt, die eine erhöhte Detektorebene
in 1 abbildet;
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4 eine
perspektivische Ansicht zeigt, die ein Drei-Ebenen-Infrarotbolometer
gemäß der vorliegenden
Erfindung darstellt;
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5 eine
schematische Querschnittsansicht präsentiert, die das Drei-Ebenen-Infrarotbolometer
entlang I-I in 4 abbildet; und
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6A bis 6L schematische
Querschnittsansichten bereitstellt, die ein Verfahren zum Herstellen
des Drei-Ebenen-Infrarotbolometers in 5 veranschaulichen.
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ARTEN, DIE ERFINDUNG AUSZUFÜHREN
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In 4 und 5 ist
eine perspektivische Ansicht bereitgestellt, die ein Drei-Ebenen-Infrarotbolometer 201 gemäß der vorliegenden
Erfindung bzw. eine schematische Querschnittsansicht entlang I-I
in 4 veranschaulichen. Es sollte angemerkt werden,
dass gleiche in 4 und 5 erscheinende
Teile durch gleiche Bezugszeichen angegeben sind.
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Das
in 4 und 5 gezeigte, erfinderische Bolometer 201 umfasst
eine Aktivmatrixebene 210, eine Trägerebene 220, wenigstens
ein Paar von Stützen 270 und
eine Absorptionsebene 230.
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Die
Aktivmatrixebene 210 weist ein Substrat 212 mit
einem integrierten Schaltkreis (nicht gezeigt), einem Paar von Verbindungsanschlüssen 214 und eine
Schutzschicht 216 auf. Jeder der aus Metall hergestellten
Verbindungsanschlüsse 214 ist
an der Oberseite des Substrats 212 angeordnet. Die Schutzschicht 216,
die z. B. aus Siliziumnitrid hergestellt ist, bedeckt das Substrat 212.
Das Paar von Verbindungsanschlüssen 214 ist
mit dem integrierten Schaltkreis elektrisch verbunden.
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Die
Trägerebene 220 weist
ein Paar von aus Siliziumnitrid (SiNx) hergestellten
Brücken 240 auf, wobei
jede der Brücken 240 eine
Verbindungsleitung 265 an der Oberseite derselben ausgebildet
aufweist. Jede der Brücken 240 ist
mit einem Ankerteil 242, einem Fußteil 244 und einem
erhöhten
Teil 246 ausgestattet, wobei der Ankerteil 242 ein
Durchgangsloch 252 aufweist, durch das ein Ende der Verbindungsleitung 265 mit
dem Verbindungsanschluss 214 elektrisch verbunden ist und
der Fußteil 244 den erhöhten Teil 246 abstützt.
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Die
Absorptionsebene 230 ist mit einem Absorber 295,
der aus einem wärmeabsorbierenden Material,
z. B. Siliziumoxid (SiO2) hergestellt ist,
einem schlangenförmigen
Bolometerelement 285, das aus z. B. Titan (Ti) hergestellt
und von dem Absorber 295 umgeben ist, einer Dünnschicht 297,
die z. B. Titan (Ti) hergestellt ist, das auf der Oberseite des
Absorbers 295 ausgeformt ist, und eine IR-Absorberbeschichtung 299 ausgestattet
ist, die auf der Oberseite der Titandünnschicht 297 ausgebildet
ist.
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Jede
der Stützen 270 ist
zwischen der Absorptionsebene 230 und der Trägerebene 220 angeordnet.
Jede der Stützen 270 weist
eine elektrische Leitung 272 auf, die aus einem Metall,
z. B. Titan (Ti), hergestellt und von einem Isolationsmaterial umgeben
ist. Das obere Ende der elektrischen Leitung 272 ist mit
einem Ende des schlangenförmigen
Bolometerelements 258 elektrisch verbunden und ein unteres
Ende derselben ist mit der Verbindungsleitung 265 auf der
Brücke 240 elektrisch
verbunden, so dass beide Enden des schlangenförmigen Bolometerelements 285 in
der Absorptionsebene 230 über die elektrischen Leitungen 272,
die Verbindungsleitungen 265 und die Verbindungsanschlüsse 214 mit dem
integrierten Schaltkreis der Aktivmatrixebene 210 elektrisch
verbunden sind.
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Wenn
die Infrarotenergie absorbiert wird, wird der Widerstand des schlangenförmigen Bolometerelements 285 geändert, wobei
der geänderte
Widerstand bewirkt, dass sich ein Strom und eine Spannung variieren.
Der variierte Strom oder Spannung wird von dem integrierten Schaltkreis
derart verstärkt,
dass der verstärkte
Strom oder Spannung durch einen Detektionsschaltkreis (nicht gezeigt) ausgelesen
wird.
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Das
Verfahren zum Herstellen des erfinderischen Infrarotbolometers ist
nun unter Bezugnahme auf 6A bis 6L beschrieben.
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Der
Prozess für
die Herstellung des Bolometers 201 beginnt mit der Vorbereitung
des Substrats 212 einschließlich des integrierten Schaltkreises
und des Paars der Verbindungsanschlüsse 214. Nachfolgend
wird die z. B. aus Siliziumnitrid (Si3N4) hergestellte Schutzschicht 216 auf
der Oberseite des Substrats 212 durch Verwendung eines
plasmaverstärkten
chemischen Dampfabscheidungs-(PECVD; engl.: Plasma Enhanced Chemical
Vapour Deposition)-Verfahrens
abgeschieden, um dadurch eine Aktivmatrixebene 210, wie
in 6A gezeigt, zu bilden.
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In
einem nächsten
Schritt wird erstes Opfermaterial (nicht gezeigt) mit z. B. Poly-Si
auf der Oberseite der Schutzschicht 216 durch Verwendung
eines chemischen Niederdruckdampfabscheidungs-(LPCVD; engl.: Low
Pressure Chemical Vapour Deposition)-Verfahrens abgeschieden, um
so eine flache obere Oberfläche
zu erreichen. Das erste Opfermaterial wird dann selektiv entfernt,
um eine erste Opferschicht 300 mit einem Paar von Kavitäten 305 durch Verwendung
eines Ätzverfahrens
zu bilden, wie in 6D gezeigt.
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Als
nächstes
wird eine Trägerschicht 250, die
z. B. aus Siliziumnitrid (SiNx) hergestellt
ist, auf der Oberseite der ersten Opferschicht 300 einschließlich der
Kavitäten 305 durch
Verwendung des PECVD-Verfahrens abgeschieden.
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Danach
wird ein Paar von Durchgangslöchern 252 in
der Trägerschicht 250 ausgebildet,
um die Verbindungsanschlüsse 214 freizulegen,
wie in 6C gezeigt.
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Danach
wird eine leitende Schicht 260, die aus einem Metall, z.
B. Ti, hergestellt ist, auf der Oberseite der Trägerschicht 250 einschließlich der Durchgangslöcher 252 durch
Verwendung eines Sputterverfahrens abgeschieden, wobei die Durchgangslöcher 252 mit
dem die leitende Schicht 260 bildenden Metall gefüllt werden,
um dadurch die leitende Schicht 260 mit den Verbindungsanschlüssen 214 elektrisch
zu verbinden, wie in 6D gezeigt.
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Dann
werden die leitende Schicht 260 und die Trägerschicht 250 zu
dem Paar von Verbindungsleitungen 265 und dem Paar von
Brücken 240 gemustert,
indem ein Metallätzverfahren
bzw. ein Nitridätzverfahren
verwendet werden, um dadurch die Trägerebene 220 zu bilden,
wie in 6E gezeigt.
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In
einem nachfolgenden Schritt wird ein zweites Opfermaterial (nicht
gezeigt) mit z. B. einem Poly-Si auf der Oberseite der Brücken 240 und
der ersten Opferschicht 300 durch Verwen dung des LPCVD-Verfahrens
abgeschieden, um eine flache obere Oberfläche zu erreichen. Das zweite
Opfermaterial wird dann selektiv entfernt, um eine zweite Opferschicht 310 mit
einem Paar von Löchern 315 durch Verwendung
des Ätzverfahrens
zu bilden, wie in 6F gezeigt.
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In
einem folgenden Schritt wird ein erstes Absorptionsmaterial 292,
z. B. SiO2, auf der Oberseite der zweiten
Opferschicht 310 einschließlich der Löcher 315 durch Verwendung
eines PECVD-Verfahrens abgeschieden.
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Als
nächstes
wird das erste Absorptionsmaterial 292 teilweise geätzt, um
ein Paar von Aperturen 296 zu erreichen, wodurch die Verbindungsleitungen 265 teilweise
freigelegt werden, wie in 6G gezeigt.
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Danach
wird eine Bolometerelementschicht (nicht gezeigt), die z. B. aus
Titan (Ti) hergestellt ist, auf der Oberseite des ersten Absorptionsmaterials 292 einschließlich der
Aperturen 296 durch Verwendung des Sputterverfahrens abgeschieden,
wobei die Aperturen 296 mit der Bolometerelementschicht gefüllt werden,
um dadurch ein Paar von elektrischen Leitungen 272 zu bilden.
Die Bolometerelementschicht wird dann durch Verwendung des Metallätzverfahrens
zu einem schlangenförmigen
Bolometerelement 285 gemustert, wie in 6H gezeigt.
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Nachfolgend
wird ein zweites Absorptionsmaterial 294, das aus dem gleichen
Material wie das erste Absorptionsmaterial 292 hergestellt
ist, auf der Oberseite des schlangenförmigen Bolometerelements 285 abgeschieden,
um dadurch den Absorber 295 zu bilden, wie in 6I gezeigt,
wobei der Absorber 295 das schlangenförmige Bolometerelement 285 umgibt.
Dann wird die Dünnschicht 297,
die z. B. aus Titan hergestellt ist, auf der Oberseite des Absorbers 295 durch
Verwendung des Sputterverfahrens so abgeschieden, dass eine Dicke
in dem Bereich von z. B. 10–10000
nm erreicht wird.
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Als
nächstes
wird mit Bezugnahme auf 6J die
IR-Absorberbeschichtung 299, die z. B. aus Siliziumoxynitrid
(SiOXNY, hier: X
= 0,1–2,5,
Y = 0,0–2,0)
hergestellt ist, auf der Oberseite der Titandünnschicht 297 ausgebildet.
Es ist bekannt, dass, wenn eine aus Siliziumoxynitrid hergestellte
Schicht auf einer aus Titan hergestellten Dünnschicht wächst, die Siliziumoxynitridschicht
zu einer Schicht mit mehreren Poren (nicht gezeigt) darinnen und
einer rauen oberen Oberfläche
wächst,
weil die Titanfilmoberfläche
nicht genügend
Kristallisationsstellen für
diese bereitstellt, um stabil zu wachsen. Dem entsprechend weist
die IR-Absorberbeschichtung 299 gemäß der vorliegenden Erfindung
mehrere Poren darinnen und eine raue obere Oberfläche auf.
Es sollte beachtet werden, dass die raue obere Oberfläche der
IR-Absorberbeschichtung 299 es
der IR-Absorberbeschichtung 299 ermöglicht, die Infrarotenergie wirksam
zu absorbieren. Um genauer zu sein, die IR-Absorberbeschichtung 299 mit
der rauen oberen Oberfläche
absorbiert mehr Infrarotenergie als wenn sie eine flache obere Oberfläche hat,
weil es die raue obere Oberfläche
der IR-Absorberbeschichtung 299 ermöglicht, einen Teil der reflektierten
Infrarotenergie zu reabsorbieren.
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Ferner
ist die IR-Absorberbeschichtung 299 unter Verwendung eines
Teilätzverfahrens
gemustert, um einen Teil der Titandünnschicht 297 freizulegen,
wie in 6K gezeigt.
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Danach
werden die freigelegte Titandünnschicht 297 und
der Absorber 295 geätzt,
um dadurch eine Absorptionsebene 230 zu bilden, wie in 6L gezeigt.
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Schließlich werden
die zweite und die erste Opferschicht 310, 300 unter
Verwendung eines Ätzverfahrens
entfernt, um dadurch das Drei-Ebenen-Infrarotbolometer 201 zu
bilden, wie in 5 gezeigt.
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Bei
dem Drei-Ebenen-Infrarotbolometer der vorliegenden Erfindung sind
die Brücken
unter der Absorptionsebene positioniert, was es ermöglicht, die
Absorptionsebene vollständig
zur IR-Absorption zu nutzen, was wiederum den Füllfaktor desselben erhöht, und
weist die Infrarotabsorberbeschichtung die raue obere Oberfläche auf,
was den Absorptionswirkungsgrad für Infrarotenergie verbessert.
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Auch
wenn die vorliegende Erfindung nur hinsichtlich bestimmter bevorzugter
Ausführungsformen
beschrieben worden ist, können
weitere Modifikationen und Variationen vorgenommen werden, ohne
sich dabei vom Umfang der vorliegenden Erfindung, wie in den folgenden
Ansprüchen
ausgeführt, zu
entfernen.