ДЕТЕКТОР ИК-ИЗЛУЧЕНИЯ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 2004 года по МПК G01J5/20 

Настоящее изобретение имеет отношение к созданию двухуровневого детектора ИК-излучения, прототипом которого является детектор ИК-излучения, описанный в патенте США Re. 36136, где описан также и способ его изготовления.

Известны различные двухуровневые детекторы ИК-излучения, примером которых можно указать устройства, описанные в патентах США Re. 36136; 5286976 и 5450053.

Технология, которая раскрыта в патентах США Re. 36136; 5286976 и 5540053, оказалась приемлемой для успешного промышленного производства (поперечное сечение элемента изображения, полученного с использованием известной технологии, показано на фиг.1); однако эта технология является относительно сложной, частично за счет использования при изготовлении так называемого мокрого процесса травления. Кроме того, для получения матрицы элементов изображения нужно использовать относительно большое число масок. Это создает большую массу элемента и, следовательно, требует большего количества энергии для изменения температуры.

Для устранения этих недостатков в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения в нем предлагается детектор ИК-излучения в виде двухступенчатого микромоста, который представляет собой элемент изображения на полупроводниковой подложке. Элемент изображения имеет нижнюю секцию на поверхности подложки, которая содержит интегральную схему. Элемент изображения также имеет верхнюю детекторную (чувствительную) планарную секцию, которая размещена с зазором относительно нижней секции и находится непосредственно над ней. Верхняя детекторная планарная секция содержит термочувствительный элемент из оксида ванадия, который имеет высокий температурный коэффициент сопротивления (ТКС) и удельное сопротивление в диапазоне от 5 кОм до 300 кОм на квадрат поверхностного слоя. Кроме того, верхняя детекторная планарная секция механически удерживается над нижней секцией при помощи введенных участков ножек из оксида ванадия, которые имеют удельное сопротивление в диапазоне ориентировочно от 250 Ом до 1.000 Ом на квадрат поверхностного слоя. Участки ножек электрически соединены как с термочувствительным элементом, так и с интегральной схемой. Кроме того, что является очень важным, участки ножек создают тепловую изоляцию для термочувствительного элемента. В типичном примере применения изобретение имеет вид большого числа элементов изображения, образующих матрицу и расположенных на общей полупроводниковой подложке. Детектор ИК-излучения дополнительно характеризуется тем, что имеет верхнюю детекторную планарную секцию для каждого из элементов изображения, содержащую средство поглощения. Кроме того, детектор ИК-излучения дополнительно характеризуется тем, что имеет отражающий слой на подложке под верхней детекторной секцией, что позволяет повысить полную чувствительность и эффективность устройства.

В соответствии с настоящим изобретением предлагаются опорные ножки и контакты, которые имеют минимальную площадь, что позволяет максимально увеличить эффективную площадь поглощения при тепловом детектировании, что имеет очень важное значение. Кроме того, за счет этого снижается до минимума теплопроводность детектора. Предложен также способ изготовления детектора с использованием намного меньшего числа (всего 5) фотошаблонов, в то время как для изготовления детектора с использованием известного ранее процесса мокрого травления требуется до 13 фотошаблонов. Таким образом, уникальный способ изготовления в соответствии с настоящим изобретением позволяет минимизировать тепловую массу, теплопроводность и предельный размер элемента изображения, а также изготовить дешевый детектор меньших размеров.

На фиг.1 показано поперечное сечение известного ранее элемента изображения, полученного частично за счет использования технологии в соответствии с патентами США Re. 36136; 5286976 и 5450053.

На фиг.2 показано поперечное сечение элемента изображения, изготовленного с использованием технологии в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.3 показан вид сверху или в плане термочувствительного элемента 40.

На фиг.4 показана изометрическая проекция устройства фиг.2, вид сверху слева.

Следует иметь в виду, что изображение на фиг.1, 2 и 4 условно сжато в горизонтальном направлении для того, чтобы позволить удовлетворительно показать расположение по вертикальной шкале предложенных в изобретении элементов изображения.

Показанный на фиг.1 известный ранее элемент изображения 10 в виде двухступенчатого микромоста содержит часть подложки 12, которая включает в себя интегральную схему 12' и, таким образом, образует нижнюю секцию элемента изображения. Интегральная схема может быть выполнена в соответствии с изложенным в патенте США Re 36136. Верхняя секция 11 представляет собой сложную многослойную структуру, изготовленную за счет использования технологии, включающей в себя множество операций, как это показано в патентах США Re. 36136; 5286976 и 5450053. Полученная верхняя секция детектора 11 размещена с зазором относительно нижней секции 12 и удерживается непосредственно над ней, причем желательным зазором для многих применений является зазор 1,8 мкм, что хорошо известно специалистам в данной области.

Более конкретно, известный ранее детектор 10 имеет серии последовательных слоев 13-19, а именно первый слой 13 из Si₃N₄, на котором осажден тонкий слой 14 из VOx (из оксида ванадия); слой 15 из NiCr, слой 16 из Si₃N₄; слой 17 из Сr, пробка 18 из Сu и слой 19 из NiCr. Таким образом, известный ранее элемент изображения, показанный на фиг.1, имеет большое число слоев, что приводит к тому, что элемент изображения будет иметь относительно большую массу, а это приводит к тому, что для изменения температуры элемента изображения потребуется большое количество энергии. Элемент изображения 30, изготовленный с использованием технологии в соответствии с настоящим изобретением, показан на фиг.2. Как и в известном ранее устройстве, элемент изображения содержит нижнюю секцию 33 с полупроводниковой подложкой 31, которая содержит интегральную схему 32. Эта интегральная схема может быть выполнена в соответствии с изложенным в патенте США Re 36136.

Отражающий слой 34 может быть осажден на верхней поверхности подложки 31; этот слой может быть изготовлен в виде тонкого слоя оксида индия и олова. Отражающий слой позволяет повысить чувствительность детектора, выполненного в соответствии с патентом США 5286976. Предусмотрена вертикальная стойка 36 для осуществления как механического, так и электрического соединения нижней секции 33 с верхней детекторной секцией 38 элемента изображения. Более конкретно, стойка 36 изготовлена из проводника, такого как алюминий, причем показанный на фиг.2 ее нижний конец электрически соединен с интегральной схемой 32 и механически поддерживается подложкой 31. Обратимся теперь к рассмотрению фиг.4, на которой показаны две диагонально расположенные стойки 36 и 36АА. Верхние концы стоек 36 и 36АА выполнены с возможностью соединения с концами участков ножек 41 и 42 элемента 40, что обсуждается ниже.

На фиг.2 показано, что верхняя детекторная планарная секция 38 расположена с зазором непосредственно над нижней секцией 33; и в этом случае преимущественно использован зазор 1,8 мкм.

Верхняя детекторная планарная секция 38, которая показана на фиг.2 и 3, содержит термочувствительный элемент 40 из VOx (из оксида ванадия). Этот материал имеет высокий температурный коэффициент сопротивления (ТКС) и удельное сопротивление в диапазоне от 5 кОм до 300 кОм на квадрат поверхностного слоя. Например, преимущественный вариант настоящего изобретения содержит чувствительный элемент 40, который имеет VOx пленку толщиной 700 ангстрем и имеет удельное сопротивление 50 кОм на квадрат поверхностного слоя. Вид сверху термочувствительного элемента 40 показан на фиг.3. Показано, что этот элемент имеет главным образом квадратную форму за исключением двух выемок на двух противоположных углах, за счет чего обеспечен высокий коэффициент формы, то есть большая площадь приема инфракрасной энергии. Позициями 40' и 40" обозначены удаленные друг от друга области элемента 40; более конкретно, область 40' находится ближе к вершине 36' стойки 36, а область 40" находится ближе к вершине 36АА' стойки 36АА. Интегрально (как механически, так и электрически) соединены с элементом 40 две ножки 41 и 42, которые также выполнены из оксида ванадия. Как это показано на фиг.3, ножка 41 соединена с элементом 40 в области 40' при помощи короткой идущей вниз секции 41', которую продолжает горизонтальная секция 41", а затем длинный вертикальный участок 41’’’, который заканчивается главным образом полой секцией квадратной формы или соединителем 41’’’’, который выполнен с возможностью электрического соединения с вершиной 36АА' алюминиевой стойки 36.

Таким же самым образом ножка 42 соединена со слоем элемента 40 в области 40" и содержит короткую идущую вверх (как это показано на фиг.3) вертикальную секцию 42', которую продолжает горизонтальная секция 42", а затем длинный вертикальный идущий вниз участок 42’’’, который заканчивается главным образом полой секцией квадратной формы или соединителем 42’’’’, который выполнен с возможностью электрического соединения с вершиной 36' алюминиевой стойки 36.

На обратной стороне слоя элемента 40 может быть предусмотрен диэлектрический слой 49, который содержит ножки 41 и 42. Он может способствовать механической поддержке элемента 40 при помощи ножек 41 и 42.

На обратной стороне диэлектрического слоя может быть предусмотрен поглощающий слой 54, как это показано на фиг.2, предназначенный для повышения чувствительности элемента 40.

Верхний диэлектрический слой 50 из нитрида кремния добавляют поверх слоя элемента 40, как это показано на фиг.2 и 4. Колпачки стоек 52 и 52АА добавляют сверху на соответствующих соединителях 42’’’’ и 41’’’’, как это показано на фиг.4, причем подходящим материалом для этого промежуточного слоя 52 является такой материал, как Сr.

Совершенно уникальным аспектом настоящего изобретения является использование оксида ванадия для выполнения ножек, предназначенных для поддержки верхней детекторной планарной секции 38, которая содержит чувствительный элемент 40 из оксида ванадия. Прежде всего, ножки 41 и 42 обеспечивают отличную тепловую изоляцию верхней детекторной планарной секции от алюминиевых стоек 36 и 36АА, а следовательно, и от верхней поверхности лежащий ниже подложки 31 с объединенной с ней интегральной схемой 32. Однако использование необработанного оксида ванадия для изготовления ножек 41 и 42 могло бы приводить к недопустимо высокому импедансу в электрическом соединении между чувствительным элементом 40 и интегральной схемой на подложке. Этот очевидный недостаток исключен и в действительности обращен в преимущество за счет использования уникальной технологической операции вслед за осаждением и формированием рисунка на тонкой пленке с высоким ТКС из оксида ванадия, которая к тому же имеет очень высокое удельное поверхностное сопротивление слоя. Операции, которые необходимы для решения указанной проблемы, предусматривают сначала проведение пассивирования оксида ванадия, а затем открывание областей, в которых желательно иметь низкое электрическое сопротивление, например ножек 41 и 42. Открытые ножки затем подвергают обратному напылению при помощи газообразного аргона, что резко снижает сопротивление открытых пленок до удельного сопротивления в диапазоне от 250 Ом до 1,000 Ом на квадрат поверхностного слоя. В предпочтительном варианте настоящего изобретения ножки 41 и 42 имеют толщину пленки 700 ангстрем и удельное сопротивление поверхностного слоя 500 Ом.

Преимущества настоящего изобретения можно оценить при сравнении с известным патентом США Reissue 36136, в соответствии с которым для изготовления микроболометра при помощи мокрого процесса травления требуется проведение 12 операций фотолитографии и 14 операций осаждения после изготовления считывающих электронных или полупроводниковых средств на подложке. Это относительно большое число операций фотолитографии и осаждения непосредственно трансформируется в повышение стоимости изготовления устройства, а также в ограничение минимального размера (топологии) во избежание сливания краев элементов изображения.

В отличие от этого, в соответствии с настоящим изобретением используют технологический процесс сухого травления (при помощи плазмы кислорода), который имеет пониженное число независимых технологических операций. Кроме того, в известных ранее способе и устройстве используют очень узкий слой 14 из NiCr для формирования межсоединения между материалом VOx 14 с высоким ТКС и считывающей электроникой 12'; настоящее изобретение позволяет исключить указанную дорогостоящую сложность за счет предусмотрения ножек 41 и 42, которые (а) поддерживают чувствительный элемент 40 и обеспечивают его тепловую изоляцию, а также (б) выполняют функцию средств электрического соединения.

Несмотря на то что были описаны предпочтительные варианты осуществления изобретения, совершенно ясно, что они не имеют ограничительного характера и в них специалистами в данной области могут быть внесены изменения и дополнения, которые не выходят, однако, за рамки приведенной далее формулы изобретения.

В изобретении предложен детектор ИК-излучения в виде двухступенчатого микромоста, который имеет верхнюю детекторную планарную секцию, которая включает в себя термочувствительный элемент из оксида ванадия, который имеет высокий ТКС и удельное сопротивление в диапазоне от 20 кОм до 50 кОм на квадрат поверхностного слоя и поддерживается над нижней секцией при помощи участков ножек из оксида ванадия, которые имеют удельное сопротивление около 500 Ом на квадрат поверхностного слоя. Технический результат - уменьшение массы детектора и снижение энергоемкости. 6 н. и 17 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Детектор ИК-излучения в виде двухступенчатого микромоста, отличающийся тем, что он включает в себя элемент изображения на полупроводниковой подложке, причем указанный элемент изображения имеет нижнюю секцию на поверхности указанной подложки и верхнюю детекторную планарную секцию, расположенную с зазором непосредственно над указанной нижней секцией; при этом указанная нижняя секция включает в себя интегральную схему; причем указанная верхняя детекторная планарная секция включает в себя термочувствительный элемент из оксида ванадия, который имеет высокий ТКС и удельное сопротивление в диапазоне от 5 до 300 кОм на квадрат поверхностного слоя и поддерживается над указанной нижней секцией при помощи участков ножек из оксида ванадия, которые имеют удельное сопротивление в диапазоне от 250 до 1,000 Ом на квадрат поверхностного слоя; при этом указанные участки ножек электрически соединены с указанным термочувствительным элементом и с указанной интегральной схемой и обеспечивают тепловую изоляцию для указанного термочувствительного элемента.2. Детектор ИК-излучения по п.1, отличающийся тем, что матрица указанных элементов изображения расположена на общей полупроводниковой подложке.3. Детектор ИК-излучения по п.2, отличающийся тем, что верхняя детекторная планарная секция каждого из указанных элементов изображения содержит поглощающее средство.4. Детектор ИК-излучения по п.3, отличающийся тем, что он содержит отражающий слой на указанной подложке под указанной верхней детекторной секцией.5. Детектор ИК-излучения в виде двухступенчатого микромоста, отличающийся тем, что он включает в себя элемент изображения на полупроводниковой подложке, причем указанный элемент изображения имеет нижнюю секцию на поверхности указанной подложки и верхнюю детекторную планарную секцию, расположенную с зазором непосредственно над указанной нижней секцией; при этом указанная нижняя секция включает в себя интегральную схему; причем указанная верхняя детекторная планарная секция включает в себя термочувствительный элемент из оксида ванадия, который имеет высокий ТКС и удельное сопротивление в диапазоне от 20 до 50 кОм на квадрат поверхностного слоя и поддерживается над указанной нижней секцией при помощи участков ножек из оксида ванадия, которые имеют относительно низкое удельное сопротивление; при этом указанные участки ножек электрически соединены с указанным термочувствительным элементом и с указанной интегральной схемой и обеспечивают тепловую изоляцию для указанного термочувствительного элемента.6. Детектор ИК-излучения по п.5, отличающийся тем, что отношение удельного сопротивления указанной верхней детекторной планарной секции к удельному сопротивлению указанных участков ножек лежит в диапазоне от 10:1 до 600:1.7. Детектор ИК-излучения по п.6, отличающийся тем, что матрица указанных элементов изображения расположена на общей полупроводниковой подложке.8. Детектор ИК-излучения по п.7, отличающийся тем, что верхняя детекторная планарная секция каждого из указанных элементов изображения содержит поглощающее средство.9. Детектор ИК-излучения по п.8, отличающийся тем, что он включает в себя отражающий слой на указанной подложке под указанной верхней детекторной секцией.10. Неохлаждаемый детектор ИК-излучения в виде двухступенчатого микромоста, отличающийся тем, что он включает в себя матрицу элементов изображения на полупроводниковой подложке, причем каждый из указанных элементов изображения имеет нижнюю секцию на поверхности указанной подложки и объединенную с ней верхнюю детекторную планарную секцию, расположенную с зазором непосредственно над указанной нижней секцией; при этом каждая из указанных нижних секций включает в себя интегральную схему; причем каждая из указанных верхних детекторных планарных секций включает в себя термочувствительный элемент из оксида ванадия, который имеет высокий ТКС и удельное сопротивление в диапазоне от 5 до 300 кОм на квадрат поверхностного слоя и электрически соединена с интегральной схемой объединенной с ней нижней секции при помощи проводников из оксида ванадия, имеющих удельное сопротивление в диапазоне от 250 до 1,000 Ом на квадрат поверхностного слоя.11. Детектор ИК-излучения по п.10, отличающийся тем, что указанными проводниками являются участки ножек, которые поддерживают указанные верхние детекторные планарные секции над своими соответствующими нижними секциями.12. Детектор ИК-излучения по п.10, отличающийся тем, что указанные проводники поддерживают указанные верхние детекторные планарные секции над своими соответствующими нижними секциями и обеспечивают тепловую изоляцию для указанных термочувствительных элементов.13. Детектор ИК-излучения по п.12, отличающийся тем, что верхние детекторные планарные секции содержат поглощающие средства.14. Детектор ИК-излучения по п.13, отличающийся тем, что он содержит отражающий слой на указанной подложке под каждой из указанных верхних детекторных планарных секций.15. Неохлаждаемый детектор ИК-излучения в виде двухступенчатого микромоста, отличающийся тем, что он включает в себя матрицу элементов изображения на полупроводниковой подложке, причем каждый из указанных элементов изображения имеет нижнюю секцию на поверхности указанной подложки и объединенную с ней верхнюю детекторную планарную секцию, расположенную с зазором непосредственно над указанной нижней секцией; при этом каждая из указанных нижних секций включает в себя интегральную схему; причем каждая из указанных верхних детекторных планарных секций включает в себя термочувствительный элемент из оксида ванадия, который имеет высокий ТКС и удельное сопротивление в диапазоне от 5 до 300 кОм на квадрат поверхностного слоя и электрически соединена с интегральной схемой объединенной с ней нижней секции при помощи проводников из оксида ванадия, имеющих относительно низкое удельное сопротивление.16. Детектор ИК-излучения по п.15, отличающийся тем, что указанными проводниками являются участки ножек, которые поддерживают указанные верхние детекторные планарные секции над своими соответствующими нижними секциями.17. Детектор ИК-излучения по п.15, отличающийся тем, что указанные проводники поддерживают указанные верхние детекторные планарные секции над своими соответствующими нижними секциями и обеспечивают тепловую изоляцию для указанных термочувствительных элементов.18. Устройство по п.17, отличающееся тем, что отношение удельного сопротивления указанных термочувствительных элементов к удельному сопротивлению указанных участков ножек лежит в диапазоне от 10:1 до 600:1.19. Детектор ИК-излучения по п.18, отличающийся тем, что верхние детекторные планарные секции содержат поглощающие средства.20. Детектор ИК-излучения по п.19, отличающийся тем, что он содержит отражающий слой на указанной подложке под каждой из указанных верхних детекторных планарных секций.21. Способ изготовления на подложке матрицы элементов изображения детектора ИК-излучения в виде двухступенчатого микромоста, в которой каждый из указанных элементов изображения имеет нижнюю секцию на поверхности указанной подложки и верхнюю детекторную секцию в виде микромоста, расположенную с зазором непосредственно над указанной нижней секцией, причем каждая из указанных нижних секций включает в себя интегральную схему, отличающийся тем, что он включает в себя для каждого элемента изображения, следующие операции: осаждение на указанной верхней детекторной секции в виде микромоста тонкой пленки из оксида ванадия, имеющей высокий ТКС и удельное сопротивление от 10 до 300 кОм на квадрат поверхностного слоя, в результате чего формируют термочувствительный элемент; осаждение по меньшей мере двух ножек, соединяющих указанный термочувствительный элемент электрически с взаимодействующей с ним интегральной схемой, причем указанные ножки после осаждения представляют собой тонкую пленку из оксида ванадия, имеющую удельное сопротивление 20-50 кОм на квадрат поверхностного слоя; пассивирование указанной тонкой пленки ножек; открывание избранных участков указанной пассивированной тонкой пленки ножек в тех местах, где желательно иметь низкое сопротивление; и осуществление обратного распыления газообразного аргона на указанных открытых избранных участках указанной тонкой пленки ножек для снижения удельного сопротивления до значения в диапазоне от 250 до 1,000 Ом на квадрат поверхностного слоя.22. Способ изготовления на подложке матрицы элементов изображения детектора ИК-излучения в виде двухступенчатого микромоста, в которой каждый из указанных элементов изображения имеет нижнюю секцию на поверхности указанной подложки и верхнюю детекторную секцию в виде микромоста, расположенную с зазором непосредственно над указанной нижней секцией, причем каждая из указанных нижних секций включает в себя интегральную схему, отличающийся тем, что он включает в себя, для каждого элемента изображения, следующие операции: осаждение на указанной верхней детекторной секции в виде микромоста тонкой пленки из оксида ванадия, имеющей высокий ТКС и удельное сопротивление от 5 до 300 кОм на квадрат поверхностного слоя, в результате чего формируют термочувствительный элемент; осаждение по меньшей мере двух ножек, соединяющих указанный термочувствительный элемент электрически с взаимодействующей с ним интегральной схемой, причем указанные ножки после осаждения представляют собой тонкую пленку из оксида ванадия, имеющую удельное сопротивление от 5 до 300 кОм на квадрат поверхностного слоя; пассивирование указанной тонкой пленки ножек; открывание избранных участков указанной пассивированной тонкой пленки ножек в тех местах, где желательно иметь низкое сопротивление; и осуществление обратного распыления газообразного аргона на указанных открытых избранных участках указанной тонкой пленки ножек для снижения поверхностного удельного сопротивления до относительно низкого значения.23. Способ по п.22, отличающийся тем, что отношение удельного сопротивления указанных термочувствительных элементов к удельному сопротивлению указанной тонкой пленки ножек лежит в диапазоне от 10:1 до 600:1.