БОЛОМЕТРИЧЕСКИЙ РЕЗИСТИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ Российский патент 2005 года по МПК G01J5/20 

Изобретение относится к технике болометрических приемников инфракрасного (ИК) излучения, а именно к неохлаждаемым болометрическим резистивным элементам.

Действие болометрического резистивного элемента основано на изменении электрического сопротивления термочувствительного слоя, которое происходит при изменении его температуры под влиянием поглощенной энергии излучения [1].

Удельная обнаружительная способность рассчитывается по формуле

NEP - эквивалентная шуму мощность, определяемая по формуле

V_n - действующее напряжение шума,

Δf - эквивалентная шумовая полоса,

S_в - чувствительность болометрического резистивного элемента, а чувствительность S_в болометрического резистивного элемента определяется как

где

I_B - электрический ток, протекающий через термочувствительный слой,

R_в - электрическое сопротивление термочувствительного слоя,

η - коэффициент поглощения ИК-излучения,

G - коэффициент теплопроводности между мембраной, в которой распложен термочувствительный слой, и поддерживающей ее подложкой,

β - температурный коэффициент электрического сопротивления (ТКС) термочувствительного слоя.

Здесь β дается как

Известен широкий спектр неохлаждаемых болометрических резистивных элементов, в которых в качестве термочувствительных слоев используют тонкие слои оксида ванадия, поликристаллического или аморфного кремния и металлического титана.

Известен болометрический резистивный элемент с термочувствительным слоем из оксида ванадия, который обеспечивает высокий температурный коэффициент электрического сопротивления 2-3%/°С [2].

Однако оксид ванадия имеет фазовый переход в области температур, присущей стандартным процессам обработки кремниевых пластин. Поэтому для создания болометрических резистивных элементов приходится применять специфические процессы обработки материалов, что значительно повышает стоимость изделий.

Известен болометрический резистивный элемент с термочувствительным слоем из поликристаллического кремния [3]. В этом случае обеспечивается высокий температурный коэффициент электрического сопротивления (1,25%/°С), а возможность использования стандартных процессов обработки кремниевых пластин позволяет иметь низкую стоимость изделий.

Однако повышенный уровень шумов, который обусловлен самим резистивным материалом, снижает удельную обнаружительную способность изделий.

Известен болометрический резистивный элемент с термочувствительным слоем из металлического титана [4 - прототип]. Болометрический резистивный элемент включает подложку из монокристаллического кремния, внутри которой выполнена схема считывания сигнала с электрическим выходом на лицевую сторону подложки, и мембрану из диэлектрического материала - оксида кремния - толщиной 0,9 мкм, расположенную над лицевой стороной подложки с зазором, обеспечивающим тепловую изоляцию мембраны от подложки, при этом мембрана соединена со схемой считывания сигнала опорами, выполненными из электропроводящего материала - алюминия - и расположенными по диагонали мембраны, внутри мембраны расположен термочувствительный слой из резистивного материала - титана. Зазор под мембраной создается путем травления материала через щель в мембране.

Падающее на мембрану ИК-излучение поглощается мембраной, вследствие чего меняется температура мембраны, что приводит к изменению электрического сопротивления термочувствительного слоя, которое регистрируется схемой считывания сигнала.

Низкий уровень шумов термочувствительного слоя из титана обеспечивает получение высокой обнаружительной способности изделий.

Использование для изготовления стандартных процессов кремниевой технологии обеспечивает малый разброс электрического сопротивления болометрических резистивных элементов в болометрических линейках или матрицах и низкую их стоимость.

Однако металлический титан имеет низкий температурный коэффициент электрического сопротивления, равный 0,25%/°С, что обуславливает низкую чувствительность болометрического резистивного элемента.

Техническим результатом изобретения является повышение чувствительности болометрического резистивного элемента за счет увеличения температурного коэффициента электрического сопротивления термочувствительного слоя при сохранении высокой обнаружительной способности, малого разброса электрического сопротивления термочувствительного слоя и низкой стоимости изготовления.

Технический результат достигается тем, что в известном болометрическом резистивном элементе для неохлаждаемых приемников инфракрасного излучения, включающем подложку из монокристаллического кремния, внутри которой выполнена схема считывания сигнала с электрическим выходом на лицевую сторону подложки, и мембрану из диэлектрического материала толщиной 0,1-1,1 мкм, расположенную над лицевой стороной подложки с зазором, обеспечивающим тепловую изоляцию мембраны от подложки, при этом мембрана соединена со схемой считывания сигнала опорами, выполненными из электропроводящего материала и расположенными по диагонали мембраны, внутри мембраны выполнен термочувствительный слой из резистивного материала, термочувствительный слой выполнен из нитрида титана толщиной 0,003...0,015 мкм.

Вариант болометрического резистивного элемента, в котором на лицевой стороне подложки выполнен слой, отражающий инфракрасное излучение, а внутри мембраны, над термочувствительным слоем и отделенный от него диэлектрическим слоем мембраны, выполнен слой, поглощающий инфракрасное излучение, при этом расстояние между термочувствительным и поглощающим слоями обеспечивает электрическую изоляцию между ними и определяется диэлектрическим материалом мембраны, а оптическое расстояние между слоями, отражающим и поглощающим инфракрасное излучение, равно 1/4 - длины волны поглощаемого излучения.

Выполнение термочувствительного слоя из нитрида титана в сочетании со сверхмалой его толщиной 0,003-0,015 мкм и в сочетании с определенным порядком расположения слоев в структуре болометрического резистивного элемента, а именно, расположение термочувствительного резистивного слоя из нитрида титана в диэлектрическом материале мембраны формирует термочувствительный слой, обладающий структурой кристаллической решетки близкой к структуре кристаллической решетки поверхности. Свойства структуры кристаллической решетки поверхности иные, чем свойства объемного материала. В данном случае термочувствительный слой из нитрида титана обладает более высоким температурным коэффициентом электрического сопротивления по сравнению со слоем объемного нитрида титана, который и обеспечивает повышение чувствительности болометрического резистивного элемента.

Наличие слоя, поглощающего ИК-излучение, выполненного над термочувствительным слоем на расстоянии, которое определяется диэлектрическим материалом мембраны и обеспечивает электрическую изоляцию между ними, увеличивает коэффициент поглощения ИК-излучения болометрического резистивного элемента и тем самым увеличивает чувствительность болометрического резистивного элемента.

Наличие слоя, отражающего ИК-излучение, выполненного на лицевой стороне подложки из монокристаллического кремния, увеличивает часть ИК-излучения, отраженного от лицевой поверхности подложки, и вновь направляет его на мембрану, которое поглощается ею, что дополнительно увеличивает поглощающую способность мембраны и тем самым коэффициент поглощения ИК-излучения болометрического резистивного элемента, а следовательно, увеличивает чувствительность болометрического резистивного элемента.

Использование термочувствительного слоя из нитрида титана толщиной менее 0,003 мкм, что соответствует нескольким монослоям нитрида титана, недопустимо, так как при выполнении на мембране из диэлектрического материала с шероховатостью поверхности, равной нескольким монослоям, возникают разрывы термочувствительного слоя и вследствие этого происходит резкое увеличение разброса электрического сопротивления в болометрической матрице.

Использование термочувствительного слоя толщиной более 0,015 мкм нецелесообразно, так как свойства термочувствительного слоя приближаются к свойствам объемного материала, а следовательно, резко уменьшается температурный коэффициент электрического сопротивления до значений -0,25...-0,30%/°С.

Изобретение поясняется чертежами: Фиг.1 и Фиг.2

На Фиг.1 дано схематическое изображение предлагаемого болометрического резистивного элемента, где

- подложка из монокристаллического кремния - 1,

- схема считывания сигнала - 2,

- мембрана из диэлектрического материала - 3,

- термочувствительный слой из титана - 4,

- зазор между мембраной и подложкой - 5,

- опоры из электропроводящего материала - 6,

- щель в мембране - 7.

На Фиг.2 дано схематическое изображение варианта предлагаемого болометрического резистивного элемента, где

- слой, отражающий ИК-излучение, - 8,

- слой, поглощающий ИК-излучение, - 9.

Пример 1.

Выполнение предлагаемого болометрического резистивного элемента рассмотрено на примере изготовления матрицы болометрических элементов.

Берут подложку из монокристаллического кремния - 1, например толщиной 300 мкм, и формируют в ней схему считывания сигнала с электрическим выходом на лицевую сторону подложки - 2, применяя стандартные процессы изготовления кремниевых структур. Затем на лицевой стороне подложки выполняют слой, отражающий ИК-излучение - 8, напылением слоя молибдена с поверхностным сопротивлением 70 Ом и последующим формированием рисунка слоя методами фотолитографии и плазмохимического травления. Затем на лицевую сторону подложки напыляют слой кремния толщиной 2,5 мкм, для последующего формирования зазора между мембраной и подложкой - 5. Затем формируют часть мембраны, расположенную под термочувствительным слоем - 4, напылением слоя диэлектрического материала, например оксида кремния толщиной 0,5 мкм. Затем формируют термочувствительный слой - 4, напылением слоя из нитрида титана толщиной 0,010 мкм и последующим формированием рисунка слоя методами фотолитографии и плазмохимического травления. Затем формируют часть мембраны, расположенную над термочувствительным слоем напылением слоя оксида кремния толщиной 0,1 мкм. Далее формируют слой 9, поглощающий инфракрасное излучение, напылением молибдена с поверхностным сопротивлением 300 Ом и последующим формированием рисунка слоя методами фотолитографии и плазмохимического травления. Далее формируют часть мембраны, расположенную над слоем, поглощающим инфракрасное излучение, напылением слоя оксида кремния толщиной 0,5 мкм.

Далее формируют опоры 6. Для чего в мембране методами фотолитографии, плазмохимического и химического травления формируют отверстия под опоры и технологические отверстия 7. Напыляют алюминий толщиной 1 мкм и методами фотолитографии, плазмохимического и химического травления формируют рисунок опор. Через технологические отверстия 7 в мембране методом плазмохимического травления вытравливают кремний, расположенный между мембраной и отражающим слоем. В результате чего между мембраной и подложкой формируется зазор 5 толщиной 2,5 мкм.

Пример 2-5.

Изготавливают болометрический резистивный элемент как в примере 1, но с иной толщиной термочувствительного слоя из нитрида титана, как указанной в формуле изобретения (примеры 2-3), так и выходящей за ее пределы (примеры 4-5).

На полученных образцах измеряют температурный коэффициент электрического сопротивления.

Полученные результаты измерений приведены в таблице

ТаблицаНомер п/пТолщина термочувствительного слоя из нитрида титана, мкмРезультаты измеренийТемпературный коэффициент электрического сопротивления термочувствительного слоя из нитрида титана, %/°СРазброс электрического сопротивления термочувствительного слоя из нитрида титана в болометрической матрице, %10,010-1,065%20,015-1,005%30,003-1,275%40,002-1,2720%50,020-0,255%

Как видно из таблицы, болометрические резистивные элементы, выполненные по предложенной конструкции и с толщиной термочувствительного слоя из нитрида титана в пределах, указанных в формуле изобретения (примеры 1-3), имеют высокий температурный коэффициент электрического сопротивления термочувствительного слоя равный -1,00...-1,27%/°С, при малом разбросе электрического сопротивления термочувствительного слоя в болометрической матрице, равном не более 5%.

Болометрические резистивные элементы, выполненные с толщиной термочувствительного слоя из нитрида титана, выходящей за пределы, указанные в формуле изобретения, имеют в случае (пример 4) высокий температурный коэффициент электрического сопротивления термочувствительного слоя, равный -1,27%/°С, но большой разброс электрического сопротивления термочувствительного слоя в болометрической матрице, равный 20%, а в случае (пример 5) имеют малый разброс электрического сопротивления термочувствительного слоя в болометрической матрице, равный не более 5%, но низкий температурный коэффициент электрического сопротивления термочувствительного слоя, равный - 0,25%/°С.

Устройство работает следующим образом.

ИК-излучение от источника излучения падает перпендикулярно на мембрану 3, часть которого поглощается мембраной, а часть проходит сквозь мембрану. При этом слой 9, поглощающий ИК-излучение, расположенный внутри мембраны, увеличивает поглощающие свойства мембраны. Часть ИК-излучения, прошедшая сквозь мембрану, попадает на слой 8, отражающий ИК-излучение, расположенный на лицевой поверхности подложки из монокристаллического кремния - 1, отражается от нее и снова попадает на мембрану и поглощается ею.

Вследствие поглощения мембраной ИК-излучения меняется температура мембраны, что приводит к изменению электрического сопротивления термочувствительного слоя, которое регистрируется схемой считывания сигнала - 2.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволит повысить чувствительность болометрического резистивного элемента за счет увеличения температурного коэффициента электрического сопротивления термочувствительного слоя при сохранении высокой обнаружительной способности, малого разброса электрического сопротивления термочувствительного слоя и низкой стоимости изготовления.

Температурный коэффициент электрического сопротивления термочувствительного слоя увеличен с 0,25%/°С (прототип) до -1,00...-1,27%/°С (предлагаемое изобретение).

Предлагаемый болометрический резистивный элемент обеспечит создание многоэлементных приемников излучения в виде линеек и матриц фокальной плоскости с низкой стоимостью. Такие приемники позволят реализовать неохлаждаемые устройства ПК-диапазона - датчики для экологического мониторинга местности, тепловизоры с однокоординатным оптико-механическим сканированием для технической и медицинской диагностики и контроля объектов энергетики.

Источники информации

1. Обзор. И.А.Хребтов., В.Г.Маляро. Неохлаждаемые тепловые матричные приемники ИК-излучения, «Оптический журнал», том 64, №6, 1997 г., г. Москва.

2. Н.Jerominek, F.Picard, N.R.Swart at el. Micromachined, uncooled, VO₂-based IR bolometric arrays // Proc. of SPIE. - 1996. - V.2746. - p.60-71.

3. Masashi Ueno, Osamu Kaneda, Tomohiro Ishikawa e.a. / SPIE Vol.2552, p.636-643.

4. Infrared Focal Plane Array Incorporating Silicon IC Process Compatible Bolometer / Akio Tanaka, Shouhei Matsumoto, Nanao Tsukamoto e.a. / IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, 1996, Vol.43, No.11, p.1844-1848.

Изобретение относится к технике измерений. Термочувствительный слой элемента выполнен из нитрида титана толщиной 0,003-0,015 мкм. Внутри мембраны над термочувствительным слоем и отделенным от него диэлектрическим слоем мембраны выполнен слой, поглощающий инфракрасное излучение. На лицевой стороне подложки выполнен слой, отражающий инфракрасное излучение, при этом расстояние между термочувствительным и поглощающим слоями обеспечивает электрическую изоляцию между ними и определяется диэлектрическим материалом мембраны. Технический результат - повышение чувствительности болометрического элемента при сохранении дешевизны и низкого уровня шумов. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Болометрический резистивный элемент для неохлаждаемых приемников инфракрасного излучения, включающий подложку из монокристаллического кремния, внутри которой выполнена схема считывания сигнала с электрическим выходом на лицевую сторону подложки и мембрану из диэлектрического материала, расположенную над лицевой стороной подложки с зазором, обеспечивающим тепловую изоляцию мембраны от подложки, при этом мембрана соединена со схемой считывания сигнала опорами, выполненными из электропроводящего материала и расположенными по диагонали мембраны, внутри мембраны выполнен термочувствительный слой из резистивного материала, отличающийся тем, что термочувствительный слой выполнен из нитрида титана толщиной 0,003...0,015 мкм.2. Болометрический резистивный элемент по п.1, отличающийся тем, что на лицевой стороне подложки выполнен слой, отражающий инфракрасное излучение, а внутри мембраны над термочувствительным слоем и отделенным от него диэлектрическим слоем мембраны выполнен слой, поглощающий инфракрасное излучение, при этом расстояние между термочувствительным и поглощающим слоями обеспечивает электрическую изоляцию между ними и определяется диэлектрическим материалом мембраны, а оптическое расстояние между слоями, отражающим и поглощающим инфракрасное излучение, равно 1/4 длины волны поглощаемого излучения.