СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА МАТРИЦЫ ТЕПЛОВОГО ПРИЕМНИКА Российский патент 2015 года по МПК H01L31/18 G01J5/20 H01L21/00 

Изобретение относится к области микроэлектроники, в частности к созданию тонкопленочных элементов матрицы неохлаждаемого типа в тепловых приемниках излучения (болометров) высокой чувствительности.

Известен способ получения тонкопленочных элементов матрицы на основе оксида ванадия VO_x, где x находится в пределах от 1.5 до 2.0. При этом часть ионов ванадия в оксиде заменены ионом металла М, где ион металла М может представлять собой следующие элементы: хром (Cr), алюминий (Al), железо (Fe), марганец (Mn), ниобий (Nb), тантал (Та) и титан (Ti). Оксид ванадия наносят на подложку методом магнетронного распыления или золь-гель методом. Полученный тонкопленочный элемент матрицы обладает низким сопротивлением и большим значением температурного коэффициента сопротивления ТКС [1].

Недостатком данного способа является то, что требуются значительные затраты времени и высокая трудоемкость изготовления.

Также известен способ получения чувствительного элемента матрицы теплового приемника, где аморфные пленки оксида, предпочтительно оксида ванадия (VO_x), наносят на термически выращенный диоксид кремния при помощи магнетронного распыления на постоянном токе (DC) совместно с благородным металлом (золотом или платиной) в контролируемом соотношении газовой атмосферы (аргона и кислорода). В патенте определены оптимальные условия для подготовки чувствительного материала, представляющего собой аморфный оксид ванадия, легированный благородным металлом [2].

Недостатком данного способа является трудоемкость изготовления тонкопленочной ячейки болометра, в частности необходимость прецизионного контроля соотношения аргона и кислорода при магнетронном распылении.

Наиболее близким к заявляемому способу является способ, основанный на осаждении тонкой пленки металлического сплава ванадия-вольфрама на диэлектрической подложке, при помощи высокочастотного (RF) распыления, химического осаждения из паровой фазы (CVD) или лазерной абляции (PLD). Толщина получаемой пленки металлического сплава составляет 25-200 нм, содержание вольфрама в сплаве от 1 до 50 атомных процентов. Полученные тонкие пленки металлического сплава ванадия-вольфрама окисляются путем термической обработки при температуре 250-400°C. В результате получается пленка аморфного оксида ванадия-вольфрама (V-W-O_x), являющаяся чувствительным материалом элемента матрицы теплового приемника [3].

Недостатком данного способа является сложность изготовления ячейки, в частности необходимость контроля композиционного отношения ванадия и вольфрама.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в существенном упрощении изготовления чувствительного элемента матрицы теплового приемника, обеспечении высокого температурного коэффициента сопротивления, благодаря малым линейным размерам чувствительного элемента. Кроме того, за счет снижения температуры подложки предотвращается температурное разрушение соседних элементов пленочных структур.

Достигается технический результат за счет того, что для чувствительного элемента, установленного между электродами, используют перемычку оксида ванадия VO_x, которую получают при помощи термического окисления расположенной между электродами металлической пленки ванадия, нагреваемой за счет пропускания электрического тока высокой плотности в кислородосодержащей среде, причем оксид ванадия VO_x определяют в пределах x от 1,5 до 2,5, а плотность тока выбирают в пределах (1-5)·10⁶ А/см².

На фиг.1 изображен чувствительный элемент матрицы теплового приемника, где 1 - металлическая пленка ванадия, 2 - область оксида VO₃, 3 - электроды, 4 - диэлектрическая подложка SiO₂.

Способ получения чувствительного элемента матрицы теплового приемника на основе оксида ванадия представляет собой нанесение металлической пленки ванадия 1 и электродов 3 методами магнетронного распыления и последующей лифт-офф литографии на диэлектрическую подложку SiO₂ 4. Размеры ванадиевой перемычки 1: ширина D=3-10 мкм и длина L=10-40 мкм. Затем через металлическую пленку ванадия 1 пропускается электрический ток высокой плотности (1-5)·10⁶ А/см², под действием которого она нагревается и термически окисляется. Температура окисления на воздухе составляет порядка 300°C, образуемый оксид представляет собой смесь фаз VO_x (где x находится в пределах от 1.5 до 2.5), с преимущественным содержанием VO₂. После нагрева структуры и образования оксида VO_x ток отключают, и происходит остывание сформированного тонкопленочного элемента. Сопротивление чувствительного элемента матрицы, на постоянном токе при комнатной температуре составляет менее 100 кОм, на переменном токе при частоте выше 100 кГц сопротивление составляет порядка 1 кОм. Низкое сопротивление при высоком температурном коэффициенте сопротивления (от 2,5%/°C) достигается благодаря малым линейным размерам чувствительного элемента матрицы, а также наличию низших оксидов ванадия в чувствительном материале элемента матрицы теплового приемника. Необходимо отметить, что для данного технологического процесса не требуются высокие температуры всей подложки, т.к. термическое окисление происходит локально, и процесс может быть отнесен к низкотемпературным, не разрушающим соседние элементы, такая технология считается перспективной с точки зрения создания многослойных пленочных структур (3D интеграция). Другим преимуществом является отсутствие сложного технологического этапа, такого как литография по оксидному участку, предполагающего использование высокотемпературных резистов и специальных химических реактивов [1, 3].

Таким образом, предлагаемый способ позволяет значительно упростить процесс изготовления чувствительного элемента матрицы теплового приемника и повысить температурный коэффициент сопротивления, что позволяет значительно снизить температуру всей подложки 4 и предотвратить температурное разрушение соседних элементов пленочных структур.

БИБЛИОГРАФИЯ

1. Mori, et al. Oxide thin film for bolometer and infrared detector using the oxide thin film. United States Patent 6489613, Assignee: NEC Corporation, Publication Date: 03/12/2002.

2. Coffey, et al. Nanocomposite semiconducting material with reduced resistivity. United States Patent 8228159, Assignee: University of Central Florida Research Foundation, Publication Date: 24/07/2012.

3. Moon, et al. Oxide thin film for bolometer and infrared detector using the oxide thin film. United States Patent 7250604, Assignee: Korea Institute of Science and Technology, Publication Date: 31/07/2007.

Изобретение относится к области микроэлектроники, в частности к созданию тонкопленочных элементов матрицы неохлаждаемого типа в тепловых приемниках излучения (болометров) высокой чувствительности.

Способ получения чувствительного элемента матрицы теплового приемника на основе оксида ванадия представляет собой нанесение металлической пленки ванадия и электродов методами магнетронного распыления и последующей лифт-офф литографии на диэлектрическую подложку. Затем через металлическую пленку ванадия пропускают электрический ток высокой плотности, под действием которого она нагревается и термически окисляется. После нагрева структуры и образования оксида VO_x ток отключают, и происходит остывание сформированного тонкопленочного элемента. Изобретение позволяет значительно упростить способ изготовления чувствительного элемента матрицы теплового приемника. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ получения чувствительного элемента матрицы теплового приемника, включающий создание чувствительного материала путем подачи тока с помощью подводящих электродов, отличающийся тем, что для чувствительного элемента, установленного между электродами, используют перемычку оксида ванадия VO_x, которую получают при помощи термического окисления расположенной между электродами металлической пленки ванадия, нагреваемой за счет пропускания электрического тока высокой плотности в кислородосодержащей среде, причем оксид ванадия VO_x определяют в пределах x от 1,5 до 2,5.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что плотность тока выбирают в пределах
(1-5)·10⁶ А/см².