Неохолоджуваний теплоприймальний елемент для болометрів

УКРАЇНА (19) UA (11) 80345 (13) C2 (51) МПК (2006) G01J 5/20 H01L 31/02 МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ ДЕРЖАВНИЙ ДЕПАРТАМЕНТ ІНТЕЛЕКТУАЛЬНОЇ ВЛАСНОСТІ ОПИС ДО ПАТЕНТУ НА ВИНАХІД (54) НЕОХОЛОДЖУВАНИЙ ТЕПЛОПРИЙМАЛЬНИЙ ЕЛЕМЕНТ ДЛЯ БОЛОМЕТРІВ 1 2 D* = KeRth A 4kTR × 1 + w2 t2 th , (1) (13) 80345 (11) із плівками окису ванадію VOx і карбіду кремнію є матеріалами, які задовольняють вимогам до матриці неохолоджуваних теплочутливих елементів по температурному коефіцієнту опору і використовуються в теплових приймачах, що випускають серійно. Недоліком відомих неохолоджуваних теплових приймачів є високий надлишковий шум, що зменшує виявну здатність. Як приклад, розглянемо теплоприймальну структуру на основі плівок аморфного кремнію αSі:Н [1]. Плівки αSі:Н були виготовлені методом плазмохімічного газофазного осадження. У якості електродів були використані плівки хрому, одержані методом магнетронного розпилення в аргоновій плазмі при постійному струмі. Виготовлені у вигляді сендвіча структури мають опір 5-20кOм. Надлишковий шум становить 2·10-8 B·Гц-1/2; температурний коефіцієнт опору дорівнює 2,1%/К. В діапазоні довжин хвиль 6-12 мікрон структури мають поглинання 80%. Виявна здатність теплового приймача з урахуванням джонсонівського шуму: UA Запропонований теплоприймальний елемент для болометрів відноситься до неохолоджуваних теплочутливих елементів на основі кремнію і може бути використаний на підприємствах приладобудування при конструюванні та випуску тепловізійних приймачів для систем обробки сигналів в інфрачервоній (14) частині спектру. Потреби екологічного моніторингу навколишнього середовища, медицини, контролю виробничих процесів в промисловості вимагають використання різного роду систем для пасивного (без використання додаткових джерел підсвічування) прийому і обробки сигналів в інфрачервоній (ІЧ) частині спектру з великою роздільною здатністю та чутливістю в реальному масштабі часу, вимагають застосування фотоприймачів ІЧ випромінювання в найбільш актуальній з прикладної точки зору частині спектру 1-14мкм при кімнатній температурі. При цьому діапазон 1-14 мкм - найважливіший для прикладних застосувань, тому що включає так звані "вікна прозорості" і дозволяє виявляти найкращим чином об'єкти спостереження. ІЧ-системи у цьому діапазоні ефективно функціонують під час поганої погоди і запиленості атмосфери, гнучко реагують на природні нестабільності атмосфери, тощо. Теплоприймальні структури па основі полікристалічного кремнію і аморфного кремнію, поряд C2 RU 2117361, 10.08.1998 US 2002175284, 28.11.2002 DE 19752208, 02.06.1999 US 5939722, 17.08.1999 EP 0453372, 23.10.1991 (57) Неохолоджуваний теплоприймальний елемент для болометрів, що містить теплочутливий шар кремнію, діелектричну підкладку та порожнину між ними, який відрізняється тим, що теплочутливий шар виготовлений з монокристалічного кремнію, у якому сформовані повітряні порожнини у вигляді паралельно розташованих отворів у формі циліндрів, розміщених періодично або довільно у теплочутливому шарі , відстань між якими складає від 1,5 до 2,5 мікрон. (19) (21) a200511998 (22) 14.12.2005 (24) 10.09.2007 (46) 10.09.2007, Бюл. №14, 2007р. (72) Карачевцева Людмила Анатоліївна, Сизов Федір Федорович, Голтвянський Юрій Васильович, Конін Костянтин Петрович, Стронська Олена Йосипівна, Паршин Костянтин Анатолійович, Литвиненко Олег Олександрович (73) ІНСТИТУТ ФІЗИКИ НАПІВПРОВІДНИКІВ ІМ. В.Є. ЛАШКАРЬОВА НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК УКРАЇНИ (56) UA 30031, 15.11.2000 SU 747370, 23.09.1982 SU 1780476, 10.01.1997 3 DR % - температурний коефіцієнт R × DT опору; ε - коефіцієнт випромінювання; ω - частота t випромінювання; Rth = th - тепловий опір; τth Cth час фотовідгуку теплового приймача, Cth - теплова ємність. Таким чином, виявна здатність теплоприймальної структури на основі плівок аморфного кремнію αSi:H дорівнює D*≈5·10-7 cм·Гц1/2Вт-1, що недостатньо для сучасних неохолоджуваних теплоприймальних структур. Найбільш близьким технічним рішенням, прийнятим за прототип, є неохолоджуваний темлоприймач на основі полікристалічного кремнію [2]. Аморфний кремній товщиною 0,1-1,5 мікрон був осаджений на діелектричну підкладку. Швидкий тепловий відпал при 1000°С протягом 30-100 с призводив до рекристалізації аморфного кремнію до полікристалічного матеріалу. Важливою умовою розробки теплового приймача є забезпечення низьких теплових втрат, чому сприяє формування теплочутливих елементів по МЕМС (MicroElectroMechanical Systems) технології. Для забезпечення малої величини постійної часу детектора tm, що визначається відношенням теплоємності елемента до теплопровідності теплового моста, який з'єднує чутливий елемент із тепловідводом, що перебуває при фіксованій температурі, теплоємність приймача повинна бути досить малою. З метою поліпшення теплової ізоляції теплочутливого шару між цим шаром і підкладкою формується повітряна порожнина. Формування структур з порожниною було досягнуто селективним травленням або частковим перетворенням кремнієвої підкладки в пористий кремній з подальшим його видаленням. Контакти осаджувались електронно-променевим розпиленням алюмінію. При площі 170х170 мікрон2 структури мають опір 100 кОм і температурний коефіцієнт опору 1 % при Т=300 К. Надлишковий шум прототипу менший за дані для аналогів і становить 10-8 B·Гц1/2; інерційність теплочутливого елементу дорівнює 10мс; виявна здатність D*≈5·108cм·Гц1/2Вт-1. Недоліком прототипу є невисокі значення виявної здатності, температурного коефіцієнту опору, високий надлишковий шум. Крім того, формування порожнини селективним травленням або частковим перетворенням кремнієвої підлкладки в пористий кремній з подальшим його видаленням є складним і дорогим технологічним процесом. Задачею запропонованого винаходу є підвищення виявної здатності неохолоджуваного теплоприймального елементу для болометрів та його здешевлення. Поставлена задача вирішується завдяки тому, що теплоприймальний елемент вміщує теплочутливий шар кремнію, діелектричну підкладку та порожнину між ними; при цьому теплочутливий шар виготовлений з монокристалічного кремнію з паралельно розташованими повітряними циліндрами, відстань між якими складає 1,5-2,5 мікрони. На Фіг. наведена схема неохолоджуваного теплоприймального елементу: де: K = 80345 4 1 - теплочутливий шар кремнію з паралельно розташованими повітряними циліндрами; 2 - діелектрична підкладка; 3 - порожнина між теплочутливим шаром і діелектричною підкладкою; 4 - металеві контакти. Неохолоджуваний теплоприймальний елемент для болометрів функціонує наступним чином. Падаюча електромагнітна хвиля поглинається кремнієвою структурою 1 в результаті формування затухаючих електромагнітних хвиль і переходу електромагнітної енергії у джоулеве тепло. Нагрів теплоприймального елемента зберігається завдяки низькій теплопровідності порожнини 3 між теплоприймальним елементом 1 і діелектричною підкладкою 2. Зміна опору теплоприймального елементу в результаті нагріву реєструється зміною потенціалу між металевими контактами 4. Наші дослідження показали, що виявна здатність болометричних елементів на основі монокристалічного кремнію з паралельно розташованими повітряними циліндрами вища, ніж у прототипі, за рахунок більшого оптичного поглинання, вищого температурного коефіцієнту опору, нижчого рівня шуму. Так, для кремнію з паралельно розташованими повітряними циліндрами оптичне поглинання при відстані між повітряними циліндрами 1,5-2,5 мікрони більше, ніж у прототипі та в аналогу. При цьому для структур товщиною 20 мікрон на довжинах хвиль 3-14 мікрон оптичне поглинання складає 85-98%, що значно вище, ніж для теплоприймальних структур на основі аморфного та полікристалічного кремнію (біля 80 %). Температурний коефіцієнт опору кремнієвої структури з паралельно розташованими повітряними циліндрами і А1 контактами при температурі 25°С становить 3%/град, що відповідає кращим зразкам матеріалів, які вивчалися з метою використання в неохолоджуваних мікроболометрах. Рівень шуму для кремнієвої структури складає 2,5·10-9В-·Гц-1/2 і визначається джонсоновським шумом. Це в 10 разів нижче рівня шуму в аморфному та полікристалічному кремнії. Слід зауважити, що рівень шуму кремнієвої структури з паралельно розташованими повітряними циліндрами навіть нижчий, ніж в у вихідному монокристалічному кремнії. Це пояснюється більшою площею та кращими механічними характеристиками контакту "метал-кремнієва структура" у порівнянні з металічним контактом до монокристалічного кремнію. Для середньої постійної часу болометричних елементів τ=10мс чутливість теплочутливого елементу, виготовленого з монокристалічного кремнію з паралельно розташованими повітряними циліндрами, складає (0,81,2)·103Вт/К, температурний коефіцієнт опору DR порядку 3%/К. Тому виявна здатність боR × DT лометричних елементів на основі монокристалічного кремнію з паралельно розташованими повітряними циліндрами досягає D*≈1010 cм·Гц1/2Вт-1, що значно краще, ніж у прототипі. Теплочутливий шар кремнію формується за допомогою дешевого методу фотоелектрохімічного травлення, який дозволяє виготовити паралельно розташовані повітряні циліндри. З метою 5 забезпечення теплової ізоляції теплочутливого шару між цим шаром і діелектричною підкладкою формується повітряна порожнина з використанням технології фотоелектрохімічного травлення шляхом зміни густини струму. Метод фотоелектрохімічного травлення є дешевим, а формування теплочутливого шару кремнію з порожниною у єдиному технологічному циклі дозволяє додатково здешевити технологію. Для порівняння, у прототипі теплочутливий шар кремнію формується за допомогою (1) осадження аморфного кремнію на діелектричну підкладку та (2) теплового відпалу для рекристалізації аморфного кремнію до полікристалічного. Формування порожнини було досягнуто (3) перетворенням кремнієвої підкладки в пористий кремній і (4) видаленням шару пористого кремнію. Таким чином, у прототипі теплочутливий шар і порожнина формуються з застосуванням 4 технологічних операцій, що здорожує процес. Позитивний ефект запропонованого винаходу обумовлений тим, що: - виявна здатність болометричних елементів, що заявляються, D*≈1010cм·Гц1/2Вт-1 перевищує кращі показники неохолоджуваних теплових приймачів: - монокристалічна кремнієва структура з паралельно розташованими повітряними циліндрами і порожнина під нею виготовляються в єдиному технологічному циклі з використанням більш дешевої технології фотоелектрохімічного травлення; - оптичне поглинання шару монокристалічного кремнію з паралельно розташованими повітряними циліндрами при відстані між повітряними циліндрами 1,5-2,5 мікрони і на довжинах хвиль 3-14 мікрон складає 85-98%, що значно вище, ніж для теплоприймальних структур на основі аморфного та полікристалічного кремнію; - температурний коефіцієнт опору кремнієвої структури з паралельно розташованими повітряними циліндрами і А1 контактами при температурі 25°С становить 3%/град, що відповідає кращим зразкам матеріалів, які вивчалися з метою використання в неохолоджуваних мікроболометрах; - рівень шуму для кремнієвої структури складає 2,5·10-9 B·Гц1/2, що в 10 разів нижче рівня шуму в аморфному та полікристалічному кремнії. Новітність запропонованого рішення обумовлена тим, що наші дослідження фотонних кристалів, до яких відноситься кремнієва структура з паралельно розташованими повітряними циліндрами, дозволили їх застосувати у вигляді теплоприймальних елементів для болометрів завдяки формуванню затухаючих електромагнітних 80345 6 хвиль і переходу електромагнітної енергії у джоулеве тепло. Аномальне оптичне поглинання на довжинах хвиль 3-14 мікрон завдяки формуванню затухаючих хвиль дозволяє розробити нові типи теплочутливих елементів на основі кремнієвої структури з повітряними циліндрами. Рівень шуму запропонованих кремнієвих структур нижче рівня шуму в аморфному та полікристалічному кремнії і навіть нижчий, ніж у вихідному монокристалічному кремнії. Таким чином, болометричні характеристики таких структур перевищують параметри кращих зразків теплоприймальних елементів на основі кремнію для неохолоджуваних мікроболометрів. Приклад. Неохолоджуваний теплоприймальний елемент для болометрів виготовлений з монокристалічного кремнію з періодичним або довільним розташуванням паралельно розташованих повітряних циліндрів. Для виготовлення теплоприймального елементу була використана структура монокристалічного кремнію n-типу провідності з орієнтацією поверхні і товщиною 20мкм на сапфірі. Формування кремнієвої структури з паралельно розташованими повітряними циліндрами діаметром 2мкм і відстанню між ними 2мкм проведено з використанням технології фотоелектрохімічного травлення. З метою забезпечення теплової ізоляції теплочутливого шару між цим шаром і діелектричною підкладкою була сформована повітряна порожнина товщиною 5 мікрон. Формування порожнини під макропористим кремнієм проведено шляхом зміни умов фотоелектрохімічного травлення циліндрів. Оптичне поглинання виготовленої структури на довжинах хвиль 3-14 мікрон перевищує 90%. Для дослідження електрофізичних характеристик теплочутливого елементу була виготовлена структура з алюмінієвими контактами на відстані 1 мм. Температурний коефіцієнт опору теплочутливого елементу при кімнатній температурі становить 3%/град, рівень шуму - 2,5·10-9 B·Гц1/2, виявна здатність досягає D*≈1010 cм·Гц1/2Вт-1. Література: 1. Маляров В.Г., Хребтов И.А., Куликов Ю.В. Сравнительные исследования болометрических характеристик тонкопленочных структур на основе диоксида ванадия и аморфного гидратированного кремния // Прикладная физика. - 1999. - № 2. - С. 86-96. 2. Piotrovsky J., and Dobrzansky L., Micromachined thermal devices - detectors and emitters // Opto-Electronics Rev. - 1998. - Vol. 6. - P. 69-78. 7 Комп’ютерна верстка В. Клюкін 80345 8 Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601