ДЕТЕКТОР ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С МИКРОИНКАПСУЛЯЦИЕЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ, ИСПОЛЬЗУЮЩЕЕ ТАКИЕ ДЕТЕКТОРЫ
ELECTROMAGNETIC RADIATION DETECTOR WITH MICRO-ENCAPSULATION, AND DEVICE FOR DETECTING ELECTROMAGNETIC RADIATION USING SUCH DETECTORS

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к области обнаружения электромагнитного излучения, более точно, отображению и термической пирометрии. Более точно, настоящее изобретение относится к устройству для обнаружения инфракрасного излучения, содержащему матрицу элементарных термических детекторов.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В области детекторов, используемых для формирования инфракрасных изображений или термографии (пирометрии), известно использование устройств, сконфигурированных в форме матрицы и способных функционировать при комнатной температуре, в которых используется изменение в физическом блоке материала или сборки соответствующих материалов в зависимости от температуры, изменяющейся около 300°K, т.е. без охлаждения. В частном случае болометрических детекторов, которые наиболее широко используются, этот физический блок обладает электрическим сопротивлением. Могут быть использованы и другие электрические блоки, такие как блок диэлектрической постоянной, блок поляризации и даже неэлектрические блоки, такие как блоки дифференциально-термического расширения, показатель преломления. Эти детекторы обычно называются детекторами ИК-излучения (болометрами), в отличие от квантовых приемников (фотопроводящих или фотогальванических), которые надлежащим образом функционируют лишь при очень низких температурах.
Такой неохлаждаемый детектор в состоянии полной готовности обычно получают путем сборки следующих элементов:
- подложки, содержащей средство матричной адресации чувствительных элементов (элементарных болометров) и формирования электрического сигнала на основе каждого элемента. Эту подложку обычно называют интегральной схемой считывания (Read-Out Integrated Circuit, ROIC). Поверхность подложки несет на себе сборку матриц чувствительных структур, каждая из которых в основном образована мембраной, которая подвешена на крайне тонких и узких кронштейнах;
- как правило, сильно вакуумированного герметизированного корпуса (упаковки), который имеет освещенную переднюю поверхность с окном, прозрачным для обнаруживаемого излучения, и электрическими разъемами, предназначенными для соединения с внешними штырьковыми выводами устройства. Вакуум предназначен для обеспечения высокой теплоизоляции между подложкой и чувствительными элементами. Это тепловое сопротивление, которое является фундаментальным с точки зрения обеспечения того, чтобы детектор был очень чувствительным, задается формой опорных рычагов и материалов, из которых они сделаны.
Подложка, снабженная чувствительными элементами, вделана в полость внутри упаковки, обращенной к окну, посредством сварки или спаивания, а электрические контакты подложки закреплены отдельно друг от друга на внутренних вводах/выводах упаковки посредством проводных соединений. Эта упаковка также содержит:
- электрически или термически активируемый поглощающий элемент, предназначенный для поддержания адекватного парциального вакуума в компоненте в течение всего срока службы после того, как компонент был вакуумирован и герметизирован;
- термоэлектрический охладитель (ThermoElectric Cooler, TEC), предназначенный для регулирования температуры подложки, который посредством пайки или сварки вставлен между кожухом упаковки и подложкой. Использование этого модуля предназначено для устранения влияния температурных колебаний на фокальную плоскость при использовании детектора; в настоящее время таким модулем снабжены только наиболее мощные компоненты.
Для получения кадра с использованием этого детектора кадр проецируют через соответствующую оптику на матрицу элементарных детекторов и применяют хронометрированные электрические стимулы через схему считывания для каждого из элементарных детекторов, или для каждого ряда таких детекторов, для получения аналогового и/или цифрового электрического видеосигнала, отображающего данные по температуре, получаемые каждым из упомянутых элементарных детекторов, и предназначенного, например, для формирования теплового изображения наблюдаемого кадра.
Компоненты, которые являются достаточно простыми по сравнению с описанием выше, в настоящее время изготавливают путем сборки двух частей, образованных двумя различными подложками, обычно с использованием технологий упаковки слоев кристаллических пластин (Wafer Level Packaging, WLP). В документе WO 95/17014 описана задача и способ изготовления этого типа. Таким образом, сначала получают разгерметизированный корпус, содержащий тонкопленочный поглотитель, причем корпус ограничен двумя компонентами подложки и периферийным уплотняющим швом. Одна из подложек содержит цепь считывания и чувствительные элементы, а другая подложка имеет окно.
Основное внимание к технологии этого типа привлечено тем, что большое количество герметизированных компонентов можно получать одновременно путем использования относительно ограниченного количества деталей и операций, экономя, таким образом, расходы. Приведение компонентов в контакт с внешней средой после их отделения путем механического отрезания от двух подложек по существу осуществляют на втором этапе путем сборки единого комплекта на основе использования, например, технологии печатной платы (ПП), которая имеет стандартные металлические дорожки и может также содержать электронную бесконтактную схему.
Общий процесс изготовления разгерметизированного корпуса, включая конечное отрезание, которое нельзя выполнять на обеих подложках одновременно, поскольку электрические контакты вход/выход, образованные вне корпуса на подложке цепи считывания, приходится обнажать, тем не менее, остается относительно сложным. Использование двух различных подложек также вызывает необходимость использования нескольких технологий, специфических для каждой подложки, для получения различных характеристик, необходимых для их эксплуатации. Для подложки, на которой имеются окна, должны быть сформированы очень плоские полости, которые обращены к каждой чувствительной матрице, и локализованные просветляющие (противоотражающие) слои, которые должны быть осаждены в них. Также, обе подложки должны иметь многослойную металлизацию, которую обеспечивают для спаивания подложек друг с другом. Все эти технологии могут быть освоены, но они требуют многочисленного дорогого оборудования. В дополнение, приходится осваивать технологии, сопровождающиеся спаиванием подложек с большими поверхностями таким образом, чтобы все конечные компоненты были герметизированы вместе, и это налагает конкретные ограничения с точки зрения гладкости и геометрического качества двух поверхностей, подлежащих соединению друг с другом. Наконец, эти операции осуществляют, когда на поверхности подложки схемы считывания обнажены крайне ломкие чувствительные элементы, и это делает операцию особенно ненадежной с точки зрения целостности структур и риска дисперсного загрязнения.
Эти технологии, хотя они, без сомнения, являются прогрессивными с точки зрения промышленного изготовления, тем не менее, остаются относительно сложными и дорогостоящими.
Один из способов, частично преодолевающий эти ограничения, описан в документе FR 2822541. Этот документ описывает объект, который содержит микрополости, которые сформированы таким образом, чтобы они были обращены к каждому узлу детектирования, путем использования совокупных микроэлектронных технологий, что, таким образом, делает процесс изготовления приемлемым для достижения функциональной разгерметизации. Согласно информации, раскрытой в упомянутом документе, нет больше необходимости во второй подложке, и это исключает трудности, присущие WLP-технологиям, ограничивает количество операций и устраняет необходимость в развертывании широкого перечня технологий. Что еще важно, уязвимость структуры и риск дисперсного загрязнения в ходе изготовления, т.е., связанного с этим снижения выхода годного или повышения затрат на требуемые меры предосторожности, предпринимаемые для предотвращения снижения выхода годного, можно рассматривать как практически стремящийся к нулю.
2
Однако создание микрокапсул или микрополостей влечет за собой потерю пространства по всей опорной поверхности каждого элементарного детектора, и это оказывает неблагоприятное влияние на итоговую чувствительность компонента из-за снижения коэффициента заполнения, который (если говорить просто) представляет собой отношение площади поверхности чувствительной мембраны к площади поверхности p, где p означает шаг трансляции матрицы единичных элементов (пикселей) тепловизора. В дополнение, структуры, которые закрепляют несущие рычаги каждой мембраны, должны быть созданы строго в пределах внутренней поверхности, ограниченной боковыми стенками, которые отделяют каждую микрокапсулу от ее соседей. Это приводит к потерям чувствительности, что связано с ограничениями, налагаемыми на возможную длину несущих рычагов; эта длина определяет термическое сопротивление между мембраной и подложкой. Однако термическое сопротивление является решающим фактором, который определяет чувствительность болометров.
Эти недостатки не особенно вредны, если шаг матрицы является относительно широким, и обычно он составляет до 35 или 30 мкм или даже до 25 мкм. Однако в настоящее время возрастает запрос на матрицы элементов формирования изображений с очень высокими пространственными разрешениями, шаг которых составляет до 20 мкм или даже до 15 мкм, особенно, без получения каких-либо потерь в чувствительности элементарных болометров. Поэтому, есть необходимость в проектировании структур, с помощью которых можно достигать таких результатов, при сохранении преимуществ изготовления согласно описанным выше технологиям.
Основные принципы, раскрытые в настоящем документе, описаны со ссылками на фиг. 1A и 1B.
Фиг. 1A схематически изображает частичный вид сверху матрицы детекторов, игнорирующий особые признаки, для обеспечения вакуумирования и герметизации микроучастков.
Объект имеет:
исходную подложку 1, на которой формируют коллективно все структуры; поверхность этой подложки содержит все необходимые электронные элементы для функционирования устройства, и здесь нет необходимости в подробном описании;
чувствительные мембраны 2, уставленные в матрице с шагом трансляции p, и подвешенные на их несущие рычаги 6;
крепежные структуры 3, на которых покоятся концы рычагов 6;
стенки или периферийные стенки 4 микрокапсул, которые разделяют микроучастки для детектирования;
верхние покрытия или окна 5, которые, как правило, бывают прозрачными и закрывают микрокапсулы, покоясь на верхнем конце стенок 4.
Фиг. 1B дополняет описание и изображает поперечный разрез вдоль пунктирной линии на фиг. 1A. Здесь существует необходимость в подробном описании конструкции или геометрии этих элементов, но будет уместным указать приблизительный размер и геометрию комплекта.
Пространство между подложкой и мембранами обычно составляет около 2 мкм для оптимизации чувствительности в применяемом инфракрасном диапазоне длин волн 8-14 мкм при условии, что отражатель (не показан) сформирован на поверхности подложки, что хорошо известно. Пространство между мембранами 2 и окном 5 также составляет около 2 мкм для предохранения элементов от того, чтобы они находились слишком близко друг от друга сразу после откачки полости. Шаг p такой структуры обычно составляет более 25 мкм.
2
Ясно, что опорная поверхность крепежных структур 3 (четыре из них показаны на фиг. 1A, и это количество, возможно, может быть уменьшено до двух, если механическая стабильность мембран это позволяет) по существу ограничивает энергию излучения, которую каждая мембрана 2 может эффективно накапливать как долю полной энергии, принимаемой по площади поверхности p.
В дополнение, опорная поверхность стенок 4и смежное периферийное пространство внутри микрокапсул между стенками 4и мембранами 2 также частично ограничивает энергию излучения, которая может быть накоплена мембраной.
Иными словами, эти геометрические соображения накладывают существенные ограничения на коэффициент заполнения, особенно в случае уменьшенных шагов.
Существует другое ограничение, относящееся к длине несущего рычага 6, который может быть выполнен с использованием крепежных структур, сформированных внутри стенок, по сравнению со структурами, которые не имеют микрокапсул, но должны иметь точки крепления, общие для двух (или даже четырех) смежных мембран. Эта выгодная схема размещения, полученная путем формирования точек крепления вдоль оси симметрии между двумя (или четырьмя) чувствительными участками, является общепринятой для этой области, при применении стандартной технологии, без использования микрокапсул, и фактически задает уровень производительности известной технологии.
Поэтому целью изобретения является создание таких структур и способов их изготовления для окончательного формирования детекторов, которые обладают повышенной производительностью, при этом сохраняют преимущества, обеспеченные вакуумонепроницаемой микромерной технологией.
Другой целью изобретения является предложение конкретных устройств, а также способов их изготовления, причем эти устройства обладают электрооптическими характеристиками, которые, преимущественно, получены в рамках объема изобретения:
детекторы, которые имеют микроучастки, чувствительные в нескольких спектральных диапазонах;
детекторы, которые имеют локально расположенные эталонные микроучастки, нечувствительные к инфракрасному излучению;
детекторы, которые обладают способностью к обнаружению лишь вполне определенных ориентаций поляризации или направлений падения излучения, или которые имеют однородный или распределенный пиксельный высокочастотный фильтр с несколькими нижними критическими длинами волн;
детекторы, в которые встроена защита от интенсивного излучения.
Изобретение в основном подробно описано в данном описании на основе деталей его конфигурации, которые применимы для наиболее общего случая и представляют практический интерес - исследования в длинноволновой инфракрасной области (ДВИК, Long Wave Инфракрасный, LWIR), что соответствует 8-14 мкм ИК-окну пропускания через атмосферу. Тем не менее, конструктивные детали изобретения можно адаптировать для их эксплуатации в других инфракрасных диапазонах, и даже за пределами инфракрасной области в так называемой «терагерцевой» области. По этой причине термин «электромагнитное излучение» иногда используется более предпочтительно по отношению к более ограничивающему термину «инфракрасный».
Также, в основе этого описания лежит термин «излучение, представляющее интерес», или, точнее, «спектральный диапазон, представляющий интерес», границы которого ниже обозначены как λmin и λmax, которые следует рассматривать как диапазоны длин волн, для которых предназначен (спроектирован) детектор, который должен быть чувствительным. В случае микроболометров, сама по себе мембрана обычно бывает чувствительной к очень широкому диапазону частот излучения (иными словами, не чувствительной к узкоконкретному диапазону длин волн), и в результате термин «спектральный диапазон, представляющий интерес», на самом деле задается спектром, для которого окно (в данном случае покрытие окна) является почти прозрачным.
Термины «предпочтительная спектральная чувствительность» или «предпочтительный спектр» также следует рассматривать как достижение максимальной чувствительности (или оптического отклика) детектора вблизи конкретной длины волны λp в пределах упомянутого спектрального диапазона, представляющего интерес, посредством маски спектрального пропускания оконного покрытия, которое проявляет максимальную чувствительность вблизи этой длины волны.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей настоящего изобретения является конкретное расположение стенок герметизированных микрокапсул и точек крепления для опорных рычагов мембран, которые образуют элементарные детекторы для преодоления недостатков предшествующего уровня техники.
Таким образом, изобретение относится к детектору электромагнитного излучения, предназначенному для функционирования при предпочтительной длине волны λр, находящейся в пределах спектрального диапазона, представляющего интерес, находящегося в пределах диапазона λmin-λmax, состоящему из множества элементарных микроучастков детектирования, каждый из которых включает в себя микродетектор, снабженный мембраной, чувствительной к излучению, по меньшей мере, в спектральном диапазоне, представляющем интерес, и каждый из них помещен в микрополость или микрокапсулу, образуемую подложкой, верхней стенкой, используемой в качестве окна, прозрачного для упомянутого излучения в спектральном диапазоне, представляющем интерес, по меньшей мере, для некоторых микроучастков из упомянутого множества, и боковыми стенками, причем упомянутая мембрана подвешена выше подложки посредством, по меньшей мере, двух опорных рычагов, которые включают в себя электропроводящий слой, причем каждая микрополость или микрокапсула обычно вакуумирована или находится под низким давлением.
-3
Ниже термин «герметизированный» более предпочтителен по сравнению с концепциями, в которых употребляются такие термины, как «вакуум (воздухонепроницаемость)» или любое специфическое давление, поскольку основным признаком микрокапсул является их способность поддерживать, в течение всего эксплуатационного срока службы конечного продукта (несколько лет) и с учетом желательного присутствия поглотительного элемента, сообщающегося с полостью, внутреннее давление, достаточно стабильное, чтобы не мешать функционированию чувствительных элементов, которые в ней размещены. Хотя обычно делаются попытки достижения давления, составляющего, как правило, менее 5⋅10 мбар, которое обычно считают «вакуумом», требованиям к эксплуатационной долговечности также отвечает газ с низкой теплопроводностью (Ar, Xe, Kr) при значительно более высоком давлении, что означает воздухонепроницаемость в смысле, указанном выше.
Согласно изобретению, концы опорных рычагов закреплены в боковых стенках.
В одном варианте воплощения изобретения боковые стенки, которые задают упомянутые микрополости или микрокапсулы, состоят из двух плотно соединенных деталей:
- первой, нижней детали, которая прилипает к подложке и образует наполовину отделяемое основание периферийных стенок на каждом микроучастке детектирования и локально содержит электропроводящие вертикальные контакты, которые обеспечивают неразрывность электроцепи с электропроводящим слоем опорных рычагов;
- второй детали, основание которой подвешено и физически прикреплено к верхней части упомянутой первой части вокруг периферии каждой микрокапсулы и поддерживает верхнюю стенку или окно, которое почти параллельно подложке.
Согласно одному аспекту изобретения, точки крепления и электрические контакты концов рычагов, поддерживающих мембраны, сформированы в местах контакта между этими двумя деталями. Благодаря этому, потери чувствительности, характерные для детекторов согласно уровню техники из-за ограничений, налагаемых на длину рычагов и опорную поверхность точек крепления, практически устранены.
Согласно одному предпочтительному аспекту изобретения, периферийные грани обеспечены на уровне верхних стенок или окон вблизи боковых стенок для уравновешивания большей части остаточного снижения коэффициента заполнения, вызванного опорной поверхностью упомянутых стенок. Точнее говоря, эти периферийные грани, которые наклонены к подложке или обладают скругленным профилем, способны отражать большую часть падающего электромагнитного излучения вблизи границ между двумя микроучастками по направлению к одной или другой из смежных микрополостей, как правило, без каких-либо промежуточных потерь, с точки зрения сигналов, применимых для формирования изображения.
Подложку успешно покрывают слоем, который отражает падающее излучение по направлению к чувствительным мембранам, причем упомянутый отражатель полностью или частично состоит из материала, способного накапливать молекулы остаточного газа, захваченного в микрокапсулы, или поглотители, состоящие, например, из титана.
Неразрывность электрической цепи, по меньшей мере, между двумя опорными рычагами, содержащей электропроводящий слой и подложку, успешно получают с помощью проводника, который проходит перпендикулярно относительно оси упомянутых рычагов на уровне линий стыка между двумя частями боковых стенок, таким образом, он является вертикальным соединительным элементом (16), который вместе с подложкой обладает электрической проводимостью.
Преимущественно, детектор согласно изобретению лишен какой-либо структуры для прикрепления опорных рычагов чувствительных мембран, отличных от боковых стенок, которые образуют микрокапсулы или микрополости.
Преимущественно, герметизацию микрополости получают с использованием материалов, которые приклеены или составляют единое целое с верхней стенкой или окном и прочно опираются на элементы, которые расположены локально ниже окна и прикреплены к верхней части боковых стенок.
Технологии, позволяющие удалять расходуемые материалы, которые были временно захвачены в микрокапсулы или микрополости, и технологии для герметизации упомянутых микрокапсул раскрыты, например, в документе FR 2822541, а более конкретно - в документе FR 2864340. Компоновки, которые были успешными, поскольку они являются особенно пригодными в этом контексте, указаны в подробном описании изобретения.
В контексте конкретного применения изобретения, микродетекторы состоят из микроболометров, а верхняя стенка или окно микрокапсул выполнено из материала, выбранного из группы, содержащей кремний, сплавы кремния и германия и сульфида цинка, в качестве одиночного слоя или многослойной структуры.
В одном конкретном варианте воплощения изобретения первая часть микроучастков обладает предпочтительным спектром, который практически отличается от предпочтительного спектра второй части микроучастков, благодаря формированию, по меньшей мере, одного слоя, отличного от других, в или на окне одной из упомянутых частей, по сравнению с другой частью.
В другом конкретном варианте воплощения первая часть микроучастков чувствительна к излучению, представляющему интерес, тогда как вторая часть микроучастков обычно бывает матовой из-за непрозрачного металлического слоя, который осаждают в или на окно второй части.
В другом конкретном варианте воплощения, по меньшей мере, некоторые из микроучастков являются чувствительными к поляризации или углу падения падающего излучения благодаря сети проводников, расположенных в или на окне упомянутой части.
В другом конкретном варианте воплощения первая часть микроучастков содержит герметизированную микрополость, тогда как внутренняя полость второй части микроучастков сообщается с атмосферой за пределами микрокапсулы.
В другом конкретном варианте воплощения первая часть микроучастков содержит герметизированную микрополость, тогда как внутренний объем второй части микроучастков полностью заполнен материалом.
В другом конкретном варианте воплощения детектор снабжен высокочастотным фильтром путем формирования, по меньшей мере, одного специального слоя в окне.
В другом конкретном варианте воплощения первая часть микроучастков снабжена первым высокочастотным фильтром, а, по меньшей мере, вторая часть снабжена вторым фильтром высокого пропускания. Иными словами, первая часть микроучастков снабжена высокочастотным фильтром, обладающим первой критической длиной волны, а, по меньшей мере, вторая часть микроучастков снабжена высокочастотным фильтром, обладающим, по меньшей мере, второй критической длиной волны.
В другом, конечном варианте воплощения, по меньшей мере, некоторые из микроучастков содержат, по меньшей мере, один слой, сформированный в или на окне, которое обеспечивает детектору переменную чувствительность в зависимости от падающего электромагнитного потока.
Изобретение также относится к устройству для детектирования электромагнитного излучения, в котором использованы такие детекторы.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Изобретение будет более понятным из нижеследующего описания, подробности которого приведены лишь в качестве примера и применительно к прилагаемым чертежам, на которых идентичные ссылки относятся к идентичным элементам, на чертежах:
фиг. 1A изображает частичный схематический вид сверху матрицы микрокапсул согласно уровню техники;
фиг. 1B - вертикальный поперечный разрез, упрощенный для иллюстрации только основных элементов объекта, представленных на фиг. 1A;
фиг. 2A - частичный схематический вид сверху матрицы микрокапсул согласно изобретению, представленный в упрощенном виде;
фиг. 2B - поперечный разрез, упрощенный для иллюстрации лишь основных элементов структуры, представленной на фиг. 2A, сделанный вдоль прерывистой линии;
фиг. 3A и 3C - частичный вид сверху матрицы микрокапсул согласно изобретению с использованием первого способа формирования стенок на двух различных стадиях изготовления;
фиг. 3B и 3D - поперечные разрезы структуры, относящиеся, соответственно, к фиг. 3A и 3C;
фиг. 3E - тот же поперечный разрез для альтернативного способа формирования электрических контактов;
фиг. 4A - частичный вид сверху матрицы микрокапсул согласно изобретению с использованием второго способа формирования стенок и согласно этапу, на котором были созданы мембраны, которые образуют детекторы;
фиг. 4B - поперечный разрез структуры, представленной на фиг. 4A;
фиг. 4C - частичный вид сверху матрицы микрокапсул согласно изобретению с использованием конкретного способа введения опорных рычагов в электрических целях согласно этапу, на котором были созданы мембраны, которые образуют детекторы;
фиг. 5A - частичный вид сверху матрицы микрокапсул согласно изобретению с использованием предпочтительного способа формирования верхних частей стенок и покрытий микрокапсул на различных стадиях изготовления;
фиг. 5B и 5C - поперечные разрезы структуры, представленной на фиг. 5A, взятые вдоль линии на двух различных стадиях формирования упомянутых структур;
фиг. 6A - частичный вид сверху матрицы микрокапсул согласно изобретению с использованием альтернативного благоприятного способа формирования верхних частей стенок и покрытий микрокапсул на различных стадиях изготовления;
фиг. 6B-6D - поперечные разрезы структуры, представленной на фиг. 6A, на трех различных стадиях формирования упомянутых структур;
фиг. 7 - диаграмму, показывающую двойную чувствительность детектора согласно изобретению, имеющего две предпочтительные длины волн.
Чтобы сделать чертежи понятными, на видах сверху в иллюстративных целях обозначены границы только тех сложенных слоев, которые необходимы для достижения достаточного понимания соответствующего текста. Поперечные разрезы также подробно описаны только по мере необходимости также лишь в иллюстративных целях, и должно быть понятно, что различные материалы могут предполагать наличие форм или деталей, отличных от форм или деталей, которые не выходят за пределы объема изобретения.
Следует также отметить, что термин «один слой» можно рассматривать как «один или несколько слоев» в зависимости от того, какая из технологий требуется для данной конструктивной детали, без того, чтобы указанный принцип был существенно изменен или расширен. Это также относится к разработкам, которые указаны для разъяснения различных конкретных вариантов воплощения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Фиг. 2A схематически показывает конструкцию согласно изобретению в форме, свободной от функциональных элементов, которые используются для прокладки электрических проводов, откачки и герметизации микроучастков. Эти элементы следующие:
исходная подложка 1, на которой сформированы все структуры;
чувствительные мембраны 2 детекторов в схеме с шагом трансляции p, которые опираются на соответствующие опорные рычаги 6, проходящие настолько, насколько проходят периферийные стенки 4,в которые они вставлены;
стенки, или боковые стенки 4,образованные вышележащими частями 4A и 4B;
верхние покрытия или окна 5.
Фиг. 2B дополняет описание с точки зрения установки опорных рычагов 6 мембран 2. Крепежные структуры в их традиционной форме, схематически показанные на фиг. 1A и 1B, теперь исключены, а рычаги 6 проходят настолько, насколько проходит стык между двумя частями 4A и 4B стенок 4,которые действуют как крепежные структуры, образованные по оси симметрии между чувствительными участками, как это бывает в случае известных технологий, обладающих максимальной производительностью. Это приводит к существенному усилению теплового сопротивления и, следовательно, к повышенной чувствительности детектора по сравнению с технологией, описанной в документе FR 2822541. Аналогично, устранение опорной поверхности крепежных структур 3, показанных на фиг. 1A, и связанных с ними разделенных пространств приводит к значительному повышению коэффициента заполнения поверхности. Такая компоновка становится почти эквивалентной (помимо опорной поверхности стенок) стандартным устройствам, которые не имеют микрокапсул, но успешно оборудованы соединениями и точками крепления, каждая из которых разделена на два или даже четыре участка детектирования таким образом, что специалистам в данной области техники это ясно.
Один отчетливый результат структуры детектора согласно изобретению состоит в том, что становится возможным конструировать тепловые детекторы, имеющие шаг матрицы примерно 25 мкм или даже вплоть до применяемого физического предела для длинноволнового инфракрасного излучения, составляющего примерно 15 мкм, при пренебрежимо малых потерях чувствительности по сравнению со структурами, создаваемыми с использованием известной технологии, но без микрокапсул, т.е. без структур, которые приходится интегрировать в систему с использованием стандартных технологий, со всеми присущими им ограничениями, особенно экономическими ограничениями, как было описано во вводной части. Что еще важно, остаточные потери, связанные с опорной поверхностью стенок, могут быть практически исключены, как разъясняется ниже.
Один вариант воплощения этого детектора с использованием первого предпочтительного, неограничивающего способа формирования стенок разъясняется ниже со ссылкой на фиг. 2A и 3B.
Процесс начинается с осаждения и создания путем травления отражающего металлического слоя 11,например, слоя на основе титана и/или алюминия на поверхности подложки 1. Эту подложку пассивируют известным образом, причем упомянутую подложку пассивируют путем создания нескольких диэлектрических слоев 7, что хорошо известно в данной области. Пассивация имеет локализованные отверстия, направленные к металлическим контактным столбикам 10,сконструированным для обеспечения электрического доступа к чувствительным мембранам 2. Отражающий слой 11 сконструирован для образования нижней части четвертьволновой пластины, которую обычно используют в этой области. В качестве преимущества этот уже предложенный слой 11 полностью или частично состоит из поглотительного элемента, который в основном применяют при наличии требования по поддержанию низкого давления внутри капсулы сразу после их окончательного формирования.
Продолжение процесса состоит в применении выравнивающего слоя 12, как правило, органического слоя, такого как полиимид, обладающего конечной толщиной примерно 2 мкм на уровне центральной части чувствительных элементов.
Осаждают первый слой диэлектрического материала 13,обычно составляющий менее 0,1 мкм в толщину, изготовленный, например, из оксида кремния или нитрида кремния, а затем осаждают слой алюминия или аморфного кремния 14,который составляет приблизительно 0,1-0,2 мкм в толщину, а затем путем травления формируют сеть канавок 8, ширина которых составляет приблизительно 0,5 мкм. Это травление продолжается анизотропным травлением слоя 12 для обнажения изображений 10 и пассивацией поверхности подложки. В этом варианте воплощения ширина канавок бывает на 0,5 мкм шире, например, вблизи изображений 10.Диэлектрический слой или эластичный слой аморфного кремния 15, толщина которого составляет 0,5-1 мкм, затем осаждают в этих канавках и на поверхности слоя 14 путем использования технологий, известных в данной области. Толщина слоя 15 такова, что узкие части канавок заполняются полностью, а в их более широких частях остается незасоренное отверстие 0,5-1 мкм.
Далее описание представлено со ссылками на фиг. 3C и 3D.
Слой 15 затем подвергают анизотропному травлению для обнажения слоя 14,а также дна расширенных частей канавок, которые расширяются вдоль поверхности вставленных в них контактов 10.Узкие части канавок остаются заполненными по всей длине, а вертикальный профиль суженных частей остается покрытым слоем 15. Полости, образованные суженными частями канавок, затем металлизируют с использованием технологий, которые известны в микроэлектронике, и обычно для этого применяют вольфрам или силицид вольфрама с помощью химического осаждения из паровой фазы (Chemical Vapour Deposition, CVD), или путем электрохимического осаждения, которое касается, например, меди. Путем этой металлизации 16заполняют остаточные вертикальные полости и покрывают слой 14,который затем обнажают, протравливая металлизацию 16 без маски. Оставляют нетронутыми только вертикальные элементы этого слоя 16, как видно на фиг. 3D. Слой 14затем также везде удаляют путем травление без маски для селективного обнажения слоя 13.
Слой 14 играет незначительную роль в качестве твердой маски для травления канавок, а также действует как протравленный запирающий слой для облегчения удаления металлизации 16,без повреждения слоя 13. Однако, при использовании высокоселективных технологий можно обойтись и без использования этого слоя 14.Специалисты в данной области техники осведомлены о технологиях, подходящих для травления слоя 14,в зависимости от того, сделан ли этот слой из алюминия или кремния, как предполагалось ранее.
На этой стадии формируют нижние части 4Aстенок 4, а также элементы, которые позволяют осуществлять электрическое соединение с активными структурами мембран.
Способ продолжают выполнять путем формирования структур, характерных для мембраны 2, и это приводит к появлению объекта, показанного в упрощенном виде на фиг. 4A и 4B.
На фиг. 4B предполагается полное выравнивание слоев 16 и 14на предыдущих этапах в соответствии с комплектом, описанным применительно к фиг. 3D. На этой стадии является уместным, например, осаждать металлический слой 17 на слой 13,а затем наносить второй диэлектрический слой 18, который по существу идентичен слою 13,для расположения материала для опорных рычагов 6 в известной конфигурации. Слой 17, изготовленный, например, из нитрида титана, который спроектирован для обеспечения неразрывности электроцепи, по меньшей мере, между двумя рычагами на мембрану, формируют неразрывно с вертикальной металлизацией 16,описанной выше, как показано на виде сверху на фиг. 3C.
Неразрывность электрической цепи между рычагами с контактами 10 может быть достигнута в соответствии с вариантом, предложенным на фиг. 3E (на которой для простоты не показан слой 17). В этом конкретном варианте воплощения полезно размещать слой 17 последовательно между слоями 13 и 14.В ходе операций, описанных выше, для травления слоев 16 и 14и обнажения слоя 17 кромку 19 оставляют в непосредственной близости от вертикальных элементов 16.При использовании этого варианта неразрывность электрической цепи достигается более традиционным способом.
Здесь нет необходимости в предоставлении подробного описания того, как формируется мембрана 2, или, в частности, в описании осаждения и формирования одного или нескольких термочувствительных слоев, обладающих неразрывностью электроцепи со слоем 17, поскольку их типичные варианты воплощения можно найти в документе FR 2752299 (US 5912464) или FR 2796148 (US 6426539).
Следует отметить, что в зависимости от природы материалов, используемых для формирования мембраны, специалисты в данной области техники смогут легко решить, оставлять ли материал наверху периферийных образований 4A или удалять его. Нет необходимости в указании деталей мембран на видах сверху и поперечных разрезах, и, в целях простоты, чертежи, приведенные ниже, не иллюстрируют контуры мембран на видах сверху; контур показан на поперечных разрезах жирной линией, которая применительно к внутренней структуре подробно не описана.
Можно легко создать опорные рычаги, которые не предназначены для обеспечения неразрывности электроцепи, т.е. создать опорные рычаги, имеющие строго механическую цель, если они присутствуют, без пустого пространства внутри полости, как предполагалось согласно фиг. 2A, поскольку слои, которые образуют рычаги, проходят, по меньшей мере, настолько далеко, что они входят в контакт или располагаются выше стенок 4A,которые сформированы таким образом. Для вставления, если это необходимо, краев слоя 13 (или, в более общем смысле, слоев, осажденных до травления канавок, которые затем резервируют для того, чтобы они представляли собой места вставки рычагов) в стенку 4Aследует, перед осаждением слоя 15, выполнить легкое изотропное травление абляционного материала 12 путем осуществления короткой кислородно-плазменной обработки, например, для легкого расширения канавки под кромкой поверхностных слоев из неорганических материалов. Впоследствии осажденный наполнитель 15 затем прилипает к периферийной нижней поверхности слоя 13.
В варианте, описанном выше со ссылкой на фиг. 3D, на которой слой 17 осаждают после создания проводников 16,также можно создавать точки опоры для рычагов, спроектированных для обеспечения непрерывности электрической цепи в любой точке на стенках 4A,настолько, насколько слой 17 непрерывно сохраняется наверху стенок 4A,по меньшей мере, настолько, насколько проходит один вертикальный соединительный элемент 16.
На фиг. 4C показан пример конкретной компоновки, в которой использована эта возможность, в соответствии с которой элементы 16 формируют в сети стенок 4A в шахматном порядке относительно оси рычагов, обладающих непрерывностью электрической цепи. Фактически, закрепление электрических опорных рычагов напротив вертикальных соединений 16,как предложено на фиг. 4A, - это лишь один пример компоновки, созданной на основе стандартной конструкции согласно уровню техники. Протяженность электрических рычагов, таким образом, дополнительно повышается, поскольку в этом случае в точках, куда вставлены упомянутые рычаги, отсутствуют расширения канавок. Таким образом, на фиг. 4C слой 17, для которого нет необходимости в отображении всех деталей на уровне рычагов и в мембране, сохраняется между вертикальными соединениями 16 и точкой, где закреплены электрические рычаги, для обеспечения непрерывности электрической цепи, начиная от контакта 10 на уровне подложки до мембраны 2.
Иными словами, непрерывность электрической цепи между рычагами 6 и подложкой 1 достигается за счет проводника, который проходит перпендикулярно относительно оси упомянутых рычагов на уровне линии стыка между частями 4A и 4B боковых стенок настолько, насколько проходит вертикальный элемент 16,который обладает электрическим контактом с упомянутой подложкой.
Конкретная форма технологии смещенного проводника, который проходит до верхней части стенок 4A, также может быть внедрена в соответствии с вариантом, разъясненным для фиг. 3E, предпринимая меры по сохранению слоя 16,для создания не только удлинений кромок 19,уже описанных выше, но также и создания локального удлинения до верха стенок 4A,в соответствии с описанным принципом, от металлизированной области 16 до точки, где закреплены рычаги, обеспечивающие неразрывность электрической цепи.
Специалисты в данной области техники смогут успешно использовать эти отличительные признаки, поддерживая или прерывая непрерывность различных слоев для обеспечения надлежащего соединения или изоляции между необходимыми контактами для мембран.
Прежде чем продолжить описание комплекта, ниже будут даны разъяснения относительно того, как элементы нижних стенок 4A будут изготовлены в соответствии со вторым предпочтительным неограничивающим вариантом воплощения, применительно к фиг. 4A и 4B, которые уже были описаны.
Как было указано выше, этот процесс начинается с осаждения и формирования отражателя 11 на поверхности подложки таким образом, чтобы он имел неразрывную цепь с контактами 10.Детализированный фрагмент, отражающий изображение 11,модифицирован по сравнению с тем, что представлено на фиг. 3B, 3D и 3E, но это просто является другой иллюстративной формой в данном примере, который предназначен для того, чтобы облегчить отображение конечных микрорельефов, полученных в результате предложенной технологии. Диэлектрический слой 20 толщиной примерно 2 мкм, изготовленный из стандартных для этой области материалов, а именно кремнезема, или диоксида кремния, или переходных форм, затем осаждают с использованием средств, стандартных для данной области.
Этот слой 20 успешно выравнивают химико-механической полировкой (ХМП), а вертикальные отверстия затем создают путем анизотропного травления через слой 20 в тех местоположениях, где должны быть вертикальные электрические контакты. Слой металлизации 16 осаждают везде, особенно для наполнения этих отверстий, с использованием привычной специальной технологии, обычно CVD и/или электрохимического осаждения.
Слой 16, наконец, опускают до поверхности слоя 20, обычно с использованием химического осаждения из паровой фазы, что является общей технологией в этой области.
Части 4A затем задают путем анизотропного травления слоя 20 в соответствии с изображением, описанным на фиг. 5A, настолько, насколько проходит поверхность отражателя 11,которая используется в качестве протравленного запирающего слоя. Промежутки между изображениями 11 после этой операции кажутся слегка изрезанными, как показано на фиг. 4B, без какого-либо неблагоприятного влияния на желаемый результат.
Выравнивающий слой 12, как правило, полиимидный слой, затем наносят для заполнения и грубого выравнивания всей текстуры поверхности, а затем выравнивают путем травления или, предпочтительно, путем ХМП для обнажения поверхностей, находящихся на верху структур 4A.Следует отметить, что выравнивать структуру с использованием ХМП можно, только если на этом этапе слой (слои) 16 оставлен/оставлены на своем месте на горизонтальных поверхностях, перед этапом, на котором в слое 20 формируют полости.
Продолжение процесса состоит в осаждении диэлектрического слоя 13, который обнажают очень локально путем его травления вблизи слоя 16 металлизации.Слой 17 затем осаждают на структуру для обеспечения неразрывности электрической цепи с верхней частью элементов.При наличии сформированных рычагов и мембран этого слоя 17, в соответствии с функциональными требованиями, второй диэлектрический слой 18,который, предпочтительно, аналогичен слою 13, осаждают и формируют путем травления, и процесс продолжается до завершения создания элементов существующих опорных рычагов и мембран 2, и в подробном описании этих этапов здесь нет необходимости.
Это приводит к созданию структуры согласно изобретению, которая успешно, с точки зрения сложности (количества этапов) и фактически нулевой топографией наверху стенок 4A, обладает теми же свойствами гибкости при сопряжении и сформировала возможные механические структуры, поддерживаемые периферийными структурами, какие предполагаются и в изобретении.
Один предпочтительный вариант воплощения верхних частей 4B стенок и покрытий (или окно) теперь описан ниже применительно к фиг. 5A, 5B и 5C.
Фиг. 5A, разделенная на четыре четверти, описывает, как конструкция развивается в ходе нескольких отличительных этапов в направлении стрелок на видах сверху, которые лишь отображают основные элементы.
Процесс начинается с осаждения выравнивающего слоя 30, который обычно бывает того же типа, что и слой 12, и его толщина составляет, например, 2 мкм. Минимальный слой 31,толщина которого составляет приблизительно 0,1-0,2 мкм, созданный из кремния или нитрида кремния или аморфного кремния, затем осаждают на поверхность и формируют путем травления, по меньшей мере, одно компактное изображение на микроучасток, который локально прерывает наращивание слоя стенок 4A.Расположение изображений 31в углах, которые являются общими для четырех микроучастков, с образованием многоугольника, общего для четырех микроучастков, как предполагалось на фиг. 5A (сверху слева), является благоприятным настолько, насколько полученные в результате структуры лишь в самой минимальной степени нарушают качество конечного продукта. Однако, очевидно, что приемлемы также и другие компоновки.
Осаждают новый выравнивающий слой 32, в основном того же типа, что и слои 30 и 12, обычно толщиной примерно 0,1-0,2 мкм, а затем формируют крестообразный шаблон канавок 4B путем литографии и травления слоев 32, 31, 30 (снизу слева на фиг. 5A) до достижения верха структур 4A. Ширина шаблона канавок, как правило, может налагаться на геометрию шаблона 4A.
Неорганический слой 33, который в основном прозрачен для выявляемого излучения, осаждают на комплект, создавая наполнение для канавок 4B,которые образуют верхнюю часть 4B боковых стенок 4микрокапсул. Предпочтительно, чтобы материал 33 состояли из аморфного кремния или сплава аморфного кремния и германия с толщиной, подходящей для заполнения канавок 4B,т.е. обычно 0,5-1 мкм. Травление канавок 4B можно облегчить путем использования относительно тонкого промежуточного слоя, например, слоя толщиной 0,1-0,3 мкм, для формирования твердой маски того же типа, что и слой 33, но который осаждают до выполнения литографии канавок 4B, как это бывает при обычной практике в данной области.
Перфорации 34, связанные с остальными шаблонами 31 (т.е. помимо канавок 4B),затем создают путем травления слоя 33, на фиг. 5A снизу справа.
На этой стадии полезно исключить все подверженные возможным негативным воздействиям органические слои внутри микрокапсул 12, 30 и 32 путем использования, например, кислородной плазмы. Отверстия 34 функционируют как проникающие вентиляционные каналы для окисляющих препаратов и для удаления побочных продуктов травления в соответствии с известной технологией. Как только эти материалы будут полностью удалены, даже из средней части микроучастков, комплект подвергают (необязательно) предварительной дегазации в вакууме в течение достаточного времени, например, от одного до нескольких часов, при температуре, совместимой с местными материалами, составляющей обычно около 200-400°C, а микрокапсулы герметизируют путем осаждения одного или более слоев, прозрачных для выявляемого излучения и, как правило, получаемых физическими способами и, предпочтительно, путем термического напыления. Эта технология близка специалистам в данной области техники. Предпочтительно, чтобы для материалов, таких как кремний, сплавы кремния и германия, сульфид цинка, в случае детектирования по тепловому излучению была использована длина волны 8-14 мкм. Они могут быть расположены в виде многослойной структуры, которую можно успешно применять для оптимизации прозрачности покрытия окна 33, 35. Не имеет смысла подробно описывать штабелированные слои, достаточно только сказать, что обычно их общая толщина составляет несколько микрометров, чего вполне достаточно для герметизации отверстий 34,таким образом, требуется вакуумное уплотнение микрокапсул, принятое в обычных случаях, когда применяется минимальное внутреннее давление.
Герметизация микрокапсул, как известно, также может быть получена путем осаждения неструктурного слоя прозрачного окна 5 до осаждения слоя (слоев) 35. Этот герметизирующий слой может быть непрозрачным и созданным, например, из такого металла как алюминий, предпочтительно, путем напыления. В этом случае данный слой необходимо затем удалить из оптических зон перед осаждением комплекта 35, обычно с использованием шаблона, идентичного элементам 31,путем использования маски и дополнительной операции травления. Этот слой герметично прикрепляют к окну 5 и элементу 31.
Согласно известной технологии, также является благоприятным формирование внутри микрокапсул, по меньшей мере, одного материала, способного накапливать остаточные молекулы газа, захваченные в микрокапсулы, например, молекулы титана, которые могут являться, например, материалом или одним из материалов, из которых изготовлен отражатель 11. Этот материал затем работает как поглотитель.
В ходе этого этапа герметизации также можно обеспечивать газ с низкотемпературной проводимостью, такой как аргон, криптон или ксенон, при низком давлении, что известно само по себе. Эти газы не мешают поглотительным материалам продолжать выполнять свою роль по отношению к атмосферным газам (кислороду, азоту), летучим органическим остаткам и водороду, которые необходимо поддерживать в микрополостях на минимально возможных уровнях.
Завершенная структура, созданная подобным образом, отличается от структур согласно уровню техники в том, что длина рычагов, которые поддерживают мембраны 2, больше не ограничена формированием крепежных структур 3 внутри микроучастков, и в том, что возникает существенное повышение коэффициента заполнения доступного пространства, оставленного чувствительными мембранами вследствие удаления упомянутых крепежных структур. Это приводит к чувствительности, аналогичной чувствительности, достигаемой в традиционных структурах, которые не имеют микрокапсул, даже в случае тепловизоров, в которых спроектированы крайне малые шаги, которые, в то же время, обладают преимуществом, состоящим в том, что они не требуют последующей обработки, связанной с их герметичным интегрированием в упаковку, которая имеет прозрачное окно.
Дополнительная удачная компоновка далее будет описана со ссылкой на фиг. 6A-6D.
Перейдем к этапу осаждения слоя 31,где процесс продолжается осаждением слоя алюминия 36 толщиной 0,1-0,2 мкм (или любого другого материала, обладающего технологическими характеристиками, которые делают возможным следующее развитие), который впоследствии протравливают до появления слоя 31с тем же шаблоном, который уже был описан. Этот этап соответствует верхней левой части на фиг. 6A.
Затем осаждают расходуемый слой 32, который составляет примерно 1-2 мкм в толщину. Этот слой 32 затем локально удаляют путем травления вблизи шаблонов 31 с одной стороны и вблизи шаблонов 4A с другой стороны, как показано на фиг. 6A. Край слоя 32 формируют таким образом, чтобы он был наклонен к основанию примерно под углом 30-45°. Это достигается с использованием известной технологии, такой как процесс оплавления резиста, с литографией маскирующего слоя перед травлением слоя 32.
На фиг. 6B подразумевается наличие регулярного профиля, но также вполне пригодным является профиль, который более или менее скруглен. Травление слоя 32, во-первых, прекращается на поверхности слоя 36, а во-вторых, по толщине слоев 30 и 32, хотя это и не является особо решающим. Этот этап схематически показан в нижней левой части на фиг. 6A.
Процесс продолжается формированием канавок 4B.Для этой цели слои 32 и 30 сначала протравливают, затем слои 30 (если они где-либо частично сохраняют свою толщину), затем слои 36, пока не обнажатся стенки 4A внизу канавки. Затем путем осаждения слоя 33 приходят к образованию 4Bи основанию покрытия окна.
Отверстия 34, ограниченные в рамках шаблонов, образованных слоем 36, протравливают через слой 33, как было указано выше; травление прекращают на слое 36. Эта ситуация представлена на фиг. 6A (снизу справа). Слой 36 затем протравливают сбоку или даже подвергают полному изотропному удалению, как правило, путем влажного травления, для обеспечения доступа к слою 32.
Фиг. 6C предшествует следующей операции, в ходе которой все расходуемые слои 12, 30, 32удаляют через вентиляционные отверстия 34 и свободное пространство, освобожденное слоем 36. Конечный этап герметизации, в котором использовано физическое осаждение вакуума, которое описано выше, схематически показан на фиг. 6A (справа сверху) и 6D.
Первым результатом этого процесса является создание прозрачных покрытий окна, периферия которого имеет грани, которые наклонены к подложке или имеют скругленную форму, которая выступает по направлению к поверхностям подложек 4A,без какого-либо крупного изменения оптических характеристик применительно к упаковке слоев и толщине, что на каждом микроучастке впервые приводит к образованию оптической структуры, эквивалентной микролинзе, т.е. линзы, функция которой состоит в отражении падающих лучей вблизи от границ между микроучастками любой из соседних полостей, где они, в конце концов, будут поглощаться чувствительными мембранами. Без такого расположения эти лучи могут поглощаться или рассеиваться по стенкам 4,т.е. претерпевать потери с точки зрения формирования изображения. Этот эффект схематически отображен стрелками в виде пунктирных линий на фиг. 6D. Это приводит к дополнительному усилению чувствительности отдельных участков детектирования.
Другой благоприятный результат, с точки зрения процессов, состоит в том, что процесс травления и, следовательно, также и заполнение впадин 4Bстановится легче, поскольку остаточная толщина слоя 30, который необходимо протравить до достижения обнажения структур 4A,благодаря этому эффекту значительно снижается. Фактически, можно совокупно отрегулировать толщину слоев 30 и 32 относительно высоты желаемого угла наклона или скругленного края (фаски) для оптимизации всех процессов и результирующей итоговой геометрической формы. Глубина впадин 4B может быть без труда снижена до 0,5 мкм или даже менее, например, путем использования произвольного тонкого слоя 30.
В дополнение, толщина слоя 33 успешно адаптирована для полного заполнения впадин 4B,т.е. его толщина составляет более половины ширины впадин, вследствие чего края дифракционных картин, сформированных на слое 35 (в более общем смысле, на всех слоях), соединяются впритык (не имеют никакой части, которая была бы расположена почти вертикально) таким образом, что они разделяют лучи падающего света на два соседних микроучастка, без каких-либо промежуточных потерь. Этот результат может быть достигнут путем использования, по меньшей мере, одного слоя, полученного путем химического осаждения из паровой фазы при формировании слоя 35, например, при использовании кремния, германия или промежуточного сплава, полученного с использованием химического осаждения из паровой фазы. Это расположение также дает возможность осуществить герметизацию микрополости более безопасно, как только отверстия 34 будут закрыты.
Серия конкретных вариантов воплощения, предназначенных для того, чтобы придать некоторым или всем микроучасткам различные электрооптические характеристики путем, по меньшей мере, локального изменения природы и/или состава отдельных покрытий окна, сформированных согласно изобретению, будет описана ниже. В одном конкретном варианте воплощения последовательность слоев, которые составляют покрытие окна 5 некоторых микроучастков, содержит слой, который является непрозрачным по всему инфракрасному спектру и проходит практически по всей площади поверхности упомянутых микроучастков, и является по существу непрерывным и металлическим. Такой слой, например, уже используется при выполнении герметизации микрокапсулы, как указывалось выше. В данном случае является существенным, чтобы сохранять этот слой на тех участках, которые содержат микродетектор, который необходимо или предпочтительно сделать «слепым» или, по меньшей мере, почти нечувствительным к излучению кадра. В данном случае этот дополнительный слой является частью «окна» на рассматриваемых микроучастках, которые далее лучше описаны термином «покрытие», поскольку он фактически действует как оптический экран. Если упомянутый металлический слой не требуется при герметизации, его можно легче дополнительно осаждать, а затем подвергать травлению на оптически чувствительных участках до или после формирования слоя 35.
Предпочтительный полученный результат обычно состоит в возможности создания, ценой очень небольшого повышения сложности, специальных болометрических структур, нечувствительных к излучению от кадра, которые относятся к эталонным или компенсационным болометрам и обычно необходимы для формирования четкого сигнала, не подвергающегося влиянию синфазного шума, как хорошо известно в данной области. Эти структуры обычно устанавливают по краям или вокруг периферии чувствительных поверхностей, и они обычно бывают очень сложными в изготовлении, кроме тех, которые находятся в пределах объема изобретения (при отсутствии микрокапсул).
В другом конкретном варианте воплощения изобретения, по меньшей мере, некоторые из микроучастков содержат сеть параллельных электропроводящих полос, созданных в или на окне 5 упомянутых микроучастков, проходящих практически по всей площади поверхности упомянутых микроучастков и имеющих шаг трансляции, меньший, чем выявляемые длины волн. Термин «меньший чем» означает не более чем приблизительно λmin/3.
Поляризационное фильтрование падающего излучения, полученного таким путем, обладает эффектом по существу сильно затухающего компонента упомянутого излучения, то есть оно падает под прямым углом к проводящей сети, при наличии компонента, параллельного ей, который в основном пропускается окном 5. Специалистам в данной области техники известно, как можно оптимизировать оптическое поглощение, осуществляемое чувствительной мембраной, расположенной позади такого окна, при таком поляризованном излучении, или наоборот, и в зависимости от требуемой цели, как создать мембрану, которая фактически будет нечувствительной к поляризации. В этом отношении подходит, например, описание, представленное в документе FR 2752299 (US 5912464).
Такой детектор можно использовать, например, для усиления, или наоборот, ослабления излучения от элементов объекта, которое падает на фокальную плоскость после отражения от плоскости, почти параллельной ориентации металлической сети (например, на основе отражения от горячих объектов).
Использование этого способа конструирования в одной матрице микроучастков, которые являются, с одной стороны, чувствительными избирательно по одному направлению поляризации, и микроучастков, которые являются, с другой стороны, чувствительными избирательно по ортогональному направлению, приводит к созданию детектора, который обеспечивает обычно одновременно два подызображения, например, чересстрочные изображения «горизонтальных» и «вертикальных» компонентов излучения от кадра. Это обеспечивает богатую информацию, относящуюся к наблюдаемому кадру.
В другом конкретном варианте воплощения изобретения, по меньшей мере, некоторые из микроучастков содержат сеть электропроводящих лент, созданных в или на окне 5 и находящихся, по существу, на всей площади поверхности упомянутых микроучастков, и имеющих шаг трансляции, который имеет тот же порядок величины, что и предпочтительная длина волны λp, которая должна быть выявлена. Термин «порядок величины» означает приблизительно λp-λp/2. Иными словами, шаг трансляции составляет λp-λp/2.
Термин «элементарное изображение» означает минимальное изображение, которое формирует завершенную дифракционную сетку, регулярно воспроизводимую по двум направлениям (которые расположены не обязательно под прямым углом) в плоскости, параллельной фокальной плоскости. Упомянутое элементарное дифракционное изображение может представлять собой линейный, кольцеобразный, крестообразный или дискообразный элемент, и эти примеры не являются ограничивающими.
Чувствительность детектора модулируется в зависимости от угла падения излучения, связанного с дифракцией на изображении сети. Этот эффект можно использовать, например, для повышения, или наоборот, снижения чувствительности детектора в зависимости от угла, под которым виден элемент кадра, относительно оптической оси системы, в которой установлен детектор.
Эти поляризационные или дифракционные фильтры сформированы в составе окон 5 с использованием тех же технологий, что приведены выше, которые были разработаны для создания непрозрачных экранов, с учетом соответствующим образом спроектированной маски, используемой для формирования металлического слоя. Предпочтительно, чтобы ширина проводящих лент была выбрана таким образом, чтобы она была существенно меньше шага трансляции. Аналогично, площадь непрозрачной поверхности элементарного изображения выбирают таким образом, чтобы она была существенно меньше, чем произведение шагов трансляции в обоих направлениях, по которым упомянутое элементарное изображение воспроизводится, чтобы не снизить чувствительность микродетектора, который обращен к окну, снабженному такой сеткой.
В другом конкретном варианте воплощения изобретения последовательность слоев окна 5 части микроучастка содержит, по меньшей мере, один слой, который является прозрачным в спектральном диапазоне, представляющем интерес, и отличается, с точки зрения толщины и/или типа, от последовательности слоев окна 5 другой части микроучастков, что придает каждой соответствующей части различную предпочтительную спектральную чувствительность.
Иными словами, этот конкретный вариант воплощения обеспечивает (по меньшей мере) две категории микроучастков, расположенных на одной и той же электронной сетчатой оболочке, которые являются более чувствительными (по меньшей мере) к двум частям общего спектрального диапазона, представляющего интерес, соответственно двух предпочтительных длин волн λp1 и λp2, поскольку окно 5 создано таким образом, чтобы оно было обращено к каждому микродетектору, обладало, соответственно, различными спектрами пропускания. Для двух спектров пропускания не обязательно, чтобы они были дискретными, и этого невозможно достичь, используя небольшое количество слоев, которые составляют окно 5. Эта особенность дает возможность, например, получать, посредством сигнала, обеспеченного, по меньшей мере, двумя соседними микроучастками, информацию, на основе которой можно выделять температуру излучения конкретного объекта на исследуемом кадре.
Детали этого варианта воплощения можно описать подробно, поскольку оптический спектр пропускания многослойной системы очень сильно зависит от толщины и соответствующих показателей каждого слоя. Тем не менее, специалисты в данной области техники обладают достаточными знаниями и профессиональным опытом для успешного применения этой особенности и использования одного или двух различных слоев для создания, соответственно, каждой категории чувствительных участков. Очевидно, как указывалось выше, различные слои или слой должен быть сохранен или удален локально, в зависимости от требуемой спектральной чувствительности для каждого микроучастка, путем использования одной или нескольких подходящих масок и соответствующих известных технологий внедрения.
Например, сильный отклик, составляющий 8 и 10 мкм, и слабый отклик за пределами 10 мкм можно получить для одной части микроучастков и, наоборот, для другой части микроучастков. Также можно создать так называемые двуспектральные сетчатые оболочки для средних инфракрасных (от 3 до 5 мкм) и длинных инфракрасных (от 8 до 14 мкм) длин волн, не сталкиваясь ни с какими ограничениями с точки зрения «широкополосного» пропускания окон, с которыми сталкиваются детекторы, которые встроены в упаковку с использованием традиционной технологии, согласно которой окно может быть только общим для всех чувствительных пикселей матрицы, поскольку оно расположено далеко от фокальной плоскости.
Следует учитывать, что этот вариант воплощения дает возможность создавать, относительно простым образом, двуспектральный или даже многоспектральный формирователь изображения, распределение пространственной чувствительности которого (например, разграфленные или чередующиеся линии) задается исключительно дизайном маски или масок, которые определяют то, как различные слои между различными зонами (частями) чувствительной сетки сохраняются или удаляются, и применяются непосредственно в конце процесса изготовления.
Такой детектор с дифференцированной чувствительностью, соответственно, при двух предпочтительных длинах волн λp1 и λp2 проиллюстрирован на фиг. 7. В описанном примере функция высокого пропускания, которая обсуждается ниже, в данном случае выходящая за пределы λmin, является общей для всех микроучастков.
В одном конкретном варианте воплощения изобретения первая часть микроучастков содержит герметизированную микрополость, тогда как вторая часть микроучастков содержит микрополость, которая сообщается с внешней атмосферой. Эта особенность достигается, например, путем нанесения маски на осажденный слой 35 во второй части микроучастков или путем необеспечения слоя 31 напротив отверстий 34 данных микроучастков.
Это приводит к созданию некоторых микродетекторов, которые чувствительны к излучению на первой части микроучастков, и некоторых микродетекторов, которые нечувствительны к излучению на второй части. Последние можно использовать в качестве эталонных детекторов для формирования сигнала, свободного от синфазного шума после компенсации, или, в более общем виде, в качестве детекторов, которые чувствительны к давлению вне устройства.
В одном конкретном варианте воплощения изобретения первая часть микроучастков содержит герметизированную микрополость, тогда как вторая часть микроучастков содержит «микрокапсулы», сформированные в то же время с использованием процесса, который в основном идентичен, но полностью заполненные материалом. Это является причиной, почему предпочтительно использование термина «микрокапсула», а не «микрополость», последнее представляет собой пространство, ограниченное твердым материалом, но в нем самом твердый материал отсутствует. Эта особенность непосредственно достигается путем необеспечения никаких отверстий 34 в опорной поверхности вторых микроучастков. Слои расходуемого материала 12, 30,32 в ходе операции по удалению расходуемых слоев остаются на месте без каких-либо функциональных последствий, за исключением создания тепловой цепи короткого замыкания между внутренним микродетектором и подложкой.
Этим способом можно получить, во-первых, микродетекторы, чувствительные к излучению для первой части микроучастков, а во-вторых, микродетекторы, нечувствительные к излучению, и непрерывно поддерживать их при температуре подложки (горячего погружения) для второй части, без необходимости в создании дополнительного непрозрачного слоя.
Вторые микроучастки можно использовать в качестве эталонных детекторов для формирования сигнала, свободного от синфазного шума после компенсации, или, в более общем виде, в качестве детекторов, которые являются чувствительными лишь к температуре подложки и которые можно использовать, например, в качестве температурных датчиков.
Различные способы внедрения изобретения применительно к высокочастотной фильтрации спектрального отклика детектора или устройства (здесь этот термин означает более интегрированный комплекс), созданного посредством упомянутого детектора, будут описаны ниже.
Более общей практикой, особенно для детекторов, является работа при полосе пропускания при атмосферном давлении, составляющей от 8 до 14 мкм, для введения оптического элемента, называемого фильтром «высоких частот», выше по потоку излучения относительно фокальной плоскости; основной функцией этого фильтра является блокирование излучения, обладающего длинами волн ниже порогового значения, то есть обычно его задают на уровне примерно 7,5-7,7 мкм, если спектральный диапазон, представляющий интерес, представляет собой область длинных волн инфракрасных лучей 8-14 мкм.
Этот высокочастотный фильтр обычно формируют посредством нанесения покрытия, получаемого путем многослойного осаждения на одну из поверхностей, или, как правило, распределяют по обеим поверхностям толстого листа германия или кремния. Обе поверхности этого листа также обычно снабжают просветляющим покрытием, которое обычно прозрачно до 12,5-16 мкм, и его также получают путем многослойного осаждения. Лист окна (или окно в обычном смысле термина) герметично прикрепляют, до образования единого целого, к оптически активной поверхности оболочки или традиционной упаковки детекторов согласно уровню техники. Общая маска пропускания этого окна фактически задает, в случае болометрических детекторов, «спектральный диапазон, представляющий интерес», или «излучение, представляющее интерес» для детектора или устройства, которое содержит упомянутый детектор.
Первый способ внедрения детектора согласно изобретению при этих предпочтительных условиях высокочастотной фильтрации состоит в его интеграции в упаковку, снабженную традиционным окном, таким как окно, описанное выше. Привлекательность такого комплекта состоит, в первую очередь, в том, что маска прозрачности (со спектральным диапазоном, представляющим интерес) определяется окном упаковки. Здесь пропускающие маски, которые налагают большие ограничения, становятся доступными за счет использования очень большого количества слоев в соответствии с хорошо известными и полностью освоенными способами изготовления. В дополнение, с необходимостью герметизации в упомянутой упаковке было покончено, или, по меньшей мере, эта потребность была ослаблена, и это привело к существенной экономии, применительно к исходным материалам и выходу производства, на уровне конечной упаковки.
При этих условиях интеграции также является выгодным предусмотреть обеспечение среднего избыточного давления внутри упаковки, например, газа с низким коэффициентом диффузии, такого как Ar, Kr или Xe при давлении 10 мбар - 2 бар, для оптимизации срока службы детектора согласно изобретению, который подходит для него. Это в значительной степени корректирует влияния любой долговременной проницаемости, или даже микротрещин в окнах 5, которые даже могут нарушить герметизацию микрокапсул. Однако, является очевидным, что затраты, понесенные вследствие использования такой упаковки, снабженной таким сложным окном, являются значительными, не говоря уже о небольших потерях эксплуатационных качеств, связанных с частичной прозрачностью дополнительного окна в спектральном диапазоне, представляющем интерес.
Второй способ внедрения изобретения и блокирования коротких длин волн включает в себя формирование на окне 5, по меньшей мере, некоторых микроучастков, по меньшей мере, одного слоя, который непосредственно придает упомянутому окну 5 свойства «высокочастотного» фильтра, с точки зрения спектрального пропускания.
Этот специальный слой в конце процесса может быть осажден на поверхности окна, что позволит использовать материалы, эффективные, но не способные выдерживать даже ограниченные температуры, например, температуры, превышающие 150°C, поскольку процесс изготовления детектора к этому времени уже будет завершен.
(1-x)
x
(1-x)
x
(1-y)
y
Этот слой успешно создан из полупроводникового материала, имеющего оптическую ширину запрещенной зоны, которая подходит для диапазона излучения, на который настроен детектор. Длины волн, которые соответствуют энергиям, превышающим упомянутую оптическую ширину запрещенной зоны, можно будет очень эффективно блокировать путем воздействия прямых фотоэлектронных переходов на материал. Например, бинарное соединение InSb группы «III-V» приводит к длине волны граничной частоты примерно 7,3 мкм, а бинарное соединение InAs группы «III-V» приводит к нижней критической длине волны примерно 4 мкм. Тройные сплавы, такие как InAlSb или InAlAs группы «III-V», в которых 0≤x≤1, обеспечивают регулирование граничной частоты между средневолновой областью инфракрасного излучения и длинноволновой областью инфракрасного излучения, в зависимости от выбранного состава x. Аналогично, выбирая состав x материала, такого как тройной сплав HgCdTe группы «II-VI», в котором 0,2≤y≤0,6, можно отрегулировать порог прозрачности от видимого диапазона обычно до 8 мкм, причем окно 5 ниже упомянутого порога бывает по существу непрозрачным. Выбирая x, равное приблизительно 0,4, можно получить граничную частоту около 3 мкм, а выбирая x, равное приблизительно 0,2, можно отрегулировать порог граничной частоты на уровне примерно 7-8 мкм, что является приемлемым для детектирования в соответствии с изобретением при длинноволновой области инфракрасного излучения. Следует также упомянуть сульфид свинца PbS, который дает граничную частоту примерно при 3 мкм. Эти примеры приведены только для сведения и не являются ограничивающими.
Для получения желаемого эффекта необходимо достижение высокого уровня чистоты или кристалличности. Стандартные способы осаждения тонких пленок этих материалов, например, материалов, используемых для получения толщины 0,5-2 мкм, подходят для желаемой цели, и здесь нет необходимости в их описания.
При длинах волн ниже 1,8 мкм нет необходимости в фильтрации спектра излучения вплоть до инфракрасных систем обнаружения или систем формирования изображений, обычно имеющих германиевую оптику, которая бывает непрозрачной для низких длин волн. Фильтрацию высокочастотных длин волн спектра падающего излучения, таким образом, получают непосредственно, без какой-либо потребности во введении дополнительного окна выше относительно детектора по оптическому пути системы.
Изобретение также предлагает формирование первого высокочастотного фильтра с первым порогом пропускания на первой части микроучастков и второго (или более) высокочастотного фильтра со вторым порогом пропускания на второй (или более) части микроучастков. Этот результат достигается путем выбора материала, из которого изготовлен «высокочастотный» слой, используемый, соответственно, на каждом микроучастке, например, путем выбора отличающегося материала среди материалов, указанных выше, или наложения слоя первого высокочастотного материала на одну часть микроучастков и двух слоев отличающихся высокочастотных материалов, соответственно, на другую часть микроучастков. Это приводит к распределенной спектральной чувствительности микродетектора, в зависимости от микроучастка, представляющего интерес, через граничную фильтрацию падающего излучения, в сочетании, или, в качестве альтернативы, формированию распределенного просветляющего покрытия, описанного выше (предназначенного для обеспечения предпочтительной чувствительности при длинах волн приблизительно λp1 и λp 2).
Иными словами, в этом конкретном варианте воплощения спектральный диапазон детектора, представляющий интерес, задают со стороны короткой длины волны по минимальной граничной частоте (частоте отсечки), а часть спектра между двумя граничными частотами может быть измерена несколькими микроучастками.
В еще одном варианте воплощения, по меньшей мере, некоторые микроучастки содержат окно 5, в котором, по меньшей мере, один слой обладает переменной прозрачностью, в зависимости от падающего электромагнитного потока. Точнее говоря, можно использовать конкретный слой, прозрачность которого быстро падает ниже уровня порога мощности излучения, который характеризует материал.
(1-x)
x
(1-x)
x
(1-y)
y
x
Такой слой можно получить, например, путем использования материалов, которые в промышленности называются «нелинейными», таких как InSb, InAlSb, InAlAs, в которых 0≤x≤1; HgCdTe, в котором 0,2≤y≤0,6, и оксиды ванадия (в данной области обычно обозначаемые общей формулой VO), и используются в форме тонких пленок, обладающих толщиной 0,5-2 мкм в соответствии со стандартными промышленными технологиями.
Это обеспечивает, по меньшей мере, частичную, но, преимущественно, очень индивидуальную (на основе пикселей) защиту чувствительных болометрических элементов, расположенных внутри микрокапсулы, в случаях, когда интенсивный поток излучения, обычно от источника в кадре, имеющем крайне высокую температуру, проецируется на фокальную плоскость детектора (при случайном взгляде на солнце, например). Такой источник, на самом деле, вероятно, вызывает длительный или даже постоянный ущерб характеристикам микродетектора (микродетекторов), представляющего интерес.
Поскольку этот специальный «защитный» слой расположен практически в фокальной плоскости, падающая энергия также фактически концентрируется только на уровне существующего детектора, и это максимизирует эффективность относительно потока, принимаемого детектором. Необходимо учитывать, что функционирование устройства, с точки зрения постоянной доступности изображения для пользователя, сохраняется даже при интенсивном излучении с любой продолжительностью. Стандартные технологии, используемые в этой области, приводят к одному заметному недостатку, который оказывает влияние на восприятие пользователя, к потере изображения, либо локальной, вызванной насыщением сигнала, полученного от переэкспонированных пикселей, или к полной потере изображения, вызванной автоматическим закрытием фотозатвора, после обнаружения кадра, который, как предполагается, обладает слишком интенсивным излучением, если система снабжена таким автоматическим свойством.