ТЕПЛОВОЙ ДЕТЕКТОР С ПОВЫШЕННОЙ ИЗОЛЯЦИЕЙ
HIGH-INSULATION THERMAL DETECTOR

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к области техники, связанной с детектированием электромагнитного излучения, получением более точного изображения и тепловой пирометрией. В частности, настоящее изобретение относится к устройству для детектирования инфракрасного излучения, содержащему матрицу элементарных тепловых детекторов.
ОПИСАНИЕ ИЗВЕСТНОГО УРОВНЯ ТЕХНИКИ
В области техники, связанной с детекторами, используемыми для получения инфракрасного изображения или в области техники термографии (пирометрии), известно использование устройств, сконфигурированных в виде матрицы и способных работать при температуре окружающей среды, то есть, не требующих охлаждения до крайне низких температур, в отличие от устройств детекторов, именуемых "квантовыми детекторами", которые могут работать только при крайне низкой температуре. Неохлаждаемые детекторы обычно именуют "тепловыми детекторами".
Эти детекторы традиционно используют изменение значения физической характеристики соответствующего материала или совокупности соответствующих материалов как функции температуры вблизи 300 K (градусов Кельвина). В частном случае наиболее широко используемых болометрических детекторов этим значением физической характеристики является удельное электрическое сопротивление, но могут использоваться и другие значения, такие как, например, диэлектрическая постоянная, поляризация, тепловое расширение, показатель преломления и т.д.
Такой неохлаждаемый детектор обычно включает в себя:
средство поглощения теплового излучения и преобразования его в теплоту;
средство теплоизоляции детектора таким образом, чтобы его температура могла повышаться в результате воздействия теплового излучения;
термометрическое средство, которое, применительно к болометрическому детектору, использует резистивный элемент, сопротивление которого меняется в зависимости от температуры;
и средство считывания электрических сигналов, обеспеченных термометрическим средством.
Детекторы, предназначенные для получения теплового и инфракрасного изображения, обычно изготавливают в виде одномерной или двумерной матрицы элементарных детекторов, причем упомянутые детекторы подвешены над подложкой, которая обычно выполнена из кремния, посредством опорных ножек.
В подложку обычно встроены средство последовательной адресации элементарных детекторов, средство электрического возбуждения элементарных детекторов и средство предварительной обработки электрических сигналов, сгенерированных этими элементарными детекторами. Эту подложку и встроенные средства обычно именуют "схемой считывания".
Для получения объекта съемки с использованием этого детектора, объект съемки проецируют посредством подходящей оптики на матрицу элементарных детекторов, и в каждый из элементарных детекторов или в каждую строку таких детекторов через схему считывания подают синхронизированные электрические сигналы возбуждения для получения электрического сигнала, создающего изображение температуры, достигнутой каждым из упомянутых элементарных детекторов. Затем этот сигнал подвергают обработке в большей или в меньшей степени схемой считывания, а затем, в случае необходимости, электронным устройством вне этого пакета, для создания теплового изображения наблюдаемого объекта съемки.
Элементарный детектор сформирован посредством тонкой мембраны (толщиной порядка 0,1 - 0,5 мкм) прочно удерживаемой в подвешенном состоянии параллельно подложке при помощи теплоизолирующих опорных конструкций, обычно именуемых "ножками". По меньшей мере, некоторые из этих конструкций также действуют в качестве электрической связи между контактами, сделанными на поверхности схемы считывания, и электрически активными частями мембраны. В дополнение к чувствительному материалу, мембрана состоит из материалов, используемых для максимального поглощения теплового излучения, подлежащего детектированию, например, с использованием проводящего слоя, имеющего соответствующее поверхностное сопротивление, обычно совместно с отражателем, расположенным на поверхности подложки. Этот отражатель предназначен для увеличения поглощения вблизи заданной длины волны, обычно между 8 мкм и 14 мкм, из-за четвертьволнового эффекта. Следовательно, зазор между мембраной и отражателем регулируют таким образом, чтобы его величина находилась в интервале, приблизительно, от 2 мкм до 2,5 мкм. Эти типы конструкции хорошо известны специалистам в данной области техники.
th
Основные рабочие характеристики такого детектора выражаются его тепловой разрешающей способностью или эквивалентной дифференциальной температурой шумов (NEDT). Эта величина, главным образом, определяется тепловым сопротивлением R, наблюдаемым между мембраной и подложкой, температура которой поддерживается, по существу постоянной.
th
th
Эта величина R, по существу, определяется материалами компонентов и геометрией опорных ножек. Один из концов этих ножек составляет единое целое с корпусом мембраны, а другой конец этих ножек составляет единое целое с подложкой через промежуточную крепежную конструкцию. Величина R, в первую очередь, является пропорциональной длине и обратно пропорциональной ширине и толщине ножек (для простоты предполагают, что они выполнены из одного материала). Следовательно, в качестве материалов, из которых состоят ножки, предпочтительно использовать материалы, имеющие высокое удельное тепловое сопротивление и являющиеся очень жесткими. Нитрид кремния является очень подходящим с этой точки зрения и, следовательно, очень широко используется вместе с очень тонким (толщиной несколько нанометров) электропроводящим слоем, который обязательно составляет единое целое, по меньшей мере, с двумя ножками в каждом элементарном детекторе для обеспечения электрической сзязи, по меньшей мере, между двумя точками соединений, сформированными на поверхности схемы считывания, и электрически активными конструкциями мембраны элементарного детектора.
Основной проблемой, с которой сталкиваются при достижении оптимальных рабочих характеристик, является проблема определения максимального теплового сопротивления при обеспечении удовлетворительной геометрической стабильности подвешенной чувствительной мембраны. Фактически, уменьшение толщины и ширины ножек, и любое увеличение их длины быстро достигает предела, за которым жесткость становится недостаточной. Другими словами, упругая деформация становится избыточной и не позволяет точно закреплять мембрану над подложкой, учитывая тот факт, что толщина четвертьволновой пластины должна быть, по существу, одинаковой для получения одинаковой, постоянной спектральной чувствительности от одного детектора к другому.
th
Обычное решение, которое принимают для решения этой проблемы, состоит в том, что основное внимание уделяют параметру длины, увеличивая длину ножек между точкой их крепления и точкой, в которой они соединены с мембраной, вдоль одного, или двух, или даже большего количества смежных кромок мембраны. Такая поддержка скрученными элементами обязательно требует использования материалов, которые имеют в рассматриваемой области относительно большую толщину (несколько сотен нанометров) и ширину, по меньшей мере, того же самого порядка величины для обеспечения эффективной опоры обычной мембраны, имеющей размер кромки 25 мкм. В результате, эта концепция, по сути, является ограниченной с точки зрения того значения R, которое фактически может быть достигнуто из-за результирующих потерь жесткости.
Более того, такая компоновка ограничивает коэффициент заполнения структуры, который выражает эффективность улавливания ею энергии излучения, подлежащей детектирования. Ножки, удлиненные таким способом, фактически делают бездействующей, по меньшей мере, частично, часть основания элементарного детектора, поскольку это не является их главной задачей, и эта бездействующая площадь является пропорционально увеличивающейся относительно общей площади поверхности при удлинении ножек.
Одно из решений этой новой проблемы включает в себя первый уровень конструкции для удлинения ножек, обычно, в виде спиралей, которые навиты попеременно то в одном, то в другом направлении, расположенных параллельно одной кромке, что раскрыто, например, в патентных документах США № US 6034374, № US 6094127 или № US 6144030. Поглотитель, то есть, чувствительная мембрана, сформирован во втором вышележащем уровне конструкции и соединен с концом расположенных ниже ножек напротив тех точек, в которых они прикреплены к подложке. Это приводит к получению повышенного теплового сопротивления, но, тем не менее, неограниченное уменьшение толщины и ширины ножек остается невозможным вследствие упомянутых выше механических проблем, которые в этом случае осложняются. Кроме того, поскольку наличие ножек между подложкой и мембраной мешает эффекту четвертьволнового резонанса, становится необходимым значительное усложнение конструкции путем создания:
- либо ножек с высоким коэффициентом отражения для создания эффекта отражения на реальных ножках. Этот эффект обязательно является несовершенным и приводит к увеличению теплопроводности ножек, что противоречит искомой цели;
- или путем вставки отражателя, опорой для которого служат его собственные точки крепления, и который снабжен отверстиями, что снова противоречит искомой цели, на третьем промежуточном уровне конструкции между ножками и мембраной. Конструкция этого типа описана, например, в патентном документе США № US 2002/0179837A1.
Эти чрезвычайно сложные конструкции приводят к тому, что устройства являются дорогостоящими в изготовлении, во-первых, вследствие очень большого количества технологических процессов, которое необходимо выполнять, и неизбежно низкой производительности, связанной с ними, и, во-вторых, вследствие рассредоточенности технологической процессов, вызванной их разнообразием.
Одно решение, которое накладывает гораздо меньше ограничений в этом отношении, включает в себя конструкцию только с прямолинейными ножками, один из концов которых закреплен посредством крепежных конструкций, предназначенных для физического прикрепления к подложке, при этом, другой их конец составляет единое целое с корпусом мембраны и компонует эти ножки в коллинеарные пары. На чертеже фиг.1 показан типичный пример конструкции этого типа согласно известному уровню техники. Понятно, что, по меньшей мере, две ножки должны быть электропроводящими и должны обеспечивать электрическую связь с соединениями, сформированными на поверхности схемы считывания, чтобы реагировать на сопротивление, сформированное в мембране. Структура такого типа всего лишь с двумя ножками описана, например, в патенте США № 5021663. В этом случае механическое удерживание мембран обеспечивается даже ножкой намного меньшей толщины (порядка 15-50 нм для обычных материалов и пикселов, имеющих размер кромки, приблизительно, 25 мкм) без необходимости усложнения конструкции или существенного уменьшения коэффициента заполнения. Коэффициент заполнения остается высоким, поскольку длина ножек (или пар ножек, расположенных вдоль общей оси) не превышает длину кромки или диагонали мембраны.
th
В этом случае имеется возможность получить очень высокие значения R с хорошим коэффициентом заполнения, не прибегая к сложным конструкциям. Однако, ограничения, связанные с этим известным уровнем техники, вновь появляются при малых значениях шага между расположенными рядом друг с другом элементами, что имеет место в случае элементарных детекторов, используемых для формирования матриц, который обычно является меньшим, чем 25 мкм. Во-первых, поскольку точки крепления на подложке обязательно являются относительно твердыми и по механическим соображениям расположены, по существу, вдоль оси ножек, их габаритный размер ограничивает линейную длину ножек. К тому же, точки крепления обычно сформированы с возможностью поперечного расширения (в обоих направлениях параллельно плоскости подложки), которое становится таким, что не является пренебрежимо малым при этих очень малых шагах относительно площади поверхности, имеющейся на площади основания элементарного пиксела. Это приводит к уменьшению коэффициента заполнения мембраны.
Оценка встречающихся ограничений, налагаемых на конструкцию, приведена ниже со ссылкой на чертежи фиг.1 и фиг.2. В самом обычном случае, когда матрицы детекторов имеют шаг, равный 25 мкм, предполагая благоприятные, практичные случаи, когда каждая из крепежных конструкций является общей для двух соседних детекторов, что показано на фиг.1, и, предполагая, что крепежная конструкция 4 занимает площадь, приблизительно, 5×5 мкм, пары ножек 3 могут быть удлинены, в общей сложности, приблизительно, на 15-17 мкм, предполагая, что должен быть оставлен зазор 3-5 мкм для прикрепления мембраны к каждой паре ножек. Это приводит к созданию удовлетворительного теплового сопротивления по сравнению с другими упомянутыми выше конструктивными возможностями, даже если каждая мембрана согласно фиг.1 поддерживается четырьмя ножками, а не двумя ножками, как в другом варианте осуществления из известного уровня техники, продемонстрированном, например, в патентном документе США № US 5021663.
Перенося этот вариант осуществления на шаг повторения структуры матрицы, равный 17 мкм, общее удлинение пар ножек не должно превышать 9-11 мкм, хотя весьма трудно уменьшить ширину и толщину, поскольку на них наложены ограничения из-за других технологических ограничений. К тому же, полезная площадь поверхности для расширения мембраны, улавливающей энергию излучения, относительно площади элементарного детектора, уменьшается, приблизительно, на 10-15%, и это является невыгодным, поскольку цель всегда состоит в достижении максимальных рабочих характеристик. Потенциал, с точки зрения чувствительности, уменьшается на 40-50%. Учитывая тот факт, что при сравнении двух детекторов, имеющих соответствующие шаги матрицы, равные 25 мкм и 17 мкм, энергия излучения, падающего на площадь поверхности элементарного детектора, уже уменьшена на коэффициент, больший, чем 2, эти данные показывают, что попытка достижения высокой чувствительности при очень малых шагах матрицы очень проблематична.
Следовательно, очевидна насущная потребность в достижении улучшения рабочих характеристик для малых шагов матрицы, предпочтительно, без усложнения ее конструкции.
Это геометрическое ограничение, обусловленное крепежными конструкциями, связано, во-первых, с необходимостью получения надежной и статистически надежной электрической связи между потенциалами, контролируемыми схемой считывания и электрическими функциями мембраны через опорные ножки, и, во-вторых, с необходимостью обеспечения механической жесткости сборочного узла относительно подложки. Создание крепежных конструкций требует использования нескольких материалов, каждый из которых должен определяться конкретным процессом литографии и травления, в котором оригиналы фотошаблонов печатной схемы удовлетворяют правилам, которые не могут быть произвольно смягчены. Конечный габаритный размер, равный, приблизительно, 5×5 мкм, является удобным, а габаритный размер 4×4 мкм, полученный с использованием более точных способов и более строгого контроля, представляет собой хороший компромисс реализации с использованием обыкновенных испытанных и проверенных профессиональных технологий.
Следовательно, задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить тепловые детекторы, имеющие простую конструкцию, которые обеспечивают лучшие рабочие характеристики, чем рабочие характеристики детекторов из известного уровня техники, вне зависимости от шага матрицы и, в особенности, при малых шагах повторения структуры матрицы. Настоящее изобретение решает проблему преодоления ограничений, которые препятствуют реализации высоких значений тепловых сопротивлений, не только на уровне конструкций для крепления к подложке, по первому варианту осуществления изобретения, но также, и, возможно, в совокупности, на уровне крепления ножек к чувствительной мембране таким образом, чтобы они составляли с ней единое целое, по второму варианту осуществления изобретения. Согласно третьему варианту осуществления изобретения, эта концепция может быть расширена, что дает еще большее улучшение чувствительности.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Для достижения этого, задачей настоящего изобретения является создание особой компоновки и конструкции точек, используемых для крепления теплоизолирующих ножек к подложке, и/или точек, в которых ножки соединены с телом мембраны, при этом, сборочный узел сформирован в одном уровне конструкции таким образом, что преодолевает геометрические ограничения, связанные с известным уровнем техники, сохраняя при этом все преимущества простоты изготовления.
Настоящее изобретение относится к устройству для детектирования электромагнитного излучения, в особенности, инфракрасного излучения, которое содержит подложку и, по меньшей мере, одну микроструктуру, содержащую мембрану, которая является чувствительной к упомянутому излучению и расположена, по существу, напротив и на расстоянии от упомянутой подложки, при этом, упомянутая мембрана непосредственно или опосредованно механически прикреплена, по меньшей мере, к двум продольно прямолинейным коллинеарным удерживающим элементам или опорным ножкам, по меньшей мере, одна из которых механически соединена с подложкой посредством промежуточной стойки, причем упомянутая мембрана, также является электрически соединенной с подложкой.
Согласно настоящему изобретению, по меньшей мере, две коллинеарные ножки составляют единое целое друг с другом на уровне их концов, которые прикреплены к мембране непосредственно или опосредованно при помощи механического соединителя, который расположен, по существу, в одной плоскости с ножками и мембраной, а другой конец, по меньшей мере, одной из упомянутых ножек прикреплен к жесткой поперечине, которая расположена, по существу, в одной плоскости с ножками и расположена, по существу, под прямым углом к основному габаритному размеру упомянутых ножек, при этом, сама упомянутая поперечина составляет единое целое со стойкой, которая составляет единое целое с подложкой.
Следует отметить следующее: вследствие способа прикрепления ножек, являющегося отличительным признаком настоящего изобретения, габаритный размер точек крепления, состоящих из поперечины и столбика, уменьшен по сравнению с устройствами из известного уровня техники.
Во втором варианте осуществления настоящего изобретения упомянутые ножки, именуемые ниже "первыми ножками", опосредованно прикреплены к мембране посредством промежуточных коллинеарных ножек, которые являются параллельными упомянутым первым ножкам, один из концов которых прикреплен к мембране на уровне поперечины, которая составляет единое целое с упомянутой мембраной, которая расположена, по существу, в одной плоскости с ножкой и с упомянутой мембраной, а другой конец упомянутых промежуточных ножек составляет единое целое с первыми ножками на уровне механического соединителя.
Согласно второму варианту осуществления изобретения, упомянутые поперечины одиночной мембраны скреплены друг с другом посредством жесткого элемента, который составляет единое целое и расположен в одной плоскости с мембраной и, преимущественно, даже является составной частью последней. В последнем случае сама мембрана должна быть достаточно жесткой, чтобы предотвратить упругое относительное перемещение частей, образующих поперечины, поскольку такое перемещение высвободило бы промежуточные ножки, вызывая, следовательно, нарушение удерживания мембраны.
В одной из версий вышеупомянутого варианта осуществления изобретения упомянутые поперечины не скреплены друг с другом непосредственно на мембране; они скреплены друг с другом через жесткий продольно прямолинейный элемент, который является параллельным ножкам и соединен с мембраной посредством третьего набора из двух коллинеарных ножек, которые являются параллельными предыдущим ножкам, один из концов которых прикреплен к упомянутым поперечинам, а другой их конец составляет единое целое с упомянутой мембраной на уровне механического соединителя.
Эти различные элементы преимущественно расположены в одной плоскости или, по существу, расположены в одной плоскости.
Согласно настоящему изобретению, поперечина, вне зависимости от того, является ли она поперечиной, прикрепленной к стойке, или поперечиной, непосредственно или опосредованно прикрепленной к мембране, выполнена, по меньшей мере, из одного слоя жесткого материала, который полностью соприкасается со слоями, образующими ножки, и со слоями, образующими мембрану. Эта формулировка дополняет слова "по существу, расположенные в одной плоскости" и обозначает, что все эти слои нанесены один поверх другого без какого-либо промежуточного слоя таким образом, что они прилипают друг к другу на короткое время. Эта поперечина имеет удлиненную форму под прямым углом к оси, то есть к длине ножек, и, по существу, расположена в той же самой плоскости, параллельной подложке, которая также содержит ножки и мембрану. Такая компоновка, когда все эти компоненты расположены в одной плоскости, в соответствии с информацией, предоставленной об этой компоновке, обеспечивает очень простую конструкцию сборочного узла.
Эта поперечина преимущественно имеет, по меньшей мере, в том конце, который соединен с концом ножки, такую ширину, которая является пренебрежимо малой по сравнению с длиной ножки. Обычно и преимущественно она имеет такую ширину, по меньшей мере, в том конце, который соединен с ножкой, которая является приблизительно равной ширине ножки.
Стойка, содержащаяся в первом варианте осуществления изобретения, образует, по существу, вертикальную конструкцию (перпендикулярную поверхности подложки), при этом, нижняя часть стойки составляет единое целое с подложкой, а верхняя часть стойки составляет единое целое с поперечиной.
Хотя этот факт и является хорошо известными, следует отметить то, что мембрана поддерживается, по меньшей мере, двумя проводящими ножками, которые должны обеспечивать электрическую связь с поперечиной, составляющей единое целое с ними, и то, что она, следовательно, также содержит, по меньшей мере, один проводящий слой. Однако, не обязательно, чтобы все поперечины были снабжены этим проводящим слоем.
Упомянутая поперечина, которая обеспечивает электрическую связь, должна иметь электрическую связь со стойкой, которая сама является проводящей, для обеспечения общей электрической связи между контактами на поверхности подложки и электрическими функциями в мембране. Однако, не обязательно, чтобы все стойки были проводящими.
Аналогичным образом, во втором варианте осуществления изобретения, по меньшей мере, две проводящие ножки составляют единое целое с поперечинами, содержащими, по меньшей мере, один проводящий слой, обеспечивающий электрическую связь с активными элементами мембраны.
Не все ножки, поперечины и стойки, связанные с мембраной, обязательно являются проводящими. Специалисты в данной области техники легко способны определить то, какие именно конструкции будут снабжены проводящими или непроводящими компонентами, в зависимости от электрической связи, которую они намереваются создать для получения функциональных возможностей детектора согласно настоящему изобретению, поэтому отсутствует какая-либо необходимость более подробного обсуждения здесь этого вопроса.
В первом варианте реализации поперечина и стойки являются, по существу, изотермическими с подложкой. Другими словами, заметные разности температуры в крепежной конструкции, состоящей из поперечины и стойки, относительно подложки являются пренебрежимо малыми по сравнению с разностями температуры, возникающими по длине ножек при работе детектора. Этот признак является положительным, когда речь идет о предотвращении тепловых помех между соседними детекторами в некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения, например в тех вариантах его осуществления, которые показаны на чертежах фиг.2 и фиг.5, но он не является существенным или даже предпочтительным отличительным признаком настоящего изобретения.
Аналогичным образом, во вторых вариантах осуществления изобретения каждая из поперечин, встроенных в подвешенные части, является, по существу, изотермической в том же самом смысле этого термина. Другими словами, благодаря их конструкции, при работе детектора отсутствует какая-либо существенная разность температуры между их различными частями, в особенности, от одного конца до другого. Этот признак позволяет отличать их от компоновок, в которых сформированы теплоизолирующие ножки.
Применительно к настоящему изобретению, термин "жесткий", когда он применен к поперечине, означает использование, по меньшей мере, одного слоя, отсутствующего в ножках, которые, наоборот, считают нежесткими, поскольку, как указано ранее, в их конструкции целесообразно использовать особенно малые значения толщины и ширины для достижения искомой цели получения высоких рабочих характеристик. Этот слой или набор слоев, из которых, по существу, сформирована поперечина, не способен выдерживать значительную деформацию во время обычной работы детектора - это обычно не происходит в том случае, когда ножки были локально удлинены при отсутствии упомянутой поперечины на ту же самую величину по горизонтали, что и поперечина. Следовательно, толщина поперечины обычно является существенно большей, чем толщина ножек, и, предпочтительно, поперечина выполнена из механически жестких материалов.
Материалы, из которых состоят ножки, преимущественно, продолжаются по площади основания упомянутой поперечины до вершины упомянутой стойки или до внутренней части мембраны, в зависимости от варианта осуществления изобретения, для обеспечения электрической связи, которую легко реализовать при необходимости, и для обеспечения надлежащей механической прочности между концом ножек и конструкциями, удерживающими их в состоянии линейного натяжения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Это изобретение станет более понятным из приведенного ниже описания, подробности которого приведены просто в качестве примера и применительно к приложенным чертежам, на которых одинаковые ссылки относятся к одинаковым компонентам:
на чертеже фиг.1 на виде сверху показана часть сборочного узла матрицы элементарных детекторов согласно известному уровню техники;
на чертеже фиг.2 на виде сверху показана часть сборочного узла матрицы элементарных детекторов согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения;
на чертеже фиг.3 показан схематичный вид в перспективе, на котором основное внимание сосредоточено на аспектах характеристики детектора согласно варианту его осуществления, показанному на фиг.2;
на чертеже фиг.4 подробно показан поперечный разрез, проходящий через ось симметрии предмета настоящего изобретения согласно конкретному предпочтительному варианту его осуществления и вдоль линии AA, показанной на фиг.2.
на чертеже фиг.5 на виде сверху показана часть сборочного узла матрицы элементарных детекторов согласно второму конкретному варианту осуществления настоящего изобретения.
на чертеже фиг.6 на виде сверху показана часть сборочного узла матрицы элементарных детекторов согласно первой версии первого варианта осуществления настоящего изобретения.
на чертеже фиг.7 на виде сверху показана часть сборочного узла матрицы элементарных детекторов согласно второй версии первого варианта осуществления настоящего изобретения.
на чертеже фиг.8 на виде сверху показана часть сборочного узла матрицы элементарных детекторов согласно версии второго варианта осуществления настоящего изобретения.
на чертеже фиг.9 показан схематичный вид в перспективе, на котором основное внимание сосредоточено на аспектах характеристики детектора согласно варианту его осуществления, показанному на фиг.5.
на чертеже фиг.10 показан схематичный вид в перспективе, на котором основное внимание сосредоточено на отличительных особенностях детектора согласно варианту его осуществления, показанному на фиг.8.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ
ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Фиг.1 является схематичным местным видом сверху матрицы детекторов согласно известному уровню техники. На нем показаны:
• исходная подложка 1, на которой совместно сформированы все конструкции;
• расположенные рядом мембраны 2, которые являются чувствительными к тепловому излучению и каждая из которых удерживается в подвешенном состоянии над вышеупомянутой подложкой 1 на уровне центральной части ее левой и правой кромок;
• Пары опорных ножек 3, имеющие коллинеарную конфигурацию;
• Крепежные конструкции 4, в этом конкретном случае каждая конструкция является общей для двух соседних пикселов. Квадраты, заключенные внутри конструкций, представляют собой стойку, используемую для соединения с подложкой, причем эта стойка выступает вертикально вверх.
Фиг.2 является местным видом сверху матрицы детекторов согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения, который содержит те же самые компоненты, но отличается составом и формой конструкций, которые обеспечивают возможность прикрепления к подложке. Эти конструкции содержат поперечины 4A, к которым прикреплены концы пар ножек 3, расположенных напротив мембраны 2, и стойки, используемые для соединения с подложкой, которые обозначены внутренними квадратами.
Здесь, механический соединитель 20, соединяющий концы ножек друг с другом напротив точек крепления, состоит, в особо простом случае, из поперечного отростка мембраны 2, к которому прикреплены ножки. Для обеспечения целостности материалов эти элементы не изображены отдельно от мембраны для показанных на Фиг. 2 пикселов, расположенных вокруг центрального пиксела, и во всех отношениях являются идентичными последнему. Материалы, используемые в мембране, которые в данном случае определяют структуру коллинеарных соединителей 20 ножек, должны быть прикреплены к материалам ножек для обеспечения полной устойчивости конструкции. Это прикрепление преимущественно получают путем удлинения, по меньшей мере, части материалов, образующих ножки, в этой области соединения, как показано на фиг.4; для простоты на фиг.4 предполагают, что для формирования поперечины 4A и соединителя 20 ножки используют одинаковый материал 14, но это никоим образом не является отличительным признаком настоящего изобретения. Подробное описание того, каким образом сформированы слои в мембране выходит за пределы объема этого документа.
Понятно, что решение показать на фиг.2 и фиг.5 только те крепежные конструкции, которые являются общими для двух соседних пикселов, представляет собой только одну из нескольких возможных ситуаций, что является достаточным для обеспечения пояснительного описания настоящего изобретения. Вполне возможно обеспечить опору каждой мембраны при помощи двух, или четырех, или даже большего количества индивидуальных точек крепления или, наоборот, совместно использовать все или некоторые из точек крепления для четырех соседних пикселов, не выходя за пределы объема настоящего изобретения.
На фиг.6 предложен первый альтернативный вариант осуществления настоящего изобретения согласно этому первому варианту реализации, в соответствии с которым, по меньшей мере, одна поперечина на каждый пиксел (на каждую мембрану) являются общей для четырех пикселов. На фиг.6 показана ситуация, когда опорой для всех мембран служат четыре поперечины, причем каждая поперечина является общей для четырех пикселов. Таким образом, настоящее изобретение позволяет исключить габаритный размер некоторых из точек крепления в пределах площади основания пиксела. Эта компоновка является функциональной только с точки зрения индивидуальной обработки пикселов в ситуации, показанной на фиг.6, если в подложке сформированы специальные переключатели для выбора пикселов в режиме считывания согласно известной схеме расположения.
На фиг.7 предложен второй альтернативный вариант осуществления настоящего изобретения согласно этому первому варианту реализации, в соответствии с которым, по меньшей мере, одна поперечина на каждый пиксел составляет единое целое с двумя стойками, расположенными на ее концах. На фиг.7 показана ситуация, когда опорой для всех мембран служат четыре поперечины, каждая из которых выполнена имеющей эту особую форму. Такая компоновка позволяет повысить жесткость поперечины или получить избыточную электрическую или механическую связь, или изменить термализацию точек крепления ножек к подложке, не взаимоисключающим образом. К тому же, электрическая связь между одной из двух коллинеарных пар ножек, составляющих единое целое с поперечиной, и другой поперечиной, то есть, электрическая связь между двумя концами поперечины, может быть установлена или, наоборот, предотвращена путем обработки зарезервированных проводящих слоев, их которых состоит поперечина.
Основываясь на этих примерах, можно сделать вывод о возможности других особо целесообразных компоновок согласно настоящему изобретению без необходимости раскрытия их всех в явной форме.
Отсутствует необходимость в приведении здесь подробного описания конструкции мембраны, поскольку специалисты в данной области техники уже имеют все необходимые сведения. Тем не менее, ниже приведено описание соответствующих важнейших конструктивных признаков согласно изобретению.
Как правило, по меньшей мере, один так называемый чувствительный или термометрический слой материала, удельное сопротивление которого изменяется в зависимости от температуры, например, легированного аморфного кремния или сплава оксида ванадия, прикреплен, по меньшей мере, к одному слою, например титана или нитрида титана, посредством чего определяют проводящие электроды сформированного таким способом болометрического сопротивления. Поглощение теплового излучения получают путем использования одного или большего количества слоев материала, поглощающего излучение в желательном диапазоне длин волн, например, нитрида кремния, или путем непосредственного использования проводящих свойств электродов, если их поверхностное сопротивление является подходящим для связывания электромагнитных волн. Эти принципы исчерпывающе описаны в технической литературе.
Ножки 3 обычно изготавливают с использованием одного или большего количества механических диэлектрических (не электропроводящих) слоев, которые обычно выполнены из нитрида или оксида кремния, или из промежуточного материала. По меньшей мере, две ножки также содержат проводящий слой, предназначенный для обеспечения электрической связи описанной выше конструкции.
На чертеже фиг.3 показаны подробности конструкции согласно настоящему изобретению, которая, в частности, содержит:
• участок ножек 3 вблизи их точек крепления, каждая из которых в этом особом предпочтительном варианте является общей для двух соседних детекторов;
• точки крепления, состоящие из поперечин 4A и стоек 15;
• контур мембран 2, изображенный пунктирной линией и показанный прозрачным для понятности чертежа.
Ниже приведено объяснение конструкции согласно одному неограничивающему варианту осуществления изобретения со ссылкой на чертежи фиг.3 и фиг.4.
Технологический процесс начинают путем укладки проводящего слоя 7 на поверхность подложки 1, которая традиционно пассивирована всеми диэлектрическими слоями 6, в которых сделаны отверстия для доступа. Этот проводящий слой 7 сохранен в непосредственной близости от упомянутых отверстий, но удален в других местах.
Технологический процесс продолжают путем нанесения слоя 8, который предпочтительно является выравнивающим, но это не является критическим. Для этого пригоден слой из полиимида или толстый слой из осажденных минеральных веществ. Границы этого слоя локально создают с использованием известных подходящих технологий, причем стойки, имеют размеры сторон порядка 2-4 мкм и конечную высоту относительно поверхности подложки, порядка 1,5-2 мкм.
Затем наносят отражающий металлический слой 9, расположенный вокруг ранее сформированных стоек и соприкасающийся с кромкой проводящего слоя 7. Те поверхности, которые должны быть изолированы друг от друга, в особенности, точки электрического доступа для схемы считывания, создают обычным травлением.
На структуру наносят обычно способом нанесения покрытия методом центрифугирования слой защитного выравнивающего материала 10, в том смысле, что он предназначен для удаления в конце процесса, имея толщину, приблизительно, 1,5-2,5 мкм,. Используют, например, слой органического полиимида. Затем на поверхность этого временного защитного слоя наносят очень тонкий диэлектрический слой 11A из оксида или нитрида кремния, или из промежуточного материала, который имеет толщину порядка 10-50 нанометров, а затем предусматривают металлический слой 12, предназначенный для обеспечения электрической связи ножек и, возможно, других электрических функций в мембране.
Затем используют обычное средство создания этого проводящего слоя для определения его локальных границ в зависимости от функций, которые должны быть получены, и нет необходимости давать здесь его описание. Затем проделывают отверстия через слои 11A, 12 и через оставшуюся избыточную толщину слоя 10 над стойками по вертикали. Эти отверстия, предпочтительно уменьшенные до размера стороны, равного 1 мкм или даже меньшего, затем металлизируют слоем 13, который затем удаляют везде, за исключением участка в непосредственной близости от отверстий. Получают электрическую связь от подложки до слоя 12, то есть, внутри мембраны.
Второй диэлектрический слой 11В необязательно, но предпочтительно наносят обычно подобно слою 11А исходя из его состава и толщины. Затем этот слой удаляют с поверхностей для установления контакта с электродами чувствительным (ми) материалом (ами), которые не показаны, и которые в конечном счете нанесены на поверхность структуры в соответствие с особыми характеристиками и толщинами, которые попадают внутрь объема данного пояснения
Естественно, что жесткую механическую целостность между удлиненными соединительными элементами ножек получают в том случае, если сохранена связь, по меньшей мере, одного слоя и, предпочтительно, всех слоев, из которых состоят ножки, по меньшей мере, на площади основания поперечных удлинений мембраны, которые образуют эти соединительные элементы в соответствии с конструкцией, предложенной на фиг.2.
Наконец, определяют чувствительный материал с использованием соответствующих способов, в особенности, таким способом, который удаляет поверхности, занятые ножками и, если это применимо, то также и поверхности над структурами 4A по вертикали. Могут быть добавлены или вставлены другие слои и локальные определения специфических материалов для производства, в частности, функции мембраны, и степень детализации некоторых операций может изменяться в зависимости от запланированной конфигурации, при этом, описание всех подробностей таких вариантов не является необходимым или полезным, поскольку эти элементы не могут быть истолкованы как объекты настоящего изобретения, сущность которых выясняется из приведенного описания.
Так называемую структуру поперечины, являющуюся отличительным признаком, затем подвергают окончательной обработке путем наложения одного или большего количества слоев 14 толщиной порядка 50-500 нанометров, состоящих, например, из нитрида или оксида кремния, или из промежуточного материала, или из аморфного кремния. Контур поперечины, по меньшей мере, в том конце, который соединен с ножками, получают путем травления участка шириной, обычно приблизительно равной ширине ножек, то есть, от 0,3 до 1 микрометра, с использованием современной технологии. Сборка слоев 14, предпочтительно, сохранена поверх материала 13 в качестве защиты или даже в качестве замены этого материала, если им является металл.
После этого получают геометрические границы мембраны и ножек посредством следующей операции травления различных материалов, а именно, по меньшей мере, слоев 11B, 12, 11A, из которых состоят эти структуры, до тех пор, пока не будет достигнут находящийся под ними временный защитный слой. Единственной остающейся задачей является последующее удаление временного защитного слоя 10 обычными средствами для завершения технологического процесса создания структуры.
Формирование поперечины и поддерживающей ее стойки в соответствии с этим описанием занимает только лишь площадь поверхности, имеющей длину стороны порядка 2 мкм над стойкой по вертикали и ширину порядка 0,3-0,5 мкм в конце поперечины, на которую опирается ножка (опираются ножки), то есть, оно занимает намного меньшее пространство, чем крепежные структуры согласно условиям из известного уровня техники. В результате, расширение мембраны, улавливающей энергию излучения, может быть в известной мере увеличена, по сравнению с известным уровнем техники. Также очевидно, что эта экономия пространства повышает привлекательность настоящего изобретения во втором варианте его реализации, описанном ниже со ссылкой на чертеж фиг.5.
Описанная выше методика получения стойки и соответствующей поперечины является всего лишь одним из примеров эффективной реализации. Могут быть использованы методики, которые являются более привычными в этой области техники и не включают в себя формирование стойки заранее, а, наоборот, формируют отверстия через слои 11A и 12, из которых состоят ножки, затем через слой 10 до тех пор, пока не будет достигнут проводящий материал, наложенный на поверхность подложки, затем эти отверстия металлизируют, например, слоем 13 или всеми слоями, которые являются эквивалентными слою 13 в этом описании. Также возможно прикрепить поперечину к верхней поверхности стойки 15 сразу же после того, как произведено наложение первого минерального слоя 11A, путем предварительного создания более тонкого слоя 10 для того, чтобы обнажить верхнюю поверхность стоек 8. Способы сухого травления, способные приводить к этому результату, являются хорошо известными специалистам в данной области техники.
Описанный предпочтительный сборочный узел защищает материалы, из которых состоят ножки, до верхней поверхности стоек, предотвращая, тем самым, возможные вредные механические непрочности и непосредственно обеспечивая электрическую связь, при необходимости, когда требуется сочетать чрезвычайно простое изготовление опорной поперечины. В одном из вариантов имеется возможность формирования поперечины посредством одного или большего количества проводящих материалов, например, путем расширения металлического слоя 13, обычно имеющего форму, показанную на фиг.3. В этом случае больше не требуется защищать материалы ножек до уровня выше стойки по вертикали.
Второй вариант конструкции, который имеет преимущество, получают в том случае, если чувствительный болометрический материал в мембране фактически способен образовывать собой основное вещество поперечины. Это обычно применимо к аморфному кремнию. В этом варианте материал 14 используется как в качестве мембраны и чувствительного болометрического материала, так и в качестве главного компонента поперечины, и это значительно упрощает общую сборку всей конструкции.
В третьем варианте материал (материалы) 14 используют не только для создания поперечины, но также используют в мембране в качестве инертного пассивирующего материала или в качестве механического упрочения для активных структур мембраны.
Теперь приведено описание второго варианта осуществления настоящего изобретения со ссылкой на чертеж фиг.5. В этом варианте осуществления изобретения элементы жесткости, обозначенные ссылочной позицией 4B, встроены в мембрану. Другими словами, упомянутая мембрана снабжена поперечинами, которые имеют, по существу, тот же самый вид, как и поперечины 14, описанные со ссылкой на чертежи фиг.2 и фиг.3. Больше не имеет значения, используются ли поперечины для формирования точек, обеспечивающих возможность крепления к подложке, или же поперечины используются для формирования точек механического крепления и, в случае необходимости, точек электрической связи на мембране 2.
Расположение и роль этих элементов жесткости или поперечин являются очевидными из фиг.5, и их состав легко понятен путем экстраполяции фиг.4, учитывая уже приведенные объяснения. Те же самые операции, состав и компоновки, относящиеся к этим различным слоям, материалам компонентов и вариантам, могут быть непосредственно перенесены на этот второй вариант осуществления изобретения.
В примере, показанном на фиг.5, механическая целостность между элементами каждой пары ножек получена за счет твердой поверхности 20, которая является общей для двух пар ножек, расположенных в точке, где пары соединены, и состоит из тех же самых материалов, как и то из чего состоят ножки. Следовательно, по этой причине часть 20 не показана отдельно от мембраны для пикселов, расположенных вокруг центрального пиксела, и является идентичной последним во всех отношениях. Предпочтительными могут являться другие детализированные формы и иная особая укладка материалов, например, формирование дополнительного элемента, начиная со слоя 14, или иные компоненты, используемые на поверхности слоя 10.
В этом втором варианте реализации отличительным признаком является обеспечение механической жесткости между двумя поперечинами одной пары ножек. Эта жесткость получена, например, посредством прямоугольной рамки с неразрывной границей, расположенной на кромках мембраны 2, в качестве прямого продолжения материалов сборочного узла 14, из которых состоят поперечины 4B, сформированные в соответствии с принципом, изложенным в приведенном выше описании.
Конструкция рамки, показанная на фиг.5, которая обычно выполнена имеющей ширину порядка 1-3 мкм, является просто одним предпочтительным примером, который приводит к желательному результату закрепления пар ножек, даже крайне тонких ножек, и, кстати, предпочтительно приводит к созданию мембраны, являющейся жесткой в том направлении, в котором она изгибается вокруг оси, параллельной ножкам.
Могут существовать и другие конфигурации согласно настоящему изобретению, и второй вариант осуществления изобретения может быть получен, например, путем создания планки (а не рамки) 30, которая является параллельной ножкам, образуя сборочный узел 14, который соединяет две поперечины одиночной пары ножек и соответствует кромкам, которые являются параллельными ножкам прежней рамки. В конечном счете, если мембрана, которая не упрочнена сборочным узлом 14, сама является недостаточно гибкой, поперечины могут быть ограничены только теми участками, которые определены прямоугольниками 4B показанными на фиг.5. В таком случае любое продление конца поперечин, где они соединены с мембраной, должно быть ограничено с учетом результирующего жесткого механического крепления между двумя поперечинами одной пары ножек, что зависит от конкретных конструктивных особенностей мембраны.
На чертеже фиг.9 эта точка определена на основании конструкции, предложенной на фиг.5, а стойки и сформированные элементы, связанные с подложкой, для простоты не показаны. Поперечины 4B показаны на фиг.5 сплошной линией и являются достаточно удлиненными, если сама мембрана 2 является достаточно жесткой. Планка 30, показанная пунктирной линией, является, по существу, продольно прямолинейной и предпочтительно добавлена к кромке мембраны для повышения этой жесткости. Этот жесткий сборочный узел затем может быть дополнен частичной или полной рамкой 31 в зависимости от того, что именно добавлено, и также показан пунктирной линией. Если тело мембраны является достаточно жестким, то поперечина могут быть определена непосредственно при помощи формы, которая является прямым результатом слоев, из которых она состоит.
Третий вариант реализации показан на фиг.8. В этом варианте реализации мембрана поддерживается первой парой коллинеарных ножек 3C, которые соединены посредством механического элемента 20B, сформированного так, как было изложено выше для первого варианта осуществления изобретения. Элементы или планки 30, введенные в объяснение второго варианта реализации, отделены от мембраны для того, чтобы сформировать удлиненную жесткую структуру или перекладину 30, которая скрепляет пары поперечин. Опора для сформированного таким способом сборочного узла получена в конфигурации, раскрытой для второго варианта реализации, посредством другого конца поперечин 4B, на который опираются пары ножек 3B, прикрепленных к парам 3A посредством элемента 20A.
Помимо этих примеров, в соответствии с объясненными вариантами реализации, можно продолжить разработку альтернативных вариантов параллельных пар ножек, доходящих до самого центра мембраны. Однако, геометрическая устойчивость сборочного узла ограничена степенью управления механическими свойствами используемых слоев, и чувствительная мембрана должна иметь площадь поверхности, достаточную для создания оптического отклика, который согласуется с искомыми оптимизированными рабочими характеристиками. С этой точки зрения, вариант осуществления изобретения, показанный на фиг.8, имеет одно непревзойденное преимущество.
Можно сделать вывод о том, что одну компоновку, обладающую особыми преимуществами, получают в том случае, если чувствительный болометрический материал, используемый в мембране, также способен обеспечивать формирование сборочного узла 14, который, по существу, состоит из поперечин 4B и элементов жесткости или перекладин 30, выполненных, например, из аморфного кремния, поскольку для получения детектора с повышенной теплоизоляцией достаточно придать этому материалу надлежащую форму вблизи тех точек, где ножки соединяются с мембраной, или на перекладинах, поскольку поперечины согласно настоящему изобретению составляют единое целое с телом мембраны.
Конструкция этого типа показана на фиг.10; она имеет конфигурацию, соответствующую фиг.8. В этом конкретном случае, который имеет преимущество, планки 30 и все поперечины 4B и 4A, то есть, включающие в себя те, которые прикреплены к стойкам (подобно сформированным элементам, связанным с подложкой, они не показаны для простоты), сформированы, например, с использованием того же самого набора материалов 14, который также преимущественно присутствует в мембране, и обычно, если он включает в себя чувствительный материал. В конкретном случае, показанном на фиг.10, элементы 20A и 20B соединителя сформированы только из того материала, из которого состоят ножки, но, как указано ранее, возможны и другие функциональные варианты.
Первые два варианта осуществления настоящего изобретения, подробно описанные выше, а также производные варианты его реализации, например, вариант, показанный на фиг.8, могут использоваться одновременно и в сочетании в одном детекторе без каких-либо затруднений, поскольку, как указано выше, могут быть применены одни и те же принципы и методики, что является преимуществом. На фиг.5 показан вариант применения, включающий в себя одновременное использование двух вариантов реализации в одной структуре. Следует отметить, что изобретение обеспечивает возможность практически удвоить длину ножек по сравнению с результатом, полученным при использовании только лишь одного первого варианта осуществления изобретения, который проиллюстрирован на фиг.2, и даже утроить эту длину, используя пример, предложенный на фиг.8, а первый вариант осуществления изобретения, как изложено выше, уже обеспечивает усовершенствование известного уровня техники на 40-50% для матричных детекторов с очень малыми шагами повторения структуры матрицы. Этот результат частично связан со способом построения структур, используемых для крепления к подложке в соответствии с приведенным описанием, и этот способ является особенно экономящим место применительно к площади поверхности.
Следовательно, настоящее изобретение обеспечивает возможность реализации механически устойчивых ножек с чрезвычайно большой эквивалентной длиной, а именно, ножек, которые практически вдвое или даже втрое превышают размер кромки мембраны, и которые являются очень тонкими и узкими. С точки зрения теплового сопротивления, результат, полученный в этом случае, является особенно хорошим, и он достигнут с использованием конструкции, которая является простой, поскольку она создана таким образом, что является построенной на одном конструктивном уровне на исходной подложке. В конечном счете, это приводит к умеренной стоимости изготовления по сравнению с теми сборочными узлами, которые являются заметно более сложными, и к такой производительности, которая практически сопоставима с известным уровнем техники.
Это изобретение находит применение в области датчиков изображения, в которых используют болометрическое детектрование, вне зависимости от полосы частот детектирования или от типа болометрического материала, используемого для изготовления болометров, формирующих изображения, и образцовых болометров, которым является, например, аморфный кремний (a-Si), оксид ванадия (Vox) (металл).