ПИРОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МНОГОЭЛЕМЕНТНЫЙ ПРИЕМНИК ИЗЛУЧЕНИЯ

Пироэлектрический многоэлементный приемник излучения.
Данная полезная модель относится к области твердотельной электроники, а именно к твердотельным многоэлементным приемникам, преобразующим энергию инфракрасного излучения в электрическую, выполненным на основе пироэлектрических материалов и интегрированных с электронной схемой обработки сигналов. Модель может быть применена при разработке и изготовлении неохлаждаемых многоэлементных приемников для устройств визуализации теплового изображения.
Известен матричный пироэлектрический приемник теплового изображения 1, представляюпщй собой гибридную сборку схемы обработки сигналов со сформированными на ней сплошными столбиками из полиимида с металлизацией и матрицы детекторных элементов в виде пластины из сегнетоэлектрической керамики толпщной 10-20 мкм с нанесенными на нее с одной стороны отдельными для каждого элемента нижними электродами, а с другой стороны - общим верхним электродом, являющимся одновременно поглощающим покрытием.
Для з еличения чувствительности приемника в этом аналоге между пластиной с пироэлектрическими детекторными элементами и схемой обработки сигналов образован теплоизолирующий вакуумированный зазор, однако применение технологии гибридной сборки приводит к ограничениям чувствительности приемника за счет теплопроводности опорных контактных столбиков, размеры которых составляют не меньше, чем 10 мкм в диаметре, а также за счет теплоемкости самой сегнетоэлектрической пластины, толщина которой составляет 10-20 мкм. Общая теплопроводность для одного элемента приемника в такой конструкции имеет значение около 10 мкВт/К, что позволяет при типичных размерах одного элемента 50x50 мкм получить значение эквивалентной шуму разности темпера6МКИ:Н01Ь27/14H04N 5/33
тур, меньшее 0.1К для ЗООК в диапазоне 8-14 мкм на частоте модуляции 50 Гц при коэффициенте преобразования оптического сигнала F/1. Кроме того, технология гибридной сборки включает трудоемкие операциии изготовления нластин сегнетоэлектрической керамики, их предварительной механической обработки и разделения на отдельные элементы, что существенно снижает процент выхода годных и увеличивает стоимость матричного приемника. Наибольший брак связан с операциями над пластинами сегнетоэлектриков (50% брака) и операциями самой гибридной сборки (45% брака) 2. Поэтому для дальнейшего улучшения характеристик следует разрабатывать полностью твердотельные схемы на основе пленочной технологии пироэлектриков.
Известен твердотельный матричный пироэлектрический приемник теплового излучения 3, включаюш;ий схему обработки сигналов, нанесенный на нее теплоизолируюпщй слой полиимида толшиной 10-20 мкм и размещенную на нем матрицу детекторных элементов, выполненных в виде пироэлектрической пленки толшиной около 10 мкм с отдельными для каждого элемента нижними электродами, электрически соединенными с соответствующими контактами схемы обработки сигналов через толщу полиимида, а также поглощающим покрытием, являющимся и обпщм верхним электродом. Этот аналог также характеризуется пониженной чувствительностью из-за достаточно больщой теплопроводности сплошного слоя полиимида и большой теплоемкости теплочувствительного слоя. Соответствуюпще значения обшей теплопроводности и разрешения по температуре составляют 1-0.1 мВт/К и 1 К. Кроме того, в этой конструкции имеет место ухудшение частотно-контрастной характеристики из-за боковых потоков тепла через полиимидный слой и кремниевую подложку. Соответствующее уменьшение модуляционной передаточной функции за счет этого эффекта составляет 80-75% на пространственной частоте 5 лин./мм.
Известен также пироэлектрический многоэлементный приемник излучения 4, являюшийся прототипом даьшой полезной модели и состоящий из схемы обработки сигналов и матрицы пироэлектрических приемных детекторных
элементов, каждый из которых выполнен в виде пироэлектрической пленки с общим верхним электродом и отдельными для каждого элемента нижними электродами. Для улучшения характеристик чувствительности между детекторными элементами и схемой обработки сигналов образован теплоизолирующий зазор так, что детекторные элементы расположены на поддерживающих мостиковых конструкциях из нитрида кремния, опирающихся на схему обработки сигналов по двум противоположным сторонам каждого детекторного элемента, причем электрические контаюы нижних электродов детекторных элементов с соответствующими входными контактами схемы обработки сигналов расположены на этих опорах.
Для изготовления такой конструкции на схему обработки сигналов наносится вспомогательный слой из фосфоросиликатного стекла, который впоследствии вытравливается по форме детекторных элементов, на него по специальной технологии, обеспечивающей малые механические напряжения, наносится пленка из нитрида кремния. После формирования нижних электродов, сегнетоэлектрического слоя из сложных оксидов металлов (например, цирконата-титаната свинца) и верхнего электрода вспомогательный слой вытравливается через специальные отверстия в полученной многослойной структуре, в итоге представляющей собой приподнятую на 2-4мкм над кристаллом мостиковую конструкцию общей толщиной 1-2 мкм.
В прототипе чувствительность теплового приемника снижена из-за большого оттока тепла по двум опорам из хорошо проводящего тепло нитрида кремния, протяженным вдоль сторон каждого детекторного элемента. В результате общая теплопроводность одного элемента приемника составляет около 100 мкВт/К. В такой конструкции полезная площадь приемника уме1П)Шена из-за необходимости формирования контактных площадок по сторонам детекторных элементов. Конструкция прототипа требует применения дорогостоящих технологических процессов получения вспомогательного слоя из фосфоросиликатного стекла методами химического осаждения из газовой фазы. Кроме того, она основана на технологии получения сегнетоэлектрических пленок оксидов металлов, которая из-за
температурных режимов плохо совместима с базовыми технологическими процессами изготовления интегральных схем на пластинах кремния. Например, для получения сегнетоэлектрической пленки црфконата-титаната свинца необходима термообработка при высокой температуре (500-700°С), что приводит к частичной деградации транзисторных  схемы обработки сигналов и существенно снижает процент выхода годных.
Задачей полезной модели является создание многоэлементного матричного пироэлектрического приемника, рштегрированного со схемой обработки сигналов, обеспечивающего высокую эффективность преобразования теплового излучения в электрический сигнал при одновременном повышении его технологичности и снижении стоимости.
Достигаемый в предлагаемой полезной модели технический результат заключается в том, при малой теплоемкости детекторного элемента его общая теплопроводность составляет 1-3 мкВт/К. В результате значение эквивалентной шуму разности температур, разрешаемой приемником с площадью одного элемента 50x50 мкм, не превышает 0.05 К при температурах фона около 300 К в диапазоне длин волн 8-14 мкм на частоте модуляции излучения 20-50 Гц при оптической характеристике преобразования теплового потока F/1. При этом значения частотно-контрастной характеристики за счет бокового растекания тепла на пространственной частоте 5лин./мм составляют не менее 95-98%. Предлагаемая модель устройства обладает при этом высокой технологичностью, т.к. процессы ее изготовления хорошо совместимы с технологическими операциями при создании интегральных схем на основе кремниевых пластин.
Указанный технический результат достигается в пироэлектрическом многоэлементном приемнике излучения, включающем интегральную схему обработки сигналов и матрицу детекторных элементов, изготовленных из пнфоэлектрической пленки с общим верхним электродом и отдельными для каждого элемента нижними электродами, электрически соединенными с соответствующими контактами схемы обработки сигналов, причем детекторные элементы расположены на
поддерживающем слое, а между ними и поверхиостью схемы обработки сигналов образован теплоизолирующий зазор, за счет того, что поддерживающий слой и пироэлектрическая пленка являются общими для всех детекторных элементов матрицы, разделенных сквозными щелевидными отверстиями, проделанными в верхнем электроде, пироэлектрической пленке и поддерживающим слое, а между соседними щелевидными отверстиями в месте пересечения их осевых линий поддерживающий слой образует опоры, посредством которых матрица детекторных элементов механически и электрически соединена со схемой обработки сигналов, причем электроды, пироэлектрическая пленка, а также поддерживающий слой выполнены из материалов с низкими температурами формирования и материал поддерживающего слоя является теплоизолирующим.
Электрическое соединение каждого нижнего электрода и соответствующего ему контакта схемы обработки сигналов предпочтительно осуществить, согласно п.2 формулы полезной модели, т.е. в области опоры и посредством узкой проводящей перемычки, проходящей через поддерживаюпщй слой, а в качестве материала поддерживающего слоя, согласно п.З. формулы полезной модели, выбрать полиимид, который имеет низкую температуру формирования, обладает низкими теплоемкостью и теплопроводностью и не служит источником механических напряжений.
Сущность предлагаемой полезной модели иллюстрируется графическими материалами, в которых на Фиг.1 изображен в плане один из детекторных элементов пироэлектрического многоэлементного приемнтса излучения, а на Фиг.2. пояснена констрзтщия приемника в виде соответствующего поперечного сечения по А-А.
Пироэлектрический многоэлементный приемник излучения состоит из интегральной схемы обработки сигналов и матрицы детекторных элементов. Конкретное выполнение рштегральной схемы обработки сигналов в кремниевом кристалле не рассматривается, а конструкция приемника представлена на Фиг.1. и Фиг.2. на примере одного из детекторных элементов 1 матрицы. Все детекторные
элементы 1 расположены на приподнятом над кристаллом со схемой обработки сигналов 2 поддерживающем слое 3 и выполнены из пироэлектрической пленки 4, нанесенной на поддерживающий слой 3. Детекторные элементы 1 имеют общий для них верхний электрод 5 и отдельные для каждого элемента нижние электроды 6. Нижние электроды расположены между пироэлектрической пленкой 4 и поддерживающим слоем 3. Детекторные элементы 1 в матрице разделены друг от друга сквозными щелевидными отверстиями 7, расположенными между ними. Поддерживающий слой 3 с находящимися на нем детекторными элементами 1 механически связан с кристаллом со схемой обработки сигналов (опирается на него) с помощью опор 8, составляющих с поддерживающим слоем 3 единое целое и расположенных между каждыми соседними щелевидными отверстиями в месте пересечения их осевых линий. Таким образом, между детекторными элементами 1 и поверхностью интегральной схемы обработки сигналов 2 образован теплоизолирующий зазор 9. Детекторные элементы 1 электрически соединены с интегральной схемой обработки сигналов 2, для чего нижний электрод 6 каждого элемента 1 соединен с соответствующим ему контактом 10 интегральной схемы 2 посредством узкой проводящей перемычки 11, проходящей через поддерживающий слой 3 в области опор. В результате осуществляется как механическое, так и электрическое соединение матрицы детекторных элементов 1 с интегральной схемой обработки сигналов 2.
В качестве теплочувствительной пироэлектрической пленки в матрице приемников 1 используется пироэлектрический материал с низкой температурой формирования (нанесения, кристаллизации и поляризации), в частности, сополимер на основе винилиденфторида и трифторэтилена, который имеет малую теплопроводность и теплоемкость, наносится, кристаллизуется и поляризуется при температурах не более 150°С. Для улучшения тепловой изоляции в качестве материала поддерживающего слоя 3 также выбран материал с низкой температурой формирования, например, полиимид, который имеет температуру имидизации не более 350°С, обладающий также малыми теплопроводностью и теплоемкостью и
не вносящий механических нанряжений. Для формирования нодцерживающего слоя 3 иснользуются технологические операции с использованием вспомогательного слоя, который впоследствии удаляется с помощью бокового вытравливания через щелевидные отверстия 7. Путем подбора соответствующих технологических режимов обеспечиваются малые механические напряжения поддерживающего слоя и пироэлектрической пленки и достаточная жесткость конструкции без провисания поддерживающего слоя и детекторных элементов. Материалы верхнего и нижнего электродов, их толщина, а также толщина пироэлектрической пленки подбираются таким образом, чтобы обеспечить 70-80% коэффициент поглощения падающего излучения в рабочем диапазоне длин волн. Для этого, например, прозрачный верхний электрод выполняется из хрома толщиной 0.0050.01 мкм, толщина пироэлектрический пленки составляет 2-2.5 мкм, а в качестве отражающего нижнего электрода применяется титан толщиной 0.1-0.2 мкм. Формирование электродов осуществляется известными технологическими методами, основанными на фотолитографии и вакуумном напылении, причем температуры их получения также не превыщают 300°С.
При работе прибора ИК-излучение проходит через тонкий верхний электрод, поглощается в пироэлектрическом приемном элементе, изменяет его температуру, преобразуется в электрический сигнал, который затем усиливается и передается на выход приемника электронной схемой считывания, расположенной в кремниевом кристалле, служащим одновременно несзтцим основанием для матрицы детекторов. Таким образом, теплочувствительная часть состоит только из тонкой пленки пироэлектрика, двух электродов и тонкого поддерживающего слоя, имеющих малую теплоемкость, и связана со схемой обработки сигналов только опорами из теплоизолирующего материала и тонкими металлическими перемычками, имеющими низкую теплопроводность. Благодаря хорошей тепловой изоляции детекторных элементов обеспечртается высокая чувствительность пироэлектрического многоэлементного приемника. Применение общих для всех элементов пироэлектрической пленки и поддерживающего слоя в сочетании с
формированием контактов в области опорных элементов позволяет увеличить коэффициент заполнения матрицы.
Технология получения предлагаемого в данной полезной модели многоэлементного приемника такова, что используются либо стандартные процессы изготовления микроэлектронных приборов на основе кремниевых пластин, либо процессы, основанные на модификации стандартных процессов. При этом максимальная температура при операциях изготовления матрицы детекторных элементов на поддерживающем слое не превышает 350°С, что существенно ниже температуры, необходимой для изготовления пироэлектрической пленки и поддерживающего мостика из нитрида кремния в прототипе. Таким образом, при изготовлении полезной модели не происходит ухудшения характеристик интегральных схем обработки сигналов, и предлагаемое устройство обладает высокой технологичностью. По сравнению с известными разработками это позволяет увеличить процент выхода годных и уменьшить стоимость приемника.
В результате, при существенном упрощении технологических операций полезная модель позволит получить полностью интегральный многоэлементный тепловой приемник излучения, по своим характеристикам близкий к фотонным приемникам аналогичного назначения, но не требующий для своей работы специального охлаждения до криогенных температур.
Источники информации:
1.Butler N., Iwasa S. Solid state pyroelectric imager // Proceeding of SPffi. - 1992. - V. 1685. - Infrared Detectors and Focal Plane Arrays II. - P. 146-154.
2.Owen R., Belcher J., Beratan H., Frank S. Producibility advances in hybrid uncooled infrared devices - П // Proceeding of SPffi. - 1996. - V. 2746. - P. 101-112.
S.Detecteur infrarouge a base de materiau pyroelectrique: Demande de brevet dinvention Fr 2 649 247, H 01 L 31/09 / Robin Ph., Broussoux D., Dubois J-C. (France). -11 p.