ДАТЧИК ИЗЛУЧЕНИЯ С ЗАЩИТОЙ ОТ ЗАСВЕТКИ
RADIATION SENSOR WITH ANTI-GLARE PROTECTION

Перекрестная ссылка на родственную заявку
Данная заявка испрашивает приоритет по заявке на патент Франции №FR17/52109, которую следует считать неотъемлемой частью настоящего раскрытия.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее раскрытие относится, в общем, к области датчиков излучения и, в частности, к типу датчиков, содержащих множество элементарных микродетекторов или пикселей, расположенных в и на полупроводниковой подложке, причем каждый пиксель содержит преобразовательный элемент для преобразования электромагнитного излучения в электрический сигнал и схему считывания для считывания электрического сигнала, предусмотренного преобразовательным элементом. Более конкретно, данная заявка направлена на защиту такого датчика от засветки, способной повредить его пиксели. Варианты осуществления, описанные ниже, являются особенно предпочтительными в случаях, когда преобразовательные элементы пикселей являются микроболометрами.
Уровень техники
Болометр традиционно содержит поглотитель, приспособленный для преобразования электромагнитного излучения, которому оно, как правило, подвергается и которое находится в инфракрасном диапазоне, в тепловую энергию, и термометр, который термически связан с поглотителем и приспособлен для подачи электрического сигнала, отражающего температуру поглотителя. Термометр, как правило, содержит термистор и схему считывания для считывания электрического сопротивления термистора.
Ранее, например, в заявке на патент Франции №2796148, поданной 8 июля 1999 года, или в заявке на патент Франции №2822541, поданной 21 марта 2001 года, был предложен датчик теплового излучения, содержащий множество пикселей, размещенных в и на полупроводниковой подложке, причем каждый пиксель содержит микроболометр и схему для электронного контроля и считывания, предназначенную для контроля и считывания показаний микроболометра.
Возникающая в данном случае проблема состоит в том, что, когда они подвергаются воздействию интенсивного излучения, например, лазерного излучения в случае злонамеренного воздействия на датчик, или солнечного излучения, температура пикселей такого датчика повышается, потенциально достигая нескольких сотен градусов, что может нанести временное или необратимое повреждение.
В более общем смысле, эта проблема повышения температуры пикселей до критического уровня из–за обнаруживаемого излучения может возникнуть в датчиках электромагнитного излучения других типов, в частности, в датчиках, в которых измерение падающего излучения основано на преобразовании излучения в тепловую энергию в пикселях датчика.
Было бы желательно иметь средства для защиты датчика излучения от засветки, способной повредить его пиксели.
Сущность изобретения
Таким образом, один вариант осуществления предусматривает датчик излучения, содержащий множество пикселей, сформированных в и на полупроводниковой подложке, причем каждый пиксель содержит микроплату, подвешенную над подложкой на теплоизоляционных лапках, при этом микроплата содержит:
преобразовательный элемент для преобразования падающего электромагнитного излучения в тепловую энергию; и
пассивный оптический затвор, содержащий термочувствительный слой, покрывающий одну из поверхностей преобразовательного элемента, причем термочувствительный слой имеет коэффициент отражения для обнаруживаемого излучения, который увеличивается в зависимости от его температуры.
Согласно варианту осуществления термочувствительный слой выполнен из материала с фазовым переходом.
Согласно варианту осуществления термочувствительный слой выполнен из оксида металла, имеющего изолирующую фазу, которая является прозрачной для обнаруживаемого излучения, и металлическую фазу, которая является отражающей для обнаруживаемого излучения.
Согласно варианту осуществления термочувствительный слой выполнен из оксида ванадия или оксида титана.
2
Согласно варианту осуществления термочувствительный слой выполнен из AgS или FeS.
Согласно варианту осуществления термочувствительный слой имеет температуру фазового перехода между 60 и 180°C.
Согласно варианту осуществления каждый пиксель дополнительно содержит термистор, который термически связан с преобразовательным элементом пикселя.
Согласно варианту осуществления каждый пиксель дополнительно содержит схему считывания для считывания значения термистора пикселя.
Согласно варианту осуществления в каждом пикселе преобразовательный элемент представляет собой слой, выполненный из материала, который поглощает обнаруживаемое излучение.
Согласно варианту осуществления в каждом пикселе преобразовательный элемент представляет собой металлический слой.
Согласно варианту осуществления в каждом пикселе теплоизоляционные лапки лежат на вертикальных электросоединительных столбиках.
Согласно варианту осуществления в каждом пикселе микроплата и теплоизоляционные лапки расположены в полости, закрытой крышкой, которая является прозрачной для обнаруживаемого излучения.
Согласно варианту осуществления в каждом пикселе прозрачная крышка герметично закрывает полость, и полость находится под давлением, которое ниже атмосферного давления.
Согласно варианту осуществления в каждом пикселе микроплата и теплоизоляционные лапки расположены в полости, закрытой крышкой, которая является прозрачной для обнаруживаемого излучения.
Согласно варианту осуществления в каждом пикселе прозрачная крышка герметично закрывает полость, и полость находится под давлением, которое ниже атмосферного давления.
Краткое описание чертежей
Вышеуказанные, а также другие признаки и преимущества будут подробно описаны в последующем описании конкретных вариантов осуществления, приведенных в качестве иллюстрации, а не ограничения со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
на фиг.1A и 1B показан, соответственно, упрощенный вид в разрезе и упрощенный вид сверху примера пикселя датчика излучения согласно первому варианту осуществления;
на фиг.2 показан упрощенный вид в разрезе дополнительного примера пикселя датчика излучения согласно первому варианту осуществления;
на фиг.3A, 3B, 3C, 3D, 3E и 3F показаны виды в разрезе, иллюстрирующие этапы примера способа изготовления пикселя согласно первому варианту осуществления;
на фиг.4 показан вид в разрезе, иллюстрирующий вариант способа изготовления (фиг.3A, 3B, 3C, 3D, 3E и 3F);
на фиг.5A, 5B, 5C и 5D показаны виды в разрезе, иллюстрирующие этапы дополнительного примера способа изготовления пикселя согласно первому варианту осуществления;
на фиг.6 показан частичный и упрощенный вид в разрезе примера пикселя датчика излучения согласно второму варианту осуществления;
на фиг.7A, 7B, 7C, 7D, 7E и 7F показаны виды в разрезе, иллюстрирующие этапы примера способа изготовления пикселя согласно второму варианту осуществления;
на фиг.7bis показан вид в разрезе, иллюстрирующий другой вариант осуществления способа (фиг.7A, 7B, 7C, 7D, 7E и 7F);
на фиг.8 показан упрощенный вид в разрезе примера пикселя датчика излучения согласно третьему варианту осуществления;
на фиг.9A, 9B, 9C, 9D, 9E, 9F и 9G показаны виды в разрезе, иллюстрирующие этапы примера способа изготовления пикселя согласно третьему варианту осуществления.
Подробное описание изобретения
Одинаковые признаки были обозначены одинаковыми ссылками на разных фигурах, и, кроме того, разные фигуры выполнены не в масштабе. Для ясности были проиллюстрированы и подробно описаны только элементы, которые полезны для понимания описанных вариантов осуществления. В частности, схемы контроля и считывания для контроля и считывания пикселей не были подробно описаны, описанные варианты осуществления совместимы со схемами контроля и считывания, которые обычно используются в пикселях этого типа, или реализация этих схем находится в пределах возможностей специалистов в данной области техники на основе функциональных признаков настоящего раскрытия. Кроме того, на фигурах, иллюстрирующих описанные примеры, показан один пиксель датчика излучения. На практике датчики излучения могут содержать множество одинаковых или аналогичных пикселей, расположенных на одной и той же полупроводниковой подложке, например, в соответствии с расположением матрицы или в виде полоски. Компоновка различных пикселей датчика и межсоединения между пикселями датчика и периферийными схемами контроля для контроля датчика подробно не описаны, причем описанные варианты осуществления совместимы со схемами, межсоединениями и периферийными схемами контроля, которые обычно предусмотрены в таких датчиках. Кроме того, не были подробно описаны возможные области применения описанных датчиков, при этом описанные варианты осуществления совместимы с традиционным применением датчиков излучения. Однако следует отметить, что описанные варианты осуществления являются особенно предпочтительными для приложений, связанных с формированием инфракрасных изображений, формированием тепловых изображений, обнаружением газа путем измерения оптического поглощения в инфракрасном спектре, обнаружением или распознаванием людей, объектов или перемещений в инфракрасном спектре и т.д. В следующем раскрытии, если не указано иное, когда делается ссылка на абсолютные позиционные классификаторы, такие как термины "передний", "задний", "верхний", "нижний", "левый", "правый" и т.д., или на относительные позиционные классификаторы, такие как термины "выше", "ниже", "верхний", "нижний" и т.д., или на классификаторы ориентации, такие как "горизонтальный", "вертикальный" и т.д., делается ссылка на ориентацию видов в разрезе, показанных на чертежах, при этом следует понимать, что на практике описанные варианты осуществления могут иметь различную ориентацию. Если специально не указано иное, выражения "приблизительно", "по существу" и "порядка" означают в пределах 10% и предпочтительно в пределах 5%. Следует отметить, что в последующем описании датчики излучения предназначены для освещения или облучения через их верхнюю поверхность (в ориентации видов в разрезе на чертежах).
Первый вариант осуществления – активная защита, выполненная на крышке
На фиг.1A и 1B показаны, соответственно, упрощенный вид в разрезе и упрощенный вид сверху примера пикселя датчика излучения согласно первому варианту осуществления.
Пиксель 100, показанный на фиг.1A и 1B, сформирован в и на полупроводниковой подложке 101, выполненной, например, из кремния.
Пиксель 100 содержит электронную схему 102 считывания и контроля, сформированную в и на подложке 101, например, с использованием технологии CMOS. Схема считывания и контроля подробно не показана на фигурах. На фиг.1А показаны в виде заштрихованных прямоугольных областей только электроконтактные площадки, расположенные заподлицо с верхней поверхностью схемы 102, которые предназначены для подсоединения схемы 102 к другим элементам пикселя.
Пиксель 100 дополнительно содержит микроплату 103, подвешенную над схемой 102 на теплоизоляционных лапках, которые в проиллюстрированном примере представляют собой две лапки 105a и 105b. Более конкретно, в проиллюстрированном примере подложка 101 и схема 102 расположены горизонтально, а микроплата 103 и теплоизоляционные лапки 105a и 105b расположены в одной и той же промежуточной плоскости, по существу параллельной верхней поверхности схемы 102. Каждая из лапок 105a и 105b имеет первый конец или проксимальный конец, механически и электрически контактирующий с микроплатой 103, и второй конец или дистальный конец, лежащий на верхней части вертикального проводящего столбика 107a, 107b, соответственно, например, выполненного из меди или вольфрама, основание которого лежит на верхней поверхности схемы 102. Столбики 107a и 107b механически поддерживают микроплату 103 посредством лапок 105a и 105b и позволяют электрически подсоединить микроплату 103 к схеме 102 также посредством лапок 105a и 105b. Таким образом, пространство, свободное от какого–либо твердого материала, расположено между верхней поверхностью схемы 102 и нижней поверхностью микроплаты 103. Другими словами, микроплата 103 находится в механическом контакте исключительно с лапками 105a и 105b, которые термически изолируют микроплату от остальной части структуры и, в частности, от схемы 102 и подложки 101.
В этом примере микроплата 103 представляет собой болометрическую микроплату, то есть она содержит поглотитель (подробно не показан на фиг.1А и 1B), например, в виде проводящего слоя, приспособленного для преобразования падающего электромагнитного излучения в тепловую энергию, и термистор (подробно не показан на фиг.1А и 1B), с помощью которого можно измерять температуру поглотителя. Например, поглотитель выполнен из нитрида титана (TiN), и термистор выполнен из аморфного кремния или из оксида ванадия. Два конца термистора, соответственно, электрически соединены с проводящими столбиками 107a и 107b посредством лапок 105a и 105b.
В показанном примере основание опорного столбика 107a механически и электрически контактирует с контактной площадкой 109a верхней поверхности схемы 102, и основание опорного столбика 107b механически и электрически контактирует с контактной площадкой 109b верхней поверхности схемы 102. Таким образом, схема 102 считывания и контроля подсоединена к концам термистора пикселя посредством площадок 109a и 109b и столбиков 107a и 107b пикселя. Схема 102 выполнена с возможностью подачи электрического сигнала, представляющего значение электрического сопротивления термистора пикселя.
Пиксель 100 дополнительно содержит крышку 111, которая является прозрачной для обнаруживаемого излучения, лежащую на верхней поверхности схемы 102 контроля и ограничивающую, с помощью верхней поверхности схемы 102, полость или герметичный корпус 113, в котором расположена подвешенная микроплата 103. Пространство, оставленное свободным от какого–либо твердого материала, расположено между верхней поверхностью микроплаты 103 и нижней стороной крышки 111, причем это пространство сообщается со свободным пространством, расположенным между нижней поверхностью микроплаты 103 и верхней поверхностью схемы 102. Полость 113 предпочтительно находится под вакуумом или под давлением ниже атмосферного, чтобы усилить теплоизоляцию микроплаты 103 по отношению к остальной части датчика за счет ограничения теплопроводности, обусловленной воздухом.
Согласно аспекту варианта осуществления, показанному на фиг.1A и 1B, пиксель 100 содержит оптический затвор, содержащий слой 115, выполненный из термочувствительного материала, покрывающего верхнюю поверхность прозрачной крышки 111, обращенной к микроплате 103 пикселя. Оптический затвор является активным затвором, то есть он имеет электрическое управление и находится либо в открытом состоянии, в котором слой 115 является по существу прозрачным для обнаруживаемого излучения, то есть в котором коэффициент отражения и/или поглощения слоя 115 для обнаруживаемого излучения является относительно низким, либо в закрытом состоянии, в котором коэффициент отражения и/или поглощения слоя 115 для обнаруживаемого излучения является относительно высоким, то есть выше, чем его коэффициент отражения и/или поглощения в открытом состоянии. Например, обнаруживаемое излучение представляет собой тепловое инфракрасное излучение с длиной волны, находящейся в диапазоне от 8 до 14 мкм, и коэффициент пропускания слоя 115 для обнаруживаемого излучения в закрытом состоянии ниже, чем его коэффициент пропускания в открытом состоянии, по меньшей мере на 0,2 и предпочтительно по меньшей мере на 0,4.
В примере, показанном на фиг.1A и 1B, затвор содержит нагревательный резистор 117, термически связанный со слоем 115 и соединенный со схемой 102 контроля для контроля пикселя через контактные площадки 119a и 119b схемы 102.
2
В проиллюстрированном примере нагревательный резистор 117 расположен, если смотреть сверху, на внешнем крае болометрической микроплаты 103 с тем, чтобы не нарушать прохождение падающего электромагнитного излучения по направлению к микроплате, когда затвор находится в открытом состоянии. Например, нагревательный резистор 117 представляет собой металлическую полоску, образующую токопроводящий пояс, окружающий, если смотреть сверху, микроплату 103. В качестве варианта, нагревательный резистор может быть выполнен из материала, прозрачного для обнаруживаемого излучения, например, из диэлектрического или полупроводникового материала, например, в случае детектора инфракрасного излучения, из диоксида ванадия (VO), германия (GE) или сплава a–SiGe:B аморфного кремния и германия, легированного бором. В этом случае нагревательный резистор 117 может продолжаться по меньшей мере частично напротив болометрической микроплаты 103 пикселя.
Например, нагревательный резистор 117 расположен под термочувствительным слоем 115, например, соединен с нижней поверхностью прозрачной крышки 111. В проиллюстрированном примере нагревательный резистор 117 подсоединен к контактным площадкам 119a и 119b схемы 102 контроля, соответственно, с помощью вертикальных проводящих столбиков 121a и 121b, например, выполненными из меди или вольфрама, которые соединяют нижнюю стенку с верхней стенкой полости 113.
Для упрощения на фиг.1В показаны только микроплата 103, удерживающие лапки 105a и 105b, нагревательный резистор 117 и вертикальные соединительные столбики 107a, 107b, 121a и 121b пикселя 100. Кроме того, на фиг.1А вертикальные соединительные столбики 107a, 107b, 121a и 121b показаны в одной плоскости. Однако на практике столбики 107a, 107b, 121a и 121b не обязательно должны быть выровнены.
Защита от засветки пикселя 100 функционирует следующим образом. Схема 102 считывания пикселя выполнена с возможностью обнаружения засветки, способной повредить пиксель, посредством ее контактных площадок 109a и 109b, например, путем обнаружения изменения значения термистора пикселя, которое слишком быстро изменяется и является слишком большим, признака повышения температуры микроплаты, которое является слишком быстрым, или когда значение термистора достигает заданного порога.
Например, схема 102 считывания и контроля выполнена с возможностью, на стадии получения, предназначенной для получения значения, характеризующего электромагнитное излучение, принятое пикселем, выполнения считывания пикселя путем интегрирования, в емкостном элементе схемы 102, выходного тока термистора микроболометра пикселя для заданного прямого напряжения смещения термистора.
В предпочтительном варианте осуществления схема 102 выполнена с возможностью интегрирования выходного тока термистора пикселя в течение двух последовательных периодов интегрирования различной длительности. Более конкретно, схема 102 выполнена с возможностью измерения интегрального тока в течение короткого периода интегрирования, например, продолжительностью между 1 и 5 мкс, чтобы обнаружить потенциальную засветку пикселя, и затем в течение продолжительного периода интегрирования, например, порядка 30–100 мкс, например, приблизительно 64 мкс, для фактического получения значения, характеризующего излучение, принимаемое пикселем (или значение выходного сигнала пикселя), например, с целью построения изображения. Сигнал, полученный в результате первого интегрирования, можно дискретизировать и сравнить с пороговым значением, например, с помощью компаратора, таким образом, управление затвором осуществляется в зависимости от результата сравнения.
В качестве варианта, перед реализацией длительного периода интегрирования схема 102 может быть выполнена с возможностью для интегрирования выходного тока термистора в течение двух последовательных коротких периодов интегрирования различной длительности, например, в течение первого периода порядка 1 мкс и в течение второго периода порядка 5 мкс. Таким образом, разница между сигналами, полученными из первого и второго коротких периодов интегрирования, определяется и сравнивается с пороговым значением, чтобы принять решение относительно того, активировать ли затвор. Преимущество состоит в том, что таким образом можно избежать различий в значениях между термисторами различных пикселей, связанных с технологическим разбросом параметров, и тем самым повысить точность обнаружения засветки.
В дополнительном варианте схема 102 контроля и считывания выполнена с возможностью, на стадии получения, предназначенной для получения значения, характеризующего электромагнитное излучение, принятое пикселем, выполнения считывания пикселя путем измерения напряжения на выводах термистора микроболометра пикселя для заданного прямого тока смещения, подаваемого в термистор пикселя. Таким образом, напряжение на выводах термистора можно сравнить с пороговым значением, чтобы принять решение относительно того, активировать ли затвор пикселя.
При обнаружении засветки схема 102 управляет подачей тока в резистор 117 для того, чтобы вызвать увеличение температуры термочувствительного слоя 115 вплоть до температуры фазового перехода, которая вызывает переключение затвора из открытого состояния (слой 115, который является прозрачным для обнаруживаемого излучения), в закрытое состояние (слой 115, который является непрозрачным для обнаруживаемого излучения). Таким образом, падающее электромагнитное излучение блокируется или ограничивается слоем 115, посредством которого можно избежать или ограничить повреждение болометрической микроплаты пикселя. После заданного периода закрытия или в случае, когда схема 102 обнаруживает возврат к заданной допустимой температуре болометрической микроплаты, схема 102 прерывает протекание тока в нагревательном резисторе 117. Таким образом, температура термочувствительного слоя 115 опускается ниже его температуры фазового перехода, поэтому затвор снова открывается.
Следует отметить, что с помощью электросоединительных столбиков 121a и 121b предпочтительно можно термически соединить верхнюю часть защитной крышки 111 с подложкой 101, чтобы сдерживать повышение температуры, создаваемое нагревательным резистором 117, и во избежание того, чтобы тепло, создаваемое резистором 117, распространялось в герметизирующих крышках и/или в термочувствительных слоях соседних пикселей. Для того чтобы улучшить тепловую связь с подложкой 101, количество вертикальных электросоединительных столбиков между резистором 117 и схемой 102 может быть больше двух. Например, в случае болометрической микроплаты 103, в общем, квадратной или прямоугольной формы и с нагревательным резистором 117 в форме квадратной или прямоугольной кольцевой полоски, окружающей, если смотреть сверху, микроплату 103, как показано на фиг.1B, пиксель может содержать четыре электросоединительных столбика, расположенных, если смотреть сверху, соответственно, по четырем углам проводящей кольцевой полоски, образующей нагревательный резистор.
Кроме того, схему 102 контроля и считывания, предназначенную для контроля и считывания пикселя 100, можно выполнить с возможностью регулировки тока, подаваемого в нагревательный резистор 117, в зависимости от рабочей температуры датчика для того, чтобы подавать в резистор 117 только ток, необходимый для закрытия затвора. Действительно, рабочая температура датчика излучения, как правило, может варьироваться в широком диапазоне, например, от —40°C до +70°C, и ток, который будет подаваться в резистор 117 для того, чтобы осуществить переход термочувствительного слоя 115, становится все выше, когда рабочая температура является низкой. Например, датчик содержит по меньшей мере один термочувствительный элемент, расположенный, например, в и на полупроводниковой подложке 101, например, детектор на основе p–n–перехода. Таким образом, схема 102 контроля и считывания, предназначенная для контроля и считывания пикселя 100, выполнена с возможностью, в случае засветки пикселя, подачи в нагревательный резистор 117 пикселя тока, выбранного в зависимости от температуры, измеренной термочувствительным элементом. Преимущество состоит в том, что, таким образом, можно ограничить потребление электроэнергии, связанное с защитой от засветки, в частности, когда датчик используется при высоких температурах, и избежать ненужного повышения температуры герметизирующей крышки 111 пикселей выше температуры фазового перехода термочувствительного слоя.
2
3
5
3
5
2
3
3
3
x
d1–x
3
x
1–x
3
2
3+
3+
4+
Например, материал термочувствительного слоя 115 представляет собой материал с фазовым переходом, имеющий, ниже температуры фазового перехода, фазу, которая является по существу прозрачной для обнаруживаемого излучения, и, выше температуры фазового перехода, фазу, которая является отражающей или поглощающей для обнаруживаемого излучения. Температура фазового перехода термочувствительного материала предпочтительно выбрана выше, чем максимальная температура, которую может достичь крышка 111 пикселя во время нормального функционирования, например, между 60 и 180°C. Изменение коэффициента пропускания или отражения термочувствительного слоя около температуры фазового перехода предпочтительно является относительно крутым, например, больше 2,5% в расчете на один градус длины волны 10 мкм. Например, термочувствительный материал представляет собой кристаллизированный оксид металла, имеющий изолирующую фазу, на которой он становится прозрачным ниже его температуры фазового перехода, и металлическую фазу, на которой он становится отражающим выше его температуры фазового перехода. Термочувствительный материал представляет собой, например, кристаллизированный оксид ванадия (VO), имеющий температуру фазового перехода порядка 68°C. В качестве варианта, термочувствительный материал представляет собой диоксид ванадия, кристаллизированный и легированный катионами низкой валентности, например, Al, Cr или Ti, чтобы увеличить его температуру фазового перехода. В более общем смысле, согласно желаемой температуре фазового перехода, можно использовать другие оксиды ванадия, например, VO. В качестве варианта, термочувствительный материал слоя 115 представляет собой TiO, TiO или SmNiO. В качестве варианта, термочувствительный материал слоя 115 представляет собой редкоземельный никелат с общим составом RNiO, где R обозначает редкоземельный или двухкомпонентный сплав редкоземельных элементов, например, соединение типа SmNNiO или EuSmNiO. В качестве варианта, термочувствительным материалом слоя 115 является AgS или FeS. В качестве варианта, термочувствительный материал представляет собой монокристаллический германий, который обладает тем преимуществом, что он является относительно прозрачным для теплового инфракрасного излучения при комнатной температуре и относительно поглощающим для этого излучения при температурах выше 100°C.
На фиг.2 показан упрощенный вид в разрезе дополнительного примера пикселя датчика излучения согласно первому варианту осуществления. Пиксель 200, показанный на фиг.2, содержит такие же элементы, как и пиксель 100, показанный на фиг.1A и 1B. В дальнейшем эти элементы не будут повторно описываться подробно. Далее будут подробно описаны только различия между пикселями 100 и 200.
Пиксель 200, показанный на фиг.2, отличается от пикселя 100, показанного на фиг.1А и 1В, главным образом тем, что он не содержит нагревательного резистора 117, расположенного отдельно от термочувствительного слоя 115, для управления переходами в закрытое состояние или в открытое состояние слоя 115. В этом примере верхние концы соединительных столбиков 121a и 121b пикселя находятся в прямом электрическом контакте с термочувствительным слоем 115.
Пиксель 200, показанный на фиг.2, действует по существу таким же образом, как и пиксель 100, показанный на фиг.1A и 1B, за исключением того, что в примере, показанном на фиг.2, когда схема 102 контроля и считывания, предназначенная для контроля и считывания пикселя, обнаруживает засветку, он подает электрический ток непосредственно в термочувствительный слой 115 посредством контактных площадок 119a и 119b и соединительных столбиков 121a и 121b. Этот ток вызывает повышение температуры термочувствительного слоя 115, что приводит к закрытию затвора. При прерывании тока, протекающего в термочувствительном слое 115, температура слоя 115 опускается ниже его температуры фазового перехода, поэтому затвор возвращается в открытое состояние.
На фиг.3A, 3B, 3C, 3D, 3E и 3F показаны виды в разрезе, иллюстрирующие этапы примера способа изготовления датчика излучения типа, описанного со ссылкой на фиг.2, то есть не содержащего нагревательный резистор, расположенный отдельно от термочувствительного слоя, для управления переходами в закрытое состояние или в открытое состояние термочувствительного слоя. На фиг.3A, 3B, 3C, 3D, 3E и 3Fпоказана более конкретно реализация одного пикселя датчика, при этом следует понимать, что на практике множество идентичных или аналогичных пикселей может быть сформировано одновременно в и на одной и той же полупроводниковой подложке 101.
На фиг.3A показан этап изготовления схемы 102 контроля и считывания, предназначенной для контроля и считывания пикселя 200 в и на подложке 101. Например, схема 102 реализована с использованием технологии CMOS. Изготовление схемы 102 подробно не описывается в данном документе, при этом реализация этой схемы находится в пределах возможностей специалистов в данной области техники на основании функционального описания, указанного выше. На фиг.3А показаны только электроконтактные площадки 109a, 109b, 119a и 119b схемы 102, которые находятся на одном уровне с верхней стороной схемы 102.
На фиг.3B показан этап осаждения жертвенного слоя 301 на и в контакте с верхней поверхностью схемы 102. Например, слой 301 осаждается непрерывным способом по существу по всей поверхности подложки 101. Например, слой 301 выполнен из полиимида или оксида кремния. Толщина слоя 301 устанавливает расстояние между верхней поверхностью схемы 102 и болометрической микроплатой 103 пикселя 200. Например, слой 301 имеет толщину между 1 и 5 мкм, например, порядка 2,5 мкм.
На фиг.3B дополнительно показано формирование электросоединительных столбиков 107a и 107b пикселя в отверстиях, вытравленных в жертвенном слое 301 при выравнивании по вертикали с контактными площадками 109a и 109b схемы 102. Столбики 107a и 107b продолжаются вертикально по существу по всей толщине слоя 301 от верхней поверхности контактных площадок 109a и 109b схемы 102, до верхней поверхности слоя 301.
На фиг.3B дополнительно показано формирование болометрической микроплаты 103 и удерживающих лапок 105a, 105b микроплаты на и в контакте с верхней поверхностью жертвенного слоя 301 и соединительных столбиков 107a и 107b. Этот этап содержит осаждение составляющих материалов болометрической микроплаты 103 и удерживающих лапок 105a, 105b и определение границ или индивидуализация микроплаты 103 и лапок 105a, 105b пикселя. Формирование болометрической микроплаты 103 и удерживающих лапок 105a, 105b в данном документе подробно не описывается, при этом формирование потенциально осуществляется способами, которые известны специалистам в данной области техники, например, способами типа, описанного в вышеупомянутых заявках на патенты Франции №2796148 и №2822541.
На фиг.3C показан этап осаждения на и в контакте с верхней поверхностью структуры, полученной в конце этапов фиг.3B, второго жертвенного слоя 303, предпочтительно того же типа, что и слой 301. Например, слой 303 осаждается непрерывным способом по существу по всей поверхности датчика. Нижняя поверхность слоя 303 находится в контакте с верхней поверхностью микроплат 103 и удерживающих лапок 105a, 105b пикселей, и с верхней поверхностью слоя 301 в областях, разделяющих, если смотреть сверху, микроплаты 103 и лапки 105a, 105b пикселей. Толщина слоя 303 устанавливает расстояние между верхней поверхностью микроплаты 103 и верхней частью герметизирующей крышки пикселя. Например, слой 303 имеет толщину между 1 и 2,5 мкм.
На фиг.3C дополнительно показано формирование электросоединительных столбиков 121a и 121b пикселя в отверстиях, вытравленных в жертвенных слоях 303 и 301 при выравнивании по вертикали с контактными площадками 119a и 119b схемы 102. Столбики 121a и 121b продолжаются вертикально по существу по всей толщине жертвенных слоев 303 и 301 от верхней поверхности контактных площадок 119a и 119b схемы 102 до верхней поверхности слоя 303. Например, соединительные столбики 121a, 121b имеют поверхностное поперечное сечение между 0,25 и 1,2 мкм.
На фиг.3C дополнительно показано формирование проводящего слоя 305, локализованного на верхней поверхности электросоединительных столбиков 121a и 121b. В частности, назначение слоя 305 состоит в том, чтобы предотвратить диффузию металла столбиков 121a, 121b, например, меди или вольфрама, в материал герметизирующей крышки пикселя. Слой 305 может дополнительно действовать как слой для прекращения травления во время последующего этапа установления контакта на столбиках 121a, 121b. Например, слой 305 выполнен из нитрида титана (TiN). Например, слой 305 имеет толщину между 20 и 80 нм.
На фиг.3D показан этап, который является более поздним, чем этапы, показанные на фиг.3C, во время которых вертикальная периферийная канавка, полностью окружающая, если смотреть сверху, сборку, содержащую болометрическую микроплату 103, удерживающие лапки 105a, 105b и электросоединительные столбики 107a, 107b, 121a, 121b, травится от верхней поверхности жертвенного слоя 303 до верхней поверхности схемы 102. Канавка 307 отделяет элементы 103, 105a, 105b, 107a, 107b, 121a, 121b пикселя от соответствующих элементов соседних пикселей. Канавка 307 предназначена для вмещения в нее боковых стенок герметизирующей крышки пикселя. В этом примере конкретная канавка 307 выполняется для каждого пикселя датчика, то есть два соседних пикселя разделены двумя отдельными канавками 307.
На фиг.3D дополнительно показан этап осаждения слоя 309, который является прозрачным для обнаруживаемого излучения по существу по всей верхней поверхности структуры, полученной после травления канавок 307, чтобы сформировать герметизирующие крышки 111 пикселей датчика. Например, слой 309 представляет собой слой аморфного кремния толщиной 0,5–1 мкм, например толщиной порядка 0,8 мкм. В частности, слой 309 осаждается на и в контакте с боковыми стенками и дном канавок 307, а также на и в контакте с верхней поверхностью жертвенного слоя 303 или барьерного слоя 305 вне канавок 307, чтобы надежно герметизировать, в каждом пикселе, сборку, содержащую микроплату 103, лапки 105a, 105b и столбики 107a, 107b, 121a, 121b пикселя.
На фиг.3E показан этап травления, в слое 309, канавок 311, полностью окружающих, если смотреть сверху, каждый из пикселей датчика, для того, чтобы индивидуализировать и электрически изолировать герметизирующие крышки 111 различных пикселей датчика. Действительно, в тех случаях, когда материал слоя 309 является проводящим, что может быть в случае аморфного кремния, если он легирован, предпочтительно электрически изолировать герметизирующие крышки 111 различных пикселей с тем, чтобы смещение, прикладываемое схемой 102 контроля и считывания для контроля и считывания пикселя посредством его соединительных столбиков 121a, 121b, не вызывало протекания паразитного тока в матрице герметизирующих крышек датчика. В проиллюстрированном примере канавки 311 расположены, если смотреть сверху, в промежутках, отделяющих канавки 307 от соседних пикселей датчика. Изолирующие канавки 311 продолжаются вертикально по всей толщине слоя 309, и заканчиваются на верхней поверхности жертвенного слоя 303.
На фиг.3E дополнительно показан этап травления, в каждом пикселе, по меньшей мере одного отверстия 313 в слое 309 внутри зоны, ограниченной (если смотреть сверху) канавкой 307, то есть в верхней части герметизирующей крышки 111 пикселя, например, обращенного к центральной части микроплаты 103 пикселя. Отверстие 313 предусмотрено для того, чтобы сделать возможным выполнение последующего этапа удаления жертвенных слоев 301 и 303 внутри крышки 111. Отверстие 313 продолжается вертикально по всей толщине слоя 309 и заканчивается на верхней поверхности жертвенного слоя 303. Ширина отверстия 313, если смотреть сверху, например, находится между 0,1 и 1 мкм.
На фиг.3E дополнительно показан этап травления отверстий 315 в слое 309, расположенном напротив электросоединительных столбиков 121a, 121b, чтобы освободить доступ к верхней поверхности барьерного слоя 305.
Отверстия 311, 313 и 315, например, выполняются одновременно во время одного и того же этапа травления.
На фиг.3F показан следующий этап удаления жертвенных слоев 303 и 301, например, с помощью анизотропного химического травления, чтобы освободить микроплату 103 и удерживающие лапки 105a, 105b пикселя.
2
На фиг.3F дополнительно показан этап, после удаления жертвенных слоев 303 и 301, осаждения термочувствительного слоя 115 на и в контакте с верхней поверхностью герметизирующей крышки 111 напротив болометрической микроплаты 103 пикселя. Например, термочувствительный слой 115 осаждается по всей верхней поверхности структуры, затем подвергается травлению напротив отверстий 311, чтобы электрически изолировать участки слоя 115, осажденного на различных пикселях датчика. В зависимости от типа термочувствительного материала предпочтительно можно выполнить отжиг слоя 115 для того, чтобы получить желаемую кристаллическую фазу и температуру фазового перехода материала. Например, в случае термочувствительного слоя, выполненного из диоксида ванадия (VO), осаждение может быть выполнено при комнатной температуре путем распыления ванадиевой мишени в атмосфере, содержащей кислород. Это приводит к образованию слоя аморфного диоксида ванадия. Затем может быть выполнен отжиг при температуре порядка 350–400°C для того, чтобы кристаллизовать слой оксида ванадия и получить требуемые термочувствительные свойства. Термочувствительный слой имеет толщину от 20 до 100 нм, например от 20 до 60 нм.
В отверстиях 315 термочувствительный слой 115 входит в контакт с верхней поверхностью проводящего слоя 305, чтобы электрически соединить термочувствительный слой 115 с соединительными столбиками 121a и 121b. В проиллюстрированном примере термочувствительный материал слоя 115 дополнительно закрывает отверстие 313, предусмотренное для удаления жертвенных слоев 303 и 301, для того, чтобы обеспечить герметичное закрытие герметизирующей полости 113 пикселя. Осаждение термочувствительного слоя 115 осуществляется, например, в вакууме или под давлением ниже атмосферного для того, чтобы создать вакуум или низкое давление в герметизирующей полости пикселя. Следует отметить, что посредством германия можно преимущественно обеспечить двойное назначение термочувствительного слоя и герметично закрывающего материала отверстия 313. В качестве варианта, если термочувствительный материал не приспособлен для герметичного закрытия отверстия 313, перед осаждением термочувствительного слоя 115 может быть выполнен промежуточный этап осаждения материала, приспособленного для закрытия отверстия 313, например, германием или металлом, таким как алюминий. В тех случаях, когда промежуточный слой закупоривания отверстия 113 является недостаточно прозрачным для обнаруживаемого излучения, его можно наносить локализованным способом исключительно напротив отверстия 113 или подвергать травлению после его осаждения, чтобы удерживать его исключительно напротив отверстия 113.
В конце этапа, показанного на фиг.3F, получается пиксель 200 типа, описанного со ссылкой на фиг.2.
На фиг.4 показан вариант способа, описанного со ссылкой на фиг.3A, 3B, 3C, 3D, 3E и 3F. На фиг.4 показан вид в разрезе пикселя, полученного в конце способа, соответствующего виду в разрезе, показанного на фиг.3F.
Другой вариант осуществления, показанный на фиг.4, отличается от способа, описанного выше, главным образом способом изолирования герметизирующих крышек 111 различных пикселей датчика.
Способ, показанный на фиг.4, содержит такие же начальные этапы, как и способ, описанный выше, вплоть до и включая в себя этапы, показанные на фиг.3C.
В варианте, показанном на фиг.4, канавки 307 для вертикального разграничения, предназначенные для разграничения пикселей, вытравливаются в жертвенных слоях 303 и 301 от верхней поверхности структуры. Эти канавки аналогичны канавкам, описанным со ссылкой на фиг.3D, за исключением того, что в варианте, показанном на фиг.4, два соседних пикселя датчика разделены одной канавкой 307. Другими словами, в отличие от примера, показанного на фиг.3D, в котором кольцевая канавка 307, характерная для каждого пикселя датчика, формируется таким образом, чтобы канавки 307 отдельных пикселей располагались по отдельности, в примере, показанном на фиг.4, канавки 307 имеют, если смотреть сверху, форму непрерывной сетки, продолжающейся по существу по всей поверхности датчика и разграничивающей различные пиксели датчика.
Следующие этапы способа, показанного на фиг.4, аналогичны этапам, которые были описаны со ссылкой на фиг.3D и 3E, за исключением того, что вместо канавки 311, показанной на фиг.3E, кольцевая канавка 411 травится в слое 309 для каждого пикселя, причем упомянутая кольцевая канавка 411 полностью окружает, если смотреть сверху, сборку, содержащую болометрическую микроплату 103, удерживающие лапки 105a, 105b и электросоединительные столбики 107a, 107b, 121a, 121b пикселя, при этом канавка 411 располагается, если смотреть сверху, в зоне, разделенной разграничительной канавкой 307 для разграничения пикселя. Кольцевая канавка 411 продолжается вертикально по всей толщине герметизирующего слоя 309 и заканчивается на верхней поверхности жертвенного слоя 303. Затем канавка 411 заполняется электроизоляционным материалом, например, нитридом кремния (SiN) или нитридом алюминия (AlN), для того, чтобы получить изолирующую рамку или кольцо 413, полностью окружающее верхнюю центральную часть герметизирующей крышки 111 пикселя, что предотвращает протекание паразитных токов между герметизирующими крышками различных пикселей датчика.
Следующие этапы идентичны или аналогичны этапам, которые были описаны со ссылкой на фиг.3E и 3F, при этом термочувствительный слой 115 каждого пикселя вставлен, если смотреть сверху, внутри изолирующей рамки или кольца 413 пикселя.
Преимущество другого варианта осуществления, описанного со ссылкой на фиг.4, состоит в том, что он позволяет, за счет дополнительного этапа формирования изолирующей рамки 413 в отверстии 411, уменьшить площадь поверхности, используемой для электрической изоляции герметизирующей крышки 111 и термочувствительных слоев 115 различных пикселей датчика.
На фиг.5A, 5B, 5C, 5D показаны виды в разрезе, иллюстрирующие этапы примера способа изготовления датчика излучения типа, описанного со ссылкой на фиг.1A и 1B, то есть содержащего нагревательный резистор, расположенный отдельно от термочувствительного слоя для управления переходами в закрытом состоянии или в открытом состоянии термочувствительного слоя. Более конкретно, фиг.5A, 5B, 5Cи 5D относятся к случаям, когда нагревательный резистор представляет собой проводящую металлическую полоску, окружающую, если смотреть сверху, без маскирования, болометрическую микроплату 103 пикселя.
Способ, показанный на фиг.5A, 5B, 5C, 5D, содержит, в общем, такие же элементы, как и способ, описанный со ссылкой на фиг.3A, 3B, 3C, 3D, 3E и 3F и/или со ссылкой на фиг.4. Далее будут подробно описаны только отличия от способов фиг.3A, 3B, 3C, 3D, 3E, 3F и 4.
Способ, показанный на фиг.5A, 5B, 5Cи 5D, содержит те же начальные этапы, что и способ, описанный выше, вплоть до этапов, показанных на фиг.3C.
На фиг.5A показан этап осаждения первого электроизолирующего слоя 501, например, выполненного из нитрида кремния (SiN) или выполненного из нитрида алюминия (AlN), на верхнюю поверхность структуры, полученной в конце этапов фиг.3C. Затем травятся отверстия в слое 501 при выравнивании по вертикали с электросоединительными столбиками 121a, 121b, чтобы освободить доступ к верхней поверхности барьерного слоя 305. На этом этапе травления слой 501 удерживается на внешнем краю и на боковых сторонах участков слоя 305, осажденного на электросоединительные столбики 121a, 121b. Слой 501 дополнительно удерживается по всей поверхности структуры, предназначенной для приема нагревательного резистора 117, так что в конце способа нагревательный резистор 117 полностью заключен в электроизолирующую оболочку, за исключением его зон для электрического подсоединения к слою 305. Слой 501 может быть удален из остальной части поверхности структуры, и, в частности, напротив болометрической микроплаты 103 пикселя.
На фиг.5B показан следующий этап осаждения проводящего слоя 503 на верхнюю поверхность структуры, полученной в конце этапов, показанных на фиг.5A, для того, чтобы сформировать нагревательный резистор 117 пикселя. Слой 503 представляет собой, например, слой алюминия, титана или нитрида титана. Слой 503 имеет, например, толщину между 10 и 100 нм, например, толщину порядка 20 нм. Например, слой 503 осаждается по всей верхней поверхности структуры, затем травится для того, чтобы удерживать только проводящую полоску 117, расположенную на верхней поверхности изолирующего слоя 501, контактирующую с ним, окружающую, если смотреть сверху, сборку, содержащую болометрическую микроплату 103 и соединительные лапки 105a, 105b пикселя, и электрически соединенную с соединительными столбиками 121a, 121b пикселя посредством барьерного слоя 305. Ширина, если смотреть сверху, проводящей полоски 117, например, находится между 0,5 и 2 мкм, например, составляет порядка 1 мкм. Например, если смотреть сверху, проводящая полоска 117 имеет, в общем, форму рамки или квадратного кольца со сторонами, равными приблизительно 25 мкм.
На фиг.5C показан этап осаждения второго электроизолирующего слоя 505, например, такого же как и изолирующий слой 501, на верхнюю поверхность структуры, полученной в конце этапов, показанных на фиг.5B. Слой 505 расположен таким образом, чтобы покрывать верхнюю поверхность и боковые стороны проводящей полоски, образующей нагревательный резистор 117, чтобы сформировать вместе со слоем 501 изолирующую герметизирующую оболочку вокруг резистора 117. Например, слой 505 сначала осаждается по всей верхней поверхности структуры, затем травится таким образом, чтобы удерживаться только напротив нагревательного резистора 117. В частности, слой 505 может быть удален напротив болометрической микроплаты 103 пикселя.
В одном варианте изолирующий слой 501 не травится на этапе, показанном на фиг.5A, за исключением зон, расположенных напротив электросоединительных столбиков 121a, 121b. Затем слои 501 и 505 травятся одновременно на одном и том же этапе после формирования проводящей полоски 117 и осаждения слоя 505.
Следующие этапы способа по существу идентичны этапам, которые были описаны выше со ссылкой на фиг.3D, 3E и 3F и/или со ссылкой на фиг.4. Однако следует отметить, из–за электрической изоляции нагревательного резистора 117 с помощью диэлектрических слоев 501, 505, этапы электрической изоляции герметизирующих крышек различных пикселей являются необязательными.
На фиг.5D показан пиксель, полученный в конце способа.
Преимущество датчиков излучения типа, описанного со ссылкой на фиг.1A, 1B, 2, 3A–3F, 4 и 5А–5D, состоит в том, что каждый пиксель датчика может быть по отдельности защищен от засветки, в зависимости от измеренного значения повышения температуры его болометрической микроплаты, без необходимости одновременного закрытия всех пикселей датчика для обеспечения защиты.
Кроме того, в открытом состоянии вся поверхность затвора напротив болометрической микроплаты является прозрачной для обнаруживаемого излучения, так что затвор не ослабляет или почти не ослабляет падающее излучение.
Выше были подробно описаны примерные варианты осуществления, в которых каждый пиксель содержит болометрическую микроплату 103, расположенную в полости, характерной для пикселя, герметично закрытой крышкой 111, характерной для пикселя. Однако специалисты в данной области техники смогут представить варианты, в которых множество болометрических микроплат, принадлежащих к отдельным пикселям, расположено в одной и той же полости, закрытой герметизирующей крышкой, общей для множества пикселей.
Кроме того, примерные варианты осуществления были описаны со ссылкой на фиг.1A, 1B и 5А–5D, в которых нагревательный резистор 117 расположен под верхней поверхностью герметизирующей крышки 111 пикселя, чтобы управлять открытием и закрытием оптического затвора. В качестве варианта, нагревательный резистор 117 может быть расположен над верхней поверхностью герметизирующей крышки 111 пикселя, например, на верхней поверхности термочувствительного слоя 115 или между герметизирующей крышкой 111 и термочувствительным слоем 115.
Кроме того, выше были описаны примерные варианты осуществления, в которых термочувствительный слой 115 оптического затвора расположен на и в контакте с верхней поверхностью или внешней поверхностью герметизирующей крышки 111 пикселя. В качестве варианта, термочувствительный слой 115 может быть расположен внутри полости 113 в контакте с нижней поверхностью верхней части крышки 111.
Кроме того, датчики, описанные со ссылкой на фиг.1A, 1B, 2, 3A–3F, 4 и 5А–5D, могут содержать дополнительные элементы, не описанные подробно. В частности, на верхней поверхности пикселей может быть выполнен антиотражающий слой, например, слой сульфида цинка (ZnS). Более того, слой, который является отражающим для обнаруживаемого электромагнитного излучения, может быть выполнен под болометрической микроплатой 103 и находится на и в контакте с верхней поверхностью и схемой 102 контроля и считывания для контроля и считывания пикселя, чтобы определить полость, которая является резонансной для обнаруживаемого излучения между болометрический микроплатой 103 и верхней поверхностью схемы 102.
Более того, примерные варианты осуществления были описаны со ссылкой на фиг.1A, 1B, 2, 3A–3F, 4 и 5А–5D, в которых каждый пиксель датчика содержит подвешенную микроплату 103, содержащую микроболометр. В качестве варианта, микроболометр может быть заменен другим типом преобразовательного элемента для преобразования падающего электромагнитного излучения в электрический сигнал, например, детектором инфракрасного излучения или детектором на основе преобразования падающего излучения в тепловую энергию, например, термистором, пироэлектрическим детектором или детектором на основе полевых транзисторов или на основе p–n–диодов.
Второй вариант осуществления – пассивная защита, выполненная на микроплате
На фиг.6 показан упрощенный вид в разрезе примера пикселя 600 датчика излучения согласно второму варианту осуществления. Пиксель 600, показанный на фиг.6, содержит элементы, общие с пикселями, описанными выше. Далее будут подробно описаны только различия в отношении примеров первого варианта осуществления.
Как и в примерах, описанных выше, пиксель 600 на фиг.6 сформирован в и на полупроводниковой подложке 101, например, выполнен из кремния, и содержит электронную схему 102 считывания и контроля, сформированную в и на подложке 101. Кроме того, как и в приведенных выше примерах, пиксель 600 содержит микроплату 103, подвешенную над схемой 102 на теплоизоляционных лапках, две лапки 105a и 105b в проиллюстрированном примере и вертикальные проводящие столбики 107a, 107b, подсоединенные к контактным площадкам 109a, 109b схемы 102. Пиксель 600 может дополнительно содержать, как и в приведенных выше примерах, крышку 111, которая является прозрачной для обнаруживаемого излучения, лежит на верхней поверхности схемы 102 контроля и разграничивает, вместе с верхней поверхностью схемы 102 контроля, полость или герметичный корпус 113, в котором расположена подвешенная микроплата 103. Полость 113 может находиться под вакуумом или под давлением ниже, чем атмосферное давление, чтобы усилить теплоизоляцию микроплаты 103.
В отличие от примеров первого варианта осуществления, пиксель 600, показанный на фиг.6, не содержит активный оптический затвор и, в частности, не содержит термочувствительный слой, покрывающий поверхность прозрачной крышки 111 напротив микроплаты 103, и соединен со схемой 102 считывания и контроля пикселя. Более конкретно, в примере, показанном на фиг.6, пиксель 600 не содержит соединительные столбики 121a, 121b, контактные площадки 119a, 119b, нагревательный резистор 117 и термочувствительный слой 115 согласно примерам первого варианта осуществления.
Микроплата 103 пикселя 600 содержит преобразовательный элемент для преобразования падающего электромагнитного излучения в тепловую энергию. В проиллюстрированном примере микроплата 103 является болометрический микроплатой, то есть она содержит поглотитель 601, например, в виде проводящего слоя, выполненного с возможностью преобразования падающего электромагнитного излучения в тепловую энергию, и термистор 603, с помощью которого можно измерять температуру поглотителя. Например, поглотитель 601 принимает форму слоя, продолжающегося по существу по всей поверхности микроплаты. Например, поглотитель выполнен из нитрида титана (TiN). Термистор 603 выполнен из материала, называемого в дальнейшем материалом термометра, удельное электрическое сопротивление которого варьируется значительно в зависимости от температуры, например, от аморфного кремния или оксида ванадия. Например, термистор 603 принимает форму слоя, покрывающего по существу всю поверхность микроплаты 103. Два конца термистора электрически соединены со схемой контроля для контроля пикселя посредством электрических соединений, подробно не показанных на фиг.6, и проходящих через лапки 105a, 105b и подвесные столбики 107a, 107b для подвешивания микроплаты.
Согласно аспекту варианта осуществления, показанному на фиг.6, микроплата 103 пикселя 600 содержит пассивный оптический затвор, содержащий слой 605, выполненный из термочувствительного материала, покрывающего преобразовательный элемент для преобразования падающего излучения в тепловую энергию пикселя, а именно, в этом примере поглотитель 601. Под пассивным затвором здесь понимается затвор, который электрически не управляется схемой 102 считывания и контроля пикселя. В варианте осуществления, показанном на фиг.6, термочувствительный слой 605 термически связан с преобразовательным элементом для преобразования падающего излучения в тепловую энергию, а именно в тепло, выделяемое преобразовательным элементом, которое, когда оно становится слишком высоким, непосредственно вызывает изменение оптических свойств термочувствительного слоя для уменьшения коэффициента пропускания падающего излучения. В этом примере термочувствительный слой 605 расположен между поглотителем 601 и термистором 603. Термочувствительный слой 605 выбирается таким образом, чтобы иметь коэффициент отражения, который увеличивается в зависимости от температуры. Более конкретно, термочувствительный слой 605 выбирается таким образом, чтобы был по существу прозрачным для обнаруживаемого излучения ниже температуры фазового перехода, и таким образом, чтобы иметь коэффициент отражения для обнаруживаемого излучения, которое является относительно высоким, превышая его температуру фазового перехода. Температура фазового перехода термочувствительного слоя предпочтительно выше, чем максимальная температура, которую может достичь микроплата 103 во время нормальной работы, и ниже, чем максимальная температура, которую микроплата 103 может выдержать до повреждения пикселя. Например, температура фазового перехода термочувствительного слоя находится между 60 и 180°C, и изменение коэффициента отражения или пропускания термочувствительного слоя около температуры фазового перехода предпочтительно является относительно крутым, например, более 2,5% на градус для длины волны 10 мкм. В случае засветки пикселя затвор автоматически закрывается в результате повышения температуры микроплаты. Таким образом, часть падающего электромагнитного излучения отражается от слоя 605 и, таким образом, больше не поглощается преобразовательным элементом пикселя. Это позволяет избежать или ограничить повреждение болометрической микроплаты пикселя. Когда температура слоя 605 опускается ниже его температуры фазового перехода, затвор вновь открывается.
2
3
5
3
5
2
3
3
3
x
1–x
3
x
1–x
3
2
3+
3+
4+
Материал термочувствительного слоя 605 представляет собой, например, материал с фазовым переходом, например, кристаллизированный оксид металла, который имеет изолирующую фазу, которая является прозрачной для обнаруживаемого излучения ниже его температуры фазового перехода, и металлическую фазу, которая является отражающей для обнаруживаемого излучения выше его температуры фазового перехода. Термочувствительный материал представляет собой, например, кристаллизированный оксид ванадия (VO), имеющий температуру фазового перехода порядка 68°C. В качестве варианта, термочувствительным материалом является диоксид ванадия, кристаллизированный и легированный катионами низкой валентности, например, Al, Cr или Ti, с тем чтобы увеличить его температуру фазового перехода. В более общем смысле, в соответствии с желаемой температурой фазового перехода можно использовать другие оксиды ванадия, например, VO. В качестве варианта, материалом термочувствительного слоя 605 является TiO, TiO или SmNiO. В качестве варианта, термочувствительный материал слоя 605 представляет собой редкоземельный никелат с общим составом RNiO, где R обозначает редкоземельный элемент или двухкомпонентный сплав редкоземельных элементов, например, соединение типа SmNdNiO или EuSmNiO. В качестве варианта, материал термочувствительного слоя 605 является AgS или FeS.
На фиг.7A, 7B, 7C, 7D, 7E и 7F показаны виды в разрезе, иллюстрирующие этапы примера способа изготовления датчика излучения типа, описанного со ссылкой на фиг.6. На фиг.7A, 7B, 7C, 7D, 7E и 7Fпоказана более конкретно реализация одного пикселя 600 датчика, при этом следует понимать, что на практике множество идентичных или аналогичных пикселей можно сформировать одновременно в и на одной и той же полупроводниковой подложке 101.
На фиг.7A показан этап изготовления схемы 102 контроля и считывания, предназначенной для контроля и считывания пикселя 600 в и на подложке 101, например, с использованием технологии CMOS. На фиг.7А показаны только электроконтактные площадки 109a и 109b схемы 102, которые находятся на одном уровне с верхней стороной схемы.
На фиг.7A дополнительно показан дополнительный этап формирования, на верхней поверхности схемы 102, отражающего слоя 701, например, слоя алюминия, серебра или меди. Этот отражатель, который при необходимости может быть также предусмотрен в примерах, показанных на фиг.1A, 1B, 2, 3A–3F, 4 и 5А–5D, позволяет ограничить полость, которая является резонансной для обнаруживаемого излучения, между микроплатой 103 и верхней поверхностью схемы 102 для того, чтобы увеличить поглощение падающего излучения с помощью микроплаты 103. Например, слой 701 сначала осаждается по всей поверхности датчика и затем травится с возможностью удержания только напротив будущей микроплаты 103 пикселя.
На фиг.7A дополнительно показан этап осаждения жертвенного слоя 301 на и в контакте с верхней поверхностью схемы 102 и, при необходимости, отражателя 701. Например, слой 301 осаждается непрерывным способом по существу по всей поверхности датчика. Например, слой 301 выполнен из полиимида или оксида кремния. Толщина слоя 301 устанавливает расстояние между верхней поверхностью схемы 102 и/или отражателем 701 и болометрической микроплатой 103 пикселя. Например, слой 301 имеет толщину между 1 и 5 мкм, например, порядка 2,5 мкм.
На фиг.7A дополнительно показано формирование электросоединительных столбиков 107a и 107b пикселя в отверстиях, вытравленных в жертвенном слое 301 при выравнивании по вертикали с контактными площадками 109a и 109b схемы 102. Столбики 107a и 107b продолжаются вертикально по существу по всей толщине слоя 301 от верхней поверхности контактных площадок 109a и 109b схемы 102 до верхней поверхности слоя 301.
На фиг.7A дополнительно показан этап, следующий за этапами формирования столбиков 107a и 107b, осаждения, на верхнюю поверхность жертвенного слоя 301, первого электроизолирующего слоя 703, например, выполненного из нитрида кремния (SiN), нитрида алюминия (AlN) или карбида кремния (SiC), который выступает в качестве опоры для конструкции микроплаты 103 и теплоизоляционных лапок 105a, 105b пикселя. Например, слой 303 осаждается непрерывным способом по существу по всей поверхности датчика и затем локально травится при выравнивании по вертикали со столбиками 107a и 107b для того, чтобы сформировать отверстия 704a, 704b напротив центральной части верхней поверхности столбиков 107a, 107b, соответственно, что делает возможным установление электрического контакта на верхней поверхности столбиков.
На фиг.7B показан следующий этап осаждения, на верхнюю поверхность изолирующего слоя 703 и на верхнюю поверхность столбиков 107a, 107b, очищенных в отверстиях 704a, 704b, слоя 601, выполненного из материала, который поглощает обнаруживаемое излучение, чтобы сформировать поглотитель микроболометра пикселя. Например, слой 601 осаждается непрерывным способом по существу по всей поверхности датчика. В частности, в проиллюстрированном примере слой 601 находится в контакте с верхней поверхностью изолирующего слоя 703 и с частью верхней поверхности электросоединительных столбиков 107a, 107b.
На фиг.7B дополнительно показан этап травления канавки 705 в слое 601, нацеленный на разделение поглотителя на два отдельных участка 601–a и 601–b в будущей болометрической микроплате 103 пикселя. Действительно, в этом примере поглотитель 601 выполнен из проводящего материала, например, из нитрида титана, и используется не только для своей функции поглотителя, но также и в качестве электрического проводника для электрического подсоединения концов термистора пикселя к схеме 102 посредством электросоединительных столбиков 107a, 107b. Таким образом, целесообразно разделить поглотитель на два отдельных участка или электроды, один из которых (участок 601–a) подсоединен к столбику 107a и к первому концу термистора пикселя, и другой (участок 601–b) подсоединен к столбику 107b и ко второму концу термистора пикселя. Канавка 705 продолжается вертикально от верхней поверхности до нижней поверхности слоя 601 и заканчивается на верхней поверхности изолирующего слоя 703. Если смотреть сверху, канавка 705 продолжается, например, по всей ширине будущей болометрической микроплаты 103 в центральной части микроплаты.
На фиг.7B дополнительно показан этап осаждения, на верхнюю поверхность структуры, полученной после формирования канавки 705, второго электроизолирующего слоя 707, например, с такими же свойствами, как и слой 703, покрывающий верхнюю поверхность слоя 601, а также на боковые стенки и дно канавок 705. Например, слой 707 осаждается непрерывным способом по существу по всей поверхности датчика.
2
На фиг.7C показан этап осаждения термочувствительного слоя 605 на и в контакте с верхней поверхностью изолирующего слоя 707. Например, термочувствительный слой 605 осаждается непрерывным способом по всей поверхности датчика и затем травится для того, чтобы удерживаться только на микроплате 103 каждого пикселя. В каждом пикселе два локальных отверстия 709a и 709b дополнительно травятся в термочувствительном слое 605, соответственно, напротив участка 601–a и напротив участка 601–b поглотителя 601, с последующим этапом с целью установления электрического контакта на участках 601–a и 601–b поглотителя для того, чтобы подключить термистор пикселя к схеме 102 считывания. Например, отверстия 709a и 709b расположены, соответственно, около двух противоположных краев микроплаты. В проиллюстрированном примере отверстия 709a и 709b продолжаются по всей толщине термочувствительного слоя 605 и заканчиваются на верхней поверхности изолирующего слоя 707. В зависимости от типа используемого термочувствительного материала, отжиг слоя 605 может быть потенциально выполнен для того, чтобы получить желаемую кристаллическую фазу и температуру фазового перехода материала. Например, в случае термочувствительного слоя, выполненного из диоксида ванадия (VO), осаждение может быть выполнено при комнатной температуре путем распыления ванадиевой мишени в атмосфере, содержащей кислород, затем отжиг при температуре порядка 350–400°C может быть выполнен для того, чтобы кристаллизовать слой оксида ванадия и получить требуемые термочувствительные свойства. Травление термочувствительного слоя 605 может быть выполнено перед или после отжига. Например, термочувствительный слой имеет толщину между 20 и 100 нм, например между 20 и 60 нм.
На фиг.7C дополнительно показан этап, следующий за травлением и отжигом термочувствительного слоя 605, осаждения третьего электроизолирующего слоя 711, например, с такими же свойствами, как и слой 703 и/или слой 707, на верхнюю поверхность структуры. Например, слой 711 осаждается непрерывным способом по существу по всей поверхности датчика. В проиллюстрированном примере изолирующий слой 711 продолжается на и в контакте с верхней поверхностью и с боковыми поверхностями термочувствительного слоя 605 и на и в контакте с верхней поверхностью изолирующего слоя 707. Изолирующий слой 711 дополнительно продолжается на и в контакте с боковыми стенками и нижней частью отверстий 709a, 709b, сформированных в термочувствительном слое.
На фиг.7D показан следующий этап локального травления изолирующих слоев 711 и 707 в нижней части отверстий 709a, 709b для того, чтобы получить доступ к верхней поверхности участков 601–a, 601–b поглотителя 601.
На фиг.7E показан этап осаждения слоя 603 материала термометра, например, аморфного кремния или оксида ванадия, на верхнюю поверхность структуры, полученной в конце этапа, показанного на фиг.7D, для того, чтобы выполнить термистор пикселя. Например, слой 603 осаждается непрерывным способом по существу по всей поверхности датчика и затем травится для того, чтобы удерживаться только на микроплате 103 пикселя. В частности, слой 603 осаждается в отверстиях 709a, 709b таким образом, чтобы термистор 603 был соединен на одной стороне (на первом конце) с контактной площадкой 109a схемы 102 посредством участка 601–a поглотителя 601 и соединительного столбика 107a и на другой стороне (на втором конце) с контактной площадкой 109b схемы 102 посредством участка 601–b поглотителя 601 и соединительного столбика 107b.
На фиг.7E дополнительно показан этап осаждения на верхнюю поверхность структуры четвертого электроизолирующего слоя 713, который имеет, например, такие же свойства, как и слои 703, 707 и/или 711. Например, слой 713 осаждается непрерывным способом по существу по всей поверхности датчика и, в частности, на и в контакте с верхней поверхностью и боковыми сторонами термистора 603.
На фиг.7F показан следующий этап травления стопки, образованной слоями 703, 601, 707, 711 и 713, чтобы разграничить или индивидуализировать микроплату 103 и лапки 105a, 105b пикселя. На этом этапе стопка 703–601–707–711–713, например, удаляется повсюду, за исключением микроплат 103 и лапки 105a, 105b пикселей датчика.
Затем способ может продолжаться классическим способом либо непосредственно путем удаления жертвенного слоя 301, чтобы освободить микроплату 103 и лапки 105a, 105b пикселя, либо, если требуется формирование герметизирующей крышки, путем осаждения второго жертвенного слоя и затем формирования герметизирующей крышки в соответствии со способами наподобие тех, которые описаны со ссылкой на фиг.3C–3F.
В примере, описанном со ссылкой на фиг.7А–7F, когда рекристаллизационный отжиг слоя 605 выполняется для того, чтобы получить желаемые термочувствительные свойства, этот отжиг выполняется перед осаждением слоя термометра 603. Таким образом, свойства термометра слоя 603 не ухудшаются при отжиге. В частности, в тех случаях, когда термочувствительный слой 605 и слой 603 термометра выполнены из оксида ванадия, это позволяет получить, в одной и той же структуре, кристаллический диоксид ванадия в термочувствительном слое 605, и оксид ванадия, проявляющий различные кристаллические свойства, оптимизированные для его свойств термометра, в слое 603 термометра.
В качестве варианта, в случаях, когда материал термометра может выдержать рекристаллизационный отжиг термочувствительного материала без значительного повреждения, что имеет место, например, с аморфным кремнием (в случае термочувствительного слоя, выполненного из диоксида ванадия), термочувствительный слой 605 может быть сформирован поверх слоя 603 термометра.
Кроме того, можно предусмотреть осаждение термочувствительного материала над материалом термометра и затем перекристаллизовать термочувствительный материал путем быстрого термического отжига типа RTA, например, с помощью лампы или лазера, облучающего верхнюю поверхность сборки, чтобы ограничить увеличение температуры слоя термометра во время отжига. В этом случае между слоем термометра и термочувствительным слоем можно дополнительно предусмотреть буферный слой для того, чтобы ограничить увеличение температуры слоя термометра во время отжига.
В другом варианте осуществления термочувствительный слой 605 может располагаться на стороне нижней поверхности поглотителя 601, то есть на стороне поглотителя напротив поверхности освещения пикселя. Посредством этой конфигурации, хотя и менее предпочтительной, можно также ограничить поглощение падающего электромагнитного излучения во время закрытия затвора, поскольку затвор ограничивает таким образом поглощение потока, отражаемого слоем 701.
Кроме того, следует отметить, что в случаях, когда термочувствительным материалом является кристаллический оксид металла, имеющий изолирующую фазу и металлическую фазу, переход между двумя фазами может сопровождаться значительным изменением плотности слоя 605. Это может вызвать механические напряжения, способные нарушить работоспособность микроплаты. Для того чтобы ограничить эти напряжения, могут быть предусмотрены адаптированные структуры термочувствительного слоя 605. Например, в каждом пикселе датчика термочувствительный слой 605 пикселя может представлять собой прерывистый слой, состоящий из множества отдельных областей, разделенных относительно узкими канавками, например, не занимающих более 20% площади поверхности микроплаты.
Предпочтительно, чтобы обеспечить тепловое соединение между поглотителем 601 и термочувствительным слоем 605, расстояние между поглотителем 601 и термочувствительным слоем 605 должно быть относительно маленьким, например, меньше 20 нм. Например, изолирующий слой 707, взаимодействующий между поглотителем 601 и термочувствительным слоем 605 (изолирующий слой 707 имеет свою нижнюю поверхность, соприкасающуюся с верхней поверхностью поглотителя 601, и свою верхнюю поверхность, соприкасающуюся с нижней поверхностью термочувствительного слоя 605), имеет толщину между 1 и 20 нм, например, порядка 10 нм.
На фиг.7bis показан вид в разрезе, иллюстрирующий другой вариант осуществления датчика излучения, описанного со ссылкой на фиг.7А–7F, в котором поглотитель 601 находится в контакте с термочувствительным слоем 605, чтобы максимизировать тепловую связь между поглотителем 601 и термочувствительным слоем 605.
Датчик излучения, показанный на фиг.7bis, и способ его изготовления содержат такие же элементы, как и датчик излучения и способом изготовления, которые описаны со ссылкой на фиг.7А–7F. Ниже будут подробно описаны только различия между этими двумя примерными вариантами осуществления.
Изготовление датчика, показанного на фиг.7bis, является идентичным или аналогичным изготовлению датчика, показанного на фиг.7А–7F, вплоть до осаждения проводящего поглощающего слоя 601.
Как и в примере, показанном на фиг.7А–7F, затем в слое 601 травится канавка 705 для того, чтобы разделить поглотитель 601 на два отдельных участка 601–a и 601–b. Однако в отличие от примера, показанного на фиг.7А–7F, где, если смотреть сверху, участки 601–a и 601–b поглотителя являются симметричными относительно канавки 705, в примере, показанном на фиг.7bis, участки 601–a и 601–b поглотителя являются асимметричными относительно канавки 705. Более конкретно, в этом примере, если смотреть сверху, площадь поверхности участка 601–a поглотителя больше, например, по меньшей мере в три раза больше, чем площадь поверхности участка 601–b поглотителя.
Как и в примере, показанном на фиг.7А–7F, электроизолирующий слой 707 осаждается на верхнюю поверхность структуры, полученной после формирования канавки 705, то есть на верхнюю поверхность слоя 601, а также на боковые стенки и на дно канавки 705. В примере, показанном на фиг.7bis, слой 707 затем удаляется локально, чтобы открыть всю или часть верхней поверхности участка 601–a поглотителя и/или всю или часть верхней поверхности участка 601–b поглотителя. В этом примере слой 707 сохраняется только в канавке 705 и, возможно, на части верхней поверхности 601–a участка и/или участка 601–b поглотителя в непосредственной близости от канавки 705.
Затем термочувствительный слой 605 осаждается способом, идентичным или аналогичным тому, который был описан выше, с той разницей, что в примере, показанном на фиг.7bis, термочувствительный слой 605 входит в контакт с верхней поверхностью участков 601–a и 601–b поглотителя.
Кроме того, в примере, показанном на фиг.7bis, во избежание короткого замыкания термочувствительного слоя 605 с участками 601–a и 601–b поглотителя, сформирована сквозная канавка 706, заканчивающаяся на верхней поверхности изолирующего слоя 707, в термочувствительном слое 605, выровненном по вертикали с канавкой 705 для того, чтобы разделить термочувствительный слой 605 на две отдельных части 605–a и 605–b, соприкасающиеся, соответственно, с участком 601–a поглотителя и с участком 601–b поглотителя. Например, канавка 706 формируется одновременно с отверстиями для установления контакта 709a и 709b (фиг.7C).
Затем способ может быть продолжен способом, идентичным или аналогичным тому, который был описан со ссылкой на фиг.7А–7F.
В более общем случае возможны другие способы изготовления, с помощью которых можно обеспечить контакт термочувствительного слоя 605 со всей или частью верхней поверхности поглотителя 601. Например, термочувствительный слой может контактировать только с одним из этих двух участков 601–a и 601–b поглотителя, предпочтительно с самым большим из этих двух участков (участком 601–a в примере, показанном на фиг.7bis), чтобы поддерживать тепловую связь, и чтобы он был электрически изолирован от другого участка поглотителя слоем 707. Таким образом, разделительную канавку 706 можно исключить из примера, показанного на фиг.7bis.
Преимущество датчиков излучения типа, описанного со ссылкой на фиг.6, 7А–7F и 7bis, состоит в том, что каждый пиксель датчика по отдельности защищен от засветки.
Кроме того, в открытом состоянии вся поверхность затвора напротив преобразовательного элемента для преобразования падающего излучения в тепловую энергию является прозрачной для обнаруживаемого излучения, так что затвор не ослабляет или почти не ослабляет падающее излучение.
Дополнительное преимущество варианта осуществления, описанного со ссылкой на фиг.6, 7А–7F и 7bis, состоит в том, что полученная защита от засветки является пассивной защитой, которая действует даже при отсутствии электропитания датчика.
Выше были подробно описаны примерные варианты осуществления, в которых каждый пиксель содержит подвешенную микроплату 103, которая расположена в полости, характерной для пикселя, и герметично закрыта крышкой 111, характерной для пикселя. Однако специалисты в данной области техники смогут предоставить варианты, в которых множество подвесных микропластин, принадлежащих к отдельным пикселям, расположены в одной и той же полости, закрытой герметизирующей крышкой, характерной для множества пикселей.
Кроме того, вариант осуществления, показанный на фиг.6, 7А–7F и 7bis, совместим с датчиком, в котором подвешенные микроплаты 103 не имеют герметизирующей крышки, установленной на них сверху.
Более того, примерные варианты осуществления были описаны, со ссылкой на фиг.6, 7А–7F и 7bis, на которых каждый пиксель датчика содержит подвесную микроплату 103, содержащую микроболометр. В качестве варианта, микроболометр можно заменить на преобразовательный элемент другого типа для преобразования падающего электромагнитного излучения в электрический сигнал, например, на детектор инфракрасного излучения или детектор на основе преобразования падающего излучения в тепловую энергию, например, термистор, пироэлектрический детектор или детектор на основе полевых транзисторов или на основе p–n–диодов.
Третий вариант осуществления – пассивная защита, выполненная на лапке
На фиг.8 показан упрощенный вид в разрезе примера пикселя 800 датчика излучения согласно третьему варианту осуществления. Пиксель 800, показанный на фиг.8, содержит элементы, общие с пикселями, описанными выше. Далее будут подробно описаны только различия, касающиеся примеров первого и второго вариантов осуществления.
Как и в примерах, описанных выше, пиксель 800, показанный на фиг.8, сформирован в и на полупроводниковой подложке 101, например, выполнен из кремния, и содержит электронную схему 102 считывания и контроля, сформированную в и на подложке 101. Кроме того, как и в приведенных выше примерах, пиксель 800 содержит микроплату 103, подвешенную над схемой 102 на теплоизоляционных лапках, две лапки 105a и 105b в проиллюстрированном примере и вертикальные проводящие столбики 107a, 107b, подсоединенные к контактным площадкам 109a, 109b схемы 102. Пиксель 800 может дополнительно содержать, как и в приведенных выше примерах, крышку 111, которая является прозрачной для обнаруживаемого излучения, размещается на верхней поверхности схемы 102 контроля и разделяет, вместе с верхней поверхностью схемы 102 контроля, полость или герметичный корпус 113, в котором расположена подвешенная микроплата 103. Полость 113 может находиться под вакуумом или под давлением ниже, чем атмосферное давление, чтобы усилить теплоизоляцию микроплаты 103.
В отличие от примеров первого варианта осуществления, пиксель 800, показанный на фиг.8, не содержит активный оптический затвор и, в частности, не содержит термочувствительный слой, покрывающий лицевую поверхность прозрачной крышки 111 напротив микроплаты 103, и подсоединен к схеме 102 считывания и контроля пикселя. Более конкретно, в примере, показанном на фиг.8, пиксель 800 не содержит соединительные столбики 121a, 121b, контактные площадки 119a, 119b, нагревательный резистор 117 и термочувствительный слой 115 согласно примерам первого варианта осуществления.
Кроме того, в отличие от примеров второго варианта осуществления, пиксель 800, показанный на фиг.8, не содержит пассивный оптический затвор, образованный термочувствительным слоем, интегрированным в микроплату 103.
Микроплата 103 пикселя 800 содержит преобразовательный элемент для преобразования падающего электромагнитного излучения в тепловую энергию. В проиллюстрированном примере микроплата 103 является болометрический микроплатой, которая отличается от микроплаты 103 пикселя 600, показанного на фиг.6, в основном тем, что она не содержит термочувствительный слой 605. Таким образом, микроплата 103 пикселя 800 на фиг.8 содержит поглотитель 601, например, идентичный или аналогичный микроплате 103 пикселя, показанной на фиг.6, и термистор 603, термически связанный с поглотителем 601, например, идентичным или аналогичным микроплате 103 пикселя, показанной на фиг.6. Два конца термистора электрически соединены со схемой контроля пикселя посредством электрических соединений, проходящих через лапки 105a, 105b и подвесные столбики 107a, 107b для подвешивания микроплаты.
Согласно аспекту варианта осуществления, показанному на фиг.8, по меньшей мере одна из теплоизоляционных лапок пикселя 800 содержит слой 801, выполненный из материала с фазовым переходом, проявляющего относительно низкую теплопроводность ниже температуры фазового перехода и относительно высокую теплопроводность выше температуры фазового перехода, то есть выше, чем его теплопроводность ниже температуры фазового перехода. В проиллюстрированном примере слой 801 присутствует на этих двух подвесных лапках 105a, 105b пикселя и не присутствует на микроплате 103. Изменение теплопроводности материала с фазовым переходом около температуры фазового перехода является предпочтительно относительно крутым, например, больше 0,08 Вт/м∙K на градус. Таким образом, достигается пассивная защита пикселя от засветки, которая действует следующим образом. Во время нормального функционирования материал слоя 801 проявляет относительно низкую теплопроводность, так что тепловое сопротивление между микроплатой 103 и подложкой является относительно высоким, что облегчает осуществление измерений падающего электромагнитного излучения. В случае чрезмерного повышения температуры микроплаты 103, связанного с засветкой пикселя, температура теплоизоляционных лапок 105a, 105b пикселя также увеличивается до тех пор, пока она не достигнет температуры фазового перехода слоя 801. Тепловое сопротивление одной или более лапок, содержащих материал с фазовым переходом, внезапно падает, что вызывает отвод части тепла, накопленного в микроплате 103, в подложку 101. Это позволяет избежать или ограничить повреждение болометрической микроплаты пикселя. Когда температура теплоизоляционных лапок опускается ниже температуры материала с фазовым переходом, последний возвращается к относительно низкой теплопроводности, и пиксель может снова функционировать в обычном режиме.
2
3
5
3+
3+
4+
Температура фазового перехода слоя 801 предпочтительно выше, чем максимальная температура, которую может достичь микроплата 103 во время нормального функционирования, и ниже, чем максимальная температура, которую может выдержать микроплата 103 до повреждения пикселя. Например, температура фазового перехода слоя 801 находится между 60 и 180°C. Материал слоя 801 представляет собой, например, кристаллизированный оксид металла, имеющий ниже его температуры фазового перехода изолирующую фазу с относительно низкой теплопроводностью и выше его температуры фазового перехода металлическую фазу с относительно высокой теплопроводностью. Материал слоя 801 представляет собой, например, кристаллизированный оксид ванадия (VO), имеющий температура фазового перехода порядка 68°C. В качестве варианта, материал слоя 801 представляет собой диоксид ванадия, перекристаллизированный и легированный катионами низкой валентности, например, Al, Cr или Ti, для того, чтобы увеличить его температуру фазового перехода. В более общем смысле, в соответствии с желаемой температурой фазового перехода можно использовать другие оксиды ванадия, например, VO. Например, слой 801 имеет толщину между 10 и 100 нм, например, порядка 50 нм.
На фиг.9A, 9B, 9C, 9D, 9E, 9F и 9G показаны виды в разрезе, иллюстрирующие этапы примера способа изготовления датчика излучения типа, описанного со ссылкой на фиг.8. На фиг.9A, 9B, 9C, 9D, 9E, 9F и 9G более подробно показана реализация одного пикселя 800 датчика, при этом следует понимать, что на практике множество идентичных или аналогичных пикселей можно сформировать одновременно в и на одной и той же полупроводниковой подложке 101.
На фиг.9A показан этап изготовления схемы 102 контроля и считывания, предназначенной для контроля и считывания пикселя 800 в и на подложке 101, например, с использованием технологии CMOS. На фиг.9А показаны только электроконтактные площадки 109a и 109b схемы 102, которые находятся на одном уровне с верхней стороной схемы.
На фиг.9A дополнительно показан дополнительный этап формирования, на верхней поверхности схемы 102, отражающего слоя 701, идентичного или аналогичного слою 701 из примера, показанного на фиг.7A.
На фиг.9A дополнительно показан этап осаждения жертвенного слоя 301 на и в контакте с верхней поверхностью схемы 102 и/или отражателя 701. Например, слой 301 идентичен или аналогичен слою 301, показанному на фиг.7A.
На фиг.9A дополнительно показан этап формирования электросоединительных столбиков 107a и 107b пикселя в отверстиях, вытравленных в слое 301 при выравнивании по вертикали с контактными площадками 109a и 109b схемы 102. Столбики 107a и 107b продолжаются вертикально по существу по всей толщине слоя 301 от верхней поверхности контактных площадок 109a и 109b схемы 102 до верхней поверхности слоя 301.
На фиг.9A дополнительно показан этап осаждения, на верхнюю поверхность жертвенного слоя 301 и на верхнюю поверхность столбиков 107a, 107b, первого слоя 801', выполненного из такого же материала, как и будущий слой 801 пикселя. Функция слоя 801' состоит главным образом в том, чтобы уравновесить механические напряжения сборки, возникающие во время выполнения слоя 801. В этом примере слой 801' не отжигается на этапе, показанном на фиг.9A, и потенциально может быть отожжен только впоследствии одновременно со слоем 801 в случаях, когда слой 801 пикселя выполнен из материала, который требует отжига для того, чтобы получить желаемую кристаллическую фазу и температуру фазового перехода. Например, слой 801' представляет собой слой аморфного диоксида ванадия, осажденный при комнатной температуре путем распыления ванадиевой мишени в атмосфере, содержащей кислород.
На фиг.9A дополнительно показан этап осаждения, на верхнюю поверхность слоя 801', электроизолирующего первого слоя 803, например, выполненного из нитрида кремния (SiN), нитрида алюминия (AlN) или карбида кремния (SiC).
Например, слои 801' и 803 осаждаются непрерывным способом по существу по всей поверхности датчика и затем локально травятся при выравнивании по вертикали со столбиками 107a и 107b для того, чтобы сформировать отверстия 804a, 804b напротив центральной части верхней поверхности столбиков 107a, 107b, соответственно, что позволяет установить электрический контакт на верхней поверхности столбиков.
На фиг.9B показан этап осаждения, на верхнюю поверхность изолирующего слоя 803 и на дно и по бокам отверстий 804a, 804b, слоя 601, выполненного из материала, который поглощает обнаруживаемое излучение, для того, чтобы сформировать поглотитель микроболометра пикселя. Например, слой 601 осаждается непрерывным способом по существу по всей поверхности датчика. В частности, в проиллюстрированном примере слой 601 находится в контакте с верхней поверхностью изолирующего слоя 803 и с частью верхней поверхности электросоединительных столбиков 107a, 107b.
На фиг.9B дополнительно показан этап осаждения, на и в контакте с верхней поверхностью слоя 601, слоя 801, выполненного из материала с фазовым переходом. Например, слой 801 осаждается непрерывным способом по существу по всей поверхности датчика. Слой 801, осажденный на этапе, показанном на фиг.9B, представляет собой, например, слой с такими же свойствами, как и слой 801', осажденный на этапе, показанном на фиг.9A. Например, слой 801, осажденный на этапе, показанном на фиг.9B, является слоем аморфного диоксида ванадия, сформированного путем распыления ванадиевой мишени при комнатной температуре в атмосфере, содержащей кислород. Например, слои 801' и 801 имеют по существу одинаковую толщину. Например, каждый из слоев 801' и 801 имеет толщину между 10 и 100 нм, например, порядка 50 нм.
На фиг.9C показан этап отжига структуры, полученной в конце этапов, показанных на фиг.9B, с целью придания желаемых свойств переменной теплопроводности слою 801. На этом этапе слой 801' также приобретает те же самые свойства переменной теплопроводности, что и слой 801. Например, в случае слоев 801' и 801, выполненных из диоксида ванадия, отжиг при температуре порядка 350–400°C может быть реализован для того, чтобы получить желаемые свойства.
На фиг.9D показан этап удаления слоя 801 по всей поверхности будущей микроплаты 103, например, путем травления.
На фиг.9D дополнительно показан этап травления канавки 805 в слое 601, предназначенный для разделения поглотителя на два отдельных участка 601–a и 601–b в будущей болометрической микроплате 103 пикселя. Действительно, в этом примере поглотитель 601 выполнен из электропроводящего материала, например, из нитрида титана, и используется не только для своей функции поглотителя, но также для электрического соединения концов термистора пикселя со схемой 102 посредством электросоединительных столбиков 107a, 107b. Таким образом, целесообразно разделить поглотитель на два отдельных участка, один из которых (участок 601–a) подсоединен к столбику 107a и к первому концу термистора пикселя, и другой (участок 601–b) подсоединен к столбику 107b и ко второму концу термистора пикселя. Канавка 805 продолжается вертикально от верхней поверхности до нижней поверхности слоя 601 и заканчивается на верхней поверхности изолирующего слоя 803. Если смотреть сверху, канавка 805 продолжается, например, по всей ширине будущей болометрической микроплаты 103, в центральной части микроплаты.
На фиг.9D дополнительно показан этап осаждения, на верхнюю поверхность структуры, полученной после формирования канавки 805, второго электроизолирующего слоя 807, который имеет, например, такие же свойства, как и слой 803, покрывающий верхнюю поверхность слоя 601, а также боковые стенки и дно канавок 805. Например, слой 807 осаждается непрерывным способом по существу по всей поверхности датчика. В каждом пикселе два локализованных отверстия 809a и 809b выполнены в изолирующем слое 807, например, путем травления, соответственно, напротив 601–a участка и напротив участка 601–b поглотителя 601, с последующим этапом, для этой цели, установления электрического контакта на участках 601–a и 601–b поглотителя для того, чтобы подключить термистор пикселя к схеме 102 считывания. Например, отверстия 809a и 809b расположены, соответственно, вблизи двух противоположных краев микроплаты. В проиллюстрированном примере отверстия 809a и 809b продолжаются вертикально по всей толщине изолирующего слоя 807 и заканчиваются на верхней поверхности слоя 601.
На фиг.9E показан этап осаждения слоя 603 материала термометра, например, аморфного кремния или оксида ванадия, на верхнюю поверхность структуры, полученной в конце этапа, показанного на фиг.9D, для того, чтобы выполнить термистор пикселя. Например, слой 603 осаждается непрерывным способом по существу по всей поверхности датчика и затем травится для того, чтобы удерживаться только на микроплате 103 пикселя. В частности, слой 603 осаждается в отверстиях 809a, 809b таким образом, чтобы термистор 603 был соединен на одной стороне (на первом конце) с контактной площадкой 109a схемы 102 посредством участка 601–a поглотителя 601 и соединительного столбика 107a, и на другой стороне (на втором конце) с контактной площадкой 109b схемы 102 посредством участка 601–b поглотителя 601 и соединительного столбика 107b.
На фиг.9E дополнительно показан этап осаждения на верхнюю поверхность третьего электроизолирующего слоя 811, который имеет, например, такие же свойства, как и слои 803 и 807. Например, слой 811 осаждается непрерывным способом по существу по всей поверхности датчика и, в частности, на и в контакте с верхней поверхностью и боковыми сторонами термистора 603.
На фиг.9F показан следующий этап удаления изолирующих слоев 807 и 811 за пределами будущей микроплаты 103 пикселя и, в частности, напротив будущих теплоизоляционных лапок 105a, 105b пикселя. Например, слои 807 и 811 удаляются везде, только не напротив микроплат 103 пикселей датчика.
На фиг.9G показан следующий этап травления стопки, образованной слоями 801, 601, 803 и 801, чтобы разграничить или индивидуализировать микроплату 103 и лапки 105a, 105b пикселя. На этом этапе, например, стопка 801–601–803–801 удаляется повсюду, за исключением микроплат 103 и лапок 105a, 105b пикселей датчика.
Затем способ может продолжаться классическим способом либо непосредственно путем удаления жертвенного слоя 301, чтобы освободить микроплату 103 и лапки 105a, 105b пикселя, либо, если требуется формирование герметизирующей крышки, путем осаждения второго жертвенного слоя и затем формирования герметизирующей крышки в соответствии со способами наподобие тех, которые описаны со ссылкой на фиг.3C–3F.
Преимущество датчиков излучения типа, описанного со ссылкой на фиг.8 и 9А–9G, состоит в том, что каждый пиксель датчика по отдельности защищен от засветки.
Дополнительно преимущество состоит в том, что при отсутствии засветки защитное устройство не ослабляет обнаруживаемое излучение.
Еще одно преимущество варианта осуществления, описанного со ссылкой на фиг.8 и 9А–9G, состоит в том, что полученная защита от засветки является пассивной защитой, которая действует даже при отсутствии электропитания датчика.
В качестве варианта, слой 801' способа, описанного со ссылкой на фиг.9А–9G, может быть исключен, что позволяет не добавлять дополнительный слой на микроплату 103 пикселя и, следовательно, не увеличивать теплоемкость микроплаты. Дополнительное преимущество состоит в том, что это также позволяет ограничить количество слоев, присутствующих на тепловых теплоизоляционных лапках, и, таким образом, ограничивает их теплопроводность, что позволяет улучшить теплочувствительность пикселя.
Выше были описаны различные варианты осуществления с различными модификациями. Следует отметить, что специалисты в данной области техники смогут комбинировать различные элементы этих различных вариантов осуществления без реализации изобретательского уровня. В частности, средства защиты от засветки согласно первому, второму и третьему вариантам осуществления могут быть объединены во всем или в части одного и того же пикселя датчика излучения. В частности, можно обеспечить комбинацию активной защиты первого варианта осуществления с одной и/или другой пассивной защиты согласно второму и третьему вариантам осуществления или комбинацию пассивной защиты согласно второму и третьему вариантам осуществления без активной защиты согласно первому варианту осуществления.