CN111256844A - 包括用于热短路的可变形部的悬浮膜热探测器 - Google Patents

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CN111256844A CN201911203969.8A CN201911203969A CN111256844A CN 111256844 A CN111256844 A CN 111256844A CN 201911203969 A CN201911203969 A CN 201911203969A CN 111256844 A CN111256844 A CN 111256844A
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Abstract

本发明涉及一种热探测器，其包括衬底(10)、吸收膜(20)，该吸收膜包括固定部(21)和可变形部(30)，所述可变形部包括形状记忆合金，并且相对于衬底布置成，使得其自由端(32)在高于奥氏体化开始温度As的接触温度Tc处与衬底(10)相接触。

Description

包括用于热短路的可变形部的悬浮膜热探测器
技术领域
本发明的领域是电磁辐射(例如红外或太赫兹)的热探测器的领域，包括与衬底热绝缘的悬浮吸收膜。本发明特别应用于红外或太赫兹成像、热成像或者对人或运动的探测的领域。
背景技术
用于探测电磁辐射的设备可以包括敏感像素的矩阵，每个敏感像素均包括热探测器，该热探测器包括与读取衬底热绝缘的吸收膜。吸收膜包括与测温转化器相关联的待探测的电磁辐射的吸收体，所述吸收体的电学特性根据转化器的加热而强度发生变化。测温转化器可以是热敏电阻材料，例如氧化钒或非晶硅等。
然而，由于测温转化器的温度主要取决于其环境，因此吸收膜与衬底和读取电路热绝缘，所述读取电路优选地布置在衬底中。因此，吸收膜通常通过锚柱悬浮在衬底上方，并通过绝热臂与所述衬底热绝缘。这些锚柱和绝热臂还具有电气功能，提供了吸收膜与读取电路的电气连接。
然而，热探测器易经受高功率电磁辐射，例如太阳辐射或激光辐射。由于吸收膜与衬底是热绝缘的，随后其可经历强加热，因此可能会导致测温转化器的特性退化。
就此而言，图1A是申请WO2003/002963中所描述的热探测器的示意性截面图。吸收膜20通过锚柱3和绝热臂(未示出)悬浮在衬底10上方。在加热的作用下所述吸收膜适于变形，直到其与衬底10相接触。所述接触引起吸收膜20的冷却，因此可以防止吸收膜20的温度达到测温转化器的特性开始发生退化的值。
为此，吸收膜20包括两个重叠的部20.1和20.2，这两个重叠的部被制成使得部20.1具有与部20.2的热膨胀系数不同的热膨胀系数。此外，吸收膜20包括突起20.3，该突起布置成相对于吸收膜20的XY平面突出并且朝向衬底10定向。此外，衬底10包括沿Z轴延伸的接触垫18。因此，当吸收膜20被过度加热时，两个重叠的部20.1和20.2以不同方式膨胀(双金属效应)，这引起吸收膜20的变形并且因此引起突起20.3与接触垫18之间间隔的减小，直到所述两个元件之间存在机械接触。吸收膜20随后被冷却，因此导致了突起20.3相对于接触垫18间隔开。然而，由于与衬底接触的冷却阶段和失去接触后的加热阶段的交替，似乎可发生垂直振荡的连续运动。
图1B是申请KR101181248中所描述的热探测器的示意性透视图。吸收膜20包括固定探测部21(在所述探测部的高度处布置有热敏电阻材料)以及双金属类型的可变形部30。所述可变形部具有固定到探测部21的第一端31和相对的自由的第二端32，即所述第二端32在可变形部30的变形作用下能够沿Z轴位移运动。与上述操作相类似的操作：当被过度加热时，可变形部30通过双金属效应而变形，使得自由端32与衬底10相接触，这导致了吸收膜20的冷却。然而，也可存在垂直振荡的连续运动，其削弱了自由端32与衬底10之间的热接触的质量，且从而削弱了吸收膜20的冷却。所述振荡运动还可导致热探测器1的性能退化。
发明内容
本发明旨在至少部分地克服现有技术的缺点，并且更具体地，提出一种相对于高功率电磁辐射具有改进的保护的热探测器。
为此目的，本发明涉及一种适于探测电磁辐射的热探测器，包括：
○衬底；
○吸收电磁辐射的膜，相对于所述衬底热绝缘，并且包括：
■包括测温转化器的固定探测部，
■可变形的热短路部，
-包括组装到固定探测部的固定端以及相对的自由端，
-适于在吸收膜的温度变化的作用下变形，使得可变形部的自由端在吸收膜的接触温度Tc处与衬底相接触。
根据本发明，可变形部：
■包括形状记忆合金，其具有所述合金在奥氏体化开始温度As与奥氏体化结束温度结束Af之间、由马氏体相到奥氏体相的逆马氏体转变，以及在马氏体化开始温度Ms与马氏体化结束温度Mf之间、由奥氏体相到马氏体相的正马氏体转变，奥氏体化结束温度Af高于马氏体化开始温度Ms，并且
■相对于衬底布置为使得自由端在高于奥氏体化开始温度As的接触温度Tc处与衬底相接触。
所述热探测器的某些优选但非限制性的方面如下。
可变形部可以具有自由端的第一位置pr与自由端的第二位置pd,max之间的最大行程Δpmax，第一位置pr针对小于或等于马氏体化结束温度Mf的、吸收膜的温度Tm，第二位置pd,max对应于大于或等于奥氏体化结束温度Af的温度Tm。则可变形部可以相对于衬底定位成，使得将占据第一位置pr的自由端与衬底的接触表面分开的最大距离dmax小于或等于最大行程Δpmax，自由端在接触温度Tc接触在接触表面上。
形状记忆合金可以是基于NiTi的金属合金。
形状记忆合金可以是选自以下的金属合金：Ti50.5Ni24.5Pd25、以原子百分比x>50％的Ti85.3-xNixHf14.7以及以原子百分比x>10％的Ti7Ni11Zr43Cu39-xCox。
衬底可以具有接触表面，在接触温度Tc处，自由端接触在接触表面上，并且其中形状记忆合金在固定端与自由端之间呈纵向条带的形式，形状记忆合金朝向衬底的接触表面定向的一面具有突出特征。
衬底可以具有平坦的上面，并且可以包括接触垫，接触垫从上面延伸并且具有接触表面，在接触温度Tc处，自由端接触在接触表面上。
衬底可以具有平坦的上面，并且吸收膜可以通过绝热臂以及通过锚柱被保持在衬底的上面上方，锚柱大致正交于衬底的上面的平面延伸。
接触垫可以由与锚柱的导热材料相同的至少一种导热材料制成。
本发明还涉及一种用于制造根据前述特征中任一项所述的热探测器的方法，包括以下步骤：
-提供具有所谓的接触表面的衬底；
-沉积至少一个牺牲层；
-制造穿过牺牲层的锚柱；
-在牺牲层上制造绝热臂和吸收膜，所述吸收膜包括与接触表面相对定位的可变形部；
-去除牺牲层。
附图说明
通过阅读本发明的优选实施例(作为非限制性示例给出)的以下详细描述并参考附图，本发明的其他方面、目的、优点和特征将变得更加清楚。
上文已描述的图1A和图1B是根据现有技术的两个示例的热探测器的示意图：截面图(图1A)和立体图(图1B)；
图2是示出了形状记忆合金中的马氏体相的体积分数χm的温度变化以及吸收膜的可变形部的变形的图；
图3A至图3C是根据一个实施例的探测设备的示意图：透视图(图3A)和截面图(图3B和图3C)；
图4A至图4C是在图1B中所示的现有技术的热探测器的情况下示出以下示例的图：
-吸收膜的温度Tm的时间变化(图4A)，
-可变形部相对于衬底的间隔d的时间变化(图4B)，以及
-可变形部的间隔d的温度变化(图4C)；
图5A至图5D是在根据图3A至图3C所示的实施例的热探测器的情况下示出以下示例的图：
-吸收膜的温度Tm的时间变化(图5A)，
-可变形部相对于衬底的间隔d的时间变化(图5B)，以及
-可变形部的间隔d的温度变化(图5C和图5D)；
图6A至图6J示出了用于制造根据3A至图3C中所示的实施例的探测设备的方法的不同步骤；
图7A至图7D是根据变体实施例的各种热探测器的示意性截面图/俯视图。
具体实施方式
在附图中和说明书的其余部分中，相同的附图标记表示相同或相似的元件。此外，为了附图的清楚起见，未按比例示出各种元件。此外，不同的实施例和变体彼此不排斥并且可以彼此组合。除非另有说明，否则术语“大致”、“约”、“大约”表示在10％以内，优选在5％以内。此外，除非另有说明，否则表述“包括一个”应理解为“包括至少一个”且不是“包括单个”。
本发明涉及一种用于探测电磁辐射(例如红外或太赫兹辐射)的设备。所述探测设备包括一个或更多个热探测器，所述一个或更多个探测器优选尤其适合于探测波长为约8μm至14μm的LWIR(长波长红外)范围的红外辐射。每个热探测器有利地包括吸收膜与反射器之间形成的四分之一波干涉腔，从而使得可以将由吸收膜所探测的红外辐射的吸收最大化。
如在下文中详细描述地，热探测器包括通过锚柱在衬底上方悬浮并且通过绝热臂与衬底热绝缘的吸收膜。吸收膜包括固定探测部和可变形的热短路部，所述固定探测部包括测温转化器，所述可变形的热短路部包括自由端，当吸收膜达到低于预定的保护温度Tth的所谓的接触温度Tc时，所述自由端旨在与衬底接触。可变形部与衬底之间的接触使得可对吸收膜进行冷却，且因此防止所述吸收膜的温度Tm达到或甚至超过测温转化器的保护温度Tth。在本说明书的其余部分中，吸收膜的温度Tm是吸收膜的各个部分的平均温度。假设在吸收膜内(即在固定探测部中和在可变形的热短路部中)统一为第一近似值。
可变形的热短路部由至少一种形状记忆合金(SMA)制成，即具有马氏体转变的合金。以一种已知的方式，且如Choudhary和Kaur在标题为“Shape memory alloy thin filmsand heterostructures for MEMS applications:A review,Sensors and Actuators》A242(2016)162-181(用于MEMS应用的形状记忆合金薄膜和异质结构：综述，传感器和致动器A，2016年，242卷，第162-181页)”的文章中特别地所描述地，马氏体转变是马氏体相(低温结晶相)与奥氏体相(高温结晶相)之间、根据温度的、可逆的和置换型的合金的结构化转变。马氏体转变具有取决于转变的方向的特征温度(在零应力下)。因此，对于正转变(从奥氏体到马氏体)，转变的开始和结束温度通常指定为Ms(对于马氏体化开始温度)和Mf(对于马氏体化结束温度)。对于逆转变(从马氏体到奥氏体)，转变的开始和结束温度通常指定为As(对于奥氏体化开始温度)和Af(对于奥氏体化结束温度)。同样以已知的方式，马氏体转变在合金的冷却和加热之间具有温度滞后，由于温度Ms和Af彼此不同，温度Mf和As也彼此不同。形状记忆合金中马氏体相的体积分数指定为χm。
参照图2，在逆马氏体转变(从马氏体到奥氏体)期间，当形状记忆合金的温度T小于或等于温度As时，马氏体相的体积分数χm最初大于或等于0.95，或者甚至等于1.0。然后其随着温度T的增加而减小，且当温度T大于或等于温度Af时，其小于或等于0.05且甚至等于0。此外，在正马氏体转变(从奥氏体到马氏体)期间，当形状记忆合金的温度T大于或等于温度Ms时，马氏体相的体积分数χm最初小于或等于0.05，或者甚至等于0。然后其随温度T的降低而增加，并且当温度T小于或等于温度Mf时，其大于或等于0.95，或者甚至等于1.0。
换言之，可变形部具有第一静止配置，在该第一静止配置中，自由端具有第一位置pr。在所述配置中，可变形部不发生明显变形，并且可变形部的温度T小于或等于在逆马氏体转变(从马氏体到奥氏体)的情况下的温度As，或者小于或等于在正马氏体转变(从奥氏体到马氏体)的情况下的温度Mf。此外，当可变形部不具有未变形的静止配置时，其占据变形配置，在该变形配置中，自由端具有与位置pr不同的至少一个第二位置pd,max。在所述配置中，可变形部朝着衬底变形，且可变形部的温度随后高于在逆马氏体转变(从马氏体到奥氏体)的情况下的温度As，或高于在正马氏体转变(从奥氏体到马氏体)的情况下的温度Mf。
在可变形部的静止配置中、自由端的第一位置pr与当温度T大于或等于温度Af时、在变形配置中、自由端的第二位置pd,max之间所限定的可变形部的最大行程指定为Δpmax。沿着与衬底的平面正交的Z轴限定位置pr和pd,max。在静止配置中，即在没有过度加热吸收膜的情况下，可变形部的自由端随后与衬底间隔开了小于或等于最大行程Δpmax的最大值dmax的距离。
在本发明的上下文中，可变形部的形状记忆合金具有奥氏体化开始温度As，从所述奥氏体化开始温度开始，可变形部的自由端变形并与衬底相接触。换言之，自由端在奥氏体化开始温度As之上的接触温度Tc与衬底相接触。接触温度Tc可以无差地低于、等于或高于奥氏体化结束温度Af。
此外，形状记忆合金有利地适于：响应于当自由端与衬底相接触时、高于与可变形部的冷却相关联的热时间常数Δtth的冷却，而具有与可变形部的变形相关联的动态时间常数Δtdyn。换言之，如下文中所详细解释的，可变形部与衬底接触期间的冷却导致形状记忆合金以热时间常数Δtth的温度突然下降。形状记忆合金随后响应于该冷却阶段，以动态时间常数Δtdyn变形。由于Δtdyn高于Δtth，则形状记忆合金至少冷却到温度Mf。
图3A至图3C是根据一个实施例的探测设备的示意图：透视图(图3A)以及平面A-A中的截面图(图3B和图3C)。这里示出了单个热探测器1，但是探测设备有利地包括相同的热探测器的矩阵(敏感像素)。
这里以及对于本说明书的其余部分，我们限定了正三维正交坐标系(X,Y,Z)，其中(X,Y)平面近似平行于热探测器1的读取衬底的主平面，并且其中Z轴以大致正交于读取衬底的主平面的方向定向，并且朝向吸收膜20定向。在本说明书的其余部分中，术语“下”和“上”应被理解为相对于在+Z的方向上远离读取衬底10运动的增加定位。
热探测器1包括有利地被功能化的衬底10，该衬底在所述示例中为基于硅而制成的所谓的读取衬底，所述读取衬底包括读取电路以用于控制和读取热探测器。这里，读取电路呈位于支撑衬底11中的CMOS集成电路的形式。读取电路包括通过介电材料——例如基于硅的矿物材料(诸如氧化硅SiOx、氮化硅SiNx或其合金)——彼此分开的导体(例如金属)的部分。所述读取电路还可以包括有源电子元件(未示出)——例如二极管、晶体管——或无源电子元件——例如电容器、电阻等，其一方面通过电互连件连接到热探测器1，并且另一方面连接到连接垫(未示出)，所述连接垫旨在用于将探测设备1连接到外部电子设备。作为说明，导电部分和导电通孔可以例如由铜、铝或钨制成。铜或钨可以可选地位于氮化钛、氮化钽或其他子层之间。这里，读取衬底10具有特别地由金属间绝缘层的表面和最后一级电互连件的导电部分的表面所形成的上面。衬底10通常是堆叠。所述堆叠10包括支撑衬底11，并且有利地包括反射器2和保护层17。堆叠还可以包括如下详细所述的接触垫18，在这种情况下接触垫18与支撑衬底11处于热接触。即使如此，可变形部30旨在与堆叠10相接触，例如与堆叠10的接触垫18相接触。
热探测器1包括由至少一种材料制成的反射器2，所述至少一种材料相对于待探测的电磁辐射为反射性的。这里，该反射器有利地由CMOS集成电路的最后一级电互连件的导体的一部分形成。此外，这里，衬底包括搁置在最后一级电互连件的导电部分15上的两个接触垫18，并且这两个接触垫旨在形成用于吸收膜20的可变形部30的接触表面18a。这些接触垫18从衬底10的上面10a开始沿Z轴延伸，并且由至少一种导热材料(例如金属材料)制成，使得支撑衬底11和接触垫18具有大致相同的温度。每个接触垫18旨在相对地(即垂直于可变形部30)定位，使得所述可变形部的自由端32能够与接触垫18相接触。因此，衬底10(或堆叠10)包括上面10a以及接触表面18a。因此，当可变形部30的自由端32与衬底10之间存在接触时，在上面10a的或接触表面18a的高度处存在接触。
特别是当使用矿物牺牲层制造热探测器1时，上面10a有利地覆盖有保护层17，随后通过在HF(氢氟酸)酸介质中的化学侵蚀将所述矿物牺牲层去除。然后，保护层17具有停止蚀刻的功能，因此保护层适于：当支撑衬底11和金属间介电层由矿物材料制成时，可以为它们提供保护，使它们免受HF化学侵蚀。所述保护层17因此形成气密的且化学惰性的层。所述保护层为电绝缘的，以防止金属导体的部分之间的任何短路。因此，保护层可以由氧化铝Al2O3、氮化铝或氟化铝、或本征非晶硅制成。保护层可以具有的厚度为几十到几百纳米，例如10nm到500nm，并且优选20nm到100nm。
热探测器1可以在XY平面中具有约从一到几十微米的横向尺寸(称为像素间距)，例如等于约10μm或甚至更小。所述热探测器包括吸收电磁辐射的膜20，所述膜通过锚柱3悬浮在读取衬底10的上方，并通过所述锚柱连接到读取电路。此外，通过在锚柱与吸收膜20之间延伸的绝热臂4所述膜相对于读取衬底为热绝缘的。
锚柱3是由至少一种导电材料制成的导电垫，其沿Z轴从读取衬底10开始延伸到吸收膜20。锚柱与导体的部分相接触，并且因此提供了吸收膜20到读取电路的电连接。锚柱3可以例如由铜、铝或钨制成，可选地封装氮化钛或其他的在至少一个保护性子层中。这里，绝热臂4大致共面地延伸到吸收膜20，并且在这里由允许吸收膜20电连接到读取电路的导电层形成，绝热臂有利地封装在下和上两个介质层中，这有助于提供绝热臂4的增强。
吸收膜20包括探测部21和可变形的热短路部30。由于探测部21位于相对于衬底10大致恒定的距离处，所以所述探测部被认为是固定的。这里探测部包括由极化电极24形成的吸收体以及测温转化器。通常，测温转化器是具有随对其的加热而变化的电特性的元件，并且如在这里可以是例如由钒或氧化钛、或由非晶硅制成的热敏电阻材料26，或者作为变体可以为由热电或铁电材料、二极管(PN或PIN结)或具有金属-氧化物-半导体结构的场效应晶体管(MOSFET)所形成的电容器。
吸收膜20的探测部21与读取衬底10且特别是与反射器2间隔开非零的距离。优选地，调节所述距离以便形成四分之一波干涉腔，该四分之一波干涉腔使待由吸收膜所探测的红外辐射的吸收最大化。当热探测器1被设计用于探测LWIR中的红外辐射时，吸收膜20与读取衬底10且更精确地与反射器2，间隔开通常为1μm至5μm的距离，优选为2μm。
这里，在探测部21中，吸收膜20通常由堆叠形成，所述堆叠为：由介电材料制成的下介电层22、通过横向间隔彼此电绝缘的两个电极24、中间绝缘层25(该中间绝缘层由介电材料制成，并覆盖电极24和横向间隔，除了通到电极上的两个孔)、热敏电阻材料26(例如非晶硅或钒或氧化钛)制成。热敏电阻材料26经由孔与两个极化电极24相接触。上保护层27覆盖热敏电阻材料26，特别地以在后续进行的、利用氢氟酸的化学侵蚀期间保护热敏电阻材料26。这里，吸收体由极化电极24形成，所述极化电极由至少一种金属材料例如氮化钛制成。
吸收膜20还包括可变形部30，在吸收膜20的温度Tm达到或超过热敏电阻材料26的预定保护温度Tth之前，在吸收膜20与衬底10之间提供热短路。这里，可变形部30由具有两个相对的纵向端的条带制成：组装在探测部21上的固定的第一端31，以及即能够沿Z轴运动的第二所谓的自由端32。“条带”是指材料的一部分，其具有由大于其宽度的长度和小于宽度的厚度所限定的表面。此外，如上所述，认为吸收膜20中(即在探测部和热短路部内)的统一为第一近似值。
参照图3B，可变形部30适于具有第一所谓的静止配置，对于该第一所谓的静止配置，当热探测器1不经受高功率电磁辐射时，吸收膜20的温度Tm特别地等于标称温度Tn。自由端32随后占据第一位置pr，并且其与接触垫18的上表面18a的间隔d(这里为最大间隔dmax)小于或等于最大行程Δpmax。
参照图3C，可变形部30还适于具有第二所谓的热短路配置，在该第二所谓的热短路配置中，自由端32与衬底10相接触，并且这里与接触垫18的上表面18a相接触。则吸收膜20的温度Tm对应于与衬底10机械接触时的接触温度Tc，且然后在冷却阶段中降低。然后自由端32占据位置pc并且其与接触垫18的上表面18a的间隔d为零。
可变形部30由至少一种形状记忆合金制成。更精确地，形状记忆合金是选自基于NiTi、基于铜Cu或基于铁Fe的合金的金属合金。选择金属合金使得奥氏体化结束温度Af小于或等于测温转化器的预定保护温度Tth。所述保护温度取决于测温转化器的类型，并且可以约为100℃至350℃，例如200℃。因此，金属合金可以由镍和钛的原子比例相等或不相等的二元化合物NiTi制成，或由三元化合物NiTiA制成，其中附加的化学元素A可以是铁Fe、铜Cu、锆Zr、铪Hf、铂Pt、钯Pd、钨W、金Au或其他。因此所述金属合金可以是Ti51Ni38Cu11，其中下标代表合金中每种化学元素的原子比例。形状记忆合金的厚度可以为几十纳米到几百纳米，例如100nm。可变形部30的条带可以具有的长度为几微米，例如等于1至2μm，并且具有的宽度等于几百纳米或几微米，例如等于50nm至2μm。可变形部因此可以是由基于形状记忆合金的至少一种材料所连续形成的条带，或者可以由基于形状记忆合金的纳米线——例如具有几十纳米的宽度(例如50nm)——形成。在这种情况下，基于纳米线的可变形部使得可以进一步降低吸收膜的热容量并获得更大的最大行程Δpmax。
可变形部30的形状记忆合金有利地包括朝向衬底10的接触表面18a定向的多个突出特征(参见图6J)。这些特征是正交于形成可变形部30的条带延伸的突起。这些特征几乎系统性地使得可以获得可变形部30朝向接触表面的变形。这些突出特征可以具有例如约几十纳米的高度。
可变形部30相对于衬底10的接触表面18a(这里是接触垫18的上表面)定位成，使得可变形部从奥氏体化开始温度As开始变形，并且在接触温度Tc处触碰接触表面18a，所述接触温度无差地低于、等于或高于奥氏体化结束温度Af。因此，可变形部30的自由端32与衬底10的接触表面18a之间的接触被反映在吸收膜20的冷却中，并且因此反映在温度Tm的降低中。然而，由于(这里为正)马氏体转变的温度滞后，可变形部30的自由端32保持与衬底10的接触表面18a相接触，而温度Tm保持在马氏体化开始温度Ms之上
有利地，并且如在下文中详细描述地，由于形状记忆合金的动态变形响应的非零惯性，自由端还可以在低于温度Ms的温度下暂时保持与衬底10的接触表面18a相接触。为此，可变形部的形状记忆合金有利地具有低的滞后，即温度Ms与Af之间的小的差异，例如小于或等于20℃。则形状记忆合金优选地选自基于TiNiPd、TiNiCuAlMn、TiNiMn的合金。当温度Tm变得小于或等于Ms时，自由端32与衬底10的接触表面18a之间存在接触的损失。可变形部30离开短路配置并趋向于其静止配置。
在该示例中，衬底10的接触表面18a是接触垫18的上表面，每个接触垫与可变形部30相对地定位。若适用，接触表面也可以是保护层17的区域，或衬底10的上面10a的区域。尽管如此，选择静止配置中的自由端32和衬底10的接触表面18a之间的最大间隔dmax以小于或等于形状记忆合金的最大行程Δpmax。因此，接触垫18的垂直尺寸可以确保：在高于奥氏体化开始温度的接触温度Tc下，有效地实现了可变形部30的自由端32与接触垫18之间的机械接触并因此实现热接触。
现在参考图5A-5D对探测设备的操作进行描述，图5A-5D与示出来自上述现有技术的、根据图1B中的示例的探测设备的操作的图4A-4C相对。
参考图4A到图4C，可以看出，由于与衬底相接触的冷却阶段以及失去接触之后的加热阶段的交替，根据上述现有技术的热探测器1(其可变形部30为双金属型)具有垂直振荡的连续运动。该垂直振荡的连续运动的主要特点在于：自由端32与衬底10的接触表面18a之间的机械接触持续时间短、以及振荡的幅度低。
在热探测器1经受高功率电磁辐射之前，温度Tm大约等于标称温度Tn。然后，从吸收膜经受高功率电磁辐射的那一刻开始进行吸收膜20的加热阶段1。温度Tm连续地增加(这里直线增加仅出于说明的目的)，并且结果为可变形部30随后变形，使得自由端32与衬底10之间的间隔d从最大间隔dmax的值开始持续减小到零。当自由端32与衬底10的接触表面18a之间存在机械接触时，则间隔d为零并且温度Tm对应于接触温度Tc。
当可变形部30与衬底相接触时，则存在吸收膜20的冷却阶段2，这反映在吸收膜20的温度Tm的降低中，并且结果为失去自由端32对于衬底的接触，并且间隔d增大。
然而，由于热探测器1仍经受高功率电磁辐射并且与衬底的热接触中止，因此膜的温度Tm再次升高。然后，在附图中将所述新的加热阶段指定为“3”。吸收膜20的温度Tm随后升高，并且结果为可变形部30的自由端32从距离dint往回下降，直到其再次与衬底相接触(d＝0)。
然后，似乎出现了可变形部30的垂直振荡的连续运动，对应于接触和冷却2阶段与失去接触和加热3阶段之间的交替。由于间隔d的变化直接与温度变化有关，因此该垂直振荡的连续运动幅度低。因此，吸收膜20的温度Tm保持在中间温度Tint与接触温度Tc之间的增加的平均温度。随之而来的是，所述垂直振荡的连续运动可有害于可变形部30的特性且因此有害于吸收膜20的特性，并可导致吸收膜20加速老化。此外，由于机械接触的持续时间很短，因此可变形部30与衬底之间的热接触的质量低。此外，这可以反映在同一个敏感像素的矩阵内不同热探测器的热管理的不均匀性中。所述各个方面都可导致探测设备的性能退化。
参考图5A至图5C，能够看出，热探测器1(其吸收膜20包括具有形状记忆合金的可变形部30)不具有该垂直振荡的连续运动。可变形部30与衬底之间的机械接触持续时间更长，并且可变形部30的垂直运动的幅度更大，因此改善了热接触的质量，并且因此改善了吸收膜20的冷却的质量，这有助于维护探测设备的性能。
如上所述，在没有高功率电磁辐射的情况下，吸收膜20的温度Tm最初具有标称温度Tn。当存在所述辐射时(加热阶段1)，吸收膜20的温度Tm持续升高。温度一直低于奥氏体化开始温度As时，可变形部30不变形并且间隔d保持与最大值dmax相等：这是部分1a。当温度Tm达到并超过温度As时，形状记忆合金逐渐从马氏体相进入奥氏体相，并随着温度Tm的增加而因此变形，这反映在间隔d的逐渐减小中：部分1b。温度Tm升高(并且间隔d减小)直到自由端32触碰衬底为止。此时，间隔d为零并且温度Tm对应于接触温度Tc。这里，温度Tc低于温度Af，但作为变体，其能够大于或等于Af。
由于温度滞后，由于可变形部30与衬底之间的热接触而导致的吸收膜20的冷却(阶段2)没有立即反映在失去机械接触中。实际上，冷却阶段2包括第一部分2a，在该第一部分中，在不变形的情况下可变形部30的温度Tm降低，直到其达到马氏体化开始温度Ms。正马氏体转变(从奥氏体相到马氏体相)的该温度滞后使得可以保持自由端32与衬底相接触的时间比现有技术的示例中的更长。然后，在冷却阶段2的第二部分2b期间，由于动态时间常数Δtdyn大于热时间常数Δtth，因此形状记忆合金冷却直至其达到(在本示例中)马氏体化结束温度Mf。如图5A和5B中所示，由于吸收膜20的冷却，热时间常数Δtth对应于形状记忆合金从接触温度Tc达到最低温度(这里刚好低于马氏体化结束温度Mf)所需的时间。此外，动态时间常数Δtdyn对应于由于吸收膜20的冷却，形状记忆合金从零间隔达到最大间隔dmax所需的时间。
然而，由于热探测器1仍然经受高功率电磁辐射并且与衬底的热接触已被中止，所以膜的温度Tm再次升高。在该新的加热阶段3期间，可变形部30不会如现有技术的示例中一样立即变形。实际上，由于逆马氏体转变(从马氏体到奥氏体)的温度滞后，所述阶段3具有部分3a，在该部分中，当温度Tm尚未达到奥氏体化开始温度As时，间隔d一直在最大值dmax处保持恒定。然后，在部分3b中，温度Tm继续增加并且间隔d减小，直到在温度Tc——这里低于温度Af(但能够大于或等于Af)——处自由端32与衬底之间存在热接触。
图5D示出了一种变型，其中热时间常数Δtth大于动态时间常数Δtdyn。因此，在冷却(阶段2b)期间，由于与高功率电磁辐射相关联的加热，温度Tm降低但未达到温度Mf。再一次，由于逆马氏体转变的温度滞后，加热相包括部分3a，在该部分中，间隔d在温度Tm尚未达到奥氏体化开始温度As时一直保持恒定为中间值dint。然后在部分3b中，温度Tm继续增加，并且间隔d从dint减小，直到在温度Tc处、自由端32与衬底之间存在热接触(d＝0)。
因此，随之而来的是：形状记忆合金的正马氏体转变(从奥氏体相到马氏体相)的温度滞后，使得可以改善可变形部30与衬底之间的机械接触并的质量，因此改善了可变形部与衬底之间的热接触的质量。实际上，自由端32保持与衬底相接触的时间更长，这改善了吸收膜20的冷却。此外，马氏体转变(正与反)的滞后使得可以防止伴有可变形部30与衬底之间的短持续时间机械接触的垂直振荡的连续运动的发展。然后降低了吸收膜20的特性退化的风险。因此，我们提高了同一个敏感像素的矩阵内各种热探测器的热管理的均匀性和可靠性。因此提高了探测设备的性能。
图6A至图6J示出了根据一个实施例的用于制造热探测器1的方法的不同步骤。在该示例中，使用旨在后续通过在酸性介质(HF蒸气)中进行湿法蚀刻而去除的矿物牺牲层来制造热探测器1。作为变体，可以基于聚酰亚胺或等同物来生产牺牲层，并且可以后续通过干法蚀刻(例如在O2等离子体条件下)去除该牺牲层。在这种情况下，不同的保护层的材料适于对于该类型的干法蚀刻为惰性的，并且可以选自AlN、Al2O3、非晶碳、非晶硅等。
参照图6A，制造由支撑衬底11所形成的读取衬底10，所述支撑衬底包括适于控制和读取热探测器1的读取电路。因此，读取电路包括与大致平坦的、读取衬底10的上面10a齐平的导电部分14。导电部分14和导电通孔16可以例如通过镶嵌工艺由铜、铝和/或钨等制成，在所述镶嵌工艺中，填充金属间绝缘层中制造的沟槽。导电部分16可以通过化学机械平坦化(CMP)技术制成与上面的高度齐平。
还制造了热探测器1的反射器2。这里，反射器2由最后一级互连件的导体的一部分形成，所述导体一部分由适于反射待探测的电磁辐射的金属材料制成。反射器旨在与吸收膜相对地延伸，并且旨在与吸收体一起形成相对于待探测的电磁辐射的四分之一波干涉腔。
还可以制造旨在提供对衬底10的接触垫的支撑和更好的热化的导电部分15。所述接触垫旨在提供衬底10与吸收膜的可变形部之间的热接触。这里，导电部分15也由最后一级互连件的导体的一部分形成。
然后可以沉积保护层17以覆盖金属间绝缘层13。所述蚀刻阻挡层17由对后续用于去除(例如利用处于气相的HF介质)矿物牺牲层的蚀刻剂基本上为惰性的材料制成。因此，所述保护层防止在所述去除牺牲层的步骤期间下面的矿物绝缘层被蚀刻。所述保护层可以由氧化铝或氮化铝、三氟化铝或本征非晶硅(非有意掺杂)形成。所述保护层可以例如通过PVD(物理气相沉积)来沉积，并且可以具有约十纳米到几百纳米的厚度。
参照图6B，制造了锚柱3的部3.1以及接触垫18。为此，在读取衬底10上沉积第一牺牲层41，例如由诸如通过等离子体化学气相沉积(PECVD)所沉积的氧化硅SiOx的矿物材料制成。所述矿物材料能够通过湿法化学蚀刻，特别是通过在酸性介质中的化学侵蚀来去除，蚀刻剂优选为处于气相的氢氟酸(HF)。对所述矿物牺牲层41进行沉积，使得矿物牺牲层在读取衬底10的基本上整个表面上连续延伸，并因此覆盖蚀刻阻挡层17。牺牲层41沿Z轴的厚度使得可以限定接触垫18的高度。所述高度可以约为几百纳米到几微米。
然后，制造垂直孔，以旨在形成锚柱3的第一部3.1并且形成接触垫18。这些垂直孔通过光刻和蚀刻制成，并且穿过第一矿物牺牲层41和保护层17以通向读取电路的导电部分14，并且在此处通向导电部分15上。垂直孔在(X,Y)平面中可以具有正方形、矩形或圆形的横截面，其面积大致等于例如0.25μm2。然后在垂直孔中制造锚柱3的第一部3.1以及接触垫18。它们可以通过用一种或更多种导电材料填充孔来制造。作为示例，它们可以各自包括通过PVD或MOCVD(金属有机化学气相沉积)在孔的垂直侧面上所沉积的TiN层，以及填充由TiN层横向限定的空间的铜芯或钨芯。CMP的步骤随后使得可以去除过量的填充材料并且使由牺牲层41、锚柱3的第一部3.1和接触垫18所形成的上面平坦化。
参照图6C，锚柱3的形成完成。为此，在牺牲层41上沉积第二牺牲层42，该第二牺牲层例如由与牺牲层41的矿物材料相同的矿物材料制成。然后制造垂直孔，旨在形成锚柱3的第二部3.2。因此，将这些垂直孔定位成使得它们仅通向锚柱3的第一部3.1。然后在垂直孔中制造锚柱3的第二部3.2，例如通过利用与第一部3.1的导电材料相同的一种或更多种导电材料填充孔来制造。CMP的步骤随后使得可以去除过量的填充材料，并使由牺牲层42和锚柱3所形成的上面平坦化。
优选地，从上面42a开始，对与接触垫18相对的牺牲层42进行部分局部结构化(未穿过)。所述局部结构化旨在后续获得具有朝向衬底10的接触表面18a定向的突出特征34的形状记忆合金层33。这些突出特征34允许更加系统性地获得可变形部30朝向衬底10的接触表面18的变形。
参照图6D，沉积下介电层22以覆盖第二牺牲层42的上面。因此，下介电层在整个上面的平坦区域上延伸，并且在部分局部结构化部中延伸，但没有填充它们。下介电层22可以由非晶硅、碳化硅、氧化铝Al2O3或氮化铝等制成。所述下介电层可以具有几十纳米的厚度，例如20nm，并有助于提供绝热臂的增强。然后沉积形状记忆合金层33以覆盖下介电层22，并且对部分局部结构化部进行填充。层33可以具有数十至数百纳米的厚度，例如10nm至900nm。
形状记忆合金可以是NiTi的金属合金，其镍和钛以及可选的其他化学元素的原子比例给出低于阈值保护温度Tth的奥氏体化结束温度Af。因此，形状记忆合金可以是：例如以原子百分比x>50％的Ti85.3-xNixHf14.7、以原子百分比x>49％的Ti82-xNixZr18、以原子百分比x>10％的Ti7Ni11Zr43Cu39-xCox、以原子百分比x<25％的Ti50Ni50-xPtx、Ti50.5Ni24.5Pd25、Ti51Ni38Cu11、以原子百分比x>7.5％的Ti50-xNi50Cux、TiNiCuAlMn、CuAlNi、TiNiMn等。所述形状记忆合金也可以是优势在于转变时间常数(并因此动态时间常数Δtdyn)可能大于热时间常数Δtth的TiTa、TiNiPd、TiNiHf、TiNiZr、TiNiZrCuCo、CoAl。
参照图6E，可变形部30通过形状记忆合金层33的局部结构化制成。因此，获得长度例如约1至2μm、并且宽度例如0.3至2μm的条带。然后沉积第一中间介电层23，例如其由与下介电层22的材料相同的材料制成，并且具有为几十纳米的厚度以便覆盖下介电层22以及可变形部30的形状记忆合金的条带33。
参照图6F，局部蚀刻介电层22、23以形成通向锚柱3的孔，并且随后沉积导电层24以覆盖中间介电层23并且穿过孔与锚柱3相接触。因此，导电层24与锚柱3的上端相接触，并且旨在提供热敏电阻材料的极化。该导电层由导电材料制成，例如厚度为几纳米到几十纳米的TiN，例如10nm。然后局部蚀刻导电层24以便在旨在形成极化电极的导电层24的两个部分之间形成横向间隔。
参照图6G，然后沉积第二中间电介质层25以覆盖导电层24，并穿过两个极化电极24之间的横向间隔与下面的中间电介质层23相接触。第二中间电介质层优选地由与下面的介电层的介电材料相同的介电材料制成，并且具有例如几十到数百纳米的厚度。然后局部蚀刻中间介电层25以便形成通向极化电极24的两个孔。
参照图6H，然后沉积由例如非晶硅或钒或钛的氧化物制成的热敏电阻材料26，其经由孔与电极24相接触。热敏电阻材料可以具有例如20nm至200nm的厚度。最后，沉积由非晶硅、Al2O3或AlN制成的、例如厚度为10nm至50nm的上保护层27，以覆盖热敏电阻材料26。
参照图6I，局部地蚀刻介电层22、23、25、27和导电层24的堆叠以形成绝热臂以及吸收膜20。
参照图6J，去除各个牺牲层以便使吸收膜20悬浮在读取衬底上方。可以在将热探测器1封装在限定了真空(旨在为气密的)下的腔的壳体(未示出)中之后进行去除。可以通过化学蚀刻各种矿物牺牲层来获得悬浮物，这里通过使用处于气相的氢氟酸侵蚀的湿法化学蚀刻来获得。
因此获得一种探测设备，其热探测器1的吸收膜20包括基于形状记忆合金的可变形部30。可变形部30相对于衬底10的接触表面18a定位成，使得最大间隔dmax小于或等于形状记忆合金的最大行程Δpmax。因此，在由于高功率电磁辐射而对吸收膜20进行相当大的加热期间，可变形部30从温度As开始，并且在这里从接触垫朝向衬底变形，并且将在温度Tc处与所述衬底接触。因此，由于正马氏体转变(从奥氏体相到马氏体相)的温度滞后，获得了可变形部30与衬底(这里是接触垫)之间高质量的热接触，从而提高了冷却吸收膜20的可靠性。
由于逆马氏体转变(从马氏体相到奥氏体相)的温度滞后，因此防止了伴有可变形部30在衬底上的短持续时间机械接触的垂直振荡的连续运动。因此，吸收膜20的冷却被制成为更加有效，从而持续时间更长且振幅更大。
此外，当形状记忆合金具有的动态时间常数Δtdyn大于与吸收膜20的冷却相关联的热时间常数Δtth时，形状记忆合金在吸收膜20响应于与衬底的热接触而冷却期间从奥氏体相(m≤0.05)达到马氏体相(m≥0.95)，并且因此达到小于或等于马氏体化结束温度Mf的温度。
刚已描述了特定实施例。几个变体和修改对本领域技术人员将是显而易见的。
因此，如图7A中的俯视图中所示，可变形部30可以位于XY平面中的吸收膜20的顶点附近，或者如在此处位于吸收膜20的一侧的中心处。所述吸收膜可以在可变形部30所位于的XY平面中具有切口，因此可以减小XY平面中与敏感像素相关联的填充系数，即吸收膜20(此处具有其可变形部30)的面积与敏感像素的总面积的比率。
此外，如图7B中的截面图中示意性所示，可变形部30可以具有在其静止配置(低温)中的向上弯曲的形状(在+Z方向上)，以及如在热短路配置中所示的大致平坦的形状或向下弯曲的形状(在–Z方向上)。
此外，如图7C中的俯视图中和图7D中的截面图中示意性所示，可变形部30可以具有在静止配置中的向下弯曲的形状(在–Z方向上)，以及如在热短路配置中所示的大致平坦的形状或向上弯曲的形状。在这种情况下，接触垫18在XY平面中具有突出部分，以提供了相对于可变形部30的接触表面18a。

Claims (9)

1.一种适于探测电磁辐射的热探测器(1)，包括：
○衬底(10)；
○吸收电磁辐射的膜(20)，相对于所述衬底(10)热绝缘，并且包括：
■包括测温转化器(26)的固定探测部(21)，
■可变形的热短路部(30)，
-包括组装到所述固定探测部(21)的固定端(31)以及相对的自由端(32)，
-适于在所述吸收膜(20)的温度变化的作用下变形，使得可变形部(30)的自由端(32)在吸收膜(20)的接触温度Tc处与衬底(10)相接触，
○其特征在于，所述可变形部(30)：
■包括形状记忆合金，其具有所述合金在奥氏体化开始温度As与奥氏体化结束温度Af之间、由马氏体相到奥氏体相的逆马氏体转变，以及在马氏体化开始温度Ms与马氏体化结束温度Mf之间、由奥氏体相到马氏体相的正马氏体转变，所述奥氏体化结束温度Af高于所述马氏体化开始温度Ms，并且
■相对于衬底(10)布置为使得所述自由端(32)在高于所述奥氏体化开始温度As的接触温度Tc处与所述衬底(10)相接触。
2.根据权利要求1所述的热探测器(1)，其中，所述可变形部(30)：
○具有所述自由端(32)的第一位置pr与所述自由端(32)的第二位置pd,max之间的最大行程Δpmax，所述第一位置pr针对小于或等于马氏体化结束温度Mf的、吸收膜(20)的温度Tm，所述第二位置pd,max对应于大于或等于奥氏体化结束温度Af的温度Tm，并且
○相对于衬底(10)定位成，使得将占据所述第一位置pr的自由端(32)与所述衬底(10)的接触表面(18a)分开的最大距离dmax小于或等于所述最大行程Δpmax，自由端(32)在接触温度Tc接触在所述接触表面上。
3.根据权利要求1所述的热探测器(1)，其中，所述形状记忆合金是基于NiTi的金属合金。
4.根据权利要求1所述的热探测器(1)，其中，所述形状记忆合金是选自以下的金属合金：Ti50.5Ni24.5Pd25、以原子百分比x>50％的Ti85.3-xNixHf14.7以及以原子百分比x>10％的Ti7Ni11Zr43Cu39-xCox。
5.根据权利要求1所述的热探测器(1)，其中，所述衬底(10)具有接触表面(18a)，在接触温度Tc处，所述自由端(32)接触在所述接触表面上，并且其中，所述形状记忆合金在固定端(31)与自由端(32)之间呈纵向条带的形式，所述形状记忆合金朝向衬底(10)的接触表面(18a)定向的一面具有突出特征(34)。
6.根据权利要求1所述的热探测器(1)，其中，所述衬底(10)具有平坦的上面(10a)，并且包括接触垫(18)，所述接触垫从所述上面(10a)延伸并且具有接触表面(18a)，在接触温度Tc处，所述自由端(32)接触在所述接触表面上。
7.根据权利要求1所述的热探测器(1)，其中，所述衬底(10)具有平坦的上面(10a)，并且其中，所述吸收膜(20)通过绝热臂(4)以及通过锚柱(3)被保持在衬底(10)的上面(10a)上方，所述锚柱大致正交于衬底(10)的上面(10a)的平面延伸。
8.根据权利要求6和7所述的热探测器(1)，其中，所述接触垫(18)由与锚柱(3)的导热材料相同的至少一种导热材料制成。
9.一种用于制造根据前述权利要求中任一项所述的热探测器(1)的方法，包括以下步骤：
○提供具有接触表面(18a)的衬底(10)；
○沉积至少一个牺牲层(41、42)；
○制造穿过牺牲层(41、42)的锚柱(3)；
○在牺牲层(41、42)上制造绝热臂和吸收膜(20)，所述吸收膜(20)包括与所述接触表面(18a)相对定位的可变形部(30)；
○去除牺牲层(41、42)。
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