DE3644882A1 - THERMAL DETECTOR MATRIX - Google Patents
THERMAL DETECTOR MATRIXInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine thermische Detektor matrix und insbesondere auf eine thermische Infrarot- Detektormatrix. In einem thermischen Detektor erhöht die Energie der absorbierten einfallenden Strahlung die Temperatur jedes Detektorelements. Diese Temperaturerhöhung verursacht Änderungen der temperaturabhängigen Eigen schaften des Detektors, die zur Erfassung der einfallenden Strahlung überwacht werden können. Im vorliegenden Zusammen hang besonders interessierende thermische Detektoren enthalten pyroelektrische Detektoren und/oder dielektrische Bolometerdetektoren in Form eines zweidimensionalen Feldes, das mit einer Halbleiter-Ablesevorrichtung gekoppelt ist, damit eine kompakte, als Festkörper ausgeführte ungekühlte Speichermatrix für die Erzeugung thermischer Bilder und damit in Beziehung stehende Anwendungsfälle geschaffen wird.The invention relates to a thermal detector matrix and especially on a thermal infrared Detector matrix. In a thermal detector, the Energy of the absorbed incident radiation Temperature of each detector element. This temperature increase causes changes in the temperature-dependent property shafts of the detector, which are used to detect the incident Radiation can be monitored. In the present together hang particularly interesting thermal detectors contain pyroelectric detectors and / or dielectric Bolometer detectors in the form of a two-dimensional Field coupled to a semiconductor reading device is, therefore, a compact, designed as a solid uncooled storage matrix for the generation of thermal Images and related use cases is created.
Es besteht ein wachsendes Interesse daran, bei thermischen Detektoren in großen zweidimensionalen Feldern bei feiner Teilung (beispielsweise bei Feldern bis zu und über 100×100 Elementen bei Teilungen mit oder unter 100 µm) Leistungen zu erreichen, die an die grundlegenden Grenzen eines thermischen Detektors heranreichen. Diese Leistung soll dabei beispielsweise hinsichtlich des Signal/Rausch- Verhältnisses der Detektormatrix beurteilt werden. Zur Erzielung dieser Leistung ist es notwendig, zunächst das von der Matrix abgreifbare Signal (die Ansprechempfindlich keit) zu maximieren, indem die Matrixstruktur optimiert wird, eine geeignete Auswahl des Detektormaterials erfolgt (d. h. ein Material mit einer hohen Ansprechgüte gewählt wird), die elektronische Leseschaltung optimiert wird und alle beispielsweise mit den dielektrischen Verlusten des Detektormaterials verbundenen Rauschquellen sowie die in der elektronischen Leseschaltung enthaltenen Rauschquellen auf ein Minimum herabgesetzt werden. Sobald diese Rausch quellen jedoch ausreichend reduziert worden sind, erfolgt eine Annäherung an ein grundsätzliches, durch physikalische Gegebenheiten einschränkendes Rauschen, das durch die Wärmeleitfähigkeit der Struktur und die Wirksamkeit der Strahlungserfassung und Absorption in den Detektor elementen bestimmt wird. Diese Grenzrauschzahl, die auch die thermische statistische Rauschgrenze bezeichnet wird, ist durch den folgenden Ausdruck gegeben:There is a growing interest in thermal Detectors in large two-dimensional fields with fine Division (for example for fields up to and over 100 × 100 elements for divisions with or below 100 µm) Achieve achievements that reach the basic limits of a thermal detector. This performance should, for example, with regard to the signal / noise Ratio of the detector matrix can be assessed. For To achieve this performance it is necessary to first do that signal that can be tapped from the matrix (the response sensitive maximize) by optimizing the matrix structure an appropriate selection of the detector material is made (i.e. selected a material with a high response quality is), the electronic reading circuit is optimized and all, for example, with the dielectric losses of the Noise sources associated with detector material as well as those in the noise sources contained in the electronic reading circuit be reduced to a minimum. Once this intoxication sources have been sufficiently reduced, however an approach to a basic one, through physical Limiting noise caused by the thermal conductivity of the structure and the effectiveness radiation detection and absorption in the detector elements is determined. This limit noise figure, too the thermal statistical noise limit is called is given by the following expression:
wobei G H der gesamte Wärmeleitwert eines Elements in der Matrix ist, η der Wirkungsgrad der Strahlungserfassung und Strahlungsabsorption in einer Elementfläche ist, K die Boltzmann-Konstante ist und T die absolute Temperatur ist.where G H is the total thermal conductivity of an element in the matrix, η is the efficiency of radiation detection and radiation absorption in an element area, K is the Boltzmann constant and T is the absolute temperature.
Ferner kann gezeigt werden, daß der elektrische Beitrag zur äquivalenten Leistung des thermischen statistischen Rauschens dem AusdruckIt can also be shown that the electrical contribution to equivalent performance of the thermal statistical Rushing the expression
Y H /η Y H / η
proportional ist, wobei Y H die thermische Admittanz eines Elements in der Matrix ist, von der ein Teil jwC H ist, wobei w die Betriebswinkelfrequenz ist und C H die Wärme kapazität des Elements ist. Dieser Ausdruck besagt, daß eine geringe Dicke der Detektorelemente erforderlich ist, so daß wC H im Betriebsfrequenzbereich kleiner oder gleich dem Wärmeleitwert, also dem Realteil von Y H ist. In der Praxis sind Gesamtwärmeleitwerte von weniger als 0,2 w · au -2 K -1 bei an 1 angenäherten Strahlungserfassungs- und -absorptionswirkungsgraden für Elementteilungen bei oder unter 100 µm und Elementdicken von weniger als 15 µm (vorzugsweise unter 8 µm) erforderlich, damit die Grenze des thermischen statistischen Rauschens immer noch eine brauchbare Leistung bei Betriebsfrequenzen im Bereich von 10 bis 50 Hz ergibt. Für andere Frequenzen ändert sich die bevorzugte Dicke im umgekehrten Verhältnis zur Frequenz.is proportional, where Y H is the thermal admittance of an element in the matrix, part of which is jwC H , where w is the operating angular frequency and C H is the heat capacity of the element. This expression states that a small thickness of the detector elements is required, so that wC H in the operating frequency range is less than or equal to the thermal conductivity, ie the real part of Y H. In practice, overall thermal conductivities of less than 0.2 w · au -2 K -1 are required with radiation detection and absorption efficiencies approximating 1 for element divisions at or below 100 µm and element thicknesses of less than 15 µm (preferably less than 8 µm), so that the limit of thermal statistical noise still gives usable performance at operating frequencies in the range of 10 to 50 Hz. For other frequencies, the preferred thickness changes inversely with frequency.
Ein pyroelektrischer Detektor, der hinsichtlich der äquivalenten Rauschleistung ein verbessertes Verhalten aufweist, ist in der GB-Patentanmeldung 21 00 058 (1982) beschrieben. Nach den Ausführungen in dieser Patentanmeldung ist ein thermisches Detektorelement angrenzend an einen Absorber mit größerer Fläche angebracht, und es wird federnd auf einem oder mehreren flexiblen Filmen getragen. Der elek trische Anschluß wird mit Hilfe von Leitern geschaffen, die sich seitlich auf den Innenflächen dieser flexiblen Filme erstrecken. Diese Konstruktion kann zwar in Längs richtung in Form einer eindimensionalen Matrix erweitert werden, jedoch verhindert das Erfordernis der seitlichen Ausdehnung gemäß dem zuvor Gesagten allgemein die Ver wirklichung in einer zweidimensionalen Form mit feiner Teilung.A pyroelectric detector that respects the equivalent noise performance has improved behavior, is described in GB patent application 21 00 058 (1982). According to the statements in this patent application, there is a thermal detector element adjacent to an absorber with a larger area attached and it will spring up one or more flexible films. The elec trical connection is created with the help of conductors, which are laterally on the inner surfaces of this flexible Films. This construction can be in the longitudinal direction direction expanded in the form of a one-dimensional matrix be prevented, however, the requirement of lateral Expansion according to what has been said above generally the ver realization in a two-dimensional form with fine Division.
Eine zweidimensional integrierte Detektormatrix ist in der US-PS 41 62 420 (1979) beschrieben. In dieser Matrix sind die Elemente jedoch nicht netzartig strukturiert. Die Detektor ebene ist mittels einer Reihe von Metallstäben (10 µm² Querschnitt und 25 µm Länge) im Abstand von einer aus Sili cium gebildeten Leseschaltung gehalten, mit der jedoch eine elektrische Verbindung besteht. Die Verwendung metallischer Materialien in dieser Form ergibt zusammen mit dem Fehlen der Netzstruktur eine Vorrichtung, die eine relativ geringe thermische Isolierung und somit ein thermisches Nebensprechen zwischen benachbarten Elementen aufweist.A two-dimensionally integrated detector matrix is in the US-PS 41 62 420 (1979). In this matrix however, the elements are not structured like a network. The detector level is by means of a series of metal bars (10 µm² Cross-section and 25 µm long) at a distance from one made of sili cium formed reading circuit, but with the there is an electrical connection. The usage metallic materials in this form together with the lack of network structure a device that is a relative low thermal insulation and thus a thermal Has crosstalk between adjacent elements.
Es war somit bisher ein Problem, eine große, zweidimen sionale integrierte Infrarot-Detektormatrix mit feiner Teilung zu schaffen, die eine befriedigende thermische Isolierung und ein niedriges Nebensprechen aufweist.So it was a problem so far, a big, two-dimensional sional integrated infrared detector matrix with fine To create division that is a satisfactory thermal Isolation and low crosstalk.
Mit Hilfe der Erfindung sollen Detektorstrukturen und Herstellungsverfahren geschaffen werden, die für große zweidimensionale thermische Detektormatrizen geeignet sind, in denen eine hohe thermische Isolation (niedriger Wert für G H ) mit einem hohen Wirkungsgrad für die Strahlungserfassung und -absorption kombiniert ist.With the help of the invention, detector structures and production methods are to be created which are suitable for large two-dimensional thermal detector matrices in which high thermal insulation (low value for G H ) is combined with high efficiency for radiation detection and absorption.
Nach der Erfindung ist eine thermische Detektormatrix mit einzelnen in einem zweidimensionalen Feld angeordneten thermischen Detektorelementen dadurch gekennzeichnet, daß jedes Element auf einer Seite einer Schicht aus elastischem Material mit niedriger Wärmeleitfähigkeit angebracht ist, das auch dazu dient, die Elemente im Abstand voneinander zu halten, wobei eine Gegenseite der Schicht eine gemeinsame Elektrodenstruktur trägt, die mit jedem Detektor element in Kontakt steht und über elektrischleitende Bahnen mit hohem Wärmewiderstand Verbindungen zwischen den Detektor elementen herstellt, daß jedes Detektorelement mit einer Elementelektrode versehen ist, die mit einer nach innen gerichteten Fläche des Detektorelements in Kontakt steht, wobei jede Elementelektrode mit Hilfe eine Bondgliedes an eine Eingangsschaltung eines Halbleitersubstrats ange schlossen ist, so daß die Bondglieder dazu dienen, die Schicht bezüglich des Substrats zu tragen, und daß jedem Element ein Strahlungsabsorber zugeordnet ist.According to the invention, a thermal detector matrix is included individually arranged in a two-dimensional field Thermal detector elements characterized in that each element on one side of a layer of elastic Material with low thermal conductivity is attached, which also serves to space the elements apart to keep, with an opposite side of the layer being a common one Electrode structure bears with every detector element is in contact and via electrically conductive tracks with high thermal resistance connections between the detector elements that each detector element with a Element electrode is provided with an inside directed surface of the detector element is in contact, each element electrode using a bonding member an input circuit of a semiconductor substrate is indicated is closed, so that the bond members serve the Layer with respect to the substrate, and that everyone Element is assigned a radiation absorber.
Die Bondglieder können aus einem Material mit niedriger Wärmeleitfähigkeit gebildet sein.The bond links can be made of a lower material Thermal conductivity should be formed.
Vorzugsweise ist vorgesehen, daß die Bondglieder zwischen den jeweiligen Detektorelementen und dem Substrat angeordnet sind. Als Alternative kann vorgesehen sein, daß die Bondglieder angrenzend an die Seiten der jeweiligen Detektor elemente angebracht sind und sich direkt zwischen dem Substrat und der Schicht erstrecken.It is preferably provided that the bond members between the respective detector elements and the substrate are. As an alternative, it can be provided that the Bonds adjacent to the sides of each detector elements are attached and directly between the Extend substrate and the layer.
Ferner wird mit Hilfe der Erfindung ein zugehöriges Herstellungs verfahren geschaffen. Strukturen wie die oben beschriebenen Strukturen können hergestellt werden, indem volle Schichten aus Detektormaterial bearbeitet werden; sie können jedoch auch unter Anwendung der Dünnschichttechnik herge stellt werden. Furthermore, with the help of the invention, an associated manufacturing procedure created. Structures like those described above Structures can be made by full Layers of detector material are processed; you can however also using thin film technology be put.
Die verbesserten Strukturen und Verfahren eignen sich für dielektrische Bolometer und pyroelektrische Detektormatrizen, in denen von Einkristall- oder keramischen ferroelek trischen Oxidmaterialien wie Barium, Strontium, Titanat, Bleimagnesiumniobat, Bleiscandiumtantalat, Bleieisen niobat, Bleieisenwolframat und Bleizirconat/Bleieisen niobat Gebrauch gemacht wird.The improved structures and processes are suitable for dielectric bolometers and pyroelectric detector matrices, in those of single crystal or ceramic ferroelek trical oxide materials such as barium, strontium, titanate, Lead magnesium niobate, lead scandium tantalate, lead iron niobate, lead iron tungstate and lead zirconate / lead iron niobat use is made.
Die vollständige körperliche Trennung der Detektorelemente des thermischen Detektormaterials in der Matrix gewähr leistet einen niedrigen Wärmeleitwert und ein geringes thermisches Nebensprechen zwischen den Elementen.The complete physical separation of the detector elements of the thermal detector material in the matrix has a low thermal conductivity and a low one thermal crosstalk between the elements.
Die Trägerschicht besteht vorzugsweise aus einem Polymer material. Polymermaterialien sind für die Trägerschicht am besten geeignet, wie im übrigen auch für andere Zwecke, die eine mechanische Verbindung oder Stützung beinhalten und zusätzlich das Vorsehen eines niedrigen Wärmeleitwerts erfordern. Polymermaterialien, die gewöhnlich Isolier materialien mit komplexer Molekülstruktur sind und häufig so aufgebaut sind, daß sie amorphe und nicht kristalline Festkörper sind, bieten bei Umgebungstemperatur die niedrigsten Wärmeleitwerte aller Festkörperklassen, wie aus der nachfolgenden Tabelle hervorgeht:The carrier layer preferably consists of a polymer material. Polymer materials are for the backing layer most suitable, as well as for other purposes, which involve a mechanical connection or support and in addition the provision of a low thermal conductivity require. Polymer materials, usually insulating materials with a complex molecular structure are common are constructed so that they are amorphous and not crystalline Are solid, offer at ambient temperature lowest thermal conductivity values of all solid-state classes, like from the following table shows:
MaterialklasseWärmeleitfähigkeitsbereich
(typisch) W · M. -1 · K -1
Metalle10-400
Halbleiter 1-200
Kristalline anorganische Festkörper 2-200
Amorphe anorganische Festkörper0,8-2,0
Organische Polymere0,1-0,4Material class Thermal conductivity range
(typical) W · M. -1 · K -1 metals10-400 semiconductors 1-200 crystalline inorganic solids 2-200 amorphous inorganic solids 0.8-2.0 organic polymers 0.1-0.4
Eine bevorzugte Polymermaterialklasse für die Trägerschicht ist die Polyimidfamilie der Hochtemperaturpolymere. Beispiele sind unter denjenigen Materialien zu finden, die bisher in großem Umfang als Passivierungs- und Dielektrikums- Zwischenschichten für die Anwendung auf integrierten Siliciumschaltungen entwickelt worden sind. Ein spezielles Beispiel eines Polyimidmaterials, das hier erfolgreich angegeben werden kann, ist das mit "PIQ" bezeichnete Poly imig-Material der Firma Hitachi. Die Verwendung eines Trägerfilms aus Polyimidmaterial, das zäh und flexibel ist und eine hohe Glasübergangstemperatur bei guter Haftung an Metall und Oxidoberflächen hat, ist mit den oben erwähnten ferroelektrischen Materialien und mit dem Flip-Chip- Lotbondverfahren, dem für den vorliegenden Zweck bevorzugten Verfahren, völlig verträglich. Polyimidfilme werden mittels Schleuderbeschichtung aufgebracht und typischer weise bei Temperaturen zwischen 300 und 350°C gehärtet. Die Schichtdicken über dem Bereich von ∼0,2 bis 0,3 µm sind in der Praxis möglich, wobei Beschichtungen im Submikronbereich bevorzugt werden. Der Unterschied der Wärme ausdehnungskoeffizienten des Polyimidfilms und der ferro elektrischen Oxidmaterialien, die die Detektorelemente bilden (∼50 ppm · K -1 von <10 ppm · K -1) setzt den Trägerfilm unter eine geringe positive Spannung nach dem Abkühlen aus dem Härtungsstadium. Dadurch wird der Film nach der Strukturierung straff gehalten, und es ergibt sich ein niedriger Mikrophoneffekt. Weitere mögliche Polymermaterialien für die Verwendung als Trägerfilm enthalten Polyamide und Poly urethane (einschließlich UV-härtbarer Typen) sowie aus der Dampfphase abgeschiedene Polymere (beispielsweise Parylen).A preferred class of polymeric materials for the backing layer is the polyimide family of high temperature polymers. Examples can be found among those materials which have so far been developed on a large scale as passivation and dielectric intermediate layers for use on integrated silicon circuits. A specific example of a polyimide material that can be successfully given here is the polyimig material from Hitachi, designated "PIQ". The use of a carrier film made of polyimide material, which is tough and flexible and has a high glass transition temperature with good adhesion to metal and oxide surfaces, is complete with the ferroelectric materials mentioned above and with the flip-chip solder bonding process, the process preferred for the present purpose compatible. Polyimide films are applied by means of spin coating and are typically cured at temperatures between 300 and 350 ° C. The layer thicknesses over the range of ∼0.2 to 0.3 µm are possible in practice, with coatings in the submicron range being preferred. The difference in the coefficient of thermal expansion of the polyimide film and the ferroelectric oxide materials that form the detector elements (∼50 ppm · K -1 of <10 ppm · K -1 ) puts the carrier film under a low positive voltage after cooling from the hardening stage. This keeps the film taut after patterning and results in a low microphone effect. Other possible polymer materials for use as a carrier film contain polyamides and polyurethane (including UV-curable types) and polymers separated from the vapor phase (for example parylene).
Die Verwendung einer vollständig aus einzelnen Elementen aufgebauten Struktur auf einer aus Polymermaterial bestehenden Trägerschicht, die unter einer geringen Spannung steht, gewährleistet einen sehr niedrigen Mikrophoneffekt. Eine gewisse piezoelektrische Aktivität ist sowohl bei den pyroelektrischen als auch in den dielektrischen Bolometer materialien unter dem Einfluß des angewendeten Vorspannungs feldes vorhanden, und die Detektoren müssen so ausgeführt werden, daß dieses unerwünschte Ansprechverhalten auf ein Minimum herabgesetzt wird.The use of a completely single item structure built on a polymer material Carrier layer that is under a low tension, ensures a very low microphone effect. A certain piezoelectric activity is both in the pyroelectric as well as in the dielectric bolometer materials under the influence of the applied preload field exists, and the detectors must be so designed be that this undesirable response to a Minimum is reduced.
Die oben erwähnte Strahlungsabsorberstruktur kann aus einem dünnen Widerstandsmetallfilm mit einer an die Impedanz des freien Raums angepaßten Impedanz (377Ω10) gebildet werden, der auch als die gemeinsame Elektrode dient. Ein solcher Film absorbiert 50% der einfallenden Breitband strahlung. Zur Erhöhung des Absorptionswirkungsgrades über einen begrenzten Wellenbereich können reflektionsverhin dernde Schichten hinzugefügt werden. Auch eine aktive Elektrodenschicht aus reflektierendem Metall auf der anderen Seite des Detektorelements kann zusammen mit der Kenntnis der optischen Infraroteigenschaften der Materialien in der Struktur und der Kontrolle der Dicke des Detektorelements angewendet werden, um den Absorptions wirkungsgrad im interessierenden Band weiter zu erhöhen. Wirkungsgrade von 0,6 bis 0,8 im 8-14 µm Infrarotband sind bei solchen Mehrschichtstrukturen erreichbar. Eine bevor zugte Absorberschichtstruktur umfaßt ein Metallschwarz wie Platinschwarz, das einen nahe bei Eins liegenden Absorptionskoeffizienten in einer Struktur mit sehr geringer thermischer Masse bietet.The radiation absorber structure mentioned above can be made from a thin resistive metal film with one attached to it Free space impedance matched impedance (377Ω10) be formed, which also serves as the common electrode. Such a film absorbs 50% of the incoming broadband radiation. To increase the absorption efficiency over a limited waveband can prevent reflection changing layers are added. Also an active one Reflective metal electrode layer on top of the other Side of the detector element can be used together with the Knowledge of the optical infrared properties of the materials in the structure and control of the thickness of the Detector element can be applied to the absorption to further increase efficiency in the band of interest. Efficiencies from 0.6 to 0.8 in the 8-14 µm infrared band are achievable with such multilayer structures. One before the absorber layer structure comprises a metal black like platinum black that is close to one Absorption coefficient in a structure with very low thermal mass offers.
Die Absorber können zwar eine Fläche haben, die der der jeweiligen Detektorelemente entspricht, jedoch können die Absorber- und Detektorflächen in vernetzten Detektormatrix strukturen unabhängig voneinander verändert werden. Die unabhängige Natur dieser zwei Strukturen kann dazu ausge nutzt werden, einen hohen Strahlungserfassungs- und -absorptionswirkungsgrad kombiniert mit einem hohen Ausmaß an thermischer Isolation zwischen den Detektorelementen zu erzielen.The absorbers can have an area that the corresponds to the respective detector elements, but the Absorber and detector surfaces in a networked detector matrix structures can be changed independently. The independent nature of these two structures can do this be used, a high radiation detection and absorption efficiency combined with a high degree thermal insulation between the detector elements to achieve.
Bevorzugte Elektromaterialien insbesondere für Verbin dungsbahnen zwischen den Elementen und zu den Kontakt flächen der Elemente enthalten Metalle, Metallegierungen, Cermete und amorphe Metallegierungen mit hohem Wärme widerstand; sie weisen eine gute Haftung an den anderen Materialien in der Struktur auf und können zur Bildung schmaler Bahnen strukturiert werden. Beispiele enthalten anodisiertes Chrom, metallische Nickel-Chrom-Legierungs filme, Chrom-Siliciumdioxid-Cermet-Filme und amorphe Nickel-Indium-Metallfilme. Solche Filme, die mit geringer Dicke (beispielsweise 10 bis 30 µm) und geringer Breite (beispielsweise 2 bis 10 µm) benötigt werden, können unter Anwendung einer Vielzahl thermischer Aufbringungs verfahren aufgebracht werden, einschließlich der Glühfaden- und Elektronenstrahlverdampfung oder durch Zerstäubung. Zerstäubungsprozesse und insbesondere Magnetron- Zerstäubungsprozesse werden bevorzugt. Zum Aufbringen von Metallschwarz wie Platinschwarz wird eine Elektrode aus einem der oben genannten Materialien mit einem Überzug aus einem inerten Metall mit hoher elektrischer Leitfähig keit wie Gold benötigt. Das inerte Metall mit hoher Leit fähigkeit kann von den Verbindungsbahnen des Elements nach der Aufbringung des Metallschwarz entfernt werden, damit der damit verbundene thermische Nebenfluß beseitigt wird. Durchgehende Löcher in dem Polymer-Trägerfilm über den Elementen sind erwünscht, damit ein guter Wärmekontakt zwischen dem Absorber und dem Detektorelement gewährleistet wird. Wenn eine hinsichtlich der Impedanz angepaßte Dünn film-Absorberstruktur benutzt wird, kann der Polymer-Träger film auch als eine reflexionsverhindernde Schicht für den Absorber dienen. Preferred electrical materials especially for Verbin tracks between the elements and to the contact surfaces of the elements contain metals, metal alloys, Cermete and amorphous metal alloys with high heat resistance; they have good liability to others Materials in the structure and can be used for formation narrow paths are structured. Examples included anodized chrome, metallic nickel-chrome alloy films, chromium-silica-cermet films and amorphous Nickel-indium metal films. Such films with less Thickness (e.g. 10 to 30 µm) and narrow width (for example 2 to 10 µm) can be required using a variety of thermal applications procedures, including the Filament and electron beam evaporation or by Atomization. Sputtering processes and especially magnetron Atomization processes are preferred. To apply An electrode is made from metal black like platinum black one of the above materials with a coating made of an inert metal with high electrical conductivity required like gold. The inert metal with high conductivity ability can depend on the connecting tracks of the element the application of the metal black are removed so the associated thermal tributary is eliminated. Through holes in the polymer carrier film over the Elements are desirable so that good thermal contact guaranteed between the absorber and the detector element becomes. If a thin matched in terms of impedance Film-absorber structure is used, the polymer carrier film also as a reflection preventing layer for the Serve absorber.
Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung beispielshalber erläutert. Es zeigtThe invention will now be described by way of example with reference to the drawing explained. It shows
Fig. 1 einen Schnitt eines Ausführungsbeispiels einer integrierten thermischen Detektormatrix nach der Erfindung, Fig. 1 shows a section of an embodiment of an integrated thermal detector array according to the invention,
Fig. 2 einen detaillierten Schnitt eines Bild elements der Matrix von Fig. 1, wobei die Struktur des Bondglieds genau dargestellt ist, FIG. 2 shows a detailed section of an image element of the matrix from FIG. 1, the structure of the bonding element being shown exactly,
Fig. 3 einen Schnitt einer integrierten thermischen Detektormatrix gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, Fig. 3 is a sectional view of an integrated thermal detector array in accordance with another embodiment of the invention,
Fig. 4 und 5 einen Schnitt bzw. eine Draufsicht auf eine bevorzugte Ausführungsform der in der vorhergehenden Figur gezeigten Matrix, FIGS. 4 and 5 is a section and a plan view of a preferred embodiment of the matrix shown in the previous figure,
Fig. 6 und 7 schematische Schnitte der Matrizen gemäß den vorhergehenden Figuren, wobei Einzel heiten der Konstruktion und des Zusammen baus bei einer Herstellung aus einem Materialkörper dargestellt sind, FIGS. 6 and 7 are schematic sections of the matrices according to the preceding figures, in which individual units of the construction and assembly are shown in a production of a material body,
Fig. 8 und 9 schematische Schritte eines vorgeformten Teils und der Matrix bei der Herstellung unter Anwendung der Dünnschichttechnik. Fig. 8 and 9 are schematic steps of a pre-formed part and the matrix in the manufacture of using the thin film technology.
Zum besseren Verständnis der Erfindung werden nun Ausfüh rungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. For a better understanding of the invention, Ausfüh Example with reference to the drawings explained.
In Fig. 1 ist eine integrierte thermische Detektormatrix dargestellt. Sie besteht aus einer großen Anzahl von thermischen Detektorelementen 1, von denen jeweils mittels einer elastischen Trägerschicht 3 aus einem Material mit niedriger Wärmeleitfähigkeit einzeln im Abstand voneinander in einer Matrixposition gehalten wird. Die Trägerschicht sorgt für einen ausreichenden Halt und eine ausreichende mechanische Festigkeit für die gesamte Anordnung. Auf einer nach innen gerichteten Fläche der Schicht 3 erstreckt sich eine gemeinsame Elektrodenstruktur 5, die eine Ver bindung zwischen den Elementen mit Hilfe von elektrisch leitenden Verbindungsgliedern 7 mit hohem Wärmewiderstand herstellt. Die andere Fläche jedes Elements 1 trägt eine Einzelelementelektrode 9. Die festgehaltene Matrixstruktur ist über einem Halbleitersubstrat 11 angeordnet, und Bondglieder 13, die auch eine Stützfunktion haben und elektrische Verbindungen herstellen, sind zwischen jedes Element 1 und das Substrat 11 eingefügt. Diese Bondglieder stellen die elektrische Verbindung zwischen den Element elektroden 9 und entspechenden Eingangskontaktbereichen 15 von Schnittstellen-Leseschaltungen her, die in dem Halbleitersubstrat 11 integriert sind. Entsprechend jedem Detektorelement 1 ist ein Block 17 aus wärmeabsorbierendem Material auf der anderen Fläche der Schicht 3 ange bracht. Es besteht ein thermischer Kontakt zwischen jedem Element 1 und dem Absorberblock 17, und eine wirksame Wärmeleitung ist durch den Träger (Schicht) oder durch metall gefüllte Öffnungen in dem Träger (Bahn) geschaffen.An integrated thermal detector matrix is shown in FIG . It consists of a large number of thermal detector elements 1 , each of which is held individually at a distance from one another in a matrix position by means of an elastic carrier layer 3 made of a material with low thermal conductivity. The carrier layer provides sufficient hold and mechanical strength for the entire arrangement. On an inwardly facing surface of the layer 3 extends a common electrode structure 5 , which produces a connection between the elements with the aid of electrically conductive connecting members 7 with high thermal resistance. The other surface of each element 1 carries a single element electrode 9 . The held matrix structure is arranged over a semiconductor substrate 11 , and bonding elements 13 , which also have a supporting function and make electrical connections, are inserted between each element 1 and the substrate 11 . These bonding elements produce the electrical connection between the element electrodes 9 and corresponding input contact areas 15 of interface reading circuits which are integrated in the semiconductor substrate 11 . According to each detector element 1 , a block 17 of heat-absorbing material is placed on the other surface of the layer 3 . There is thermal contact between each element 1 and the absorber block 17 , and effective heat conduction is created through the carrier (layer) or through metal-filled openings in the carrier (web).
Wie Fig. 2 zeigt, ist jedes Bondglied 13 eine zusammen gesetzte Struktur, die unterhalb jedes Elements 1 ange bracht ist. Auf diese Weise werden die einander wider sprechenden Erfordernisse der elektrischen Verbindung und der Wärmeisolation kombiniert. Diese zusammengesetzte Struktur kann beispielsweise dadurch verwirklicht werden, daß unmittelbar unterhalb des Detektorelements 1 eine Erhebung 19 aus einem Material mit niedriger Wärmeleit fähigkeit, beispielsweise einem Polymer, gebildet wird und auf der Erhebung 19 eine dünne Metallbahn 21 mit hohem Wärmewiderstand angebracht wird. Die metallisierte Polymererhebung 19 wird dann durch Bonden elektrisch mit der Eingangskontaktfläche 15 des Substrats 11 beispiels weise durch Vorsehen einer Lötbondverbindung 23 und einer Oberflächenmetallisierung 25, 27 in Verbindung gebracht. Diese Struktur kann auch in invertierter Form benutzt werden, d. h. daß die Lotbondverbindung 23 angrenzend an das Detektorelement 1 und die Polymererhebung 19 angrenzend an das Substrat 11 angebracht werden. Diese Struktur ist jedoch weniger bevorzugt, da die Lotbond verbindung 23 dann als thermische Last am Detektorelement 1 wirkt und das Ansprechverhalten dementsprechend reduziert.As shown in Fig. 2, each bond member 13 is a composite structure which is placed below each element 1 . In this way, the conflicting requirements of the electrical connection and the thermal insulation are combined. This composite structure can be realized, for example, that immediately below the detector element 1, an elevation 19 of a material with low thermal conductivity, for example a polymer, is formed and on the elevation 19 a thin metal sheet 21 is attached with high thermal resistance. The metallized polymer elevation 19 is then electrically connected by bonding to the input contact surface 15 of the substrate 11, for example by providing a solder bond connection 23 and a surface metallization 25, 27 . This structure can also be used in inverted form, ie the solder bond connection 23 is attached adjacent to the detector element 1 and the polymer bump 19 adjacent to the substrate 11 . However, this structure is less preferred because the solder bond 23 then acts as a thermal load on the detector element 1 and accordingly reduces the response behavior.
Zur Bildung der Polymererhebung 19 kann eine Reihe von Polymermaterialien ausgewählt werden. Polyimidmaterialien eignen sich besonders für die invertierte Form der Erhebungsstruktur, bei der die Erhebung 19 auf dem Substrat 11 angeordnet ist. Polyimidmaterialien eignen sich weniger gut für die ursprüngliche Erhebungsstruktur, weil der damit verbundene Härtungszyklus einige Schwierigkeiten im Herstellungsablauf mit sich bringen kann. Für die Bildung der Struktur von Fig. 2 wird vorzugsweise ein Novolac-Photo resist benutzt, der strukturiert und dann zur Bildung einer Erhebung 19 mit einem abgerundeten Kantenprofil zur Erleichtertung der anschließenden Metallisierung fließ getrocknet werden kann. Zur Strukturierung des Novolac-Harzes und zur Stabilisierung der Erhebungsabmessungen von der Metallisierung und der abschließenden Lotbondoperation ist die Durchführung einer Strahlungsstabilisierungsbehandlung (UV, Röntgenstrahl oder Elektronenstrahl) oder einer chemischen Stabilisierungsbehandlung (beispielsweise Eintauchen in eine saure Formaldehydlösung) erwünscht.A number of polymer materials can be selected to form polymer bump 19 . Polyimide materials are particularly suitable for the inverted shape of the bump structure, in which the bump 19 is arranged on the substrate 11 . Polyimide materials are less suitable for the original bump structure because the curing cycle involved can pose some difficulties in the manufacturing process. For the formation of the structure of FIG. 2, a Novolac photo resist is preferably used, which can be structured and then flow dried to form an elevation 19 with a rounded edge profile to facilitate the subsequent metallization. To structure the Novolac resin and to stabilize the bump dimensions from the metallization and the final solder bonding operation, it is desirable to carry out a radiation stabilization treatment (UV, X-ray or electron beam) or a chemical stabilization treatment (for example immersion in an acidic formaldehyde solution).
Die Annahme einer punktgebondeten Struktur, bei der die Bondglieder 13 unterhalb jedes Elements 1 liegen, bedeutet, daß das Element selbst einen großen Teil der verfügbaren Bildpunktfläche ausfüllen kann. Es kann gezeigt werden, daß bei einem optimierten Kompromiß zwischen dem Bildpunktfüllfaktor (d. h. dem Strahlungserfassungswirkungs grad) und dem thermischen Nebensprechen zwischen benach barten Elementen 1 für gleiche Flächen der Absorberblöcke 17 und der Elemente 1 bei einem Verhältnis der Element breite zur Lückenbreite von 4 : 1 entsprechend einem Strahlungs erfassungswirkungsgrad von 0,64 die Verwendung einer erweiterten Kollektorfläche aus Platinschwarz (siehe Fig. 4) und/oder zugehöriger Kollektorstrukturen (XAC) mit erweiterter Fläche ein weiterer beträchtlicher Gewinn beim Erfassungswirkungsgrad ohne Beeinträchtigung der thermischen Isolation erzielt werden kann. Mit Hilfe solcher Mittel kann ein an 0,9 angenäherter Erfasssungs- und Absorptionswirkungsgrad insbesondere bei Strukturen mit oder unter 100 µm Teilung erzielt werden.The assumption of a point-bonded structure in which the bond members 13 lie below each element 1 means that the element itself can fill up a large part of the available pixel area. It can be shown that with an optimized compromise between the pixel fill factor (ie the radiation detection efficiency) and the thermal crosstalk between neighboring elements 1 for equal areas of the absorber blocks 17 and the elements 1 with a ratio of the element width to the gap width of 4: 1 corresponding to a radiation detection efficiency of 0.64, the use of an expanded platinum black collector area (see FIG. 4) and / or associated collector structures (XAC) with an enlarged area, a further considerable gain in the detection efficiency can be achieved without impairing the thermal insulation. With the aid of such means, a detection and absorption efficiency approximated to 0.9 can be achieved, in particular in structures with or with a pitch of less than 100 μm.
In Fig. 3 ist eine alternative Ausführung einer Matrix struktur dargestellt. In diesem Beispiel wird die Wärme isolierung des Elements 1 vom Leseschaltungssubstrat (dem Hauptwärmeableiter in jeder Struktur) und zwischen benach barten Elementen gleichzeitig mit Hilfe eines Polymer- Trägerbandes 3 um jedes Element 1 erzielt. Die einzelnen Elemente 1 dieser Struktur sind kleiner als bei der punkt gebondeten Struktur (Fig. 1), und die Polymer-Trägerbahn 3 ist entsprechend länger. Die Bondglieder 13, die die elek trischen Verbindungen von den Elementelektroden 9 zur Leseschaltung 15 herstellen, sind auf der Bahn 3 ange bracht, und es ist nicht mehr wesentlich, zusätzliche Wärmesperrstrukturen (Erhebungen) in den Bondgliedern 13 anzubringen, wie dies bei der Punktbondstruktur angewendet wurde. Bei dieser Struktur ist die gesamte Wärmeleitfähig keit ein Kompromiß bezogen auf den Strahlungserfassungs wirkungsgrad (für den Fall, daß das Element 1 und der Absorberblock 17 die gleiche Fläche haben), und ein opti maler Elementdurchmesser beträgt 0,6 der Bildpunktbreite, was einen Bildpunktfüllfaktor (oder Strahlungserfassungs wirkungsgrad) von etwa 0,35 ergibt. Die Werte für die gesamte und die seitliche Wärmeleitfähigkeit sind bei dieser Polymermembranstruktur bei einer gegebenen Teilung und bei praxisgerechten Strukturabmessungen wesentlich niedriger als bei der Punktbondstruktur von Fig. 1. Dies kann jetzt endlich eine bessere Leistung der Matrix ergeben, vorausgesetzt, daß der Strahlungserfassungswirkungs grad erhöht werden kann.In Fig. 3, an alternative embodiment of a matrix structure is illustrated. In this example, the thermal insulation of the element 1 from the reading circuit substrate (the main heat sink in each structure) and between neighboring elements is achieved simultaneously with the aid of a polymer carrier tape 3 around each element 1 . The individual elements 1 of this structure are smaller than in the case of the point-bonded structure ( FIG. 1), and the polymer carrier web 3 is correspondingly longer. The bond members 13 , which produce the electrical connections from the element electrodes 9 to the read circuit 15 , are introduced on the web 3 , and it is no longer essential to attach additional heat barrier structures (bumps) in the bond members 13 , as used in the point bond structure has been. With this structure, the overall thermal conductivity is a compromise in terms of radiation detection efficiency (in the event that element 1 and absorber block 17 have the same area), and an optimal element diameter is 0.6 of the pixel width, which is a pixel fill factor ( or radiation detection efficiency) of about 0.35. The total and lateral thermal conductivity values for this polymer membrane structure are much lower for a given pitch and for practical structure dimensions than for the dot bond structure of Fig. 1. This can finally result in better matrix performance, provided that the radiation detection efficiency increases can be.
Eine bevorzugte Ausführung der auf einer Membran ange brachten zweidimensionalen thermischen Detektormatrix enthält einen Kollektor 17′ aus Platinschwarz mit erweiterter Fläche (PB-XAC), wie Fig. 4 zeigt. Es ist besonders darauf hinzuweisen, daß diese bevorzugte Struktur eine Beschneidung der Ecken der Detektorelemente umfaßt, was achteckige und nicht quadratische Elemente ergibt. Dies führt zu einer Verlängerung der Dünnschicht-Metallisierungs bahn 29, die jede Elementelektrode 9 mit jedem Bondglied zur Leseschaltung 19 verbindet, was eine weitere Erhöhung der Wärmeisolation mit einem minimalen Verlust an Absorber fläche ergibt. Diese Dünnschichtbahn 29 verläuft von der Elementelektrode 9 über die Polymerisolation 31 zu der Stelle, wo die Bondglieder 13 angeordnet sind. Die Verwendung von vier gemeinsamen Elektrodenanschlüssen 7 sei ebenfalls erwähnt. Zwar sind zwei Verbindungen pro Element zuzüglich weiterer Verbindungen an den Enden jeder Elementzeile für den vollständigen gemeinsamen Anschluß genügend, jedoch ist eine gewisse Redundanz bei den feinen Bahngeometrien von Nutzen, die bei diesen Strukturen mit feiner Teilung erwünscht sind. Die Verwendung von drei oder vier gemeinsamen Anschlüssen 7 ist daher erwünscht. Als bevorzugtes Verfahren zur Herstellung der Bondglieder 13 zwischen der Matrix und der elektronischen Lese schaltung 15 ist wieder das Flip-Chip-Lotbondverfahren angewendet worden. Dieses Verfahren eignet sich besonders für die Membranstruktur, da das Lotbondverfahren keine Anwendung von mechanischem Druck umfaßt, wie es bei allen Bond verfahren mit fester Phase, beispielsweise dem Indium- Bondverfahren, erforderlich ist, was unverträglich mit dem Anbringen der Bondglieder auf einem flexiblen Polymerfilm wäre. Das Lotbondverfahren beruht vielmehr auf der natür lichen Benetzungswirkung von geschmolzenem Lot auf der benetzbaren Metallisierung 25, 27, die auf den zwei zur Bildung der Bondglieder 13 verwendeten Komponenten vorge sehen ist. Das Seitenverhältnis des Lotbondglieds erlaubt bei einer mit dem Durchmesser des vom Lot benetzbaren Blocks verträglichen Bondelementhöhe die Einhaltung eines räumlichen Abstands jedes thermischen Detektorelements 1 von dem Substrat 11 der Leseschaltung, vorausgesetzt, daß die Elementdicke geringer als die Höhe des Lotbondelements ist. Diese Anforderung an die Geometrie der Bondelemente verträgt sich mit dem Erfordernis sehr kleiner Element dicken, wie oben bereits erwähnt wurde.A preferred embodiment of the two-dimensional thermal detector matrix attached to a membrane contains a collector 17 ' made of platinum black with an enlarged area (PB-XAC), as shown in FIG. 4. It should be particularly noted that this preferred structure includes trimming the corners of the detector elements, resulting in octagonal and non-square elements. This leads to an extension of the thin-film metallization path 29 , which connects each element electrode 9 with each bonding element to the reading circuit 19 , which results in a further increase in thermal insulation with a minimal loss of absorber area. This thin-film web 29 runs from the element electrode 9 via the polymer insulation 31 to the point where the bond members 13 are arranged. The use of four common electrode connections 7 should also be mentioned. Although two connections per element plus additional connections at the ends of each element row are sufficient for the complete joint connection, a certain redundancy is useful in the fine path geometries that are desired in these fine pitch structures. The use of three or four common connections 7 is therefore desirable. As a preferred method for producing the bond members 13 between the matrix and the electronic reading circuit 15 , the flip-chip solder bonding method has been used again. This method is particularly suitable for the membrane structure, since the solder bonding method does not involve the application of mechanical pressure, as is required for all solid phase bonding methods, for example the indium bonding method, which would be incompatible with the attachment of the bonding elements on a flexible polymer film . Rather, the solder bonding process is based on the natural wetting effect of molten solder on the wettable metallization 25, 27 , which is provided on the two components used to form the bond members 13 . The aspect ratio of the solder bond member allows a spacing of each thermal detector element 1 from the substrate 11 of the reading circuit to be maintained at a bond element height compatible with the diameter of the block that can be wetted by the solder, provided that the element thickness is less than the height of the solder bond element. This requirement for the geometry of the bond elements is compatible with the requirement for very small element thicknesses, as has already been mentioned above.
Es werden nun Beispiele für Verfahren zum Herstellen thermischer Detektormatrizen mit oben beschriebenen Strukturen betrachtet. Diese Verfahren enthalten zwar gewisse neuartige Merkmale, doch sind sie nicht unbedingt die einzigen Verfahren oder Folgen von Verfahrensschritten, mit denen solche Matrizen hergestellt werden können. Es werden Verfahren beschrieben, mit deren Hilfe Detektormatrizen aus massiven Körpern aus ferroelektrischem Material oder aus aufgebrachtem dünnen ferroelektrischen Filmen hergestellt werden. Besondere Merkmale enthalten Verfahren zum selek tiven Verdünnen und zum Herstellen der Netzstruktur der Einzelelemente, neuartige Strukturen zur Schaffung der mechanischen Halterung der Matrizen sowie Verfahren zur Ausrichtung der Hybridvorrichtungen.There will now be examples of manufacturing processes thermal detector matrices with the structures described above considered. These methods do contain certain novel ones Characteristics, but they are not necessarily the only ones Procedures or consequences of procedural steps with which such matrices can be made. It will Described methods with the help of detector matrices massive bodies made of ferroelectric material or applied thin ferroelectric films will. Special features include procedures for selek tive thinning and to produce the network structure of the Individual elements, new structures to create the mechanical mounting of the matrices and methods for Alignment of the hybrid devices.
Die Strukturen zweidimensionaler thermischer Detektor matrizen, bei denen das Punktbonden und die Anbringung der Elemente auf einer Polymermembran angewendet werden und die Herstellung aus verdünnten massiven Material körpern erfolgt, sind in den Fig. 6 und 7 dargestellt. Diese Figuren zeigen die Ränder der Matrixstruktur sowie auch Teile der eigentlichen Matrixfläche. Die Ränder der Struktur bestehen aus relativ dicken "Bilderrahmen" 33 ohne Netzstruktur, die sich um die gesamte Detektormatrix herum erstrecken. Dieser Rand bildet einen ausreichend steifen mechanischen Halterahmen für die Polymermembran 3. Er bildet auch einen Bereich der Vorrichtung, der während des Zusammenbaus kontaktiert werden kann, und er bildet auch einen Ort für das Anbringen einer oder mehrerer Reihen von Lotbondstellen 35, die einen wesentlich größeren Durchmesser als die Lotbondstellen 23 der eigentlichen Matrix haben. Diese Lotbondstellen 35 mit größerem Durch messer sind vorhanden, damit die Hybridstruktur während des Bondens automatisch ausgerichtet wird, insbesondere damit die Matrix der zum Substrat 11 führenden, einen kleinen Durchmesser aufweisenden Bondverbindungen 23 der einzelnen Matrixelemente ausgerichtet wird.The structures of two-dimensional thermal detector matrices, in which the point bonding and the attachment of the elements to a polymer membrane are used and the production is made from dilute solid material bodies, are shown in FIGS . 6 and 7. These figures show the edges of the matrix structure as well as parts of the actual matrix area. The edges of the structure consist of relatively thick "picture frames" 33 without a network structure, which extend around the entire detector matrix. This edge forms a sufficiently rigid mechanical holding frame for the polymer membrane 3 . It also forms an area of the device that can be contacted during assembly, and also provides a location for the attachment of one or more rows of solder bond sites 35 which are substantially larger in diameter than the solder bond sites 23 of the actual matrix. These solder bond sites 35 with a larger diameter are provided so that the hybrid structure is automatically aligned during bonding, in particular so that the matrix of the bonding connections 23 of the individual matrix elements leading to the substrate 11 and having a small diameter is aligned.
Eine mögliche Folge von Herstellungsschritten für die Matrixvorrichtungen gemäß den Fig. 6 und 7 umfaßt das Ausrichten, Schneiden, Läppen und Polieren des massiven Körpers aus ferroelektrischem Material, entweder in mono kristalliner oder polykristalliner keramischer Form zur Herstellung eines Plättchens mit parallelen Seiten und mit der für den keine Netzstruktur aufweisenden Rand 33 der Vorrichtung gewünschten Dicke. Der Bereich, aus dem die die Netzstruktur aufweisende Matrix hergestellt werden soll, wird dann auf die endgültige Dicke der Vorrichtung selektiv verdünnt. Geeignete selektive Verdünnungs verfahren können verschiedene Naß- und Trockenätzprozesse umfassen, beispielsweise ein optisch verstärktes chemisches Ätzen oder ein Ionenstrahlätzen, was von dem Material und seiner Kristallform abhängt. Das Ionenstrahl ätzen hat den Vorteil, daß es ein relativ universell verwendbares Ätzverfahren ist, so daß es in vielen Fällen bevorzugt wird. Die Bereiche, die nicht verdünnt werden sollen, werden entsprechend gegen die verwendeten Ätz mittel maskiert, entsprechend dem jeweiligen Ätzvorgang beispielsweise mittels einer Metallfolienmaske oder einer Photoresistschicht.A possible sequence of production steps for the matrix devices of FIGS. 6 and 7 comprising aligning, cutting, lapping and polishing of the solid body of ferroelectric material, either in single crystal or polycrystalline ceramic mold for producing a plate with parallel sides and with the for the thickness 33 of the device which does not have a network structure. The area from which the matrix having the network structure is to be produced is then selectively thinned to the final thickness of the device. Suitable selective dilution methods can include various wet and dry etching processes, for example optically enhanced chemical etching or ion beam etching, which depends on the material and its crystal shape. The ion beam etching has the advantage that it is a relatively universally applicable etching process, so that it is preferred in many cases. The areas that should not be thinned are appropriately masked against the etching used, corresponding to the respective etching process, for example by means of a metal foil mask or a photoresist layer.
Die verschiedenen Schichten, die für die der einfallenden Strahlung ausgesetzte Fläche 37 der Vorrichtung benötigt werden, werden dann in den selektiv verdünnten Vertiefungen aufgebracht. Sie enthalten gewöhnlich eine Ätzstopp schicht für den anschließenden Vorgang zur Bildung der Netzstruktur, die Polymer-Membranschicht 3, die die gemeinsame Elektrode bildenden Schichten 5 und die Infrarot absorberstruktur 17. Das Plättchen wird dann umgedreht, und die Elementelektroden 9 sowie die zur Bildung der Netzstruktur notwendigen Maskierungsschichten werden hinzu gefügt. Die Bildung der Netzstruktur erfolgt vorzugsweise mittels eines anisotropen Ätzprozesses, beispielsweise mittels des Ionenstrahlätzens oder des Ätzens mit reaktions fähigen Ionen. Maskierungsmaterialien und Ätzstoffschichten können in zweckmäßiger Weise entsprechend den zu ätzenden Materialien, dem Ätzprozeß und der vorliegenden Geometrie ausgewählt werden. Unterhalb des Trägerrandes 33 der Vorrichtung kann gleichzeitig mit der Bildung der Netz struktur der Elemente der Matrix eine Gruppe von Vertie fungen 39 geätzt werden, wobei diese Vertiefungen später die der Ausrichtung dienenden Lotbondverbindungen 35 mit größerem Durchmesser aufnehmen. Geätzte Vertiefungen 39 sind besonders für die auf der Membran angebrachte Struktur geeignet, wie aus Fig. 7 zu erkennen ist. Wenn die Lotbondverbindungen 23, 35 auf der vom Silicium-Chip gebildeten Lesehälfte der festen Hybridvorrichtung ange bracht werden, dann können diese Vertiefungen 39 ebenfalls zu einer mechanischen Ausrichtung der Komponenten vor dem Schmelzen des Lots zur Vervollständigung des Bondens der Hybridvorrichtung beitragen. Sobald die Bildung der Netz struktur beendet ist, dient die Ätzstoppschicht dazu, die darunterliegende Polymermembran 3 zu schützen. Nachdem sie ihren Zweck erfüllt hat, kann die Ätzstoppschicht entfernt werden, falls dies erwünscht ist.The various layers required for the surface 37 of the device exposed to the incident radiation are then applied in the selectively thinned depressions. They usually contain an etching stop layer for the subsequent process for forming the network structure, the polymer membrane layer 3 , the layers 5 forming the common electrode and the infrared absorber structure 17 . The plate is then turned over and the element electrodes 9 and the masking layers required to form the network structure are added. The network structure is preferably formed by means of an anisotropic etching process, for example by means of ion beam etching or etching with reactive ions. Masking materials and layers of etchant can be appropriately selected in accordance with the materials to be etched, the etching process and the present geometry. Below the support edge 33 of the device, a group of recesses 39 can be etched simultaneously with the formation of the network structure of the elements of the matrix, these recesses later receiving the alignment solder bonds 35 with a larger diameter. Etched depressions 39 are particularly suitable for the structure attached to the membrane, as can be seen from FIG. 7. If the solder bond connections 23, 35 are placed on the reading half of the fixed hybrid device which is formed by the silicon chip, then these depressions 39 can also contribute to mechanical alignment of the components before the solder is melted, in order to complete the bonding of the hybrid device. As soon as the formation of the network structure has ended, the etch stop layer serves to protect the underlying polymer membrane 3 . After it has served its purpose, the etch stop layer can be removed if desired.
Nach der Bildung der Netzstruktur werden die verschiedenen Schichten hinzugelegt, die auf der Elementverbindungsseite der Struktur benötigt werden. Diese Schichten enthalten die Polymer-Isolierschicht 31, die Elementelektrode 9, die Polymer-Erhebungsschichten 19, die Verbindungsbahnen 21 von den Elementen zur Leseschaltung sowie die befeuchtbaren Metallisierungskontaktflächen 25, 27 zur Aufnahme der Lot bondverbindungen 23. Eine entsprechende Gruppe befeucht barer Metallisierungskontaktflächen 27 sind auf den Eingangs kontaktflächen 15 der Leseschaltung vorgesehen. Die Lot bondverbindungen 23 werden entweder auf einer oder auf beiden Komponenten der Hybridvorrichtung gebildet. After the network structure has been formed, the various layers that are required on the element connection side of the structure are added. These layers contain the polymer insulating layer 31 , the element electrode 9 , the polymer elevation layers 19 , the connecting tracks 21 from the elements for the reading circuit and the moistenable metallization contact surfaces 25, 27 for receiving the solder bond connections 23 . A corresponding group of humidified metallization contact surfaces 27 are provided on the input contact surfaces 15 of the reading circuit. The solder bond connections 23 are formed either on one or on both components of the hybrid device.
Die ferroelektrischen Materialien, die die empfindlichen Elemente der thermischen Detektormatrix bilden, können zweckmäßigerweise auch direkt in Form einer dünnen Schicht mit der gewünschten Dicke der aktiven Elemente aufgebracht werden. Dadurch können möglicherweise teure Prozeduren des Aufwachsens von Kristallen, der keramischen Fabrikation, der Ausrichtung, des Schneidens, des Läppens und des Polierens vermieden werden, die bei der Verwendung massiver Materialkörper für diese Vorrichtungen angewendet werden müssen. Verfahren zum Aufbringen der dünnen Schicht aus solchen ferromagnetischen Materialien enthalten das reaktive Zerstäuben zusammengesetzter Targets, das chemische Aufbringen von metall-organischen Zusammensetzungen aus der Dampfphase (MOCVD) sowie die an Ort und Stelle aus geführte Zersetzung von als Vorläufer aufgebrachten metall- organischen Schichten (beispielsweise mittels des Sol-Gel- Prozesses oder der in-situ-Hydrolyse aufgeschleuderter metall-organischer komplexer Lösungen erzeugte Schichten). Solche Schichten können polykristallin sein und verschiedene bevorzugte kristallographische Orientierungen haben; sie können aber auch abhängig von den Bedingungen der Auf bringung und/oder der Zersetzung monokristallin sein. Besonders wichtige Parameter sind in diesem Zusammenhang die Aufbringungs- oder Zersetzungstemperatur sowie die Art des Substrats, auf dem die Schichten gebildet werden. Diese Prozesse für solche relativ komplexe Materialien wie die oben erwähnten ferroelektrischen Oxide umfassen gewöhnlich Aufbringungs- oder Zersetzungstemperaturen über 400°C, insbesondere wenn hochkristalline Schichten mit Vorzugs orientierung oder monokristalline Schichten gewünscht werden. Aus diesem Grund ist das direkte Aufbringen auf einer geeigneten Wärmeisolierstruktur, die sich bereits an Ort und Stelle auf der Lesevorrichtung befindet, gewöhnlich schwierig. Das Aufbringen der Schicht wird daher vorzugs weise auf einem geeigneten Zwischensubstrat durchgeführt. Ein Substrat 41 mit einer aufgebrachten ferroelektrischen Schicht 43 und einer Trennschicht 45 ist in Fig. 8 dar gestellt. Die Auswahl eines geeigneten hitzebeständigen Substratmaterials kann die oben erwähnte Einschränkung hinsichtlich der Temperatur des Aufbringungsprozesses beseitigen und gleichzeitig die Aussichten auf eine Steuerung der Schichtstruktur eröffnen. Geeignete Substrat materialien enthalten amorphe Materialien (beispielsweise geschmolzener Quarz) und kristalline Oxide sowie weitere anorganische zusammengesetzte Materialien. Monokristalline Materialien (beispielsweise Spinell, Saphir, Magnesium oxid, kubisches Zirkoniumdioxid, Natriumchlorid und Lithium fluorid) sind besonders interessant, da sie das epitaktische Aufwachsen monokristalliner ferroelektrischer Schichten ermöglichen, wenn die Gitterparameter oder die Gitter abstände in geeigneter Weise angepaßt sind. Monokristalline ferroelektrische Schichten mit korrekter Ausrichtung können höhere Gütezahlen des Materials ergeben (beispielsweise durch einen niedrigeren dielektrischen Verlust als die äquivalente polykristalline Schicht).The ferroelectric materials which form the sensitive elements of the thermal detector matrix can expediently also be applied directly in the form of a thin layer with the desired thickness of the active elements. This may avoid expensive crystal growth, ceramic fabrication, alignment, cutting, lapping, and polishing procedures that must be used when using solid material bodies for these devices. Methods of applying the thin layer of such ferromagnetic materials include reactive sputtering of composite targets, chemical application of vapor-phase metal-organic compositions (MOCVD), and on-site decomposition of metal-organic layers applied as precursors (e.g. layers produced by means of the sol-gel process or in-situ hydrolysis of spin-on metal-organic complex solutions). Such layers can be polycrystalline and have various preferred crystallographic orientations; but they can also be monocrystalline depending on the conditions of the application and / or the decomposition. Particularly important parameters in this context are the application or decomposition temperature and the type of substrate on which the layers are formed. These processes for such relatively complex materials as the above-mentioned ferroelectric oxides usually involve deposition or decomposition temperatures above 400 ° C, especially when highly crystalline layers with preferred orientation or monocrystalline layers are desired. For this reason, direct application to a suitable thermal insulation structure that is already in place on the reader is usually difficult. The application of the layer is therefore preferably carried out on a suitable intermediate substrate. A substrate 41 with an applied ferroelectric layer 43 and a separating layer 45 is shown in FIG. 8. The selection of a suitable heat-resistant substrate material can remove the above-mentioned limitation regarding the temperature of the application process and at the same time open up the prospect of controlling the layer structure. Suitable substrate materials contain amorphous materials (e.g. molten quartz) and crystalline oxides as well as other inorganic composite materials. Monocrystalline materials (for example spinel, sapphire, magnesium oxide, cubic zirconium dioxide, sodium chloride and lithium fluoride) are particularly interesting because they enable the epitaxial growth of monocrystalline ferroelectric layers if the lattice parameters or the lattice spacings are suitably adapted. Correctly aligned monocrystalline ferroelectric layers can result in higher quality figures of the material (e.g. due to a lower dielectric loss than the equivalent polycrystalline layer).
Die in Fig. 8 dargestellte Trennschicht 45 kann erforderlich sein, um eine chemische Wechselwirkung der aufgewachsenen Schicht mit dem Substrat zu verhindern und/oder zu einer Kernbildung der Schicht beizutragen. Die Trennschicht 45 kann ihrerseits auf dem Substrat 41 so aufgebracht sein, daß sich eine Vorzugsorientierung oder eine epitaktische monokristalline Schicht ergibt. Die Vorzugsorientierung oder die monokristalline Natur dieser Trennschicht kann sich in die darauf aufgewachsene ferroelektrische Schicht fortsetzen. Die Trennschicht 45 kann auch dazu verwendet werden, einen allmählichen Übergang zwischen dem Gitter parameter des Substrats und dem der ferroelektrischen Schicht 43 zu erzielen, wo ein epitaktisches Aufwachsen durchgeführt wird. Ein Beispiel für eine Trennschicht 45 ist metallisches Platin, das mit Vorzugsorientierung auf geschmolzenem Quarz oder als epitaktische Schicht auf mono kristallines Magnesiumoxid durch Zerstäuben aufgebracht werden kann.The separating layer 45 shown in FIG. 8 may be necessary in order to prevent a chemical interaction of the grown layer with the substrate and / or to contribute to a core formation of the layer. The separating layer 45 can in turn be applied to the substrate 41 in such a way that a preferred orientation or an epitaxial monocrystalline layer results. The preferred orientation or the monocrystalline nature of this separating layer can continue in the ferroelectric layer grown thereon. The separation layer 45 can also be used to achieve a gradual transition between the lattice parameter of the substrate and that of the ferroelectric layer 43 , where epitaxial growth is carried out. An example of a separating layer 45 is metallic platinum, which can be applied by sputtering with a preferred orientation on molten quartz or as an epitaxial layer on monocrystalline magnesium oxide.
Nachdem eine ferroelektrische dünne Schicht 43 mit der gewünschten Dicke auf dem Substrat 41 gebildet worden ist, wird die Struktur dann in sehr ähnlicher Weise wie die aus einem massiven Materialkörper gebildete Struktur ver arbeitet werden, wie in Fig. 9 dargestellt ist. Die Substratschicht 41 wird im aktiven Bereich der Matrix mittels einer zum ausgewählten Substratmaterial passenden Art und Weise abgeätzt, während sie jedoch am Umfang der Struktur beibehalten wird, damit der dickere, keine Netzstruktur aufweisende Halterahmen 33 für die Polymermembranschicht 3 geschaffen wird, die die Detektormatrix trägt. Die Trenn schicht 45 kann in der Matrixstruktur enthalten sein oder entfernt werden, je nachdem, was benötigt wird. Die Verarbeitung erfolgt sonst auf dem gleichen Weg, der oben beschrieben worden ist, und es ergibt sich eine räumlich ähnliche Struktur.After a ferroelectric thin layer 43 having the desired thickness has been formed on the substrate 41 , the structure will then be processed in a very similar manner to the structure formed from a solid material body, as shown in FIG. 9. The substrate layer 41 is etched off in the active region of the matrix in a manner suitable for the selected substrate material, but is retained on the circumference of the structure, so that the thicker, non-network-holding holding frame 33 is created for the polymer membrane layer 3 , which carries the detector matrix . The separation layer 45 can be contained in the matrix structure or removed, depending on what is required. Otherwise, the processing takes place in the same way as described above, and the result is a spatially similar structure.
Weitere strukturelle Varianten, die aus den zuvor beschriebenen Strukturen abgeleitet werden können, liegen im Rahmen der Erfindung. Besondere Beispiele umfassen die Ver wendung alternativer Anordnungen zum Konzentrieren und/oder Sammeln der einfallenden Infrarotstrahlung auf den Detektor elementen 1. Brechende oder reflektierende optische Strukturen einschließlich von kleinen optischen Immersionslinsen für die einzelnen Elemente sowie ebenen facettierten oder gekrümmten reflektierenden Trichterstrukturen sind ent halten. Solche Strukturen können beispielsweise durch photochemisches oder anisotropes chemisches Ätzen von mono kristallinem Siliciumdioxid mit dem anschließenden Anbringen geeigneter reflexionsverhindernder oder metallisierender Überzüge hergestellt werden. Solche Konzentrations strukturen können mit der Hydridvorrichtung zusammengebaut und exakt auf sie ausgerichtet werden, indem das Flip- Chip-Lotbondverfahren angewendet wird.Further structural variants which can be derived from the structures described above are within the scope of the invention. Particular examples include the use of alternative arrangements for concentrating and / or collecting the incident infrared radiation on the detector elements 1 . Refractive or reflective optical structures including small optical immersion lenses for the individual elements as well as flat faceted or curved reflective funnel structures are included. Such structures can be produced, for example, by photochemical or anisotropic chemical etching of monocrystalline silicon dioxide with the subsequent application of suitable reflection-preventing or metallizing coatings. Such concentration structures can be assembled with the hydride device and precisely aligned to them by using the flip-chip solder bonding process.
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Legal Events
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Owner name: GEC-MARCONI LTD., STANMORE, GB |
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