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TECHNISCHES
GEBIET
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Die
vorliegenden Lehren betreffen generell Detektoren für thermische
Energie und betreffen insbesondere ungekühlte Bolometer, die auf Infrarotstrahlung
(IR) ansprechen.
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HINTERGRUND
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In
zweidimensionalen Arrays von thermischen (IR) Detektoren werden
Miniatur- oder Mikrominiatur-Bolometer als Detektorpixelelemente
verwendet. Der zweidimensionale Array von Bolometern wandelt die
IR, die von einer interessierenden Szene ankommt, in elektrische
Signale um, die an eine integrierte Ausleseschaltung (readout integrated
circuit, ROIC) angelegt werden. Nach Verstärkung und erwünschter
Signalformung und -verarbeitung können die resultierenden Signale
weiter nach Wunsch verarbeitet werden, um ein Bild der interessierenden Szene
bereitzustellen.
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Ein
Mikrobolometer beinhaltet typischerweise ein polykristallines Halbleitermaterial,
wie Vanadiumoxid (VOx) oder Titanoxid, mit
einem elektrischen Widerstandswert, der als Funktion der Temperatur variiert.
Ein Absorber für
IR, wie SiN, ist in engem Kontakt zu dem polykristallinen Halbleitermaterial vorgesehen, so
dass sich dessen Temperatur verändern
kann, wenn der Betrag der von der Szene ankommenden IR sich ändert. Vorzugsweise
ist die Struktur aus polykristallinem Halbleiter/Absorber thermisch
gegenüber
der darunter liegenden ROIC isoliert.
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Betreffend
Mikrobolometer und Techniken zum Herstellen derselben kann Bezug
genommen werden auf das US-Patent 6,144,030, das am 7. November
2000 mit dem Titel „Advanced
Small Pixel High Fill Factor Uncooled Focal Plane Array" für Michael
Ray et al. erteilt wurde und auf die gleiche Anmelderin zurückgeht.
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Ein
weiteres interessierendes US-Patent ist das Patent 6,201,243 B1,
das für
Hubert Jerominek am 13. März
2001 erteilt wurde.
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Wenn
die Größen von
ungekühlten
Bolometer-Einheitszellen (Pixeln) mit mehreren Niveaus („multi-level") reduziert werden
und die Anforderungen an das Leistungsvermögen bzw. die Performance ansteigen,
ist es generell so, dass es notwendig wird, die thermische Masse
der Bolometer-Einheitszellen zu reduzieren. Um dies zu erzielen,
besteht eine Technik darin, die Dicken der Filmkomponenten zu reduzieren.
Dies hat jedoch den nachteiligen Effekt, die Absorption von IR in
den aktiven Detektorflächen
zu reduzieren, was die Empfindlichkeit verringert. Wenn die Dicken
der aufbauenden Filmschichten verringert werden, muss man sich stärker auf
einen Hohlraumresonanzeffekt verlassen.
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In
Bezugnahme auf 1 des oben genannten US-Patentes
6,144,030 ist beispielsweise ein optischer Resonanzhohlraum 22 zwischen
einer IR-absorbierenden Struktur 12, die einen VOx-Halbleiterstreifen 14 beinhaltet,
und einer thermische isolie renden Struktur 20 gebildet,
die ein planares Element 26 aufweist, das auch als ein
Reflektor arbeitet.
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In
dem US-Patent 6,201,243 B1 ist ein Spiegel 3 an dem Substrat
angeordnet und ist von einer Mikrostruktur 22 beabstandet,
die den VOx-Thermistor aufweist, und zwar
um ¼-Wellenlänge in der
Mitte des interessierenden IR-Spektralbandes. Dies soll das Resonanzvermögen verstärken. Es
lässt sich nachvollziehen,
dass dann, wenn die Filmdicken reduziert werden, die Gesamtstruktur
tendenziell weniger widerstandsfähig
wird, was die Herstellung, die Handhabung und den Gebrauch des Mikrobolometer-Arrays
komplizierter macht.
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Reduzierten
Filmdicken können
die Aufbauschichten auch empfindlicher für Eigen-Spannungen („intrinsic
stresses") machen,
was zu einer Unebenheit oder einem Verwerfen der Schichten führt.
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Ferner
kann nachvollzogen werden, dass dann, wenn die Filmdicken reduziert
werden und sich mehr auf den Betrieb des optischen Resonanzhohlraums
verlassen wird, die Hohlraumkonstruktion für den beabsichtigten Zweck
optimiert sein sollte. Die Anordnung von Meanderlinien oder anderen
Strukturen an einer Grenze des Hohlraumes kann jedoch dessen Brauchbarkeit
für den
beabsichtigten Zweck nachteilig beeinflussen.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die
vorstehenden und weitere Probleme werden durch Verfahren und Vorrichtungen
gemäß Ausführungsformen
dieser Lehren gelöst.
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Eine
Mikrobolometer-Einheitszelle ist als ein Bauteil mit mehreren Niveaus
konstruiert, und zwar mit einer thermischen Isolationsstruktur auf
einem unteren Niveau und einer Struktur auf einem oberen Niveau,
die eine Verbundschicht aus IR-Absorber/Thermistor
enthält.
Das Bauteil weist ferner eine Reflektorschicht auf mittlerem Niveau
auf. Ein optischer Resonanzhohlraum ist zwischen der Reflektorschicht
und der darüber
liegenden Absorber/Thermistor-Verbundschicht gebildet, und der optische
Resonanzhohlraum ist von der darunter liegenden thermischen Isolationsstruktur
physikalisch, elektrisch und optisch entkoppelt. Falls es gewünscht ist,
kann ein Versteifungsglied zu der Absorber/Thermistor-Verbundschicht
hinzugefügt
werden, vorzugsweise in der Form einer vergrößerten Schichtdicke an einem
Umfang der Absorber/Thermistor-Verbundschicht.
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Ferner
ist es innerhalb des Schutzbereiches dieser Lehren, eine Untermenge
von Einheitszellen der Menge von Einheitszellen empfindlich für eine IR-Wellenlänge zu machen,
und wenigstens eine weitere Untermenge empfindlich für eine andere IR-Wellenlänge zu machen,
wodurch ein zweifarbiger oder mehrfarbiger Mikrobolometer-Array
bereitgestellt wird.
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Diese
Lehren ermöglichen
sowohl eine Verringerung der Schichtdicken als auch des Abstandes („pitch") von Mitte zu Mitte
der Einheitszellen, verglichen mit Konstruktionen des Standes der
Technik, wodurch die thermische Masse verringert wird und das Frequenzantwortverhalten
gesteigert wird, ohne jedoch die Empfindlichkeit zu verschlechtern,
da der optische Resonanzhohlraum gegenüber herkömmlichen Ansätzen verbessert
und für
den beabsichtigten Zweck optimiert ist.
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Eine
Mikrobolometer-Einheitszelle beinhaltet eine im wesentlichen planare,
sich auf einem oberen Niveau befindliche Absorptions- und Detektionsstruktur
für einfallende
Strahlung, eine im wesentlichen planare, vorzugsweise hinsichtlich
Spannungen ausgeglichene („stress-balanced") und sich auf einem mittleren
Niveau befindliche Strahlungsreflektionsstruktur, die von der auf
einem oberen Niveau befindlichen Absorptions- und Detektionsstruktur
für einfallende
Strahlung beabstandet ist, um dazwischen einen optischen Resonanzhohlraum
zu definieren, und eine im Wesentlichen planare, sich auf einem
unteren Niveau befindliche thermische Isolationsstruktur mit einem
ersten Bein, die von der sich auf dem mittleren Niveau befindlichen
Strahlungsreflektionsstruktur beabstandet ist und mit der sich auf
einem oberen Niveau befindlichen Absorptions- und Detektionsstruktur
für einfallende
Strahlung elektrisch gekoppelt ist, und die ferner mit einer darunter
liegenden Ausleseschaltung elektrisch gekoppelt ist. Die sich auf
einem unteren Niveau befindliche thermische Isolationsstruktur ist
mit der sich auf einem oberen Niveau befindlichen Absorptions- und
Detektionsstruktur für einfallende
Strahlung über
ein zweites Bein elektrisch gekoppelt, das durch eine Öffnung in
der sich auf einem mittleren Niveau befindlichen Strahlungsreflektionsstruktur
hindurch verläuft,
wobei das zweite Bein auch als ein strukturelles bzw. bauliches Stützglied
funktioniert bzw. wirkt. Die sich auf einem unteren Niveau befindliche
thermische Isolationsstruktur ist mit der Ausleseschaltung elektrisch über das
erste Bein gekoppelt, das an einem elektrischen Kontakt endet, der
an einer darunter liegenden integrierten Ausleseschaltung vorgesehen
ist, und die sich auf einem mittleren Niveau befindliche Strahlungsreflektionsstruktur
ist durch eine Verlängerung des
ersten Beins abgestützt
bzw. gelagert. Es befindet sich im Rahmen des Schutzbereiches der
vorliegenden Lehren, dass die sich auf einem oberen Niveau befindliche
Absorptions- und Detektionsstruktur für einfallende Strahlung ein
Versteifungsglied aufweist, wie ein solches Glied, das rahmenartig
um einen Umfang der sich auf einem oberen Niveau befindlichen Absorptions-
und Detektionsstruktur für einfallende
Strahlung herum angeordnet ist.
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Der
optische Resonanzhohlraum ist durch eine Abstand definiert, bei
dem es sich um eine Funktion der Wellenlänge der einfallenden Strahlung
handelt, und eine benachbart angeordnete Einheitszelle eines Arrays
von Einheitszellen kann einen optischen Resonanzhohlraum mit einem
unterschiedlichen Abstand aufweisen, so dass eine verbesserte Empfindlichkeit
auf unterschiedliche Wellenlängen
bereitgestellt wird.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNG
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Die
oben dargestellten und weitere Merkmale der vorliegenden Lehren
ergeben sich deutlicher aus der nachstehenden detaillierten Beschreibung der
bevorzugten Ausführungsformen
in Verbindung mit der beigefügten
Zeichnung, wobei:
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1 eine
vergrößerte Querschnittsansicht, jedoch
nicht maßstabsgerecht,
einer Mikrobolometer-Einheitszelle gemäß den vorliegenden Lehren ist;
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2 eine
vereinfachte Seitenansicht, teilweise weggeschnitten und durchsichtig
dargestellt, der Mikrobolometer-Einheitszelle
ist; und
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3 eine
vergrößerte Draufsicht
auf eine Einheitszelle ist, die eine Vielzahl von Mikrobolometer-Einheitszellen
enthält,
die gemäß den vorliegenden
Lehren konstruiert sind.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Zunächst wird
Bezug genommen auf 1, um eine nicht maßstabsgerechte
vergrößerte Querschnittsansicht
eines Mikrobolometer-Detektorelementes oder einer Mikrobolometer-Einheitszelle 10 gemäß den vorliegenden
Lehren zu zeigen, sowie auf 2, um eine
vereinfachte Seitenansicht der Mikrobolometer-Einheitszelle der 1 zu
zeigen.
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Die
Mikrobolometer-Einheitszelle 10 wird über einer ROIC 12 hergestellt,
die auf Silicium basieren kann und auf deren oberster Oberfläche eine planarisierte
Oxidschicht (SiO2-Schicht) 14 angeordnet sein
kann. Es wird angenommen, dass ein Metallkontakt 16 für die Einheitszelle
das Mikrobolometer mit der ROIC-Elektronik (nicht gezeigt) elektrisch
verbindet. Ein erstes, nach oben weisendes Bein 18 verbindet
eine im wesentlichen planare, sich auf einem unteren Niveau befindliche
thermische Isolationsstruktur 20 mit dem Kontakt 16,
und zwar an einer Verbindung bzw. einem Übergang 16A. Wie es
sich am besten in 2 erkennen lässt, kann die sich auf einem
unteren Niveau befindliche thermische Isolationsstruktur 20 die
Form von Serpentinen besitzen und sich meanderartig durch die Einheitszelle 10 hindurchwinden.
Man kann annehmen, dass das Bein 18 das Ende der „thermischen
Senke" der sich
auf einem unteren Niveau befindlichen thermischen Isolationsstruktur 20 mit
Bein definiert. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die thermische
Isolationsstruktur 20 ein SiN/NiCr/SiN-Verbund, wobei eine NiCr-Schicht 19 sandwichartig
zwischen einer oberen und einer unteren Siliciumnitridschicht 21A bzw. 21B angeordnet
ist.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Lehren ist oberhalb und beabstandet von
der sich auf einem unteren Niveau befindlichen thermischen Isolationsstruktur 20 mit
Bein eine sich auf einem oberen Niveau befindliche Struktur aus
IR-Absorptions- und Detektionsschicht/Resonanzhohlraum angeordnet, die
eine im wesentlichen planare, sich auf einem oberen Niveau befindliche
IR-absorbierende Membran 24 aus einem SiN/VOx/SiN-Verbund
und eine darunter liegende, im wesentlichen planare und sich auf
einem mittleren Niveau befindliche Reflektorstruktur 26 aus
einem NiCr/SiN/NiCr-Verbund aufweist. Die IR-absorbierende Membran 24 ist
bei der derzeit bevorzugten Ausführungsform
aus einer VOx-Schicht 28 (oder
einer Schicht aus einem Material mit äquivalentem thermischen Widerstandswert)
aufgebaut, die als der aktive Widerstand oder Thermistor funktioniert.
Die VOx-Thermistorschicht 28 ist
sandwichartig zwischen einer oberen und einer unteren IR-absorbierenden
Siliciumnitridschicht 30A bzw. 30B angeordnet.
Die sich auf mittlerem Niveau befindliche Verbund-Reflektorstruktur 26 ist
aus einer Siliciumnitridschicht 32 aufgebaut, die sandwichartig
zwischen einer oberen und einer unteren NiCr-Schicht 34A bzw. 34B angeordnet
ist, und ist durch eine Siliciumnitridverlängerung 18A des ersten
hochstehenden Beins 18 gelagert bzw. abgestützt. Der
Abstand zwischen der NiCr-Schicht 34A und der VOx-Schicht 28/SiN-Schicht 30B beträgt vom Nennwert
her eine Viertel Wellenlänge
der interessierenden IR-Wellenlänge,
wodurch eine optische Resonanzhohlraumstruktur 36 zum Reflektieren
von IR gebildet wird, die nicht absorbiert durch die IR-absorbierende
Membran 24 hindurchgeht, und zwar zum Zurückreflektieren
in Richtung hin zu der IR-absorbierenden Membran 24.
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Es
ist anzumerken, dass die mittlere Siliciumnitridschicht 32 dem
Grunde nach als eine strukturelle Stütze und als Substrat für die Reflektionsschicht 34A dient
und somit aus einem beliebigen geeigneten Material zusammengesetzt
sein könnte.
Es ist ferner anzumerken, dass die unterste NiCr-Schicht 34B am
Reflektieren der nicht absorbierten IR nicht teilnimmt und daher
theoretisch eliminiert werden könnte.
Das Vorhandensein der unteren NiCr-Schicht 34B ist jedoch
wünschenswert,
da diese dazu neigt, die Eigenspannungen in den Schichten 32/34A auszugleichen,
wodurch ein Verbiegen und Verwerfen der sich auf einem mittleren
Niveau befindlichen Verbund-Reflektorstruktur 26 unterbunden
wird. Wenn für
die Reflektionsschicht 34A ein anderes Material oder Metallsystem
ausgewählt
wird, dann ist es bevorzugt, dass die untere Schicht 34B aus
dem gleichen oder einem ähnlichen
Material oder Metallsystem ausgewählt wird, um das gewünschte Ausgleichen
von Spannungen der Reflektorstruktur 26 zu erzielen.
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An
der VOx-Schicht 28 ist ein elektrischer Kontakt 38 mittels
einer Metallisierung 40 gebildet, die auch einen Kontakt 42 zu
der NiCr-Schicht 19 der sich auf einem unteren Niveau befindlichen
thermischen Isolationsstruktur 20 bildet. Die Metallisierung 40 wird
durch eine zweite, nach oben weisende Beinstruktur 24 hindurch
ausgeführt
und ist umgeben von einer Hülse 46 aus Siliciumnitrid.
Die zweite Beinstruktur 44 verläuft beabstandet durch eine Öffnung hindurch,
die in der Reflektorstruktur 26 aus dem NiCr/SiN/NiCr-Verbund
ausgebildet ist, und ist daher strukturell von der Verbundreflektorstruktur 26 entkoppelt.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Lehren ist der optische Resonanzhohlraum 36 gegenüber bekannten
Ansätzen
verbessert, und zwar dahingehend, dass dessen unterer reflektierender
Oberflächenbereich
maximiert ist, d.h. er kann mit einer großen und kontinuierlichen Oberfläche hergestellt
werden, da er nicht von der sich meanderförmig erstreckenden thermischen
Isolationsstruktur 20 getragen ist. Mit anderen Worten
kann die Konstruktion der Reflektorstruktur 26 durch Entkoppeln
der sich auf mittlerem Niveau befindlichen Verbundreflektorstruktur 26 von
der sich auf unterem Niveau befindlichen thermischen Isolationsstruktur 20 mit
Bein für
den beabsichtigten Gebrauch optimiert werden. Diese Verbesserung
ermöglicht
daher, dass die darüber
liegende IR-absorbierende Membran 24 dünner ausgebildet wird, um deren
Frequenzantwortverhalten zu verbessern, ohne eine wesentliche Abnahme
der Empfindlichkeit hervorzurufen. Wenn beispielsweise herkömmliche
Mikrobolometer-Bauteile in dem IR-absorbierenden Membranabschnitt
0,5 μm dicke
Siliciumnitridschichten verwenden, bei einer VOx-Schicht mit
einer Dicke von etwa 0,05 μm,
dann kann das Mikrobolometer 10 gemäß den vorliegenden Lehren Siliciumnitridschichten 30A, 30B mit
einer Dicke von 1000 Ångström oder weniger
aufweisen, wohingegen die VOx-Schicht eine Dicke
im Bereich von etwa 300–500 Ångström besitzen
kann. Der verbesserte optische Resonanzhohlraum 36 ermöglicht auch, dass
die Fläche
bzw. der Bereich von jedem Pixel reduziert wird, wodurch ein dichterer
Array von IR-Sensoren bereitgestellt wird. Wenn beispielsweise die herkömmlichen Abstände (pitch)
von Mitte zu Mitte der Einheitszellen im Bereich von etwa 50 μm bis etwa
25 μm liegen,
dann kann der Abstand von Mitte zu Mitte der Mikrobolometer-Einheitszellen
auf weniger als 25 μm
reduziert werden, z.B. auf etwa 15 μm oder weniger. Gleichermaßen ermöglicht eine
Verringerung der Fläche
einer Einheitszelle, dass eine Vielzahl von kleineren Einheitszellen
sich innerhalb der Fläche
konstruieren bzw. aufbauen lässt,
die typischerweise von einer herkömmlichen Mikrobolometer-Einheitszelle
eingenommen wird. In diesem Fall und dann, wenn der Abstand (pitch)
einer herkömmlichen
Einheitszelle sich für
eine bestimmte Anwendung als adäquat
bzw. hinreichend herausstellt, dann kann eine Vielzahl von kleineren
Einheitszellen so konstruiert werden, dass sie empfindlich für unterschiedliche
Abschnitte des IR-Spektralbandes sind, wodurch innerhalb der Fläche, die
herkömmlicherweise
von einer einzelnen Einheitszelle eingenommen wird, eine Erfassungsfähigkeit
für zwei
Farben oder mehr Farben geschaffen wird. Die Verwendung einer Vielzahl
von kleineren Einheitszellen stellt ferner weitere Vorteile bereit,
wie die Fähigkeit,
eine Nicht-Gleichförmigkeitskorrektur
(non-uniformity correction, NUC) und andere Signalverarbeitungsalgorithmen
leicht zu implementieren.
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Ein
weiterer Aspekt der vorliegenden Lehre stellt ein Versteifungsglied
zur Verwendung mit der verdünnten
IR-absorbierenden Membran bereit. Bei der derzeit bevorzugten Ausführungsform
ist das Versteifungsglied 50 durch einen verdickten Umfang der
Siliciumnitridschicht 30A der absorbierenden Membran 24 bereitgestellt.
Der verdickte Umfang kann während
der Herstellung erreicht werden, indem die obere Oberfläche der
Schicht 30A maskiert wird, und zwar dort, wo das Versteifungsglied 50 erwünscht ist,
und indem der nicht maskierte Abschnitt dann dün ner gemacht wird, indem z.B.
ein Trocken- oder Nassätzverfahren
verwendet wird. Nach dem Verdünnen
der Schicht 30A wird die Maske entfernt, wobei der erhabene
Umfang stehen bleibt, den man als einen Versteifungsrahmen ansehen
kann, der die aktive Fläche
der Einheitszelle umgibt. Eine geeignete Breite für den Versteifungsrahmen
kann etwa 0,5 μm
betragen. Bei anderen Ausführungsformen
könnten
ein oder mehrere zentral angeordnete Rippenelemente auf ähnliche
Art und Weise gebildet werden, obgleich der Gesamteinfluss auf die
Empfindlichkeit des Mikrobolometers dann ausgeprägter sein könnte.
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Es
ist anzumerken, dass das Versteifungsglied 50 verwendet
werden kann unabhängig
davon, ob die IR-absorbierende Membran 24 dünner gemacht
wird oder nicht.
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Die
Reduktion der thermischen Masse des Detektors ist nicht darauf beschränkt, lediglich
die IR-absorbierende Membran 24 dünner auszugestalten. Beispielsweise
kann auch die sich auf einem unteren Niveau befindliche thermische
Isolationsstruktur 20 mit Bein dünner ausgestaltet werden. Beispielsweise
können
die Siliciumnitridschichten 21A, 21B eine kombinierte
Gesamtdicke im Bereich von etwa 1000 Ångström bis etwa 4000 Ångström besitzen,
und die darin eingelagerte NiCr-Schicht kann eine Dicke im Bereich
von etwa 100 Ångström bis etwa
300 Ångström besitzen.
Die Breite der meanderförmigen
thermischen Isolationsstruktur 20 mit Bein kann im Bereich
von etwa 0,5 bis etwa 0,75 μm liegen.
Die sich auf mittlerem Niveau befindliche Reflektorstruktur 26 aus
dem NiCr/SiN/NiCr-Verbund muss nicht dünner ausgestaltet werden und
kann beispielsweise eine 0,5 μm
Schicht aus Siliciumnitrid mit einer 500 Ångström dicken NiCr-Metallisierung 34A bzw. 34B verwenden.
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Wenn
optimiert für
den Gebrauch mit langwelliger IR (LWIR), kann eine geeignete Breite
des optischen Resonanzhohlraumes 36 im Bereich von etwa
1,8 μm bis
etwa 2,0 μm
liegen. Wenn optimiert für
den Gebrauch mit IR-mittlerer Wellenlänge (MWIR), kann eine geeignete
Breite des optischen Resonanzhohlraumes 36 etwa 1,0 μm betragen.
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Wenn
eine größere Bi-Color-
oder Multi-Color-Einheitszelle konstruiert wird, die eine Vielzahl von
kleineren Teileinheitszellen aufweist, dann werden die Breiten des
optischen Resonanzhohlraumes benachbarter kleinerer Mikrobolometer-Einheitszellen 10 demgemäß angepasst
bzw. eingestellt. In dieser Hinsicht kann Bezug genommen werden
auf 3, die eine große Einheitszelle 10A zeigt,
z.B. eine Einheitszelle mit Abmessungen, die etwa zweimal so groß sind wie
die Seitenabmessungen bzw. Seitenlängen einer kleineren Mikrobolometer-Teileinheitszelle 10,
und mit einer Fläche,
die etwa viermal die Fläche
einer kleineren Mikrobolometer-Teileinheitszelle 10 beträgt. Bei
dem dargestellten Beispiel sind zwei der Mikrobolometer-Einheitszellen 10 empfindlich
für LWIR
(λ1), und zwei der Mikrobolometer-Einheitszellen 10 sind
empfindlich für
MWIR (λ2). Bei anderen Ausführungsformen können mehr
oder weniger als vier Mikrobolometer-Einheitszellen 10 eine
größere Einheitszelle 10A bilden,
und es können mehr
als zwei unterschiedliche IR-Wellenlängen erfasst werden. Bei dieser
Ausführungsform
wird angenommen, dass zumindest der Abstand des optischen Resonanzhohlraums 36 der
MWIR-empfindlichen und der LWIR-empfindlichen
Mikrobolometer-Einheitszellen unterschiedlich ist, z.B. 1 μm gegenüber etwa
1,9 μm.
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Bei
der dargestellten Struktur kann ein geeigneter Abstand zwischen
der Schicht 34B und der Schicht 21A etwa 1,0 μm bis 2,0 μm betragen,
und ein geeigneter Abstand zwischen der Schicht 21B und
der oberen Oberfläche
der Schicht 14 kann ebenfalls etwa 1,0 μm bis etwa 2,0 μm betragen.
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Die
Konstruktion bzw. der Aufbau der Mikrobolometer-Einheitszelle 10 wird vorzugsweise
gemäß herkömmlichen
Herstellungstechniken für
integrierte Schaltungen erzielt und kann generell der Prozedur folgen,
die in dem oben angegebenen US-Patent mit der Nr. 6,144,030 beschrieben
ist, das auf die gleiche Anmelderin zurückgeht, wobei Modifikationen
vorgenommen werden, um die Aspekte der oben beschriebenen vorliegenden
Lehren zu berücksichtigen.
Während
beispielsweise das Mikrobolometer-Detektorelement des US-Patentes
mit der Nr. 6,144,030 ein Minimum von zwei Opferschichten (Polyimid-Schichten)
verwendet, um den Abstand herzustellen zwischen der Silicium-ROIC
und der thermischen Isolationsstruktur sowie zwischen der thermischen
Isolationsstruktur und der Struktur mit dem optisch absorbierenden
Material, verwendet die Mikrobolometer-Einheitszelle 10 gemäß den vorliegenden
Lehren ein Minimum von drei Opferschichten: Eine, um den Abstand
zwischen der ROIC 12/Oxid 14 und der auf dem unteren Niveau
befindlichen thermischen Isolationsstruktur 20 mit Bein
einzurichten; eine, um den Abstand zwischen der auf dem unteren
Niveau befindlichen thermischen Isolationsstruktur 20 mit
Bein und der sich auf dem mittleren Niveau befindlichen Verbundreflektorstruktur 26 einzurichten;
und eine, um den Abstand (d.h. die Breite des optischen Hohlraums 36)
zwischen der auf dem mittleren Niveau befindlichen Verbundreflektorstruktur 26 und
der auf dem oberen Niveau befindlichen IR-absorbierenden Membran 24 einzurichten.
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Andere
Modifikationen beinhalten die Herstellung der auf dem mittleren
Niveau befindlichen Verbundreflektorstruktur 26 selbst,
sowie die zugeordnete Beinverlängerung 18A und
die Öffnung 48. Wenn
das Versteifungsglied 50 verwendet wird, dann kann die
Herstellung der obersten Siliciumnitridschicht 30A modifiziert
werden, wie oben beschrieben. Wenn ein Mehrfarb-Array hergestellt wird, der für zwei oder
mehr Wellenlängen
empfindlich ist, dann können
die Opferschichten (z.B. Polyimid), die den optischen Resonanzhohlraum 36 definieren,
so abgeschieden werden, dass sie eine Dicke gleich dem breitesten
gewünschten
Hohlraum (z.B. 1,9 μm) besitzen,
gefolgt von einem Maskieren jener Einheitszellenflächen, bei
denen der breiteste Hohlraum gewünscht
ist, gefolgt von einem selektiven Entfernen des Opferschichtmaterials
in den nicht maskierten Einheitszellenbereichen, um die gewünschte Dicke
(z.B. 1,0 μm)
zu erzielen. Das selektive Entfernen des Opferschichtmaterials kann
erfolgen durch trockenes Plasmaätzen
oder durch eine andere geeignete Technik. Nachdem die gewünschten
Dicken des Opferschichtmaterials erzielt sind, setzt die Verarbeitung
fort, indem die Maske entfernt wird und hierauf die mehrschichtige
SiN/VOx/SiN-Struktur abgeschieden wird,
die die oberste IR-absorbierende
Thermistor-Membran 24 bildet. Schließlich werden die drei Opferschichten
entfernt, beispielsweise durch Trockenplasmaätzen, so dass die im Querschnitt
in 1 gezeigte resultierende Struktur verbleibt.
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Die
vorstehenden Lehren sind im Kontext verschiedener Abmessungen, Materialtypen,
Wellenlängen
und dergleichen beschrieben worden. Es versteht sich, dass diese
für die
bevorzugten Ausführungsformen
beispielhaft sind und sich in Bezug auf die vorliegenden Lehren
nicht als beschränkend
lesen sollen. Bei spielsweise können
andere Arten von IR-absorbierenden Materialien verwendet werden, abgesehen
von Siliciumnitrid, es können
andere Arten von Metallsystemen verwendet werden, abgesehen von
NiCr, und es können
andere Arten von thermischen Widerständen verwendet werden, abgesehen
von VOx. Bei anderen Ausführungsformen
können
die Mikrobolometer-Einheitszellen so konstruiert werden, dass sie
auf andere Wellenlängen
als IR-Wellenlängen
ansprechen.
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Während somit
die vorliegenden Lehren insbesondere in Bezug auf die bevorzugten
Ausführungsformen
hiervon beschrieben und gezeigt worden sind, versteht sich für Fachleute,
dass Änderungen
hinsichtlich Form und Details daran vorgenommen werden können, ohne
den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen, wie er in den Ansprüchen definiert
ist.