DE60224880T2

DE60224880T2 - Mikrobolometer und verfahren zu dessen herstellung

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Publication number: DE60224880T2
Application number: DE60224880T
Authority: DE
Inventors: Michel Vilain
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2001-06-28
Filing date: 2002-06-18
Publication date: 2009-01-22
Anticipated expiration: 2022-06-19
Also published as: EP1399722A1; US20040232337A1; DE60224880D1; EP1399722B1; JP2004530909A; WO2003002963A1; FR2826725B1; FR2826725A1; US7241998B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Herstellung von Mikrobolometern und von Strahlendetektoren, die eine Einheit von Mikrobolometern umfassen.
Ein Bolometer ist eine Vorrichtung, die dafür ausgelegt ist, die Stärke einer gewöhnlich im Infrarot gelegenen Strahlung, der sie ausgesetzt ist, zu messen, indem die Energie dieser Strahlung in Wärmeenergie umgewandelt wird.
Man kennt aus dem Patent US 6 080 988 einen Infrarotstrahlendetektor, der einerseits einen über einem Substrat aufgehängten Teil umfasst, der sich unter der Wirkung einer Temperaturerhöhung, die durch die Absorption einer einfallenden Infrarotstrahlung durch den Detektor bewirkt wird, verformen kann, und andererseits eine Quelle für sichtbares Licht, die einen auf diesen aufgehängten Teil gerichteten Lichtstrahl aussendet; die Verformung des aufgehängten Teils, wenn seine Temperatur sich ändert, bewirkt die Ablenkung des reflektierten Lichtstrahls. Von dieser Ablenkung leitet man den gesuchten Wert der Stärke der Infrarotstrahlung ab.
Man kennt ferner aus der Anmeldung WO-00/40938 ein Bolometer, das aus einem beweglichen zentralen Teil besteht, der über einem Substrat mit Hilfe von zwei elastischen Aufhängungsarmen gethalten ist, wobei jeder dieser Aufhängungsarme an seinem anderen Ende an einem Verankerungsklotz befestigt ist; jeder Aufhängungsarm umfasst zwei übereinander gelegten Längsschichten, die aus zwei Werkstoffen mit verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten hergestellt sind, so dass die Aufhängungsarme sich unter der Wirkung einer Temperaturerhöhung, die durch die Absorption einer einfallenden Infrarotstrahlung durch das Bolometer verursacht wird, verformen können; der bewegliche Teil umfasst ein erstes "Kontrollelement" und das Substrat umfasst ein zweites "Kontrollelement", wobei diese Kontrollelemente einem von einer äußeren Quelle kommenden Kompensationsstimulus ausgesetzt sind, der die Verformungswirkung annulliert, wenn die Temperatur sich ändert. Man leitet von der Stärke des Kompensationsstimulus den gesuchten Wert der Stärke der Infrarotstrahlung ab.
Bei anderen bekannten Bolometern verursacht die Erwärmung des Bolometers die Änderung des elektrischen Widerstands eines Leiters, der an einen außerhalb des Bolometers angeordneten Kreis angeschlossen ist. Beispielsweise im Fall eines Detektors, der eine Matrix von Mikrobolometern umfasst, übernimmt dieser Stromkreis, "Lesekreis" genannt, die Funktionen der matriziellen Adressierung und die jedem Mikrobolometer gesendeten Lesestimuli und wandelt die resultierenden Signale in einem insbesondere für die Abbildung verwertbaren Format (beispielsweise in Form eines Videosignals) um. Um die bestmöglichen Leistungen zu erhalten, lässt man die Mikrobolometer unter einem relativ niedrigen Gasdruck (oder unter einem mäßigen Druck eines Gases mit niedriger Wärmeleitfähigkeit) arbeiten, damit die durch dieses Gas verursachte Wärmeabgabe gegenüber dem intrinsischen Wärmeleitwert der Mikrobolometer vernachlässigbar ist.
Der Lesekreis misst die relative Änderung des (mit dem empfindlichen Element des Bolometers verbundenen) elektrischen Widerstands, der von der Temperatur abhängt. Im Falle der nicht gekühlten Detektoren (einfacher und weniger kostspielig als die mit einem Kühlsystem ausgerüsteten Detektoren) ist die Temperaturänderung des Bolometers ihrerseits proportional zu der empfangenen Wärmeleistung, wobei die Proportionalitäts konstante ("Wärmewiderstand" genannt, den wir mit R_thb bezeichnen) gewöhnlicherweise zwischen 5·10⁶ und 2·10⁷ K/W beträgt.
1 bezieht sich auf ein klassisches Mikrobolometer mit einer Nutzfläche von 40 μm × 30 μm mit einem thermischen Widerstand R_thb gleich 10⁷ K/W und Einheitsabsorption, das im Brennpunkt einer Optik angeordnet ist, die einen Öffnungswinkel von 53° aufweist und mit einem Spektralfilter versehen ist, das eine konstante Übertragung gleich 0,9 im Infrarot bietet (genauer gesagt in einem Wellenlängenbereich zwischen 8 und 14 μm). Die Kurven stellen die empfangene Strahlungsleistung und die Temperaturerhöhung des Mikrobolometers im Infrarot dar (genauer gesagt in einem Wellenlängenbereich zwischen 8 und 14 μm). Die Kurven stellen die empfangene Strahlungsleistung und die Temperaturerhöhung des Mikrobolometers in Abhängigkeit von der Temperatur der Strahlungsquelle dar, die als ein "schwarzer Körper" betrachtet wird. Diese Erwärmung tritt auf, selbst wenn das Abbildungssystem nicht in Betrieb ist (d. h. in Abwesenheit von elektrischen Stimuli).
Bei einem Mikrobolometer, das mit einem "perfekten" Spektralfilter versehen ist, d. h. eine Übertragung von null bei allen Wellenlängen außerhalb des genannten Bereichs aufweist, ist die Zunahme der Ausgleichstemperatur des Mikrobolometers mit der Temperatur der Quelle (Kurve in durchgehender Linie) linear, sobald diese 2000 K überschreitet. Beispielsweise bewirkt die statische Beobachtung einer Quelle wie der Sonne (etwa 6000 K) eine Temperaturerhöhung des Mikrobolometers von etwa 100 K.
In der Praxis sind die auf den Infrarotabbildungssystemen installierten Spektralfilter, selbst wenn sie von guter Qualität sind, nicht perfekt, und zwar insofern, als sie eine Strahlenleistung, die gering, aber nicht null ist, bei den außerhalb des theoretischen Betriebsbereichs des Filters gelege nen Wellenlängen durchlassen. Nun senden die sehr heißen Quellen viel mehr Leistung im sichtbaren Bereich als im Infrarot. Infolgedessen kann die an dem Detektor außerhalb des Infrarotfensters des Filters empfangene optische Leistung hoch sein und gegebenenfalls sogar bei sehr hoher Quellentemperatur und/oder bei Filtern von mittelmäßiger Qualität entscheidend sein. In diesem Fall kann die oben angeführte Erwärmungsmessung weit kleiner als die Wirklichkeit sein. Die unterbrochen gezeichnete Kurve von 1 zeigt die effektive Temperaturänderung des Mikrobolometers, wenn es mit einem "nicht perfekten" Filter versehen ist, das eine Übertragung gleich 10^–3 außerhalb des genannten Infrarotfensters aufweist. Natürlich bringt die Verwendung von höheren thermischen Widerständen, die unter den normalen Verwendungsbedingungen vorteilhaft ist, da sie die Empfindlichkeit des Mikrobolometers erhöht, eine noch stärkere Erwärmung mit sich.
Nun sind die Mikrobolometer gewöhnlich dafür ausgelegt, in Nähe der Umgebungstemperatur zu arbeiten, was einen ihrer Vorteile darstellt. Diese Mikrobolometer bestehen jedoch aus Werkstoffen (wie Vanadiumoxiden oder amorphem Silicium), die bei solchen Temperaturerhöhungen, selbst wenn sie vorübergehend sind, eine permanente oder zumindest andauernde Beeinträchtigung ihrer elektrischen Merkmale (und gegebenenfalls auch eine mechanische Verformung ihrer Struktur) zeigen. Die sehr starken Beleuchtungen können sogar zu ihrer physikalischen Zerstörung führen.
Selbst wenn zeitweise überbelichtete Mikrobolometer nicht zerstört werden, macht eine selbst vorübergehende Beeinträchtigung elektrischer Widerstandswerte der Bildpunkte (die oberhalb 100 bis 200 K Erwärmung bei den meisten Mikrobolometern wahrscheinlich oder unvermeidbar ist) die gewöhnlich in den Lesekreis integrierte elektronische "Versetzungs"- Kompensationsschaltung (englisch "offset") funktionsunfähig, die für die ursprüngliche räumliche Verteilung der Einzelwiderstände auf dem Mikrobolometer kalibriert wurde.
Daraus ergibt sich, dass die selbst vorübergehende Beobachtung (über eine Dauer von etwa der thermischen Zeitkonstante des Mikrobolometers, d. h. gewöhnlich einige Millisekunden bis einige zehn Millisekunden) von sehr heißen Quellen, beispielsweise der Farben einer Glühlampe (etwa 3000 K) oder der Sonne, gewöhnlich für diesen Typ von Vorrichtungen gefährlich ist.
Da die Abbildungssysteme auf der Basis von Detektoren vom Typ Mikrobolometer gemäß dem Stand der Technik mit der selbst vorübergehenden oder versehentlichen Beobachtung von sehr starken Quellen nicht kompatibel ist, ist es erforderlich, den Gebrauch dieser Systeme auf im Wesentlichen wenig aggressive Umgebungen zu begrenzen oder bei der Verwendung solcher Systeme begrenzende Maßnahmen zu ergreifen.
Ziel der Erfindung ist es, Mikrobolometer vorzuschlagen, die gegenüber Überbelichtungen weniger verletzlich sind als die klassischen Mikrobolometer, und zwar mit Hilfe einer Erweiterung des Bereichs der zulässigen Strahlungsstärken, ohne dadurch die Empfindlichkeit der Vorrichtung bei den moderaten Strahlungsstärken zu verringern.
Zu diesem Zweck schlägt die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Mikrobolometern auf einem Substrat vor, wobei jedes Mikrobolometer ein empfindliches Element umfasst, dessen elektrischer Widerstand sich mit der Temperatur ändert, die sich durch die Strahlung, der es ausgesetzt ist, ergibt, wobei jedes Mikrobolometer in der Lage ist, die relative Änderung dieses elektrischen Widerstands zu messen, wobei dieses Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass es für jedes Mikrobolometer die folgenden Schritte umfasst:

– den Auftrag und die Gravur von mehreren Schichten, von denen eine Einheit von Schichten dazu bestimmt ist, einen aufgehängten Teil des Mikrobolometers zu bilden, der ein für die Strahlungen empfindliches Element enthält, und
– die Bildung einer Einheit von ersten Zonen und einer Einheit von zweiten Zonen in diesem aufgehängten Teil, wobei die beiden Einheiten übereinander angeordnet sind,

_c

_d

Dank dieser Anordnungen kühlt der aufgehängte Teil des Mikrobolometers von dem Moment an, an dem er bei der Verwendung diese Temperatur T_c erreicht, infolge seines Kontakts mit dem Substrat ab. Die erfindungsgemäßen Mikrobolometer können infolgedessen einen Szenentemperaturbereich aushalten, der beträchtlich weiter als bei den Mikrobolometern des Stands der Technik ist.
Man bemerkt, dass die erfindungsgemäßen Mikrobolometer vollständig mit Hilfe von Techniken der Mikroelektronik hergestellt werden können, und zwar kollektiv.
Gleichzeitig betrifft die Erfindung ein Mikrobolometer umfassend einen aufgehängten Teil, der ein empfindliches Element enthält, dessen elektrischer Widerstand sich mit der Temperatur ändert, die sich durch die Strahlung ergibt, der es ausgesetzt ist, wobei das Mikrobolometer in der Lage ist, die relative Änderung dieses elektrischen Widerstands zu messen, wobei dieses Mikrobolometer dadurch gekennzeichnet ist, dass der aufgehängte Teil aus einer Einheit von ersten Zonen und einer Einheit von zweiten Zonen besteht, wobei die beiden Einheiten übereinander angeordnet sind, und dass die die ersten Zonen bildenden Werkstoffe Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzen, die von dem die zweiten Zonen bildenden Werkstoffen so verschieden sind, dass der aufgehängte Teil sich unter der Wirkung einer Temperaturerhöhung so stark verformt, dass er mit dem Substrat in Kontakt kommt, wenn die Kontaktzone eine Temperatur T_c erreicht, die niedriger als die Zerstörungstemperatur T_d des Mikrobolometers ist.
Auf diese Weise umfassen die erfindungsgemäßen Mikrobolometer aufgrund ihres Aufbaus die für ihren Schutz gegen die hohen Szenentemperaturen sorgenden Elemente.
Die ersten Zonen können je nach den speziellen Anforderungen des Fachmanns entweder "unter" oder "über" den zweiten Zonen angeordnet sein. Angesichts dessen, dass die ersten Zonen nach Wahl einen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzen können, der kleiner oder größer als der der zweiten Szenen ist, verformt sich der aufgehängte Teil des erfindungsgemäßen Mikrobolometers unter der Wirkung einer Temperaturerhöhung gemäß einer Form, die konvex oder konkav sein kann.
Gemäß bevorzugten Merkmalen besitzt das erfindungsgemäße Mikrobolometer am aufgehängten Teil vorstehende und dem Substrat zugewandte Erhebungen und/oder am Substrat vorstehende und dem aufgehängten Teil zugewandte Erhebungen. Dank dieser Anordnungen sind die effektiven Kontaktzonen, wenn der aufgehängte Teil erfindungsgemäß mit dem Substrat in Kontakt kommt, auf die Spitze dieser Erhebungen beschränkt. Man vermeidet auf diese Weise, dass der aufgehängte Teil zu stark an dem Substrat haftet, und man erleichtert somit die Rückkehr des aufgehängten Teils in seine Nennstellung, wenn sich das Mikrobolometer abkühlt.
Gemäß anderen bevorzugten Merkmalen umfasst der aufgehängte Teil des Mikrobolometers Haltearme, die örtlich auf dem Substrat über Pfeiler aufliegen.
Dank dieser Anordnungen wird der aufgehängte Teil durch diese Haltearme fest zurückgehalten, selbst wenn er sich unter der Wirkung einer Temperaturerhöhung verformt, wobei diese Haltearme ihrerseits sich relativ wenig ausdehnen, da eines ihrer Enden über die Pfeiler auf der Temperatur des Substrats gehalten wird.
Schließlich sei bemerkt, dass die Zone des aufgehängten Teils des Mikrobolometers, die dazu bestimmt ist, mit dem Substrat bei der Temperatur T_c in Kontakt zu kommen, je nach der vom Fachmann getroffenen Wahl der Werkstoffe und der Struktur die Mitte des aufgehängten Teils umfassen kann oder von dieser Mitte entfernt sein kann.
Die Erfindung betrifft ferner Strahlendetektoren, die jeweils eine Einheit von Mikrobolometern umfassen, wie sie oben ausführlich beschrieben wurden, und verschiedene Beobachtungs- oder Messvorrichtungen, die mindestens einen solchen Strahlendetektor enthalten. Diese Vorrichtungen können beispielsweise im Infrarot arbeitende Abbildungssysteme sein.
Andere Aspekte und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden ausführlichen Beschreibung von besonderen Ausführungsformen, die als nicht begrenzende Beispiele dienen. Diese Beschreibung bezieht sich auf die beiliegende Zeichnung. In dieser zeigen:
1 eine Darstellung der Temperatur, die von einem herkömmlichen Mikrobolometer in Abhängigkeit von der Schwarzkörpertemperatur der Quelle erreicht wird,
2a eine Draufsicht auf die Einheit, die nach einem ersten Schritt der Herstellung von Mikrobolometern gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung erhalten wird,
2b einen Schnitt nach der Linie AA der in 2a dargestellten Einheit,
3a eine Draufsicht der Einheit, die nach einem zweiten Schritt der Herstellung von Mikrobolometern gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung erhalten wird,
3b einen Schnitt nach der Linie AA der in 3a dargestellten Einheit,
4a eine Draufsicht der Einheit, die nach einem dritten Schritt der Herstellung von Mikrobolometern gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung erhalten wird,
4 einen Schnitt nach der Linie AA der in 4a gezeigten Einheit,
5a eine Draufsicht der Einheit, die nach einem vierten Schritt der Herstellung von Mikrobolometern gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung erhalten wird,
5b einen Schnitt nach der Linie AA der in 5a dargestellten Einheit,
6a eine Draufsicht der Einheit, die nach einem fünften und letzten Schritt der Herstellung von Mikrobolometern gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung erhalten wird,
6b einen Schnitt nach der Linie AA der in 6a gezeigten Einheit,
7a und 7b Darstellungen der Arbeitsweise eines gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung aufgebauten Mikrobolometers, wobei 7a eine Draufsicht und 7b ein Schnitt nach der Linie AA von 7a ist,
8a und 8b Darstellungen der Arbeitsweise eines gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung aufgebauten Mikrobolometers, wobei 8a eine Draufsicht und 8b ein Schnitt nach der Linie AA von 8a ist, und
9 ein Diagramm der Temperatur, die von einem erfindungsgemäßen Mikrobolometer in Abhängigkeit von der Leistung der empfangenen Strahlung erreicht wird.
Nun werden zunächst die aufeinander folgenden Schritte eines Verfahrens zur Herstellung von Mikrobolometern gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung beschrieben.
Die 2a und 2b zeigen eine Draufsicht bzw. einen örtlichen Schnitt der Einheit, die nach einem ersten Schritt dieses Verfahrens erhalten wird. Zu Beginn ordnet man auf herkömmliche Weise in einem Substrat 1 (gewöhnlich Silicium und von einer Dicke von einigen μm) elektrische Kreise (nicht dargestellt) an, die in der Lage sind, einerseits die Lesestimuli für die Mikrobolometer und andererseits die Behandlung des sich aus der Beleuchtung dieser Mikrobolometer durch eine angepasste Optik ergebenden Signals zu liefern.
Die Mikrobolometer sind gewöhnlich so angeordnet, dass sie eine Matrix oder eine Leiste bilden. Die gewöhnliche Abmessung eines Einzelmikrobolometers in jeder zum Substrat 1 parallelen Richtung beträgt gewöhnlich etwa 20 bis 50 μm.
Die klassischen Verfahren zur Herstellung von Detektoren dieses Typs umfassen Anfangsschritte, die direkt auf der Oberfläche eines elektrischen Kreises monolithisch (d. h. in einer kontinuierlichen Sequenz von Arbeitsgängen auf demselben Substrat) oder hybrid (mit Übertragung auf ein Substrat von vorgefertigten Elementen) ausgeführt werden. In diesen Schritten werden gebräuchliche Techniken der Mikroelektronikindustrie eingesetzt, insbesondere kollektive Herstellungstechniken, die gewöhnlich einige zehn bis einige hundert auf einem gemeinsamen Substrat angeord nete Detektoren betreffen (Englisch "wafer level"). Während dieser Anfangsschritte bringt man die eigentlichen bolometrischen Organe, die die Funktionen der optischen Absorption und des mit der Temperatur veränderlichen Widerstands gewährleisten, an der Oberfläche einer "geopferten" Schicht an, insofern, als diese Schicht (die gewöhnlich aus Polyimid, polykristallinem Silicium oder Metall wie Kupfer oder Aluminium besteht) am Prozessende entfernt wird (beispielsweise durch Verbrennen in einem Sauerstoffplasma im Fall von Polyimid), so dass die über dem Substrat aufgehängten Strukturen des Mikrobolometers bestehen bleiben.
Dank dieses Herstellungsverfahrens kann man den Abstand zwischen zwei benachbarten Mikrobolometern auf einem Mindestmaß halten, so dass ihre physische und elektrische Trennung mit einem maximalen Füllgrad (Englisch "fill factor") gestattet wird.
Zur Vereinfachung der vorliegenden Beschreibung geht man davon aus, dass jedes Mikrobolometer keinen gemeinsamen Teil mit den benachbarten Mikrobolometern besitzt. In den anderen Fällen kann der Fachmann die Herstellungsschritte anpassen, indem er von seinen normalen Kenntnissen Gebrauch macht.
Auf herkömmliche Weise bringt man auf das Substrat 1 eine Metallschicht 6, beispielsweise aus Aluminium auf, die durch Gravur beispielsweise gemäß dem in 2a (unterbrochene Linie) angegebenen Umriss mit Hilfe einer ersten lithografischen Maske definiert wird. Diese Schicht 6 umfasst einen oder mehrere Teile 6', die die Aufgabe haben, die das Mikrobolometer durchquerende Infrarotstrahlung zu reflektieren, um seine Absorptionsausbeute zu verbessern, und mehrere Teile 6'', die als elektrische Kontaktpunkte mit dem in dem Substrat 1 untergebrachten Lesekreis dienen.
Dann bringt man eine geopferte Schicht 7 beispielsweise aus Polyimid auf, die man bei einer so hohen Temperatur glüht, dass sie die Folge der Arbeitsgänge aushalten kann. Vorzugsweise hat diese Schicht 7 eine Dicke von etwa 2,5 μm, um die optische Ausbeute des Bolometers (durch Bildung eines "Wellenviertel"-Hohlraums nach Entfernung dieser geopferten Schicht) bei Wellenlängen im Infrarotbereich zu optimieren.
Gemäß dieser ersten Ausführungsform der Erfindung bringt man dann auf diese Schicht 7 eine Schicht 8 aus einem für die Temperaturänderungen empfindlichen Material, beispielsweise 1000 Å amorphes Silicium, mit einer angemessenen Resistivität auf und dann eine Schicht 9 aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff wie Siliciumoxid, beispielsweise mit einer Dicke von 40 bis 200 Å.
Diese Schicht 9 wird dann gegenüber der Zone 6' mit Hilfe einer zweiten lithografischen Maske gemäß dem in 2a mit einer durchgehenden Linie dargestellten Umriss graviert. Man bringt dann eine Schicht 10 auf, die gleichzeitig die gravierte Schicht 9 und die Schicht 8 außerhalb der gravierten Schicht 9 bedeckt. Diese Schicht 10, die aus einem metallischen Werkstoff wie Titannitrid TiN besteht, liefert die Elektroden des empfindlichen Teils des Mikrobolometers und dient auch als Infrarotabsorber. Zur Optimierung des Wirkungsgrads des Mikrobolometers hat sie vorzugsweise einen Schichtwiderstand von etwa 400 Ω, was gewöhnlich einer Dicke von weniger als 100 Å entspricht.
In einem zweiten Schritt dieser Ausführungsform, der in den 3a und 3b dargestellt ist, graviert man mit Hilfe einer dritten lithografischen Maske mit Hilfe eines geeigneten Trockengravurverfahrens die Schichten 10, 9 und 8 und dann einen Teil der Schicht 7. Man bringt dann auf die Schicht 10 und in den gravierten Zonen eine metallische Schicht 11 vorzugsweise aus Aluminium mit einer Dicke zwischen 500 und 1000 Å auf.
Diese Gravur definiert mindestens eine erste Öffnung gegenüber einer Zone 6' mit Abmessungen, die gegenüber den Abmessungen des Mikrobolometers relativ klein sind. Wie man in 3b sieht, definiert die Tiefe der Gravur in der Schicht 7 die Höhe von Erhebungen 4 der Schicht 11, die diesen ersten Öffnungen zugeordnet ist. Diese Höhe beträgt vorzugsweise zwischen 0,5 μm und 1,5 μm, um eine ausreichende Marge zwischen dem Ende der Erhebungen 4 und der Oberfläche der Schicht 6 zu lassen.
In einem dritten Schritt, der in den 4a und 4b dargestellt ist, definiert man mit Hilfe einer vierten lithografischen Maske zwei Öffnungen, die gegenüber den Zonen 6'' gelegen sind und die es mit Hilfe eines geeigneten Trockengravurverfahrens gestatten, die Schichten 11, 10, 8 und 7 auf ihrer ganzen Dicke zu gravieren, bis man an der Oberfläche der Schichten 6'' ausmündet.
Die Wahl von Aluminium für die Schicht 11 gestattet es, dieses als mineralische Gegenmaske für die Gravur dieser Sequenz von Werkstoffen zu verwenden.
Man bringt dann mindestens eine im Wesentlichen metallische Schicht auf, um Teile 3 herzustellen, die diesen zweiten Öffnungen zugeordnet sind. Diese Teile 3 werden auf der Oberfläche durch Gravur mit Hilfe einer fünften lithografischen Maske abgegrenzt, die in 4a dargestellt ist. Man hat Pfeiler zum Halt der mechanischen Struktur sowie elektrische Verbindungen zwischen dem Lesekreis und den zukünftigen Elektroden (vgl. 5a und 5b) des Mikrobolometers hergestellt.
Man hat bei dieser Ausführungsform ein Design mit vier Pfeilern 3 gewählt, aber andere Wahlen sind möglich, indem man die Notwendigkeit berücksichtig, relativ steife Strukturen zu erzeugen, wie weiter unten erläutert wird.
In einem vierten Schritt verwendet man eine sechste lithografische Maske, um durch chemische Gravur Muster in der Schicht 11 zu bilden, wie in den 5a und 5b dargestellt ist. Diese Muster umfassen mindestens eine Oberfläche 2B mit im Wesentlichen langgestrecktem Design, deren Richtung in den Figuren mit der Achse Y angegeben ist und deren Enden auf Höhe der Erhebungen 4 liegen, die, sowie zusätzlich die Zonen 3, also bei dieser chemischen Gravur geschützt werden müssen.
Die Einheit der Schichten 8, 9 und 10 (bei dieser Ausführungsform im Wesentlichen die Schicht 8) definiert einen Teil 2A, der erfindungsgemäß einen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt, der wesentlich verschieden von demjenigen des Teils 2B ist, wobei die Teile 2A und 2B übereinander angeordnet sind und zusammen den aufgehängten Teil 2 des Mikrobolometers bilden. Wenn man beispielsweise Aluminium für die Teile 2B verwendet, besitzen diese einen Wärmeausdehnungskoeffizienten gleich 25 ppm/K, während Silicium, aus dem die Schicht 8 besteht, einen Wärmeausdehnungskoeffizienten gleich 5 ppm/K besitzt. Gemäß einer Abwandlung kann man auch die Teile 2B aus anderen Werkstoffen mit denselben Eigenschaften, wie Siliciumnitrid, Titannitrid, Wolfram oder Wolframsilicid herstellen. Auf diese Weise bevorzugt man die Werkstoffe, die einen hohen Elastizitätsmodul im Vergleich zu dem die Teile 2A bildenden Werkstoffen besitzen, um die Verformung der Gesamtstruktur unter der Wirkung der Wärme zu begünstigen, wie im Nachstehenden unter Bezugnahme auf die 7a und 7b beschrieben wird.
Mit Hilfe einer siebten lithografischen Maske graviert man dann örtlich die Metallschicht 10 so, dass sie in Teile getrennt wird, die Elektroden 10A bilden, die insbesondere auf Höhe der Zone 3 liegen, und in Teile, die Infrarotabsorber 10B bilden, wie die 5a und 5b zeigen. Man bemerkt, dass die Teile 2B bei diesem Ausführungsbeispiel einerseits mit den Teilen 10B auf ihrer ganzen Oberfläche und andererseits mit dem empfindlichen Element 8 des Detektors über Erhebungen 4 in elektrischem Kontakt sind. Dies ist der Grund, warum man bei dieser Ausführungsform den Leiter 10B in elektrisch isolierte Zonen trennen muss, die jeweils einen einzigen Teil 2B enthalten, um zu vermeiden, dass dieses empfindliche Element (elektrischer Widerstand) 8 kurzgeschlossen wird. 5a zeigt (in durchgehenden Linien) die Trennzonen zwischen den Teilen 10A und 10B sowie zwischen den Teilen 10B selbst, wobei alle diese Trennzonen hier parallel zur Achse Y gerichtet sind.
Andere Umrisse könnten für die verschiedenen durch die siebte Maske definierten Polygone herangezogen werden, sowohl für die mit dem Lesekreis verbundenen Polygone (wie 10A) als auch für den oder die Polygone mit schwimmendem Potential (wie 10B), sofern natürlich die durch die Zone oder die Zonen 2B kurzgeschlossenen Punkte auf gleichem Potential sind. Andernfalls ist der Fachmann in der Lage, die erforderlichen Vorsichtsmaßnahmen während der Montage zu ergreifen, indem er beispielsweise eine Isolations-Dielektrikumsschicht an der richtigen Stelle dazwischensetzt oder indem er sogar ein Isoliermaterial für die Teile 2B verwendet.
In einem fünften Schritt verwendet man schließlich eine achte und letzte lithografische Maske zur Definierung des endgültigen Umrisses der Mikrobolometer durch Trockengravur der Schichten 10A und 8 (sowie partiell der Schicht 7), wie in den 6a und 6b dargestellt ist. Dieser Umriss lässt den optisch aktiven zentralen Teil 10B des Mikrobolometers stehen und definiert Arme 12 zur Wärmeisolation (in der Anzahl von vier bei diesem Ausführungsbeispiel), die eine wichtige Auswirkung auf den von dem thermischen "Eigen"-Widerstand R_thb des Mikrobolometers angenommenen Wert haben, d. h. seines aufgehängten Teils. Bei dieser ersten Ausführungsform erstrecken sich diese Arme parallel zur Achse Y links und rechts und zu beiden Seiten des mittleren Teils des aufgehängten Teils 2.
Diese Folge von Herstellungsschritten endet mit der Beseitigung der geopferten Schicht 7 durch Trockenoxidation gemäß bekannten Techniken.
Auf diese Weise hat man mit Hilfe dieses erfindungsgemäßen Verfahrens ein Mikrobolometer erhalten, das einen aufgehängten Teil 2 umfasst, der ein für die Strahlen empfindliches Element enthält und aus einer Einheit von ersten Zonen 2A und einer Einheit von zweiten Zonen 2B besteht, wobei die beiden Einheiten übereinander angeordnet sind, und die die ersten Zonen 2A bildenden Werkstoffe wesentlich verschiedene Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzen.
Die Arbeitsweise eines Mikrobolometers gemäß dieser ersten Ausführungsform der Erfindung ist in den 7a und 7b dargestellt.
Die Temperatur des Substrats T_sub wird im Allgemeinen durch ein geeignetes System bei einer mäßigen Temperatur (gewöhnlich etwas höher als die Umgebungstemperatur) kontrolliert, und zwar aus Gründen der zeitlichen Stabilität der elektrischen Funktionspunkte des Lesekreises und der Mikrobolometer (außer Betrieb ist die Temperatur T_sub einfach gleich der Umgebungstemperatur). Die Temperatur der Mikrobolometer hängt von der Temperatur der beobachteten Quelle ab, wie in der Einleitung erwähnt wurde, sowie von dem Lesemodus (d. h. von der Art des Anlegens der Stimuli zur Lesung der Temperatur über den elektrischen Kreis). Im Allgemeinen ist die mittlere Temperatur T_bol der Mikrobolometer höher als die des Substrats, wobei die Differenz von einigen Graden bis einigen zehn Graden geht.
Im Fall einer zu starken Erwärmung beispielsweise infolge einer vorübergehenden oder andauernden Überbelichtung dehnen sich die Arme 12 dank der Wahl der sie bildenden Werkstoffe relativ wenig aus, und auch, weil eines ihrer Enden über die Pfeiler 3 auf der Temperatur des Substrats gehalten wird. Man kann in erster Annäherung davon ausgehen, dass die Einheit der Strukturen, die die Pfeiler 3, die Haltearme 12 und die Verbindungszonen rechts und links der zentralen Zone des Mikrobolometers in 7a umfassen, keine Verformung erfährt. Dasselbe gilt aufgrund der Symmetrie für die Zone, die längs der zur Achse X parallelen Mittellinie (gestrichelt) gelegen ist: Alle diese Zonen bleiben im Wesentlichen im selben Abstand vom Substrat in Abwesenheit eines mechanischen Kontakts mit diesem. Dagegen krümmen sich die zu beiden Seiten dieser gestrichelten Linie gelegenen Zonen aufgrund der differentiellen Wärmeausdehnung zwischen den Teilen 2A und 2B nach unten, bis sie bei einer genauen Temperatur T_c örtlich (im vorliegenden Fall über die Spitzen der Erhebungen 4) mit dem Substrat 1 (im vorliegenden Fall mit der Schicht 6') in Kontakt kommen.
Wie 7b zwischen den strichpunktierten Linien zeigt, begrenzen die Erhebungen 4 die Kontaktfläche zwischen dem aufgehängten Teil 2 des Mikrobolometers und dem Substrat 1. Diese Anordnung erleichtert die Rückkehr des Teils 2 in seine Nennstellung, wenn das Mikrobolometer abkühlt, da sonst die Oberflächenhaftkräfte ihn in der an das Substrat angedrückten Stellung halten könnten.
Um einen festen Kontakt der Erhebungen 4 auf dem Reflektor 6 zu erhalten, ist es vorteilhaft, eine Struktur von hoher Steifheit zu wählen. Diese Steifheit ist auch erforderlich, um eine Rückkehr der verformten Teile in ihre Anfangsstellung zu gewährleisten, nachdem der Teil 2 örtlich mit dem Substrat 1 in Kontakt gekommen ist: die elastische Energie, die in der Struktur bei der thermischen Ausdehnung gespeichert wird, kann zum "Abheben" der in Kontakt befindlichen Flächen bei der Abkühlung beitragen. Man sieht deshalb eine ausreichende Anzahl von Auflagepunkten und vorzugsweise eine koaxiale Konfiguration der Haltearme vor.
Dagegen ist die Vervielfältigung der Auflagepunkte und der Haltearme im Prinzip von einer Verringerung des Eigenwärmewiderstands des Mikrobolometers sowie seiner Nutzfläche und damit seiner Leistungen begleitet.
Eine Ausführungsvariante der Erfindung besteht darin, dass in einem den oben beschriebenen Schritten vorhergehenden Schritt Kontakterhebungen 5 auf der Oberfläche des Substrats 1 hergestellt werden. Diese Erhebungen 5, die eine bezüglich der Oberfläche des Mikrobolometers kleine Oberfläche haben, können gegebenenfalls mit Hilfe der natürlichen Topografie des Lesekreises ohne weiteres Hilfsmittel oder ohne Vorsichtsmaßnahme als eine genaue Positionierung unter dem aufgehängten Teil des Mikrobolometers erhalten werden. Wenn man diese Variante wählt, kann es unnötig sein, auf dem Mikrobolometer Erhebungen 4 vorzusehen, und man kann damit die lithografische Maske und die zugeordneten Verfahren sparen, die für die Herstellung der Erhebungen 4 bestimmt sind (d. h. man kann auf die Gravur der Schicht 7 in dem unter Bezugnahme auf die 3a und 3b beschriebenen Schritt verzichten).
Eine zweite Ausführungsform der Erfindung, die in den 8a und 8b dargestellt ist, besteht darin, dass man im Wesentlichen dieselben Herstellungsschritte wie bei der ersten Ausführungsform ausführt, außer dass man die Teile 2B "unter" den Teilen 2A anordnet.
Man kann auch in diesem Fall Erhebungen 4 auf dem aufgehängten Teil oder Erhebungen 5 auf dem Substrat 1 oder beide Arten gleichzeitig vorsehen. In den 8a und 8b hat man als Beispiel Erhebungen des zweiten Typs 5 dargestellt, die gegenüber der Mittelachse (gestrichelte Linie parallel zur Achse X in 8a) des aufgehängten Teils 2 gelegen sind. 8b zeigt zwischen den Strichpunktlinien, wie sich der aufgehängte Teil 2 unter der Wirkung der Wärme verformt, bis die längs dieser Mittelachse gelegene Zone örtlich mit den Erhebungen 5 in Kontakt kommt.
Diese zweite Ausführungsform gestattet es im Vergleich zu der ersten, die Kontaktzonen 4 oder 5 leichter in Nähe der Mitte des Mikrobolometers anzuordnen. Die thermische Verformung führt nämlich bei dieser Ausführungsform zu einer konkaven Fläche 2, so dass sich die längs dieser Mittelachse gelegenen Zonen am stärksten auf das Substrat 1 zu senken, wenn die Temperatur zunimmt, und zwar im Gegensatz zu der ersten Ausführungsform, bei der die Temperaturerhöhung zu einer konvexen Fläche 2 führt.
Es sei bemerkt, dass die Haltearme 12 sich in der Richtung X erstrecken, die zu der Richtung Y senkrecht ist, längs welcher sich die Teile 2B erstrecken, um den aufgehängten Teil 2 bei seiner zentralen Absenkung wirksam auf Höhe der Mitte jedes Arms 12 zurückzuhalten.
Die Art dieser Verformungen wird natürlich umgekehrt, wenn der Teil 2B mit Werkstoffen hergestellt ist, deren Wärmeausdehnungskoeffizient niedriger als der des Teils 2A ist. Der Fachmann hat natürlich die Freiheit, seine Werkstoffe zu bestimmen und auch die relativen Stellungen der Bestandteile in Abhängigkeit von seinen praktischen Anforderungen anzupassen, indem er im Bereich der Erfindung bleibt.
Um die Herstellung von erfindungsgemäßen Strahlendetektoren zu vereinfachen, jedoch auf Kosten einer reduzierten Zuverlässigkeit, kann man insbesondere alle Erhebungen 4 und 5 weglassen.
Die Wirkungen der Erfindung sind (mit willkürlichen Maßstäben) in 9 dargestellt, die ein Diagramm der Temperatur zeigt, die von einem Mikrobolometer in Abhängigkeit von der Leistung P der empfangenen Strahlung erreicht wird.
Auf den mechanischen Kontakt des aufgehängten Teils 2 und des Substrats 1 bei T = T_c folgt eine Absenkung der Temperatur der Einheit des Teils 2 durch Wärmeleitung, da T_sub < T_c. Man nennt R_thc den thermischen Kontaktwiderstand. R_thc hängt von der Oberfläche des Kontakts, der Natur der in Kontakt befindlichen Werkstoffe, der geometrischen Konfiguration (Form der Teile 2A und 2B, Anzahl und Form eventueller Kontaktzonen an der Spitze der Erhebungen 4 oder 5) und von der Natur der die Teile 2 bildenden Werkstoffe ab.
Diesbezüglich sei bemerkt, dass, wenn man eine Ausführungsform mit Erhebungen 4 oder 5 wählt, die Begrenzung der Kontaktfläche, die sich daraus ergibt, zur Wirkung hat, dass die Abkühlungsgeschwindigkeit des mit dem Substrat 1 in Kontakt befindlichen aufgehängten Teils 2 reduziert wird. Der Fachmann muss also den besten Kompromiss zwischen Leichtigkeit des Abhebens und Abkühlungsgeschwindigkeit finden.
Wenn der Teil 2 mit dem Substrat in Kontakt ist, besteht der Gesamtwärmewiderstand, den man mit R_thg bezeichnet, aus zwei parallelen Widerständen, und zwar: Rthg = Rthc·Rthb/(Rthc + Rthb)(es sei daran erinnert, dass R_thb den "Eigen"-Wärmewiderstand des Mikrobolometers bezeichnet).
In Abhängigkeit von der Wahl der Werkstoffe, des Designs und des Aufbaus der verschiedenen Elemente gemäß der Erfindung kann der Fachmann Kontaktwiderstände R_thc von etwa einigen 10⁵ bis 10⁶ K/W erhalten, d. h. Werte, die leicht zehn bis hundert Mal kleiner als der Eigenwärmewiderstand des Mikrobolometers sind. Der Gesamtwärmewiderstand R_thg ist also von der Größenordnung des Kontaktwiderstands R_thc.
Bei den mäßigen Werten von P nimmt die Temperatur auf herkömmliche Weise linear ab. Bei empfangenen Leistungen von der Größenordnung von (T_c – T_sub)/R_thb schwingt das erfindungsgemäße Mikrobolometer (mechanisch und hinsichtlich Temperatur) aufgrund des Phasenwechsels von Kühlung im Kontakt mit dem Substrat und Erwärmung nach Kontaktverlust.
Bei höheren Werten der empfangenen Leistung hält sich der Teil 2 ständig in Kontakt mit dem Substrat bei einer mittleren Temperatur nahe (T_sub + P·R_thg).
Da die Werte von R_thg aufgrund einer Hypothese deutlich kleiner als R_thb sind, sind die zufälligen Temperaturausschläge im Fall einer Überbelichtung mäßig im Verhältnis zu den Ausschlägen (in 9 mit der unterbro chenen Geraden dargestellt), die ein herkömmliches Mikrobolometer erreicht hätte.
T_d sei die Temperatur, ab welcher das Mikrobolometer als beschädigt oder zerstört betrachtet werden muss, und P_d die entsprechende empfangene Leistung. Bei einem gegebenen Wert von T_d gestattet die Erfindung im Vergleich zu dem Stand der Technik, die vor Zerstörung anlegbare Leistung um einen Faktor von Pd2/Pd1 = Pthb/Pthg zu erhöhen, einen Faktor, der je nach den baulichen Einzelheiten des Mikrobolometers etwa zehn oder hundert beträgt.
In der vorstehenden Beschreibung hat man sich, um ein Beispiel zu nennen, auf Mikrobolometer bezogen. Der Wellenlängenbereich, den sie erfassen können, ist nicht auf das Infrarot beschränkt, und die Anwendungen dieser Detektoren betreffen zahlreiche Bereiche (beispielsweise Spektroskopie) und nicht nur die Bildherstellung.

Claims

Mikrobolometer, umfassend einen aufgehängten Teil (2), der ein empfindliches Element umfasst, dessen elektrischer Widerstand sich mit der Temperatur ändert, die sich durch die Strahlung, der es ausgesetzt ist, ergibt, wobei das Mikrobolometer in der Lage ist, die relative Änderung dieses elektrischen Widerstands zu messen, dadurch gekennzeichnet, dass der aufgehängte Teil (2) aus einer Einheit von ersten Zonen (2A) und einer Einheit von zweiten Zonen (2B) besteht, wobei die beiden Einheiten übereinander angeordnet sind, und dass die die ersten Zonen (2A) bildenden Werkstoffe Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzen, die von den die zweiten Zonen (2B) bildenden Werkstoffen so verschieden sind, dass der aufgehängte Teil (2) sich unter der Wirkung einer Temperaturerhöhung so stark verformt, dass er mit dem Substrat (1) in Kontakt kommt, wenn die Kontaktzone eine Temperatur T_c erreicht, die niedriger als die Zerstörungstemperatur T_d des Mikrobolometers ist.
Mikrobolometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Zonen (2A) "unter" den zweiten Zonen (2B) gelegen sind.
Mikrobolometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Zonen (2A) "über" den zweiten Zonen (2B) gelegen sind.
Mikrobolometer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenzeichnet, dass die ersten Zonen (2A) einen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzen, der niedriger als der der zweiten Zonen (2B) ist.
Mikrobolometer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenzeichnet, dass die ersten Zonen (2A) einen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzen, der höher als der der zweiten Zonen (2B) ist.
Mikrobolometer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der aufgehängte Teil (2) dem Substrat (1) zugewandte Erhebungen (4) aufweist.
Mikrobolometer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (1) dem aufgehängten Teil (2) zugewandte Erhebungen (5) aufweist.
Mikrobolometer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der aufgehängte Teil (2) Haltearme (12) umfasst, die örtlich auf dem Substrat (1) über Pfeiler (3) aufliegen.
Mikrobolometer nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktzone die Mitte des aufgehängten Teils (2) umfasst.
Mikrobolometer nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktzone von der Mitte des aufgehängten Teils (2) entfernt ist.
Verfahren zur Herstellung von Mikrobolometern auf einem Substrat (1), wobei jedes Mikrobolometer ein empfindliches Element umfasst, dessen elektrischer Widerstand sich mit der Temperatur ändert, die sich durch die Strahlung, der es ausgesetzt ist, ergibt, wobei jedes Mikrobolometer in der Lage ist, die relative Änderung dieses elektrischen Widerstands zu messen, dadurch gekennzeichnet, dass es für jedes Mikrobolometer die folgenden Schritte umfasst: – den Auftrag und die Gravur von mehreren Schichten, von denen eine Einheit von Schichten dazu bestimmt ist, einen aufgehängten Teil (2) des Mikrobolometers zu bilden, und – die Bildung einer Einheit von ersten Zonen (2A) und einer Einheit von zweiten Zonen (2B) in diesem aufgehängten Teil (2), wobei die beiden Einheiten übereinander angeordnet sind, und dass die die ersten Zonen (2A) bildenden Werkstoffe Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzen, die von den die zweiten Zonen (2B) bildenden Werkstoffen so verschieden sind, dass der aufgehängte Teil (2) sich unter der Wirkung einer Temperaturerhöhung so stark verformt, dass er mit dem Substrat (1) in Kontakt kommt, wenn die Kontaktzone eine Temperatur T_c erreicht, die niedriger als die Zerstörungstemperatur T_d des Mikrobolometers ist.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass es die Herstellung der von dem aufgehängten Teil (2) ausgehenden und dem Substrat (1) zugewandten Erhebungen (4) umfasst.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass es die Herstellung von von dem Substrat (1) ausgehenden und dem aufgehängten Teil (2) zugewandte Erhebungen (5) umfasst.
Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass es die Herstellung von auf dem Substrat (1) aufliegenden Pfeilern (3) und von örtlich auf den Pfeilern (3) aufliegenden Armen (12) des aufgehängten Teils (2) umfasst.
Strahlendetektor, umfassend eine Einheit von Mikrobolometern nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
Beobachtungs- oder Messgerät, dadurch gekennzeichnet, dass es mindestens einen Strahlungsdetektor nach Anspruch 15 umfasst.