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Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf
die Infrarot-Bildtechnik und insbesondere auf die Infrarot-
Bildtechnik bei Umgebungstemperatur.
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Das Grundprinzip der Infrarot-Bildtechnik ist
folgendes: Eine von einer Schicht aus pyroelektrischem Material
absorbierte Infrarotstrahlung führt zu einer
Temperaturerhöhung ΔT in der Schicht, die ihrerseits Q elektrische
Ladungen auf der Oberfläche bildet, derart, daß gilt:
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Q = A py ΔT
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Hierbei stellen A ein Maß für die Oberfläche der
Schicht dar, die die Strahlung empfängt, und py den
pyroelektrischen Koeffizienten dieser Schicht.
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Ganz allgemein erfaßt man die Verteilung elektrischer
Ladungen, die in einer pyroelektrischen Schicht durch eine
einfallende Strahlung erzeugt werden, entweder mit Hilfe
eines Elektronenstrahls in einer Vakuumröhre (siehe den
Aufsatz von M. Blamoutier, P. Cuniberti, P. Felix und S.
Veron "Le pyricon: un tube de prise de vues pour le domaine
infrarouge thermique", der in der Zeitschrift L'Onde
Electrique 1981, Vol. 61, Nº 10, Seiten 25 bis 38 veröffentlicht
wurde), oder mit Hilfe einer ebenen Matrix von Schaltern,
die Ladungstransferleitungen zugeordnet sind
(zweidimensionale Detektoren sind beispielsweise beschrieben in der
Druckschrift GB-2 200 246 und in dem Aufsatz "Ambient
temperature solid state pyroelectric IR imaging arrays" von N.
Butler, J. McClelland und S. Iwasa, der in der Zeitschrift
SPIE, Vol. 930, Infrared Detectors and Arrays, 1988, Seiten
155 bis 163 beschrieben wurde).
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Diese Technologie mit zweidimensionalen Detektoren
verwendet hybride Strukturen, die schwierig herzustellen und
teuer sind. Die Schwierigkeit in der Herstellung und der
hohe Preis dieser zweidimensionalen Detektoren beruhen auf
der Komplexität der Strukturen. Anstelle einer einheitlichen
pyroelektrischen Schicht wie im Fall der Pyricon-Röhre
enthalten nämlich die zweidimensionalen Detektoren
ebensoviele pyroelektrische Elemente wie es Bildpunkte oder Pixel
gibt. Diese pyroelektrischen Elemente liegen außerdem auf
elektrisch leitenden, aber thermisch isolierenden
Kontaktbereichen, die die elektrische Verbindung zwischen den
pyroelektrischen Elementen und einem darunterliegenden
Halbleitersubstrat gewährleisten. Die geringen Abmessungen der
pyroelektrischen Elemente (ungefähr 200 µm 200 µm) und der
Kontaktbereiche (mit einem Querschnitt von etwa
50 µm 50 µm) erschweren die Herstellung dieser Strukturen,
insbesondere wenn man eine hohe Anzahl von Pixeln wünscht.
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Es wurde auch bereits vorgeschlagen (siehe Patent
Abstracts of Japan, vol. 12, Nº 228 (E-627) (3075) vom 28.
Juni 1988, JP-A-63868), eine gewöhnliche pyroelektrische
Schicht unmittelbar auf ein Halbleitersubstrat zum Lesen
aufzubringen, das mit Elektroden versehen ist.
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Um die Nachteile der bekannten Strukturen zu beheben,
schlägt die vorliegende Erfindung vor, die pyroelektrischen
Elemente durch eine Schicht aus pyroelektrischem Material zu
ersetzen, das gewisse Eigenschaften hat, die es ihm
erlauben, unmittelbar auf das darunterliegende Halbleitersubstrat
aufgebracht zu werden. Die vorliegende Erfindung vereinfacht
den Entwurf des Detektors, indem eine monolithische Struktur
verwendet wird, und vereinfacht außerdem die
Anwendungstechnik. Ein solcher Infrarotdetektor kann nämlich mittels
in der Mikroelektronik üblicher Verfahren hergestellt
werden.
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Gegenstand der Erfindung ist also ein
Infrarotdetektor auf der Basis eines pyroelektrischen Materials in
Verbindung mit einer auf einem Halbleitersubstrat (30)
ausgebildeten Leseschaltung, wobei das Substrat weiter leitende
Beläge (32) aufweist, die die elektrischen Signale, die vom
pyroelektrischen Material erzeugt werden, zur Leseschaltung
übertragen, wobei jeder leitende Belag einem Bildelement
oder Pixel entspricht und der Detektor aus einer Schicht von
pyroelektrischem Material (31) besteht, die auf das
Halbleitersubstrat auf der Seite der leitenden Beläge aufgebracht
ist, und wobei der Detektor eine Gegenelektrode (33)
aufweist, die die Schicht aus pyroelektrischem Material auf der
den leitenden Belägen abgewandten Seite bedeckt, dadurch
gekennzeichnet, daß das pyroelektrische Material eine
Wärmeleitfähigkeit K unter 1 W/m K besitzt und ein Polymer
enthält.
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Die Erfindung und weitere Vorteile gehen aus der
nachfolgenden, nicht beschränkend zu verstehenden
Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen hervor.
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Figur 1 zeigt einen Querschnitt durch einen bekannten
Infrarotdetektor.
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Figur 2 zeigt schematisch den erfindungsgemäßen
Infrarotdetektor.
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Figur 3 zeigt in Perspektive eine dem
erfindungsgemäßen Detektor zugeordnete Leseschaltung.
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Figur 4 zeigt einen erfindungsgemäßen
Infrarotdetektor zusammen mit seiner Leseschaltung.
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Die Figuren 5 bis 7 zeigen Leseschaltungen während
ihrer Bearbeitung, ehe sie mit dem erfindungsgemäßen
Infrarotdetektor vereinigt werden.
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Figur 1 zeigt einen Infrarotdetektor auf der Basis
eines pyroelektrischen Materials, wie er in der oben
erwähnten Patentanmeldung GB-2 200 246 beschrieben ist. Dieser
Detektor enthält Elemente 1 aus pyroelektrischem Material,
und zwar ein Element je Pixel, zwischen einer gemeinsamen
Elektrode 5 und Elementarelektroden 9. Leitende Bereiche 13
verbinden elektrisch die Elementarelektroden 9 mit den
Eingängen 15 von Verarbeitungsschaltungen, die auf dem
Halbleitersubstrat 11 ausgebildet sind. Eine Schicht 3 mit
geringer Wärmeleitfähigkeit liegt über der gemeinsamen
Elektrode 5 und trägt auf der Innenseite leitende Spuren 7,
die die elektrische Kontinuität zwischen den verschiedenen
Teilen der gemeinsamen Elektrode 5 herstellen. Auf der
Außenseite trägt die Schicht 3 Bereiche 17, die die
Strahlung absorbieren, welche für die pyroelektrischen Elemente 1
bestimmt und durch den Pfeil angedeutet ist.
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In Figur 1 wurden nur drei Bildpunkte dargestellt,
aber der Detektor kann wesentlich mehr Bildpunkte enthalten.
Wegen der sehr kleinen Abmessungen dieser Bildpunkte und der
Art, wie die verschiedenen Teile des Detektors
zusammengefügt sind, versteht man die Schwierigkeit in der
Herstellung einer solchen Struktur.
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Das pyroelektrische Material der Elemente 1 wird aus
einer Gruppe von Materialien mit hoher thermischer
Leitfähigkeit ausgewählt (K > 1 W/m K), wie z.B.
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- Lithiumtantalat LiTaO&sub3; mit K = 4,2 W/mK,
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- Bleizirkonat PZT mit K = 1,7 W/mK,
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- Bleititanat PbTi0&sub3; mit K = 3,2 W/mK,
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- Barium- und Strontiumniobat SrBaNb&sub2;O&sub6; mit K =
3,8 W/mK.
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In solchen Materialien verteilt sich die
oberflächlich absorbierte Wärmeenergie sehr schnell in die Tiefe.
Würden die pyroelektrischen Elemente 1 unmittelbar auf dem
Substrat 11 liegen, dann würde die Wärmeenergie durch
Wärmeleitung rasch im Substrat abgeführt. Ist dieses Substrat ein
guter Wärmeleiter wie Silizium (K = 140 W/mK), dann
verstärkt sich dieser Effekt noch weiter. Daher ist es
notwendig, die pyroelektrischen Elemente gegenüber dem eine
Wärmesenke bildenden Substrat zu isolieren. Dies erfordert die
Verwendung der Hybridtechnologie auf der Basis von
elektrisch leitenden, aber thermisch isolierenden Belägen.
Hierzu zeigt der Aufsatz von N. Butler et al, der oben
erwähnt wurde, daß die Einfügung isolierender Strukturen
zwischen die Bildpunkte und unter diesen in der Praxis für
die pyroelektrischen Detektoren unabdingbar ist, die die
üblichen pyroelektrischen Materialien verwenden, wenn man
eine ausreichende Auflösung und Empfindlichkeit fordert.
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Um die Nachteile des Stands der Technik zu beheben,
bringt man erfindungsgemäß auf das Halbleitersubstrat, auf
dem die Verarbeitungsschaltkreise ausgebildet sind und das
die zweidimensionale Schaltmatrix zum Auslesen und die
Ladungstransferleitungen enthält, eine Schicht aus
pyroelektrischem Material. Diese Schicht kann durch Zentrifugieren
für die Polymere und durch Serigraphie für die
Verbundmaterialien aufgebracht werden.
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Erfindungsgemäß wählt man pyroelektrische
Materialien, die einen niedrigen Wärmeleitwert besitzen (K< 1W/mK).
Man kann Polymere verwenden (für die im allgemeinen der
Wärmeleitwert unter 0,2 W/mK liegt), wie folgt:
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- Polyvinylidenfluorid (PVDF),
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- Polyvinylidenfluorid-trifluoräthylen (PVDF-TrFE),
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- Polyvinylidencyanid-vinylacetat (PVDCN-VAc),
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- Polyvinylidencyanid-vinylidenfluorid (PVDCN-VDF).
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Man kann auch Verbundmaterialien mit einem
Wärmeleitwert unter 1W/mK verwenden, wie z.B. Mineralstoffe mit hoher
Wärmeleitfähigkeit in Mischung in einer Polymermatrix
niedriger Wärmeleitfähigkeit. Beispielsweise ergeben 60 Gew.%
PZT in Polyimid einen Wärmebeiwert von etwa 0,9 W/mK.
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Nach dem Aufbringen der Schicht aus pyroelektrischem
Material beschichtet man die Oberseite dieser Schicht mit
Metall. Um diese Schicht vorzuspannen, legt man eine
Spannung an, die ein elektrisches Feld von etwa 1 MV/cm ergibt,
d.h. 1000 Volt für eine Dicke der Schicht aus
pyroelektrischem Material von 10 µm.
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Eine Schicht aus die Infrarotstrahlung absorbierendem
Material wird dann auf die metallbeschichtete
pyroelektrische Schicht aufgebracht. Die erhaltene Struktur gleicht
dann dem schematischen Aufbau gemäß Figur 2, wobei eine
Schicht 21 aus pyroelektrischem Material auf dem
halbleitenden Substrat 20 liegt und mit einer Schicht 22 aus einem die
Infrarotstrahlung absorbierenden Material bedeckt ist.
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Die die Infrarotstrahlung absorbierende Schicht kann
entweder durch Verdampfung von Metallschwärze (Gold,
Aluminium oder Silber) oder von absorbierenden Metallen wie z.B.
einer Nickel-Chrom-Legierung oder durch Aufbringen einer ein
absorbierendes Polymer enthaltenden Lösung mit einer Dicke
zwischen 3 und 14 µm durch Zentrifugieren erhalten werden.
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Im Vergleich zum Stand der Technik ist die
erfindungsgemäße Struktur viel einfacher, da sie keine thermisch
isolierenden und elektrisch leitenden Beläge besitzt, die
zur thermischen Isolierung der Detektorschicht des Substrats
und zum Sammeln der elektrischen Ladungen entsprechend der
empfangenen thermischen Informationen dienen würden.
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Durch die Verwendung von Materialien mit einem
Wärmeleitwert K < 1 W/mK kann man auf diese Beläge
verzichten und das pyroelektrische Material unmittelbar auf die
Leseschaltung aufbringen. Andererseits ist es möglich,
pyroelektrische Materialien mit einer größeren Dicke als 10
µm zu verwenden, ohne die räumliche Auflösung in Frage zu
stellen. Daher ist es nicht notwendig, die Detektorschicht
in isolierte Pixel netzartig aufzuteilen, wie dies
üblicherweise beim Stand der Technik der Fall ist.
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Zwei Ausführungsbeispiele werden nun beschrieben. Das
erste Beispiel betrifft die unmittelbare Anwendung der
Erfindung, wobei das pyroelektrische Polymer unmittelbar auf
die Leseschaltung aufgebracht wird. Das zweite Beispiel
betrifft den Fall, daß in seltenen Fällen doch eine
thermisch isolierende Schicht zwischen die pyroelektrische
Polymerschicht und die Leseschaltung eingefügt werden soll.
Beispiel 1
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Die Leseschaltung (CCD - Charge Coupled Device,
Feldeffekttransistor usw.) wurde vorher auf einem
Siliziumsubstrat gemäß dem Fachmann bekannten Techniken aufgebracht.
Diese Dicke dieses Substrats liegt beispielsweise zwischen
0,5 und 1 mm.
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Figur 3 zeigt in Perspektive ein solches Substrat 30,
das auf seiner Oberseite eine Gruppe von Elektroden in Form
von leitenden Belägen 32 enthält. Diese Beläge sind
gleichmäßig über die Oberfläche des Substrats verteilt und
entsprechen der Anzahl der gewünschten Pixel. Sie können in
Matrixform verteilt sein. Die Beläge 32 können eine
Seitenlänge von 250 µm und einen gegenseitigen Abstand von 10 µm
besitzen. Es ist möglich, diese Beläge durch eine
Metallverdampfung mit einer Schichtdicke von 1000 Å zu erhalten.
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Eine Schicht 31 aus pyroelektrischem Material, die
den Bedingungen der vorliegenden Erfindung entspricht, wird
dann auf die Oberseite des Substrats 30 aufgebracht (siehe
Figur 4). Die Schicht kann durch Zentrifugieren einer
Polymerlösung in einem Lösungsmittel hergestellt werden,
beispielsweise einem Kopolymer PVDF-TrFE 75/25 (d.h. 75 Mol%
PVDF und 25 Mol% TrFE) in Dimethylformamid (DMF). Diese
Technik wird üblicherweise als Schleudermethode bezeichnet.
Mehrere Schichten aus pyrolektrischem Polymermaterial können
aufgebracht werden, um eine Dicke zwischen 5 und 60 µm zu
erreichen, beispielsweise 30 µm.
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Auf die Schicht 31 wird dann eine kontinuierliche
Elektrode 33 aufgebracht, die eine Gegenelektrode bildet,
beispielsweise in Form einer 1000 Å dicken Aluminiumschicht
durch Verdampfung in Vakuum.
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Dann kann man die Polymerschicht 31 vorspannen. Dabei
kann man alle Elektroden der Leseschaltung an Masse legen,
insbesondere alle leitenden Beläge der Leseschaltung, und
eine Spannung +V an die kontinuierliche Elektrode anlegen;
beispielsweise wird V = 3000 V gewählt für eine Dicke der
Polymerschicht von 30 µm.
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Eine die Infrarotstrahlung absorbierende Schicht 34
wird dann aufgebracht, beispielsweise Aluminiumschwärze
durch Verdampfung von Aluminium in Stickstoffatmosphäre
gemäß einer bekannten Technik. Der Detektor ist dann
betriebsbereit.
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Das die Infrarotstrahlung absorbierende Material kann
vor dem Anbringen der Vorspannung aufgebracht werden. Die
Vorspannung kann auch vor dem Aufbringen der
kontinuierlichen Elektrode 33 erfolgen, und zwar dann durch
Koronaentladung.
Beispiel 2
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Das verwendete Substrat gleicht dem gemäß Figur 3.
Auf das Substrat 30 werden leitende Beläge 32 und dann eine
wärmeisolierende Schicht 35 aufgebracht (siehe Figur 5).
Diese wärmeisolierende Schicht kann ein Polymer sein, das
nach der Schleudermethode aufgebracht wird und
beispielsweise aus einer 10 µm dicken Schicht eines Polyimids
besteht. In diesem Fall ist eine Wärmebehandlung bei 300 bis
400ºC während einer Stunde erforderlich, um die vollständige
Imidisierung des Polyimids zu erzielen. Dann muß man die
elektrischen Kontakte auf den Belägen der Leseschaltung
herstellen. Hierzu gibt es mehrere Methoden:
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Man kann mit Hilfe eines Laserstrahls einer
Laserwellenlänge unter 500 nm das Polyimid auf einer Oberfläche von
etwa 10 µm² und oberhalb der Beläge 32 pyrolisieren, wie in
Figur 5 gezeigt ist, wo der Laserstrahl 40 durch die Linse
41 fokussiert ist. So bildet man kurze leitende Drähte mit
einer Leitfähigkeit von 1 S cm-¹ durch die Polyimidschicht
hindurch.
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Man kann auch, wie die Figuren 6 und 7 zeigen, mit
Hilfe eines Lasers Material abtragen, um kleine Löcher 37 zu
erzeugen. Beispielsweise verwendet man einen Eximer-Laser
mit einer Wellenlänge unterhalb von 300 nm. Man braucht dann
nur noch örtlich Metallbeläge 38 aufzubringen, die die Pixel
materialisieren, um mit den leitenden Belägen 32 Kontakt zu
bekommen und ein Bild des Satzes von Elektroden zu erhalten,
die sich auf der Leseschaltung befinden. Auch andere
bekannte Methoden können verwendet werden, um das Polyimid zu
bearbeiten.
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Das Substrat ist dann bereit für die Aufbringung der
Schicht aus pyroelektrischem Material gemäß dem Verfahren,
das für das erste Beispiel beschrieben wurde.
Resultate
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Ein pyroelektrisches Polymer der Art PVDF-TrFe
(75/25) besitzt einen pyroelektrischen Koeffizienten py von
5 10&supmin;&sup9; C/cm² K, einen Wärmeleitwert von 0,0013 W/cm K und
eine relative Dielektrizitätskonstante ε von 7. Für eine
erfindungsgemäße Struktur mit einer Pixeloberfläche einer
Seitenlänge von 250 µm und für eine Dicke der
pyroelektrischen Schicht von 30 µm ergibt sich folgender NETD-Beiwert
(Noise Equivalent Temperature Difference):
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- für das erste Ausführungsbeispiel: NETD = 0,5K für
eine Erfassungsfrequenz von 50 Hz und eine numerische
Öffnung N des Visierobjektivs mit dem Wert 1,
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- für das zweite Ausführungsbeispiel: NETD = 0,3K
unter denselben Voraussetzungen wie vorher.