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ALLGEMEINER
STAND DER TECHNIK
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ohmsche Heizelemente und insbesondere
die Emission thermischer Energie von widerstandsbehafteten Gliedern aus
hochschmelzenden Intermetallverbindungen. Die vorliegende Erfindung
findet ihre spezielle Anwendung bei der Produktion von Infrarot-Bildern (IR-Bildern)
oder thermischen Bildern ausgehend von dicht gepackten Pixelelementen,
die aus diesen Materialien ausgebildet sind.
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Eine
hauptsächliche
Herausforderung auf dem technischen Gebiet von Arrays aus widerstandsbehafteten
IR-Emittern besteht darin, eine Struktur mit hohem Emissionsvermögen zu produzieren,
die während
des Betriebs vergleichsweise wenig elektrischen Strom benötigt. Die
Schlüsselfaktoren, die
zu einem hohen Emissionsvermögen
beitragen, sind die Dichte der Pixel, aus denen das Array gebildet
ist, und die maximale Betriebstemperatur der Pixel. Hohe Pixeldichten
sind nach Stand der Technik mit einer Pixelstruktur mit mehreren
Ebenen erzielt worden. Die Pixelstruktur mit mehreren Ebenen maximiert
die Strahlungsfläche
dadurch, dass die Elektronik zur Ansteuerung und Adressierung von
Pixeln direkt unter dem jeweiligen widerstandsbehafteten Emissionsglied
platziert wird. Eine hohe spezifische Ausstrahlung wird dadurch
erzielt, dass das widerstandsbehaftete Emissionsglied des Pixels
unter Verwendung eines dünnen,
absorbierenden Films hergestellt und unter diesem Film ein Reflektor
platziert wird, der Strahlung nach außen leitet.
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Der
von einem emittierenden thermischen Pixel verbrauchte elektrische
Strom steht in engem Zusammenhang mit dem zur Ausbildung dessen
widerstandsbehafteten Emissionsglieds verwendeten Material. Bei
Systemen nach Stand der Technik musste der Designer zwischen Betrieb
mit schwachen Strömen
und Betrieb bei hohen Temperatu ren abwägen oder Kompromisse bei anderen
Pixeleigenschaften eingehen. Zum Beispiel weisen Metallfilme, die
für das
widerstandsbehaftete Glied benutzt werden, etwa solche aus Platin,
zwar potentiell gute Hochtemperatureigenschaften, jedoch keine hohen spezifischen
Widerstände
auf. Widerstandsbehaftete Glieder aus Platin müssen daher in einen extrem dünnen, serpentinenförmigen Film
strukturiert werden, um ihren Widerstand zu maximieren. Unglücklicherweise
weisen diese Platinfilme eine schlechte Adhäsion auf, was zu einem strukturschwachen
Pixel führt.
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Ein
weiteres Material, das benutzt wird, um widerstandsbehaftete Glieder
in thermischen Emittern auszubilden, ist Titannitrid. Titannitrid
weist gute Temperatureigenschaften sowie zufriedenstellende Widerstands-
und strukturelle Eigenschaften auf, die Herstellung von Pixeln aus
Titannitrid ist jedoch unglücklicherweise
mit empfindlichen Herstellungsschritten verbunden. Im Speziellen
wird für
gewöhnlich
bei der Verarbeitung des thermischen Emitters getempert, um das
Bauelement für
den Betrieb bei hohen Temperaturen zu stabilisieren. In dem zum Tempern
benutzten Temperaturbereich schwankt der Widerstand von Titannitrid
beträchtlich.
Diese Empfindlichkeit kann zu großen Schwankungen des Pixelwiderstands
von Array zu Array und möglicherweise
zu großen
Schwankungen des Strahlungsvermögens
von Pixel zu Pixel in ein- und demselben Array führen. Tatsächlich kann die Bandbreite
des Titannitridwiderstands in einigen Fällen dazu führen, dass Pixel ineffizient
werden oder ganz ausfallen. Widerstandsbehaftete Glieder aus Titannitrid
leiden außerdem
an gewissen Problemen bezüglich
ihrer lebenslangen Hochtemperaturstabilität.
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KURZDARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung löst
diese und andere Unzulänglichkeiten
durch Bereitstellen von Materialien zur Herstellung widerstandsbehafteter
Emissionsglieder, die einen hohen spezifischen Widerstand aufweisen
und gleichzeitig den Hochtemperaturbetrieb bei Temperaturen zulässt, die
wesentlich über
den im Fach bekannten liegen. Insbesondere wird die Verwendung von
Nitriden der Übergangsmetalle
Hafnium oder Zirconium aus der Gruppe IVB des Periodensystems beschrieben,
welche einen Widerstand von mehr als 50 Ω pro Quadrat aufweisen. Ferner
wird das widerstandsbehaftete Glied getempert, indem Strom durch
dieses durchgeleitet wird, und das Tempern findet dann bei über 1000
K statt.
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Die
gewählten
Materialien für
widerstandsbehaftete Glieder können
bei Temperaturen über 1000
K betrieben werden und zeigen zudem weitere wünschenswerte Eigenschaften
für ohmsche
Heizelemente oder Arrays aus solchen Elementen: hoher dynamischer
Bereich der spezifischen Widerstände, regelbare
Tempereigenschaften bei hohen Temperaturen, Hochtemperaturstabilität, verbesserte
Steuerung von Widerstandseigenschaften, verbesserte optische Eigenschaften
und niedriger positiver Koeffizient des thermischen Widerstands.
Die gewählten Materialien
für widerstandsbehaftete
Glieder sind zur Verwendung in aktuellen Strukturen mit hoher Pixeldichte
geeignet, so dass sich die Erfindung der Anmelder auf aktuelle Herstellungsverfahren
für thermische
Emitter anwenden lässt.
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In
der Literatur werden zwar Materialien zur Verwendung als IR-Pixelarrays
bei sehr hohen Temperaturen (d.h., im Bereich von 1000 K) beschrieben, doch
diese Bauelemente zeigen für
gewöhnlich
niedrige Pixeldichten. Ein solches Bauelement wird in „Dynamic
Infrared Scene Projector for Missile Seeker Simulation", W. S. Chan et al.,
Proceedings of the 1991 International Simulation Technology Conference,
21.-23. Okt. 1991, S. 250-255, beschrieben. Die niedrige Pixeldichte
ergibt ein Array aus sehr heißen
Pixeln mit kühleren
Bereichen zwischen den Pixeln. Das ideale widerstandsbehaftete Glied sollte eine
hohe Pixeldichte zulassen, ohne dabei den gewünschten Hochtemperaturbetrieb,
d.h., den Betrieb bei Temperaturen oberhalb von 1000 K, zu opfern.
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US-A-5,600,148
offenbart ein Array zum Projizieren thermischer Bilder, bei welchem
als Widerstandsmaterial TiNx benutzt wird.
Ebenso offenbart auch Cole B. E. et al., Sensors and Actuators A
A, 48 (1995) 48 : 193-202 ein Array, bei welchem als Widerstandsmaterial
TiNx benutzt wird.
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EP-A-0
732 214 offenbart einen thermischen Aufzeichnungskopf mit einem
widerstandsbehafteten elektrischen Heizabschnitt. Dieser Abschnitt
kann aus Zirconium oder Hafnium ausgebildet werden.
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EP-A-0
601 727 offenbart einen keramischen Heizkörper zur Aufnahme in eine Glühkerze.
Dies impliziert, dass Hafniumnitrid und Zirconiumnitrid in solchen
Bauelementen eingesetzt werden, jedoch nur in beschränktem Grade.
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EP-A-0
929 204 offenbart einen keramischen Heizkörper, der ein keramisches Substrat
mit einer Heizoberfläche
sowie ein in das keramische Substrat eingebettetes Heizelement umfasst,
wobei mindestens ein Teil des ohmschen Heizelements aus einem leitfähigen Netzwerkelement
besteht und ein keramisches Material, aus welchem das keramische
Substrat besteht, in die Siebzwischenräume des Netzwerkelements eingefüllt ist.
Das Material des Netzwerkelements kann Hafnium oder dessen Legierungen
umfassen.
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Die
gewählten
Materialien finden nicht nur bei thermischen Emissionselementen
(d.h., um thermische Bilder zu erzeugen) konkrete Anwendung, sondern
auch entweder als einzelne oder als in Arrays angeordnete Heizelemente.
In der Regel wird das widerstandsbehaftete Glied, wenn es auf diese Art
benutzt wird, in physikalischen Kon takt mit dem zu heizenden Material
gebracht.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt
eine schematische Darstellung einer Struktur, die auf thermisches
Emissionsvermögen
optimiert wurde und zur Verwendung mit widerstandsbehafteten Gliedern
aus Hafniumnitrid und Zirconiumnitrid angepasst werden kann,
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2a zeigt
ein mögliches
Schaltschema für ein
thermisches Emissionselement der vorliegenden Erfindung,
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2b zeigt
einige Strom-Spannungs-Kennlinien (I-V-Kennlinien) für ein MOS-Bauelement, das in
einem auf die vorliegende Erfindung anwendbaren thermischen Emissionselement
benutzt wird,
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3 zeigt
hypothetische Tempereigenschaften für ein widerstandsbehaftetes
Glied aus Titannitrid,
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4 zeigt die Tempereigenschaften für ein widerstandsbehaftetes
Glied aus Hafniumnitrid,
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5 zeigt die Tempereigenschaften für ein widerstandsbehaftetes
Glied aus Zirconiumnitrid.,
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6 zeigt
die Temperaturstabilität
für ein widerstandsbehaftetes
Glied aus Zirconiumnitrid im Anschluss an das Tempern,
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7 zeigt
eine Auftragung von Widerstandseigenschaften über dem Stickstoffgehalt für widerstandsbehaftete
Glieder aus Zirconiumnitrid und Hafniumnitrid und
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8 zeigt
die Tieftemperatureigenschaften für widerstandsbehaftete Glieder
aus Zirconiumnitrid und Hafniumnitrid.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG
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1 zeigt
ein typisches Design für
ein einzelnes thermisches Emissionselement (d.h., einen Pixel) zur
Verwendung in einem Array aus Pixeln, das zum ohmschen Heizen und
insbesondere zur Produktion von thermischen Bildern geeignet ist.
Ein widerstandsbehaftetes Emissionsglied 1 ruht auf einem Siliziumnitridbrücken- oder
Reflektorglied 2, welches außerdem auch als thermisch isolierendes
Glied dienen kann. Das widerstandsbehaftete Glied 1 ist
in der Regel, aber nicht notwendigerweise, ein langer, serpentinenförmiger Film
(wie gezeigt), um den Widerstand des Glieds zu maximieren. Die serpentinenförmige Gestalt
wird mit dünnen
(ca. 500 Ångström) Filmen
mit spezifischen Widerständen
im Milliohmzentimeterbereich kombiniert, so dass Pixel mit Widerständen von
10 kΩ bis
100 kΩ geschaffen
werden. Natürlich
lässt sich
die Serpentinenform durch eine widerstandsbehaftete Schicht oder
eine andere Struktur ersetzen, wenn dies unter bestimmten Umständen erstrebenswerter
ist.
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Signal-
und Speiseleitungen 3 betreiben im Zusammenspiel mit einem
von dem Brückenglied 2 verdeckten
Stromregelmittel den Pixel und veranlassen ihn – in der Regel gemeinsam mit
anderen Pixeln in dem Array – dazu,
thermische Energie zu emittieren. In der einfachsten Form stellt
das Stromregelmittel eine binäre
(d.h., an/aus) Regelung des Pixels bereit, doch in der Regel ist
die Pixelstruktur dazu ausgelegt, es dem Pixel zu ermöglichen,
thermische Energie auf etlichen unterschiedlichen Pegeln zu emittieren,
wenn der Strom in einem gewählten
Betriebsbereich variiert wird. Wenn das Stromregelbauelement zum
Beispiel ein MOS-Bauelement ist, kann der Strom geregelt werden,
indem eine aus einer Anzahl von Gatespannungen angelegt wird, wobei
jede Gatespannung eine andere Pixeltemperatur ergibt. Auf diese
Weise kann mit dem Array aus Pixeln ein vom Benutzer gewähltes thermisches
Bild erzeugt werden.
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Der
Anfangswert für
den Widerstand des widerstandsbehafteten Glieds wird eingestellt,
indem das widerstandsbehaftete Glied mit einem Material wie etwa
Stickstoff dotiert wird. Der Widerstand des widerstandsbehafteten
Glieds steigt mit gesteigerten Stickstoffkonzentrationen. Eine typische
Art des Zugebens von Stickstoff besteht darin, den Pixel in einer reaktionsträgen Atmosphäre, wie
etwa einer Argon-Atmosphäre,
mit Stickstoff zu besputtern. Forthin wird in dieser Patentanmeldung
Stickstoff als Dotierungsmaterial angeführt, doch es versteht sich,
dass andere Dotierungsmaterialien möglich sind und basierend auf
spezifischen Designanforderungen ausgewählt werden können.
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Für eine detaillierte
Beschreibung der Herstellung einer Pixelstruktur wie der in 1 abgebildeten
sei auf das am 4. Februar 1997 an Core et al. erteilte US-Patent Nr. 5,600,148
verwiesen, das auf den Rechtsnachfolger der vorliegenden Erfindung übertragen
worden ist. Natürlich
ist das bezogene Herstellungsverfahren nur eine unter vielen Techniken,
die benutzt werden können,
und wurde einfach als Beispiel angeführt.
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2a zeigt
eine mögliche
Implementierung der Pixelelektronik. Ein MOS-Bauelement 10,
das als Stromregelmittel dient, ist zwischen zwei Speiseanschlüssen 12 und 13 mit
dem widerstandsbehafteten Glied 11 in Reihe geschaltet.
Das widerstandsbehaftete Glied 11 umfasst das widerstandsbehaftete Emissionsglied 1,
dessen Zusammensetzung Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist.
In 2b sind drei mit 14, 15 und 16 bezeichnete
hypothetische Kennlinien für
ein MOS-Bauelement 10 gezeigt. Jede Kennlinie weist einen
aktiven Bereich (gekrümmte
und semi-vertikale Abschnitte) und einen Sättigungsbereich (meistenteils
horizontale Abschnitte) auf. Wie bekannt, stellt jede der Kennlinien 14, 15 und 16 eine
unterschiedliche Gatespannung für
das MOS-Bau element 10 dar. Wenn der Pixel I2R-beheizt
(d.h., ohmsch beheizt) wird, ist der Strom durch das MOS-Bauelement 10 und
damit auch durch das widerstandsbehaftete Glied 11 annähernd proportional
zur Pixeltemperatur. Jede Kennlinie kann daher jeweils einer anderen
Pixeltemperatur zugeordnet werden. Im Betrieb erstellt der Benutzer ein
thermisches Bild, indem er für
die verschiedenen Pixel verschiedene Gatespannungen auswählt, um das
gewünschte
thermische Bild zu erzielen.
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Die
exakte Beziehung zwischen Strom und Temperatur des Pixels ist gegeben
durch: T = P/GPIX + TSub, (Gln. 1)wobei,
- T
- = Pixeltemperatur,
- P
- = dissipierte Leistung,
- TSub
- = Temperatur des Substrats
und
- GPIX
- = thermische Leitfähigkeit
vom Pixel zum Substrat.
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Um
für einen
Pixel die maximale Temperatur zu erzielen, muss diese Gleichung
maximiert werden. Angenommen, die Faktoren GPIX und
TSub seien unter Verwendung anderer Designkriterien
optimiert worden, so lässt
sich die Pixeltemperatur maximieren, indem die vom Pixel dissipierte
Leistung maximiert wird. Die Leistung P wird wie folgt beschrieben: P = I2R, (Gln. 2)wobei,
- R
- = Widerstand des Emissionselements
und
- I
- = Strom durch das
widerstandsbehaftete Glied.
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Da
wir für
thermische Emitter typischerweise auch so wenig Strom wie möglich verbrauchen
wollen (um zu vermeiden, dass sich das Substrat überhitzt), sollte die Maximierung
der Leistung durch Maximierung des Widerstands des widerstandsbehafteten
Glieds 11 während der
Herstellung des Pixels erfolgen. Die Steigung der diagonalen Linie 17 in 2b stellt
den Widerstandswert des widerstandsbehafteten Glieds 11 dar.
Für einen
optimalen Betrieb sollte die diagonale Linie 17 die MOS-Kennlinie
ein wenig oberhalb des aktiven Bereichs schneiden. In der Regel
beträgt
der Betrag über
dem aktiven Bereich ca. 1 Volt; dies verhindert, dass der Pixel
im Falle von Schwankungen der Pixelarrayspannung in den Sättigungsbereich
fällt.
Dieser Ort für
die Widerstandslinie maximiert den Widerstand und damit die Temperatur
des widerstandsbehafteten Glieds 11, da die Steigung der
Linie den Widerstand des widerstandsbehafteten Glieds 11 darstellt.
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Zum
Zwecke der nachfolgenden Erörterungen
sei angemerkt, dass bei der Herstellung des widerstandsbehafteten
Glieds 11 ein Temperschritt stattfindet, der den Pixel
für den
Betrieb bei hohen Temperaturen stabilisiert. Bis zu einem gewissen Ausmaße kann
der Temperschritt auch dazu benutzt werden, den Widerstand des widerstandsbehafteten Glieds 11 anzupassen.
Das Tempern geschieht, indem durch den Pixel Strom geleitet wird,
wobei die Strompegel ausreichen, um den Pixel auf die gewünschte Tempertemperatur
zu bringen. Die Temperatur, auf die das widerstandsbehaftete Glied
getempert wird, bestimmt mindestens teilweise den Betriebsbereich
des Pixels und auch einige seiner physikalischen Eigenschaften.
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Es
schließt
sich eine kurze Erörterung
des Temperns eines widerstandsbehafteten Glieds aus Titannitrid
an, die zum Zwecke dieser Patentanmeldung aufschlussreich ist. Wie
zuvor erwähnt,
ist Titannitrid ein mögliches
Material für
widerstandsbehaftete Glieder, das nach Stand der Technik benutzt wird. 3 zeigt
ein hypothetisches Schaubild, in dem für ein widerstandsbehaftetes
Glied aus Titannitrid der Widerstand über der Temperatur aufgetragen ist.
Der Ort der Kurve in dem gezeigten Schaubild schwankt in Abhängigkeit
vom Stick- stoffgehalt
des widerstandsbehafteten Glieds und anderen Herstellungsfaktoren
signifikant. Die allgemeinen Eigenschaften des Schaubilds ändern sich
jedoch nicht. In dem gezeigten Schaubild stellen zwei dunkle vertikale
Balken, die mit 20 und 21 bezeichnet sind, eine mögliche Wahl
im Rahmen des Designs für
die obere bzw. die untere Grenze des praktischen Temperbereiches
für ein
widerstandsbehaftetes Glied aus Titannitrid dar. Um später darauf
zurückkommen
zu können,
sind der Bereich links der Linie 20 mit I und der Bereich
rechts der Linie 21 mit III bezeichnet. Der Bereich zwischen
den Linien 20 und 21 ist mit II bezeichnet.
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Bei
einem möglichen
Temperverfahren versucht der Designer, den Pixel auf eine gewünschte Temperatur
zu heizen, die in den Bereich II fällt. Bei den meisten Materialien
weist der Pixel keinen brauchbaren Betriebstemperaturbereich auf,
wenn der Pixel nicht oberhalb des vertikalen Balkens 20 (des
Bereichs I) getempert wird. Der Fachmann ist sich dessen bewusst,
dass das widerstandsbehaftete Glied nicht oberhalb der Tempertemperatur
betrieben werden kann, da ein dauerhafter Betrieb oberhalb dieser
Temperatur im Wesentlichen dazu führen würde, dass das widerstandsbehaftete
Glied im Betrieb weiter getempert wird. Der Betrieb bei hohen Temperaturen
erfordert für
Materialien mit hohem Widerstand den Betrieb bis mindestens in Bereich
II hinein. Zur Rechten des vertikalen Balkens 21 (Bereich
III) lässt
sich der Widerstand des Pixels nur schwer kontrollieren, da der
Widerstand mit gesteigerter Temperatur scharf abfällt und
zudem nicht den maximal für den
Pixel möglichen
Widerstand darstellen würde.
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Den
richtigen Widerstand für
das widerstandsbehaftete Glied zu erzielen, wird durch während des
Temperns bestehende ungleichförmige Temperaturen über alle
Pixel hinweg, die durch Schwankungen des Pixelstroms, des Pixelwiderstands
und des Pixelleitwerts verursacht werden, weiter verkompliziert.
Ein Material wie etwa Titannitrid mit steilem Übergang der Steigung von Bereich
II in Bereich III lässt
das Tempern in Bereich III hinein nicht attraktiv erscheinen. Tatsächlich wird
der Designer in der Regel einen Sicherheitsabstand vor Bereich III
einfügen,
um ein versehentliches Tempern in diesen Bereich III hinein zu vermeiden,
was die Tempertemperatur und somit den Betriebsbereich des Pixels
weiter verringert.
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Außerdem wird
der Temperprozess für
Pixel aus Titannitrid durch den Anstieg des Widerstands von Bereich
I des Schaubilds aus 3 zu Bereich II des Schaubilds
verkompliziert. Beim Tempern wird der Widerstand durch ohmsches
Heizen des Pixels entlang seiner in 3 gezeigten
Temperaturkurve bewegt. Betrachten wir nun wieder 2b,
so sehen wir, dass sich während
des Temperprozesses das obere Ende der Widerstandslinie 17 nach
links bewegt, wenn das widerstandsbehaftete Glied von Bereich I
zu Bereich II übergeht.
Falls dies dazu führt, dass
das MOS-Bauelement in den aktiven Bereich fällt, kann es unmöglich werden,
genug Strom zuzuführen,
um den Pixel weiter zu tempern. Dies könnte den Pixel als Emissionselement
ineffektiv machen oder zu seinem Ausfall führen. Aus diesem Grunde muss
der Designer für
gewöhnlich
(unter Verwendung einer höheren
Stickstoffkonzentration) die Anfangsposition der Widerstandslinie 17 für einen
Pixel aus Titannitrid noch weiter zur Rechten ihrer optimalen Position
ansiedeln, damit die Widerstandslinie nie so weit nach links gerät, dass
sie in den aktiven Bereich der MOS-Kennlinie eintritt.
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Eine
weitere Designoption besteht darin, den Stickstoffgehalt des Pixels
zu benutzen, um die Linie 20, und damit den Bereich I des
Schaubilds aus 3, oberhalb des gewünschten
Betriebsbereichs anzuordnen. Dieses Verfahren verhindert zwar das mit
dem Tempern in Bereich II hinein verbundene Problem, erfordert aber
unglücklicherweise
Stickstoffkonzentrationen, die den Widerstand auf Werte absenken,
die für
einige Designs nicht akzeptabel sind.
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Die
Anmelder haben ihr Augenmerk darauf gerichtet, die Schwierigkeiten
zu vermeiden, die durch sich schnell ändernde Temperkurven, wie sie etwa
Titannitrid (d.h., zwischen Bereich I und II und in Bereich III)
zeigt, aufgeworfen werden. Die Entdeckung der Anmelder besteht in
einer Anzahl von Materialien, die über den Temperbereich hinweg
vergleichsweise flache Kennlinien aufweisen und zudem weitere wünschenswerte
Eigenschaften zeigen.
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Im
Speziellen haben die Anmelder entdeckt, dass Hafniumnitrid (HfN)
und Zirconiumnitrid (ZrN) im Unterschied zu Titannitrid über den
erforderlichen Temperbereich hinweg vergleichsweise stabil sind und
daher als exzellente Materialien für das widerstandsbehaftete
Glied 11 dienen können.
Außerdem werden
widerstandsbehaftete Glieder aus HfN und ZrN bei wesentlich niedrigeren
Stickstoffkonzentrationen ausgebildet. Niedrige Stickstoffkonzentrationen erzeugen
eine physikalisch und elektronisch robustere Widerstandsstruktur.
Bauelemente mit widerstandsbehafteten Gliedern, die diese Materialien
aufweisen, sind außerdem
weniger anfällig
für Änderungen
der Umgebungsbedingungen.
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Die
von den Anmeldern vorgesehenen Materialien für das widerstandsbehaftete
Glied lassen sich als Übergangsmetalle
der Gruppe IVB des Periodensystems mit vierzig oder mehr Valenzelektronen
klassifizieren. 4 zeigt eine Widerstands-Temperatur-Kurve
für ein
widerstandsbehaftetes Glied aus Hafniumnitrid, und 5 zeigt
eine ähnliche
Kurve für
ein widerstandsbehaftetes Glied aus Zirconiumnitrid. Keines der
Schaubilder zeigt einen scharfen Abfall des Widerstands im oberen
Temperbereich oder einen anfänglichen
Anstieg des Widerstands, wie er bei widerstandsbehafteten Gliedern
aus Titannitrid auftritt und in 3 gezeigt
ist.
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Da
es für
das widerstandsbehaftete Glied keine obere Grenze für die Tempertemperatur
gibt, besteht folglich mehr Flexibilität und Spielraum für die exakte
Tempertemperatur sowie allgemein beim Design von Pixeln. Außerdem zeigt
das widerstandsbehaftete Glied für
den Betrieb bei niedrigen Temperaturen eine kleine oder mäßige Widerstandsbandbreite.
Dies vereinfacht das Tempern, da sich der Designer keine Sorgen
darüber
machen muss, dass das Bauelement beim Tempern unbrauchbar wird,
wie das geschehen würde,
wenn Änderungen
des Widerstandswerts das MOS-Schaltglied in den aktiven Betriebsbereich
stießen.
Effektiv zeigen Hafnium- und Zirconiumnitrid keine oder nur minimale Übergänge zwischen
dem, was in 3 noch die Bereiche I und II
waren, oder auch den scharfen Abfall aus Bereich III in 3.
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Für ein widerstandsbehaftetes
Glied aus Hafniumnitrid mit Stickstoffkonzentrationen von ca. 10
%, fällt
der Widerstand, wie sich in 4 sehen lässt, von
800 bis 1000 Kelvin ab und stabilisiert sich dann auf einem konstanten
Wert. Durch Tempern bis etwas über
1000 Kelvin erhält
man ein temperaturstabiles Bauelement. Im Falle eines widerstandsbehafteten
Glieds aus Zirconiumnitrid mit einer Stickstoffkonzentration von
ca. 10 endet, wie in 5 gezeigt, ein
Steigungsbereich bei 1000 Kelvin, so dass bis mindestens 1000 Kelvin
getempert werden muss, um ein Bauelement mit guter Hochtemperaturstabilität zu erzeugen.
Natürlich
verschieben sich genau wie bei widerstandsbehafteten Gliedern aus
Titannitrid auch hier die spezifischen Tempertemperaturen in Abhängigkeit
vom Stickstoffgehalt des widerstandsbehafteten Glieds oder anderen
Faktoren.
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Schaubild 6 zeigt
den Widerstand über
der Temperatur für
ein widerstandsbehaftetes Glied aus Zirconiumnitrid im Anschluss
an das Tempern. Wie das Schaubild zeigt, weist ein getempertes,
widerstandsbehaftetes Glied einen von der Tempertemperatur im Wesentlichen
unabhängigen,
konstanten, stabilen Widerstand auf. Zum Zwecke dieser Patentanmeldung
wird Temperaturstabilität
des Widerstands für
die widerstandsbehafteten Glieder als Änderung von weniger als fünf Prozent über den
Betriebsbereich des Pixels hinweg definiert. Ein analoges Schaubild
für Hafniumnitrid
würde ebenso
Temperaturstabilität
zeigen. Ein analoges Schaubild für Titannitrid
würde dagegen
direkt oberhalb der Temperatur, bis zu der getempert wurde, einen
Verlust der Temperaturstabilität
zeigen.
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Im
Allgemeinen arbeiten widerstandsbehaftete Glieder aus Hafniumnitrid
und Zirconiumnitrid ähnlich.
Es gibt jedoch einige Unterschiede zwischen diesen Materialien. 7 zeigt
ein Schaubild des Widerstands jedes der Materialien bei Änderung
des Stickstoffgehalts während
der Herstellung. Ein widerstandsbehaftetes Glied, das Hafniumnitrid
enthält,
ist für
den Stickstoffgehalt wesentlich empfindlicher als ein Glied, das
Zirconiumnitrid enthält.
Dies erschwert den Herstellungsprozess für Hafniumnitrid, und in begrenztem
Ausmaß auch
für Zirconiumnitrid,
da winzige Änderungen
des Stickstoffgehalts zu großen Änderungen
des Widerstands des widerstandsbehafteten Glieds führen. Falls
höhere
Widerstandswerte benötigt
werden, kann statt Zirconiumnitrids trotz seiner höheren Empfindlichkeit
Hafniumnitrid gewählt werden.
Wie aus dem Schaubild aus 6 ersichtlich
ist, kann durch Verwendung von Hafniumnitrid mit einer geringeren
Stickstoffmenge ein viel höherer Widerstand
erzielt werden, und dies kann sowohl die Verarbeitungszeit wesentlich
verringern als auch die Pixelstärke
verbessern. Zirconiumnitrid kann besser geeignet sein, wenn ein
exakter Widerstand wichtiger ist als ein sehr hoher Widerstandswert.
Zwar schwanken die exakten Widerstandswerte für Hochtemperaturbetrieb in
Abhängigkeit
der Designkriterien des Lesers, doch ungefähr liegt der Stickstoffgehalt
für Hochtemperaturbetrieb
bei widerstandsbehafteten Gliedern aus Hafnium nitrid unterhalb von
zehn Prozent. Widerstandsbehaftete Glieder aus Zirconiumnitrid sollten
für den
Hochtemperaturbetrieb im Bereich von zehn bis vierzig Prozent Stickstoff
liegen. In beiden Fällen
ergeben die genannten Stickstoffkonzentrationen für die widerstandsbehafteten
Glieder einen Widerstand von über
ungefähr
50 Ω pro
Quadrat.
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Filme
aus dem Material für
das widerstandsbehaftete Glied werden bei der Pixelherstellung in der
Regel ausgebildet, indem in Anwesenheit eines reaktionsfreudigen
Gases, wie etwa Stickstoff, und eines reaktionsträgen Sputtergases
Hafnium- und Zirconiummetall gesputtert wird. Der Stickstoffgehalt muss
für widerstandsbehaftete
Glieder sowohl aus Hafnium- als auch aus Zirconiumnitrid bei der
Auftragung kritisch geregelt werden. Der Anmelder hat herausgefunden,
dass der beste Weg, bei der Herstellung eine einheitliche Atmosphäre aus Gas
mit dem richtigen Stickstoffgehalt bereitzustellen, darin besteht,
das Stickstoffgas vor dem Sputtern in einem wesentlich größeren Anteil
an Trägergas
zu lösen. Die
Lösung
erfolgt typischerweise im Verhältnis
ein Teil Stickstoff zu zehn Teilen Trägergas. Dieses mit dem reaktionsfreudigen
Gas vermischte Trägergas wird
daraufhin zusätzlich
zu der regulären
Zufuhr von Sputtergas der Sputterkammer zugeführt. Das Sputtergas ist für gewöhnlich,
aber nicht notwendigerweise, das gleiche Gas wie das Trägergas.
Die Gesamtstickstoffkonzentration beim Sputtern liegt somit zwischen
null und fünf
Prozent des gesamten Sputtergases. Beim Pixelherstellungsprozess
des Anmelders hat sich herausgestellt, dass ein Verhältnis von
zehn Teilen Trägergas
zu einem Teil Stickstoff zufriedenstellende Ergebnisse liefert,
auf Basis der eingesetzten Anlage oder des verwendeten Designs können jedoch
auch höhere
oder niedrigere Konzentrationen möglich sein. Das bevorzugte
Trägergas
des Anmelders ist aufgrund seiner reaktionsträgen Eigenschaften während der
Verarbeitung von widerstandsbehafteten Gliedern und wegen seiner
Einsetzbarkeit als Sputtergas Argon.
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Auf
jeden Fall löst
die niedrige Konzentration von Stickstoff in einem Trägergas einige
Probleme, die von Massendurchflussmessern verursacht werden, welche
bei den in Abwesenheit des Trägergases erforderlichen
niedrigen Stickstoffdurchflussraten nicht arbeiten können. Das
vorgeschlagene Verfahren erzeugt außerdem beim Auftragen eine
einheitlichere Stickstoffkonzentration. Es ist denkbar, den Einsatz
des Trägergases
zu verringern oder zu eliminieren, sobald neue Technologien oder
Verfahren zur sachgemäßen Kontrolle
des Stickstoffdurchflusses entwickelt werden.
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Sowohl
Hafnium- als auch Zirconiumnitrid sind zur Verwendung bei Umgebungs-
und bei Tieftemperatur geeignet. 8 zeigt
die Widerstandskennlinie eines typischen Pixels in einem Temperaturbereich
von 20 K bis 300 K. Beide Materialien zeigen bei diesen tiefen Temperaturen
relative Stabilität. Es
sei zudem angemerkt, dass beide Materialien einen kleinen positiven
Koeffizienten des thermischen Widerstands zeigen, was vorteilhaft
ist, um thermische Instabilitäten
bei stromgetriebenem Heizen, wie etwa im Fall des in 1 gezeigten
Pixelschemas, zu vermeiden.
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Es
versteht sich, dass die Erfindung nicht auf die exakte Konstruktion
oder die exakten Verfahren, die vorstehend erläutert und beschrieben wurden, beschränkt ist,
sondern dass diverse Änderungen und
Abwandlungen vorgenommen werden können, ohne vom Erfindungsgedanken
oder dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Zum Beispiel können die
widerstandsbehafteten Glieder statt für thermische Emitter auch entweder
einzeln oder im Array als Heizelemente eingesetzt werden. Wenn die
widerstandsbehafteten Glieder oder Elemente auf diese Art benutzt
werden, werden sie typischerweise in Kontakt mit dem zu heizenden
Material gebracht. Der Fach mann wird weitere Variationen erkennen,
die unter den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung fallen, der
von den nachstehenden Ansprüchen
definiert wird.