NL8615006A

NL8615006A - Thermische detectorreeks.

Info

Publication number: NL8615006A
Application number: NL8615006A
Authority: NL
Original assignee: Plessey Co Plc
Priority date: 1985-09-12
Filing date: 1986-09-12
Publication date: 1988-08-01
Also published as: FR2620531B1; FR2620531A1; SE466571B; GB2200246B; SE8702531D0; DE3644882A1; BE102T1; GB2200246A; FR2624603A1; IT1235675B; FR2624603B1; GB8522638D0; SE8702531L

Description

f

E 2011-250 Ned.G/EvF

Titel: Thermische detectorreeks

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op verbeteringen in of met betrekking tot thermische detectors en meer in het bijzonder op thermische infra-rood detector reeksen. In een thermische detector verhoogt de energie van de geabsorbeerde invallende straling de temperatuur 5 van elk detectie element. Deze toename in temperatuur veroorzaakt veranderingen in de temperatuur afhankelijke eigenschappen van de detector, welke gecontroleerd kunnen worden voor het detecteren van de invallende straling. De thermische detectors van specifiek belang in de onderhavige context bevatten pyro-elektrische detectors en/of bolometer detectors in de vorm 10 van een twee-dimensionaal samenstel verbonden met een halfgeleider uitlees inrichting voor het verschaffen van een kompakte, vaste toestand, ongekoelde geheugenreeks voor thermische beeldvorming en aanverwante toepassingen.

Er bestaat een toenemende belangstelling in het verkrijgen van een 15 thermische detector werking in grote twee-dimensionele reeksen met fijne verdeling (bijvoorbeeld reeksen tot of meer dan 100 x 100 elementen met verdelingen van en kleiner dan 100^,um), die de fundamentele fysische limieten voor een thermische detector benadert. Deze werking wordt bijvoorbeeld vastgesteld in termen van de signaal-ruisverhouding van het detector 20 samenstel. Voor het verkrijgen van deze werking is het noodzakelijk om eerst het signaal van de inrichting te maximaliseren (de aanspreekgevoe-ligheid) door het optimaliseren van de inrichtingstructuur en door het kiezen van geschikte detectormaterialen (dwz. kiezen van een materiaal met een hoog aanspreekgevoeligheidsgedrag), door het optimaliseren van het elek-25 tronische uitlees ontwerp en het minimaliseren van alle ruisbronnen betrekking hebbend op bijvoorbeeld het dielektrische verlies van het detector-materiaal, en ruisbronnen in de elektronische uitleesschakelingen. Zodra evenwel deze ruisbronnen voldoende gereduceerd zijn, dan wordt een fundamentele fysische limietruis benaderd, die bepaald wordt door de ther-30 mische conductantie van de structuur en het rendement van stralingsopvang en absorptie in de pixels. Dit limietruis gedrag, de thermische fluctuatie ruislimiet genoemd, wordt gegeven door de volgende uitdrukking.

μ

Thermische Fluctuatie Ruis = /4KT2G V 35 Equivalent Vermogen \ "J*~ ) waarin G de totale thermische conductantie van een element in de reeks is, n het rendement van stralingsopvang en absorptie in het element pixel oppervlak is, K de Boltzmann constante is en T de absolute temperatuur is.

.8615006 -2-

Er kan verder aangegeven worden dat de elektrische bijdrage aan het thermische fluctuatie ruis equivalente vermogen evenredig is met

Vt waarin YD de thermische admittantie van een element in de reeks is, waarvan n 5 ëën deel jwC is, waarin w de werkings hoekfrequentie van de inrichting en n

C de thermische capaciteit van het element is. Deze uitdrukking houdt in dat kleine diktes voor de detector elementen vereist zijn, zodanig dat wC

J1 kleiner dan of gelijk is aan de thermische conductantie, het reeële deel van Y , in het werkfrequentie gebied. In de praktijk zijn totale ther- “ -2 -1 10 mische conductantie waarden van kleiner dan 0,2w.au K vereist, waarbij stralingsopvang en absorptie rendementen naderen tot ëén, voor element afstanden van of kleiner dan lOO^um en element diktes van kleiner dan 15yum (bij voorkeur kleiner dan 8^um) zodat de thermische fluctuatie ruislimiet nog steeds een bruikbare inrichtingswerking verschaft, voor werkfrequenties 15 in het 10 tot 50Hz. bereik. Voor andere frequenties varieert de voorkeursdikte omgekeerd met de frequentie.

Een pyro-elektrische detector, welke een verbeterde Ruis Equivalent Vermogen werking vertoont, wordt beschreven in de Britse Octrooiaanvrage GB 2.100.058 (1982). Zoals daarin beschreven wordt, is een thermisch detec-20 terend element aangrenzend aan een absorbeerder van groter oppervlak gemonteerd, en wordt elastisch ondersteund door ëën of meer flexibele films. Elektrische verbinding wordt verschaft door geleiders, die zich lateraal uitstrekken op de inwendige oppervlakken van de films. Terwijl deze constructie zich longitudinaal in de vorm van een ëën-dimensionale reeks kan uitstrekken, 25 sluit de hiervoor genoemde noodzaak tot laterale uitbreiding in het algemeen een uitvoering in fijn verdeelde twee-dimensionale vorm uit.

Een twee-dimensionaal geïntegreerde detector reeks wordt beschreven in het Amerikaanse Octrooi 4.162.420 (1979). In deze inrichting zijn de elementen echter niet netwerkvormig verdeeld. Het detectorvlak is met een tus-30 senruimte geplaatst ten opzichte van, maar elektrisch verbonden met, een silicium uitleesschakeling door middel van een reeks metalen staafjes (lO^um vierkant en 25^um lengte). Het gebruik van metalen materialen in deze vorm, tezamen met het gemis van een netwerkvormige verdeling, heeft een inrichting tot gevolg, welke relatief slechte thermische isolatie en ther-35 mische overspraak tussen de aangrenzende elementen vertoont.

Tot nu toe was het een probleem om een fijn verdeelde, grote twee-dimen-sionale geïntegreerde infra-rood detectorreeks te verschaffen; een reeks welke een bevredigende thermische isolatie en lage overspraak vertoont.

De onderhavige uitvinding is bedoeld om detector structuren te verschaf- .8015006 < -3- fen en ook bewerkingsmethoden, geschikt voor grote twee-dimensionale thermische detector reeksen, waarin een hoge mate van thermische isolatie (lage G ) gecombineerd wordt met een hoog stralingsopvang en absorptie ren-dement.

5 Volgens de uitvinding wordt een thermische detectorreeks verschaft, welke in een twee-dimensionale reeks gerangschikte diskrete thermische detector elementen bevat, waarbij elk element ondersteunend is aangebracht op één zijde van een laag van elastisch materiaal met een laag thermisch ge-leidingsvermogen, welke laag eveneens dienst doet als scheiding tussen de 10 elementen, een tegengestelde zijde van de laag draagt een gemeenschappelijke elektrodestructuur, welke in verbinding staat met elk element en onderlinge verbindingen tussen hen verschaft door middel van elektrisch geleidende sporen met hoge thermische weerstand, elk element heeft een elementelek-trode, welke in verbinding staat met een naar binnen gericht oppervlak van 15 het element, elke elementelektrode door middel van een verbindingselement verbonden is met een ingangsschakeling van een halfgeleider substraat zodanig dat de verbindingselementen zorgen voor het ondersteunen van de laag ten opzichte van het substraat, en elk element een daarmee verbonden stralingsabsorbeerder heeft.

20 De verbindingselementen mogen een laag thermisch geleidingsvermogen hebben. Zij kunnen in positie geplaatst zijn tussen de betreffende elementen en het substraat. Als alternatief kunnen de verbindingselementen grenzend aan de zijden van de betreffende elementen geplaatst worden, waarbij zij zich direkt uitstrekken tussen het substraat en de laag.

25 Overeenkomstig de uitvinding worden eveneens werkwijzen voor het bovenstaande verschaft. Dergelijke hiervoor genoemde structuren kunnen vervaardigd worden door bewerking van bulk lagen van detectormateriaal of kunnen vervaardigd door middel van dunne film technieken.

Deze verbeterde structuren en processen zijn geschikt voor diëlek-30 trische bolometer en pyro-elektrische detectorreeksen, die enkelvoudig kristal of keramische ferroelektrische oxide materialen gebruiken zoals: bariumstrontiumtitanaat; loodmagnesiumniobaat; loodscandiumtantalaat; loodij zerniobaat/loodij zerwolframaat; en loodzirconaat/loodij zerniobaat.

De volledige fysische scheiding van de detectorelementen van het 35 thermische detector materiaal in de reeks, waarborgt lage thermische conductantie en lage thermische overspraak tussen de elementen.

De ondersteuningslaag is bij voorkeur van polymeer materiaal.

Polymeer materialen zijn zeer geschikt voor de ondersteuningslaag, zo ook voor elk ander doel, dat een mechanische verbinding of ondersteuning .80150*6 -4- met zich meebrengt, maar dat ook de voorziening van een laag thermisch geleidingsvermogen vereist. Polymeer materialen, welke in het algemeen isolerende materialen met een complexe moleculaire structuur zijn en vaak toegepast worden voor het verschaffen van een amorfe in plaats 5 van een kristallijne vaste stof, vertonen de laagste waarden voor het omgevingstemperatuur thermische geleidingsvermogen van alle klassen van vaste stoffen, zoals te zien is in de tabel hieronder:

Thermisch geleidingsvermogen bereik Materiaal klasse W.M ^.K * 10 Metalen 10-400

Halfgeleiders 1-200

Kristallijne anorganische vaste stoffen 2-200

Amorfe anorganische vaste stoffen 0,8-2,0 15 Organische polymeren 0,1-0,4

Een voorkeurs polymeer materiaal klasse voor de ondersteuningslaag is de polyimide familie van hoge temperatuur polymeren. Onder hen dienen voorbeelden gevonden te worden, die tot nu toe uitgebreid ontwikkeld zijn als passieve en diëlektrische tussenlaag bekleding voor toepassing op 20 silicium geïntegreerde schakelingen. Een specifiek voorbeeld van een polyimide materiaal, dat hierin met succes gedemonstreerd werd, is de door Hitachi vervaardigde zogenoemde 'PIQ' polyimide. Het gebruik van een polyimide materiaal voor een ondersteuningsfilm, welke sterk en flexibel is met een hoge overgangstemperatuur en goede hechting op metaal en oxide 25 oppervlakken, is geheel verenigbaar met de hierboven aangehaalde ferro- elektrische materialen en met de flip-chip soldeerverbinding, een techniek welke de voorkeur heeft voor het onderhavige doel. Polyimide films worden aangebracht door middel van het draaiend bekleden (spin coating) en gehard tussen 300 en 350°C. Bekledingsdikten in het bereiko-O,2 tot 2,0 ^um zijn 30 uitvoerbaar, terwijl submicron bekledingen de voorkeur hebben. Het verschil in thermische uitzettingscoëfficiënten van de polyimide film en de ferro-elektrische oxidematerialen, die de detectorelementen vormen (v50 ppm.K ^ of <10 ppm.K zet de ondersteuningsfilm onder een enigszins positieve spanning na afkoeling na de hardingsstap. Dit houdt de film gespannen na 35 netwerkvorming en resulteert in een zwak microfonisch effect. Andere mogelijke polymeer materialen voor gebruik als ondersteunungsfilm bevatten ,8615006 -5- polyamiden en polyurethanen (inclusief UV hardende types) en uit de dampfase afgezette polymeren (bijv. parylene).

Het gebruik van een volledige diskrete element structuur, bevestigd op een polymeer ondersteuningslaag, welke onder een kleine spanning staat, 5 waarborgt een zeer zwakke microfonische respons. Enige mate van piëzo-elek-trische werking is inherent aan de pyroëlektrische en de diëlektrische bolometer materialen onder invloed van het aangelegde voorspanningsveld, en detector ontwerpen dienen dusdanig uitgevoerd te worden, dat deze ongewenste respons mode geminimaliseerd wordt.

10 De hiervoor genoemde stralingsabsorbeerder structuur kan gevormd worden uit een dunne metaalweerstand film met een aan de impedantie van de vrije ruimte aangepaste impedantie (377-Λ10), welke ook als de gemeenschappelijke elektrode dienst kan doen. Een dergelijke film zal 50% van de invallende brede band straling absorberen. Anti-reflectie bekledingen 15 kunnen toegevoegd worden om het rendement van absorptie over een meer beperkte golfband te verhogen. Het gebruik van een als reflecterend metaal element werkende elektrodelaag op de tegengestelde zijde van het detector element, tezamen met de kennis van de infrarood optische eigenschappen van de materialen in de structuur en controle van de dikte van het detec-20 tor element, kunnen gebruikt worden om het absorptie rendement in de van belang zijnde band te vergroten. Rendementen van 0,6 tot 0,8 in de 8-14^um infrarood band zijn bereikbaar voor dergelijke multi-laag structuren. Voorkeur absorbeerder laagstructuren bevatten echter een metaalzwart laag, zoals platinazwart, welke een absorptie rendement in de buurt van één 25 vertonen in een structuur van zeer lage thermische massa.

Hoewel de absobeerders hetzelfde oppervlak als de bijbehorende detector elementen kunnen hebben, kunnen de absorbeerder en detector oppervlakken in netvormig verdeelde detectorreeks structuren onafhankelijk gevarieerd worden. Inderdaad kan het onafhankelijke karakter van deze twee 30 structuren uitgebuit worden om een hoog stralingsopvang en absorptie rendement te verkrijgen, gekombineerd met een hoge mate van thermische isolatie van de detector elementen.

Voorkeurs elektrodematerialen, in het bijzonder voor onderlingeverbin-dings sporen tussen de elementen en met de elementaansluitingen, bevatten 35 metalen, metaallegeringen, cermet (legering van keramisch materiaal en metaal) en amorfe metaallegeringen, die een hoge thermische weerstand hebben, goede hechting op andere materialen in de structuur vertonen en gemodelleerd kunnen worden voor het verschaffen van smalle sporen. Voorbeelden bevatten geanodiseerd chroom, en nikkel-chroom legering metaal .8015006 -6- films, chroom-silica cermet films en nikkel-indium amorfe metaal films. Dergelijke films, waarvan een kleine dikte (bijv. 10 tot 30^um) en een kleine breedte (bijv. 2 tot lO^um) vereist worden, kunnen afgezet worden door middel van een verscheidenheid van thermische afzettechnieken, 5 welke filament en elektronenbundel verdamping bevatten, of door middel van sputtering. Sputtering processen, en in het bijzonder magnetron sputterings-processen, hebben de voorkeur. Een elektrode, welke ëén van de hierboven genoemde metalen met een bekleding van een inert metaal met een hoog elektrisch geleidingsvermogen, zoals goud, bevat, is in het algemeen vereist 10 voor de afzetting van metaalzwart, zoals platinumzwart. Het inerte metaal met hoog geleidingsvermogen kan verwijderd worden van de elementverbindings-sporen na de zwartafzetting om de bijbehorende thermische shunt te verwijderen. Openingen of "dóórgaten" in de polymeer ondersteuningsfilm over de elementen zijn gewenst om een goed thermisch kontakt tussen de absorbeerder 15 en het detectorelement te waarborgen. Als een dunne film, impedantie aangepaste, absorbeerder structuur gebruikt wordt, dan kan de polymeer ondersteuningsf ilm ook dienst doen als een anti-reflectie bekleding voor de absorbeerder.

Figuur 1 is een illustratief dwarsdoorsnede aanzicht van een geïnte-20 greerde thermische detectorreeks overeenkomstig de onderhavige uitvinding; figuur 2 is een gedetailleerd dwarsdoorsnede aanzicht van een pixel component van de reeks van figuur 1, welke in detail de structuur van het verbindingselement daarvan toont; figuur 3 is een illustratief dwarsdoorsnede aanzicht van een geïnte-25 greerde thermische detectorreeks, welke een andere uitvoeringsvorm van de uitvinding is; figuren 4 en 5 tonen respektievelijk in dwarsdoorsnede- en bovenaanzicht een deel van een voorkeursuitvoeringsvorm van de in de voorgaande figuur getoonde reeks; 30 figuren 6 en 7 zijn schematische dwarsdoorsneden van de in de voor gaande figuren afgebeelde reeksen, welke constructie en montage details voor bulkmateriaal bewerking tonen; en figuren 8 en 9 zijn schematische dwarsdoorsnede aanzichten van een voorkeursvorm en reeks overeenkomstig de dunne film techniek.

35 Om de uitvinding beter te kunnen begrijpen, zullen hierna uitvoerings vormen daarvan bij wijze van voorbeeld beschreven worden, waarbij vemezen zal worden naar de hiervoor genoemde bijbehorende tekeningen.

In figuur 1 wordt een geïntegreerde thermische detectorreeks getoond. Deze bevat een groot aantal diskrete thermische detector elementen 1, welke , 8 e 1 5 0 0 6 -7- welke met tussenruimten in reeksposities gerangschikt zijn door middel van een elastische ondersteuningslaag 3 van een materiaal met laag thermisch geleidingsvermogen. Deze laatste verschaft voldoende ondersteuning en mechanische betrouwbaarheid voor het samenstel. Op een binnenwaarts gericht 5 oppervlak van de laag 3 strekt zich een gemeenschappelijke elektrodestruc-tuur 5 uit, welke onderlinge verbinding tussen de elementen verschaft door middel van een elektrisch geleidende verbindingen met hoge thermische weerstand 7. De tegenovergestelde zijde van element 1 draagt een individuele elementelektrode 9. De ondersteunde elementreeks structuur is geplaatst op 10 een halfgeleider substraat 11, en verbindingselementen 13, welke eveneens ondersteuning en elektrische verbinding verschaffen, zijn opgenomen tussen elk element 1 en het substraat 11. Deze verschaffen elektrische doorgang tussen de element elektroden 9 en de bijbehorende ingangscontacten 15 van de in het substraat 11 geïntegreerde uitlees schakeling. Aan het tegengestelde 15 oppervlak van de laag 3, wordt voor elk detectorelement 1 een bekleding 17 van thermisch absorptie materiaal verschaft. Thermisch kontakt tussen elk element 1 en absorbeerder 17 is voorzien, effektieve thermische geleiding wordt verschaft over de ondersteuning (laag) of door met metaal gevulde openingen in de ondersteuning (netwerk).

20 Zoals getoond wordt in figuur 2 heeft elk verbindingselement een samen gestelde structuur en wordt geplaatst onder elk element 1. Dit combineert de tegenstrijdige eisen van elektrische doorverbinding met thermische isolatie. Deze samengestelde structuur kan bijvoorbeeld gerealiseerd worden door het verschaffen van een mesa 19 van een materiaal met een laag ther-25 misch geleidingsvermogen, zoals een polymeer, direkt onder de detector 1, en het aanbrengen van een dun metaal spoor 21 met hoge thermische weerstand op de top van de mesa 19. De gemetalliseerde polymeer mesa 19 wordt dan verbonden met en elektrisch aangesloten op het ingangscontact 15 van het uitlees substraat 11 bijvoorbeeld door de voorziening van een soldeerver-30 binding 23 en oppervlakte metaallagen 25, 27. Deze structuur kan ook in een omgekeerde vorm gebruikt worden, dat wil zeggen met de soldeerver-binding 23 grenzend aan het thermische detector element 1 en de polymeer mesa 19 grenzend aan het uitlees substraat 11. Deze structuur is echter minder gunstig, aangezien de soldeerverbinding 23 nu werkt als een ther-35 mische belasting op het detectorelement 1 en de responswerking overeenkomstig vermindert.

Een reeks polymeer materialen kan gekozen worden voor het vormen van de mesa 19. Polyimide materialen zijn bijzonder geschikt voor de omgekeerde vorm van de mesa structuur, waarin de mesa 19 aan de kant van het sub- «8£13 G9 δ t -8- straat 11 geplaatst is. Polyimide materialen zijn minder geschikt voor de oorspronkelijke mesa structuur, omdat de betrokken hardingscyclus enige moeilijkheden kan veroorzaken in de procesvolgorde van de inrichting. Het gebruik van een Novolac fotogevoelige hars, die gemodelleerd en daarna 5 vloeidend-gehard kan worden voor het vormen van een mesa 19 met een afgerond randprofiel om daarna volgende metallisatie te vergemakelijken, verdient de voorkeur voor de structuur van figuur 2. Een straling (ÜV, X-straal of elektronenbundel) of chemische (bijvoorbeeld een onderdompeling in aangezuurde formaldehyde oplossing) stabilisatie behandeling voor het 10 verknopen van de Novolac hars en het stabiliseren van de mesa afmetingen voordat de metaallaag en de uiteindelijke soldeerverbinding aangebracht wordt, is in dit geval wenselijk.

De toepassing van een klont verbindingsstructuur, waarin de verbindingen 13 onder elk element 1 geplaatst zijn, betekent dat het element zelf 15 een groot deel van het beschikbare pixeloppervlak kan vullen. Er kan getoond worden dat een geoptimaliseerd compromis tussen pixel vullingsfactor (dwz. stralingsopvang rendement) en thermische overspraak tussen aangrenzende elementen 1 verkregen wordt, voor gelijke oppervlakken van absorbeerder 17 en element 1, bij een element tot tussenruimtebreedte verhouding van 4:1, 20 wat equivalent is aan een stralingsopvang rendement van 0,64, en dat het gebruik van een uitgestrekt oppervlak platinazwart collector (zie figuur 4) en/of uitgestrekt oppervlak collector (XAC) structuren, verder een aanzienlijke verbetering in het opvangrendement kunnen verschaffen zonder afbreuk te doen aan de thermische isolatie. Een opvang en absorptie rendement van 25 ongeveer 0,9 kan door middel van dergelijke middelen verschaft worden, in het bijzonder voor structuren met verdelingen van of kleiner dan lOO^um.

Een alternatieve reeksstructuur wordt getoond in figuur 3. Thermische isolatie van het element 1 ten opzichte van het uitleesschakeling substraat (de dominerende warmteput in elke structuur) en tussen aangrenzende ele-30 menten 1 wordt in dit voorbeeld tegelijk verkregen door middel van een band van polymeer ondersteuningsnetwerk 3 rond elk element 1. De individuele elementen 1 in deze structuur zijn kleiner dan in de klont verbindingsstructuur (figuur 1) en het polymeer ondersteuningsnetwerk 3 overeenkomstig langer. De verbindingen 13, die de elektrische verbinding van de element-35 elektroden 9 met de uitleesschakelingen 15 verschaft, zijn geplaatst tegen het ondersteuningsnetwerk 3, en het is niet langer essentieel om extra thermische barrière structuren (mesas) in de verbinding 13 op te nemen, zoals gedaan werd in de klontverbindingsstructuur. In deze structuur is het totale thermische geleidingsvermogen aangepast met betrekking tot .80*5006 -9- stralingsopvang rendement (voor het geval waarin de oppervlakken van het element 1 en de absorbeerder 17 gelijk zijn) en een optimale elementdiameter is ongeveer 0,6 van de pixelbreedte, wat een pixel vullingsfactor (of stralingopvang rendement) van ongeveer 0,35 geeft. De waarden voor 5 de totale en laterale thermische geleiding voor deze polymeer membraan structuur zijn aanzienlijk kleiner dan voor de klontverbindingsstructuur (figuur 1) bij een gegeven verdeling en voor praktische structuur geome-trieën. Dit kan dan een superieure uiterste inrichtingswerking verschaffen, mits het stralingsopvang rendement vergroot kan worden.

10 Een voorkeursuitvoeringsvorm van de membraan gemonteerde twee-dimensi- onale thermische detectorreeks structuur, bevat een uitgestrekt oppervlak platinazwart collector 17' (PB-XAC), zoals getoond wordt in figuur 4. Een bijzonder op te merken punt is, dat deze voorkeursstructuur afgeknotte elementhoeken bevat (hetgeen octagonale in plaats van vierkante elementen 15 geeft). Dit vergroot de lengte van het dunne metaalfilm spoor 29, welke elke elementelektrode 9 verbindt met elke verbindingsaansluiting 13 naar de uitleesschakeling 15, waardoor een verdere toename in thermische isolatie verschaft wordt, bij een minimaal verlies aan absorbeerder oppervlak. Dit dunne film spoor 29 loopt van de elementelektrode 9 over de polymeer 20 isolatie 31 naar het punt waar de verbindingen 13 aangebracht zijn. Het gebruik van vier gemeenschappelijke elektrode aansluitingen 7 dient eveneens opgemerkt te worden. Terwijl twee aansluitingen per element 1, plus extra verbindingen aan het einde van elke element rij, voldoende zijn voor de volledige gemeenschappelijke aansluiting, is enige overmaat 25 bruikbaar bij de in deze fijne verdelingsstructuur gewenste fijne spoor-geometrieën. Het gebruik van drie of vier gemeenschappelijke aansluitingen 7 is daardoor wenselijke. Weer werd de flip-chip verbinding gekozen als de voorkeurswerkwijze voor het maken van de verbindingen 13 tussen de reeks en de elektronische uitleesschakeling 15. Deze techniek is bijzonder ge-30 schikt voor de membraan gemonteerde structuur , aangezien het soldeerver-bindingsproces geen opgelegde mechanische druk (zoals vereist wordt in een vaste fase verbindingsproces zoals indiumverbinding), welke onverenigbaar zou zijn met de verbindingspositie op de flexibele polymeerfilm. Het soldeerverbindingsproces steunt op de natuurlijke bevochtigingswerking van 35 gesmolten soldeer op de te bevochtigen metaallagen 25, 27, verschaft op de twee componenten om de verbindingen 13 te vormen. De liggingsverhouding van de soldeerverbinding, met een verbindingshoogte aangepast aan de diameter van het met soldeer te bevochtigen contact, zorgt er voor dat het thermische detectorelement 1 fysisch gescheiden is van het uitleesschake- .8510006 -10- ling substraat 11, mits de elementdikte kleiner is dan de hoogte van de soldeerverbinding. Deze verbindingsgeometrie eis is verenigbaar met de noodzaak van zeer kleine elementdikten.

Werkwijzevoorbeelden voor de fabricage van thermische detector-5 reeksen met de eerder beschreven structuren worden nu in beschouwing genomen. Deze werkwijzen, terwijl zij bepaalde nieuwe kenmerken bevatten, zijn niet noodzakelijk de enige werkwijzen of volgorde van werkwijzen, waarmee dergelijke reeksen gefabriceerd kunnen worden. Werkwijzen, geschikt voor uit ferroëlektrische bulkmaterialen en uit afgezette ferroëlek-10 trische films vervaardigde detectorreeksen, zullen beschreven worden.

Bijzondere kenmerken bevatten werkwijzen voor het selektief dunner maken en voor het netwerkvormig verdelen van elementen, nieuwe structuren voor het verschaffen van mechanische ondersteuning van de reeksen, en werkwijzen voor hybride inrichting uitlijning.

15 De structuren van twee-dimensionale thermische detectorreeksen van het klontverbinding en van het polymeer membraan gemonteerde type, vervaardigd uit dun gemaakte bulkmaterialen, zijn weergegeven in figuren 6 en 7. Deze figuren tonen de randen van de reeksstructuur alsmede een deel van het reeksgebied zelf. De randen van de inrichtingsstructuur 20 bevatten een relatief dikke, onregelmatige 'beeld frame' rand 33 rond de gehele detectorreeks. Deze rand verschaft een voldoend stijf mechanisch ondersteuningsframe voor de polymeer ondersteuning of mem-braanfilm 3. Het verschaft eveneens een gebied voor de inrichtingsstructuur, dat aangeraakt mag worden tijdens assemblage, en een locatie voor 25 het plaatsen van ëën of meer rijen van soldeerverbindingen 35 met een aanzienlijk grotere diameter dan die van de soldeerverbindingen 23 in de reeks zelf. Deze soldeerverbindingen 35 zijn aanwezig om de hybride inrichtingsstructuur automatisch uit te lijnen tijdens het verbindingspro-ces, in het bijzonder om de reeks van reekselementverbindingen 23 met 30 kleine diameter uit te lijnen ten opzichte van het substraat 11.

Een mogelijke fabricage volgorde voor in figuren 6 en 7 getoonde inrichtingen is de oriëntering, het afsnijden, het uitsnijden en het polijsten van het ferroëlektrische bulkmateriaal, ofwel in de enkelkris-tal vorm of in polykristallijn keramiek vorm, voor het verschaffen van 35 een plaatje met evenwijdige zijden met de voor de niet regelmatige rand 33 van de inrichting gewenste dikte. Het gebied waaruit de netvormige reeks gefabriceerd dient te worden, wordt daarna selektief dunner gemaakt tot de uiteindelijke inrichtingsdikte. Geschikte technieken voor het selektief dunner maken, kunnen verschillende natte en droge etsprocessen bevatten, .8615096 -11- bijvoorbeeld optisch versterkte chemische etsing of ionbundel etsing, afhankelijk van het materiaal en zijn kristalvorm. Ionbundel etsing heeft het voordeel, dat het een relatief universele etsmethode is, en wordt daardoor geprefereerd in vele gevallen. De gebieden die niet dunner gemaakt 5 dienen te worden, worden op een geschikte wijze afgeschermd van de etsmid-delen, bijvoorbeeld door middel van een metaalfolie masker of een fotoge-voelige laag overeenkomstig de etsprocedure.

De verschillende, voor de invallende straling zijde 37 van de inrichting, vereiste lagen worden dan aangebracht in uitsparingen. Dit zal 10 gewoonlijk een ets verhinderingslaag bevatten voor de opvolgende netwerkvorming, de polymeer ondersteuningsfilm of membraanlaag 3, de gemeenschappelijke elektrode lagen 5 en de infrarood absorbeerder structuur 17. Het plaatje wordt dan omgekeerd en de elementelektroden 9 en netwerk masker-lagen aangebracht. Netwerkvormige verdeling wordt bij voorkeur uitgevoerd 15 door middel van een anisotroop etsproces, zoals ionenbundel etsing of reak-tieve ionen etsing. Geschikte masker materialen en ets verhinderingslagen kunnen gekozen worden met betrekking tot het betreffende te etsen materiaal, het betreffende etsproces en de betreffende geometrie. Een stel uitsparingen 39 kunnen onder de inrichting ondersteuningsrand 33 geëtst worden 20 gelijkertijd met de netwerkvorming van van de elementreeks, voor het later opnemen van uitlijning soldeerverbindingen 35 met grotere diameter. Geëtste uitsparingen 39 zijn bijzonder geschikt voor de membraan gemonteerde structuur, zoals te zien is in figuur 7. Als de soldeerverbindingen 23, 35 vastgesteld zijn op de silicium-uitlees-chip-helft van de uiteindelijke hybride 25 inrichting, dan kunnen deze uitsparingen ook helpen bij de mechanische uitlijning van de componenten voorafgaande aan het samensmelten van het soldeer voor het volledig maken van de verbinding van de hybride inrichting. Zodra de netwerkvorming gereed is, zorgt de ets verhinderingslaag voor de beveiliging van de onderliggende polymeer ondersteuning- of membraanfilm 3. De 30 ets verhinderingslaag, welke voor zijn doel dienst gedaan heeft, kan dan, voor zover gewenst, verwijderd worden.

Nadat de netwerkvorming gecompleteerd is, worden de verschillende voor de elementaansluitzijde van de structuur vereiste lagen toegevoegd.

Deze kunnen bevatten polymeerisolatie 31, elementelektrode 9 en polymeer 35 mesalagen 19, element-uitlees verbindingssporen 21 en te bevochtigen metaalbekledingen 25, 27 voor het opnemen van de soldeerverbindingen 23.

Een corresponderende reeks van te bevochtigen metaalbekledingen 27 worden verschaft op de ingangscontacten 15 naar de silicium uitleesschakeling.

De soldeerklonten 23 kunnen aangebracht worden op één of beide componenten . 86150:3 9 -12- van de hybride inrichting.

De ferroëlektrische materialen, die de gevoelige elementen van de thermische detectorreeks vormen, kunnen ook conventioneel direkt in de vorm van een dunne film met de gewenste dikte voor het aktieve element afge-5 zet worden. Dit kan potentiële kostbare kristalgroei, keramische fabricage, oriëntering, afsnijden, ets en polijst procedures, inherent aan de toepassing van bulkmaterialen voor deze inrichtingen, vermijden. Werkwijzen voor de dunne film afzetting van dergelijke ferroëlektrische materialen bevatten reaktieve sputtering van samengestelde trefelementen, 10 metaal-organische chemische damp afzetting (MOCVD), en ter plaatse ontleding van voorgaand afgezette metaal-organische films (bijvoorbeeld films geproduceerd door het sol-gel proces of door ter plaatse hydrolyse van opgespoten metaal-organische complexe oplossingen). Dergelijke films kunnen polykristallijn zijn met verschillende mate van kristallografische voor-15 keurs oriëntatie, of enkelkristal, afhankelijk van de omstandigheden van afzetting en/of ontleding. Bijzonder belangrijke parameters in dit opzicht bevatten de afzettings- of ontledingstemperatuur, en de aard van het substraat, waarop de films afgezet worden. Deze processen, voor dergelijke relatief complexe materialen zoals de eerder genoemde ferroëlek-20 trische oxiden, brengen in het algemeen afzettings- of ontbindingstempera-turen van meer dan 400°C met zich mee, in het bijzonder als sterk kris-tallijne films vereist zijn. Om deze reden is direkte afzetting op een geschikt thermische isolatiestructuur in plaats van op de uitlees inrichting in het algemeen moeilijk. Film afzetting wordt daarom bij voor-25 keur gedaan op een geschikt tijdelijk substraat. Een substraat 41 met een afgezette ferroëlektrische film 43 en een 'barrière' laag 45 wordt getoond in figuur 8. De keuze van het geschikte warmtebestendige substraatmateriaal kan de hierboven genoemde eis van de afzettingsprocestemperatuur wegnemen, en kan ook vooruitzichten voor het controleren van de filmstructuur toegan-30 kelijk maken. Gecshikte substraatmaterialen kunnen amorfe materialen ( b.v. gesmolten kwarts), en kristallijn oxide en andere anorganische samengestelde materialen bevatten. Enkelkristal substraat materialen (b.v. spinel, saffier, magnesium, oxide, kubisch zircoonoxide, natriumchloride en lithiumfluoride) zijn van bijzonder belang, aangezien zij de mogelijkheid van epitaxiale 35 groei van enkelkristal ferroelektrische films bieden, als de netwerkpara- meters of de netwerk tussenruimten op geschikte wijze in overeenstemming zijn gebracht.

De in figuur 8 getoonde 'barrière' laag 45 kan vereist zijn voor het voorkomen van chemische interaktie van de aangroeiende film met het .8615006 0 i -13- substraat en/of het bevorderen van kernsplitsing van de film. De 'barrière' film 45 zelf kan op het substraat 41 afgezet zijn voor het verschaffen van de voorkeursoriëntatie of als een epitaxiale enkelkristal laag. De voorkeursoriëntatie of enkelkristal aard van deze 'barriëre' film kan door-5 lopen in de daarop aangegroeide ferroëlektrische film. De barriëre film 45 kan ook gebruikt worden voor het verkrijgen van een geleidelijke overgang tussen de netwerkparameters van het substraat 41 naar die van de ferroëlektrische film, in de situatie waarin epitaxiale groei plaats vindt. Een voorbeeld van een barriëre laag 45 is metaal platinum, dat met een voorkeurs 10 oriëntatie op gesmolten kwarts afgezet kan worden, of door sputtering als een epitaxiale film op enkelkristal magnesium afgezet kan worden.

Nadat een ferroëlektrische dunne film 43 van gewenste dikte op het substraat 41 is afgezet, kan deze structuur bewerkt worden op een overeenkomstige wijze als de uit het bulkmateriaal vervaardigde inrichtingsstruc-15 tuur, zoals getoond wordt in figuur 9. De substraatlaag 41 wordt weggeetst uit het aktieve opppervlak van de reeks op een voor het gekozen substraat-materiaal geschikte wijze, maar blijft behouden rond de omtrek van de structuur voor het verschaffen van een dikker, niet-netwerkvormig ondersteunings frame 33 voor de polymeerondersteunings- of membraanfilm 3, die de detector-20 reeks draagt. De barriëre laag 45 kan vervat zijn in de reeksstructuur of verwijderd zijn. Inrichtingsbewerking op andere manier volgt een volledig gelijke route als de eerder beschreven en resulteert in een fysisch gelijke structuur.

Andere uit de eerder beschreven structuren afgeleide structurele .

25 varianten vallen ook binnen de omvang van de uitvinding. Bijzondere voorbeelden bevatten het gebruik van alternatieve inrichtingen voor het concentreren en/of opvangen van de invallende infrarood straling op de de-tectorelementen 1. Brekende of reflecterende optische structuren, welke miniatuur, afzonderlijke element optische immersielenzen bevatten, en vlak 30 geslepen of gekromde reflecterende lichtkoker structuren zijn inbegrepen. Dergelijke structuren kunnen bijvoorbeeld vervaardigd worden door de foto-chemische of anisotrope chemische etsing van enkelkristal silicas, gevolgd door geschikte anti-reflectie of metaalbekleding. Dergelijke concentrerings structuren kunnen weer samengevoegd en nauwkeurig uitgelijnd worden met 35 de hybride structuur door gebruik te maken van flip-chip verbinding.

.8^ 5 00 6

Claims

1. Thermische detectorreeks, welke in een twee-dimensionale reeks gerangschikte diskrete thermische detector elementen bevat, met het kenmerk, dat elk element (1) ondersteunend is aangebracht op ëën zijde van een laag (3) van elastisch materiaal met een laag thermisch geleidingsvermogen, welke 5 laag eveneens dienst doet als scheiding tussen de elementen, een tegengestelde zijde van de laag draagt een gemeenschappelijke elektrodestructuur(5) welke in verbinding staat met elk element en onderlinge verbindingen tussen hen verschaft door middel van elektrisch geleidende sporen (7) met hoge thermische weerstand, elk element (1) heeft een elementelektrode (9), welke 10 in verbinding staat met een naar binnen gericht oppervlak van het element, elke elementelektrode (9) door middel van een verbindingselement (13) verbonden is met een ingangsschakeling (15) van een halfgeleider substraat (11) zodanig dat de verbindingselementen (13) zorgen voor het ondersteunen van de laag ten opzichte van het substraat (11), en elk element (1) een daarmee 15 verbonden stralingsabsorbeerder (17) heeft.

2. Reeks volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de verbindingselementen (13) gemaakt zijn van een materiaal met laag thermisch geleidingsvermogen.

3. Reeks volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de verbindings-20 elementen (13) geplaatst zijn tussen de respektieve elementen (1) en het substraat (11).

4. Reeks volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de verbindingselementen (13) grenzend aan de zijden van de respektieve elementen (1) geplaatst zijn, welke zich direkt uitstrekken tussen het substraat (11) en 25 de laag (3).

5. Werkwijze voor de fabricage van een thermische detectorreeks, hoofdzakelijk zoals hiervoor beschreven. .8015006