RU2812235C1 - Болометрический приемник с полимерным теплоизолятором - Google Patents
Болометрический приемник с полимерным теплоизолятором Download PDFInfo
- Publication number
- RU2812235C1 RU2812235C1 RU2023104000A RU2023104000A RU2812235C1 RU 2812235 C1 RU2812235 C1 RU 2812235C1 RU 2023104000 A RU2023104000 A RU 2023104000A RU 2023104000 A RU2023104000 A RU 2023104000A RU 2812235 C1 RU2812235 C1 RU 2812235C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- cross
- linked
- polymer
- nitride
- bolometric
- Prior art date
Links
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 title claims abstract description 21
- 239000012212 insulator Substances 0.000 title description 15
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 34
- 239000010409 thin film Substances 0.000 claims abstract description 33
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims abstract description 18
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 15
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims abstract description 8
- 229920003229 poly(methyl methacrylate) Polymers 0.000 claims description 19
- 239000004926 polymethyl methacrylate Substances 0.000 claims description 19
- 229910052707 ruthenium Inorganic materials 0.000 claims description 17
- KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N Palladium Chemical compound [Pd] KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N Ruthenium Chemical compound [Ru] KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- -1 poly(methyl methacrylate-methacrylamide) copolymer Polymers 0.000 claims description 11
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 229920006037 cross link polymer Polymers 0.000 claims description 9
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims description 9
- 239000010955 niobium Substances 0.000 claims description 7
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 claims description 6
- 229910052763 palladium Inorganic materials 0.000 claims description 6
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 239000004695 Polyether sulfone Substances 0.000 claims description 5
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims description 5
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000011651 chromium Substances 0.000 claims description 5
- 229920003020 cross-linked polyethylene Polymers 0.000 claims description 5
- 239000004703 cross-linked polyethylene Substances 0.000 claims description 5
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 claims description 5
- GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N niobium atom Chemical compound [Nb] GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 229920006393 polyether sulfone Polymers 0.000 claims description 5
- 239000003870 refractory metal Substances 0.000 claims description 5
- CFJRGWXELQQLSA-UHFFFAOYSA-N azanylidyneniobium Chemical compound [Nb]#N CFJRGWXELQQLSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- NRTOMJZYCJJWKI-UHFFFAOYSA-N Titanium nitride Chemical compound [Ti]#N NRTOMJZYCJJWKI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N Zirconium Chemical compound [Zr] QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- XHCLAFWTIXFWPH-UHFFFAOYSA-N [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[V+5].[V+5] Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[V+5].[V+5] XHCLAFWTIXFWPH-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- SKKMWRVAJNPLFY-UHFFFAOYSA-N azanylidynevanadium Chemical compound [V]#N SKKMWRVAJNPLFY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052735 hafnium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- VBJZVLUMGGDVMO-UHFFFAOYSA-N hafnium atom Chemical compound [Hf] VBJZVLUMGGDVMO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052741 iridium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- GKOZUEZYRPOHIO-UHFFFAOYSA-N iridium atom Chemical compound [Ir] GKOZUEZYRPOHIO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 claims description 3
- 229910052762 osmium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- SYQBFIAQOQZEGI-UHFFFAOYSA-N osmium atom Chemical compound [Os] SYQBFIAQOQZEGI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052702 rhenium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- WUAPFZMCVAUBPE-UHFFFAOYSA-N rhenium atom Chemical compound [Re] WUAPFZMCVAUBPE-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052703 rhodium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000010948 rhodium Substances 0.000 claims description 3
- MHOVAHRLVXNVSD-UHFFFAOYSA-N rhodium atom Chemical compound [Rh] MHOVAHRLVXNVSD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 claims description 3
- GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N tantalum atom Chemical compound [Ta] GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N titanium oxide Inorganic materials [Ti]=O OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 claims description 3
- 229910001935 vanadium oxide Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- LEONUFNNVUYDNQ-UHFFFAOYSA-N vanadium atom Chemical compound [V] LEONUFNNVUYDNQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 2
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 abstract description 24
- 230000005855 radiation Effects 0.000 abstract description 8
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 6
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 5
- 238000005375 photometry Methods 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000006096 absorbing agent Substances 0.000 description 32
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 26
- 239000010408 film Substances 0.000 description 15
- 239000002070 nanowire Substances 0.000 description 15
- 239000000463 material Substances 0.000 description 12
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 9
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 9
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 7
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 7
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 7
- 238000013461 design Methods 0.000 description 5
- 238000001755 magnetron sputter deposition Methods 0.000 description 5
- 238000000609 electron-beam lithography Methods 0.000 description 4
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 4
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 4
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 4
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N Isopropanol Chemical compound CC(C)O KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 3
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000004132 cross linking Methods 0.000 description 2
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 2
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 2
- 238000005566 electron beam evaporation Methods 0.000 description 2
- 238000001459 lithography Methods 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 2
- 238000001020 plasma etching Methods 0.000 description 2
- 239000002861 polymer material Substances 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- 239000004971 Cross linker Substances 0.000 description 1
- 229920000491 Polyphenylsulfone Polymers 0.000 description 1
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 239000012790 adhesive layer Substances 0.000 description 1
- 238000000231 atomic layer deposition Methods 0.000 description 1
- 238000007664 blowing Methods 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 description 1
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010432 diamond Substances 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 230000005670 electromagnetic radiation Effects 0.000 description 1
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 description 1
- GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N germanium atom Chemical compound [Ge] GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 1
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 1
- 229910003480 inorganic solid Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920000620 organic polymer Polymers 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 229920002492 poly(sulfone) Polymers 0.000 description 1
- 229920006254 polymer film Polymers 0.000 description 1
- 239000013557 residual solvent Substances 0.000 description 1
- 150000003303 ruthenium Chemical class 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 1
- 239000007921 spray Substances 0.000 description 1
- 238000002207 thermal evaporation Methods 0.000 description 1
- 238000007669 thermal treatment Methods 0.000 description 1
- 229910052723 transition metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000003624 transition metals Chemical class 0.000 description 1
- GPPXJZIENCGNKB-UHFFFAOYSA-N vanadium Chemical group [V]#[V] GPPXJZIENCGNKB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000003631 wet chemical etching Methods 0.000 description 1
Abstract
Изобретение относится к области фотометрии, а именно к неохлаждаемым болометрам на основе тонкопленочных терморезистивных чувствительных элементов, изолированных от подложки, и способам их изготовления. Болометрический приемник содержит удлиненный тонкопленочный элемент из токопроводящего материала, размещенный на подложке и отделенный от нее теплоизолирующим слоем, выполненным из полимера с поперечными межмолекулярными связями и расположенным непосредственно на подложке. Теплопроводность полимера при этом ниже, чем теплопроводность подложки. Также болометр содержит токопроводящие контактные элементы, частично расположенные поверх концов указанного удлиненного тонкопленочного элемента из токопроводящего материала и имеющие с ним электрический и тепловой контакт. Изготовление такого болометра осуществляется методами планарной технологии и включает три этапа. На первом этапе на подложке формируется первый тонкопленочный элемент из полимера с поперечными межмолекулярными связями. На втором этапе формируется, поверх первого элемента, второй удлиненный тонкопленочный элемент из токопроводящего материала. На третьем этапе формируются контактные элементы, выполненные из токопроводящего материала, частично поверх концов второго элемента, при этом контактные элементы приведены в электрический и тепловой контакт с концами второго элемента. Технический результат - повышение чувствительности неохлаждаемого болометрического приемника излучения и повышение его механической стабильности. 2 н. и 20 з.п. ф-лы, 4 ил.
Description
Область техники, к которой относится изобретение
[0001] Изобретение относится к области фотометрии, а именно к неохлаждаемым болометрам на основе тонкопленочных терморезистивных чувствительных элементов, изолированных от подложки.
Уровень техники
[0002] Болометры с чувствительными элементами - поглотителями или сенсорами, на основе ультратонких металлических пленок, в которых сопротивление сильно зависит от температуры, привлекательны для микроволнового и терагерцового детектирования из-за их относительной простоты изготовления. Чисто активное сопротивление таких болометров позволяет осуществлять широкополосное согласование с антеннами и работу на высоких частотах. Ранее исследовались микроболометры на основе ультратонких пленок ниобия, нитрида ниобия [A. Rahman, G. de Lange, and Q. Hu, "Micromachined room-temperature microbolometers for millimeter-wave detection, " Appl. Phys. Lett., vol. 68, no. 14, pp. 2020-2022, 1996, C. Dietlein et ah, "Performance comparison of Nb and NbN antenna- coupled microbolometers, " in Proc. SPIE, vol. 6549, May 2007, Art. no. 65490M], титана [L. Qi et ah, "Antenna-coupled titanium microbolometers: Application for precise control of radiation patterns in terahertz time-domain systems, "Sensors, vol. 21, no. 10, p.3510, May 2021, A. Sešek, D. Ber'can, M. Gradisek, and J. Trontelj, "A THz receiver with novel features and functionality, "Sensors, vol. 18, no. 11, p. 3793, Nov. 2018] и платины [Y. Desmet, B. Thomas, and E. Peytavit, "Room temperature platinum nano-strip bolometer for mm and submm-wave applications," in Proc. Global Symp. Millim. Waves ESA Workshop Millimetre-Wave Technol. Appl. (GSMM), Espoo, Finland, 2016, pp. 1-4], а также кремниевых мембран [D.-T. Nguyen, F. Simoens, J.-L. Ouvrier-Buffet, J. Meilhan, and J.-L. Coutaz, "Broadband THz uncooled antenna-coupled microbolometer array-Electromagnetic design, simulations and measurements," IEEE Trans. Terahertz Sci. Technol., vol. 2, no. 3, pp. 299-305, May 2012, J. Oden et ah, "Imaging of broadband terahertz beams using an array of antenna-coupled microbolometers operating at room temperature, " Opt. Exp., vol. 21, pp. 4817-4825, Feb. 2013]. Болометрические пленки, нанесенные на поверхность кремниевой подложки, покрытую слоем SiO2, показали умеренную вольт-ваттную чувствительность Sv около 10 В/Вт. Подвешенные поглотители и поглотители, изготовленные на тонких мембранах, термически отделены от подложки. Это позволяет повысить температуру поглотителей за счет принимаемой радиочастотной (РЧ) мощности и, следовательно, увеличивает болометрический отклик. Для подвешенных металлических поглотителей возможно увеличение Sv более чем на порядок [2, 6], поскольку увеличение аспектного соотношения поглотителя (отношение его длины к ширине) позволяет уменьшить утечку тепла в толстые контактные электроды и еще больше увеличивает Sv- Однако длинные подвешенные ультратонкие полоски пленки имеют плохую механическую стабильность и долговечность, и их трудно изготовить. В качестве альтернативы, предлагается изготавливать поглотители с высоким соотношением сторон на поверхности твердой пленки с низкой теплопроводностью.
[0003] Наиболее близким к заявляемому техническому решению является неохлаждаемый болометрический приемник излучения на основе терморезистивного элемента из рутения, раскрытый в статье Ильин А.С, Коя И.А., Соболев А.С, Коваленко А.Г. Электрофизические свойства неохлаждаемых рутениевых микро- и наноболометров. Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2019. №12. Режим доступа: http://jre.cplire.ru/jre/decl9/10/text.pdf. Болометр, раскрытый в данном документе, имеет заявленную чувствительность 500 В/Вт, однако, данная чувствительность получена на электрически нестабильном участке вольт-амперной характеристики, когда нагрев нанопровода приводит к его деградации и последующему разрушению, что делает невозможным его практическое использование. Реальная чувствительность такого болометра - не более 80 В/Вт при токе более 1 мА.
[0004] Технической проблемой, решаемой данным изобретением, является создание такого неохлаждаемого болометрического приемника излучения на основе терморезистивного элемента, который бы имел высокую чувствительность и, при этом, обладал механической и электрической стабильностью.
Раскрытие изобретения
[0005] Технический результат заявленного изобретения заключается в повышении чувствительности неохлаждаемого болометрического приемника излучения и повышении его механической стабильности, обеспечивающимися путем формирования чувствительного элемента, сенсора, на твердой поверхности полимера с поперечными межмолекулярными связями, устойчивого к различным физическим и химическим воздействиям, что позволяет уменьшить тепловую связь сенсора с подложкой, затрудняя тепловой сток из сенсора. Кроме того, такая конструкция позволяет формировать чувствительные элементы с высоким аспектным соотношением, что также обеспечивает высокую чувствительность болометрического приемника на электрически стабильном участке ВАХ.
[0006] Технический результат достигается за счет конструкции болометра, включающей в себя тонкопленочный теплоизолятор, отделяющий поглотитель от подложки. Тонкопленочный изолятор формируется стандартными средствами планарной технологии и представляет собой слой полимера с поперечными межмолекулярными связями, например, сшитого полиметилметакрилата (ПММА). За счет того, что полимерные материалы, в целом, обладают меньшей теплопроводностью, нежели неорганические твердые вещества, достигается значительное снижение теплового стока из поглотителя в подложку, и накопление тепла в поглотителе, при пропускании через него электрического тока, происходит быстрее и при меньших токах. При этом, полимер с поперечными межмолекулярными связями, такой как сшитый ПММА, обладает большей термической и химической стойкостью, нежели обычный ПММА, а также многие другие органические полимерные материалы, за исключением специальных полимеров, таких как, например, полисульфоны. Такая термостабильность обеспечивает возможность работы сенсора с локальным разогревом до 200 градусов по Цельсию и выше, в зависимости от выбранного материала. Толщина слоя теплоизоляции играет существенную роль в повышении чувствительности болометра. Так, одно лишь увеличение толщины слоя сшитого ПММА с 90 нм до 190 нм влечет за собой увеличение чувствительности с менее чем 175 В/Вт до практически 250 В/Вт для тех же самых геометрических параметров поглотителя. Оптимальным можно считать диапазон толщин поглотителя 30-3000 нм. Также в качестве материала теплоизолятора могут применяться другие полимеры с поперечными межмолекулярными связями, такие как сшитый сополимер поли(метилметакрилат-метакриламид), сшитый полиэтилен, сшитый полиэфирсульфон, сшитый полифенилсульфон.
[0007] Также повышение чувствительности и стабильности работы болометра обеспечивается выбором материала поглотителя, его толщиной и геометрической формой. В качестве материала поглотителя стоит выбирать термостойкие электропроводящие материалы, такие, например, как тугоплавкие металлы или сплавы, в частности, рутений. При этом необходимо принимать во внимание устойчивость материала к окислению при повышении температуры. Так, например, рутений окисляется на воздухе лишь при достижении температур порядка 800 градусов по Цельсию, что гораздо выше рабочих температур болометра. Другими материалами для использования в качестве поглотителя могут выступать ванадий, вольфрам, гафний, иридий, молибден, ниобий, осмий, палладий, платина, рений, родий, тантал, титан, хром, цирконий. Кроме того, для поглотителя могут использоваться оксиды и нитриды металлов, такие как оксид ванадия, оксид титана, нитрид ниобия, нитрид титана, нитрид ванадия, нитрид рутения, а также оксинитриды металлов, такие как оксинитрид ниобия, оксинитрид титана, и других переходных металлов.
[0008] Форма и толщина поглотителя также имеют существенное влияние на стабильность и чувствительность болометра. Для повышения чувствительности болометра необходимо уменьшать толщину поглотителя, при этом, более тонкая пленка поглотителя сильнее локально разогревается, что влечет за собой ее разрушение. Оптимальным является диапазон толщин 10-100 нм. В общем случае, поглотитель представляет собой удлиненный в плане элемент, имеющий первый и второй концы, по форме, близкой к вытянутому прямоугольнику. При этом форма поглотителя может изменяться, например, путем добавления уширений, например, эллипсовидной формы, для обеспечения более равномерного разогрева сенсора, что также повышает его чувствительность.
[0009] Также конструкция болометра включает в себя, два контактных токопроводящих элемента, например, тонкопленочных металлических проводника, сформированных частично поверх концов поглотителя и находящихся в физическом контакте с ними, электрическом и тепловом. При этом толщина указанных контактных элементов должна быть не меньше суммарной толщины указанного тонкопленочного теплоизолятора и поглотителя в местах контакта контактных элементов с поглотителем. Так, для толщин поглотителя 10-100 нм и толщин теплоизолятора 30-3000 нм, толщина контактов может быть 40-3100 нм.
[0010] Изготовление такого болометра осуществляется методами планарной технологии, и происходит в три этапа. На первом этапе на подложке формируется тонкопленочный теплоизолирующий элемент из полимера с поперечными межмолекулярными связями. На втором этапе, поверх указанного тонкопленочного теплоизолирующего элемента, формируется удлиненный тонкопленочный элемент из токопроводящего материала, имеющий первый и второй концы. На третьем этапе формируются контактные элементы, выполненные из токопроводящего материала, частично поверх концов указанного удлиненного тонкопленочного элемента, таким образом, чтобы контактные элементы были в электрическом и тепловом контакте с первым и вторым концами указанного удлиненного тонкопленочного элемента.
[0011] Также, для снижения теплооттока от поглотителя за счет конвекции, он может быть покрыт, частично или полностью, сверху дополнительным слоем сшитого полимера методом, аналогичным формированию теплоизолирующего элемента.
Краткое описание чертежей
[0012] Фиг. 1. Схематическое изображение предлагаемой конструкции болометрического приемника.
[0013] Фиг. 2. Изображение варианта исполнения болометрического приемника, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа.
[0014] Фиг. 3. Вариант последовательности этапов формирования болометрического приемника.
[0015] Фиг. 4. Кривые зависимостей вольт-ваттной чувствительности образцов Ru и Nb сенсоров на SiO2 и Ru сенсоров на теплоизолирующем слое сшитого ПММА для различных толщин изолятора и длин нанопроводов.
Подробное описание примерных вариантов реализации
[0016] В настоящем подробном описании различные варианты осуществления концепции изобретения в основном описаны со ссылкой на теплоизолирующий материал в форме сшитого полиметилметакрилата (ПММА). Однако следует отметить, что это никоим образом не ограничивает объем настоящего изобретения, которое в равной степени применимо к любому термостойкому полимерному материалу, из которого на подложке сформирован слой теплоизоляции. Соответственно, концепция изобретения применима к теплоизолирующим элементам, полученным путем сшивки полимера, так и к полученным иными способами формирования, например, травлением пленки полимера через маску. Также, чувствительный элемент, он же сенсор, он же поглотитель, может в некоторых возможных реализациях представлять собой узкую тонкопленочную металлическую ленту (так называемый нанопровод). Кроме того, концепция изобретения одинаково хорошо применима к тонкопленочным сенсорам различных геометрических форм и из различных материалов, представляющих собой как сложные химические соединения, такие как нитриды и оксиды металлов, так и простые вещества, такие как кремний, германий или углерод, в том числе в форме моно- или многослойного графена и графита.
[0017] На фиг. 1 изображена послойная схема болометра с теплоизолированным сенсором. На подложке 11 располагается полимерный теплоизолирующий слой 12, на котором сформирован сенсор 13 в виде нанопровода. Оба конца нанопровода приведены в непосредственный физический контакт, электрический и тепловой, с контактными проводниками 14, посредством которых осуществляется подведение тока смещения к сенсору, передача к нему энергии принимаемого излучения, а также измерение отклика на принятое излучение. Также, контактные проводники обеспечивают основной тепловой сток для сенсора.
[0018] На фиг. 2 приведено изображение, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа, одного из вариантов исполнения настоящего изобретения. На подложке из термически оксидированного кремния 21 сформирован, с помощью электронно-лучевой литографии, тонкопленочный теплоизолирующий элемент из сшитого полиметилметакрилата 22. Поверх указанного теплоизолирующего элемента, с помощью электронно-лучевой литографии и магнетронного распыления, сформирован сенсор, поглотитель из рутения 23 с адгезионным слоем титана, концы которого непосредственно физически контактируют с контактными проводниками 24 из палладия, выполненными также с помощью электронно-лучевой литографии и магнетронного распыления.
[0019] Изготовление болометра осуществляется послойно методами планарной технологии.
[0020] Изготовление одиночного болометра может осуществляться, например, следующим образом, изображенном на фиг. 3. На первом этапе 31 на подложку из кремния с термически окисленной поверхностью наносится тонкая пленка ПММА заданной толщины, после чего, с помощью электронно-лучевой литографии с высокой дозой, производится экспонирование в пленке ПММА удлиненной прямоугольной структуры заданной длины, и шириной не меньшей, чем максимальная ширина предполагаемого нанопровода. После экспозиции, подложка с ПММА помещается в растворитель для удаления непроэкспонированных областей. После этого подложка промывается, для удаления остатков растворителя, например, в деионизованной воде или изопропиловом спирте, и высушивается путем обдува сжатым воздухом, азотом под давлением, или иным нереактивным газом. Таким образом, на подложке сформирована прямоугольная структура из сшитого ПММА, служащая теплоизолятором болометра.
[0021] На втором этапе 32, на подложку наносится пленка резиста, затем, с помощью литографии в ней, поверх сформированного теплоизолятора, экспонируется вытянутый прямоугольник. Также вытянутый прямоугольник может экспонироваться таким образом, что концы его выходят за пределы сформированного теплоизолятора. После экспозиции, подложка помещается в проявитель, в результате чего в проэкспонированной области формируются окна, свободные от резиста. После этого, подложка высушивается и на нее осаждается тонкая рутениевая пленка толщиной 10-200 нм, предпочтительно 20 нм. Для повышения адгезии рутения к поверхности, на нее предварительно осаждается тонкий слой титана, или другого подходящего материала, например, хрома или алюминия, толщиной 1-4 нм. Осаждение материалов может производиться путем магнетронного распыления, реактивного магнетронного распыления, термического испарения, лазерного испарения, испарения электронным пучком, атомно-слоевого осаждения или иным способом. Магнетронное распыление и испарение электронным пучком являются предпочтительными, поскольку обеспечивают высокую чистоту и однородность осаждаемой пленки. После этого, производится удаление резистной маски, оставляя на теплоизоляторе и, частично, на подложке, соответствующий нанопровод из осажденного материала.
[0022] Также форма поглотителя может отличаться от вышеуказанной прямоугольной формы. Поглотитель также может иметь эллипсовидную форму, веретенообразную форму, ромбовидную форму, или иную форму, предполагающую расширение в центральной части поглотителя.
[0023] На третьем этапе 33, на подложку наносится пленка резиста, и с помощью литографии в ней экспонируются подводящие линии, прямоугольные или иной формы, таким образом, что рисунок подводящих линий частично перекрывает концы нанопровода из рутения. После экспозиции, подложка помещается в проявитель, в результате чего в проэкспонированной области формируются окна, свободные от резиста. После этого, подложка высушивается и на нее осаждается тонкая металлическая, например, алюминиевая или палладиевая пленка толщиной 50-1000 нм, предпочтительно 200 нм. При необходимости, для повышения адгезии указанной металлической пленки к поверхности, на поверхность предварительно осаждается тонкий слой титана, или другого подходящего материала, например, хрома или алюминия, толщиной 1-4 нм. После этого, производится удаление резистной маски, оставляя на подложке и, частично, поверх нанопровода и теплоизолятора, соответствующие контактные проводники из осажденного металла.
[0024] Результатом последовательности вышеуказанных этапов является сформированный нанопровод из рутения, отделенный от подложки слоем теплоизолятора, при этом концы нанопровода находятся в непосредственном физическом контакте с контактными проводниками.
[0025] Кроме того, для снижения теплооттока от поглотителя за счет конвекции, он может быть покрыт, частично или полностью, сверху дополнительным слоем сшитого полимера методом, аналогичным формированию теплоизолирующего элемента. При этом указанный дополнительный слой может частично покрывать первый слой теплоизоляции.
[0026] Изготовление болометра может осуществляться иным образом, отличным от вышеуказанного. Например, формирование элементов может производиться с помощью субтрактивной технологии, когда элементы формируются путем травления осажденной пленки через маску из резиста с помощью жидкостного химического травления, травления распылением, плазмохимического травления, реактивного ионного травления или атомно-слоевого травления.
[0027] Также локальная сшивка полимера для получения тонкопленочного теплоизолирующего элемента может осуществляться с помощью химической или термической обработки, например, с помощью обработки кросс-линкером TYB и нагреванием до 100 градусов по Цельсию, или с помощью облучения ультрафиолетовым излучением.
Пример
[0028] Разработанный неохлаждаемый болометр был реализован в виде серии образцов рутениевых нанопроводов с различным аспектным соотношением, сформированных поверх теплоизолирующего тонкопленочного слоя из сшитого полиметилметакрилата (ПММА) разной толщины на подложке из термически оксидированного кремния. Контактными проводниками служили тонкопленочные проводники из палладия толщиной 200 нм. В качестве контрольных, были также сформированы аналогичные сенсоры, в которых рутениевый нанопровод размещался непосредственно на подложке из оксидированного кремния, без дополнительного теплоизолирующего полимерного слоя. Расчет чувствительности болометра Sv производился на основании измерений его вольт-амперной характеристики по формуле
где Rd=dV/dI - дифференциальное сопротивление, R=V/1 - сопротивление постоянному току, а V и I - соответственно, напряжение и ток, определяемые в точке смещения болометра. Результаты расчета чувствительности Sv для различных толщин теплоизолятора h и длин нанопровода L представлены на фиг. 4.
[0029] Из графика видно, что чувствительность болометра с теплоизолирующим слоем толщиной 90 нм вдвое превышает чувствительность аналогичного болометра без слоя теплоизоляции, а при увеличении толщины теплоизолятора приблизительно вдвое, чувствительность вырастает еще на треть. То есть, благодаря добавлению полимерного слоя теплоизоляции, чувствительность болометра увеличивается почти троекратно. Так полученная чувствительность для болометра с теплоизолирующим слоем толщиной 190 нм, длиной нанопровода, его шириной и толщиной, соответственно, 6 мкм, 100 нм и 20 нм, составила около 250 В/Вт.
[0030] При этом, также исследовалась стабильность параметров сенсора в рабочем режиме на протяжении двух периодов по 600 секунд непрерывной работы в рабочей точке ВАХ при токе I=500 мкА. Исследование показало, что каких-либо существенных изменений параметров сенсора, характеризующих его физическое состояние, таких как его сопротивление или проводимость, не произошло. Это показывает также значительное отличие изобретения от прототипа по стабильности работы сенсора.
[0031] Таким образом, заявленное изобретение позволяет значительно повысить чувствительность болометра, а следовательно, и чувствительность приемников электромагнитного излучения на его основе, что обусловлено использованием слоя механически и термически стабильного полимерного теплоизолятора, снижающего теплообмен между сенсором и подложкой.
Claims (31)
1. Болометрический приемник, включающий в себя:
подложку, имеющую первую теплопроводность;
первый теплоизолирующий слой, выполненный из полимера с поперечными межмолекулярными связями, имеющий вторую теплопроводность, расположенный непосредственно на подложке, причем
вторая теплопроводность ниже, чем первая теплопроводность;
удлиненный тонкопленочный проводящий элемент, имеющий первый и второй концы и, по меньшей мере, частично расположенный на первом теплоизолирующем слое; и
первый и второй контактные элементы, выполненные из токопроводящего материала и, по меньшей мере, частично расположенные поверх первого и второго концов удлиненного тонкопленочного проводящего элемента, и имеющие с ним электрический и тепловой контакт.
2. Болометрический приемник по п. 1, в котором полимер с поперечными межмолекулярными связями представляет собой один или несколько из группы, включающей в себя: сшитый полиметилметакрилат, сшитый сополимер поли(метилметакрилат-метакриламид), сшитый полиэтилен, сшитый полиэфирсульфон.
3. Болометрический приемник по п. 1, в котором удлиненный тонкопленочный проводящий элемент выполнен из тугоплавкого металла или сплава.
4. Болометрический приемник по п. 3, в котором тугоплавкий металл или сплав содержит, по меньшей мере, одно из группы, включающей: ванадий, вольфрам, гафний, иридий, молибден, ниобий, осмий, палладий, платину, рений, родий, рутений, тантал, титан, хром, цирконий.
5. Болометрический приемник по п. 1, в котором удлиненный тонко пленочный проводящий элемент выполнен из оксида или нитрида металла.
6. Болометрический приемник по п. 5, в котором оксид или нитрид металла содержит, по меньшей мере, одно из группы, включающей: оксид ванадия, оксид титана, нитрид ниобия, нитрид титана, нитрид ванадия, нитрид рутения.
7. Болометрический приемник по п. 1, дополнительно содержащий второй теплоизолирующий слой, имеющий третью теплопроводность, и расположенный, по меньшей мере, частично поверх удлиненного тонкопленочного проводящего элемента.
8. Болометрический приемник по п. 7, в котором второй теплоизолирующий слой представляет собой слой полимера.
9. Болометрический приемник по п. 8, в котором полимер представляет собой полимер с поперечными межмолекулярными связями.
10. Болометрический приемник по п. 9, в котором полимер с поперечными межмолекулярными связями представляет собой один или несколько из группы, включающей в себя: сшитый полиметилметакрилат, сшитый сополимер поли(метилметакрилат-метакриламид), сшитый полиэтилен, сшитый полиэфирсульфон.
11. Болометрический приемник по п. 1, в котором удлиненный тонкопленочный проводящий элемент имеет одну из следующих форм: прямоугольную, эллипсовидную, веретенообразную, ромбовидную.
12. Способ изготовления болометрического приемника, включающий в себя:
формирование на подложке первого тонкопленочного теплоизолирующего элемента из полимера с поперечными межмолекулярными связями;
формирование, поверх первого элемента, второго удлиненного тонкопленочного элемента из токопроводящего материала, имеющего первый и второй концы;
формирование первого и второго контактных элементов, выполненных из токопроводящего материала, частично поверх первого и второго концов второго элемента,
при этом первый и второй контактные элементы приведены в электрический и тепловой контакт с первым и вторым концами второго элемента.
13. Способ по п. 12, в котором полимер с поперечными межмолекулярными связями представляет собой один или несколько из группы, включающей в себя: сшитый полиметилметакрилат, сшитый сополимер поли(метилметакрилат-метакриламид), сшитый полиэтилен, сшитый полиэфирсульфон.
14. Способ по п. 12, в котором удлиненный тонкопленочный проводящий элемент выполнен из тугоплавкого металла или сплава.
15. Способ по п. 14, в котором тугоплавкий металл или сплав содержит, по меньшей мере, одно из группы, включающей: ванадий, вольфрам, гафний, иридий, молибден, ниобий, осмий, палладий, платину, рений, родий, рутений, тантал, титан, хром, цирконий.
16. Способ по п. 12, в котором удлиненный тонкопленочный проводящий элемент выполнен из оксида или нитрида металла.
17. Способ по п. 16, в котором оксид или нитрид металла содержит, по меньшей мере, одно из группы, включающей: оксид ванадия, оксид титана, нитрид ниобия, нитрид титана, нитрид ванадия, нитрид рутения.
18. Способ по п. 12, дополнительно включающий формирование второго теплоизолирующего элемента, имеющего третью теплопроводность, и расположенного, по меньшей мере, частично поверх удлиненного тонкопленочного проводящего элемента.
19. Способ по п. 18, в котором второй теплоизолирующий элемент представляет собой слой полимера.
20. Способ по п. 19, в котором полимер представляет собой полимер с поперечными межмолекулярными связями.
21. Способ по п. 20, в котором полимер с поперечными межмолекулярными связями представляет собой один или несколько из группы, включающей в себя: сшитый полиметилметакрилат, сшитый сополимер поли(метилметакрилат-метакриламид), сшитый полиэтилен, сшитый полиэфирсульфон.
22. Способ по п. 12, в котором удлиненный тонкопленочный проводящий элемент имеет одну из следующих форм: прямоугольную, эллипсовидную, веретенообразную, ромбовидную.
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2812235C1 true RU2812235C1 (ru) | 2024-01-25 |
Family
ID=
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH07120307A (ja) * | 1993-10-26 | 1995-05-12 | Matsushita Electric Works Ltd | 赤外線検出素子 |
| US5418365A (en) * | 1993-02-12 | 1995-05-23 | Thomson-Csf | Thermal detector comprising a thermal insulator made of expanded polymer |
| US6489616B2 (en) * | 2001-03-19 | 2002-12-03 | The Board Of Governors Of Southwest Missouri State University | Doped, organic carbon-containing sensor for infrared detection and a process for the preparation thereof |
| EP2312286A1 (en) * | 2008-07-25 | 2011-04-20 | Panasonic Electric Works Co., Ltd. | Method for manufacturing infrared image sensor and infrared image sensor |
| CN110793648A (zh) * | 2019-11-11 | 2020-02-14 | 中国科学院上海技术物理研究所 | 一种气凝胶隔热结构宽波段红外探测器及其制备方法 |
| CN111439722A (zh) * | 2020-04-02 | 2020-07-24 | 南京大学 | 一种微测辐射热计及其制备方法 |
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5418365A (en) * | 1993-02-12 | 1995-05-23 | Thomson-Csf | Thermal detector comprising a thermal insulator made of expanded polymer |
| JPH07120307A (ja) * | 1993-10-26 | 1995-05-12 | Matsushita Electric Works Ltd | 赤外線検出素子 |
| US6489616B2 (en) * | 2001-03-19 | 2002-12-03 | The Board Of Governors Of Southwest Missouri State University | Doped, organic carbon-containing sensor for infrared detection and a process for the preparation thereof |
| EP2312286A1 (en) * | 2008-07-25 | 2011-04-20 | Panasonic Electric Works Co., Ltd. | Method for manufacturing infrared image sensor and infrared image sensor |
| CN110793648A (zh) * | 2019-11-11 | 2020-02-14 | 中国科学院上海技术物理研究所 | 一种气凝胶隔热结构宽波段红外探测器及其制备方法 |
| CN111439722A (zh) * | 2020-04-02 | 2020-07-24 | 南京大学 | 一种微测辐射热计及其制备方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US8076662B2 (en) | Electric field induced phase transitions and dynamic tuning of the properties of oxide structures | |
| US7790226B2 (en) | Pyrolyzed thin film carbon | |
| US5393351A (en) | Multilayer film multijunction thermal converters | |
| Li et al. | Almn transition edge sensors for advanced actpol | |
| Chi-Anh et al. | Characterization of uncooled bolometer with vanadium tungsten oxide infrared active layer | |
| Tiwari et al. | Controlled etching and regrowth of tunnel oxide for antenna-coupled metal-oxide-metal diodes | |
| FI114658B (fi) | Suprajohtava antennikytketty kuumapistemikrobolometri, menetelmät sellaisen valmistamiseksi ja käyttämiseksi sekä bolometrinen kuvantamisjärjestely | |
| US20060158484A1 (en) | Thermal actuator for a MEMS device | |
| RU2812235C1 (ru) | Болометрический приемник с полимерным теплоизолятором | |
| JP2004193202A (ja) | 能動的電子素子および電子装置 | |
| Middleton et al. | Technique for thermal isolation of antenna-coupled infrared microbolometers | |
| Mönch et al. | Multifunctional nanomembranes self-assembled into compact rolled-up sensor–actuator devices | |
| Wang et al. | Preparation of 128 element of IR detector array based on vanadium oxide thin films obtained by ion beam sputtering | |
| Hauder et al. | Electromigration resistance of sputtered silver lines using different patterning techniques | |
| Yang et al. | Sub-10-pW/Hz 0.5 uncooled micro-bolometer with a vacuum micro-package | |
| Abdel‐Rahman et al. | High sensitivity vanadium–vanadium pentoxide–aluminium metal–insulator–metal diode | |
| Cecil et al. | OMT-coupled CMB detector development at Argonne | |
| JPH06252056A (ja) | 微細物質の固定ならびに電極形成法 | |
| Codreanu et al. | Infrared microstrip dipole antennas—FDTD predictions versus experiment | |
| CN112577613A (zh) | 蝴蝶结天线耦合的太赫兹探测器及其制备方法 | |
| Codreanu et al. | Integration of microbolometers with infrared microstrip antennas | |
| Ahmed et al. | Fabrication of a self-absorbing, self-supported complementary metal-oxide-semiconductor compatible micromachined bolometer | |
| WO2020097469A2 (en) | High-speed ultrathin silicon-on-insulator infrared bolometers and imagers | |
| Schultz et al. | Investigation of novel superconducting hot electron bolometer geometries fabricated with ultraviolet lithography | |
| KR100508781B1 (ko) | 적외선 감지형 박막 ｎｔｃ 서미스터의 제조방법 |