低热容量微辐射热计及相关制造方法与流程

1.本公开涉及电磁辐射的检测的领域，更准确地说，涉及红外辐射的检测。本发明一方面关注具有不影响红外通量的吸收的低热容量膜的微辐射热计的结构，另一方面关注相关的形成方法。


背景技术：

2.在被实施为用于红外成像的检测器领域，已知使用排列成阵列的装置，所述装置可能在室温下操作，即不需要冷却到非常低的温度，这与需要在非常低的温度下操作的被称为“量子检测器”的检测装置相反。
3.根据温度(大约300k)，这些检测器通常使用适当材料或材料组合的物理量的变化。在目前最常用的微辐射热检测器的特定情况下，该物理量是电阻率，但也可以使用其它量，诸如介电常数、偏压(biasing)、热膨胀、折射率等。
4.这样的不冷却的检测器一般会关联：
5.‑
用于吸收热辐射并将其转化为热量的装置；
6.‑
使检测器隔热从而使其在热辐射的作用下加热的装置；
7.‑
在微辐射热检测器的背景下，使用其电阻随温度变化的电阻元件的测温装置；
8.‑
用于读取由测温装置提供的电信号的装置。
9.用于热成像或红外成像的检测器通常以形成一维或二维的图像点或像素的基本(elementary)检测器阵列的形式制造。为了保证检测器的隔热，检测器经由支撑臂悬架在基底上方。
10.基底通常包括基本检测器的顺序寻址装置和电激发装置以及对这些基本检测器产生的电信号进行预处理的装置。基底和集成的装置通常由术语“读取电路”表示。
11.为了经由这种类型的检测器获得场景，通过基本检测器阵列上的适配光学系统拍摄所述场景，并经由读取电路向每个基本检测器或每一行这种检测器施加额定电刺激，以获得形成每个所述基本检测器所达到的温度的图像的电信号。该信号或多或少由读取电路精心处理，然后可能由封装外部的电子装置处理，以生成所观察的场景的热图像。
12.更准确地说，基本检测器由至少一个薄膜形成，所述薄膜以固定地悬架在基板上方的方式被保持。“薄”膜通常对应于总厚度为大约0.1至0.5微米的膜。
13.该膜集成了测温材料，所述材料对红外辐射进行转换，形成测温装置。测温材料的体积能够在热阻测量期间调整信噪比。
14.测温材料的热阻测量是通过在测温材料下方和支撑臂中延伸的例如金属的吸收材料进行的。除了读取穿过测温材料的信号外，吸收材料还具有吸收红外通量以将其传输到测温材料的功能。所吸收的红外辐射量取决于该吸收器的表面积。
15.为了优化红外辐射的吸收，吸收材料覆盖像素覆盖区(footprint)中的最大表面积。实践中，吸收材料的表面积受膜的表面积限制。调整吸收材料的厚度，使其每平方有效阻抗适应于真空的阻抗：z0＝377欧姆。吸收器通常是实心的以最大化其表面积，吸收器层
的平方阻抗因此等于z0。如果吸收器由例如具有金属盘图案或金属层中的孔图案的、填充率等于“tau”的亚λ图案的阵列形成，则形成吸收器的金属层的阻抗将等于z0/tau。该阻抗的调整因此将通过金属层的加厚来进行。
16.为保证测温材料与金属吸收材料之间的电绝缘，在这两种材料之间配置介电层。两个其它介电层也可以配置在膜的两侧以确保不同材料之间的保护和机械结合性。
17.例如，膜可以由30纳米厚的第一氮化硅介电层、8纳米厚的氮化钛吸收材料、30纳米厚的第二氮化硅介电层、100纳米厚的非晶硅热电材料以及30纳米厚的第三氮化硅介电材料的堆叠而形成。因此，膜的厚度为0.198微米。当然，材料可以改变，例如，吸收材料可以由钛或铂制成。
18.膜借助于支撑臂被保持处于悬架状态，所述支撑臂确保膜和基底之间的保持和绝热。这些支撑臂还确保形成在读取电路表面的接触点与膜的电活性部分之间的电气连接。通常，膜由两个支撑臂保持，这是因为两个电连接足以感测测温装置的电阻值并将该值传输到读取电路。为了有效地感测观察到的场景的温度，使用多个堆叠的膜并不罕见，上膜通过一个或多个支柱联接到下膜。
19.然而，所悬架的元件的质量会影响检测器的性能，特别是会影响检测器的信噪比和时间常数。
20.根据本发明，信噪比是表示检测器能够产生可测量响应的场景的最小温度变化的量。信噪比目前以mk表示。时间常数与检测器在入射红外功率变化期间达到其热平衡所需的时间相关联。时间常数以ms表示。
21.膜的质量与其热容cth(或热质量)紧密连系，cth是对辐射热计的时间常数起作用的关键参数之一。实际上，时间常数(记为t
th
)等于膜的热阻r
th
乘以其热容量cth。因此，对于等效热阻，膜的热容量的增加必然引起辐射热计的时间常数的增加。辐射热计的时间常数可以通过降低热阻来补偿，但以降低信噪比为代价，这是因为辐射热计的时间常数直接与热阻成比例。
22.因此，辐射热计的设计需要确认信噪比和时间常数之间可接受的协调，而该协调很大程度上受制于热阻和热容量的值。
23.实际上，与场景事件的急速性相比，使用时间常数太低的检测器会导致图像的劣化，例如，出现被观察物体的拖拽、模糊或变形现象。通常，在前述的膜的情况下，可以获得大约10ms的时间常数。此外，存在许多辐射热检测器的信噪比不足的情况，特别是用于远程检测和确认目标的所有国防应用。
24.减少对信噪比和时间常数之间协调的约束的一个明显解决方案包括降低膜的热容量，但该方案有约束限制。
25.实际上，可以通过减小膜的厚度来降低热容量。然而，出于机械保持的原因，膜的厚度不能减小到接近0.1微米的限制厚度以下。此外，可以设想减小膜的横向尺寸，但是该解决方案导致与吸收器的收集表面积减小相关联的吸收不足。检测器的信噪比与其吸收直接成比例，信噪比会降低得更多。
26.因此，本发明的技术问题目的针对的是降低微辐射热计的膜的热容量，同时限制红外流吸收的劣化。


技术实现要素：

27.本发明通过实施集成了体积减小的测温材料的膜来解决该技术问题。更准确地说，本发明提供了一种膜，该膜的测温材料在比吸收材料的表面积小的表面积上延伸。当然，为了减小测温材料的体积，也可以减小测温材料的厚度。
28.测温材料表面积的减小能够在膜的不在其上配置有测温材料的表面之前的部分中形成凹部。形成凹部的部分因此包括吸收材料和配置在吸收材料和测温材料之间的至少一个介电层。
29.除了在凹部的水平处去除吸收材料之外，介电层也在该水平处被去除，使得膜的质量减少，由此改善膜的时间常数。
30.因此，根据第一方面，本发明涉及一种红外成像微辐射热计，该红外成像微辐射热计集成了一种膜，所述膜借助于支撑臂悬架在基底上方，所述膜包括：
31.‑
能够捕获红外辐射的吸收材料；
32.‑
连接到吸收材料并能够对由吸收材料捕获的红外辐射进行转换的测温材料；和
33.‑
配置在吸收材料和测温材料之间的至少一个中央介电层。
34.本发明的特征在于，测温材料的表面积小于膜的表面积的0.4倍，并且在所述膜的缺少测温材料的区域中，在吸收材料中和在至少一个中央介电层中形成凹部。
35.由于测温材料的体积小以及在吸收材料在和在介电层中存在凹部，所以本发明能够减小膜的质量。因此，该膜具有比现有技术微辐射热计的膜低的热容量，并且这用于恒定的或更轻微降低的热阻。结果，相对于具有等效信噪比的现有膜，时间常数得到改善。时间常数的这种减少提高了根据本发明的集成微辐射热计的检测器每秒能够采集的图像数量。
36.在本发明的情况下，还可以在保持与现有膜的时间常数等效的时间常数的同时增加信噪比。在这种情况下，热阻增加。
37.此外，使用缺乏凹部或穿孔的测温材料能够保证由测温材料进行的转换的质量。辐射热计中使用的测温材料会出现噪声，所述噪声会促成频率噪声。频率噪声与材料的体积成反比地增加，因此它可以在小体积的温度计中成为主导。
38.因此，在本发明的背景下，温度计的尺寸被调整从而实现了膜的热容量的显著降低和频率噪声的微不足道的增加。
39.根据一个实施方式，测温材料沉积在吸收材料上方。在测温材料之前沉积吸收材料的事实使得该沉积步骤能够形成存在于锚钉和测温材料之间的支撑臂中的电极。如果测温材料沉积在吸收材料下方，则锚钉和支撑臂中存在的电极之间的电连接的形成更复杂，这是因为必须跨越更多的材料层。
40.也可以在测温材料上方配置具有凹部的第二吸收材料。当从膜的存在测温材料的部分去除大部分吸收材料时，该实施方式是特别优选的。
41.此外，可以在测温材料下方的吸收材料中形成额外的凹部。该实施方式能够优化吸收器在更大表面积上的光耦合。在该实施方式中，介电层在膜的存在测温材料的区域中没有开孔处理，以确保对测温材料的支撑。
42.优选地，测温材料由氧化钒或氧化钛制成，使得测温材料表面积的减小不会不良地影响微辐射热计的输出信号的质量。
43.通常优选的是提供沉积在测温材料上方的上介电层，以封装和钝化(passivate)
测温材料。该上介电层可以延伸跨过膜的整个表面，并且也可以通过该上介电层形成凹部以限制膜的质量。此外，还可以通过使用配置在吸收材料下方的下介电层来保护吸收材料。在该实施方式中，优选地通过该下介电层形成凹部以进一步限制膜的质量。这些介电层确保膜和支撑臂的机械强度。这些介电层的厚度可以减小到最小以进一步减少被悬架的质量并改善温度响应时间。
44.然而，当这些介电层被薄化时，支撑臂对膜的机械保持可能存在问题。
45.根据一个实施方式，膜由四个支撑臂支撑，这些支撑臂一方面联接到膜，另一方面联接到刚性地附接到基底的四个锚钉，以提高膜的机械稳定性并允许更显著地薄化膜的介电层。例如，在该实施方式的情况下，形成堆叠的层的厚度对于下介电层、中央介电层和上介电层可以是10纳米，对于吸收材料层可以是7纳米，使得支撑臂的总厚度等于37纳米。相反地，在具有两个支撑臂的像素几何形状的情况下，膜的机械稳定性需要更大的厚度，即大于80纳米。
46.有利地，为了在信噪比不变的情况下减小辐射热计的时间常数，测温材料的表面积大于膜表面积的0.1倍。实际上，如果测温材料的表面积太小，特别是小于膜的表面积的0.1倍，则存在与接触面积的大小和测温材料的图案的形成相关联的技术问题.
47.此外，当目的是在时间常数不变的情况下增大微辐射热计的信噪比时，测温材料的表面积对膜的表面积的比率有利地在10％和40％的相同值之间。当该比率小于10％时，获得标称时间常数和最佳灵敏度所需的热阻大于现有技术状态中使用的热阻的三倍，这对于当前技术来说似乎不现实。当该比率大于40％时，可能的灵敏度增益较小。
48.例如，对于17x17μm像素，膜可以具有的表面积为16x16μm，即256μm2。根据本发明，测温材料的表面积必须小于膜的表面积的0.4倍，即小于76.8μm2。因此，可以使用边长为8μm、即表面积为64μm2的正方形测温材料。
49.微辐射热计的膜的制造通常在牺牲层上进行，使得该牺牲层的去除能够使膜悬架在基底上方。
50.形成膜的第一步骤包括将在下介电层沉积在牺牲层上。然后将吸收材料沉积在该下介电层上。然后将中央介电层沉积在吸收材料上以使吸收材料与测温材料电绝缘。然后通过中央介电层形成接触开口。
51.然后，将测温材料局部地沉积在中央介电层上并沉积到接触开口中，以将测温材料与吸收材料电连接和热连接。例如，在沉积测温材料之后，执行光刻和蚀刻步骤以结构化测温材料，使测温材料的表面积小于吸收材料的表面积。
52.当测温材料被沉积和结构化时，优选的是在执行限定每个微辐射热计以及支撑臂的轮廓的蚀刻步骤之前，在测温材料上沉积上层的介电材料。在该步骤期间，可以使膜的位于测温材料区域外部的部分中空。
53.此外，在测温材料之前沉积吸收材料的事实也使得该沉积步骤能够形成存在于锚钉和测温材料之间的支撑臂中的电极。如果测温材料沉积在吸收材料下方，则锚钉和支撑臂中存在的电极之间的电连接的形成更复杂，这是因为必须跨越更多的材料层。
54.因此，本发明能够限制膜的质量，而不会太显著地使制造过程复杂，这是因为不需要实施额外的步骤。
55.本发明可以实施为用于成像微辐射热计的所有已知尺寸，特别是形成具有17
‑
μm
节距或12
‑
μm节距的像素的成像微辐射热计。
附图说明
56.阅读其细节仅作为示例给出的以下说明将很好地理解本发明，并且结合附图对本发明进行展开，其中，相同的附图标记涉及相同的元件：
57.·
图1是根据本发明的第一实施方式的成像微辐射热计的立体俯视图；
58.·
图2是图1微辐射热计的膜的俯视图；
59.·
图3是图1的膜的流程图，其中具有该膜的沿着轴线a
‑
a的连续截面图；
60.·
图4是图1的微辐射热计的截面图；
61.·
图5是根据本发明的第二实施方式的成像微辐射热计的截面图；
62.·
图6是根据本发明的第三实施方式的成像微辐射热计的截面图；
63.·
图7是图1的微辐射热计的信噪比和热容量在恒定热阻情况下根据测温材料的表面积与膜的表面积的比率的变化的简化图；
64.·
图8是图1的微辐射热计的信噪比和热容量在特定时间常数情况下根据测温材料的表面积与膜的表面积的比率的变化的简化图；和
65.·
图9是根据吸收层的厚度以及形成吸收层的图案的不同重复节距的吸收层的吸收效率的简化图。
具体实施方式
66.图1图示了在模拟成像微辐射热计的膜11a的变形期间的根据本发明的成像微辐射热计10a。该膜11a以在基底30上方悬架的方式组装。为此目的，四个锚钉15a
‑
15d附接到基底30并垂直于基底30地延伸。图1中说明的示例是非限制性的并且本发明可以仅用两个锚钉和两个支撑臂来实施。图1的结构是有利的，这是因为使用四个锚钉15a
‑
15d和四个支撑臂14a
‑
14h能够通过限制膜11a的机械变形来薄化膜11a，因此作为必然结果，能够减小膜11a的质量。
67.每个支撑臂14a
‑
14h均由两部分形成，所述两部分通过两个支撑臂14a
‑
14h共用的支承部16a
‑
16b联接。更准确地，第一支撑臂的第一部分14a联接在位于膜11a左上方的锚钉15a上，并且该第一部分14a连接到配置在膜11a左侧的支承部16a。
68.平行于该第一部分14a，第二部分14e从支承部16a延伸以到达膜11a的左上角。该支承部16a还借助于第二臂的第一部分14b联接到第二锚钉15b。该第二臂的第二部分14f平行于该第二臂的该第一部分14b延伸以到达膜11a的左下角。类似地，在膜11a的右手侧，第三支撑臂的第一部分14c在第三锚钉15c和支承部16b之间延伸。该第三臂的第二部分14g平行于该第三臂的第一部分14c延伸以到达膜11a的右上角。最后一个支撑臂由第一部分14d和第二部分14h形成，第一部分14d在支承部16b和最后一个锚钉15d之间延伸，第二部分14h在支承部16b和膜11a的右下角之间平行于该第四支撑臂的第一部分延伸。因此，膜11a由这四个角悬架。
69.如图3所示，膜11a可以通过在牺牲层31上沉积下介电层17的步骤50形成。该下介电层17不是实施本发明所必需的，但能够在去除牺牲层31时保护吸收材料13a。
70.例如，用于形成膜11a的介电层17
‑
19可以由氮化硅制成。在图1和图2的示例中，这
些介电层17
‑
19是半透明的并且能够观察测温材料12和吸收材料13a。
71.在沉积下介电层17之后，膜11a的制造方法包括沉积吸收材料13a的步骤51。该步骤包括通过创建一个或多个开口21a以将由吸收材料13a的两个部分形成的两个电极电分离来结构化吸收材料13a。在图3的示例中，创建了单个开口21a。如图2所示，吸收材料13a优选地具有等于膜11a的长度和宽度的长度lo和宽度la。因此，在膜11a的整个表面上形成吸收材料13a的沉积。吸收材料13a通常是金属的，诸如氮化钛。在沉积吸收材料13a之后，在步骤52期间进行中央介电层18的沉积，以使测温材料12的吸收材料13a电绝缘。该中央介电层18沉积在吸收材料13a的整个表面上。该中央介电层18也被结构化为形成至少两个开口25，以获得吸收材料13a和测温材料12之间的电接触点。
72.膜11a的形成方法以中央介电层18上和开口25中沉积测温材料12的步骤53继续进行。该沉积步骤是本发明所特有的，这是因为测温材料12没有按惯例配置在中央介电层18的整个表面上，而是仅配置在中央介电层18的一部分上。
73.例如，如图1至图4所示，测温计12可以沉积在以膜11a的长度lo和宽度la为中心的长方体表面上。作为变型，测温材料12的其它形状和其它定位也是可以的。
74.然而，测温材料12的中央定位能够简化支撑臂14a
‑
14h支撑膜11a所需的强度的计算。
75.测温材料12可以由所有已知材料制成，诸如非晶硅。优选地，测温材料12由氧化钒或氧化钛制成，以能够尽可能地减少其表面积而不会太强烈地劣化成像微辐射热计的信噪比。测温材料12的表面积可以例如在膜11a的表面积的10％至40％的范围内。
76.在局部沉积测温材料12之后，在步骤54，优选地沉积上介电层19以保护测温材料12。上介电层19沉积在测温材料12和中央介电层18两者上以覆盖膜11a的整个表面。
77.测温材料12的表面积的减少使得能够通过膜11a的未配置在测温材料12之前的部分形成凹部20。
78.优选地，在对支撑臂14a
‑
14h结构化且对成像辐射热计10a界定的步骤55期间进行这些凹部20的形成。成像微辐射热计10a的界定旨在当检测器由形成不同像素的多个成像微辐射热计10a的组件形成时将像素彼此分离。
79.形成膜11a的最后一个步骤56包括去除牺牲层31以将膜11a悬架在基底30上方。
80.凹部20可以采用各种图案，但是对于重复图案的几何形状，优选地在围绕垂直于膜11a的平面的轴线旋转90
°
后不变，以确保检测器对光的两种偏振不敏感。吸收材料13a的厚度必须根据其在形成凹部20的膜部分中的填充率来确定。
81.此外，这些凹部20优选地组织为阵列网络的形式，其具有远小于吸收材料13a所期望的波长的长度c的节距p。
82.通常，图1和图2所示的凹部20是具有在0.7至1.2微米的范围内的长度c的正方形。这些凹部20被构造成具有在0.6至1.2微米的范围内的节距p的阵列网络的形式。
83.图9图示了由周期性图案形成的吸收材料13a的层的根据其厚度(注为ep_abs)以及对于从0.5到4微米变化的不同重复节距的吸收效率。这些结果源自仿真，其中吸收材料13a的周期性图案是具有300纳米边长和用于10微米波长的水平和竖直分支的十字形。图9示出了该网络的两个图案之间的节距有利地在0.5至3微米的范围内；在该情况下，吸收体厚度的调整实现了在10微米波长处的吸收效率大于85％。
84.在吸收材料13a和介电层17
‑
19内形成的凹部的表面积的增加能够限制膜11a的质量。然而，这种增加也降低了吸收材料13a的捕获能力以及介电层17
‑
19提供的机械强度。为了保持令人满意的捕获特性，凹部排列成阵列，其节距小于对于吸收材料12有利的波长。
85.因此，在吸收材料13a具有33％的填充率的上述数值示例的情况下，由于吸收材料13a内形成的凹部存在于被测温材料12占据的区域之外，所以吸收材料13a的厚度必须在大约18纳米。换言之，该厚度必须大于在测温材料12之前或与其竖直对齐的吸收材料13a的最佳厚度，在该水平上，该厚度在大约8纳米，这是因为如上所述，吸收材料13a在该特定区域不包括凹部。在相反的情况下，吸收材料13a的适配不起作用。
86.为了清除这个问题，如图5所示，可以仅在测温材料12的区域中对吸收材料13b进行穿孔形成凹部21b的阵列。因此，在图5的实施方式中，介电材料17
‑
19的层没有在膜11b的存在有测温材料12的部分中被穿孔。在膜11b的质量方面产生的增大可以忽略不计，但是该实施方式能够获得具有严格均匀和优化的吸收的微辐射热计10b，其金属厚度被限定为适配膜11b的存在有测温材料12的部分，通常为12
‑
18纳米。
87.此外，与图4的实施方式相比，还以不使用上介电层19的方式提供图5的实施方式。作为变型，上介电层19也可以在图4的实施方式中被清除或添加到图5的实施方式。
88.如图6所示，还可以从测温材料12的区域去除大部分吸收材料13c形成具有大表面积的凹部21c。吸收材料13c的仅剩余部分是能够与测温材料12形成连接25的。在该实施方式中，微辐射热计10c还包括膜11c，该膜11c集成了附加的吸收材料26，该吸收材料26配置在测温材料12上方以克服测温材料12下方缺乏吸收材料。该附加吸收材料26也被穿孔，而不对测温材料12穿孔。
89.因此，在图4和图6的实施方式中，即使适配仅是在膜11a
‑
11c的不在测温材料12表面之前的部分上进行优化，也就是说，如果吸收材料仅具有大约18nm厚度，吸收材料13a、13c也有效地捕获红外辐射。在图5的实施方式中，在膜11b的质量方面产生的增加可以忽略不计，但是该实施方式能够获得具有严格均匀和优化的吸收的微辐射热计10b，其金属厚度被限定为适配膜11b的存在有测温材料12的部分。
90.因此，本发明能够获得质量特别小的膜11a
‑
11c，这提高了该膜的热容量。
91.图7图示了对于相同的热阻值r
th
，根据图1至图4的微辐射热计10a的微辐射热计10a的信噪比(也称为snr)的变化。图7还图示了膜11a的热容量cth根据测温材料12的表面积(记为s
therm
)与膜11a的表面积(记为s
membrane
)的比率的变化
92.对于10％到40％的范围内的比率s
therm
/s
membrane
，微辐射热计10a的snr表现出6％到25％的范围内的相对轻微的退化，同时，膜11a的热容量cth从46％减少到68％。因此，本发明中膜11a的热容量cth的减小能够比微辐射热计10a的信噪比更强烈。图7还图示了本发明能够达到与接近现有技术状态的信噪比相关联的低时间常数的事实。
93.此外，例如在保持较低的时间常数的同时，可以通过调整热阻获得与现有技术状态相等的信噪比值。最后，测温材料12的开发目前使材料具有高信噪比，这是补偿与测温材料12体积减小相关联的灵敏度损失的额外杠杆。
94.图8图示了，对于相同的时间常数值并且因此对于不同的热阻值r
th
，微辐射热计10a的信噪比和膜11a的热容cth的信噪比根据比率s
therm
/s
membrane
的变化。该图8图示了这样一个事实，即与热阻r
th
的增加相结合的本发明能够形成具有接近现有技术状态的高灵敏度
和时间常数的检测器。例如，在测温材料12的比率s
therm/
s
membrane
等于30％的情况下，如果向上调整电阻，则微辐射热计10a的信噪比可以加倍。
95.本发明已经利用氧化钒测温材料12并使用诸如图3所示的三个介电层17
‑
19进行了测试。测温材料12的表面积与膜11的表面的比率基本上为20％，并且凹部20已经形成有0.8微米的长度和1.2微米的节距。这些测试能够突出大约3ms的温度响应时间，这是对现有技术成像微辐射热计的十分显著的改进，现有技术成像微辐射热计具有大约10ms的温度响应时间和根据现有技术状态的灵敏度。
96.因此，通过本发明获得的增益非常高，并且能够设想成像微辐射热计的新应用，诸如快速图像的拍摄或更有效地跟踪场景中的元素。