ЗАДАЧА ИССЛЕДОВАНИЯ СОСТАВОВ, УСЛОВИЙ ФОРМИРОВАНИЯ И ХАРАКТЕРИСТИК ТОНКИХ ПЛЕНОК МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ ПИРОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ В КАЧЕСТВЕ ЭЛЕМЕНТОВ НЕОХЛАЖДАЕМЫХ ПРИЕМНИКОВ ИК-ИЗОБРАЖЕНИЯ, ИНТЕГРИРОВАННЫХ С КРЕМНИЕВЫМИ СХЕМАМИ СЧИТЫВАНИЯ

АННОТАЦИЯ

Объектом исследования являются плёнки пироэлектрических материалов и методы их получения с использованием лазерной, вакуумной и ионно-плазменной технологий. Целью работы - разработка методов формирования тонких пленок многокомпонентных пироэлектрических материалов с характеристиками, удовлетворяющие созданию высокоэффективных неохлаждаемых ИК-приемников, совместимых с технологиями формирования кремниевых интегральных схем.

Ключевые слова: пленки пироэлектрических материалов, оксиды ванадия, вакуумное осаждение микроструктура, ик-приемники.

Интенсивное развитие высоких технологий в последнее десятилетие стало хорошей основой для разработок и создания целого семейства приборов электронной техники, имеющих как военное, так и сугубо мирное назначение. Яркий пример подобных устройств — системы визуализации теплового изображения, основными элементами которых являются твердотельные приемники ИК-изображения. Они позволяют перевести в видимое изображение спектр излучения инфракрасного диапазона и на расстояниях до 100...1500 м уверенно различать объекты с температурой, отличающейся от фонового излучения на доли градуса. Данные аналитических обзоров по тепловизионным системам показывают, что рынок в этой области совершенно не насыщен, и в ближайшем будущем следует ожидать интенсивноro развития производства сравнительно недорогих портативных приемников ИК-изображения для промышленного и индивидуального применения [1-2]. При этом преимущество отдаётся приемникам, работающим на болометрическом или пироэлектрическом эффекте. Главное преимущество таких систем на многоэлементных тепловых приемниках по отношению к системам с фотонными и квантовыми приборами заключается в том, что для их работы не требуется охлаждения до криогенных температур [3]. В зарубежной научной литературе эти приборы называются как неохлаждаемые матричные приемники в фокальной плоскости — UFPA (Uncooled Focal Plane Arrays).

Хорошим примером законченной разработки тепловизионной системы, предназначенной для гражданского применения, служит созданное фирмой Cadillac устройство для улучшения ориентации водителя автомобиля в тёмное время суток [2]. Длинноволновый пироэлектрический ИК-приемник, поставляемый фирмой Raytheon (240 х 320 пикселей из титаната бария-стронция, разработка Texas Instruments) монтируется на решетке радиатора автомобиля. Электронно-оптическая система, разработанная Delphi-Delco Electronics, с жидкокристаллическим экраном проецирует тепловизионное изображение дороги и предметов на ней на нижнюю часть ветрового стекла. В результате водитель имеет возможность увеличить дальность обнаружения и распознавания объектов от области, освещенной фарами (50 - 100 м), на расстояния до 800...1000 м без какого-либо ограничения нормального обзора.

На сегодняшний день основными материалами, обладающими наилучшими характеристиками для приемников UFPA, являются:

• пироэлектрические (цирконаты свинца, ниобаты и титанаты бария-стронция, сополимеры вини-лиденфторида), в которых изменение температуры определяется по изменению поляризации или диэлектрической проницаемости детекторного конденсаторного элемента;

• материалы для микроболометров (модификации окислов ванадия VОX поликристаллический и аморфный кремний) с большим значением температурного коэффициента сопротивления (TKC).

Сегодня в ряде стран проводятся интенсивные исследования в области материаловедения и технологии для неохлаждаемых приемников и систем на их основе. Как отмечают эксперты, главный акцент этих исследований делается не на достижение высоких показателей по чувствительности (здесь все равно не преодолеть конкуренцию со стороны фотонных и квантовых приемников), а на снижение стоимости приемников и камер за счет совершенствования технологии их изготовления и интегрирования в массовые производственные процессы микроэлектроники. Приборы нового поколения на основе тонких пленок пироэлектрических материалов (Ba1 xSrxTiO3, Pb(ZrTi)O3, SrBi2Ta2O3, Pb(Sc1 xTax)O3 и Ba1 xSrxNbO3) могут работать при комнатной температуре со слабой зависимостью чувствительности от длины волны в широкой ИК-области (от 8 до 20 мкм) [2,4,5]. Основой таких детекторов является тонкопленочный конденсатор, емкость которого резко изменяется под действием ИК-облучения вследствие сильной температурной зависимости диэлектрической проницаемости пленки. Такие детекторы позволяют достигнуть более высокой обнаружительной способности, чем аналогичные приборы на основе резистивных болометров.

Рынок таких изделий можно считать практически неограниченным. Так, уже сейчас в армии США каждый солдат, участвующий в военных операциях, оснащён приборами ночного видения, не говоря уже о танках, БМП и т.д. Аналогичные задачи стоят и перед армиями других стран, включая армии РБ и РФ. В гражданских областях – это поиск мест утечек тепла в зданиях, трубопроводах, ориентирование на местности в ночное время, в условиях задымления и тумана, обнаружения аварийноопасных мест в энергетике и т.д. Более простые одноэлементные приёмники могут использоваться в системах охранной и пожарной сигнализации, пирометрии, медицине, энергетике. В связи с таким двойным назначением приемников ИК-изображения, возможность поставки этих изделий из стран дальнего зарубежья сильно ограничены, их стоимость в настоящее время достигает 2000 ÷ 5000 USD/шт.

Для постановки новых изделий на производство с целью насыщения рынков РБ и стран СНГ необходимой номенклатурой отечественных приемников ИК-изображения необходимо проведение комплекса научно-исследовательских работ, направленных на:

- создание высокочувствительных приёмников ИК-излучения

- разработку конструкций и технологии формирования кремниевых мультиплексоров;

- разработку технологии создания многоэлементных приёмников ИК-изображения, интегрированных с кремниевыми схемами регистрации и обработки информации;

- разработку метрологической базы измерения параметров ИК-приёмников.

Выше изложенное определило направление данной научно-исследовательской работы основной целью, которой явилось разработка методов формирования тонких пленок пироэлектрических материалов с характеристиками, удовлетворяющие созданию высокоэффективных неохлаждаемых ИК-приемников для различных сфер применения. При этом технология создания активных элементов на основе пироэлектрических тонкопленочных материалов будет совместима с технологиями формирования кремниевых интегральных схем.

Список литературы:

1. Певцов Е., Чернокожин В. Матричные ИК-приемники для малогабаритных тепловизионных камер // ЭЛЕКТРОННЫЕ КОМПОНЕНТЫ. – 2001. - № 1. – С. 32-36.
2. Певцов Е., Чернокожин В. Матричные ИК-приемники для малогабаритных тепловизионных камер // ЭЛЕКТРОННЫЕ КОМПОНЕНТЫ. – 2001. - № 3. – С. 12-20.
3. Noda M., Inoue K., Ogura M., Xu H., Murakami S., Okuyama M. An uncooled infrared sensor of dielectric bolometer mode using a new detection technique of operation bias voltage // Sensors and Actuators. – 2002. – Vol. A 97-98. – P. 329-336.
4. Liu S., Zong X., Chu J. Thermal-sensitive BST thin film capacitors for dielectric bolometer prepared by RF magnetron sputtering // Microelectronics Journal. – 2004. – Vol. 35. – P. 601-603.
5. Zhu X., Zheng D., Penga W., Zhub J., Yuanb X., Lia J., Tiana H., Xua X. Preparation, microstructure and dielectric properties of BaSrTiO3 thin films grown on Pt/Ti/SiO2/Si substrates by pulsed laser deposition // Materials Letters. – 2004. – Vol. 58. – P. 3591-3596.