ОБЗОР МИКРОБОЛОМКТРОВ НА ОСНОВЕ ОКСИДОВ ВАНАДИЯ

АННОТАЦИЯ

Разработки неохлаждаемых микроболометрических ИК-матриц, использующихся в системах инфракрасного видения, в последние годы проводятся в направлении, как улучшения чувствительности, так и снижения стоимости приемников за счет совершенствования технологии их изготовления и интегрирования в массовые производственные процессы микроэлектроники.

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

Среди технологий неохлаждаемых приёмников, микроболометрические матрицы детекторов, основанные на VO2, стали североамериканским стандартом http://www.ino.qc.ca. В частности, компания INO занимается исследованиями и разработкой микроболометров и микроболометрических матриц на основе VO2 [1]. Разработаны новые возможности проектирования, моделирования, изготовления, корпусирования и исследования параметров неохлаждаемых болометрических детекторов. Применяемые в INO методы изготовления позволяют осаждать плёнки диоксида ванадия с чрезвычайно высоким ТКС – более 4 %/°C, что приводит к увеличению чувствительности болометра. Разработан метод вакуумного корпусирования, основанный на использовании полностью металлического плоскостного корпуса с термоэлектрическим охладителем, геттером, ИК окном с антиотражающим покрытием, а также совместимых с вакуумом сборочных материалов.

ИК болометрические детекторы INO чувствуют инфракрасное излучение в широком спектральном диапазоне. Хотя они оптимизированы, как правило, для диапазона 8 – 10 мкм, могут быть оптимизированы и для других диапазонов. В сотрудничестве с военными, аэрокосмическими и коммерческими партнёрами INO разработала фокально-плоскостные болометрические матрицы 128х128, 256х1, и 256х40 пикселов с он-чип интегральными схемами считывания.

В работе [2] сообщается о результатах исследований пленок оксида ванадия (VO_x), полученных на кремниевых подложках методом реактивного магнетронного распыления и предназначенных для использования в неохлаждаемых микроболометрических матрицах. Определены условия осаждения пленок, позволяющие снизить уровень токового 1/f-шума в 3-10 раз, расширить динамический диапазон и интервал рабочих температур микроболометров. Обнаружена зависимость уровня 1/f-шума в пленках VO_x от содержания в них фазы VO2 и от размеров зерен этой фазы. Предполагается, что наблюдаемый 1/f-шум вызван мартенситными превращениями, характерными для фазового перехода полупроводник-металл в VO2.

По разработанной технологической методике осаждения плёнок VO_x были изготовлены макетные образцы 65-элементной линейки микроболометров мембранного типа площадью 46х46 мкм с использованием фотолитографии, жидкостного и ионного травления. Достигнутое значение обнаружительной способности микроболометров (D*= 5×10⁷ см×Гц^1/2/Вт) в значительной степени ограничивалось уровнем токового 1/f шума (K=4,4×10^-20 см³). Получены плёнки VO_x со значительно меньшими токовыми шумами (K=(2,4-34)×10^-22 см³). Использование таких плёнок в микроболометрических матрицах позволит увеличить обнаружительную способность микроболометров в 3-10 раз. Отсутствие перехода полупроводник-металл в термочувствительнолй плёнке способствует расширению диапазона линейности и/или рабочих температур микроболометра.

В работе [3] представлен процесс изготовления неохлаждаемой 64х64 матрицы детекторов ИК-излучения болометрического типа. Матрица состоит из 76х76 мкм пикселов и изготовлена с использованием микромашиной технологии, полностью совместимой с технологией ИС и легко адаптируемой к крупносерийному изготовлению матриц.

В разработанных болометрических детекторах используется диоксид ванадия VO₂ в качестве материала для термисторов. Удельное сопротивление, оптические свойства и температурный коэффициент сопротивления (ТКС) плёнок VO₂ сильно зависят от условий изготовления. Процесс изготовления плёнок VO₂, разработанный в НПО «Орион», позволяет контролировать электрические свойства плёнок, включая их ТКС. Как правило, получали величину ТКС, близкую к 1,5%/°C, но при определённых условиях ТКС может превышать 2 %/°C.

Болометрические детекторы изготавливались методами поверхностной микромашиной обработки. Они были приподняты над поверхностью кремниевой подложки на 1,1 – 2,5 мкм. Микромостик содержит тонкоплёночный термистор, капсулированный мжду диэлектрическими слоями Si3N4. Процесс изготовления основан на поверхностной микромашиной обработке с использованием полиимида в качестве жертвенного стоя. Жертвенный слой удаляется плазменным травлением, что исключает проблему обрыва мостиков.

Для изготовления разработанного детектора использовались следующие материалы:  VO₂ для термистора, Si₃N₄ для капсулирования и поддержки термистора, плёнки NiCr и Al для изготовления контактов и ИК зеркала подложки. Разработанные в результате микроболометрические матрицы 64х64 имели D^*~3.10⁷ cm·Hz^1/2W^-1.

В работе [4] поликристаллические тонкие плёнки VO_x осаждались на Si подложки методом ионно-лучевого распыления в окислительной атмосфере. Плёнки обладают высоким ТКС=−0.02 K−1 (рисунок 1).

Рисунок 4. Микрофото элемента микроболометрической матрицы

Изготовленная 128-элементная матрица ИК детекторов имела чувствительность 2×10⁸см×Гц^1/2/Вт и обнаружительную способность 5 кВ/Вт при токе смещения 100 мкА.

Список литературы:​

1. Pope T.D., Jerominek H., Alain C., Picard F., Fuchs R.W., Lehoux M., Zhang R., Grenier C., Rouleau Y., Сayer F., Savard S., Bilodeau G., Couillard J.-F., Larouche C., Thomas P. 256x1 and 256x40 pixel bolometer arrays for space and industrial applications. Proceedings of the SPIE, vol. 3436, pt. 1-2 p. 325-31 SPIE-Int. Soc. Opt. Eng, 1998.
2. В.Ю.Зеров, Ю.В.Куликов, В.Г.Маляров, И.А.Хребтов, И.И.Шаганов, Е.Б.Шадрин. Пленки VOx с улучшенными болометрическими характеристиками для ИК-матриц. ПЖТФ, 2001, том 27, выпуск 9.
3. Либерова Г.В., Мишенкова Т.Н., Трошков А.Е., Кулиманов А.В., Андрюшин С.Я., Кравченко Н.В., Тришенков М.А., Эскин Ю.М. Неохлаждаемый ИК-детектор 64х64 болометрического типа. IWRFRI’2000 - «Физические, химические и биологические сенсоры» - Международная конференция, 29-31 мая 2000, С.-Петербург, Россия.
4. S.B. Wang, B.F. Xiong, S.B. Zhou, G. Huang, S.H. Chen, X.J. Yi. Preparation of 128 element of IR detector array based on vanadium oxide thin films obtained by ion beam sputtering. Sensors and Actuators A, 22 (2004) 105–108.