Микроболометры

Описание решения и конечных устройств

Решение представляет собой технологическую линию изготовления микроболометрических матриц— неохлаждаемых ИК-детекторов диапазона LWIR (8 - 14 мкм). Производственная линия обеспечивает полный технологический цикл изготовления микроболометрических структур на кремниевых пластинах диаметром 150 – 200 мм. Включает формирование КМОП-схемы считывания (ROIC), осаждение болометрического чувствительного слоя, формирование мембран, изолированных воздушным зазором, методами поверхностной микромеханической обработки (MEMS-технологии) и вакуумную герметизацию корпуса. Технологический маршрут включает фотолитографию, плазмохимическое травление, осаждение тонких плёнок (PECVD, PVD), металлизацию и формирование MEMS-структур пикселей.

Конечное изделие — микроболометрическая матрица, в которой массив болометрических пикселей интегрирован со схемой считывания. Структура пикселя включает мембрану с нанесенным болометрическим слоем, термически изолированную от подложки. В качестве чувствительного слоя используются материалы с высоким температурным коэффициентом сопротивления (аморфный кремний или оксид ванадия). Пиксельная MEMS-структура формируется над КМОП-схемой считывания (ROIC). Матрица размещается в герметичном вакуумном корпусе с инфракрасным окном.

Принцип действия основан на изменении электрического сопротивления чувствительного слоя при поглощении ИК-излучения и соответствующем локальном нагреве пикселя. Изменение сопротивления регистрируется схемой считывания и преобразуется в электрический сигнал. Последовательный опрос пикселей обеспечивает формирование кадра тепловизионного изображения наблюдаемой сцены.

Применение микроболометров в различных сферах

Внешний вид микроболометров

Общий маршрут производства

Изготовление схемы считывания (на базе КМОП-технологии)

Осаждение функциональных тонких плёнок MEMS-структуры

Система плазмохимического осаждения

Формируются тонкоплёночные диэлектрические и отражающие слои, образующие основу MEMS-структуры пикселей. Важнейшие требования — контроль внутренних напряжений и равномерности толщин плёнок.

Формирование болометрического чувствительного слоя

Установка магнетронного распыления

Осаждается материал с высоким температурным коэффициентом сопротивления (аморфный кремний или оксид ванадия), формирующий чувствительный элемент пикселя. Равномерность электрических параметров слоя напрямую определяет чувствительность матрицы.

Фотолитография структур пиксельной матрицы

Проекционный степпер

Формируется топология пикселей, опорных мостиков и межсоединений. Точность совмещения слоёв и стабильность критических размеров определяют геометрию и однородность параметров матрицы.

Плазмохимическое травление структур

Установка ионно-реактивного травления

Геометрия функциональных слоёв формируется селективным плазмохимическим травлением. Ключевые требования — высокая анизотропность процесса и отсутствие повреждений нижележащих слоёв.

Удаление жертвенного слоя

 

Установка изотропного газофазного травления жертвенного слоя

Жертвенный слой удаляется методом газофазного травления, формируя мембраны, изолированные воздушным зазором. Метод обеспечивает высокую селективность и исключает капиллярные силы, вызывающие залипание тонких мостиков.

Контроль на уровне пластины

Зондовая станция

Выполняется электрический контроль параметров матрицы с использованием зондовых станций. На этом этапе выявляются дефектные кристаллы и оценивается равномерность параметров по пластине.

Вакуумная герметизация структуры

Установка бондинга пластин

Матрица герметизируется в вакуумном объёме методом соединения пластин. Стабильность вакуума определяет тепловую изоляцию пикселей и чувствительность детектора.

Сборка в корпус и выходной контроль

Установка микросварки

Пластины разделяются на кристаллы, которые устанавливают в корпус и соединяют с внешними выводами. После сборки проводится выходной контроль параметров готовых изделий.

Представленный маршрут охватывает все ключевые технологические этапы, формирующие электрические и тепловизионные параметры микроболометрических матриц. С точки зрения управления качеством наиболее чувствительными звеньями являются осаждение болометрического чувствительного слоя, травление жертвенного слоя, вакуумный бондинг пластин и фотолитография пиксельных структур: именно эти операции в наибольшей мере определяют выход годных, чувствительность детектора и воспроизводимость характеристик от партии к партии. Обеспечение их стабильности — ключевое условие рентабельного серийного производства неохлаждаемых ИК-детекторов.