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CMOS-kompatible Nanotube-Mikrobolometer-Infrarot-Detektoren

Muckensturm, Kai-Marcel

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung, Herstellung und Charakterisierung von innovativen und hochempfindlichen CMOS-kompatiblen Mikrobolometern. Der Ansatz der zum Patent angemeldeten neuartigen Struktur basiert auf der Realisierung der thermischen Isolierung und gleichzeitiger elektrischer Kontaktierung der Mikrobolometer mit Hilfe von ausreichend langen und dünnbeschichteten Hohlröhrchen (hier als Nanotubes bezeichnet), welche mit Technologien und Prozessen aus der Mikrosystemtechnik hergestellt werden können. Somit wird der relative Flächenanteil des Absorbers bei einer gegebenen Pixelgröße maximiert, da laterale Stege, welche bislang Hauptbestandteil der thermischen Isolierung waren, komplett entfallen. Der resultierende thermische Leitwert kann über die einzelnen Schichtdicken, den Grundradius und die Länge der Nanotubes flexibel und unabhängig von der Pixelgröße eingestellt werden. Basierend auf diesem Konzept wird ein skalierbarer Herstellungsprozess entwickelt, welcher eine Realisierung der Nanotube-Mikrobolometer ermöglicht. Die Nanotubes werden mit Hilfe eines Opferschichtprozesses hergestellt. Dabei wird zunächst mit Hilfe des Bosch-Prozesses ein Öffnung in die Opferschicht geätzt und diese mittels Atomlagenabscheidung (ALD) beschichtet. Im Anschluss folgt die Entfernung der Opferschicht, sodass die gefertigten Nanotubes frei stehen. Die verwendeten Nanotube-Materialien weisen Schichtdicken in einem Bereich von wenigen Nanometern auf. Zur Untersuchung der thermischen Leitfähigkeiten dieser dünnen ALD-Schichten, wird ein Messaufbau zur Anwendung der 3ω-Methode entwickelt. Ein weiterer Kernpunkt dieser Arbeit ist die Entwicklung und Charakterisierung von rauscharmen und temperaturstabilen amorphen SiGe-Sensorschichten, welche im späteren Herstellungsprozess der Nanotube-Mikrobolometer implementiert werden. Generell muss der elektrische Widerstand der Sensorschichten an die später verwendete Ausleseschaltung angepasst werden. Die relativ langen und hohen Temperaturbelastungen bis zu 400 °C während der Atomlagenabscheidungen können jedoch Einfluss auf die Eigenschaften der zu diesem Zeitpunkt bereits auf dem Wafer befindlichen Sensorschichten nehmen. Hauptsächlich nehmen zwei Effekte der Temperung Einfluss auf den spezifischen Widerstand von Bor-dotierten amorphen Si bzw. SiGe-Schichten. Zum einen bewirkt die Wasserstoffdiffusion eine Erhöhung und zum anderen die Aktivierung von Bor eine Reduzierung des spezifischen Widerstandes. In dieser Arbeit kann gezeigt werden, dass durch geeignete Variation der Prozessparameter der Einfluss beider Effekte kompensiert wird. Somit bleiben die resultierende Konfiguration der Atombindungen bzw. die ursprünglichen elektrischen Eigenschaften nach der Temperung erhalten. Die gefertigten Nanotube-Mikrobolometer werden zunächst anhand von Teststrukturen im Hinblick auf die elektro-optischen und mechanischen Eigenschaften grundlegend charakterisiert. Der Fokus liegt in dieser Arbeit auf Pixelgrößen von 12 µm und kleiner. Weiterhin werden die Strukturen auf einer bestehenden CMOS-Ausleseschaltung mit einer optischen Auflösung von 320x240 Pixeln (QVGA) monolithisch gefertigt, um diese in bildgebenden Infrarotsystemen einzusetzen. Um Wärmeverluste durch Gaskonduktion zu minimieren, werden die Mikrobolometer im Vakuum betrieben. Hierzu wurde am Fraunhofer IMS ein sogenanntes Chip-Scale-Package entwickelt, welches chipweise auf die hergestellten Arrays des Wafers aufgebracht wird. Es folgen die Bestimmung der Responsivität und NETD sowie die ersten Ergebnisse zum Einsatz im FIR-Kamerasystem.

The present work deals with the development, fabrication und characterization of innovative and highly sensitive CMOS-compatible microbolometers. The approach of the patent pending novel structure is based on the realization of thermal insulation and simultaneous electrical contacting of the microbolometers by means of sufficiently long and thin coated hollow tubes (hereinafter referred as nanotubes), which can be fabricated with processes from microsystems technology. Thus, the relative area of the absorber is maximized at a given pixel size, since lateral legs are completely omitted, which were previously the main constituent of thermal insulation. The resulting thermal conductance can be tuned flexibly and independently of the pixel size by varying the individual layer thicknesses, base radius and length of the nanotubes. Based on this concept a scalable fabrication process is developed, which enables the realization of the nanotube microbolometers. The nanotubes are fabricated using a sacrificial layer process. Here, an opening is first etched in the sacrificial layer using the Bosch process and then coated by atomic layer deposition (ALD). Following this, the sacrificial layer is removed, so that the fabricated nanotubes are free-standing. The nanotube materials used in this work have layer thicknesses in the range of a few nanometers. For investigation the thermal conductivities of thin ALD layers a measurement setup for application of the 3ω-method is developed. Another key aspect of this thesis is the development and characterization of temperature-stable amorphous SiGe sensing layers that are implemented in the later fabrication process of the nanotube microbolometers. In general, the electric resistance of the sensing layer needs to be adapted to the operating range of the readout circuit. However, the relatively long and high temperature loads of up to 400 °C during the atomic layer deposition can influence the properties of the sensing layer, which is already located on the wafer at this point. Mainly two effects of heat treatment influence the resistivity of boron doped amorphous Si or SiGe layers. For one thing the diffusion of hydrogen causes an increase and for another thing the activation of boron a reduction of the resistivity. In this work, it can be shown that the influence of both effects can be compensated by appropriate variation of process parameters. Thus, the resulting configuration of atomic bonds and the initial electrical properties remain after heat treatment. Based on test structures the fabricated nanotube microbolometers are characterized essentially with respect to the electro-optical and mechanical properties. This work focuses on pixel sizes of 12 µm and below. Furthermore, the microbolometers are monolithically fabricated on an existing CMOS readout circuit with an optical resolution of 320x240 pixels (QVGA) to use these in imaging infrared systems. The microbolometers are operated in vacuum to minimize heat loss from gas conduction. For this purpose, a so-called chip-scale-package was developed at Fraunhofer IMS, which is applied individually to the fabricated chips on the wafer. This is followed by the determination of the NETD and first results for application in the FIR camera system.

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Muckensturm, Kai-Marcel: CMOS-kompatible Nanotube-Mikrobolometer-Infrarot-Detektoren. 2017.

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