Untersuchung niederdimensionaler Nanotubekontaktierungen zur Realisierung CMOS-kompatibler Mikrobolometer

Michel, Marvin GND

Ziel dieser Arbeit ist die Weiterentwicklung des Herstellungsprozesses von nanotubekontaktierten Mikrobolometern auf Basis einer semi-analytischen Modellierung der Nanotube-Wärmeleitfähigkeit.
Ansatzpunkt der Entwicklungen ist ein CMOS-kompatibler Herstellungsprozess für Mikrobolometer, in welchem der elektrische Anschluss des Sensorelements gleichermaßen mit dessen thermischer Isolierung über Nanotubes realisiert wird.
Die Verwendung des nanotubebasierten Anschlusses eröffnet die Möglichkeit zur Realisierung kleinerer IR-Imager bei gleichbleibender Auflösung bzw. hochauflösenderer Imager bei gleichbleibender Größe des Kamerasystems.

Das vorgestellte Nanotube-Wärmeleitfähigkeitsmodell bietet erstmals die Möglichkeit, bereits auf Grundlage weniger Materialparameter Vorhersagen über die Wärmetransporteigenschaften des Materials in einer Nanotubegeometrie zu treffen.
Da die thermische Isolierung von Mikrobolometern unmittelbar mit deren Detektorsensitivität skaliert, liefern die hier vorgestellten Modellierungen Designvorschriften zur Optimierung der Nanotube-Mikrobolometer.
Auf Grundlage des Nanotube-Wärmeleitfähigkeitsmodells werden zur Realisierung einer hinreichenden thermischen Isolation der Mikrobolometer Zielwandstärken der Nanotubes in der Größenordnung weniger Atomlagen erforderlich.
Die Verwendung derart geringer Wandstärken wird jedoch durch die mechanische Stabilität der Mikrobolometer limitiert. Aus diesem Grund wird ein System mechanischer Teststrukturen vorgestellt, mit welchen die praktische Umsetzbarkeit der Modellanforderungen an die Nanotubes experimentell nachgewiesen wird.

Die Erkenntnisse des Nanotube-Wärmeleitfähigkeitsmodells und der experimentellen Untersuchungen zur mechanischen Stabilität werden in einem innovativen Herstellungsprozess für die Nanotube-Mikrobolometer umgesetzt. Dieses Mikrobolometerkonzept basiert zur Realisierung der thermischen Isolierung auf der Ausnutzung einer reduzierten Wärmeleitfähigkeit der Nanotubes durch Strukturgrößen nahe und unterhalb der mittleren freien Weglänge von Phononen und Elektronen.
Die Mikrobolometer werden mit Methoden der Mikrosystemtechnik in einem Post-CMOS-Prozess auf einer Ausleseschaltung in QVGA-Auflösung in einem Pixel-Pitch von 17 μm gefertigt, mit einem IR-transparenten Deckel mittels Chip-to-Wafer-Bond versehen und als vollständiger IR-Imager in einem Kamerasystem betrieben.

Mit den gefertigten IR-Imagern wird eine skalierbare Mikrobolometertechnologie vorgestellt, mit welcher eine Herstellung von funktionsfähigen Mikrobolometern mit einer Pixelgröße von lediglich 6 μm ermöglicht wird.
Während kommerziell erhältliche Detektoren einen Pixel-Pitch von bis zu 10 μm aufweisen, benötigt das hier vorgestellte Mikrobolometerkonzept bei 6 μm lediglich 36% der Sensorfläche eines 10 μm-Bolometers.

The intention of the presented work contains the advancement of a manufacturing process for microbolometers contacted by nanotubes, based on a semi-analytical model about the thermal conductivity of nanotubes.
The development is based on a CMOS-compatible manufacturing process for microbolometers, where the electrical contact as well as the thermal isolation are realized by nanotubes.
The nanotube-based contact allows a realization of smaller IR-imagers by a constant resolution or IR-imagers with a higher resolution by an unchanged size of the camera system.

The presented model for calculating the thermal conductivity of nanotubes is based on standard models of solid state physics. This model allows the prediction of thermal transport properties in a nanotube geometry with the knowledge of only a few basic material parameters.
Since the thermal isolation of the microbolometers relates directly to their detectors sensitivity, the presented results can be used as design inputs for optimizing the nanotube-microbolometers.
The results of the model for calculating the thermal conductivity deduce wall thicknesses of the nanotubes in the regime of only several atomic layers for realizing a sufficient thermal isolation for the microbolometers.
However the reduction of nanotube wall thickness is limited by the mechanical stability of the microbolometer. Therefore a system of mechanical test structures is presented to proof experimentally verified the implementability of the model requirements to the nanotubes.

Finally the results of the thermal simulations and the empirical data about mechanical stability get combined to develop a novel manufacturing process for nanotube-microbolometers.
The new concept for realizing microbolometers is based on a thermal isolation, which is enhanced by a reduced thermal conductivity of the nanotubes due to structure sizes in the order of magnitude and below the mean free path of phonons and electrons.
The microbolometers are produced with methods of microsystems technology in a post-CMOS-process on top of a read-out IC in QVGA resolution by a pixel pitch of 17 μm. An IR-transparent housing gets plant onto the microbolometer array by a chip-to-wafer bond to operate the microbolometers in a camera system to proof qualitatively the functionality for thermography applications.

All in all the manufactured IR-imagers represent a scalable microbolometer technology including the presentation of functional microbolometers with a pixel size of only 6 μm.
Since commercially available detectors have a pixel pitch of around 10 μm, the presented microbolometer concept requires for 6 μm only 36% of the sensing area compared to the 10 μm-bolometers.

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Michel, Marvin: Untersuchung niederdimensionaler Nanotubekontaktierungen zur Realisierung CMOS-kompatibler Mikrobolometer. 2020.

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