微测辐射热计及焦平面阵列的制作方法
【专利摘要】本文公开了微测辐射热计及焦平面阵列。微测辐射热计包括底部多层电介质（510），其具有第一氮氧化硅层（514）和位于第一氮氧化硅层（514）之上的第二氮氧化硅层（516），第一（514）和第二（516）氮氧化硅层具有不同的折射率。该微测辐射热计还包括位于底部多层电介质（510）之上的探测器层（520）和位于探测器层（520）之上的顶部电介质（530），其中该探测器层（520）由温敏电阻材料组成。
【专利说明】微测辐射热计及焦平面阵列
【技术领域】
[0001]本公开文本大体上涉及红外摄像机，并且更具体地，涉及微测辐射热计探测器和焦平面阵列。
【背景技术】
[0002]在19世纪80年代，开发了被称为测辐射热计的红外探测器。该测辐射热计运行的原理是:测辐射热计材料的电阻关于测辐射热计的温度变化，而测辐射热计的温度又响应于吸收的入射红外辐射的量而变化。这些特性可以被开发用来通过感知测辐射热计电阻的最终变化而测量其上的入射红外辐射。当用作红外探测器时，测辐射热计通常与其支撑基板或周围环境热隔离，从而允许吸收的入射红外辐射在测辐射热计材料中产生温度变化。
[0003]微测辐射热计阵列通常通过构建紧密间隔的涂覆有温敏电阻材料的空气桥结构的二维阵列而制造在单片硅基板或集成电路上，温敏电阻材料(例如氧化钒)吸收红外辐射。空气桥结构提供了微测辐射热计探测器和硅基板之间的热隔离。
[0004]利用在阵列中充当一像素的每个微测辐射热计，可以通过将每个微测辐射热计的电阻的变化转换成时间复用的电信号而生成代表入射辐射的二维图像或照片，所述时间复用的电信号能够显示在监视器上或存储在存储器中。用于执行该转换的电路通常被称为读出集成电路(R0IC)，并且可以制造为硅基板中的集成电路。随后，微测辐射热计阵列可以制造在ROIC的顶部。ROIC和微测辐射热计阵列的组合通常被称为微测辐射热计红外焦平面阵列(FPA)。
[0005]常规微测辐射热计可能具有多种性能限制，例如，由于热隔离不充分而导致的灵敏度下降，电路元件的电阻不匹配的温度系数，光学吸收光谱的收缩和/或受限的光谱响应范围。因此，需要改进的探测器以及能够增强探测器功能的制造工艺。
实用新型内容
[0006]根据一种或多种实施方式，本公开提供了多种有利的微测辐射热计、焦平面阵列以及制造微测辐射热计的方法。例如，根据一种实施方式，一种微测辐射热计包括底部多层电介质，其具有第一氮氧化娃层和位于第一氮氧化娃层之上的第二氮氧化娃层，第一和第二氮氧化硅层具有不同的折射率。该微测辐射热计还可包括位于底部多层电介质之上的探测器层和位于探测器层之上的顶部电介质，其中该探测器层由温敏电阻材料组成。
[0007]根据本公开的另一实施方式，一种焦平面阵列包括读出电路(ROIC)及电耦接至ROIC的多个微测辐射热计，每个微测辐射热计包括如上文和本文所述的那些元件。
[0008]根据本公开的又一实施方式，用于制造微测辐射热计的方法包括形成具有第一折射率的第一氮氧化硅层，以及在第一氮氧化硅层上形成第二氮氧化硅层，该第二氮氧化硅层具有不同于第一折射率的第二折射率。该方法还可包括在第二氮氧化硅层上形成探测器层以及在探测器层之上形成顶部电介质，该探测器层由温敏电阻材料组成。
[0009]本公开文本的范围由权利要求限定，通过引用将权利要求合并至本部分中。通过考虑下文中一个或多个实施方式的详细说明，将给本领域技术人员提供对本公开文本的实施方式的更全面理解及其额外优势的实现。下文将参考附图，首先简要地介绍附图。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1A和IB分别示出了根据本公开实施方式的具有两个端子互连的单个微测辐射热计探测器的示意图和透视图。
[0011]图2A和2B分别示出了根据本公开实施方式的双端子微测辐射热计探测器的3*3阵列的示意图和透视图。
[0012]图3示出了读出集成电路(ROIC)的实例。
[0013]图4示了根据本公开一种实施方式的具有多层电介质的微测辐射热计桥的横截面视图。
[0014]图5示了根据本公开另一种实施方式的具有多层电介质的微测辐射热计桥的横截面视图。
[0015]图6示了根据本公开另一种实施方式的具有多层电介质的微测辐射热计桥的横截面视图。
[0016]图7示了根据本公开一种实施方式的用于捕捉图像的系统的框图。
[0017]图8示了根据本公开一种实施方式的包括多层电介质的微测辐射热计的制造方法的流程。
[0018]图9示了根据本公开一种实施方式的吸收曲线图。
[0019]通过参阅下文的详细说明将最佳地理解本公开文本的实施方式及其优势。应该意识到，类似的附图标记用于标识一幅或多幅附图中的类似元件。
【具体实施方式】
[0020]图1A和IB分别示出了根据本公开实施方式的两个端子互相连接的单个微测辐射热计探测器100的示意图和透视图。
[0021]微测辐射热计100与其支撑基板或周围环境热隔离，从而允许吸收的入射红外辐射102在微测辐射热计材料中产生温度变化。这种隔离通常由探测器100周围的虚线方框表示。热隔离的微测辐射热计100响应于测量微测辐射热计电阻期间的入射辐射水平、基板中的温度变化和探测器中消散的电力而改变温度。
[0022]在使用单个探测器的系统中，两个导线可以附接到微测辐射热计材料，其提供使电流传导通过微测辐射热计的手段，从而感知其电阻。图1A和IB示出了至微测辐射热计探测器的电连接。在这种情况下，在存在入射红外辐射102时示出了热隔离的微测辐射热计100，其中两个导线连接到微测辐射热计端子R+和R-。图1B示出了微测辐射热计100的物理实施的实例。至微测辐射热计的R+和R-电连接形成在支腿104的端部，其中微测福射热计在该端部处与基板106接触。
[0023]图2A和2B分别示出了根据本公开实施方式的双端子微测辐射热计探测器100的3*3阵列200的示意图和透视图，其示出了九个正和负的互连端子。
[0024]在期望感知微测辐射热计探测器阵列的电阻或温度的情况下，为每个探测器提供独立的导线连接可能在物理上变得不切实际。图2A、2B和3示出了互连到微测辐射热计探测器阵列的方法。图2A和2B中示出的是需要九个正和负互连的3*3探测器阵列200。用于阵列中的单个微测辐射热计探测器100的互连被创建为制造工艺的一部分，并且接触硅基板106中的电路。
[0025]微测辐射热计的大型二维阵列可以利用读出集成电路(ROIC)来提供需要的测辐射热计接口，其一个实例在图3中示出。ROIC结合了在空间上靠近探测器的电路以执行探测器接口和复用功能。与具体微测辐射热计探测器关联的电路可以在硅基板中位于探测器的正下方，并且可以被称为晶胞。
[0026]通过微测辐射热计探测器的时间复用信号，需要的电互连导线的数量可以大幅减少。为了简化复用过程和系统接口，ROIC可以包括数字逻辑电路以生成控制阵列中的行和列地址切换所需的信号。
[0027]图3示出了用于微测辐射热计探测器的8X8阵列的示例性R0IC。晶胞的阵列、列放大器、列复用器306以及行复用器308可以集成到单个ROIC硅裸片(die) 302上。微测辐射热计阵列可以构建在晶胞阵列的顶部上。ROIC还包括偏压生成和定时控制电路304以及输出放大器310。ROIC为微测辐射热计探测器阵列和外部系统都提供了关键接口。ROIC和微测辐射热计电路的进一步描述可以在美国专利N0.6，028，309中找到，为了所有的目的，通过引用将其全文并入本文中。
[0028]图4示了根据本公开一种实施方式的具有多层电介质的微测辐射热计桥400的沿图1B和2B中的线Ι-I'截取的横截面视图。
[0029]微测辐射热计桥400包括底部多层电介质410、位于底部多层电介质410之上的探测器层420以及位于探测器层420之上的顶部电介质430。在一个实例中，底部多层电介质410可以由多个电介质层组成，电介质层例如氮氧化硅(SiON)和/或氮化硅。在一个实例中，探测器层420可以由温敏电阻材料组成。例如，探测器层420可以由氧化钒组成并且其厚度在大约300埃和大约800埃之间。作为具体实例，探测器层420可以由氧化钒组成并且具有大约600埃的厚度。在一个实例中，顶部电介质430可以由单个电介质层或多个电介质层组成，电介质层例如SiON和/或氮化硅。
[0030]图5示了根据本公开另一种实施方式的微测辐射热计桥500的沿图1B和2B中的线1-1’截取的横截面视图。
[0031]微测福射热计桥500包括底部多层电介质510、位于底部多层电介质510之上的探测器层520以及位于探测器层520之上的顶部电介质530。下面的表1示出了根据一个实例的微测辐射热计桥5 00的各个层的厚度范围及折射率。
[0032]表1
[0033]
【权利要求】
1.一种微测辐射热计，包括: 底部多层电介质，其包括第一氮氧化硅层和位于第一氮氧化硅层之上的第二氮氧化硅层，第一和第二氮氧化硅层具有不同的折射率； 位于底部多层电介质之上的探测器层，该探测器层由温敏电阻材料组成；及 位于探测器层之上的顶部电介质。
2.如权利要求1所述的微测辐射热计，其特征在于，底部多层电介质包括位于第一氮氧化娃层之下的第一氮化娃层。
3.如权利要求2所述的微测辐射热计，其特征在于，第一氮氧化硅层和第二氮氧化硅层在一个生长期中连续地形成。
4.如权利要求2所述的微测辐射热计， 其特征在于，第一氮化硅层具有大约200埃和大约2000埃之间的厚度以及大约1.6和大约2.2之间的折射率， 其中，第一氮氧化硅层具有大约200埃和大约2000埃之间的厚度以及大约1.3和大约1.9之间的折射率，及 其中，第二氮氧化硅层具有大约200埃和大约2000埃之间的厚度以及大约1.3和大约1.8之间的折射率。
5.如权利要求2所述的微测辐射热计，其特征在于，探测器层由氧化钒组成并且厚度在大约300埃和大约800埃之间。
6.如权利要求2所述的微测辐射热计，其特征在于，顶部电介质是顶部多层电介质，该顶部多层电介质包括: 位于探测器层之上的第三氮氧化硅层； 位于第三氮氧化硅层之上的第四氮氧化硅层；及 位于第四氮氧化硅层之上的第二氮化硅层；
7.如权利要求6所述的微测辐射热计，其特征在于，第三氮氧化硅层和第四氮氧化硅层在一个生长期中连续地形成。
8.如权利要求6所述的微测辐射热计， 其特征在于，第三氮氧化硅层具有大约200埃和大约1200埃之间的厚度以及大约1.3和大约1.8之间的折射率， 其中，第四氮氧化硅层具有大约200埃和大约1200埃之间的厚度以及大约1.3和大约1.9之间的折射率，及 其中，第二氮化硅层具有大约200埃和大约1200埃之间的厚度以及大约1.6和大约2.2之间的折射率。
9.如权利要求1所述的微测辐射热计，其特征在于，第一氮氧化硅层和第二氮氧化硅层在一个生长期中连续地形成。
10.如权利要求1所述的微测辐射热计，其特征在于，探测器层由氧化钒组成并且厚度在大约300埃和大约800埃之间。
11.如权利要求1所述的微测辐射热计， 其特征在于，第一氮氧化硅层具有大约200埃和大约1500埃之间的厚度以及大约1.3和大约1.8之间的折射率，及其中，第二氮氧化硅层具有大约200埃和大约2000埃之间的厚度以及大约1.3和大约。1.9之间的折射率。
12.如权利要求11所述的微测辐射热计，其特征在于，顶部电介质包括位于探测器层之上的氮化硅层，该氮化硅层具有大约800埃和大约1800埃之间的厚度以及大约1.6和大约2.2之间的折射率。
13.一种焦平面阵列,包括: 读出电路(ROIC);及 电耦接至ROIC的多个微测辐射热计，每个微测辐射热计包括: 底部多层电介质，其包括第一氮氧化硅层和位于第一氮氧化硅层之上的第二氮氧化硅层，第一和第二氮氧化硅层具有不同的折射率； 位于底部多层电介质之上的探测器层，该探测器层由温敏电阻材料组成；及 位于探测器层之上的顶部电介质。
14.如权利要求13所述的焦平面阵列，其特征在于，每个微测辐射热计经由布置在相邻微测辐射热计之间的接触支腿电耦接至R0IC。
15.如权利要求14所述的焦平面阵列，其特征在于，至少一个接触支腿是布置在相邻微福射热测定仪之间的共享接触支腿。
16.如权利要求 13所述的焦平面阵列，还包括耦接至ROIC的用于处理从ROIC输出的图像信息的处理器以及耦接至处理器的用于显示处理过的图像信息的显示器。
17.如权利要求13所述的焦平面阵列， 其特征在于，底部多层电介质包括位于第一氮氧化硅层之下的第一氮化硅层；及 其中，顶部电介质是顶部多层电介质，该顶部多层电介质包括: 位于探测器层之上的第三氮氧化硅层， 位于第三氮氧化硅层之上的第四氮氧化硅层，及 位于第四氮氧化硅层之上的第二氮化硅层。
18.如权利要求13所述的焦平面阵列，其特征在于，顶部电介质层包括位于探测器层之上的氮化硅层。
【文档编号】H01L27/146GK203772422SQ201290000696
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2012年6月8日 优先权日:2011年6月10日
【发明者】R·F·卡纳塔, Y·佩特雷蒂斯, P·富兰克林, R·西梅斯, R·E·玻恩弗洛恩德 申请人:菲力尔系统公司