MIKRO BOLOMETER (II: MERITVE KARAKTERISTIK IN PRIMERJAVA Z RAČUNI) Marijan Maček Fakulteta za Elektrotehniko, Laboratorij za mikroelektroniko, Ljubljana Ključne besede: bolometri polisilicijevi, bolometri mikro, mikroelektronika, NETD razlika temperaturna ekvivalenta šumnega NEP moč šuma ekvivalentna, osnove teoretične, meje temeljne, detektivnost, odzivnost, Johnson šum, šum fononski, IR sevanja infrardeča, IR detektorji sevanja infrardečega, IR senzorji sevanja infrardečega, ločljivost temperaturna Povzetek: Izdelani so bili polisilicijevi mikro bolometri velikosti 50x50 nm^, katerih osnovne značilnosti so: toplotna konduktanca v vakuumu okrog 3 nW/K, odzivnost pri upornosti 22.5 ka je okrog 1.000 V/W in 3.000 V/W pri upornosti 195 kQ, medtem ko je njihova detektivnost omejena s tokovnim 1/f sumom m dosega vrednost 5x10" cmHz^W, medtem ko je najmanjša zaznavna temperaturna razlika NETD ocenjena na rC/Hz"®. Micro Bolometer (Part II: Measurements of Characteristics and Comparison with Calculations) Keywords: polysilicon bolometers, micro bolometers, microelectronics, NETD, Noise Equivalent Temperature Difference, NEP, Noise Equivalent Power, theoretical backgrounds, fundamental limits, detectivity, responsivity, Johnson noise, phonon noise, IR radiation, InfraRed radiation, IR detectors, InfraRed detectors, IR sensors, InfraRed sensors, temperature resolution Abstract: Polysilicon micro bolometers with dimension 50x50 have been successfully realized. Their basic properties are: heat conductance in vacuum about 3 (.iW/K, responsivity at resistance 22.5 kn about 1.000 V/W and 3.000 V/W at resistance of 195 kQ, while the detectivity limited by cunent 1/f noise reaches value of about 5x10® cmHz''^/W. Noise equivalent temperature difference NETD is estimated to rC/Hz"®. 1. UVOD Postopki mikromehanske obdelave so prinesli nesluten razvoj pri izdelavi toplotnih detektorjev, predvsem bolometrov, tako da se njihove lastnosti že lahko primerjajo z dosedaj običajnimi fotonsklmi detektorji /1/. Ker so ti postopki razviti na osnovi mikroelektronskih tehnologij, jih je sorazmerno preprosto vklopiti v proces izdelave mlkroelektronskega vezja. Po drugi strani pa je včasih primerneje, če lahko mikromehanske dele izdelamo naknadno, po izgotovitvi električnega vezja /2/. Seveda je izbira postopkov pri naknadnem procesiranju omejena z največjo temperaturo, ki jo prenese spoj kovina-Si na kontaktih. Ta znaša za standardno metali-zacijo Al-x%Si-y%Cu med 420 in 490°C, odvisno od globine difuzije na kontaktih. Lahko pa se poveča do okrog 600°C, če se uporabi primerna zaporna plast (običajno TiN) ali metalizacija na osnovi W. Za izdelavo bolometrov se uporabljajo razni materiali, ki si izbrani predvsem z željo po čim večjem odzivu na spremembo temperature detektorja. Uporabljajo se predvsem razni kovinskooksidni polprevodniki katerih tipični predstavnik je VOx. Temperaturni koeficient upora (ß = 1/R(dR/dT)) za ta polprevodnik znaša okrog -2% pri plastni upornosti okrog 20 k Q/D /1 /. Poroča se tudi o uporabi polikristaliničnega Si-Ge, ki ima lastnosti primerljive polisiiiciju /3/, njegov temperaturni koeficient pa znaša prav tako približno -2% pri specifični upornosti lOOcm. Podoben temperaturni koeficient (-1.6% pri upornosti p = 10 Qcm) imajo tudi polisilicijeve nizko dopirane plasti, kar kažejo naši rezultati /4/. Po drugi strani je polisilicij tehnološko zelo primeren, saj je standardno uporabljan material v mikroelektroniki, tako da se pri izdelavi lahko uporabljajo dobro poznani postopki. Zaradi navedenih dejstev smo se odločili, da bomo realizirali bolometer na osnovi polisiiicija. 2. POSTOPEK IZDELAVE 2.1 Geometrija Tipične velikosti bolometrov se sučejo v razponu od 25-100 |Lim /1 /. V prvem delu /5/ je bilo pokazano, da sta najpomembnejši lastnosti bolometra detektivnost D in minimalna zaznavna temperaturna razlika NETD obratno-sorazmerne s korenom iz površine bolometra. Zato smo se odločili, da ostanemo pri tipični velikosti 50x50 |j,m , ki zagotavlja primerno detektivnost, primerno gostoto senzorskih elementov, ni pa še pričakovati tehnoloških problemov, kot je zlepljenje prosto-stoječe strukture zaradi površinske napetosti izpirala med postopki jedkanja nosilne plasti žrtvovanega oksida. Ker smo se želeli izogniti vsem nepredvidenim težavam med postopki izdelave, smo se odločili za izdelavo niza 8, med seboj neodvisnih bolometrov, pri čemer smo namerno povečali razmik med njimi na 50 |im. Shematično j'e bolometer prikazan na sliki 1a. Njegov izgled v vrstičnem elektronskem mikroskopu pa je prikazan na sliki 1b. Osnovni geometrijski podatki za študirani bolometer in podatki za toplotne prevodnosti in kapacitete uporabljenih materialov povzetih iz /6/, so zajeti v tabeli 1. Za efektivno absorbcijo so bili upoštevani preliminarni :b). Slika 1. Polisilicijev bolometer. a) Shematični prikaz polisilicijevega bolometra s pomembnimi dimenzijami. b) Vrstično mikroskopska slika delno spod-jedkanega polisilicijevega bolometra. rezultati meritev absorbcije IR svetlobe na Kemijskem inštitutu /7/. Po njih se v 1 |im debeli plasti silicijevega oksinitrida absorbira okrog 50% IR svetlobe (razpon valovnih dolžin 8-13 (im), okrog 40% svetlobe se odbije, razlika pa vpade na substrat, kjer se deloma spet odbije, deloma pa absorbira. Te ugotovitve podpirajo tudi računi, narejeni v FOTONI /8/. 2.2 Opis izdelave Polisilicijeve bolometre smo izdelali v skladu z procesnimi koraki, kakršni se uporabljajo za izdelavo našega standardnega procesa CMOS z dvema nivojema poli-silicija, s tem da smo drugi nivo uporabili za izvedbo detektorja. Zaradi poenostavitve (trenutno so nas zanimale le možnosti izvedbe polisilicijevega bolometra v okviru obstoječega proces) smo se omejili le na postopke po IV (poli I) maski procesa CMOS. Seveda pa je bilo potrebno vriniti dodatne procesne module. To so: - Depozicija žrtvovanega oksida debeline 2-2.5 |im in ustrezno masko. Na ta način dvignemo bolometer nad nivo rezine (slika 1), saj se žrtvovani oksid na koncu procesiranja odstrani v "počasnem" jedkalu, - Depozicija absorbcijske plasti za IR svetlobo. Uporabili smo plazemski oksinitrid, ki ima zadovoljivo absorbcijo, kar kaže slika 4 /7/. - Po končanem procesiranju je potrebno s posebno masko odpreti področje bolometra. Ker je čas jedkanja žrtvovanega oksida v "počasnem" jedkalu okrog 60 min, je potrebno pasivacijo iz plazemskega nitrida z lomnim količnikom N2 = 2.00-2.05 in bon-dirne blazinice iz Al dodatno zaščititi s tanko plastjo plazemskega nitrida z N2 = 2.2, ki je mnogo odpornejši na "počasno" jedkalo. Kritična faza izdelave bolometra je jedkanje žrtvovanega oksida v "počasnem" jedkalu, oziroma naknadno izpiranje v vodi. Poteka v dveh fazah: - najprej smo delno pojedkali oksid, tako da je ostala vsa struktura podprta s stebričkom oksida dimenzije =10x10 Po zaščiti sprednje strani s fotorezistom (FR) smo rezino zažagali, tako da je ostalo še okrog 100 M,m Si. - Po odstranitvi FR smo odlomili posamezne čipe in jih dokončno pojedkali. Zlepljenje strukture s podlago smo uspešno rešili z uporabo končnega izpiranja v metilnem alkoholu. Tabela 1. Osnovni geometrijski in snovni podatki uporabljeni pri načrtovanju polisilicijevega bolometra. Materialne konstante so vzete Iz /6/, medtem ko temelji abosrbcija na rezultatih preliminarnih meritev 171. ime količine oznaka velikost enota spec, upornost N"^poli Si povezav Psi l,00E-05 nm spec. topi. prevodnost polisilicija 22 spec. topi. prevodnost dušika pri 1 baru 2.62E-02 Wm-'K"' širina poli Si povezave w 5E-6 m rob detektorja a 50E-6 m debelina polisilicija äpoü l.OE-^ m debelina žrtvovanega oksida do. 2.0E-6 m dd)elina SiO^Ny pasivacije dpm IE-6 m efektivna absorbcija pasivacijske plasti n^ 50% specifična toplota poli Si specifična toplota pasivacije 1.5E+6 3. IZRAČUNANE KARAKTERISTIKE BOLOMETROV Račun karakteristik bolometra s parametri, določenimi v tabeli 1, Je temeljil na teoretičnih predpostavkah, podanih v prvem delu /5/ in so zajeti v tabeli 2. Izračunana toplotna konduktanca izračunana za navedeno strukturo znaša okrog 3.7 |.iW/K v vakuumu In 35 |.iW/K na zraku, V vakuumu Je prevladujoče prevajanje po nosilni strukturi, medtem ko Je na zraku odločilno prevajanje skozi 2 jim režo proti substratu, Prevajanje toplote v vakuumu Je namreč mnogo slabše kot pri zračnem tlaku (glej naprimer referenco /9/), Na sliki 2 je prikazana odvisnost izračunanega karakterističnega toka lo=^VG/|ßo|Ro ((enačba (5) v ref. /5/) od plastne upornosti, oziroma upornosti bolometra. Prikazani sta karakteristika za vakuum, nižji od 10"® mbar, in za zračni tlak. Vidimo, da je karakteristični tok lo za bolometer v vakuumu približno trikrat manjši kot za Isti bolometer na atmosferskem tlaku, kar potrjujejo tudi rezultati meritev (krogci), Izračunana frekvenca (27tvo == i/to), s katero lahko bolometrl učinkovito zaznavajo spremembe svetlobnega fluksa, znaša v vakuumu okrog 68 Hz In na zraku 652 Hz. 1e4 1B4 g Ö «4 1E4 10 100 IkfJ] 1,000 Slika 2, Izračunana odvisnost karakterističnega toka lo v odvisnosti od upornosti pollslllclßvega bolometra Rsen na atmosferskem tlaku In v vakuumu. Kvadratki predstavljajo meritve v vakuumu In na zračnem tlaku. Tabela 2 Primerjava Izračunanih In Izmerjenih parametrov za tri primerjane pollsllloljeve bolomstre. Bolometer z upornostjo 16.5 kO. Ima povezave z nominalno širino 2 |.im, lnKtottgte mmM upornost saizorja 185 185 16.5 22.5 22.5 kfl rtom. šlriM.pov««' r«, 5 5 V 5 J Užii pritisk p 0.001 1000 0.001 0.001 1000 mbnr — toplotna koduktaiiea G 3',S4S-J 1.76B4 3,67E-6 3.S4&.« WK'' 01 tanp. koeficiait spr. upatiosti f«-i 25°C rc. -1.8% -1.8% -1.2% ■■1,3% -1.3% K-' v karaJcta-isti&ii td< m s«or I. 34.1E-6 104M 95&6 H4&6 354M A 0 karakteristična el, moč p. 20gM 2.01 E-3 149&6 292&4 3&3 W s temi öasoviw kotirtanta t 2.36B.3 244E-6 4.91&3 2.36E.3 244E4 s kritična fr^enca skeniranja v 68 652 32 68 652 Hz šum »adl t«np, fluktuacijVt f« l-Ij, ( ■, <&l„ v. %7E.9 3,00E4 156E.9 311E.9 936E.9 V odzivnost pri I " 1» v=v„ SW>, v. 3,690 1,188 796 1,175 362 vw' ttoddvn<»t up^fevaje Vt 1.9E+7 2,0E+6 2.SE+7^ l,9E+7 1.9E+« cmHa'V tatip, razlika d toptetna kaiduktanoa-std. dev. nwitev a 781B-9 14E^ 4E-6 977E.9 nM WK-l « k«raktedsti&)i t«* m smm^^^.mritev h m.4M I24M 123E4 115B4 348E-6 A .s»! karakteristi&ii tcic za soaor-std. dev, nmritev 4.58B4 1SB4 15B4 69B-6 A — Idti&M ddjsrtžm ti»S-p0vp, p* 216M 2,mm: 2$0M 323E^ 7.04B-3 «1 Jum pri I«l„ v«v„ Vi 5.8SM 4.3B-6 888E.9 728Iv9 647E-9 VHz'" S odavnost pri I = lo, 1,92« / 707 / ; vm tzmajena dddctiwiost n, v. L6E+6 2.9E+5 5.2E-^6 4.9E^ 3.7E+S iriti&a Mcw« iteär«e|}8 m 941 37 33 890 1 ®5 :®ip. razlika dev. šumu j 4,1 / 1,2 1.3 16.9 1 Odzivnost S (enačba (9) v ref. /5/) je soraznnerna padcu napetosti na uporu IR), temperaturnemu koeficientu ß in obratno-sorazmerna konduktanci G. Za bolometre z enako geometrijo, kar pomeni enako konduktanco G, je odzivnost v prvem približku sorazmerna z R^''^, saj je temperaturni koeficient ß sorazmerno šibko (ß In (p), /4/) odvisen od specifične upornosti polisilicija. Odvisnost S od upornosti pri obremenitvi bolometra s karakterističnim tokom lo v vakuumu ali na zraku in pri frekvenci vo nam prikazuje slika 3. Vidimo, da je odzivnost S odvisna od upornosti z eksponentom 0.56. Odstopanje od eksponenta 0.5 je posledica odvisnosti ß od specifične upornosti polisilicija. 10,000 ^1,000 (f) 100 Model vakuum R = 221.2flx<''^ . W~2 jim \t / ^r. Mod^atm^;^ i 1 10 100 Rs« [kD] 1,000 Slika 3. Izračunana odvisnost odzivnosti S pri obremenitvi s karakterističnim tokom lo in frekvenci vo od upornosti pollslllcijevega bolometra na atmosferskem tlaku in \/ vakuumu. Krogci predstavljajo meritve pri zračnem tlaku In v vakuumu. Mejna detektivnost bolometra Dj (določena s Johnso-novim šumom) (enačba (13) v ref. /5/) je sorazmerna s tokom skozi bolometer, temperaturnim koeficientom in obratno sorazmerna s konduktanco. V primeru, ko obremenimo bolometer s karakterističnim tokom lo, bo detektivnost za različne upornosti polisilicija soraznier-na s temperaturnim koeficientom j3. Kakor s specifično upornostjo narašča ß, narašča tudi mejna detektivnost. Za bolometer, zaprt v vakuumu, znaša teoretična mejna detektivnost od 3.5x10^ (Rsen = 22.5 ki^) do 4x10^ cmHz"'/2/w (Rsen = 185 kQ) pri frekvenci ü)=1/x, (Tabela 2). Rezultati računov kažejo, da je detektivnost Dt v realnem primeru, ko je šum določen s fononskim šumom, oziroma z napetostnim šumom zaradi fluktuacij temperature (Vt = (AT2)i/2|ß[:{) neodvisna od upornosti bolometra in znaša okrog 1.9x10^ cmHzi/^/vv, kar je približno 20 krat slabše od vrednosti za Dj. V primeru, če bi bil bolometer na zraku, pa je detektivnost še za približno 10 krat manjša. Termični šum namreč narašča sorazmerno s tokom (lo G-^''^) in upornostjo (enačba (11) v ref /5/) in obratno sorazmerno s toplotno kapaciteto Zmanjšanje konduktance v vakuumu za približno 10 krat zniža potemtakem šum zaradi termičnih fluktuacij za lO'''^^^ obenem pa poveča odzivnost S za približno isti faktor. Rezultat je približno 10 kratna razlika v detektivnosti, kar jasno sledi iz uvodoma navedenih vrednosti za toplotno konduktanco. Iz navedenih rezultatov nedvoumno izhaja, da je potrebno za doseganje optimalnih lastnosti bolometre zapreti v vakuumsko tesna ohišja in zmanjšati toplotno konduktanco povezav in toplotno kapaciteto celotne strukture na vrednost, ki bo še zagotavljala dovoljšno frekvenco. 4. IZMERJENE KARAKTERISTIKE BOLOMETRA 4.1 Meritve absorbcije IR svetlobe Meritve absorbcije IR svetlobe v pasu od 8-13 jim so bile opravljene na Kemijskem institutu /7/. Primer meritve absorbcijskih lastnosti uporabljene pasivacije (oznaka M4) sestoječe iz 500 nm plazemskega SiOxNy z lomnim količnikom N2 = 1 -64, 500 nm SixNy z N2 = 2.06 in 100 nm SixNy z N2 = 2.2 je prikazan na sliki 4. Rezultati so podani v poljubnih enotah in so primerni le za primerjavo med raznimi plastmi. Iz izmerjene krivulje vidimo, da uporabljeni absorber maksimalno absorbira pri X = 11.5 mm, dočim mu absorbanca upada proti nižjim valovnim dolžinam. Računi narejeni v FOTONI /8/ kažejo, da je spektralna odvisnost absorbcije zelo odvisna od debeline plasti SiN. 0.8- 8 C ro n 8 CO 0.6- 0.4- 0.2- 0.0- —t— 5 10 —T- 15 20 25 lambda, um Slika 4. Absorbanca v IR območju za različne plasti pasivacije na osnovi plazemskega Si nitrida. N2(M1, 500 nm) = 1.64, N2(M2, 500 nm) = 2,06, N2(M3, 100 nm) = 2.20. Plast M4 se sestoji Iz 500 nm plast M1, 500 nm t^2 in 100 nm M3. 4.2 Meritve električnih parametrov Upornost in temperatura bolometra pod konstantno tokovno obremenitvijo se spreminjata, kakor to napovedujeta enačbi (3, 4) v ref. /5/. Če bi bil temperaturni koeficient ß konstanten in negativen, bi bila upornost pri obremenitvi s kritičnim tokom I = lo samo še 50%. V resnici je upornost pri obremenitvi s karakterističnim tokom zaradi temperaturne odvisnosti koeficienta ß=ß(T) od 50-60% začetne vrednosti, odvisno od upornosti polisilicija. Iz meritve karakteristike R = R(l) lahko določimo karakteristični tok lo in konduktanco G = ßlo2Ro iz enačb (4,5) v ref. /5/. Odvisnost upornosti od toka v vakuumu in na atmosferskem tlaku je prikazana na sliki 5a. Izmerjene odvisnosti upornosti se dobro ujemajo z izračunano, ki jo predstavlja prekinjena črta (upošteva temperaturno odvisnost za koeficient upornosti). Polna črta pa predstavlja krivuljo najboljšega ujemanja za meritev v vakuumu ob predpostavki, da je ß konstanten. Iz nje se določi kritični tok loi in konduktanca G, katerih povprečne vrednosti so prikazane tudi v tabeli 2. Vidimo, da je doseženo dokaj dobro ujemanje med izračunanima in izmerjenimima karateristikama lo in G. Na osnovi meritve odvisnosti upornosti od toka lahko sklepamo tudi na to, kakšna bo odvisnost odzivnosti S na tok skozi bolometer. Odzivnost (električna) bo te 2 o R = 185 kOhm, vakuum • R = 185kOhm, p= 1 bar ---Mtxtel 185kOhm -Fit 185 kOtim, \akuum 20% f— acx)i 0.1 l/lo y = 5773.dLn(l/Io) -f 15240 y a 1089.9Lit(f/lo) -J- 3538.4 ^ ______— / // 1 / 1 / 7 1 1 b) 100,000 10,000 o. i t3 1,000 100 0.25 0.5 l/k 0.75 Slika 5. Primerjava izmerjene in izračunane odvisnosti upora od toi 10 . y" 31.632* 22.6 ko, vakum, W„=0.99,v,=:a)Hz M Upor 0.1 10 v/v„ 100 1000 Slika 6. Odvisnost šuma od frekvence, a) na zraku, b) u vakuumu. Šum je podan kot razmerje med merjenim šumom Vr\ in izračunanim Johnsonovim šumom Vj, frekvenca pa kot razmerje med frekvenco meritve v in frekvenco vo podano po en. (9) v ref 151 na uporu z upornostjo 22.5 kQ. izmerjen na uporu pod vsemi pogoji skorajda enak izračunanemu šumu, lahko smatramo te meritve kot zelo zanesljive, Odvisnost šuma (razmerje med šumom zaradi termičnih fiuktuacij Vt in izračunanim Johnsonovim šumom Vj) od frekvence (razmerje med frekvenco v, pri kateri merimo šum In kritično frekvenco vo - Q/C (enačba (7) v ref. /6/) Je prikazana na slikah 6a (zračni tlak) in 6b (vakuum), Takoj opazimo, da ima šum v obeh senzorjih enako frekvenčno odvisnost vendar bistveno različen nivo, Odvisnost razmerja šuma (Vn Ni) od normaliziranega toka (l/lo) Je prikazana na sliki 7 a in b za dva različna bolometra z nominalno upornostjo 22.5 kO, Opazimo, da Je šum sorazmeren s tokom do toka približno 0,3*lo, nakar pride do nekakšnega zasičenja in, da pri višjih tokovih (l/lo > 1) celo rahlo upadata, verjetno zaradi R, a ai.okOhm, U « 131 uA, vatowm B, B 23.4 kOhm, I«» iM uA, zraN M n A 10T7 0 13,077 + R«o 0,8 0.6 0,4 0,2 10 Slika 7. Odvisnost šuma od toka pri različnih frekvencah na zraku (a) In v vakuumu (b), Šum je podan kot razmerje med merjenim šumom Vn In Izračunanim Johnsonovim šumom Vj: tok pa kot razmerje med tokom 1 In Izmerjenim karakterističnim tokom h. Dodana je tudi Izmerjena relativna sprememba upornosti R/Ro. dvigovanja temperature in s tem povezega znižanja upornosti, Podobna meritev za bolometer z upornostjo 195 kO Je prikazana tudi na sliki 8, Prirmriava rel. šumov botometrov in MQgfQv 1,000 100 10 v=7SHz, Vn/Vj"k|v .1« ar,bol« I9,e0hm«m ^r, bsl - 2,3 ©hman «r, 7S<37Sjm " 4,3 CHirrtom AT, 7S<375um " 0.21 OtKnom -r, a<3?Sum » 0,21 Ohmom 4 r, 76>(378um 5 D,CB Ohmom SKlS xtfauffl ^ ' o o f A O I o „A"" ! „ n A P 0 P 0,1 10 tok (u^ 100 Slika 8, Razmerje med tokovnim 1lf šumom in Johnsonovim šumom Vi/Vj za bolometre (50x60 pm) In upore (5x375 in 76x376 pm) z različnimi specifičnimi upornostmi \/ razponu od 0.06 ' 19,6 Q.cm merjeno pri 76 Hz Navpična puščica označuje kritični tok za bolometer, r » G/flß, Medtem ko Je na zraku za senzor z upornostjo R=195 kO (Vj ® 46 nV/Hz^/2)^ gypn pri frekvenci 100 Hz in obremenitvi s tokom lo okrog 285 krat večji od Vj, Je za senzor z R™22,5 kO (Vj 21 nV/Hz^^^) ^q razmerje samo še 57. Pri meritvah v vakuumu Je razmerje med šumoma nekoliko nižje in znaša 140, oziroma 30, Ker kaže šum Izrazito frekvenčno odvisnost, to ne more biti fononski šum, ki Je beli šum, Prav tako Je velikost izmerjenega šuma mnogo večja od vrednosti za termični šum. Na osnovi enačbe (11) v ref, /5/ bi moralo biti razmerje med šumoma okrog 51 - 72 na zraku, oziroma okrog 16»23 v vakuumu, Medtem, ko bolometer z upornostjo 22,5 kO kaže 2 krat vlšJl nivo šuma kot račun, kaže visokou-porovni za 4-8 kratno odstopanje nivoja šuma od izračunanega, Na osnovi navedenih dejstev in meritve šuma na polisi-licijevih uporih dolžine 375x75 oziroma 5 pm, ki kažejo podobno frekvenčno in tokovno odvisnost (slika 8) sklepamo, da gre za tokovni 1/f šum, za katerega velja naslednja zveza; Vi«Iv''^^ /i o/, Iz rezultatov, prikazanih na sliki 8, sledi, da je kritični tok, pri katerem Je tokovni šum enak Johnsonovemu, povezan s specifično upornostjo p z naslednjo zvezo: Ik " 2,8x10'® p[ßcmj'^ ®®. Rezultati kažejo, da Je tokovni šum neodvisen od geometrije (L/W -1-75) in debeline (meritve v teku). Zato ga lahko znižamo na žeijeno vrednost z zmanjšanjem debeline detektorske plasti pod 100 nm, in/ali s povečanjem razmerja L/W Iz 1 za dosedanjo strukturo na več kot 10. Računi kažejo, da doseže tokovni šum nivo fononskega šuma pri LAV ~ 30 in 50 nm debeli plasti pollsilicija z p - 1 Ocm (ß ^ -1.1%) in ob predpostavki, da Je G s 1 mW/K In frekvenca skeniranja 35 Hz. 4.4 Odzivnost in detektivnoat m IR svetlobo od 8-13 jum Odzivnost In detektivnost smo merili v laboratoriju FOTONE, pri čemer smo uporibili kalibrirani izvor IR svetlobe s konstantno temperaturo 500 K, nekaj začetnih meritev pa Je bilo narejenih tudi pri temperaturi 873 K. Gostota energijskega toka Ppk v razponu valovnih dolžin od 8-13/^m na mestu detektorja (B s 3,0 cm) je pri teh pogojih 48 Wm'® /11 /, Vse vrednosti za odzivnost (Spk) in detektivnost (Dpk) bodo izračunane za ta del energijskega spektra in ne za celotno izsevano energijo, Med izvorom in detektorjem je bil "čoper" s premerom zaslonke 1,3 em in maksimalno frekvenco 1,000 Hz. Meritev smo zasledovali na spektralnem analizatorju, Prve meritve so bile opravljene z uporabo nizkoium-nega transimpedančnega ojačevalnika z ojačenjem A-50, ki Je bil skupaj z detektorjem in napajalnimi baterijami vgrajen v posebno zaščitno ohišje, Zaradi zahtev po merjenju z različnimi tokovnimi obremenitvami smo morali vsakokrat zamenjati baterije, prilagoditi upor na željeno vrednost (R ^^ f(|)), tako, da m4 4E-« 2M4 m4 3i-S E 26.« OEtO a,«.? 4,«.7 , R " 16.6 KO, Ip'^iaO v s M Hž, T ^ SM K g, i m*6 4i+e se+e, ms 1g+6 06t0 Slika 9. a) Odvisnost Izmerjenega signala l/g (7"izv - 500K) In šuma Vn od toka l/h, b) Odvisnost odzivnosti Spk In detektivnosti Dpk od normallziranega toka l/lo izmerjene vrednosti za signal in šum niso bile več absolutno zanesljive (izvedena detektivnost nI odvisna od faktorja ojačanja), poleg tega pa se je Izkazalo, da so merjene napetosti dovolj velike, tako, da smo kasneje napajali detektor direktno preko napetostnega napajalnika In predupora z upornostjo vsaj 5x večjo od upora bolometra, Signal smo direktno odčitali na spektralnem analizatorju. Na ta način dobljene vrednosti so absolutno natančne. Večina meritev je bila narejena v vakuumu (kovinsko ohišje g transparentnim okencem povezano na rotacijsko črpalo), le nekaj preliminarnih meritev je bilo opravljenih pri zračnem tlaku. Rezultati (povprečja več meritev) za tri bolometre so prikazani v tabeli 2, v kateri so za primerjavo podani tudi rezultati simulacij, Odvisnost izmerjenega signala Vs in šuma Vn od norma-liziranega toka 1/1© za senzor z upornostjo 16,5 kfi (lo™120 /^A), ki Je imel nosilne povezave dimenzije okrog 2/Jrn, Je prikazana na sliki 9a, medtem ko Je na sliki 9b prikazana odvisnost izpeljanih karakteristik bolome- TO «30 400 MO m 100 o R^liJ kO.I/InSOJ, T« 36.6 I m*6 ^ 1i+6 0I+O O 100 ago 300 400 v W Slika 10, a) Odvisnost izmerjenega signala Vg (T^zv " §00K) In šuma Vn od frekvence "čoperja". b) Odvisnost odzivnosti Spk In detektivnosti Opk od frekvence v traSpk=Vs/PpkindetektivnostiDpk=Ad'''^(VsA/n)/Ppkod normaliziranega toka l/io- Meritev je bila opravljena pri temperaturi izvora 500 K in frekvenci "čoperja" 34 Hz. Na sliki 10 je prikazana odvisnost iznnerjeniii količin Vs, Vn (a) in Spk in Dpk (b) od frekvence pri obrennenitvi s tokom l/lo = 0.2. Šum izkazuje znano 1/f odvisnost (poglavje 4.3), medtem ko sledi signal (in seveda tudi odzivnost S) frekvenčni odvisnosti, napovedani v enačbi (9) (Vs, Spk - (1+ (ü3t)2)-i/2) prvega dela tega prispevka /5/. Detektivnost (« Vs/Vn) doseže maskimum blizu frekvence vo = 36 Hz (= 1/(27tT)), ker pri nižjih frekvencah 1 /f šum močno naraste. S povečevanjem frekvence pa detektivnost zlagoma pada, približno s v'"'/^. Podobne rezultate smo izmerili tudi za ostala dva bolometra, le da so meritve bile opravljene pri temperaturi izvora 873 K. Njihove frekvence vo so se sukale od 53 do 115 Hz za meritve v vakuumu, medtem ko so bile na zraku izmerjene od 800-1000 Hz, kar se dokaj dobro ujema z napovedmi. 5. DISKUSIJA Bolometri, narejeni iz polisilicija s plastno upornostjo od 16-200 kO/D, absorbcijsko plastjo iz plasti SixONy in z geometrijo, opisano v poglavju 2.1, imajo odzivnost določeno pri karakterističnem toku l = lo in pri frekvenci v=vo od 700 do 2000 V/W, odvisno od upornosti in toplotne konduktance strukture (tabela 2), kar se dokaj dobro ujema z napovedanimi rezultati, še posebej pri bolometru z upornostjo 16.5 kO (Smer = 919 V/W, Srač = 796 V/W). Ta meritev je bila opravljena z direktno meritvijo brez ojačevalnika. Ostala dva rezultata (22.5 in 185 kQ) nekoliko odstopata navzdol, verjetno zaradi težav pri prilagoditvi transimpendančnega ojačevalnika tokovno odvisnemu uporu. V tabeli tudi vidimo, da se izmerjene frekvence mikro-bolometrov (vo = (1/27t)G/C) dobro ujemajo z napovedanimi, in to v velikem razponu konduktanc, kar pomeni, da so izračunane vrednosti za G in C dobro zadete. V tabeli 2 prav tako opazimo, da se izmerjene vrednosti karakterističnega toka lo dobro ujemajo z napovedanimi. Odzivnost je obratno sorazmerna karakterističnemu toku lo, kar pomeni, da bi se morali tudi rezultati IR meritev ujemati vsaj v okviru merske napake, saj med efektivnimi absorbancami posameznih bolometrov ni pričakovati velikih razlik. Po drugi strani pa opazimo, daje izmerjena detektivnost mnogo manjša od pričakovane, zaradi prevelikega tokovnega 1/f šuma. Izmerjene vrednosti Dpk so bile v razponu od 1.6x10® (R= 185 kQ) do 5x10® cmHz^/^w-i ^ (R = 16.5, 22.5 ka), in padajo z rastočo upornostjo, kar je v nasprotju s pričakovanji, saj temepraturni koeficient ß narašča. Medtem ko odzivnost S narašča == R''^, pa tokovni šum narašča sorazmerno z upornostjo. Podobno se obnaša tudi najmanjša temperaturna razlika, NETD, ki jo zazna bolometer. Ocenimo jo na okrog 1 K/Hz'^'^, (bolometer z R = 16.5 kQ), kar je seveda mnogo več od meje, ki jo postavlja Johnsonov šum, NETDj = 0.02 K/Hz^/^. Ultimativna meja detektivnosti za navedene tri polisilici-jeve bolometre (upoštevamo samo Johnsonov šum) Dj=A''^2S/Vj znaša na osnovi izmerjene odzivnosti S in šuma Vj okrog 1.8-2.8x10^ Če hočemo torej dobiti bolometre, katerih detektivnost se bo približevala vrednosti 10® cmHz'^^^w-i ^ jg ^o^ej nujno potrebno znižati nivo tokovnega šuma, kar lahko storimo s tem, da ob enaki specifični upornosti polisilicija povečamo upor bodisi tako, da povečamo razmerje L/W iz 1 na več kot 10 ali/in uporabimo vsaj 10 krat tanjšo plast polisilicija. Računi kažejo, da doseže tokovni šum nivo šuma zaradi termičnih (Vi = Vt = 3Vj) fluktuacij pri razmerju L/W = 30 in 50 nm debeli plasti polisilicija s specifično upornostjo p = 1 Qcm (ß = -1.1%), ter ob predpostavki, da je toplotna konduktanca G = 1 /jW/K (W = 1 /im). Pri omenjenih parametrih bi imel bolometer dimenzije 50x50 /im^ in naslednje karakteristike - (Oo = 35 Hz - S = 10.500 VA/V - Vn/Vj = 2.9 - D = 5.8x10^cmHz^^%"^ Bolometer z omenjenimi karakteristrikami bi bil enakovreden dosedaj najboljšim bolometrom delujočim na sobni temepraturi narejenim na osnovi VOx, katerih detektivnost se približuje 1x10^ cmHz^^^W^ /1/. 6. ZAKLJUČEK Izdelani so bili polisilicijevi mikrobolometri v tehniki površinske mikroobdelave v razponu upornosti od 20-200 kO in toplotno konduktanco okrog 3 ^W/K. Rezultati, prikazani v tabeli 2 kažejo, da se njihove termične karakteristike (karakteristični tok lo, toplotna konduktanca G in kritična frekvenca vo) dokaj dobro ujemajo z izračunanimi. Nekoliko slabše Je ujemanje pri odzivnosti S na IR svetlobo in predvsem pri detektivnosti D, kar Je deloma posledica še nedorečenih meritev, predvsem pa posledica prevelikega tokovnega šuma 1 /f, katerega bo potrebno v prihodnje zmanjšati s povečanjem upornosti bolometra ob nespremenjeni specifični upornosti polisilicija in/ali povečati kritični tok pri katerem se pojavi neželeni tokovni 1/f šum, za kar so v teku dodatni poskusi. 7. ZAHVALA Zahvaljujem se osebju laboratorija za mikroelektroniko, ki so pomagali pri izdelavi bolometrov in meritvah na FE. Posebna zahvala gre g. Hozjanu in g. Čeponu v Fotoni, ki sta mi omogočila meritve na kalibriranem izvoru IR svetlobe in izdelala ustrezen predojačevalec. Prav tako sem dolžan zahvalo g. A. Demšarju iz FOTONE za koristne računske napovedi absorbance IR svetlobe v predvideni strukturi. Nalogo je financiralo Ministrstvo za znanost Republike Slovenije (L2-7744-781), za kar se mu najlepše zahvaljujem. 8. LITERATURA /1/ P.W. Kruse, Uncooled IR Focal Plane Arrays, AeroSense 1996, Los Angeles 10.Apr. 1998 /2/ J.M. Bustlllo, G.K. Fedder, C.T.-C. Nguyen, R.T. Howe, Process tecnology for modular integration of CMOS and p'olysili-con microstructures. Microsystem Tecnology 1, 30-41 (1994) /3/ J. Wauters, doped silicon creates new bolometer material. Laser Focus World, 145-149, Nov. 1997 /4/ M. Maček, Characterization of Thin Polysilicon films for Ml-cromachining Applications, 33rd Int. confference on Microelectronics, devices and materials. Gozd Martuljk, 24.-26 Setp 1997, 255-260 /5/ M. Maček, Pollsllicijev bolometer I, teoretične osnove. Informacije MIDEM 28(1998)2, pp 77-80 /6/ LESIT Final Report 1995, Modul 4 Microsensor Technoloqv (Baltes) /7/ M. Klajnšek-Gunde, Privatno sporočilo o meritvah absorbcije IR svetlobe na Kemijskem inštitutu, 1998 /8/ A, Demšar, privatno sporočilo /9/ S. Južnič, V. Nemanič, Termovka: odkritje in razvoj vakuumske izolacije, Vakuumist, 16/31, 20-21 (1996) /10/ H.C. Wright, Elementary Semoconductor Physics, Van Nos-trand Reinhold Co., NY, 1979 Dr. Marijan Maček, dipl. ing. Fakulteta za Elektrotehniko, Laboratorij za mikroelektroniko University of Ljubljana, Faculty of Electrical Engineering, Laboratory for Microelectronics SI 1000 Ljubljana, Tržaška c. 25 E-mail: marijan. macek@fe. uni-lj.si Prispelo (Arrived): 22.5.1998 Sprejeto (Accepted): 7.7.1998