Введение к работе
Актуальность проблемы. Анализ выполненных в последнее десятилетие работ по системам визуализации теплового излучения показывает, что неохлаждаемые многозлементные матрицы тепловыхГпрйемни"к~ов успешно конкурируют с охлаждаемыми приборами аналогичною назначения. Особенно это относится к сфере производства изделий двойного применения, іде важно учитывать такие факторы как цена, возможность работы при температурах окружающей среды и высокие критерии технологичности. позволяющие создавать компактные инфракрасные камеры с малыми габаритами и энергопотреблением.
В соответствующих государственных программах развития технологий пироэлектрических и болометрических ИК-приемников в США, Великобритании, Франции, Германии и Японии принимают активное участие такие ведущие фирмы как Texas Instruments, Loral Infrared, Hughes, Honeywell, Rockwell, GEC-Marconi, Thomson-CSF, Mitsubishi и другие.
Основой для -существенного улучшения характеристик подобных приборов является разработка полностью интегральной схемы матрицы приемников с высокой тепловой изоляцией элементов, которая позволит получить лучшее соотношение качество/цена за счет исключения операций гибридной сборки, уменьшения потерь тепла и увеличения коэффициента заполнения.
Главной целью настоящей работы было определение возможных путей создания интегральных многоэлементных приемников излучения на основе пироэлектрических тонких пленок, встраиваемых в технологические процессы изготовления интегральных схем преобразования и обработки сигналов теплового изображения.
Для достижения поставленной цели предполагалось: 1) рассмотреть вопросы оптимизации конструкции многоэлементных тепловых приемников излучения с точки зрения минимизации тепловых потерь и достижения высоких характеристик полностью твердотельных интегральных приборов на основе этих конструкций; , 2) разработать конструктивно-технологические приемы создания матриц и линеек приемников, изготовить опытные макеты многоэлементных пироэлектрических приемников:
-
рассмотреть технологические методы получения пироэлектрических тонких пленок, позволяющие совмещать процессы изготовления пирочувстви-тельных слоев с базовыми процессами современной микроэлектроники;
-
решить проблемы аппаратного и программного обеспечения контроля основных электрофизических параметров и предложить методики измерения; 5) провести необходимые исследования пироэлектрических тонких пленок, имея в виду оптимизацию технологических процессов получения пленок для применения их в многоэлементных приемниках, а также расширения функциональных возможностей приборов на ссгнетоэлектрических пленках; 6) решить вопросы обеспечения контроля многоэлементных пироэлектрических приемников и провести измерения основных характеристик изготовленных опытных образцов многоэлементных приемников.
Научная новизна работы заключается в том, что впервые предложен комплекс технологических операций для создания полностью монолитного матричного пироэлектрического приемника, основанный на получении приподнятой над кристаллом конструкции с тешточувствителыюй пленкой, и изготовлены соответствующие макеты приемников на основе тонких пленок из органических пироэлектриков (а. с. № 1463084 СССР от 23.12.86).
Впервые для образцов пленок цирконата-титаната свинца экспериментально исследован пироэлектрический гистерезис и получены количественные соотношения между поляризацией и пироэлектрическим коэффициентом.
Разработана методика расчета параметров многоэлементного пироэлектрического приемника с прямоинжекционным вводом сигнала в ПЗС-коммутатор, основанная на решении уравнений теплового баланса и определении соотношения сигнал/шум.
Предложены схемы соответствующих входных узлов пироприемник-ПЗС, позволяющие снизить шум на выходе устройства (а. с. №1665540 СССР от 08.04.87, а. с. № 289485 СССР от 13.07.87, а. с. № 289485 СССР от 13.07.87). :
Практическая значимость работы состоит в том, что предложенные методы расчетов и технологические операции были конкретизированы и экспериментально опробованы на примере изготовления опытных образ-
нов многоэлементных пироэлектрических приемников теплового излучение на основе пленок из органических пирозлектриков и ПЗС-коммутаторов.
Получены образцы макетов приемников (2х 128 элементов размерами 1x11)0x100 мкм3), для которых эквивалентная шуму разность температур не превышает 1К (для 3-5 мкм и 8-12 мкм при 300К и оптической' характеристике F/1 на частоте модуляции 20-40 Гц).
Предложены и экспериментально проверены технологические ме-jojli, позволяющие получать в промышленных условиях пленки поливи-нилиденфторида и других органических пироэлектрических материалов с высокими значениями" факторов качества.
Изготовлен комплекс контрольно-измерительного оборудования Ц разработаны методики измерений электрофизических параметров сегнето-электрических пленок толщиной от 0,1 до 2 мкм. Комплекс аппаратуры *< методики были использованы для контроля структур, предназначенных дай микросхем многоэлементных пироэлектрических приемников и сегнете>-элсктрической памяти. '
Предложены схемы устройств прямоиижекционного ввода сигналов ПЗС и коррекции коэффициентов преобразования для снижения шума.
Предложены и практически реализованы схемотехнические решение позволяющие повысить универсальность измерительного фотометрического комплекса контроля приемников, основанные на применении внешнего запоминающего устройства и программного задания режимов работы к контроля ПЗС-коммутаторов.
На защиту выдвигаются следующие основные положения
1. Комплекс технологических операций создания полностью монолитного матричного пироэлектрического приемника, основанный на получении мембранных конструкций теплочувсиштельпого слоя, ПОЗВОЛЯЮЩИЕ на порядок улучшить тепловую изоляцию приемника, и реализация преї -ложенного способа путем бокового глубокого травления специально поде бранного вспомогательного слоя. Применение этих операций позволило изготовить макет монолитного приемника из 2x128 элементов с размерам^ 100x100 мкм2, соединенных с ПЗС-коммутатором, для которого эквивалентная шуму разность температур не превышает 1К (в диапазоне „чл«и
волії 3-5 мкм и 8-12 мкм при 300К на частоте модуляции 20-40 Гц и оптической характеристике F/1).
-
Разработка автоматизированного измерительного комплекса для контроля характеристик переключения поляризации, диэлектрических и пироэлектрических свойств пироэлектрических и сегнетоэлектрических пленок толщиной от 0,1 до 2 мкм и соответствующие методики измерений, в результате применения которых, в частности, для пленок цирконата-титаната-свинца экспериментальным путем подтверждена справедливость термодинамической модели и установлена пропорциональная зависимость между значениями пироэлектрического коэффициента и поляризацией. Показано, что. значение соответствующего коэффициента находится в пределах (2,08±0,05)-10-3 1/К при доверительной вероятности 0,95. Практическое применение этого эффекта позволяет расширить функциональные возможности приборов на основе пленок сегнетоэлектриков, в частности осуществлять коррекцию коэффициентов преобразования приемников.
-
Методика расчетов характеристик тепловых приемников, основанная на решении уравнений баланса тепла и анализе эквивалентных схем преобразования сигнала, позволяющая определить для различных вариантов конструкции значения чувствительности, эквивалентной шуму разности температур, удельной обнаружительной способности и других параметров.
-
Результаты исследований тонких сегнетоэлектрических пленок цирконата свинца, полученных золь-гель методом на кремниевых пластинах с подслоями титана и платины, которые показывают, что эти пленки имеют значения пироэлектрического коэффициента, определяющиеся поляризацией, достигающие 5-Ю-4Кл/м2-К. и стабильно сохраняющиеся во времени, что подтверждает перспективность их применения для создания микросхем энергонезависимой памяти с неразрушающим пироэлектрическим считыванием.
Реализация результатов. Основные экспериментальные результаты получены в рамках поисковых, научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, выполненных в Московском государственном институте радиотехники, электроники и автоматики (Техническом университете) и Государственном научно-исследовательском институте "Пульсар" в
период с 1987 по 1997 г. Эти работы проводились по планам работ упомянутых предприятий, а также в рамках программ МО РФ "Инфравид", Сех-ции прикладных проблем при Президиуме РАН, ГНТП "Перспективные технологии и устройства микро- и нано.злектроники" и других.
Разработанные технологические процессы, схемы, методики измерений и расчетов использовались в ГНИЙ "Пульсар" при создании образцов микросхем cei нетоэлектрической памяти и многозлементных приемников излучения.
Досюверность полученных результатов определяется тем, что разра ботаипые технологические приемы позволили получить опытные образцы монолитных многоэлементных приемников теплового излучения с параметрами, аналогичными известным гибридным реализациям подобных приборов, а методики расчетов и результаты экспериментов хорошо согла -суются с данными публикаций отечественных и зарубежных авторов.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 28 печатных работ, в том числе получено 4 авторских свидетельства, сделано более 10 докладов на Всероссийских и международных конференциях. Списо основных работ приведен в конце автореферата.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работі были представлены на: IV и VI научно-технич. конф. "Приборы с заряде вон связью и сиеземы на их основе" (Геленджик. 1992: Новый Афон, 1995 Conf. in Imperial College of Science, Medicine and Technology (London, 1992 V Japanese-Russian symp. on ferroelectricity (Moscow. 1994); Int. symp. "Fern piezoelectric materials and their applications" (Moscow, 1994); Росеийскс конференции "Микроэлектроника-94" (Звенигород, 1994); Symp. MP "Ferroelectric thin films" (Boston, 1994; San Francisco, 1996); Междунар. н учно-практич. конф. "Пьезотехннка-95", (Ростов-на-Дону, 1995); XIV Вс российской конф. по физике шнегоэлектриков (Иваново, 1995): The 3-World Scientific Conference on Advanced Electronic Technology (Mosco 1995): Conf. SEE "Matcriaux et composants piezo-pyroTerroelectriquc (Limoges, France, 1996); 8-th International Symposium on Integrated FerrocK trie "ISIF'96" (San Diego, 1996); Int. Conf. on Electronic Ceran "Electroceramics V" (Aveiro Portugal, 1996); Международной конфереїш "Фотонные системы экологического мониторинга" (Прага, 1996) и друг и.'
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения, объемом 199 страниц, содержит 57 рисунков. 20 таблиц и библиографию из і 55 наименований.
