desarrollo de micro-bolómetros no enfriados basados … · brinda ventajas como un menor consumo...
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Desarrollo de micro-bolómetros no enfriados basados en Silicio y
Germanio Polimorfo
por
Ing. Ricardo Jiménez Zavala
Tesis sometida como requisito parcial
para obtener el grado de
MAESTRO EN CIENCIAS EN LA ESPECIALIDAD DE ELECTRÓNICA
en el
Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica.
Febrero 2013
Tonantzintla, Puebla
Supervisada por:
Dr. Mario Moreno Moreno Investigador titular del INAOE
Dr. Alfonso Torres Jácome Investigador titular del INAOE
©INAOE 2013 Derechos Reservados
El autor otorga al INAOE el permiso de reproducir y
distribuir copias de esta tesis en su totalidad o en partes
mencionando la fuente.
III
RESUMEN
Los sistemas de detección infrarroja son una tecnología clave en diversas
aplicaciones civiles y militares, especialmente en rastreo de objetivos, visión
nocturna, mantenimiento preventivo, etc.
A diferencia de los detectores infrarrojos de fotones que requieren
costosos dispositivos de enfriamiento, los sistemas basados en micro-
bolómetros pueden operar a temperatura ambiente. Esta característica les
brinda ventajas como un menor consumo de potencia, peso reducido y
volumen que finalmente resulta en un equipo de bajo costo.
En este trabajo se han fabricado y caracterizado micro-bolómetros con
área de 50x50 µm2. Se utilizaron películas termo-sensoras basadas en
germanio polimorfo, silicio polimorfo y sus aleaciones en estado polimorfo.
El proceso de fabricación fue realizado en el laboratorio de
microelectrónica y el laboratorio de innovación en MEMS (LIMEMS) del
INAOE. Se implementaron 16 diseños distintos de micro-bolómetros tipo
puente con el fin de evaluar el desempeño de los sensores bajo las
variaciones geométricas y la estabilidad mecánica al final del proceso de
fabricación.
Las películas termo-sensoras y estructurales fueron preparadas por
medio de la técnica Low Frequency Plasma Enhanced Chemical Vapor
Deposition (LF-PECVD) a 200 °C, lo cual permite obtener una total
compatibilidad con un post-proceso CMOS. Se emplearon 8 películas termo-
sensoras con un elevado Coeficiente Térmico de Resistencia (TCR), que
resultaron en sensores con una detectividad en el rango de 107-109
cm·Hz1/2/W y resistencias eléctricas del orden de 1 MΩ.
IV
ABSTRACT
Thermal imaging systems are a key technology in various civilian and military
areas, especially on target tracking, night vision, preventive maintenance, etc.
Unlike photon detectors, which require expensive cooling systems,
thermal detectors working with microbolometers are able to work at room
temperate. This feature provides advantages like low power consumption,
reduced weight and volume which ultimately results in low cost equipments.
In this work 50x50 µm2 microbolometers have been fabricated and
characterized. Polymorphous germanium, polymorphous silicon and its alloys
in polymorphous phase.
The manufacturing process was carried out in the microelectronics
laboratory and LIMEMS at INAOE. Sixteen different configurations of
suspended microbridge-style bolometers were implemented to evaluate both
sensor performance under geometrical variations and mechanical stability at
the end of the manufacturing process.
Thermo-sensing and structural films were prepared in a Low
Frequency Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (LF-PECVD)
reactor at 200 °C allowing full compatibility with CMOS processes. Eight
different thermo-sensing materials with high Thermal Coefficient of
Resistance (TCR) were employed, providing detectivity values in the range of
107-109 cm·Hz1/2/W and pixel resistances about 1 MΩ.
V
AGRADECIMIENTOS
En primer lugar quiero agradecer al Consejo Nacional de Ciencia y
Tecnología (CONACyT) por la beca otorgada No. 51440, sin la cual mis
estudios de maestría no habrían sido posibles. También quiero expresar mi
gratitud a todos aquellos profesores que tuve el gusto de conocer y con la
comunidad del INAOE en general. También estoy agradecido por las
facilidades otorgadas en la toma de imágenes por SEM por el Centro de
Investigación en Ciencia y Tecnología Aplicada (CICTA) de la UACJ.
En especial quiero agradecer al Dr. Mario Moreno Moreno, al Dr.
Alfonso Torres Jácome y al Dr. Roberto Carlos Ambrosio Lázaro por todas
sus enseñanzas y sobre todo por haber confiado en mí en todo momento.
La lista de amigos que se deberían citar a continuación opacaría la
investigación presentada en esta tesis, por lo que nombraré a algunos de los
más cercanos esperando no ofender a aquellos que escapan de mi memoria
por el momento. Quiero agradecer todo el apoyo recibido por Mariana
Vázquez Muñoz, Olga Mariana Becerra Fuentes, Berni Manolo Pérez Ramos,
Hiram Enrique Martínez Mateos, Adrián Israel Tec Chim, Jesús Alarcón
Salazar, Fabián Zarate Rincón, José Luis Herrera Celis, Fidel Wilivaldo Pérez
Tovar, Alejandra Nicte-ha Reyes Flores, Héctor Christian Bandala
Hernández, Ismael Cosme Bolaños, Daniela Díaz Alonso, Rafael Aurelio
Rodríguez Jiménez, Oscar Pestaña, Oscar Aponte, Manuel Escobar Aguilar,
Adrián Itzmoyotl Toxqui, Ignacio Juárez Ramírez, Pablo Alarcón Peña,
Armando Hernández Flores, Mauro Landa Vázquez, Georgina Rosas
Guevara, Leticia Tecuapetla y Valeria Rocha Quintero.
Además quiero agradecer a la Dra. Claudia Reyes Betanzo, al Dr.
Carlos Zúñiga Islas y al Dr. Francisco Javier De la Hidalga Wade por evaluar
mi trabajo de tesis.
VI
ÍNDICE
Página
Resumen ................................................................................................... III
Abstract ..................................................................................................... IV
Agradecimientos ...................................................................................... V
Índice ......................................................................................................... VI
Lista de acrónimos ................................................................................... IX
Lista de símbolos ..................................................................................... XIII
Capítulo 1 Introducción ........................................................................... 1
1.1 Revisión histórica de la tecnología de detección de radiación
infrarroja .................................................................................. 1
1.2 Justificación de la tesis ............................................................ 5
1.3 Objetivos y metas .................................................................... 8
1.4 Organización de la tesis .......................................................... 9
1.5 Referencias.............................................................................. 10
Capítulo 2 Análisis de literatura .............................................................. 14
2.1 Introducción ............................................................................. 14
2.2 Detectores de radiación infrarroja ............................................ 14
2.2.1 Radiación infrarroja y tipos de detectores ...................... 14
2.2.2 Detectores infrarrojos de fotones ................................... 19
2.2.3 Detectores infrarrojos térmicos ....................................... 21
2.3 Micro-bolómetros no enfriados ................................................ 24
2.3.1 Configuraciones de aislamiento térmico y materiales .... 25
2.3.2 Películas absorbedoras de radiación infrarroja .............. 29
2.3.3 Películas termo-sensoras ............................................... 29
2.4 Silicio amorfo hidrogenado y estructura atómica ..................... 30
2.5 Técnica de depósito químico en fase vapor asistido por plasma
(PECVD).................................................................................. 32
VII
2.6 Densidad de estados y diagrama de bandas ........................... 34
2.7 Propiedades eléctricas y ópticas del a-Si:H ............................. 36
2.8 Dopado de silicio amorfo hidrogenado tipo p y tipo n ............... 38
2.9 Silicio y Germanio polimorfos ................................................... 40
2.10 Figuras de mérito de micro-bolómetros .................................... 43
2.10.1 Capacitancia térmica, Cth, conductancia térmica, Gth y
tiempo de respuesta térmico, τth .................................... 43
2.10.2 Responsividad .............................................................. 47
2.10.3 Ruido en micro-bolómetros ........................................... 48
2.10.4 Detectividad .................................................................. 50
2.10.5 Diferencia de temperatura equivalente de ruido
(NETD)………… ............................................................ 50
2.11 Referencias .............................................................................. 51
Capítulo 3 Técnicas de caracterización de micro-bolómetros .............. 57
3.1 Introducción .............................................................................. 57
3.2 Mediciones corriente-voltaje en oscuridad y obtención del
yield…………. .......................................................................... 57
3.3 Mediciones corriente-voltaje en oscuridad y con radiación IR .. 59
3.4 Cálculo de Responsividad ........................................................ 61
3.5 Mediciones de ruido ................................................................. 64
3.6 Cálculo de Detectividad ............................................................ 67
Capítulo 4 Diseño del proceso de fabricación y del layout de diferentes
estructuras de micro-bolómetros ......................................... 68
4.1 Selección de diferentes estructuras de micro-bolómetros ........ 68
4.2 Diseño del Layout ..................................................................... 72
4.3 Diseño del proceso de fabricación de micro-bolómetros .......... 74
4.4 Simulación de estructuras de membranas de SiNx .................. 96
4.5 Referencias .............................................................................. 101
VIII
Capítulo 5 Diferentes procesos de fabricación de micro-bolómetros y su
caracterización ...................................................................... 104
5.1 Descripción de 8 diferentes procesos de fabricación de películas
termo-sensoras usadas en micro-bolómetros ......................... 104
5.2 Resultado de caracterización eléctrica y obtención del yield… 112
5.3 Selección de micro-bolómetros para caracterización con radiación
IR… ......................................................................................... 120
5.4 Resultados de caracterización de curvas I-V en oscuridad y con
radiación (IR) y cálculo de responsividad ................................ 121
5.5 Resultados de caracterización de ruido y cálculo de
detectividad…... ....................................................................... 141
5.6 Referencias.............................................................................. 149
Capítulo 6 Discusión de resultados ........................................................ 150
6.1 Resultados comparativos del rendimiento por oblea (yield) .... 150
6.2 Resultados comparativos de rendimiento (yield) y responsividad
de los diferentes procesos ...................................................... 153
6.3 Resultados comparativos de la detectividad de los diferentes
procesos .................................................................................. 157
6.4 Discusión final: Selección de estructura y películas termo-
sensoras con mejores características ..................................... 164
6.5 Referencias .............................................................................. 164
Capítulo 7 Conclusiones.......................................................................... 166
Apéndice A ................................................................................................ 168
Lista de figuras ......................................................................................... 178
Lista de tablas .......................................................................................... 187
IX
LISTA DE ACRÓNIMOS
Acrónimo Descripción
AFM Microscopia de Fuerza Atómica
a-Ge:H Germanio amorfo Hidrogenado
APCVD Atmospheric Pressure Chemical Vapor Deposition
a-Si Silicio amorfo
a-Si:H Silicio amorfo Hidrogenado
a-Si:H,B Silicio amorfo Hidrogenado dopado con Boro
a-SixGey:H Silicio-Germanio amorfo Hidrogenado
BaSrTiO Titanato de Bario-Estroncio
BPSG Vidrio de Borofosfosilicato
CI’s Circuitos Integrados
CMOS Metal-Óxido-Semiconductor Complementario
CMP Método de la Fotocorriente Constante
CMP Pulido Químico Mecánico
CRN Red Aleatoria Continua
DIP Dual In-Line Package
FTIR Espectroscopia Infrarroja por Transformada de Fourier
GaAs Arsenuro de Galio
X
HgCdTe Cadmio teluro de mercurio
ICP-RIE Grabado por Iones Reactivos con Plasma Acoplado
Inductivamente
InAsSb Antimonuro de Indio-Arsénico
IR Infrarrojo
IRFPA Arreglo Plano Focal Infrarrojo
KOH Hidróxido de Potasio
LF-PECVD Low Frequency Plasma Enhanced Chemical Vapor
Deposition
LPCVD Low Pressure Chemical Vapor Deposition
LWIR Long Wavelength Infrared
MEMS Sistema MicroElectroMecánico
MWIR Mid-Wavelength Infrared
NIR Near Infrared
NSD Densidad Espectral de Ruido
PbScTaO Tantalato de Plomo-Escandio
PbSnTe Teluro de Estaño-Plomo
PDS Espectroscopia Fototérmica de Deflexión
PLZT Titanato de Zirconio-Plomo dopado con Lantano
pm-Ge:H Germanio polimorfo Hidrogenado
pm-Si:H Silicio polimorfo Hidrogenado
XI
pm-SixGey:H Silicio-Germanio polimorfo Hidrogenado
poly-SiGe Silicio-Germanio policristalino
PSG Vidrio de Fosfosilicato
PtSi Silisuro de Platino
QWIP Fotodetector de Pozo Cuántico
RF Radio Frecuencia
RIE Grabado por Iones Reactivos
s.s. stainless steel
SEM Microscopia Electrónica de Barrido
Si3N4 Nitruro de Silicio estequiométrico
SiC Carburo de Silicio
SiNx Nitruro de Silicio fuera de estequiometria
SiO2 Óxido de Silicio
SOG Spin-On Glass
SWIR Short Wavelength
TC Temperatura de Curie
TEM Microscopia de Transmisión de Electrones
TFT Transistor de Película Delgada
TGS Sulfato de Triglicina
XII
TMAH Hidróxido de Tetrametil Amonia
VLWIR Very Long Wavelength Infrared
VOx Óxido de Vanadio
ZIF Zero Insertion Force
ZnSe Selenuro de Zinc
XIII
LISTA DE SÍMBOLOS
Símbolo Unidades Cantidad
α K-1 Coeficiente Térmico de Resistencia (TCR)
α V/K Coeficiente de Seebeck
)(Eα cm-1 Coeficiente de absorción
β — Factor de llenado
thC J/K Capacitancia térmica
RTσ Ω-1·cm-1 Conductividad eléctrica a temperatura
ambiente
∗D cm·Hz1/2/W Detectividad
),( Tλε — Emisividad
aE eV Energía de activación
gE eV Energía de la banda prohibida
pE eV Energía del fotón
uE eV Pendiente de la cola de Urbach
condG W/K Conductancia térmica a través del soporte de
la membrana
convG W/K Conductancia térmica por el aire o medio
ambiente en contacto con el
radG W/K Conductancia térmica por radiación
thG W/K Conductancia térmica
XIV
totG W/K Conductancia térmica total del micro-
bolómetro
NI A Ruido en corriente rms
0I W/cm2 Intensidad de radiación infrarroja
),( TM λ W/m2µm Exitancia espectral
η — Coeficiente de absorción
NETD K Diferencia de temperatura equivalente de
ruido
p C/m2K Coeficiente piroeléctrico
incP W Potencia de la radiación incidente sobre el
micro-bolómetro
ρ Ω·cm Resistividad eléctrica
ℜ A/W o V/W Responsividad
Iℜ A/W Responsividad en corriente
Vℜ V/W Responsividad en voltaje
thτ s Tiempo de respuesta térmico
NV V Ruido en voltaje rms
1
CAPITULO 1. INTRODUCCIÓN
1.1 Revisión histórica de la tecnología de detección de radiación
infrarroja
Generalmente el avance de la tecnología se logra con la continua
experimentación y en ocasiones gracias a descubrimientos inesperados. En
el caso de los detectores de radiación infrarroja el proceso duró varios siglos
hasta llegar a la tecnología actual. En esta sección se presenta una reseña
histórica acerca del descubrimiento de la radiación infrarroja (IR) y el
desarrollo de distintas tecnologías para su detección.
Desde la antigüedad se han usado los espejos cóncavos fabricados
con metal pulido para generar fuego, concentrando la luz del sol en un punto
donde la temperatura es suficiente para incinerar objetos como madera.
Existe información que en el año 213 a. C. durante el sitio de Siracusa,
Arquímedes pudo haber utilizado láminas metálicas en un arreglo semejante
al de un helióstato para causar quemaduras sobre la piel de los soldados
romanos [1.1].
En 1620 Francis Bacon propone hacer experimentos para comprobar
si era posible concentrar por medio de espejos cóncavos el calor radiado por
rocas calientes o agua hirviendo. El fue de las primeras personas en
preguntarse sobre la existencia del “calor radiante invisible”. En 1682 Edme
Mariotte así como Robert Hooke hicieron los primeros experimentos para
diferenciar la luz visible de la radiación infrarroja. Se dieron cuenta que el
calor de una flama concentrado en el foco de un espejo cóncavo era reducido
cuando se interponía un cristal, aunque la intensidad luminosa permanecía
sin cambios. En 1768 Hoffmann realiza un experimento para encender
combustibles colocados en el foco de un espejo parabólico utilizando el calor
radiado por un horno [1.2].
2
Después del experimento de Newton en el que utilizó un prisma para
separar los colores de la luz blanca en sus diferentes componentes de
acuerdo a su longitud de onda, varios investigadores se propusieron medir el
calor producido por cada banda de color utilizando termómetros y/o
termoscopios. Marsilio Landriani alrededor del año 1777 fue el primero en
hacer pruebas para medir el calor producido por los distintos colores
obteniendo el máximo en el amarillo. En 1783 Alexis-Marie de Rochon
encontró que el máximo de temperatura registrada se localizaba entre el
amarillo y el rojo. En 1785 Jean Senebier detalla en sus experimentos que la
temperatura medida fue siempre superior en el rojo que en el violeta, pero
que en otros casos el máximo se encontraba en el amarillo [1.3, 1.4]. En
1800 Frederick William Herschel utilizó un método más confiable, colocó
sobre una plataforma deslizable 3 termómetros de mercurio. Proyectó los
distintos colores sobre una mesa con una escala y a medida que desplazaba
el conjunto de termómetros se dio cuenta de que la temperatura registrada
aumentaba desde el violeta hacia el rojo, y era mayor cuando los
termómetros se colocaban más allá del extremo del rojo. También publicó un
“espectro de iluminación” para cada color obtenido por un prisma junto con
un “espectro termométrico” derivado de las mediciones de temperatura [1.5-
1.7].
En 1821 Thomas Johann Seebeck descubre el efecto termoeléctrico.
En sus experimentos soldó las dos puntas de un alambre de cobre a cada
uno de los extremos de una barra de bismuto o antimonio y calentó uno de
los puntos de unión con el fuego de una lámpara. En medio del circuito
colocó una aguja magnetizada la cual se movía en alguna dirección a medida
que se calentaba el punto de soldadura. Aunque inicialmente Seebeck lo
llamo “efecto termomagnético” [1.8], en 1823 Hans Christian Oersted explica
los experimentos de Seebeck pero en términos de la corriente eléctrica, que
al circular por el alambre producía un campo magnético que ejercía una
3
fuerza sobre la aguja magnética y propone referirse a esto de forma más
apropiada como efecto termoeléctrico [1.9].
Así pues, el efecto termoeléctrico es la conversión directa de una
diferencia de temperatura a voltaje eléctrico y viceversa. Un dispositivo
termoeléctrico (termopar) crea un voltaje cuando hay una diferencia de
temperatura a cada lado de sus extremos, por el contrario cuando se le
aplica un voltaje, crea una diferencia de temperatura.
En 1823 Jean-Baptiste-Joseph Fourier y Oersted construyen la
primera termopila compuesta por tres barras de bismuto y tres de antimonio
unidas en sus extremos para formar un hexágono. En medio del arreglo
colocaron una aguja magnetizada y midieron la deflexión en grados a la vez
que calentaban las uniones con fuego o los enfriaban con hielo. También
probaron un arreglo con 22 barras de antimonio y 22 de bismuto, sin
embargo no obtuvieron mejores resultados [1.10].
En 1829 Leopoldo Nobili construye una termopila compuesta por seis
barras de bismuto y antimonio dentro de un recipiente metálico la cual estaba
conectada a un galvanómetro. Esta configuración permitía hacer mediciones
de temperatura que ofrecían una sensibilidad mayor al termómetro trimetálico
de Breguet [1.11]. En septiembre de 1831 Leopoldo Nobili y Macedonio
Melloni construyen una termopila con 38 elementos de antimonio y bismuto
conectada a un galvanómetro. El aparato contaba con un reflector cónico
metálico con lo cual era capaz de detectar el calor de una persona a una
distancia de 8 metros [1.12].
En 1840 John Frederick William Herschel consigue la primera
termografía por medio de evaporación de alcohol sobre una hoja de papel
cubierta con una película de carbón [1.13]. En 1849 A. F. Svanberg en sus
experimentos para medir la resistencia de distintos materiales notó que un
puente de Wheatstone salía de balance cuando uno de sus brazos,
compuesto por un espiral de cobre, era calentado con la mano. Con este
4
arreglo se da cuenta que se podrían hacer mediciones de temperatura
utilizando el cambio en la resistencia eléctrica de los metales [1.14].
En 1880 Samuel P. Langley construye el primer bolómetro resistivo
compuesto por 14 alambres de hierro de 4 µm de espesor soldándolos en los
extremos para formar un serpentín. El arreglo formaba parte de uno de los
brazos de un puente Wheatstone, el dispositivo usaba una o varias pilas
Daniell y un galvanómetro para completar el circuito. Como los alambres de
hierro se oxidaban fácilmente el diseño final utilizó tiras de platino [1.15,
1.16].
En 1917 Theodore W. Case desarrolla el primer fotodetector basado
en oxisulfuro de talio llamado celda “Thalofide” la cual trabajaba en el
infrarrojo cercano [1.17]. En 1918 Samuel O. Hoffam trabajó en algunos
prototipos de detección de radiación infrarroja. Utilizando termopilas de
bismuto-plata, galvanómetros y espejos parabólicos podía detectar a una
persona a 180 metros y un avión a mas de 1.6 kilómetros. Los equipos
fueron enviados al campo de batalla un par de meses antes terminar la
primera guerra mundial [1.18].
En 1933 Edgar W. Kutzscher comienza a trabajar en el sulfuro de
plomo para culminar con el desarrollo de la celda “Elac” con su pico de
sensibilidad centrado en 2.7 µm. Su principal uso estaba enfocado en los
sistemas de defensa antiaérea alemana [1.19]. Durante la segunda guerra
mundial fueron diseñados y construidos los primeros tubos intensificadores
de imagen para visión nocturna, usando fotocátodos de óxido de cesio-plata
[1.20].
En la década de 1950 se descubre el uso de películas de germanio
dopadas con cobre, zinc y oro. Permitiendo abarcar un rango en
fotoconducción de 8-30 µm [1.21]. A mediados de 1960 surge la primera
generación de cámaras infrarrojas utilizando el efecto de fotoconducción, con
la capacidad de mostrar imágenes en tiempo real. Estas requerían un solo
elemento sensible y un sistema óptico trabajando a modo de escáner para
5
capturar cada cuadro [1.22]. También en esta época comienza el desarrollo
de la segunda generación de intensificadores de imagen utilizando placas
con microcanales para la multiplicación de electrones generados en el
fotocátodo [1.23]. En la misma década se realizan avances importantes en
materiales para detectores infrarrojos. Se logra preparar el germanio dopado
con mercurio así como los compuestos basados en antimonuro de indio-
arsénico (InAsSb), teluro de estaño-plomo (PbSnTe) y cadmio teluro de
mercurio (HgCdTe) siendo este último el más usado en la actualidad [1.24].
Alrededor del año 1972 se desarrollaron los primeros tubos vidicón
piroeléctricos trabajando en el rango de 8-14 µm, tienen la ventaja de no
requerir enfriamiento criogénico y de mostrar imágenes en tiempo real [1.25].
En 1973 F. D. Sheperd y A. C. Yang proponen un arreglo plano focal (FPA)
basado en fotodiodos de barrera Schottky de silisuro de platino (PtSi). La
primera versión experimental contenía una matriz de 25 x 50 elementos
[1.26, 1.27].
En 1985 surge la tercera generación de intensificadores de imagen
con fotocátodo basados en arsenuro de galio (GaAs) [1.28]. A principios de
1990 se hicieron públicas las investigaciones en los Estados Unidos bajo
contratos militares, del desarrollo de FPAs de micro-bolómetros no enfriados
que habían comenzado desde los 80’s. Desde entonces y hasta la fecha los
materiales más estudiados para detectores térmicos están basados en óxido
de vanadio (VOx) y silicio amorfo (a-Si) [1.24].
1.2 Justificación de la tesis
Los detectores basados en materiales fotoconductivos son utilizados en
cámaras infrarrojas con el mejor desempeño posible y casi siempre operan
cerca de sus límites teóricos. Para lograrlo se deben enfriar los arreglos a
temperaturas tan bajas como 4.2 K. Normalmente se utilizan enfriadores
6
Stirling o módulos de enfriamiento termoeléctricos. Todos estos sistemas se
utilizan en aplicaciones donde el precio de la cámara es completamente
justificado como lo son las militares, instrumentos de observación
astronómica o equipos médicos avanzados. Las cámaras infrarrojas sin
enfriar se caracterizan por su reducido costo de fabricación y mantenimiento.
Éstas presentan un desempeño aceptable para la mayoría de las
aplicaciones civiles, que es donde se encuentra el mayor mercado y que aún
no ha sido explotado por completo [1.29].
Los detectores infrarrojos basados en fotoconducción presentan
múltiples inconvenientes, como lo son enfriamiento criogénico, complicada
fabricación de obleas con compuestos de los grupos III-V, IV-VI, II-VI,
elevado volumen y peso de los equipos. Todo esto condujo a investigar más
seriamente los detectores térmicos. Los primeros intentos fueron enfocados
en VOx por Honeywell y en el BST (titanato de bario-estroncio) por Texas
Instruments.
La miniaturización en el tamaño del píxel es la tendencia actual para
aumentar la resolución, aumentar el número de dados por oblea y disminuir
el tamaño del sistema óptico. Estos y otros factores llevaron a Texas
Instruments a desarrollar una tecnología basada en película delgada de
materiales ferroeléctricos para superar los problemas con el BST. Finalmente
desarrolló el compuesto titanato de zirconio-plomo dopado con lantano
(PLZT) fabricado en forma de membrana suspendida. Sin embargo, la
película termo-sensora tiene la desventaja de requerir una etapa de
cristalización a temperaturas de entre 500-550 °C. Por tal motivo dicha
tecnología dejó de desarrollarse en 2009 por L-3 Communications [1.24].
El óxido de vanadio es el material más usado en el mercado de los
micro-bolómetros sin enfriar, en gran parte por la enorme inversión
gubernamental en investigación que recibió desde el principio. Actualmente
el volumen de ventas de los sistemas basados en VOx permite que el costo
de producción sea menor al de otros competidores como el BST o el silicio
7
amorfo hidrogenado (a-Si:H). Aunque los análisis de mercado indican que el
a-Si:H y otros materiales basados en silicio eventualmente desplazarán al
VOx en los próximos años [1.30, 1.31].
El VOx tiene una resistividad baja, por lo que el acoplamiento con los
circuitos de lectura es más fácil y al mismo tiempo mantiene un coeficiente
térmico de resistencia (TCR) moderado. Sin embargo no es un material
compatible con procesos CMOS y requiere de instalaciones independientes
para su depósito. El a-Si:H es un material que típicamente presenta una baja
conductividad, lo cual resulta en un bolómetro con elevada resistencia, pero
éste problema se compensa con su TCR mucho mayor al del VOx. Además,
el silicio amorfo es un material completamente compatible con los proceso
CMOS y su depósito por PECVD puede realizarse a temperaturas menores
que 300 °C. La elevada resistividad puede ser reducida al dopar el material
con boro [1.32, 1.33].
Sin embargo el a-Si:H sufre de otra desventaja que se ha observado
cuando este se usa en celdas solares, esto es, la degradación del material a
lo largo del tiempo. Como el a-Si:H es un material termodinámicamente
inestable, la tensión interna de las películas lleva con el tiempo a la desorción
del hidrogeno, disminuyendo el rendimiento de la película. Últimamente se
están investigando los efectos de variar las condiciones de depósito con el fin
de crear nanocristales dentro de la matriz amorfa. Estos materiales son
conocidos como semiconductores polimorfos y en los cuales los
nanocristales reducen la tensión en las películas haciéndolas más estables
con el tiempo y mejoran sus propiedades de conducción, como lo es la
movilidad de electrones [1.34, 1.35].
Está bien establecido que el aislamiento térmico del sensor es un
parámetro crítico que define el desempeño de los detectores térmicos y es
tan importante como la elección del material termo-sensor [1.36, 1.37]. Por lo
tanto el diseño del micro-bolómetro debe ser optimizado para disminuir al
máximo la conductancia térmica de los brazos de soporte, así mismo, el
8
material termo-sensor debe proveer una elevada responsividad con una
resistividad moderada, mientras que la capacitancia térmica de la membrana
debe ser lo suficientemente baja para obtener tiempos de respuesta cortos.
Así pues, en éste trabajo de tesis, se estudia el desarrollo de sensores
infrarrojos, en particular micro-bolómetros, que utilizan como elemento
termosensor películas de silicio, germanio y silicio-germanio polimorfo.
Se realizó un trabajo de optimización de la estructura del micro-
bolómetro (píxel), así como del flujo de proceso de fabricación y finalmente
se realizó la caracterización de las diferentes variantes de los sensores
fabricados.
En la siguiente sección se enumeran los objetivos y las metas de la
presente tesis.
1.3 Objetivos y metas
-Objetivos
• El desarrollo de un proceso de fabricación de micro-bolómetros
no enfriados compatible con los procesos industriales.
• Estudiar diferentes estructuras de aislamiento térmico de micro-
bolómetros.
• Se ha demostrado que los materiales semiconductores
polimorfos presentan mejores características que los amorfos,
en términos de estabilidad y propiedades de conducción. Por lo
que en esta tesis se busca implementar este tipo de materiales
como películas termo-sensoras en micro-bolómetros.
9
-Metas
• Lograr el desarrollo de un proceso eficiente de fabricación de
micro-bolómetros con un número elevado de dispositivos
funcionales (yield) en el laboratorio de microelectrónica de
INAOE.
• Evaluar la mejor estructura de las fabricadas (en términos del
yield y desempeño), para ser empleada en arreglos de micro-
bolómetros.
• Demostrar un buen desempeño de los micro-bolómetros
fabricados con películas termo-sensoras basadas en materiales
polimorfos.
1.4 Organización de la tesis
Esta tesis se centra en la fabricación y caracterización de micro-bolómetros
sin enfriar utilizando distintas películas termo-sensoras y estructuras que
puedan ser integradas posteriormente en un arreglo plano focal infrarrojo
(IRFPA).
El capítulo 1 presenta una breve reseña sobre el descubrimiento de la
radiación infrarroja y el desarrollo de distintas tecnologías para detectarla.
En el capítulo 2 se da una descripción de los distintos tipos de detectores
infrarrojos, se discuten principalmente las características de los micro-
bolómetros sin enfriar y las figuras de mérito utilizadas para evaluar su
desempeño.
El capítulo 3 describe la metodología experimental utilizada para caracterizar
los micro-bolómetros fabricados en este trabajo de tesis.
10
En el capítulo 4 se describe el diseño de los micro-bolómetros y se detallan
las etapas de fabricación y los criterios utilizados para la elección de los
materiales que conforman la estructura del sensor.
El capitulo 5 comprende todos los resultados obtenidos de la etapa de
caracterización y en el capítulo 6 se discuten dichos resultados.
Finalmente en el capítulo 7 se presentan las conclusiones del trabajo
realizado.
1.5 Referencias
[1.1] Mills A. A. and Clift R. Reflections of the “Burning mirrors of Archimedes”. With
a consideration of the geometry and intensity of sunlight reflected from plane mirrors.
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[1.4] W. W. Jacques. Distribution of heat in the spectra of various sources of
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[1.5] W. Herschel. Investigation of the Powers of the Prismatic Colours to Heat and
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Heat. To Which is Added, an Inquiry into the Method of Viewing the Sun
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11
Rather the Rays Which Occasion Them, are Subject, in Order to Determine Whether
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[1.8] Seebeck, T. J. Magnetische Polarisation der Metalle und Erze durch
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magnétiques. Ann. Chim. Phys., 22, 199-201, 1823
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Ann. Chim. Phys., 22, 375-389, 1823
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Thermoskops. Ann. Phys., 245-252, 1830
[1.12] L. Nobili, M. Melloni. Recherches sur plusieurs phénomènes calorifiques,
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XLVIII, 198-218, 1831
[1.13] John F. W. Herschel. On the Chemical Action of the Rays of the Solar
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[1.15] S. P. Langley. The Bolometer and Radiant Energy. Proceedings of the
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[1.18] S. O. Hoffman, "The detection of invisible objects by heat radiation" Phys.
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[1.22] S. B. Borg. Thermal Imaging with Real Time Picture Presentation. Appl.
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15, 2003
14
CAPÍTULO 2. ANÁLISIS DE LITERATURA
2.1 Introducción
En este capítulo se describen algunos conceptos básicos sobre radiación
infrarroja y se mencionan las características principales de los detectores
infrarrojos de fotones y térmicos. Dentro de los detectores térmicos se hace
una descripción general de los micro-bolómetros sin enfriar. Se mencionan
las características básicas de las películas termo-sensoras más utilizadas en
micro-bolómetros haciendo un énfasis en el silicio amorfo y polimorfo, así
como sus aleaciones con germanio. También se muestran las principales
figuras de mérito utilizadas para evaluar el desempeño de los micro-
bolómetros.
2.2 Detectores de radiación Infrarroja
Existen básicamente dos tipos de detectores infrarrojos: los detectores
infrarrojos de fotones y los detectores infrarrojos térmicos. La elección de
cada tipo para su implementación dependerá de distintos factores como: la
región de espectro electromagnético que deba detectar, la velocidad de
respuesta, sensibilidad, complejidad en fabricación, costo, confiabilidad a
largo plazo, etc.
2.2.1 Radiación infrarroja y tipos de detectores
La radiación infrarroja se considera como toda onda electromagnética cuya
longitud de onda se encuentra localizada después de la región visible y
termina justo en donde empiezan las ondas milimétricas en el espectro
15
electromagnético. Además este rango esta divido en distintas bandas, la
primera es la near infrared (NIR) que va desde 0.7-1.1 µm, la short
wavelength infrared (SWIR) de 1.1-2.5 µm, la mid-wavelength infrared
(MWIR) de 2.5-7 µm, la long wavelength infrared (LWIR) de 7-15 µm y la very
long wavelength infrared (VLWIR) de 15-1000 µm [2.1].
Todos los objetos emiten y absorben energía en forma de radiación
cuya intensidad varía con la longitud de onda y la temperatura del cuerpo.
Cuando la materia se encuentra a una temperatura por encima del cero
absoluto los átomos que la componen comenzaran a oscilar con mayor
intensidad a medida que la temperatura se eleva. La aceleración y
desaceleración de las cargas de los átomos resultará en la emisión de ondas
electromagnéticas, la distribución estadística de las oscilaciones da lugar al
espectro continuo de radiación emitida por el objeto [2.2]. La cantidad de
radiación y su distribución sobre el espectro electromagnético dependerá
principalmente de su temperatura y de las características de su superficie
como su emisividad ε [2.3].
La radiación emitida por un cuerpo negro puede ser calculada por la
fórmula de radiación de cuerpo negro [2.4] derivada por Max Planck:
( ) [ ]mmW
e
hcM
k
hcµ
λ
πλ
λ
2
5
2
/
1
2,
−
=Τ
Τ
(2.1)
donde ( )Τ,λM es la exitancia espectral, λ es la longitud de onda, T es la
temperatura, h es la constante de Planck, c es la velocidad de la luz y k
es la constante de Boltzmann. La figura 2.1 muestra la longitud de onda a la
que se encuentra el pico de emisión para cuerpos a distintas temperaturas.
Como se puede ver la mayoría de los cuerpos a temperatura ambiente tienen
su pico de emisión centrado en la banda LWIR de 7-15 µm.
16
Un cuerpo negro es un objeto que absorbe toda la radiación incidente
y a la vez es un perfecto radiador. La energía emitida por un cuerpo negro
representa el máximo teórico para una temperatura específica.
La emisividad ε se define como la razón de la exitancia espectral de un
objeto entre la exitancia espectral de un cuerpo negro calculado con la
misma temperatura, ésta se puede expresar de la siguiente manera:
( )
( )( ) negrocuerpo
objeto
M
M
Τ
Τ=Τ
,
,,
λ
λλε (2.2)
La emisividad de los materiales puede tener valores entre 0 y 1. Su
valor depende de la longitud de onda, forma del objeto, temperatura,
rugosidad superficial y ángulo de observación [2.1].
Los objetos se pueden clasificar de acuerdo a su emisividad como:
• Cuerpo negro: emisividad espectral constante y unitaria ε=1
• Cuerpo gris: emisividad espectral constante menor a 1 ε<1
• Cuerpo selectivo: la emisividad depende de la longitud de onda ε≤1
0.1 1 10 100100
101
102
103
104
105
106
107
108
109
5778 K-temperatura de la superficie del Sol 1809 K-punto de fusión del Hierro 373 K-punto de ebullición del agua 310 K-temperatura del cuerpo humano 273 K-punto de fusión del agua
Exi
tan
cia
esp
ectr
al (
W/m
2µµ µµm
)
Longitud de onda (µµµµm)
Figura 2.1. Exitancia espectral para cuerpos a distintas temperaturas.
La figura 2.2
cuerpos con distintas emisividades.
comportan como cuerpos grises mientras que los gases se comportan como
cuerpos selectivos [2.5].
Figura 2.2. Exitancia espectral para cuerpos con distintas emisividades
Muchas de las aplicaciones en detección de radiación infrarroja
requieren que ésta se transmita a través del aire. La atmosfera terrestre está
compuesta principalmente por nitrógeno,
algunos gases inertes como helio y neón. Además se tiene la presencia de
vapor de agua, polvo y aerosoles que influyen sobre la propagación de la
radiación infrarroja. La radiación infrarroja
absorbida selectivamente en ciertas longitudes de onda, por lo que la
atmosfera terrestre va a presentar ventanas de transmisión
que la radiación no se puede propagar
La figura 2.3
para la atmosfera terrestre a través de 1800 metros
[2.6].
2.2 muestra distintas curvas de exitancia espectral para
cuerpos con distintas emisividades. En general los sólidos y líquidos se
comportan como cuerpos grises mientras que los gases se comportan como
cuerpos selectivos [2.5].
. Exitancia espectral para cuerpos con distintas emisividades
Muchas de las aplicaciones en detección de radiación infrarroja
requieren que ésta se transmita a través del aire. La atmosfera terrestre está
compuesta principalmente por nitrógeno, oxigeno, dióxido de carbono y
algunos gases inertes como helio y neón. Además se tiene la presencia de
vapor de agua, polvo y aerosoles que influyen sobre la propagación de la
radiación infrarroja. La radiación infrarroja que se está trasmitiendo
rbida selectivamente en ciertas longitudes de onda, por lo que la
atmosfera terrestre va a presentar ventanas de transmisión
que la radiación no se puede propagar.
figura 2.3 muestra la transmisión en función de la longitud de onda
para la atmosfera terrestre a través de 1800 metros de aire a nivel del mar
17
muestra distintas curvas de exitancia espectral para
En general los sólidos y líquidos se
comportan como cuerpos grises mientras que los gases se comportan como
. Exitancia espectral para cuerpos con distintas emisividades.
Muchas de las aplicaciones en detección de radiación infrarroja
requieren que ésta se transmita a través del aire. La atmosfera terrestre está
oxigeno, dióxido de carbono y
algunos gases inertes como helio y neón. Además se tiene la presencia de
vapor de agua, polvo y aerosoles que influyen sobre la propagación de la
que se está trasmitiendo será
rbida selectivamente en ciertas longitudes de onda, por lo que la
atmosfera terrestre va a presentar ventanas de transmisión y regiones en las
muestra la transmisión en función de la longitud de onda
de aire a nivel del mar
Debido a que la atmosfera tiene bandas de fuerte absorción, los
detectores infrarrojos se diseñan para trabajar en a
ventanas de trasmisión. Los detectores usados en aplicaciones espaciales o
los usados en ambientes con atmosferas controladas no se verán tan
afectados por este tipo de atenuación.
Figura 2.3. Transmisión de la atmosfera a nivel de
Dentro de los diferentes detectores de radiación infrarroja que existen
se pueden distinguir dos grupos: los detectores infrarrojos de fotones
cuánticos) y los detectores infrarrojos térmicos. Los detectores de fotones
convierten directamente los fotones en fotocorriente por medio de la
interacción entre fotones y electrones del material. Los detectores térmicos
convierten la radiación en calor que induce
finalmente se mide alguna propiedad física o eléctrica del dispositivo que
cambie con la temperatura [2.7]. La respuesta de un detector de fotones
depende del número de fotones absorbidos mientras que en el detector
térmico la respuesta se relaciona con la cantidad
Debido a que la atmosfera tiene bandas de fuerte absorción, los
detectores infrarrojos se diseñan para trabajar en alguna o varias de las
ventanas de trasmisión. Los detectores usados en aplicaciones espaciales o
los usados en ambientes con atmosferas controladas no se verán tan
afectados por este tipo de atenuación.
. Transmisión de la atmosfera a nivel del mar [2.6].
Dentro de los diferentes detectores de radiación infrarroja que existen
se pueden distinguir dos grupos: los detectores infrarrojos de fotones
y los detectores infrarrojos térmicos. Los detectores de fotones
convierten directamente los fotones en fotocorriente por medio de la
interacción entre fotones y electrones del material. Los detectores térmicos
convierten la radiación en calor que induce un cambio en temperatura y
alguna propiedad física o eléctrica del dispositivo que
cambie con la temperatura [2.7]. La respuesta de un detector de fotones
depende del número de fotones absorbidos mientras que en el detector
spuesta se relaciona con la cantidad de energía absorbida.
18
Debido a que la atmosfera tiene bandas de fuerte absorción, los
lguna o varias de las
ventanas de trasmisión. Los detectores usados en aplicaciones espaciales o
los usados en ambientes con atmosferas controladas no se verán tan
Dentro de los diferentes detectores de radiación infrarroja que existen
se pueden distinguir dos grupos: los detectores infrarrojos de fotones (o
y los detectores infrarrojos térmicos. Los detectores de fotones
convierten directamente los fotones en fotocorriente por medio de la
interacción entre fotones y electrones del material. Los detectores térmicos
un cambio en temperatura y
alguna propiedad física o eléctrica del dispositivo que
cambie con la temperatura [2.7]. La respuesta de un detector de fotones
depende del número de fotones absorbidos mientras que en el detector
de energía absorbida.
19
2.2.2 Detectores infrarrojos de fotones
En los fotoconductores un fotón con energía hvEp = , donde h es la
constante de Planck y v es la frecuencia del fotón, que incide sobre la
superficie del material puede ser absorbido para promover un electrón desde
la banda de valencia o un estado localizado dentro de la banda prohibida
hasta la banda de conducción. Debido al aumento de portadores de carga
libre la conductividad del semiconductor aumenta. También el fotón puede
ser absorbido por electrones en la banda de conducción o por huecos en la
banda de valencia. En éste último proceso los portadores de carga son sólo
acelerados y posteriormente desacelerados por colisiones con los átomos
generando calor.
Los detectores fotovoltaicos consisten de uniones p-n, cuando un
fotón es absorbido se crea un par electrón-hueco. Estos portadores
minoritarios cruzaran la unión p-n generando una diferencia de potencial que
se usa como método de detección.
Los fotodetectores de pozos cuánticos (QWIP) utilizan multicapas de
semiconductores para ajustar su respuesta espectral a una longitud de onda
específica, normalmente poseen un ancho de banda que es bastante
angosto (~1 µm). Bajo iluminación, los electrones en estados de energía
bajos son excitados a niveles de energía altos. La diferencia de energía entre
estos dos estados debe tener el mismo valor que la energía de los fotones
que se desean detectar.
La respuesta de los detectores de fotones presenta una dependencia
con la longitud de onda, por lo que el gap de energía Eg debe ser ajustado
para responder dentro de una de las ventanas de transmisión atmosférica. La
longitud de onda de corte λc para un fotodetector se puede calcular con el
valor de la energía de la banda prohibida utilizando la ecuación 2.3.
20
[ ]m
Eg
c µλ24.1
= (2.3)
Para materiales con energía de banda prohibida pequeña, la población
de portadores generados térmicamente puede llegar a ser alta a temperatura
ambiente. La concentración de portadores que se genera por acción de la
temperatura es proporcional a exp(-Eg/kT). Este tipo de detectores debe ser
enfriado para reducir la generación térmica de portadores que representa la
mayor fuente de ruido. Para las bandas NIR, SWIR y MWIR los
fotodetectores se enfrían a temperaturas entre 195-77 K. Para las bandas
LWIR y VLWIR tienen que enfriarse a temperaturas de 77-4.2 K.
Para alcanzar la temperatura de operación óptima para cada detector
se utilizan distintos métodos. En ocasiones la aplicación específica de cada
fotodetector determina cual es el dispositivo más adecuado de enfriamiento.
Los recipientes criogénicos del tipo Dewar se pueden utilizar en sistemas que
enfrían a la temperatura del nitrógeno líquido (77 K), estos sistemas son
voluminosos y se emplean principalmente en el laboratorio. Los enfriadores
Joule-Thompson utilizan aire, nitrógeno o argón para llegar a temperaturas
de 80 K. Los enfriadores de ciclo cerrado Stirling utilizan helio líquido y
ofrecen temperaturas de hasta 15 K en configuraciones compactas. Los
módulos de enfriamiento termoeléctrico pueden alcanzar los 193 K con
cuatro niveles de celdas Peltier [2.8].
En general los detectores de fotones ofrecen la mayor sensibilidad y
frecuencia de operación pero sufren de la necesidad de enfriamiento con
elevado costo, volumen y peso. Los sensores están basados en materiales
que en general no son compatibles con las líneas de fabricación CMOS. Y
por último, los métodos complicados de montaje entre el arreglo plano focal y
el circuito de lectura agregan etapas de fabricación.
21
2.2.3 Detectores infrarrojos térmicos
El tubo pyrovidicon fue uno de los primeros dispositivos para obtener
imágenes térmicas en la banda LWIR. Consiste de un tubo al vacio con una
delgada lamina de material piroeléctrico, usualmente se utiliza sulfato de
triglicina (NH2CH2COOH)3H2S04, (abreviado TGS). Los cambios en
temperatura de los objetos observados inducen un cambio en la polarización
del material. La radiación infrarroja de la escena proyectada sobre la
superficie del material generará un patrón de carga que después es leído por
un haz de electrones. La imagen térmica normalmente se despliega en un
tubo de rayos catódicos. Si la imagen que se está observando es
estacionaria y no existen cambios en temperatura el patrón de carga es
rápidamente neutralizado, por tal motivo estos sistemas requieren de un
chopper para modular la radiación incidente. La sensibilidad y resolución
espacial del pyrovidicon es relativamente pobre, por lo que su desempeño se
mejora reticulando la superficie del material para evitar la difusión lateral de
calor [2.3].
La celda Golay trabaja con el mismo principio que los antiguos
termómetros de gas. Este detector neumático consiste de una cámara
sellada herméticamente y llena de gas (típicamente xenón). Una de sus
paredes es una lámina metálica con una resistencia de hoja de ~188.5 Ω/
encargada de absorber la radiación infrarroja y la otra pared es un espejo en
forma de membrana flexible. Cuando la lámina absorbente calienta el gas
éste se expande cambiando la curvatura del espejo. Por medio de un sistema
óptico un haz de luz es enfocado sobre el espejo y es reenviado hacia una
fotocelda. Las variaciones en el volumen del gas serán proporcionales a la
intensidad de la radiación infrarroja y se convertirán finalmente en señales
eléctricas [2.9].
Los detectores termo-mecánicos utilizan la deflexión de dos materiales
con distinto coeficiente de expansión térmico. Las combinaciones típicas de
22
materiales son SiN/Au, SiC/Au, SiO2/Al, SiN/Al, entre otras. La temperatura
de la estructura será proporcional al grado de deflexión, que puede ser
detectado por medios capacitivos, ópticos o piezoeléctricos [2.10-2.12].
Los detectores termoeléctricos funcionan con el principio básico del
efecto Seebeck. Cada termopar está compuesto por dos materiales distintos
unidos en un punto, mientras que los otros dos extremos son las puntas
donde se mide una diferencia de potencial. El voltaje desarrollado por un
termopar se obtiene con la ecuación 2.4, donde aα y bα son el coeficiente
Seebeck de cada material expresado en V/K y T∆ es la diferencia de
temperatura entre la punta de unión y las puntas donde se mide el voltaje.
( ) [ ]VTV ba ∆−=∆ αα (2.4)
Normalmente la salida de voltaje es muy baja por lo que se tienen que
conectar varios termopares en serie para formar una termopila. Los
coeficientes Seebeck para semiconductores generalmente son superiores al
de los metales. Ajustando el nivel de dopado para conseguir un elevado
coeficiente Seebeck y una moderada resistividad se pueden fabricar arreglos
de detectores por medio del micromaquinado superficial o de volumen
comúnmente usados en la industria microelectrónica. Sin embargo el tamaño
de pixel para cada termopila es por lo general grande (~100x100 µm2 o más)
lo que limita su implementación a arreglos lineales.
Los detectores piroeléctricos y ferroeléctricos están basados en
materiales que exhiben una polarización transitoria cuando están sujetos a
cambios rápidos de temperatura. La polarización inducida por los cambios en
temperatura genera la formación de cargas en las caras opuestas del
material. La corriente generada es calculada con la siguiente ecuación:
[ ]A
dt
dTpAid = (2.5)
23
donde p es el coeficiente piroeléctrico, A es el área del electrodo, T es la
temperatura y t el tiempo. En estos dispositivos la radiación incidente debe
estar modulada para obtener una respuesta, por eso se utilizan con un
chopper.
Muchos materiales piroeléctricos son también ferroeléctricos, lo que
significa que la dirección de la polarización puede revertirse a aplicar un
campo eléctrico. Los dispositivos piroeléctricos se utilizan justo debajo de su
temperatura de Curie CT (temperatura por encima de la cual un cuerpo
ferromagnético pierde su magnetismo), debido a que la responsividad
alcanza su máximo cerca de ese punto, sin embargo al superar dicha
temperatura la polarización se reduce a cero.
En los detectores trabajando con el efecto ferroeléctrico la temperatura
de Curie se ajusta muy por encima de la temperatura ambiente y se aplica un
campo eléctrico a través del material para mantener una responsividad
aceptable. Los materiales más utilizados son el titanato de bario-estroncio
(BaSrTiO) y el tantalato de plomo-escandio (PbScTaO), como no son
materiales compatibles con procesos CMOS éstos se fabrican por separado.
Para la fabricación de arreglos de éste tipo de sensores, se deposita la
película de un material ferroeléctrico sobre una oblea y ésta es reticulada
utilizando grabado por haz de iones, laser o plasma de iones reactivos, con el
objetivo de formar pixeles. Finalmente, utilizando el proceso flip-chip y puntos
de contacto (por ejemplo indio) se ensambla el arreglo de detectores con el
circuito de lectura, que se encuentra en una segunda oblea [2.6]. Debido al
proceso de reticulado del material y la enorme conductancia térmica hacia el
substrato el tamaño de píxel es típicamente de ~50x50 µm2. La única forma
de reducir el tamaño del pixel y aumentar la resolución del detector es
disminuyendo las pérdidas por conducción térmica. Esto se logra fabricando
el dispositivo en forma de membrana suspendida, sin embargo los materiales
ferroeléctricos en película delgada tienen una respuesta muy pobre [2.13].
24
Los bolómetros son dispositivos que utilizan materiales cuya
resistencia eléctrica cambia con la temperatura. Los detectores se
construyen sobre un sustrato de silicio donde yace el circuito de lectura
previamente fabricado. La forma típica del detector consiste de una delgada
membrana aislada del sustrato por dos pequeños soportes que sirven a la
vez como conexión eléctrica. Sobre la membrana se deposita el material
termo-sensor con un elevado coeficiente térmico de resistencia, TCR, que
puede ser un metal o un semiconductor. Generalmente se utiliza óxido de
vanadio (VOx), silicio amorfo hidrogenado (a-Si:H), silicio-germanio
policristalino (poly-SiGe) o platino. Entre los factores clave para alcanzar una
elevada responsividad se encuentran el tener un elevado valor de TCR y un
excelente aislamiento térmico entre la membrana suspendida y el sustrato
[1.36]. Sin embargo existen muchos otros factores que deben tomarse en
cuenta, por ejemplo el nivel de ruido en las películas termo-sensoras, la
capacidad de fabricar una membrana suspendida con un estrés residual muy
bajo con el fin de evitar el colapso de la misma, entre otras.
2.3 Micro-bolómetros no enfriados
Los micro-bolómetros no enfriados son dispositivos que utilizan una película
de material que exhibe un cambio de resistencia con la temperatura debido a
la radiación infrarroja absorbida. En principio el material por si mismo
responde a un amplio ancho de banda y cuando es implementado en forma
de membrana suspendida se optimiza su respuesta a una cierta región del
espectro electromagnético. El mecanismo de detección consiste en absorber
la radiación únicamente para elevar la temperatura del material termo-sensor
y así cambiar su resistencia, por tanto no es necesario enfriar el dispositivo
como en los detectores de fotones. Aunque el sistema no requiere
enfriamiento generalmente los detectores basados en micro-bolómetros sí se
25
utilizan en conjunto con una celda termoeléctrica para estabilizar la
temperatura a un valor óptimo debido a las fluctuaciones en la temperatura
del sustrato a lo largo del arreglo de sensores [2.3]. La necesidad de una
celda termoeléctrica se puede evitar si se implementa adecuadamente una
etapa de acondicionamiento de señal en el circuito de lectura.
2.3.1 Configuraciones de aislamiento térmico y materiales
Básicamente existen dos formas de fabricar un micro-bolómetro: por
micromaquinado de volumen y micromaquinado superficial. En el
micromaquinado de volumen se forma una membrana suspendida sobre una
cavidad. Para lograr esto se deposita la membrana de soporte sobre la
superficie del sustrato, después se definen los electrodos de polarización y la
película termo-sensora, también se puede depositar encima una película
absorbedora de IR. Finalmente se hace el grabado de la cavidad en el
substrato (por vía húmeda por ejemplo). La cavidad puede extenderse a todo
el espesor del sustrato o únicamente una pequeña cavidad debajo de la
membrana. Para la definición de la cavidad se debe utilizar una película que
resista la acción de grabado de la solución utilizada (KOH, TMAH, etc.).
Comúnmente se utiliza óxido de silicio o nitruro de silicio como películas
enmascarantes. También puede doparse fuertemente una delgada capa en
el sustrato de silicio con boro en concentraciones de 1019-1020 cm-3 y esto
permite reducir la velocidad de grabado ~100 veces [2.14] Este método de
fabricación es poco utilizado en realidad, ya que el consumo de volumen del
substrato evita colocar circuitería justo debajo de cada celda produciendo un
factor de llenado bajo. La figura 2.4 muestra el concepto de fabricación por
micromaquinado de volumen.
Figura 2.4. Micro-bolómetro fabricado por micromaquinado de volumen
La otra forma de fabricar
micromaquinado superficial
detector es fabricado encima del circuito de lectura sin consumir volumen del
sustrato, la figura 2.5 muestra el concepto. El proceso básico cons
depositar una película aislante encima del circuito de lectura, después se
hace el depósito de las líneas de metal de polarización, después se deposita
una capa de material de sacrificio que servirá como soporte mecánico
durante el depósito de las
opcionalmente una película de soporte, luego la película termo
después una película de metal para formar los electrodos y finalmente una
película absorbedora de IR. Por último, se realiza el grabado de la pel
sacrificio con el fin de obtener una membrana suspendida. Los materiales
más utilizados como película de soporte mecánico se mencionan en la tabla
2.1. En general se busca que el material de soporte tenga una conductividad
térmica baja para evitar
se verá que para obtener una mayor sensibilidad a la radiación infrarroja el
detector debe alcanzar elevados valores de responsividad la cual es
inversamente proporcional a la conductividad térmica del
bolómetro fabricado por micromaquinado de volumen
La otra forma de fabricar un micro-bolómetro es utilizando el
micromaquinado superficial. A diferencia del micromaquinado de volumen, el
detector es fabricado encima del circuito de lectura sin consumir volumen del
sustrato, la figura 2.5 muestra el concepto. El proceso básico cons
depositar una película aislante encima del circuito de lectura, después se
hace el depósito de las líneas de metal de polarización, después se deposita
una capa de material de sacrificio que servirá como soporte mecánico
durante el depósito de las otras películas. Enseguida se deposita
opcionalmente una película de soporte, luego la película termo
después una película de metal para formar los electrodos y finalmente una
película absorbedora de IR. Por último, se realiza el grabado de la pel
sacrificio con el fin de obtener una membrana suspendida. Los materiales
más utilizados como película de soporte mecánico se mencionan en la tabla
2.1. En general se busca que el material de soporte tenga una conductividad
la pérdida de calor hacia el substrato. Más a delante
se verá que para obtener una mayor sensibilidad a la radiación infrarroja el
detector debe alcanzar elevados valores de responsividad la cual es
inversamente proporcional a la conductividad térmica del material utilizado.
26
bolómetro fabricado por micromaquinado de volumen.
bolómetro es utilizando el
. A diferencia del micromaquinado de volumen, el
detector es fabricado encima del circuito de lectura sin consumir volumen del
sustrato, la figura 2.5 muestra el concepto. El proceso básico consiste en
depositar una película aislante encima del circuito de lectura, después se
hace el depósito de las líneas de metal de polarización, después se deposita
una capa de material de sacrificio que servirá como soporte mecánico
otras películas. Enseguida se deposita
opcionalmente una película de soporte, luego la película termo-sensora,
después una película de metal para formar los electrodos y finalmente una
película absorbedora de IR. Por último, se realiza el grabado de la película de
sacrificio con el fin de obtener una membrana suspendida. Los materiales
más utilizados como película de soporte mecánico se mencionan en la tabla
2.1. En general se busca que el material de soporte tenga una conductividad
la pérdida de calor hacia el substrato. Más a delante
se verá que para obtener una mayor sensibilidad a la radiación infrarroja el
detector debe alcanzar elevados valores de responsividad la cual es
material utilizado.
Figura 2.5. Micro-bolómetro fabricado por micromaquinado superficial.
Tabla 2.1. Algunos materiales utilizados como material de soporte en micro
bolómetros de membrana suspendida.
Material
Ti
Si3N4
SiNx SiO2 NiCr
Esta forma de elaborar el micro
que si se utilizan materiales
puede integrar en una línea de fabricación estándar para MEMS o circuitos
integrados (CI’s). Sin embargo, la compatibilidad en materiales utilizados no
es el único aspecto que se debe tomar en cuenta cuando se d
esquema de fabricación monolítico, también el historial térmico del post
proceso es importante.
Los tratamientos térmicos prolongados y con picos por encima de los
800 °C sólo son permitidos antes de la implantación iónica de las regiones
bolómetro fabricado por micromaquinado superficial.
. Algunos materiales utilizados como material de soporte en micro
bolómetros de membrana suspendida.
Material Conductividad térmica a 300 K
(W/cm·K) Referencias
0.219 [2.15, 2.27]
4 0.032-0.33 [2.16] 0.038-0.051 [2.17-2.22, 2.25, 2.
0.014 [2.19, 2.23]
0.08-0.17 [2.24]
Esta forma de elaborar el micro-bolómetro resulta muy atractiva, ya
que si se utilizan materiales compatibles con procesos CMOS el detector se
puede integrar en una línea de fabricación estándar para MEMS o circuitos
integrados (CI’s). Sin embargo, la compatibilidad en materiales utilizados no
es el único aspecto que se debe tomar en cuenta cuando se d
esquema de fabricación monolítico, también el historial térmico del post
proceso es importante.
Los tratamientos térmicos prolongados y con picos por encima de los
800 °C sólo son permitidos antes de la implantación iónica de las regiones
27
bolómetro fabricado por micromaquinado superficial.
. Algunos materiales utilizados como material de soporte en micro-
Referencias
]
, 2.26] ]
bolómetro resulta muy atractiva, ya
compatibles con procesos CMOS el detector se
puede integrar en una línea de fabricación estándar para MEMS o circuitos
integrados (CI’s). Sin embargo, la compatibilidad en materiales utilizados no
es el único aspecto que se debe tomar en cuenta cuando se desea utilizar en
esquema de fabricación monolítico, también el historial térmico del post-
Los tratamientos térmicos prolongados y con picos por encima de los
800 °C sólo son permitidos antes de la implantación iónica de las regiones de
28
fuente y drenaje. Procesos de temperatura media como LPCVD a ~600 °C en
algunos casos pueden ser realizados después de las etapas de implantación
iónica pero deben realizarse antes de la etapa de metalización. Desde luego,
el perfil inicial de dopado puede ser ajustado tomando en cuenta las etapas
térmicas posteriores involucradas en la fabricación del micro-bolómetro, pero
esto requiere una recalibración substancial de todo el proceso CMOS. Una
vez realizada la metalización del circuito integrado, este solo podrá
someterse a procesos térmicos posteriores con temperaturas máximas de
alrededor de 450 °C para interconexiones basadas en aluminio [2.28]. Se ha
observado que manteniendo una temperatura máxima de 400 °C se pueden
obtener hasta 20 horas de post-procesos térmicos sin afectar seriamente el
desempeño del circuito CMOS [2.29] (para una tecnología de 250 nm con
metalización basada en aluminio). El principal mecanismo de falla para este
rango de temperatura se debe a la reacción entre el aluminio y los elementos
que componen las barreras de difusión, así como un aumento en el estrés de
las vías que elevan la resistencia de las líneas de interconexión. En
tecnología 0.13 µm con dos niveles de metalización de cobre se ha
observado que el principal inconveniente de los tratamientos térmicos se
encuentra en el aumento de la resistencia de contacto entre ambos niveles.
Para un tratamiento térmico de 6 horas en obleas con CI’s de prueba a una
temperatura de 455 °C el aumento en resistencia de contacto fue de
alrededor 8.3 %, lo cual de acuerdo a los autores quedó debajo del límite de
falla de 10% [2.30].
Una reducción mayor en los límites impuestos por la compatibilidad
con procesos CMOS (temperaturas por debajo de 250 °C) aumenta la
facilidad de integración, por lo que el uso de sustratos flexibles se convierte
en una posibilidad [2.31, 2.32].
29
2.3.2 Películas absorbedoras de radiación infrarroja
La película absorbedora tiene la función evitar que la radiación incidente sea
reflejada de la membrana, aumentando así la cantidad de energía que se
absorbe y transforma en calor. Existen distintos materiales que se han
utilizado como películas absorbedoras como el nitruro de silicio [2.33], óxido
de silicio [2.34], oro [2.35], silisuro de molibdeno [2.19], nicromo [2.24, 2.36],
etc. Normalmente cuando la película absorbedora es un metal, su resistencia
de hoja debe ajustarse a una valor de ~188.5 Ω/ para acoplarse con la
impedancia del espacio libre. Otra función importante de las películas
absorbedoras es que funcionan como una película de pasivación evitando
que la película termo-sensora reaccione con impurezas del ambiente.
2.3.3 Películas termo-sensoras
Como se ha mencionado antes, la película debe cumplir con algunos
requisitos como un elevado TCR, moderada resistividad, estabilidad con el
tiempo y de preferencia compatibilidad con procesos de fabricación CMOS.
Al inicio del desarrollo de micro-bolómetros el material más usado fue el VOx
con un TCR de alrededor 2 %K-1 y una resistividad baja, sin embargo se trata
de un material que no es compatible con procesos CMOS. El a-Si:H
intrínseco es un material totalmente compatible con procesos CMOS que
alcanza valores de TCR por encima de 10%K-1 [2.18, 2.36], pero su
conductividad es muy baja, por lo que normalmente los fabricantes de
arreglos de micro-bolómetros realizan un dopado con boro a expensas de la
reducción del TCR. El Y-Ba-Cu-O también se ha reportado en algunos
trabajos con valores de TCR de ~3 %K-1 normalmente depositado por
sputtering, la desventaja es que tampoco es compatible con procesos de
fabricación CMOS. Los micro-bolómetros basados en metales como Pt y Ti
30
son compatibles con procesos CMOS y su costo de fabricación es bajo, la
desventaja radica en que el TCR que se alcanza es de ~0.2%K-1. La aleación
de SiGe policristalino tiene casi el mismo desempeño que el VOx con la
ventaja de ser compatible con procesos CMOS, pero su temperatura de
depósito está por encima de los 600 °C por lo que no es compatible con un
post-proceso de fabricación. En general las películas termo-sensoras
basados en silicio, germanio y sus aleaciones se pueden depositar a baja
temperatura por sputtering o PECVD, y ajustando cuidadosamente las
condiciones de depósito se pueden conseguir elevados valores de TCR con
conductividades moderadas y conservando la compatibilidad con los
procesos CMOS.
En la tabla 2.2 se muestran algunas películas termo-sensoras
utilizadas en la fabricación de micro-bolómetros. Las variaciones en el valor
del TCR de cada material dependerán de la técnica de depósito y
condiciones de preparación.
2.4 Silicio amorfo hidrogenado y estructura atómica
El silicio amorfo hidrogenado (a-Si:H) se ha estudiado desde mediados de los
años 60, inicialmente se utilizaron sistemas por evaporación y sputtering
obteniendo películas de a-Si sin hidrógeno. Sin embargo los primeros
investigadores en este campo se dieron cuenta que la mejor forma de pasivar
los enlaces incompletos del silicio era añadiendo hidrogeno a la mezcla de
gases [2.48]. Por lo que fue la técnica PECVD la mejor opción para lograrlo
comparado con la técnica de sputtering.
El a-Si:H posee una estructura atómica desordenada, ya que sus
átomos solo mantienen un orden de corto alcance a diferencia de los
materiales cristalinos donde el orden es de largo alcance.
31
En el a-Si:H cada átomo de silicio sigue manteniendo sus cuatro
enlaces covalentes y comúnmente es visto como una red aleatoria continua
(CRN) donde los átomos de silicio están enlazados a otros 4 átomos con
variaciones en longitud de enlace de ~2-3 % para el primer vecino más
cercano. La desviación en el ángulo de enlace tetraédrico (109.47°) se
encuentra entre 8-13° lo que limita al a-Si:H a un orden de corto alcance
(<2nm).
Tabla 2.2. Valores típicos de TCR para distintos materiales usados como película
termo-sensora.
Material TCR %K-1 Referencias
VOx 2.1–2.3 [2.41-2.45] Y-Ba-Cu-O 2.8–3.5 [2.41, 2.43, 2.45, 2.46]
Pt 0.13–0.23 [2.40, 2.41, 2.43, 2.46] Poly-SiGe 1–2.4 [2.27, 2.41, 2.42, 2.44, 2.46, 2.47]
a-Si:H,B 2.8–3.4 [2.37, 2.41] a-Si:H >10 [2.18, 2.36] a-Ge:H 2.6 [2.41]
GexSi1-xOy 4.21–4.5 [2.6, 2.41, 2.43, 2.45, 2.47] a-SiGe:H 4.3 [2.42, 2.43]
a-Ge:H,F 5 [2.47]
a-SiGe 5 [2.47]
a-SiC 4–6.6 [2.47]
c-SiGeC 2.74 [2.47]
p-nc-SiC:H 2.3 [2.47]
Ti 0.2–0.25 [2.39, 2.44, 2.46]
a-SiGe:H 4.3 [2.43]
TiOx 0.6–2.2 [2.38]
En el modelo CRN los defectos como intersticios o vacancias no se
usan, en su lugar se usa el concepto de defectos de coordinación, donde los
átomos tienen muy pocos o demasiados enlaces. El defecto dominante en a-
Si:H son los átomos de silicio enlazados con otros 3 átomos dejando un
32
electrón sin enlazar, estos defectos son conocidos como dangling bonds. El
a-Si:H es un material que dependiendo de las condiciones de depósito puede
contener una elevada fracción de huecos (hasta 20%), donde sus paredes
internas pueden estar cubiertas con hidrógeno en forma de Si-H o H2. La
mayor cantidad de huecos se presenta en la frontera sustrato-película donde
el crecimiento de columnas verticales a partir de pequeñas islas es
dominante en los primeros instantes del depósito. Este efecto se disminuye
aumentando la temperatura del sustrato para favorecer la difusión lateral de
especies reactivas. En general se busca que el hidrógeno se encuentre
distribuido en la red formando enlaces Si-H, ya que el hidrógeno en huecos
en forma de H2 no contribuye en gran medida a pasivar enlaces sueltos.
Normalmente al aumentar la temperatura de depósito disminuye el contenido
de hidrogeno concentrado (huecos y aglomerados) y aumenta ligeramente el
contenido de hidrógeno distribuido (enlaces Si-H) [2.49].
2.5 Técnica de depósito químico en fase vapor asistido por plasma
(PECVD)
El sistema de depósito por plasma consiste de una cámara que se encuentra
en vacío, se introducen los gases reactivos y por medio de una descarga de
radiofrecuencia se genera un plasma. Este plasma está formado por
electrones, moléculas neutras, iones y radicales libres. La propiedad de los
sistemas PECVD de generar especies químicamente reactivas a baja
temperatura se debe a la naturaleza fuera de equilibrio del plasma generado.
Un plasma fuera de equilibrio se refiere a un gas parcialmente ionizado
sostenido a baja temperatura, con temperaturas de los electrones libres en el
rango de 104-105 K (1-10 eV), mientras que la temperatura de los iones,
radicales y moléculas se encuentra en el rango de ~500 K (~0.04 eV) [2.50].
33
A diferencia de un sistema CVD térmico (APCVD, LPCVD) donde la
descomposición de especies se lleva a temperaturas por encima de los 400
°C, en los sistemas de depósito por plasma la obtención de películas se
puede realizar en el rango de 150-400 °C.
Debido a que los electrones tienen una masa inferior, son éstos los
que oscilan con la frecuencia de RF y en su trayectoria colisionan con las
moléculas de los gases reactivos para descomponerlos en moléculas más
pequeñas. Los iones formarán una envolvente en contacto con el volumen
del plasma por lo que éste tendrá una carga local positiva. Los sustratos para
el depósito de las películas se colocan sobre el electrodo de tierra y este es
negativo respecto al volumen del plasma, por lo que las películas estarán
sujetas a un constante bombardeo de iones positivos [2.48]. A la par de este
proceso el electrodo de tierra se calienta a una cierta temperatura para
ayudar a que las especies tengan una mayor difusión lateral y así se deposite
la película. También se utilizan gases como el hidrógeno o argón para el
arrastre y dilución de los gases reactivos. Al utilizar SiH4 como gas reactivo,
se forman distintas especies por la disociación con el impacto de los
electrones. Por ejemplo, para éste gas, dentro del plasma se forman
principalmente SiH3 y SiH2, y en menor cantidad SiH y Si, donde la especie
SiH3 es la más abundante seguida del SiH2.
En la figura 2.6 se muestra el sistema LF-PECVD modelo AMP 3300
de la compañía Applied Materials utilizado en este trabajo. Se trata de un
reactor de placas paralelas con frecuencia de operación de 8-111 kHz y
potencia de 0-3000 Watts. La placa inferior, con diámetro de 65 cm, se
conecta a tierra y sirve como soporte de las muestras. La placa superior está
conectada a la fuente de radiofrecuencia y separada 5 cm de la placa inferior.
La placa inferior se puede calentar desde temperatura ambiente a 400 °C
con una rotación variable de 0-6 rpm. El control de gases se hace por medio
de controladores de flujo de masa y el sistema de vacio está compuesto por
una bomba Roots en serie con una bomba mecánica rotativa. Normalmente
la presión base a la que se puede llegar es de ~90 mTorr, por lo que se
pueden presentar problemas de contaminación por oxígeno [2.5
Figura 2.6. Esquema del sistema LF
Un proceso de plasma es caracterizado por muchos parámetros y la
relación entre ellos es bastante compleja, de modo que la optimización de las
propiedades de un material generalmente se hace de forma empírica. Las
variaciones en la geometría de la cámara del r
flujo de gases, temperatura de depósito, velocidad de rotación del sustrato,
frecuencia y potencia de la señal RF se pueden ajustar para obtener las
características deseadas en una película [2.5
2.6 Densidad de estados
Como ya se menciono antes, el silicio amorfo conserva el orden de corto
alcance y esto le confiere propiedades similares al silicio cristalino. La
la presión base a la que se puede llegar es de ~90 mTorr, por lo que se
pueden presentar problemas de contaminación por oxígeno [2.51
. Esquema del sistema LF-PECVD utilizado en este trabajo [2.51]
roceso de plasma es caracterizado por muchos parámetros y la
relación entre ellos es bastante compleja, de modo que la optimización de las
propiedades de un material generalmente se hace de forma empírica. Las
variaciones en la geometría de la cámara del reactor así como la presión,
flujo de gases, temperatura de depósito, velocidad de rotación del sustrato,
frecuencia y potencia de la señal RF se pueden ajustar para obtener las
características deseadas en una película [2.52-2.55].
2.6 Densidad de estados y diagrama de bandas
Como ya se menciono antes, el silicio amorfo conserva el orden de corto
alcance y esto le confiere propiedades similares al silicio cristalino. La
34
la presión base a la que se puede llegar es de ~90 mTorr, por lo que se
1].
[2.51].
roceso de plasma es caracterizado por muchos parámetros y la
relación entre ellos es bastante compleja, de modo que la optimización de las
propiedades de un material generalmente se hace de forma empírica. Las
eactor así como la presión,
flujo de gases, temperatura de depósito, velocidad de rotación del sustrato,
frecuencia y potencia de la señal RF se pueden ajustar para obtener las
Como ya se menciono antes, el silicio amorfo conserva el orden de corto
alcance y esto le confiere propiedades similares al silicio cristalino. La
estructura de bandas de energía es distinta debido a la enorme densidad de
defectos. La figura 2.7 muestra la distribución de densidad de estados. En el
diagrama se distinguen las
orillas de la banda de conducción y valencia, E
de energía, Eg, más apropiadamente denominado
típicamente el a-Si:H tiene un valor de E
Figura 2.7. Diagrama de la distribución de densidad de estados para un material
amorfo. La línea a trazos representa la densidad de estados equivalente
material cristalino.
El desorden en el rango largo origina el ensanchamiento de la
densidad de estados de energía, resultando en
localizados que se extienden dentro del gap de movilidad. Los defectos de
coordinación (como
profundos.
Se dice que un electrón se encuentra localizado cuando está
confinado en la vecindad de un solo lugar atómico de forma predominante. A
medida que aumenta el desorden en los potenciales experi
electrones la localización es más fuerte, y ésta a su vez es más probable en
estructura de bandas de energía es distinta debido a la enorme densidad de
a figura 2.7 muestra la distribución de densidad de estados. En el
diagrama se distinguen las bandas de estados extendidos
orillas de la banda de conducción y valencia, Ec y Ev) separadas por el gap
, más apropiadamente denominado gap de movilidad
Si:H tiene un valor de Eg≈ 1.6 eV.
. Diagrama de la distribución de densidad de estados para un material
amorfo. La línea a trazos representa la densidad de estados equivalente
El desorden en el rango largo origina el ensanchamiento de la
densidad de estados de energía, resultando en colas de bandas
localizados que se extienden dentro del gap de movilidad. Los defectos de
coordinación (como los dangling bonds) e impurezas resultan en
Se dice que un electrón se encuentra localizado cuando está
confinado en la vecindad de un solo lugar atómico de forma predominante. A
medida que aumenta el desorden en los potenciales experi
electrones la localización es más fuerte, y ésta a su vez es más probable en
35
estructura de bandas de energía es distinta debido a la enorme densidad de
a figura 2.7 muestra la distribución de densidad de estados. En el
(definidas por las
) separadas por el gap
gap de movilidad,
. Diagrama de la distribución de densidad de estados para un material
amorfo. La línea a trazos representa la densidad de estados equivalente en un
El desorden en el rango largo origina el ensanchamiento de la
colas de bandas de estados
localizados que se extienden dentro del gap de movilidad. Los defectos de
) e impurezas resultan en defectos
Se dice que un electrón se encuentra localizado cuando está
confinado en la vecindad de un solo lugar atómico de forma predominante. A
medida que aumenta el desorden en los potenciales experimentados por los
electrones la localización es más fuerte, y ésta a su vez es más probable en
36
la vecindad de las colas, por esto las colas de las bandas están asociadas
con el desorden de la red [2.56].
La densidad de estados es típicamente del orden de 1020 cm-3 para el
a-Si y de 1015-1016 cm-3 para a-Si:H con un contenido atómico de hidrógeno
de ~10%. Los enlaces débiles como Si-Si cuya longitud de enlace es mayor a
lo normal o enlaces Si-H son susceptibles a romperse fácilmente, por
ejemplo por desorción de hidrogeno en el caso de Si-H, generando más
defectos con el paso del tiempo.
2.7 Propiedades eléctricas y ópticas del a-Si:H
Los portadores de carga que se encuentran en estados localizados (dentro
del gap de movilidad) tendrán una movilidad cercana a cero. En esta zona la
conducción solo puede efectuarse por saltos ayudados térmicamente. En los
estados extendidos los portadores tienen una movilidad finita, por lo tanto el
transporte de carga sucede principalmente en los estados extendidos [2.36].
La conductividad en el silicio amorfo tiene una fuerte dependencia con la
temperatura. A muy bajas temperaturas la conducción entre estados al nivel
de Fermi puede ocurrir por tuneleo asistido térmicamente. Al aumentar la
temperatura los portadores son excitados a las colas de las bandas donde su
condición de portadores de carga en estados localizados solo permite
contribuir al transporte de carga por saltos entre estados. Al aumentar más la
temperatura los portadores son excitados cerca de las orillas de las bandas
de valencia y conducción o hacia los estados extendidos donde la movilidad
es mayor [2.36].
La conductividad en a-Si:H es un proceso activado térmicamente, así
que ésta se puede calcular con la ecuación 2.6.
37
[ ]11
0 exp)( −−Ω
−−= cm
kT
EET FCσσ (2.6)
donde 0σ es un prefactor, CE es la energía de la banda de conducción,
FE es la energía de Fermi, k es la constante de Boltzmann y T la
temperatura en Kelvin. El término FC EE − corresponde al valor de la energía
de activación aE , expresada en eV. La energía de activación se puede
obtener experimentalmente graficando el )(ln Tσ contra kT/1 , donde la
pendiente de la recta representa a aE .
Un parámetro importante en detectores infrarrojos térmicos es el TCR,
el cual se relaciona a la energía de activación por la ecuación 2.7, donde k
es la constante de Boltzmann, y T la temperatura en Kelvin.
[ ]12
−−≈= KkT
ETCR aα (2.7)
El elevado desorden de la red amorfa aumenta la dispersión de los
portadores de carga por colisiones y al perderse el orden en el rango largo el
vector de onda kr
(momento) ya no se conserva durante las transiciones
electrónicas, por lo que a diferencia del silicio cristalino el silicio amorfo se
comporta como un material de banda directa. El espectro de absorción se
puede calcular por distintas técnicas como el método de la fotocorriente
constante (CMP), espectroscopia fototérmica de deflexión (PDS), entre otras.
El espectro de absorción se divide generalmente en tres regiones.
La primera región se encuentra para coeficientes de absorción )(Eα
mayores a 103 cm-1, denomina también “región de Tauc”. La absorción es
atribuida a transiciones electrónicas en estados extendidos en la banda de
valencia y banda de conducción. Esta región del espectro de absorción
puede ser aproximada por ecuación 2.8.
2)()( gp EEEE −∝α (2.8)
38
donde pE es la energía del fotón y gE es el gap de energía óptico (o gap
energía de Tauc) el cual es normalmente usado para definir el gap de
energía en semiconductores amorfos. Particularmente la región de Tauc
muestra una absorción con un orden de magnitud mayor al silicio cristalino,
por lo que cuando se usa silicio amorfo en celdas solares el espesor
requerido es mucho menor comparado con lo que se requiere para silicio
cristalino.
La segunda región corresponde a coeficientes de absorción que se
encuentran entre 1-10< )(Eα <103 cm-1 debido a transiciones entre las colas
de las bandas y estados extendidos. Su comportamiento se puede aproximar
por la fórmula 2.9, donde uE es conocida como pendiente de la cola de
Urbach.
)/exp()( uEEE ∝α (2.9)
La tercera región del espectro corresponde a coeficientes de absorción
)(Eα < 1 cm-1, dicha región se caracteriza por un codo en el espectro de
absorción. Normalmente se atribuye a defectos estructurales [2.48], por lo
que su magnitud está relacionada con la densidad de defectos, nivel de
dopado, técnica de depósito, etc.
2.8 Dopado de silicio amorfo hidrogenado tipo p y tipo n
El a-Si intrínseco contiene una elevada densidad de estados causados por
los enlaces incompletos del silicio. Todos estos defectos actúan como
trampas y centros de recombinación evitando que los electrones o huecos
proporcionados por impurezas como boro o fósforo puedan cambiar el nivel
de Fermi. Por lo tanto el hidrogeno juega un papel importante al pasivar los
enlaces incompletos disminuyendo en varios órdenes de magnitud la
densidad de estados. La figura 2.8 muestra el cambio en conductividad a
temperatura ambiente
dopantes mezclados con SiH
Figura 2.8. Conductividad a temperatura ambiente para a
función de la fracción de gases dopantes mezclados con SiH
Se puede ver que el a
n, esto es debido a que la densidad de estados en la banda de valencia es
mayor que en la banda de conducción y la población
que la de huecos [2.
En la tabla 2.3 se mencionan algunas características del a
buena calidad para fabricación de dispositivos electrónicos como transistores
de película delgada (TFT), donde se requiere una baja densida
una amplia modulación en la conductividad por medio del dopado [2.
ura ambiente RTσ para a-Si:H como función de la fracción de gases
dopantes mezclados con SiH4 [2.48].
. Conductividad a temperatura ambiente para a-Si:H ti
de la fracción de gases dopantes mezclados con SiH4 [2.48].
Se puede ver que el a-Si:H intrínseco es un material ligeramente tipo
n, esto es debido a que la densidad de estados en la banda de valencia es
mayor que en la banda de conducción y la población de electrones es mayor
que la de huecos [2.36].
En la tabla 2.3 se mencionan algunas características del a
buena calidad para fabricación de dispositivos electrónicos como transistores
de película delgada (TFT), donde se requiere una baja densida
una amplia modulación en la conductividad por medio del dopado [2.
39
Si:H como función de la fracción de gases
Si:H tipo p y n como
[2.48].
Si:H intrínseco es un material ligeramente tipo
n, esto es debido a que la densidad de estados en la banda de valencia es
de electrones es mayor
En la tabla 2.3 se mencionan algunas características del a-Si:H con
buena calidad para fabricación de dispositivos electrónicos como transistores
de película delgada (TFT), donde se requiere una baja densidad de estados y
una amplia modulación en la conductividad por medio del dopado [2.57].
40
Tabla 2.3. Algunas propiedades del a-Si:H con calidad para fabricación de
dispositivos electrónicos (modificado de [2.57]).
Movilidad de arrastre para electrones 1 cm2/Vs
Movilidad de arrastre para huecos 0.003 cm2/Vs
σRT (intrínseco) 10-11 Ω-1cm-1
σRT (tipo n) 10-2 Ω-1cm-1
σRT (tipo p) 10-3 Ω-1cm-1
Densidad de defectos 10-15 cm-1
Contenido de hidrógeno 10%
2.9 Silicio y Germanio polimorfos
El silicio y germanio polimorfo son películas con una pequeña fracción de
partículas nanocristalinas y/o aglomerados distribuidos en una matriz amorfa.
La condición básica para la generación de nanocristales es utilizar
elevadas diluciones de silano en hidrógeno [2.58]. Sin embargo otras
variables deben elegirse cuidadosamente pues bajo ciertas condiciones se
puede conseguir silicio o germanio microcristalino (µm-Si:H, µm-Ge:H) en
lugar de un material polimorfo (pm-Si:H, pm-Ge:H).
Los parámetros que determinan la formación de nanocristales además
de la dilución de hidrogeno incluyen: potencia RF, presión y temperatura del
sustrato. En general se busca una condición cercana a la formación de polvo
en el volumen del plasma. Se ha propuesto que debe existir un gradiente de
temperatura entre placas <50 °C/cm para obtener un material polimorfo
[1.34].
Los análisis por FTIR para pm-Si:H muestran que hay un pico
localizado en el número de onda k=2030 cm-1 asociado con enlaces Si-H en
la superficie de los nanocristales o aglomerados. La cantidad de hidrogeno
enlazado a átomos de silicio también aumenta ligeramente ~6% comparado
con a-Si:H, mientras que la densidad del material se mantiene en el mismo
41
rango. El ordenamiento de los átomos dentro de cada nanocristal también
reduce la densidad defectos. Estudios realizados en celdas solares
fabricadas con una película intrínseca de pm-Si:H indican que la degradación
en la eficiencia a lo largo del tiempo es menor que para celdas fabricadas
con a-Si:H [2.59].
Se ha encontrado que películas de pm-Si:H depositadas con razones
de dilución silano en hidrógeno de 20:1 (SiH4/H2) tienen valores de TCR >9
%K-1 para un amplio rango de presiones. Además, la conductividad es
mejorada al compararse con la del a-Si:H intrínseco [2.60]. La figura 2.9
muestra una imagen tomada por microscopia de transmisión de electrones
(TEM) con nanocristales de ~3nm.
Se ha visto que aunque se mantenga la razón de dilución de silano en
hidrógeno de 1:20, la presión óptima de depósito para obtener el mayor TCR
varía de acuerdo al flujo total de gases. Así por ejemplo, para un flujo total de
SiH4/H2 de 50/1000 sccm la presión óptima de depósito será distinta que
para un flujo de gases de SiH4/H2 de 150/3000 sccm. Esto se puede deber a
que el flujo total de gases entrando a la cámara también modifica el umbral
de presiones entre el depósito de un material polimorfo y el de una material
amorfo [1.35, 2.61,].
Películas de pm-Ge:H también han sido demostradas con tamaños de
nanocristales en el mismo orden que el pm-Si:H (2-4 nm). La razón de
dilución GeH4/H2 se mantuvo en 1:20. Se encontraron valores de TCR tan
altos como 5 %K-1 y una conductividad 4 órdenes de magnitud mayor que
para el pm-Si:H. La figura 2.10 muestra una película de pm-Ge:H sobre vidrio
corning con los nanocristales distribuidos uniformemente [2.62, 2.63].
42
Figura 2.9. Sección transversal de una película de pm-Si:H tomada con TEM. Los
nanocristales tienen un tamaño ~3nm [2.60].
Figura 2.10. Sección transversal de una película de pm-Ge:H sobre vidrio corning
[2.62].
Desde mediados del año 2000 comenzó el interés por usar el silicio
polimorfo en la fabricación de celdas solares, pero como su estudio es
relativamente reciente, no hay reportes en los que se indique el uso de estos
materiales como película termo-sensora en micro-bolómetros. Altos valores
de TCR con resistividades moderadas son propiedades clave en una película
43
termo-sensora, por lo que el silicio y germanio polimorfos son materiales
prometedores para su aplicación en micro-bolómetros.
2.10 Figuras de mérito de micro-bolómetros
En esta sección se definirán algunos conceptos y figuras de merito que son
importantes para caracterizar las propiedades de materiales termo-sensores,
así como el desempeño de micro-bolómetros.
2.10.1 Capacitancia térmica, Cth, conductancia térmica, Gth y tiempo de
respuesta térmico, ττττth
La estructura del micro-bolómetro se puede modelar como se muestra en la
figura 2.11, donde la membrana suspendida posee una cierta capacitancia
térmica thC . Esta membrana se encuentra conectada térmicamente al
sustrato por una conductancia térmica thG . La radiación infrarroja incidiendo
sobre la estructura es absorbida causando una elevación de la temperatura
de la película termo-sensora.
La capacitancia térmica (o masa térmica), thC , representa a la
membrana suspendida incluyendo la película de soporte, electrodos, película
termo-sensora y película absorbedora de IR, expresada en J/K. Con la
ecuación 2.10 se puede calcular la capacitancia térmica para una película
suspendida operando en vacio, donde c es el calor específico del material,
ρ la densidad, y v el volumen de la membrana [2.64].
[ ]KJvcC th /ρ= (2.10)
Usando la ecuación 2.11
micro-bolómetro compuesto por
Figura 2.11. Estructura básica de un detector infrarrojo térmico.
La conductancia térmica,
detector con sus alrededores, expresada en W/K. La conductancia térmica
total está representada por la ecuación 2.12 considerando tres contribuciones
Gth =
en donde condG representa la conductancia térmica a través del soporte de
la membrana, convG la conductancia por el aire o medio ambiente en
contacto con el micro-bolómetro y
radiación que emite el propio
obtener con la ecuación 2.13. Donde
constante de Stefan-Boltzmann,
última película apilada en la membrana.
Usando la ecuación 2.11 se puede calcular la capacitancia térmica para un
bolómetro compuesto por n películas apiladas.
. Estructura básica de un detector infrarrojo térmico.
[ ]KJvcC i
n
i
iith /1
∑=
= ρ
La conductancia térmica, thG , representa el acoplamiento térmico del
detector con sus alrededores, expresada en W/K. La conductancia térmica
total está representada por la ecuación 2.12 considerando tres contribuciones
[ ]KWGGGG radconvcondtot /++==
representa la conductancia térmica a través del soporte de
la conductancia por el aire o medio ambiente en
bolómetro y radG representa las pérdidas por la
radiación que emite el propio micro-bolómetro. El término radG
obtener con la ecuación 2.13. Donde A es el área de la membrana,
Boltzmann, ε la emisividad del material utilizado en la
última película apilada en la membrana.
[ ]KWTAGrad /8 3σε=
44
se puede calcular la capacitancia térmica para un
(2.11)
, representa el acoplamiento térmico del
detector con sus alrededores, expresada en W/K. La conductancia térmica
total está representada por la ecuación 2.12 considerando tres contribuciones
(2.12)
representa la conductancia térmica a través del soporte de
la conductancia por el aire o medio ambiente en
representa las pérdidas por la
rad se puede
es el área de la membrana, σ es la
la emisividad del material utilizado en la
(2.13)
Para un bolómetro trabajando a temperatura ambiente
mantiene al menos un orden de magnitud debajo de
no se toma en cuenta en el cálculo de
La conductancia por convección
cual se opere el disp
responsividad para un micro
nivel de vacío para distintos gases.
Figura 2.12. Variación en responsividad en voltaje para distintas presiones y
composiciones de gas [1.36].
Como se puede ver es de suma importancia operar los micro
bolómetros a baja presión. Típicamente la conductancia térmica de un micro
bolómetro queda limitada por la conductancia de los brazos de soporte, lo
cual ocurre a presiones debajo d
se puede considerar a la conductancia térmica por los brazos de soporte
como el principal mecanismo de conducción de calor. Por tanto la
conductancia térmica total es
se indica en la ecuación 2.14.
Para un bolómetro trabajando a temperatura ambiente
mantiene al menos un orden de magnitud debajo de condG
no se toma en cuenta en el cálculo de thG .
La conductancia por convección convG dependerá de la presión a la
cual se opere el dispositivo y el tipo de gas. La figura 2.12 muestra la
responsividad para un micro-bolómetro de platino [1.36] como función del
nivel de vacío para distintos gases.
. Variación en responsividad en voltaje para distintas presiones y
de gas [1.36].
Como se puede ver es de suma importancia operar los micro
bolómetros a baja presión. Típicamente la conductancia térmica de un micro
bolómetro queda limitada por la conductancia de los brazos de soporte, lo
cual ocurre a presiones debajo de 50 mTorr [1.36]. Tomando esto en cuenta,
se puede considerar a la conductancia térmica por los brazos de soporte
como el principal mecanismo de conducción de calor. Por tanto la
conductancia térmica total es condth GG ≈ y la forma de calculars
se indica en la ecuación 2.14.
45
Para un bolómetro trabajando a temperatura ambiente radG se
cond y normalmente
dependerá de la presión a la
ositivo y el tipo de gas. La figura 2.12 muestra la
bolómetro de platino [1.36] como función del
. Variación en responsividad en voltaje para distintas presiones y
Como se puede ver es de suma importancia operar los micro-
bolómetros a baja presión. Típicamente la conductancia térmica de un micro-
bolómetro queda limitada por la conductancia de los brazos de soporte, lo
e 50 mTorr [1.36]. Tomando esto en cuenta,
se puede considerar a la conductancia térmica por los brazos de soporte
como el principal mecanismo de conducción de calor. Por tanto la
y la forma de calcularse es como
46
[ ]KWl
AKG tr
th /12= (2.14)
donde K es la conductividad térmica del material de los brazos de soporte,
trA es el área transversal del brazo, y l la longitud del brazo. Claramente se
puede ver que la combinación de materiales y geometría de los brazos de
soporte permiten ajustar la conductancia térmica a un valor deseado.
El tiempo de respuesta térmico se puede obtener de curvas de voltaje-
tiempo o corriente-tiempo. Al polarizar con un escalón de voltaje/corriente, la
señal de salida del detector tendrá un incremento o decremento exponencial
(dependiendo del tipo de polarización). La disipación de potencia en la
película termo-sensora eleva su temperatura a la vez que se reduce su
resistencia. Después de un cierto tiempo thτ se alcanza el estado estable en
la señal de corriente o voltaje que se está midiendo. El cálculo de thτ puede
obtener con la ecuación 2.15, donde este parámetro se relaciona con la
capacitancia y conductancia térmica.
[ ]s
G
C
th
th
th =τ (2.15)
Como es de esperarse si la membrana es muy voluminosa el detector
tendrá una respuesta lenta a los cambios de temperatura, y si la
conductancia térmica es grande la respuesta del detector será rápida.
Entonces para el diseño del micro-bolómetro se tiene un compromiso entre
velocidad de respuesta y sensibilidad. Aquellas aplicaciones que requieran
una velocidad de cuadros por segundos elevadas deberán tener una
capacitancia térmica pequeña y una conductancia térmica que permita la
velocidad requerida, sacrificando un poco la sensibilidad. Las aplicaciones
que requieren una elevada sensibilidad y donde la velocidad de cuadros por
segundo no sea tan elevada deberán tener un excelente aislamiento térmico
con una conductancia térmica pequeña y una cierta capacitancia térmica.
47
2.10.2 Responsividad
La responsividad es definida como la señal de salida (voltaje o corriente)
dividida por la potencia de radiación incidente sobre el micro-bolómetro. Por
lo tanto la responsividad ℜ es expresada en V/W o en A/W lo cual
dependerá del método de polarización. La responsividad en voltaje se puede
calcular con la siguiente ecuación:
[ ]WV
G
RI
thth
ef
V /1 22τω
ηβα
+=ℜ (2.16)
donde I es la corriente de polarización, η es el coeficiente de absorción
definido como la cantidad de radiación absorbida dividido por la cantidad de
radiación incidente, β es el factor de llenado definido como el área termo-
sensora dividido por el área total de la celda, α es el valor de TCR, efR es la
resistencia efectiva que resulta del paralelo de la resistencia del micro-
bolómetro y la impedancia de entrada del circuito de lectura, thG representa
la conductancia térmica del micro-bolómetro, ω es la frecuencia angular de
modulación de la señal infrarroja y thτ es el tiempo de respuesta térmico.
La responsividad en corriente se puede obtener con la ecuación 2.17,
donde V es el voltaje de polarización.
[ ]WAGR
V
ththef
I /1 22τω
ηβα
+=ℜ (2.17)
48
2.10.3 Ruido en micro-bolómetros
Existen varias fuentes de ruido que afectan el rendimiento de un micro-
bolómetro. Como todo sistema, existe el ruido que es ajeno al dispositivo y
que lo afecta en cierta medida como es el ruido producido por cargas
inductivas y de alta potencia o el ruido producido por fenómenos naturales.
La otra parte de ruido que es propia del dispositivo y que lo afecta en mayor
medida está dividido principalmente en: ruido Johnson, ruido 1/f, ruido por
fluctuaciones de temperatura y ruido por fluctuaciones de fondo.
-Ruido Johnson. Una resistencia R a temperatura T presenta fluctuaciones
de voltaje en sus terminales debido a la agitación térmica de sus portadores
de carga, a esto se le conoce como ruido Johnson. El voltaje rms asociado al
ruido Johnson se puede calcular con la siguiente ecuación:
[ ]VfkTRVJ ∆= 42 (2.18)
donde k es la constante de Boltzmann, T es la temperatura del micro-
bolómetro, R es la resistencia del micro-bolómetro y f∆ es el ancho de
banda eléctrico asociado al equipo de medición.
-Ruido 1/f: Este ruido es el dominante a bajas frecuencias y es altamente
dependiente de la estequiometria de la película, porosidad, geometría del
dispositivo, contactos eléctricos, etc. Por ejemplo, el ruido 1/f para el a-Si:H
puede variar hasta en tres órdenes de magnitud dependiendo de la técnica
de depósito [1.36]. Con la ecuación 2.19 se puede calcular el ruido 1/f,
donde K es una constante que depende del material, V es el voltaje de
polarización, ρ la resistividad del material, f es la frecuencia a la que se
mide el ruido, W , L y t son, respectivamente, el ancho, largo y el espesor
de la parte activa del micro-bolómetro.
49
[ ]V
WLtf
VKV f
ρ222
/1 = (2.19)
-Ruido por fluctuaciones de temperatura. Se debe a variaciones en la
temperatura del detector causadas por las fluctuaciones en el intercambio de
calor entre el elemento detector y el substrato que lo rodea. El ruido por
fluctuaciones de temperatura se puede calcular con la ecuación 2.20.
( ) [ ]VIR
G
fkTV
thth
tf
2
22
222
1
4
τω
α
+
∆= (2.20)
-Ruido por fluctuaciones de fondo. Este ruido se asocia con las fluctuaciones
aleatorias de temperatura del detector debido a la radiación incidente (ruido
en los fotones incidentes). Es decir, este ruido es considerado cuando el
intercambio de calor entre el elemento detector y el substrato es despreciable
(conducción y convección) comparado con el intercambio de calor por
radiación. Se puede calcular con la ecuación 2.21, donde A es el área de la
celda, η el coeficiente de absorción, σ es la constante de Stefan-
Boltzmann, k es la constante de Boltzmann, bolT es la temperatura de la
celda, fT es la temperatura de fondo de la escena y R la resistencia del
bolómetro.
[ ]VRTTkAV fbolbf
2552 )(8 += ησ (2.21)
El ruido en voltaje rms total se obtiene de la suma de las cuatro
contribuciones como se indica en la ecuación 2.22.
[ ]VVVVVV bftffJN
222
/1
22 +++= (2.22)
50
2.10.4 Detectividad
La detectividad es una figura de merito normalizada que es usada para
comparar el desempeño de distintos detectores con diferentes tamaños de
celda. La detectividad ∗D se puede calcular con la ecuación 2.23, donde Vℜ
es la responsividad en voltaje, A es el área de la celda, f∆ es el ancho de
banda equivalente del equipo de medición y NV es la contribución de las
fuentes de ruido en voltaje rms.
∆ℜ
=∗
WHzcm
V
fAD
N
V (2.23)
2.10.5 Diferencia de temperatura equivalente de ruido (NETD)
Representa el mínimo cambio en temperatura de un cuerpo que puede ser
detectado por el micro-bolómetro. Cuantitativamente se define como el
cambio en temperatura de un cuerpo negro que causa un cambio en la
relación señal a ruido de 1 en la señal de salida del detector, el NETD se
calcula con la siguiente fórmula:
( )[ ]K
TPAR
VDfNETD
V
N
21/
)1)/(4(
0
2
λλτ −∆∆
+= (2.24)
donde f y D son la longitud focal y diámetro del sistema óptico
respectivamente, NV es el ruido total dentro del ancho de banda del sistema,
0τ es la transmitancia del sistema óptico, A es el área de la celda, Vℜ es la
responsividad en voltaje, ( )21
/ λλ −∆∆ TP es una función de cuerpo negro que da
el cambio en potencia por unidad de área radiada por un cuerpo a
temperatura T con respecto a T medido de 1λ a 2λ .
51
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56
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57
CAPÍTULO 3. TÉCNICAS DE CARACTERIZACIÓN DE MICRO-
BOLÓMETROS
3.1 Introducción.
En este capítulo se muestran los métodos experimentales utilizados para
caracterizar los micro-bolómetros fabricados y la forma de obtener algunas
figuras de merito importantes a partir de dichas mediciones. La sección 3.2
describe el método utilizado para obtener el rendimiento por oblea. En la
sección 3.3 presenta el arreglo experimental con el cual se obtuvieron curvas
I-V en obscuridad y bajo iluminación IR. La sección 3.4 se centra en el
método de obtención de la responsividad en corriente y responsividad en
voltaje a partir de los datos obtenidos en la sección 3.3. La sección 3.5
describe la técnica con la cual se hicieron las mediciones de densidad
espectral de ruido. Finalmente en la sección 3.6 se tratará brevemente la
forma de obtención de la detectividad.
3.2 Mediciones corriente-voltaje en oscuridad y obtención del yield
Como se muestra más adelante en el capítulo 4, se diseñaron 16 tipos
diferentes de micro-bolómetros (etiquetados como E1 a E8 y E43 a E50), con
variaciones en su estructura y en los contactos metálicos. Después de
fabricar los micro-bolómetros y antes de cortar la oblea y empaquetar, se
realizó un estudio de inspección en microscopio óptico, con el objetivo de
encontrar un yield estructural. Se encontraron valores en el rango de 0.5% –
4.5% de estructuras destruidas por oblea (excluyendo los dados de la
periferia), es decir un yield estructural en el rango de 95.5% - 99.5% en las
diferentes obleas procesadas. Después de esta revisión se realizaron
58
mediciones eléctricas (curvas I-V en oscuridad) con el fin de obtener el
porcentaje de micro-bolómetros funcionales (yield eléctrico) en cada una de
las obleas. En oblea se midieron 5 dados y dentro de cada dado se probaron
32 estructuras.
Así mismo, en total se realizaron 8 diferentes procesos de fabricación
de micro-bolómetros (8 obleas diferentes), incorporando diferentes películas
termo-sensoras (como se describe en el capítulo 4), por lo que en total se
efectuaron 1280 mediciones de este tipo. La figura 3.1 muestra un mapa de
oblea, donde se indica la distribución típica de los 5 dados que se midieron
en cada oblea.
Figura 3.1. Mapa de oblea.
El arreglo experimental utilizado se encuentra conformado por un
analizador de parámetros de semiconductores de la marca HP modelo
4156A, un sistema de conmutación matricial de la marca Keithley modelo 707
y un probador de obleas semiautomático marca Rucker & Kolls modelo 681A.
En la figura 3.2 se muestra el esquema de medición utilizado.
59
Figura 3.2. Instalación utilizada para obtener el rendimiento eléctrico de micro-
bolómetros.
En el probador de obleas semiautomático se utilizó una tarjeta
Accuprobe con 8 micropuntas lo que permitió medir 4 estructuras en cada
paso. Estas mediciones se realizaron con la intensión de monitorear las
estructuras funcionales por oblea y de esta manera se pueden elegir los
dados con mayor yield para empaquetar. Básicamente se clasificaron las
mediciones obtenidas en tres segmentos: A) micro-bolómetros funcionales,
B) en corto circuito y C) en circuito abierto. En el capítulo 5 se describen a
detalle los resultados de la obtención del yield.
3.3 Mediciones corriente-voltaje en oscuridad y con radiación IR
Las mediciones eléctricas para la obtención de rendimiento por oblea
ayudaron a encontrar los dados por oblea con la mayor cantidad de
estructuras funcionales. A partir de esto se eligió un dado por oblea con el
mayor número de dispositivos en buen estado y se separó utilizando una
rayadora de obleas con punta de diamante.
Los dados se empaquetaron usando encapsulados de tipo dual in-line
package (DIP) de 40 pines y el alambrado o bonding se realizó con alambre
de aluminio (con 1% de silicio) de diámetro de 25.4 µm. La alambradora
SPA HP-4156A Matriz de conmutación
Probador de obleas
60
manual utilizada es de la marca Sola Basic Tempress modelo EMB 1100.
Para la medición de las curvas I-V cada encapsulado fue montado dentro de
un criostato de ciclo abierto de la marca LakeShore modelo MTD-150. La
presión interna de la cámara se redujo para todas las mediciones a un rango
de 12.9-11.2 mTorr utilizando una bomba mecánica en serie con una bomba
difusora Varian Inc.
La fuente de radiación infrarroja fue proporcionada por una barra de
carburo de silicio (SiC) de la marca Kanthal Globar controlada con una fuente
de corriente de la marca GW instek modelo PSP-2010. Los micro-bolómetros
fueron iluminados a través de una ventana de selenuro de zinc (ZnSe) que
tiene una transmitancia del 70% en el rango de λ=0.6-20 µm. En la figura 3.3
se muestran los equipos involucrados en la medición.
Figura 3.3. Instalación empleada durante las mediciones de curvas I-V en
obscuridad y bajo iluminación infrarroja.
Fuente de corriente
Sistema de vacío (2 bombas)
SPA HP-4156A
Criostato
Fuente de IR
Radiación IR
Filtro de ZnSe
Micro-bolómetros empaquetados
61
Las mediciones en obscuridad se efectuaron colocando una placa
metálica frente a la ventana de ZnSe antes de realizar la medición bajo
iluminación infrarroja. La distancia entre los micro-bolómetros empaquetados
y la fuente de IR fue de 10 cm. La figura 3.4 muestra una curva I-V obtenida
durante las mediciones. El analizador de parámetros de semiconductores
permite fijar corrientes de protección durante la polarización del dispositivo.
El rango de voltajes aplicados para polarizar los micro-bolómetros fue de 0 a
2V y como protección se fijaron límites de corriente en el rango de 0 a 15 µA.
0.0 0.5 1.0 1.5 2.00.0
5.0x10-7
1.0x10-6
1.5x10-6
2.0x10-6
2.5x10-6
Obscuridad IR
Cor
rient
e, (
A)
Voltaje, (V)
Oblea P2M6Proceso 1191 (pm-Si
xGe
y:H)
Dado D4, estructura 04
Figura 3.4. Curvas corriente-voltaje (I-V) de un micro-bolómetro con película termo-
sensora de pm-SixGey:H.
3.4 Cálculo de Responsividad
En esta sección se describe el método utilizado para calcular la
responsividad en corriente Iℜ y la responsividad en voltaje Vℜ . Estas son
dos figuras de merito importantes en detectores infrarrojos térmicos. Como
se mencionó en la sección 2.10.2 la responsividad se puede calcular
62
conociendo las características del micro-bolómetro, en particular parámetros
térmicos como la conductancia térmica thG y el tiempo de respuestas
térmico thτ . Sin embargo estos dos parámetros requieren de caracterización
adicional que no fue realizada en esta tesis. Una forma de obtener la
responsividad es a partir de curvas I-V en obscuridad y bajo iluminación
infrarroja.
En este trabajo la responsividad en corriente se calculó usando la
ecuación 3.1, donde I∆ es el incremento en corriente debido a la radiación
infrarroja calculado con la ecuación 3.2.
[ ]WA
P
I
inc
I /∆
=ℜ (3.1)
[ ]AIII obscuridadIR −=∆ (3.2)
El término incP es la potencia incidente sobre el micro-bolómetro definida con
la ecuación 3.3, donde A es el área de la membrana expresada en cm2.
[ ]WAIPinc 0= (3.3)
Los micro-bolómetros fabricados tienen dimensiones de 50 x 50 µm2. Por lo
que el área es 25105.2 cmA −×= . El término 0I en la ecuación 3.3 es la
intensidad de radiación infrarroja emitida por la fuente IR de SiC medido con
una termopila de la marca Thermo Oriel modelo 71938, y se calculó de
acuerdo a la ecuación 3.4.
[ ]20 / cmW
RA
II
termopila
termopila= (3.4)
El término termopilaI es la corriente proporcionada por la termopila colocada a
10 centímetros de la fuente de IR.
63
Ya que las mediciones de responsividad consumieron demasiado
tiempo, la potencia de la fuente IR no permaneció constante durante las
pruebas por lo que se tuvieron dos valores de termopilaI : 51 nA y 54 nA. El
cálculo de la responsividad para cada micro-bolómetro toma en cuenta éstas
variaciones. El término R en la ecuación 3.4 representa la responsividad de
la termopila, la hoja de datos del fabricante menciona que su valor es de
WAR /106.2 4−×= . El área de la termopila termopilaA según la hoja de datos
es de 23108.2 cmAtermopla−×= . Entonces la intensidad de la radiación infrarroja es
2
0 /07.0 cmWI = para una corriente de nAItermopila 51= y para una corriente de
nAItermopila 54= la intensidad es de 2
0 /0741.0 cmWI = . Tomando en cuenta
que el filtro de ZnSe tiene una transmitancia del 70%, la potencia incidente se
puede aproximar a WAIPinc 07.0 ×≈ , así que para los dos valores de termopilaI
se obtiene una potencia incidente de:
• [ ]WPinc61022.1 −×= para 51 nA
• [ ]WPinc61029.1 −×= para 54 nA
y
Para el cálculo de la responsividad en voltaje Vℜ se toma la diferencia
en voltaje para una corriente de polarización fija. Esto se puede extraer de
las curvas I-V mostradas en la figura 3.4 y se calcula con la ecuación 3.5,
donde [ ]VVVV obscuridadIR −=∆ , y la potencia incidente incP toma los valores
calculados anteriormente.
[ ]WV
P
V
inc
V /∆
=ℜ (3.5)
Como ejemplo de la obtención de Iℜ y Vℜ se toman las curvas I-V de
la figura 3.4 y se extraen las diferencias en voltaje V∆ y corriente I∆ . El
resultado se muestra en la figura 3.5, en donde el I∆ obtenido para un
64
voltaje de 2 V fue de 0.333 µA, y para este micro-bolómetro en particular la
potencia incidente fue de WPinc61022.1 −×= , por lo que la responsividad en
corriente es de WAI /272.0=ℜ . El V∆ fue de 0.326 V para una corriente de
1.63 µA, entonces WVV /10672.2 5×=ℜ .
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,50,0
5,0x10-7
1,0x10-6
1,5x10-6
2,0x10-6
2,5x10-6
Obscuridad IR
∆I=0.333 µAa V=2 V
Cor
rient
e, (
A)
Voltaje, (V)
Oblea P2M6Proceso 1191 (pm-Si
xGe
y:H)
Dado D5, estructura 04
∆V=0.326 Va I=1.63 µA
Figura 3.5. Obtención de I∆ y V∆ utilizando curvas I-V en obscuridad y bajo
iluminación IR.
3.5 Mediciones de ruido
En la sección 2.10.3 del capítulo anterior se mencionaron las
principales fuentes de ruido que afectan el rendimiento de un micro-
bolómetro, también se mencionó que el ruido total que afecta el dispositivo es
la suma de todas las contribuciones. En esta sección se describe el método
con el cual se obtuvo la densidad espectral de ruido. El esquema de
medición utilizado fue optimizado en un trabajo realizado previamente en el
laboratorio de microelectrónica del INAOE
la instalación utilizada.
Figura 3.6. Arreglo experimental utilizado
en los micro-bolómetros
Este consiste de un amplificador LOCK
Research Systems modelo SR530
Technologies Inc. m
para alcanzar un vacío en el rango de
LMC6001 configurado como seguidor de voltaje
la marca Stanford Research Systems modelo DS345 entregando una señal
cuadrada con 5 V
producir una señal de sincronización
Igualmente se usa
por una barra de carburo de silicio (SiC) de la marca Kanthal Globar
controlada por una fuente de corriente de la marca GW instek modelo PSP
2010 y un filtro de seleniuro de zinc (ZnSe) con una transmitancia de 70% en
laboratorio de microelectrónica del INAOE [2.42], en la figura 3.
la instalación utilizada.
experimental utilizado para medir la densidad espectral de ruido
bolómetros [2.42].
Este consiste de un amplificador LOCK-IN de la marca Stanford
Research Systems modelo SR530; un criostato de la marca MMR
modelo LTMP-2 conectado a una bomba mecánica
para alcanzar un vacío en el rango de 60 mTorr; un preamplificador
LMC6001 configurado como seguidor de voltaje; un generador de señales de
la marca Stanford Research Systems modelo DS345 entregando una señal
n 5 VPP y el cual se conecta al amplificador LOCK
señal de sincronización.
Igualmente se usa una fuente de radiación infrarroja proporcionada
por una barra de carburo de silicio (SiC) de la marca Kanthal Globar
una fuente de corriente de la marca GW instek modelo PSP
2010 y un filtro de seleniuro de zinc (ZnSe) con una transmitancia de 70% en
65
n la figura 3.6 se muestra
para medir la densidad espectral de ruido
IN de la marca Stanford
un criostato de la marca MMR-
ctado a una bomba mecánica rotativa
un preamplificador
un generador de señales de
la marca Stanford Research Systems modelo DS345 entregando una señal
conecta al amplificador LOCK-IN para
una fuente de radiación infrarroja proporcionada
por una barra de carburo de silicio (SiC) de la marca Kanthal Globar
una fuente de corriente de la marca GW instek modelo PSP-
2010 y un filtro de seleniuro de zinc (ZnSe) con una transmitancia de 70% en
66
el rango de λ=0.6-20 µm. El micro-bolómetro se polarizó con 3 V en un
divisor de voltaje con una resistencia de carga RL=35x106 Ω.
La mediciones de densidad espectral de ruido (NSD) fueron realizadas
en dos etapas, primero se midió el NSD del sistema con el micro-bolómetro
conectado, después se midió el NSD del sistema desconectando el micro-
bolómetro, la resta de ambos permitió obtener el NSD correspondiente al
micro-bolómetro como se indica en la ecuación 3.6. En la figura 3.7 se
muestra una curva de NSD en voltaje para una de las muestras analizadas.
El barrido en frecuencia se hizo de 1 Hz a 80 kHz.
222 )()()(sistemasistemabolómetrobolómetro NNN VVV −=
+ (3.6)
100 101 102 103 104 105
10-7
10-6
10-5
10-4
Ruido (Muestra + Sistema ) Ruido (Sistema )
Den
sida
d es
pect
ral d
e ru
ido
en v
olta
je S
V(f
)
(V
/Hz1/
2 )
Frecuencia, (Hz)
Figura 3.7. Densidad espectral de ruido en voltaje para uno de los micro-bolómetros
fabricados. Se muestra la curva de NSD(sist+bol) y NSDsist antes de hacer la resta.
67
3.6 Cálculo de Detectividad
El cálculo de la detectividad se realiza a partir de los valores de
responsividad y de las mediciones de densidad espectral de ruido. La
detectividad se calculó con la ecuación 3.7 utilizando los valores de
responsividad en voltaje. Donde Vℜ es la responsividad en voltaje, A es el
área de la celda, f∆ es el ancho de banda equivalente del equipo de
medición y NV es el valor rms del ruido en voltaje que se obtiene
directamente de las lecturas del amplificar LOCK-IN.
∆ℜ
=∗
WHzcm
V
fAD
N
V (3.7)
Para calcular la detectividad en función de la responsividad en
corriente se utiliza la ecuación 3.8, donde Iℜ es la responsividad en
corriente, A es el área de la celda, f∆ es el ancho de banda equivalente
del equipo de medición. El término NI es el ruido expresado en corriente,
tomado simplemente como 2/RVN , donde R es la resistencia eléctrica del
micro-bolómetro. Para el cálculo de la detectividad se toma a Hzf 1=∆
ya que éste fue el ancho de banda fijado en el amplificador LOCK-IN.
∆ℜ
=∗
WHzcm
I
fAD
N
I (3.8)
68
CAPÍTULO 4. DISEÑO DEL PROCESO DE FABRICACIÓN Y DEL LAYOUT
DE DIFERENTES ESTRUCTURAS DE MICRO-BOLÓMETROS
4.1 Selección de diferentes estructuras de micro-bolómetros
En este trabajo se han diseñado tres formas básicas de micro-bolómetro,
donde la longitud del brazo de soporte es la principal variación. Se han
tomado las formas básicas de membranas de soporte que se pueden
encontrar en la literatura y se incluyeron algunas variaciones geométricas en
la forma de los electrodos y las anclas (postes) al sustrato [4.1-4.3, 2.18].
De las ecuaciones 2.14, 2.16 y 2.17 de responsividad y conductancia
térmica mostradas en las secciones 2.10.1 y 2.10.2 se puede ver claramente
que la responsividad ℜ es proporcional a la longitud l del brazo de soporte,
l∝ℜ . Tomando esto en cuenta se decidió utilizar tres longitudes de brazo
para observar las variaciones en responsividad como se aprecia en la figura
4.1. Se debe considerar que la longitud del brazo está relacionada con la
estabilidad mecánica de toda la estructura, pues es de esperarse que los
brazos con mayor longitud tiendan a flexionarse debido al esfuerzo residual
de las películas utilizadas. Las tres longitudes son: 10, 40 y 68 µm.
Figura 4.1. Longitud del brazo de soporte de la membrana.
El área dedicada a los postes fue de 4x4 µm2 y de 6x6 µm2. Se
realizaron dos variantes de como los postes sostienen a la membrana. En la
69
variante a) el poste consta de SiNx+titanio. En la variante b) el poste consiste
sólo de titanio, como se puede apreciar en la figura 4.2.
a) b)
c) d)
Figura 4.2. Las figuras a) y b) muestran las dos dimensiones de los orificios para los
postes; la figura c) muestra una vista transversal del poste formado por la película
de SiNx+titanio, la figura d) muestra el poste formado sólo por la película de titanio.
La forma y dimensiones de los electrodos quedaron sujetas a las
limitaciones técnicas del equipo encargado de fabricar las mascarillas de
cromo y de los equipos utilizados para realizar la foto-litografía. Finalmente
se decidió utilizar un ancho de línea de 3 µm en 4 variantes de electrodos
como se muestra en la figura 4.3 a)-d).
Todos los micro-bolómetros se diseñaron en dos versiones: con
huecos y sin huecos en la parte central de la membrana como se muestra en
la figura 4.3 e)-h). Estos orificios cumplen con la función de facilitar la tarea
de grabado del material de sacrificio.
Así pues, en total se diseñaron 16 diferentes estructuras, las 8
mostradas en las figuras 4.3 y 4.4, con la variante de tener anclas de titanio y
anclas de SiNx+titanio, lo que da un total de 16.
70
a) b)
c) d)
e) f)
g) h)
Figura 4.3. Diseño de las distintas formas de electrodos. Los micro-bolómetros de la
figura a) y b) tienen un porcentaje de área activa respecto del área total de la celda,
β , de 76.9%; el de la figura c) tiene un 59.6% y el de la figura d) tiene un 42.3%. El
micro-bolómetro de la figura e) tiene un porcentaje de área activa respecto del área
total de la celda, β , de 75.5%; el de la figura f) tiene un 74.9%; el de la figura g)
tiene un 57.6% y el de la figura h) tiene un 40.3%.
71
La polarización se realiza a través de dos electrodos fabricados con la
primera película depositada de aluminio, las dimensiones del electrodo son lo
suficientemente grandes para utilizar micro-puntas. En la figura 4.4 A) se
muestran las dimensiones de los electrodos de polarización. Además de los
electrodos fabricados con la primera capa de aluminio se delimitó un área
que cumple con la función de espejo para reflejar la radiación IR que no fue
absorbida por la película termo-sensora. Se tienen tres diseños distintos de
esta película reflejante, la cual se adapta a todas las estructuras como se
muestra en la figura 4.4 b).
a)
b)
Figura 4.4. a) Electrodos de polarización. b) Sección de aluminio diseñada para
reflejar la radiación infrarroja que no fue absorbida por la membrana suspendida.
4.2 Diseño del Layout
El diseño del layout comprende 16
diagrama de la figura 4.
diseñados.
Figura 4.5. Diagrama general de los distintos tipos de micro
La figura 4.6 muestra las 16 diferentes estructuras de micro
bolómetros diseñadas, como se aprecia, son
membranas con 2 variantes de postes (t
la densidad de integración dentro de cada dado se incluyeron dos estructuras
iguales por cada tipo de micro
completo del layout compuesto por cuatro mascarillas.
La mascarilla #1 se utiliza para definir los electrodos de polarización
con la película de aluminio. La mascarilla #2 se utiliza para definir las
ventanas en la película se sacrificio (
formación de los postes de soporte. La mascarilla #3 se utiliza para definir los
patrones de tres películas: la membrana de soporte, la película termo
sensora y la película absorbedora. La mascarilla #4 se utiliza para definir los
electrodos de titanio. Las mascarillas #1 y #3 se fabricaron en campo claro y
sin huecos
poste de titanio
4 diseños
titanio+SiN
l diseño del layout comprende 16 estructuras de prueba distintas
de la figura 4.5 muestra los distintos tipos de micro
. Diagrama general de los distintos tipos de micro-bolómetros diseñados
La figura 4.6 muestra las 16 diferentes estructuras de micro
eñadas, como se aprecia, son 8 estructuras diferentes de
con 2 variantes de postes (titanio y SiNx+titanio). Para aumentar
la densidad de integración dentro de cada dado se incluyeron dos estructuras
iguales por cada tipo de micro-bolómetro. La figura 4.7 muestra el diseño
mpuesto por cuatro mascarillas.
La mascarilla #1 se utiliza para definir los electrodos de polarización
con la película de aluminio. La mascarilla #2 se utiliza para definir las
película se sacrificio (poliimida), las cuales permiten la
formación de los postes de soporte. La mascarilla #3 se utiliza para definir los
patrones de tres películas: la membrana de soporte, la película termo
sensora y la película absorbedora. La mascarilla #4 se utiliza para definir los
dos de titanio. Las mascarillas #1 y #3 se fabricaron en campo claro y
Micro-bolómetros
sin huecos
poste de titanio+SiNx
4 diseños
con huecos
poste de titanio
4 diseños
poste de titanio+SiN
4 diseños
72
estructuras de prueba distintas. El
muestra los distintos tipos de micro-bolómetros
bolómetros diseñados.
La figura 4.6 muestra las 16 diferentes estructuras de micro-
8 estructuras diferentes de
Para aumentar
la densidad de integración dentro de cada dado se incluyeron dos estructuras
muestra el diseño
La mascarilla #1 se utiliza para definir los electrodos de polarización
con la película de aluminio. La mascarilla #2 se utiliza para definir las
uales permiten la
formación de los postes de soporte. La mascarilla #3 se utiliza para definir los
patrones de tres películas: la membrana de soporte, la película termo-
sensora y la película absorbedora. La mascarilla #4 se utiliza para definir los
dos de titanio. Las mascarillas #1 y #3 se fabricaron en campo claro y
poste de titanio+SiNx
4 diseños
73
las mascarillas #2 y #4 en campo oscuro. El dado mide en la parte externa
4020 µm x 4020 µm.
Figura 4.6. Tipos de estructuras diseñadas (sólo muestran las mascarillas #3 y #4).
El poste de titanio indica que las bases que sostienen la membrana son sólo de
titanio, mientras que en el otro caso son postes de SiNx+titanio.
POSTE DE TITANIO
E01 E02 E03 E04
E05 E06 E07 E08
POSTE DE NITRURO+TITANIO
E43 E44 E45 E46
E47 E48 E49 E50
Figura 4.7. Diseño de layout compuesto por 4
micro-bolómetros.
4.3 Diseño del proceso de fabricación de micro
Los materiales utilizados para fabricar el micro
varios requisitos, algunos de los cuales ya se han discutido antes. En general
los materiales involucrados deben ser compatibles con los utilizados en los
procesos de fabricación
deben superar los 450 °
mantenerse al mínimo necesario para reducir
proceso. Como ejemplo representativo de la fabricación de los distintos
micro-bolómetros la figura 4.8
El proceso general se puede dividir en 8
Diseño de layout compuesto por 4 mascarillas para la fabricación de
4.3 Diseño del proceso de fabricación de micro-bolómetros
Los materiales utilizados para fabricar el micro-bolómetro deben cumplir con
varios requisitos, algunos de los cuales ya se han discutido antes. En general
los materiales involucrados deben ser compatibles con los utilizados en los
procesos de fabricación de CI’s o MEMS. Las temperaturas de dep
deben superar los 450 °C. El número de mascarillas utilizadas debe
mantenerse al mínimo necesario para reducir la complejidad del post
Como ejemplo representativo de la fabricación de los distintos
la figura 4.8 presenta el flujo de proceso de una
se puede dividir en 8 pasos.
74
mascarillas para la fabricación de los
bolómetro deben cumplir con
varios requisitos, algunos de los cuales ya se han discutido antes. En general
los materiales involucrados deben ser compatibles con los utilizados en los
o MEMS. Las temperaturas de depósito no
C. El número de mascarillas utilizadas debe
la complejidad del post-
Como ejemplo representativo de la fabricación de los distintos
una estructura.
Paso 1. Oxidación de la oblea de silicio
Paso 2. Depósito de la película de aluminio y definición de los electrodos
de polarización y espejo reflector de IR
Paso 3. Depósito de
SiNx como material enmascarante para grabado de patrones en poliimida,
después de este paso
c-Si SiO2
Oxidación de la oblea de silicio
Depósito de la película de aluminio y definición de los electrodos
polarización y espejo reflector de IR
Mascarilla #
Depósito de película de sacrificio (poliimida) y curado (depósito de
como material enmascarante para grabado de patrones en poliimida,
este paso el SiNx se retira por grabado seco)
Mascarilla #2
2 Al Poliimida Película
termo-sensora
SiNx
75
Depósito de la película de aluminio y definición de los electrodos
Mascarilla #1
y curado (depósito de
como material enmascarante para grabado de patrones en poliimida,
Mascarilla #2
Película
sensora
Ti
76
Paso 4. Depósito de nitruro de silicio para definir la membrana de soporte
Mascarilla #3
Paso 5. Depósito de titanio y definición de electrodos por lift-off
Mascarilla #4
Paso 6. Depósito de película termo-sensora
c-Si SiO2 Al Poliimida Película
termo-sensora
SiNx Ti
77
Paso 7. Depósito de nitruro de silicio como película absorbedora de IR y
definición de patrones por grabado seco de la membrana de SiNx y la
película termo-sensora
Mascarilla #3
Paso 8. Grabado de poliimida con plasma de oxígeno
Figura 4.8 Flujo del proceso de fabricación de un micro-bolómetro.
Todos los micro-bolómetros se fabricaron con los mismos pasos que
se describieron arriba. Como se puede ver, la estructura descrita
anteriormente, tiene la membrana soportada por postes de SiNx+titanio, en el
caso de las membranas que son soportadas por postes de titanio la
mascarilla #3 tiene variaciones en las dimensiones de la ventanas (indicadas
c-Si SiO2 Al Poliimida Película
termo-sensora
SiNx Ti
78
en la figura 4.2) y que afectan desde el paso de fabricación No. 4 descrito
arriba.
A continuación se describirá a detalle los aspectos técnicos
involucrados en cada paso de fabricación y las consideraciones que se
tomaron para la elección de los materiales que conforman la estructura del
sensor.
Paso 1. Oxidación inicial de la oblea de silicio
Este paso se realiza para obtener una película que ayude a aislar
eléctricamente a los micro-bolómetros y para obtener una superficie plana
sobre la cual fabricar. Normalmente al final de la fabricación del circuito
integrado se realiza una etapa de planarizado por medio de pulido químico
mecánico (CMP), sin embargo si esta etapa no se lleva a cabo la superficie
de los dispositivos puede presentar severas irregularidades en su topografía
[2.10]. En la figura 4.9 se muestra un arreglo de micro-bolómetros fabricados
sobre una oblea sin planarizar.
Figura 4.9. Micro-bolómetros con área activa de 31x31 µm2 fabricados sobre una
superficie sin planarizar, las flechas indican las irregularidades causadas por las
líneas de interconexión del circuito de lectura [2.27].
79
Por lo tanto la capa de óxido de silicio debe cumplir con la tarea del
aislamiento eléctrico y además ayudar a planarizar la superficie de los
dispositivos en caso de que la oblea no fuese tratada con un pulido químico
mecánico (CMP) al final de la fabricación del circuito de lectura.
La película de óxido de silicio típicamente puede depositarse a baja
temperatura por APCVD a 400 °C, agregando dopantes como fósforo y boro
se favorece el reflujo, atrapamiento de iones metálicos y se evita la fractura
por diferencias en coeficientes de expansión térmica entre el SiO2, las
interconexiones metálicas y el substrato [4.4]. La técnica APCVD permite
elevadas razones de depósito de SiO2 con lo cual se pueden cubrir trincheras
entre líneas de metal, pero si no se realiza una etapa de reflujo (>900 °C
para PSG y ~800 °C para BPSG) la topografía de la superficie seguirá
presentando irregularidades que dificultan las etapas de fotolitografía [4.5,
4.6, 2.10]. También se pueden obtener superficies suaves utilizando
precursores de oxido de silicio en estado líquido como el spin-on glass
(SOG). Normalmente se obtienen sus mejores características después de
una etapa de curado de 400-900 °C, pero si es diluido en agua deionizada la
temperatura necesaria para evaporar los solventes se puede reducir a 200
°C obteniendo un índice de refracción de ~1.45 [4.7, 4.8].
En este trabajo se han fabricado micro-bolómetros individuales a
modo de estructuras de prueba. Por tal motivo, el proceso de fabricación ha
iniciado con obleas de silicio sin ningún dispositivo fabricado previamente (4
obleas de silicio 100 tipo p de 2 pulgadas y 4 obleas silicio 100 tipo n de 2
pulgadas). El proceso comienza con la etapa de limpieza general que
consiste de:
1. Limpieza con tricloroetileno
2. Limpieza con acetona
3. Limpieza con solución HF 7:1
4. Limpieza RCA 1 y RCA 2
5. Enjuague en agua deionizada en el sistema súper Q
80
La oxidación inicial se realizó en un ambiente húmedo a 1000 °C
durante 24 minutos, después una etapa de densificado en ambiente de
nitrógeno (60 s.s.) a 1000 °C por 30 minutos. Con esto se obtuvo un óxido
con espesor promedio de 1890 Å y un índice de refracción de n=1.455.
Paso 2. Depósito de la película de aluminio
La película de aluminio cumple con dos funciones: formar los electrodos para
polarizar con micropuntas y formar un espejo para reflejar la radiación
infrarroja que no fuese absorbida por la membrana suspendida. En este
trabajo se decidió utilizar aluminio debido a que es un metal ampliamente
utilizado en la industria microelectrónica, además de que el método de
depósito es un proceso rutinario en el laboratorio de microelectrónica del
INAOE.
Considerando que la profundidad de piel del aluminio para el rango de
longitudes de onda de 1-15 µm es de ~4.7-18.4 nm, el espesor equivalente a
5 profundidades de piel, ~92 nm, sería suficiente para reflejar casi toda la
radiación incidente. Sin embargo con este espesor el metal puede sufrir
daños por la presión ejercida con las micropuntas usadas durante las
pruebas de caracterización. Por lo que el espesor de la película de aluminio
que se utilizó fue de 400 nm por evaporación por haz de electrones con una
razón de depósito de 12 Å/seg.
Después del depósito se realiza fotolitografía con la mascarilla #1
(sección 4.2) y grabado húmedo utilizando una solución Al-etch
(H3PO4+CH3COOH+HNO3) a 40 °C para definir los patrones que conforman
los electrodos de polarización y el espejo reflector de IR. La figura 4.10
muestra los patrones definidos en la película de aluminio.
81
Figura 4.10. Definición de electrodos de polarización y espejo reflector de IR.
Paso 3. Depósito de poliimida y grabado de patrones
En la literatura se pueden encontrar distintos materiales que se han utilizado
como material de sacrificio en la fabricación de micro-bolómetros como:
poliimida [2.11, 2.12, 2.17, 2.20, 2.21, 2.24-2.26, 4.9-4.11], aluminio [2.23],
PSG [4.12], etc. Sin embargo el aluminio y el PSG son grabados con
soluciones que pueden llevar a problemas de colapso de muchas
estructuras. Al utilizar estos materiales de sacrificio se debe desarrollar una
buena técnica de liberación, como por ejemplo la siguiente:
1. Grabado
2. Enjuague en agua deionizada
3. Sumergir en alcohol isopropílico
4. Evaporación en parrilla (70-80 °C)
82
No obstante, aún tomando estas precauciones, el diseño de la
estructura debe ser robusto para soportar este tipo de liberación. También se
debe tomar en cuenta que las soluciones utilizadas para grabar (solución Al-
etch, HF) también pueden grabar alguna de las películas que conforman el
micro-bolómetro.
El uso de poliimida como material de sacrificio tiene grandes ventajas,
ya que la temperatura de curado puede ajustarse por debajo de los 400 °C.
La liberación de la estructura se hace por plasma de oxigeno, por lo que se
evitan problemas de colapso por tensión superficial entre la solución
grabante y la membrana suspendida como sucede con los otros materiales
de sacrificio.
Se eligió trabajar con la poliimida PI-2610 de la marca HD
MicroSystems. Esta permite obtener espesores de 1-2.5 µm por cada
depósito (hasta cuatro capas antes del curado final) y tiene una baja
resistencia al grabado con plasma de O2 y O2+CF4. Por otro lado es muy
resistente al grabado con sustancias como acetona, ácido fluorhídrico,
hidróxido de potasio, solución piraña (H2SO4+H2O2). También presenta una
excelente resistencia al grabado con plasmas de CF4, lo cual es
particularmente bueno, ya que en algunos casos la poliimida estará expuesta
a este tipo de plasma. En otras series de poliimidas ofrecidas por el
fabricante se pueden definir patrones por fotolitografía antes de la etapa de
curado, sin embargo presentan una elevada resistencia al grabado con
plasma de O2 (según datos del fabricante) lo cual conduciría a tiempos de
liberación de las estructuras excesivamente largos.
Para obtener un espesor de 2.5 µm de poliimida las condiciones de
depósito fueron las siguientes:
• Aplicación de promotor de adherencia VM651 de la marca HD
MicroSystems a una concentración de 0.1% (diluido en agua
83
deionizada) y centrifugado a 3000 rpm por 30 segundos. Finalmente
curado a 110 °C durante 60 segundos en parrilla.
• Aplicación de poliimida PI-2610, centrifugado por 12 segundos con
aceleración de 250 rpm/seg, centrifugado a 3000 rpm por 30
segundos, finalmente centrifugado por 12 segundos con
desaceleración de 250 rpm/seg (ver apéndice A).
• Precocido por 90 segundos a 90 °C seguido de otros 90 segundos a
150 °C en parrilla.
• Curado final en horno de convección con temperatura inicial de 150 °C
y aumento gradual hasta alcanzar la temperatura final. Mantener la
muestra por 30 minutos y enfriado lento a temperatura ambiente. (Ver
el apéndice A para obtener más detalles acerca del procedimiento de
depósito y curado de la poliimida).
Una vez que se tiene la película de poliimida curada se deposita una
película de nitruro de silicio por PECVD para utilizarla como enmascarante
durante el grabado de patrones (abrir ventanas en la película de poliimida)
utilizando las condiciones de la tabla 4.1. Con esto se obtuvo una película de
SiNx con espesor de ~5400 Å. Enseguida se realizó la fotolitografía utilizando
la mascarilla #2 (sección 4.2) para definir patrones de 6x6 µm2.
Tabla 4.1. Condiciones de depósito de SiNx en PECVD usada como enmascarante.
SiH4 @ 10% en H2
(sccm)
N2 (sccm)
Temperatura (°C)
Potencia (Watts)
Presión (mTorr)
Tiempo (min)
Rotación (rpm)
100 300 200 300 600 30 2
De una caracterización previa y además utilizando pilotos durante el
depósito de la película de nitruro de silicio se obtuvieron las condiciones de
grabado para definir ventanas (cabe aclarar que esta película de SiNx sirve
84
de enmascarante). Los parámetros utilizados en el equipo micro-RIE
Technics 800 fueron los mostrados en la tabla 4.2.
Tabla 4.2. Condiciones de grabado sistema micro-RIE Technics 800 para definir los
patrones en la película de SiNx.
Potencia (Watts)
Presión (mTorr) Gas Tiempo
(min) 250 300 CF4 9
Una vez concluido el tiempo de grabado se procede a una inspección
en el microscopio para verificar la uniformidad sobre toda la oblea. Enseguida
la oblea se somete a un grabado con plasma de O2 con el objetivo de abrir
ventanas en la película de poliimida, para esto se utilizó el equipo micro-RIE
Technics 800 con las condiciones de la tabla 4.3. Después de este paso de
grabado se utilizó un sistema de grabado por plasma ICP-RIE de la marca
INTERCOVAMEX. Las condiciones de grabado fueron las que se muestran
en la tabla 4.4.
Tabla 4.3. Condiciones de grabado de poliimida en sistema micro-RIE Technics 800
Potencia (Watts)
Presión (mTorr) Gas Tiempo
(min) 250 150 O2 ~30
Tabla 4.4. Condiciones de grabado de poliimida en sistema ICP-RIE
Potencia ICP aplicada 400 Watts
Potencia ICP reflejada 11 Watts
Potencia RIE aplicada 200 Watts
Potencia RIE reflejada 5 Watts
DC Bias 120 Volts
Presión 10 mTorr
Flujo de O2 10 sccm
Temperatura de la muestra ~28 °C
Tiempo 30 segundos
85
Este último paso de grabado en el sistema ICP-RIE se utilizó para
asegurar que no permaneciera una delgada película de poliimida en el fondo
de las cavidades, ya que según la hoja de datos del fabricante la resistividad
de la película es >1016 Ω·cm. Terminada la segunda etapa de grabado de
poliimida se procedió a eliminar la película de SiNx que sirvió de
enmascarante utilizando las condiciones de la tabla 4.5. La película de
fotoresina que había sido utilizada para proteger el SiNx usado como
enmascarante durante la definición de patrones fue totalmente eliminada
durante la etapa de grabado de poliimida. La figura 4.11 muestra los patrones
correspondientes a la mascarilla #2 después de las dos etapas de grabado.
Tabla 4.5. Condiciones de grabado en sistema micro-RIE Technics 800 de SiNx
usado como enmascarante.
Potencia (Watts)
Presión (mTorr) Gas Tiempo
(min) 250 300 CF4 9
Figura 4.11. Patrones definidos en la película de poliimida despues de haber
grabado la pelicula de SiNx usada como enmascarante.
86
Paso 4. Depósito de SiNx para definir la membrana de soporte
La película utilizada como membrana, en conjunto con el diseño de los
brazos de soporte, debe proveer un excelente aislamiento térmico con el
substrato y a la vez mantener una reducida masa térmica. De hecho,
realizando una caracterización sistemática y cuidadosa de la película termo-
sensora para disminuir su esfuerzo residual y maximizando propiedades
como el TCR, conductividad eléctrica, etc., se puede prescindir de la
membrana de soporte. Esta aproximación es ventajosa ya que la
responsividad es inversamente proporcional al espesor de la membrana y se
evitan problemas de colapso por desbalance de esfuerzos residuales entre
distintas películas.
En la sección 2.3.1 se mencionaron algunos materiales utilizados para
la fabricación de la membrana de soporte. El SiOx y el SiNx son de particular
interés por su reducida conductividad térmica de 1.3-1.4 W/mK y 13-30
W/mK respectivamente. Además son atractivos por que pueden depositarse
a baja temperatura (evaporación, sputtering, PECVD). La estabilidad
mecánica de la membrana se puede evaluar tomando en cuenta el módulo
de Young. Para el SiNx depositado por PECVD se encuentra en el rango de
106-198 GPa para temperaturas de depósito de 125-300 °C [4.13] y de 162
GPa a 400 °C [4.14]. Para el óxido de silicio depositado por PECVD a 400 °C
es de 70 GPa, de 92 GPa por evaporación resistiva (25 °C) [4.15] y de 48-85
GPa crecido térmicamente a 1100 °C [4.14]. Los parámetros presentados
varían de un sistema de depósito a otro, pero en general el SiNx resulta mejor
en cuanto a estabilidad mecánica, y su relativa elevada conductividad térmica
respecto del oxido de silicio se puede mitigar con el diseño de los brazos de
soporte para reducir la conductancia térmica [4.16].
En la fabricación de los micro-bolómetros de este trabajo se utilizó
SiNx para la membrana de soporte, depositado por PECVD con las
condiciones de la tabla 4.6.
87
Tabla 4.6. Condiciones de depósito de SiNx en PECVD usada como membrana de
soporte.
SiH4 @ 10% en H2
(sccm)
N2 (sccm)
Temperatura (°C)
Potencia (Watts)
Presión (mTorr)
Tiempo (min)
Rotación (rpm)
100 300 200 300 600 44 2
Bajo estas condiciones se consigue una película de SiNx con espesor
de ~8000 Å. Después del depósito, se realiza la etapa de fotolitografía con la
mascarilla #3 (sección 4.2) y se graban los patrones con plasma de CF4
utilizando el equipo micro-RIE Technics 800 con las condiciones de la tabla
4.7. En seguida la oblea se somete a un tratamiento térmico en el sistema
SILOX APCVD a 200 °C durante 4 horas en ambiente de nitrógeno (20 s.s.)
para mejorar las propiedades del nitruro de silicio, como lo es la resistencia al
grabado en una solución búfer 7:1 de ácido fluorhídrico. La tabla 4.8 muestra
los cambios observados antes y después del tratamiento térmico para dos
muestras de SiNx depositadas previamente.
Tabla 4.7. Condiciones de grabado en sistema micro-RIE Technics 800 de SiNx
usado como membrana de soporte.
Potencia (Watts)
Presión (mTorr) Gas Tiempo
(min) 250 300 CF4 13
Tabla 4.8. Índice de refracción y razón de grabado en solución de ácido fluorhídrico
para SiNx depositado por PECVD antes y después del tratamiento térmico.
Muestra 1 Muestra 2 Tratamiento térmico
@ 200 °C No 2 hrs No 4 hrs
Índice de refracción, n 2.143 2.12 2.065 1.993
Razón de grabado en HF (Å/min) 579 447 428 375
88
En ambos casos las películas de prueba de SiNx tienden a aumentar la
resistencia al grabado con HF, tomando en cuenta que el Si3N4 depositado
por LPCVD presenta una razón de grabado de ~80 Å/min [4.17]. También el
índice de refracción disminuye ligeramente, posiblemente se deba a la
formación de un óxido en la superficie de la película.
Se ha encontrado que en películas semiconductoras amorfas
obtenidas por PECVD el exceso de hidrógeno contribuye a aumentar el
esfuerzo residual de compresión [4.18], por lo que un menor contenido de
hidrógeno reduciría los esfuerzos residuales. La figura 4.12 muestra un
espectro de absorción FTIR para la muestra #2 antes y después del
tratamiento térmico de 4 horas en ambiente de N2. Como se puede ver la
magnitud de los picos localizados en los números de onda 3327, 1541 y 1180
cm-1 asociados con enlaces de hidrógeno se redujeron después del
tratamiento térmico, indicando que se ha eliminado parcialmente el exceso
de hidrógeno incorporado en la película a partir del SiH4.
3500 3000 2500 2000 1500 1000 500
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6 Sin tratamiento térmico Tratamiento térmico de 4 hrs
Ab
sorb
anci
a (U
. A.)
Número de onda (cm-1)
N-H2
scissors
1541 cm-1
Si-H stretching
2175 cm-1
N-H stretching3327 cm-1
N-H bending1180 cm-1
Si-N stretching835 cm-1
Si-N breathing474 cm-1
Figura 4.12. Espectro de absorción FTIR para una muestra de nitruro de silicio
antes y después del tratamiento térmico de 4 hrs.
89
En la figura 4.13 se ilustran mediciones de rugosidad superficial
obtenida por AFM para una muestra antes y después del tratamiento térmico
de 4 horas. Se puede ver que el tratamiento térmico ayuda a reducir la
rugosidad superficial rms de 5.77 nm a 3.08 nm manteniendo la misma
temperatura que se usó para su depósito.
a) b)
Figura 4.13. Rugosidad superficial de SiNx depositada sobre silicio cristalino. La
imagen a) corresponde a una muestra sin tratamiento térmico (Rq=5.77 nm). La
figura b) muestra la rugosidad superficial después del tratamiento térmico de 4 hrs a
200 °C en ambiente de N2 (Rq=3.08 nm).
Paso 5. Depósito de titanio y definición de electrodos por lift-off
Para formar el electrodo que hará el contacto eléctrico con la película termo-
sensible se desea que tenga una baja resistividad eléctrica y térmica.
Además debe ser compatible con los procesos estándar CMOS, y de
preferencia que su costo sea bajo. En la tabla 4.9 se muestra la
conductividad térmica y resistividad eléctrica algunos de los metales usados
en la fabricación circuitos integrados y MEMS.
Rq=5.77 nm Rq=3.08 nm
90
Tabla 4.9. Propiedades eléctricas y térmicas de algunos metales [4.19, 4.20].
Metal Conductividad térmica (W/m·K)
Resistividad eléctrica (µΩ·cm)
Aluminio 237 2.7
Cobre 401 1.7
Oro 317 2.4
Plata 429 1.58
Cromo 93.7 12.9
Titanio 21.9 42
Tungsteno 174 5.5
Para la fabricación de los electrodos se eligió el titanio, aunque es más
resistivo que el resto de metales, posee una baja conductividad térmica y es
un metal ampliamente utilizado en la fabricación de circuitos integrados
CMOS. Antes de depositar la película de titanio se realizo fotolitografía
utilizando la mascarilla #4 (sección 4.2). Durante el desarrollo del trabajo
experimental se tuvieron problemas para definir el tiempo necesario de
revelado para retirar la fotoresina de las zonas que estuvieron expuestas a la
luz UV y al mismo tiempo tratando de mantener paredes verticales. Para todo
el proceso de fabricación se utilizó la fotoresina positiva AZ® ECI 3027, la
cual no es adecuada para la técnica de lift-off, por lo que se implementó un
paso intermedio de limpieza con plasma de O2. Justo antes de depositar la
película de titanio se sometió la oblea a un grabado en plasma de O2 en el
sistema micro-RIE Technics 800 para eliminar restos de fotoresina en los
patrones definidos en la oblea (descumming), las condiciones utilizadas
fueron las que se muestran en la tabla 4.10.
Tabla 4.10. Condiciones utilizadas en el sistema micro-RIE Technics 800 para
limpiar restos de fotoresina.
Potencia (Watts)
Presión (mTorr) Gas Tiempo
(min) 150 200 O2 1
91
Después de haber concluido la etapa de limpieza se verificó la
integridad de los patrones definidos en la fotoresina. Después se procedió a
depositar la película de titanio por evaporación por haz de electrones con una
razón de depósito de ~5 Å/seg y con el carrusel girando, para obtener
finalmente un espesor de 2500 Å. En seguida la oblea se sumergió en
acetona durante 15 minutos en un vibrador ultrasónico para remover la
fotoresina y el metal sobrante formando así los electrodos del micro-
bolómetro.
Paso 6. Depósito de la película termo-sensora
Se usaron 8 distintas películas termo-sensoras, las cuales se depositaron en
el mismo sistema de PECVD utilizado para el depósito de las películas de
SiNx. En el siguiente capítulo se hablara mas a detalle acerca de las
condiciones de depósito utilizadas y de la caracterización que se realizó
previamente.
Paso 7. Depósito de SiNx como película absorbedora de IR
Se utilizaron películas de SiNx depositado por PECVD como película
absorbedora, las condiciones que se usaron fueron las reportadas en [4.21] a
excepción de la temperatura que se redujo de 350 °C a 200 °C. En las
películas de SiNx depositadas con esas condiciones se observó una fuerte
absorción de IR en el rango λ=10-13 µm que fue asociado al enlace Si-N
localizado entre 830-840 cm-1 [2.41]. Por lo tanto ésta película tiene la
ventaja de que se puede depositar en el mismo equipo utilizado para
depositar la película termo-sensora. La tabla 4.11 muestra las condiciones
utilizadas en este trabajo. Con esto se obtuvo un espesor de SiNx de ~2000
Å. Después del depósito, se realizó la fotolitografía con la mascarilla #3
(seccion4.2) y los patrones en la película termo-sensora junto con la película
92
absorbedora fueron definidos por grabado con plasma de CF4, utilizando el
sistema micro-RIE Technics 800 con las condiciones de la tabla 4.12.
Tabla 4.11. Condiciones de depósito de SiNx en PECVD usada como película
absorbedora.
SiH4 @ 10% en H2
(sccm)
N2 (sccm)
Temperatura (°C)
Potencia (Watts)
Presión (mTorr)
Tiempo (min)
Rotación (rpm)
100 300 200 300 600 12 2
Tabla 4.12. Condiciones utilizadas en el sistema micro-RIE Technics 800 para
definir los patrones de la película termo-sensora y absorbedora.
Potencia (Watts)
Presión (mTorr) Gas Tiempo
(min) 250 3000 CF4 ~15
Debido a la diferencia en la razón de grabado para cada película
termo-sensora los tiempos de grabado oscilaron de 1-2 minutos para cada
caso.
Paso 8. Grabado de poliimida con plasma de oxígeno
Finalmente las estructuras fueron liberadas utilizando plasma de O2 en un
equipo Asher Branson L2101 de tipo barril. La tabla 4.13 muestra las
condiciones de grabado se usaron.
Tabla 4.13. Condiciones utilizadas en el sistema Asher Branson L2101 para grabar
el material de sacrificio.
Potencia (Watts)
Presión (mTorr)
O2 (sccm)
Tiempo (min)
Temperatura máxima
(°C) 800 800 600 104 200
El grabado de la poliimida se realizó en 13 etapas
minutos de grabado con 20 minutos de enfriamiento para evitar elevar la
temperatura de la oblea por encima de los 200 °
muestran estructuras de prueba donde se verificó el grabado de poliimida
acelerado por los huecos en las membranas
Figura 4.14. Grabado parcial de la poliimida, las 4 estructuras tienen el mismo
tiempo de grabado. Las flechas indican la dirección en la que avanza el grabado.
En la figura 4.15
ciclos de grabado del materia
imágenes amplificadas.
mediante microscopia electrónica de barrido (SEM) en el equipo JEOL
JSM7000F ubicado en el Centro de Investigación en Ciencia y Tecnología
El grabado de la poliimida se realizó en 13 etapas que consisten de
minutos de grabado con 20 minutos de enfriamiento para evitar elevar la
la oblea por encima de los 200 °C. En la
muestran estructuras de prueba donde se verificó el grabado de poliimida
acelerado por los huecos en las membranas utilizando el sistema ASHER.
. Grabado parcial de la poliimida, las 4 estructuras tienen el mismo
Las flechas indican la dirección en la que avanza el grabado.
la figura 4.15 se muestran los micro-bolómetros después de los 13
ciclos de grabado del material de sacrificio y en la figura 4.16 se muestran las
imágenes amplificadas. Los micro-bolómetros fabricados fueron observados
mediante microscopia electrónica de barrido (SEM) en el equipo JEOL
JSM7000F ubicado en el Centro de Investigación en Ciencia y Tecnología
93
que consisten de 8
minutos de grabado con 20 minutos de enfriamiento para evitar elevar la
C. En la figura 4.14 se
muestran estructuras de prueba donde se verificó el grabado de poliimida
el sistema ASHER.
. Grabado parcial de la poliimida, las 4 estructuras tienen el mismo
Las flechas indican la dirección en la que avanza el grabado.
bolómetros después de los 13
l de sacrificio y en la figura 4.16 se muestran las
s fabricados fueron observados
mediante microscopia electrónica de barrido (SEM) en el equipo JEOL-
JSM7000F ubicado en el Centro de Investigación en Ciencia y Tecnología
Aplicada de la UACJ y en el equipo Hitachi S
microelectrónica del INAOE. Se depositó una
(200 Å) por evaporación por haz de electrones sobre las estructuras para
mejorar la conductividad de las muestras y así mejorar la definición en el
microscopio electrónico de barrido
estructuras observados por el SEM.
a)
c)
e)
g)
Figura 4.15. Micro-bolómetros completamente liberados, versiones sin huecos en
las membranas: a), b), c), d)
Aplicada de la UACJ y en el equipo Hitachi S-510 del laboratorio de
el INAOE. Se depositó una película delgada de aluminio
(200 Å) por evaporación por haz de electrones sobre las estructuras para
la conductividad de las muestras y así mejorar la definición en el
microscopio electrónico de barrido. La figura 4.17 muestra
estructuras observados por el SEM.
b)
d)
f)
h)
bolómetros completamente liberados, versiones sin huecos en
d); versiones con huecos en las membranas
94
510 del laboratorio de
delgada de aluminio
(200 Å) por evaporación por haz de electrones sobre las estructuras para
la conductividad de las muestras y así mejorar la definición en el
estra algunas
bolómetros completamente liberados, versiones sin huecos en
; versiones con huecos en las membranas: e), f), g), h).
a)
e)
Figura 4.16. Micro-bolómetros completamente liberados, versiones sin huecos en
las membranas: a), b)
a)
c)
Figura 4.17. Vista de los
barrido (SEM). En todas las figuras se observa claramente el exceso de titanio que
no se pudo eliminar durante la definición de patrones por
b) c)
f) g)
bolómetros completamente liberados, versiones sin huecos en
b), c), d). Versiones con huecos en las membranas
b)
d)
. Vista de los micro-bolómetros a través de microscopia electrónica de
. En todas las figuras se observa claramente el exceso de titanio que
no se pudo eliminar durante la definición de patrones por lift-off.
95
d)
h)
bolómetros completamente liberados, versiones sin huecos en
ersiones con huecos en las membranas: e), f), g), h).
bolómetros a través de microscopia electrónica de
. En todas las figuras se observa claramente el exceso de titanio que
96
4.4 Simulación de estructuras de membranas de SiNx
Se llevaron a cabo simulaciones numéricas utilizando el programa comercial
CoventorWare® 2010 para tratar de encontrar el valor del esfuerzo residual
en las películas de nitruro de silicio depositado por PECVD. Primeramente se
realizó un depósito de SiNx con las mismas condiciones de la tabla 4.6 con el
fin de fabricar las membranas de soporte y evaluar su estabilidad después
del proceso de liberación. Como las membranas de SiNx no contienen otra
película apilada, su grado de flexión puede dar una idea del nivel de esfuerzo
residual en dicha película. Después de grabar la película de sacrificio de
poliimida y liberar las membranas, estas fueron observadas por microscopia
electrónica de barrido (SEM) y a partir de la observación del nivel de flexión,
se trató de buscar las propiedades que mediante simulación permitieran
obtener el mismo grado de deformación.
Se encontraron dos situaciones mediante simulación, una es que las
películas de SiNx contienen un elevado nivel de esfuerzo residual y la
segunda es que las películas podrían poseer un valor de módulo de Young
muy bajo. Normalmente la literatura marca que el nitruro de silicio posee un
módulo de Young en el rango de 85-210 GPa [4.17], aunque se han
reportado valores tan bajos como ~40 GPa [4.22]. Para la simulación se
consideró un módulo de Young de 80 GPa y mediante ésta, se encontró que
el esfuerzo de compresión que causa una flexión similar a la observada por
SEM está en el orden de 5000 MPa. Por otro lado considerando un módulo
de Young de 40 GPa el esfuerzo se reduce a un valor de ~2500 MPa.
En las figuras 4.18 y 4.19 se muestran los resultados de la simulación
del desplazamiento vertical y esfuerzo concentrado considerando un módulo
de Young de 40 GPa y un esfuerzo residual de compresión de 2500 MPa
para 2 estructuras diferentes, E49 y E50 (ver figura 4.6). Se encontró que la
máxima concentración de esfuerzo (Von Mises stress) se localiza en la base
de los postes de las membranas con valores de ~8GPa, aunque sólo están
97
localizados en pequeñas zonas cerca de las esquinas de los postes, en un
caso extraordinario podrían llegar a ser importantes, ya que el esfuerzo
máximo que puede soportar el Si3N4 es de 14 GPa [4.23, 4.24].
Figura 4.18. Desplazamiento vertical y esfuerzo concentrado para la estructura E49
considerando únicamente la membrana de soporte de SiNx con un módulo de Young
de 40 GPa y un esfuerzo residual de compresión de 2500 MPa.
Los niveles de esfuerzo residual que se encontraron por simulación
para la película de nitruro de silicio son bastante elevados tomando en
cuenta que el SiNx depositado por PECVD normalmente contiene un nivel de
esfuerzo residual de compresión por debajo de 1 GPa. Sin embargo, en los
micro-bolómetros se utilizan varias películas apiladas y están sujetos a varios
ciclos térmicos por lo que el esfuerzo residual de la película de SiNx que
98
conforma la membrana de soporte podría llegar a disminuir o al menos
compensarse con el esfuerzo residual de las subsecuentes películas. Lo
anterior se deriva del hecho que en las imágenes SEM de los micro-
bolómetros fabricados ninguna estructura muestra un contacto directo entre
la membrana y el sustrato como se puede ver la figura 4.17.
Figura 4.19. Desplazamiento vertical y esfuerzo concentrado para la estructura E50
(ver figura 4.6) considerando únicamente la membrana de soporte de SiNx con un
módulo de Young de 40 GPa y un esfuerzo residual de compresión de 2500 MPa.
Se simuló la distribución de temperatura en los micro-bolómetros
considerando el calentamiento de las membranas por una fuente de
radiación. Para esto se utilizó la función HeatFlux sobre la cara superior de
los micro-bolómetros con una intensidad de 0.07 W/cm2. La temperatura en
99
la base de los postes se restringió a 300 K, mientras que se ignoraron las
pérdidas de calor por convección y radiación. Para esta simulación no se
consideró el esfuerzo residual en ninguna de las películas que conforman el
micro-bolómetro y como película termo-sensora se eligió a-Si:H.
En la figura 4.20 se muestra la distribución de temperatura sobre la
superficie de distintas estructuras, etiquetadas como E01 a E04 con postes
de titanio (ver figura 4.6). Como la base de los postes se restringió a 300 K,
éstos presentan la menor temperatura comparada como los puntos que se
encuentran más alejados sobre la membrana. Como se puede ver, casi toda
el área activa conserva un mismo valor promedio de temperatura por encima
de los 300 K, mientras que la temperatura a lo largo de los brazos de soporte
decae rápidamente hasta alcanzar los 300 K.
En la tabla 4.14 se muestran los resultados del promedio de
incremento en temperatura calculado en el volumen de la membrana. Se
puede ver que para cada grupo de 4 estructuras (con huecos o sin huecos)
hay una estructura que exhibe las mejores características. Así por ejemplo se
tiene que la estructura etiquetada como E02 (figuras 4.6 y 4.20) muestra un
incremento mayor en temperatura comparada con la estructura etiquetada
como E01 (figuras 4.6 y 4.20), posiblemente debido a que los electrodos en
forma de dedos interdigitados colectan una mayor cantidad de calor y la
transfieren hacia el sustrato.
En el caso de las estructuras de poste de SiNx+Ti, etiquetadas como
E43 a E46 (figura 4.6), se tiene que la estructura E46 tiene una mejora
evidente respecto de la estructura E45 cuyos brazos de soporte son más
cortos, y por lo tanto ofrecen un menor aislamiento térmico.
En el caso de las estructuras con huecos en las membranas (E05 a
E08 y E47 a E50 - figura 4.6) se observó que la estructura E05 presenta
mejores características que la estructura E06 debido a que tiene mayor área
activa (ver figura 4.6).
100
Finalmente la estructura E49 muestra mejores características que la
E50, ya que en ésta última el área activa se ha reducido debido a los huecos
en las membranas, por lo que la mejora en aislamiento térmico con brazos de
soporte más largos no ha sido suficiente para superar a la estructura E49.
Figura 4.20. Distribución de temperatura para distintas estructuras considerando
una intensidad de 0.07 W/cm2 y los postes como sumideros de temperatura a 300 K.
E01 E02
E03 E04
101
Tabla 4.14. Incrementos en temperatura para distintos micro-bolómetros.
Poste de titanio Poste de SiNx+titanio
Estructuras sin huecos
E01 E02 E03 E04 E43 E44 E45 E46
Incremento en temperatura, ∆T
(K) 0.097 0.226 0.173 0.202 0.160 0.079 0.153 0.182
Estructuras con huecos E05 E06 E07 E08 E47 E48 E49 E50
Incremento en temperatura, ∆T
(K) 0.244 0.095 0.167 0.194 0.078 0.077 0.360 0.174
4.5 Referencias
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104
CAPÍTULO 5. DIFERENTES PROCESOS DE FABRICACIÓN DE MICRO-
BOLÓMETROS Y SU CARACTERIZACIÓN
5.1 Descripción de 8 diferentes procesos de fabricación de películas
termo-sensoras usadas en micro-bolómetros
Las películas termo-sensoras que se usaron en la fabricación de micro-
bolómetros en este trabajo fueron obtenidas y caracterizadas en trabajos
previos dentro del laboratorio de microelectrónica del INAOE. De la
caracterización de las películas se extrajeron parámetros como rugosidad
superficial, conductividad, energía de activación, TCR, razón de depósito,
absorción en el rango UV-visible, y espectros de absorción por FTIR. En
seguida se mostraran algunas de las propiedades de cada una de las
películas utilizas tomando en cuenta principalmente los valores de TCR y
conductividad eléctrica que se obtuvieron.
Películas termo-sensoras de germanio polimorfo hidrogenado pm-Ge:H
En los distintos experimentos realizados en [2.62] se estudiaron las
propiedades eléctricas y estructurales de películas de pm-Ge:H para distintas
presiones de depósito. Se utilizaron presiones de 600, 1000, 1500, 2000,
2500 mTorr para un flujo de gases de GeH4=50 sccm y de H2=1000 sccm.
Como se comentó antes, se mantuvo la relación de 1:20 en el flujo de gases
precursores para favorecer el crecimiento de nanocristales. De las
mediciones de conductividad en función de la temperatura realizadas en el
rango de 300-400 K se obtuvieron las curvas de la figura 5.1. La energía de
activación Ea se obtuvo como la pendiente del ajuste lineal de la curva de
105
Arrhenius graficando el Ln(σ) en función de 1/kT, donde k es la constante de
Boltzmann.
28 30 32 34 36 38 400.00002
0.00005
0.00012
0.00034
0.00091
0.00248
0.00674
0.01832L
n (
Co
nd
uct
ivid
ad)
( ΩΩ ΩΩ·c
m)-1
1/KT
600 mT - Ea=0.292 1000 mT - Ea=0.294 1500 mT - Ea=0.33 2000 mT - Ea=0.39 2500 mT - Ea=0.34
Figura 5.1. Dependencia de la conductividad con la temperatura para pm-Ge:H.
En la figura 5.2 se muestran las curvas de conductividad y el TCR obtenidas
a partir de la energía de activación graficando en función de la presión de
depósito.
500 1000 1500 2000 2500
0,0
1,0x10-4
2,0x10-4
3,0x10-4
4,0x10-4
5,0x10-4
6,0x10-4
7,0x10-4
8,0x10-4
3,6
3,8
4,0
4,2
4,4
4,6
4,8
5,0
Conductividad
Co
nd
uct
ivid
ad (
ΩΩ ΩΩ·c
m)-1
Presión (mTorr)
TCR
TC
R (
%K
-1)
Figura 5.2. Conductividad y TCR para pm-Ge:H en función de la presión de
depósito.
106
La tendencia en el aumento del TCR es bastante clara para el rango
de 600-2000 mTorr, sin embargo la conductividad cae a valores muy bajos
para valores de TCR elevados. Esta es una característica común en los
semiconductores utilizados como material termo-sensor. En este trabajo se
ha tomado en consideración el valor de TCR y el compromiso que se tiene
con la conductividad, por lo que se escogieron dos procesos de películas
para la fabricación de micro-bolómetros. Las películas seleccionadas se
depositaron a dos presiones de trabajo: 1000 mTorr y 1500 mTorr. Las
condiciones de depósito para ambas películas se describen en la tabla 5.1.
Tabla 5.1. Condiciones de depósito de las películas termo-sensoras de pm-Ge:H
GeH
4 @
10%
en
H2
(scc
m)
H2
(scc
m)
Tem
pera
tura
(°C
)
Pot
enci
a (W
atts
)
Pre
sión
(m
Tor
r)
Tie
mpo
(m
in)
Rot
ació
n (r
pm)
Núm
ero
de p
roce
so
Ea
(eV
)
TC
R (
%K
-1)
σR
T (Ω
·cm
)-1
500 550 200 300 1000 30 2 1178 0.294 3.79 7.5x10-4
500 550 200 300 1500 30 2 1193 0.33 4.2 2.65x10-4
Película termo-sensora de silicio polimorfo hidrogenado dopado con
boro pm-Si:H,B
En [5.1] se estudiaron las características del pm-Si:H cuando es
dopado con bajas cantidades de boro y fósforo. Las películas fueron
caracterizadas eléctricamente para encontrar la dependencia de la
conductividad con la temperatura en el rango de 300-400 K y de la pendiente
de la recta se obtuvo la energía de activación. La figura 5.3 muestra los
resultados encontrados por los autores para el caso de dopado con boro. Al
107
dopar con B2H6 (al 1 % en H2) encuentran que la conductividad se mejora
hasta en 2 órdenes de magnitud respecto de muestras intrínsecas (sin
dopado intencional), manteniendo valores de energía de activación altos, en
el rango de 0.30-0.68 eV. Utilizando los valores de la energía de activación
se obtuvo el TCR para cada película. En la figura 5.4 se graficó el TCR en
conjunto con la conductividad a temperatura ambiente para distintos flujos de
B2H6.
28 30 32 34 36 38 40
7.58256E-10
5.6028E-9
4.13994E-8
3.05902E-7
2.26033E-6
1.67017E-5
B2H6=0 sccm - Ea=0.68
B2H6=5 sccm - Ea=0.44
B2H6=6 sccm - Ea=0.33
B2H6=8 sccm - Ea=0.30
B2H6=10 sccm - Ea=0.35
L
n (
Co
nd
uct
iviv
idad
) ( ΩΩ ΩΩ
·cm
)-1
1/KT
Figura 5.3. Dependencia de la conductividad con la temperatura para pm-Si:H,B.
0 2 4 6 8 10
0,0
1,0x10-7
2,0x10-7
3,0x10-7
4,0x10-7
3,0
4,0
5,0
6,0
7,0
8,0
9,0
Conductividad
Co
nd
uct
ivid
ad (
ΩΩ ΩΩ·c
m)-1
Flujo de B2H6 (sccm)
TCR
TC
R (
%K
-1)
Figura 5.4. Conductividad y TCR para pm-Si:H,B en función del flujo de B2H6.
108
El valor más bajo de TCR se obtuvo para la muestra dopada con un
flujo de 8 sccm de B2H6 con un correspondiente valor de TCR de 0.038 K-1.
Las condiciones de depósito para obtener una película con esas
características se pueden utilizar para comparar el desempeño de micro-
bolómetros fabricados con películas de a-Si:H,B con un TCR de 0.028 K-1
encontrados en la literatura [2.18].
Además, si se aumenta la presión de depósito se puede inducir el
crecimiento de nanocristales, por lo que la estabilidad de la película se puede
ver mejorada al tener una estructura más relajada mientras que la energía de
activación quedará sujeta a la fuerte influencia del nivel de dopado. Se usó
una película de pm-Si:H,B como película termo-sensora en la fabricación de
micro-bolómetros. Las condiciones de depósito utilizadas se muestran en la
tabla 5.2.
Tabla 5.2. Condiciones de depósito de la película termo-sensora de pm-Si:H,B
SiH
4 @
10%
en
H2 (s
ccm
)
B2H
6 @
1%
en
H2 (s
ccm
)
H2
(scc
m)
Tem
pera
tura
(°C
)
Pot
enci
a (W
atts
)
Pre
sión
(m
Tor
r)
Tie
mpo
(m
in)
Rot
ació
n (r
pm)
Núm
ero
de p
roce
so
Ea
(eV
)
TC
R (
%K
-1)
σR
T (Ω
·cm
)-1
500 8 550 200 300 1500 80 2 1195 0.3 3.86 2.53x10-7
Películas termo-sensoras de silicio-germanio polimorfo hidrogenado
pm-SixGey:H
El depósito y caracterización de películas de silicio-germanio polimorfo se
encuentra en la referencia [5.2] y fue realizado en el laboratorio de
109
microelectrónica del INAOE. En dicho trabajo se depositaron dos series de
películas utilizando SiH4, GeH4 e H2 como gases precursores, la presión de la
cámara del reactor se incremento desde 600 mTorr hasta 2000 mTorr. La
primera serie de películas consistió de una razón 1:1 de silano y germano, la
segunda serie de películas consistió de una razón de 9:1 de de silano a
germano. La figura 5.5 muestra los resultados obtenidos de la caracterización
eléctrica en la primera serie (SiH4/GeH4 = 50 sccm/50 sccm) para obtener la
energía de activación a partir de la dependencia de la conductividad con la
temperatura para el rango de 300-400 K.
30 32 34 36 380.00002
0.00005
0.00012
0.00034
0.00091
0.00248
0.00674
SiH4/GeH4= 50 sccm/50 sccm
600 mTorr - Ea=0.34 1000 mTorr - Ea=0.39 1500 mTorr - Ea=0.40 2000 mTorr - Ea=0.33
Ln
(C
on
du
ctiv
idad
) ( ΩΩ ΩΩ
·cm
)-1
1/KT
Figura 5.5. Dependencia de la conductividad con la temperatura para pm-SixGey:H
(SiH4/GeH4 = 50 sccm/50 sccm).
De los valores de energía de activación se obtuvo el TCR y se graficó
en la figura 5.6 en conjunto con la conductividad a temperatura ambiente en
función de la presión de depósito. Se puede ver que existe una región óptima
de presión de depósito centrada en los 1300 mTorr, y a partir de este valor el
valor del TCR disminuye considerablemente. Por otro lado, la conductividad
110
eléctrica disminuye de forma monótona a medida que la presión de la cámara
del reactor aumenta de 600 a 2000 mTorr.
400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 22001E-9
1E-8
1E-7
4,2
4,4
4,6
4,8
5,0
5,2
Conductividad
SiH4/GeH
4= 50 sccm/50 sccm
Co
nd
uct
ivid
ad (
ΩΩ ΩΩ c
m)-1
Presión (mTorr)
TCR
TC
R (
%K
-1)
Figura 5.6. Conductividad y TCR para pm-SixGey:H en función de la presión de
depósito.
Para la segunda serie (SiH4/GeH4 = 90 sccm/10 sccm) se realizó la
caracterización eléctrica para también obtener la energía de activación. La
figura 5.7 muestra los valores de energía de activación obtenidos. Utilizando
los valores de energía de activación se obtuvo el TCR para cada película. La
figura 5.8 muestra el TCR y la conductividad en función de la presión de
depósito.
Como se puede observar, la aleación silicio-germanio con flujos de
gases de 50 sccm para SiH4 y GeH4 (figura 5.6) muestra un incremento de la
conductividad en ~3 órdenes de magnitud comparada con la otra serie,
utilizando flujos de 90 sccm para SiH4 y 10 sccm para GeH4. Así también, a
medida que aumenta la presión de depósito disminuye de forma monótona la
conductividad en ambas series. Por otro lado la variación del TCR también
111
crece a medida que aumenta la presión de la cámara alcanzando su punto
máximo en 1500 mTorr para los dos casos.
28 30 32 34 36 38 40
1.523E-8
4.13994E-8
1.12535E-7
3.05902E-7
8.31529E-7
2.26033E-6
6.14421E-6
1.67017E-5
4.53999E-5
SiH4/GeH
4= 90 sccm/10 sccm
600 mTorr - Ea=0.51 1000 mTorr - Ea=0.53 1500 mTorr - Ea=0.69 2000 mTorr - Ea=0.56
Ln
(C
on
du
ctiv
idad
) ( ΩΩ ΩΩ
·cm
)-1
1/KT Figura 5.7. Dependencia de la conductividad con la temperatura para pm-SixGey:H
(SiH4/GeH4 = 90 sccm/10 sccm).
400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200
1E-11
1E-10
6,5
7,0
7,5
8,0
8,5
9,0 Conductividad
Co
nd
uct
ivid
ad (
ΩΩ ΩΩ·c
m)-1
Presión (mTorr)
TCRSiH
4/GeH
4= 90 sccm/10 sccm
TC
R (
%K
-1)
Figura 5.8. Conductividad y TCR para pm-SixGey:H en función de la presión de
depósito.
112
Para la fabricación de los micro-bolómetros se evitó utilizar las
condiciones de depósito de 2000 mTorr ya que las películas termo-sensoras
presentan la menor conductividad. Se escogieron 5 películas termo-sensoras
de pm-SixGey:H para la fabricación de micro-bolómetros. Las condiciones de
depósito utilizadas se presentan en la tabla 5.3.
Tabla 5.3. Condiciones de depósito de las películas termo-sensoras de pm-
SixGey:H.
SiH
4 @
10%
en
H2
(scc
m)
GeH
4 @
10%
en
H2
(scc
m)
H2
(scc
m)
Tem
pera
tura
(°C
)
Pot
enci
a (W
atts
)
Pre
sión
(m
Tor
r)
Tie
mpo
(m
in)
Rot
ació
n (r
pm)
Núm
ero
de p
roce
so
Ea
(eV
)
TC
R (
%K
-1)
σR
T (Ω
·cm
)-1
500 500 1100 200 300 600 45
2 1181 0.34 4.38 1.54x10-7
1500 47 1185 0.39 5.15 2.09x10-8
900 100 1100 200 300
600 65
2
1187 0.51 6.57 1.36x10-10
1000 56 1189 0.53 6.83 4.94x10-11
1500 52 1191 0.69 8.89 1.22x10-11
Así pues, como se puede ver en las tablas 5.1-5.3 se usaron 8 películas
termo-sensoras.
5.2 Resultado de caracterización eléctrica y obtención del yield
En la sección 3.2 se mencionó que las estructuras funcionales serían
aquellas que no se encontrasen en corto circuito o en circuito abierto. En
cada oblea se probaron eléctricamente 160 estructuras y en total 1280
estructuras (8 obleas), y a partir de los resultados se calculó el porcentaje de
micro-bolómetros en buen estado
las obleas montada en el probador de obleas semiautomático Rucker & Kolls
modelo 681A, se elaboró una tarjeta de prueba pa
bolómetros en cada paso
dado para los distintos proceso
a)
Figura 5.9. a) Probado
micropuntas para polarizar
Tabla 5.4. Porcentaje de estructuras funcionales por dado para los distintos
procesos de fabricación.
Estructuras funcionales
dado 1 dado 2 100% 90% 84% 96% 81% 84%
100% 100% 84% 93% 93% 100% 46% 81%
75% 87% *Para cada oblea se midieron 5 dados y dentro de cada dado se probaron 32
estructuras, dando un total de 160 dispositivos por oblea (proceso).
bolómetros en buen estado (yield). En la figura 5.9 se muestra una de
las obleas montada en el probador de obleas semiautomático Rucker & Kolls
, se elaboró una tarjeta de prueba para medir 4 micro
bolómetros en cada paso. La tabla 5.4 muestra los porcentajes obtenidos por
dado para los distintos procesos de fabricación.
b)
Probador de obleas semiautomático; b) montaje de la oblea con 8
micropuntas para polarizar 4 estructuras a la vez.
. Porcentaje de estructuras funcionales por dado para los distintos
de fabricación.
Estructuras funcionales Proceso
dado 3 dado 4 dado 5 Total 84% 96% 93% 92% 1178
90% 93% 96% 91% 1193
87% 81% 84% 83% 1195
93% 90% 100% 96% 1181
71% 90% 78% 83% 1185
100% 96% 100% 97% 1187
65% 65% 56% 62% 1189
90% 93% 75% 84% 1191se midieron 5 dados y dentro de cada dado se probaron 32
estructuras, dando un total de 160 dispositivos por oblea (proceso).
113
se muestra una de
las obleas montada en el probador de obleas semiautomático Rucker & Kolls
ra medir 4 micro-
muestra los porcentajes obtenidos por
montaje de la oblea con 8
. Porcentaje de estructuras funcionales por dado para los distintos
Proceso Película
1178 pm-Ge:H
1193
1195 pm-Si:H,B 1181
pm-SixGey:H
1185
1187
1189
1191 se midieron 5 dados y dentro de cada dado se probaron 32
estructuras, dando un total de 160 dispositivos por oblea (proceso).
114
Se puede ver que la mayoría de las estructuras se encuentran en buen
estado con varios dados presentando un 100% de micro-bolómetros
funcionales. Por otro lado, se encontraron rendimientos bajos para el proceso
1189 con la película termo-sensora de pm-SixGey:H en el que el yield de los
dados estuvo en el rango de 46% - 81%.
La figura 5.10 muestra el yield de las mediciones de las 8 diferentes
obleas, las cuales contienen 32 dispositivos con 16 diferentes estructuras
(ver figura 4.6). Se puede ver que la estructura con menor número de fallas
fue la etiquetada como E48 alcanzando un rendimiento general de 95%, la
segunda estructura con mayor yield fue la etiquetada como E49 con un
rendimiento de 93.75% mientras que la estructura con menor rendimiento fue
la etiquetada como E05 con un 75% debido principalmente al elevado
número de cortos circuitos que se contabilizaron para dicha estructura.
E1
E2
E3
E4
E5
E6
E7
E8
E43
E44
E45
E46
E47
E48
E49
E50
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Corto circuito Circuito abierto Funcionando
Ren
dim
ien
to g
ener
al (
%)
Tipo de micro-bolómetro
Rendimiento general-1280 micro-bolómetros
Figura 5.10. Porcentaje de micro-bolómetros funcionales (yield eléctrico) después
del proceso de fabricación.
115
Las figuras 5.11 y 5.12 muestran el rendimiento por oblea para los
procesos 1178 y 1193 con las películas termo-sensoras de pm-Ge:H
mostradas en la tabla 5.1. En ambos caso se observan estructuras en circuito
abierto correspondientes al grupo de la E01 a la E04 (figura 4.6).
La figura 5.13 muestra los resultados de yield para la oblea del
proceso 1195 con la película termo-sensora de pm-Si:H,B mostrada en la
tabla 5.2. En este histograma se observan estructuras en corto circuito y
circuito abierto de forma distribuida, aunque las estructuras de la E05 a la
E08 muestran un mayor número de fallas acumuladas.
Las figuras de la 5.14 a la 5.18 muestran los resultados para los
procesos 1181, 1185, 1187, 1189 y 1191 con películas termo-sensoras de
pm-SixGey:H mostradas en la tabla 5.3. Se puede ver que la oblea del
proceso 1181 el número de fallas fue mínimo, con casi todos los micro-
bolómetros funcionando. La oblea del proceso 1185 casi todas las
estructuras presentaron al menos una falla, que se pudo originar por los
problemas de remanentes de la película de titanio después de la etapa de lift-
off. En la oblea del proceso 1187 prácticamente todas las estructuras se
encontraron funcionando, en contraste con la oblea del proceso 1189 con un
nivel de rendimiento muy bajo donde abundaron las estructuras en circuito
abierto principalmente y en menor medida los cortos circuitos. Finalmente en
la oblea del proceso 1191 se encontró un nivel de rendimiento ligeramente
mayor comparado con el proceso 1189. Además en este proceso (figura
5.15) existió un elevado número de cortos circuitos que, aunque se
encuentran distribuidos en la mayoría de las estructuras, se observa una
ligera tendencia a aumentar en el grupo de estructuras de la E46 a la E50.
En particular se consideró la condición de circuito abierto cuando en la
estructura se medían corrientes menores a 1 nA, por otro lado las estructuras
en corto circuito fueron aquellas con corrientes excediendo los 15 µA para
voltajes de polarización menores a 1 mV.
116
E1
E2
E3
E4
E5
E6
E7
E8
E43
E44
E45
E46
E47
E48
E49
E50
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
C o rto c ircu ito C ircu ito ab ie rto Funcionando
Ren
dim
ien
to p
or
ob
lea
(%)
T ipo de m icro-bolóm etro
O blea P1M4, proceso 1178 (pm -G e:H)
Figura 5.11. Rendimiento por oblea para micro-bolómetros con película termo-
sensora de pm-Ge:H del proceso 1178.
E1
E2
E3
E4
E5
E6
E7
E8
E43
E44
E45
E46
E47
E48
E49
E50
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
C orto c ircu ito C ircu ito ab ie rto Funcionando
Ren
dim
ien
to p
or
ob
lea
(%)
T ipo de m icro-bolóm etro
O blea P2M 7, proceso 1193 (pm -G e:H)
Figura 5.12. Rendimiento por oblea para micro-bolómetros con película termo-
sensora de pm-Ge:H del proceso 1193.
117
E1
E2
E3
E4
E5
E6
E7
E8
E43
E44
E45
E46
E47
E48
E49
E50
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
C orto c ircu ito C ircu ito ab ie rto Funcionando
Ren
dim
ien
to p
or
ob
lea
(%)
T ipo de m icro-bolóm etro
O blea P2M8, proceso 1195 (pm -Si:H,B)
Figura 5.13. Rendimiento por oblea para micro-bolómetros con película termo-
sensora de pm-Si:H,B del proceso 1195.
E1
E2
E3
E4
E5
E6
E7
E8
E43
E44
E45
E46
E47
E48
E49
E50
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
C orto c ircu ito C ircu ito ab ie rto Funcionando
Ren
dim
ien
to p
or
ob
lea
(%)
T ipo de m icro-bolóm etro
O blea P2M 1, proceso 1181 (pm -SixG ey:H)
Figura 5.14. Rendimiento por oblea para micro-bolómetros con película termo-
sensora de pm-SixGey:H del proceso 1181.
118
E1
E2
E3
E4
E5
E6
E7
E8
E43
E44
E45
E46
E47
E48
E49
E50
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Corto circuito C ircuito abierto Funcionando
Ren
dim
ien
to p
or
ob
lea
(%)
Tipo de micro-bolómetro
Oblea P2M3, proceso 1185 (pm-SixGey:H)
Figura 5.15. Rendimiento por oblea para micro-bolómetros con película termo-
sensora de pm-SixGey:H del proceso 1185.
E1
E2
E3
E4
E5
E6
E7
E8
E43
E44
E45
E46
E47
E48
E49
E50
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Corto circu ito C ircu ito ab ierto Funcionando
Ren
dim
ien
to p
or
ob
lea
(%)
Tipo de micro-bolómetro
Oblea P2M4, proceso 1187 (pm-SixGey:H)
Figura 5.16. Rendimiento por oblea para micro-bolómetros con película termo-
sensora de pm-SixGey:H del proceso 1187.
119
E1
E2
E3
E4
E5
E6
E7
E8
E43
E44
E45
E46
E47
E48
E49
E50
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
C o rto c ircu ito C ircu ito a b ie rto F u n c io n a n d o
Ren
dim
ien
to p
or
ob
lea
(%)
T ipo d e m icro -b o ló m e tro
O b lea P 2M 5, p ro ceso 1189 (p m -S ix G ey:H )
Figura 5.17. Rendimiento por oblea para micro-bolómetros con película termo-
sensora de pm-SixGey:H del proceso 1189.
E1
E2
E3
E4
E5
E6
E7
E8
E43
E44
E45
E46
E47
E48
E49
E50
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
C orto circu ito C ircu ito ab ierto Funcionando
Ren
dim
ien
to p
or
ob
lea
(%)
Tipo de micro-bolómetro
Oblea P2M6, proceso 1191 (pm-SixGey:H)
Figura 5.18. Rendimiento por oblea para micro-bolómetros con película termo-
sensora de pm-SixGey:H del proceso 1191.
120
5.3 Selección de micro-bolómetros para caracterización con radiación
IR
Las medicines eléctricas para obtener el yield sirvieron además para
monitorear los dados con mayor numero de estructuras funcionales y de esa
manera escoger un dado por oblea para ser empaquetarlo. En cada dado se
alambraron 16 estructuras, la figura 5.19 se muestra un dado empaquetado.
a) b)
Figura 5.19. a) Empaquetado de micro-bolómetros en DIP de 40 pines, b)
alambrado de estructuras utilizando alambre de aluminio de diámetro de 25.4 µm.
Como se puede ver en las imágenes, en realidad los dados se
cortaron en pares debido a que el proceso de cortado con la rayadora de
obleas complicaba obtener dados individuales. Del total de estructuras
incluidas por dado, se alambraron solo 16 distintas ya que el resto son
réplicas que se incluyeron en el layout para aumentar la densidad de
integración. Tomando como referencia la tabla 5.4 para la oblea del proceso
1178 se eligió el dado 1; para los procesos 1193, 1181, 1185, 1187 y 1189 se
eligió el dado 2; para la oblea de lo proceso 1195 se eligió el dado 3;
finalmente para la oblea del proceso 1191 se eligió el dado 4.
5.4 Resultados de caracterización de curvas I
radiación infrarroja (
En esta sección se muestran los resultados de la caracterización eléctrica,
por medio de la obtención de curvas I
infrarroja, para así calcular la responsividad en corriente y voltaje
micro-bolómetros. Cabe aclarar que aquí
en el capítulo 6 se realiza
En la figura 5.20
empaquetado dentro del criostato para obtener las curvas de I
obscuridad y bajo iluminación IR. El arreglo completo se mostró
esquemáticamente en la sección 3.3.
a)
Figura 5.20. Equipos utilizados durante la caracterización eléctrica para obtener la
responsividad: a) criostato con el empaquetado montado en el socket ZIF
utilizado para iluminar los micro
Los micro-bolómetros se polarizar
V y los valores de corriente se almacenaron para construir graficas I
las mediciones se obtuvo la responsividad
graficas se extrajo la responsividad en voltaje
e caracterización de curvas I-V en oscuridad y con
infrarroja (IR) y cálculo de responsividad
En esta sección se muestran los resultados de la caracterización eléctrica,
por medio de la obtención de curvas I-V en oscuridad y bajo radiación
infrarroja, para así calcular la responsividad en corriente y voltaje
Cabe aclarar que aquí sólo se muestran los resultad
6 se realiza una discusión detallada.
figura 5.20 se muestra la forma en la que se colocó el
empaquetado dentro del criostato para obtener las curvas de I
obscuridad y bajo iluminación IR. El arreglo completo se mostró
esquemáticamente en la sección 3.3.
b)
Equipos utilizados durante la caracterización eléctrica para obtener la
riostato con el empaquetado montado en el socket ZIF
utilizado para iluminar los micro-bolómetros con la fuente de IR.
bolómetros se polarizaron con incrementos
V y los valores de corriente se almacenaron para construir graficas I
nes se obtuvo la responsividad en corriente Iℜ
graficas se extrajo la responsividad en voltaje Vℜ .
121
en oscuridad y con
En esta sección se muestran los resultados de la caracterización eléctrica,
oscuridad y bajo radiación
infrarroja, para así calcular la responsividad en corriente y voltaje de los
lo se muestran los resultados y
tra la forma en la que se colocó el
empaquetado dentro del criostato para obtener las curvas de I-V en
obscuridad y bajo iluminación IR. El arreglo completo se mostró
Equipos utilizados durante la caracterización eléctrica para obtener la
riostato con el empaquetado montado en el socket ZIF, b) arreglo
con incrementos de voltaje de 0.1
V y los valores de corriente se almacenaron para construir graficas I-V. De
I y de las mismas
122
En las figuras 5.21 a 5.28 se muestran curvas típicas I-V en oscuridad
y bajo radiación infrarroja de micro-bolómetros correspondientes a los 8
diferentes procesos de fabricación (ver tablas 5.1 - 5.3).
En las graficas de las curvas I-V se incluyen como figuras insertadas,
la dependencia de la responsividad con el voltaje de polarización. Igualmente
se incluyen histogramas de los resultados del cálculo de responsividad de las
diferentes estructuras.
En la figura 5.21(a-d) se muestran las curvas I-V en oscuridad y bajo
iluminación infrarroja de 4 micro-bolómetros representativos del proceso
1178, que usa como película termo-sensora germanio polimorfo (pm-Ge:H -
tabla 5.1).
La figura 5.21 e) muestra el histograma de la responsividad para las
distintas estructuras del proceso 1178. También se observa que las
estructuras E05 y E45 se dañaron durante el proceso de caracterización. Del
histograma se obtuvo la responsividad de las diferentes estructuras
funcionales teniendo un promedio de 0.1 A/W, en donde la estructura E50
presenta el máximo valor por encima de los 0.28 A/W mientras que la
estructura E06 tiene el menor valor, con sólo 0.008 A/W. En el capítulo 6 se
presenta una discusión detallada de resultados.
Las figuras 5.22 a) a d) muestran las curvas de corriente-voltaje en
oscuridad y bajo radiación infrarroja de 4 estructuras representativas del
proceso 1193 que usa como película termo-sensora germanio polimorfo (pm-
Ge:H - tabla 5.1). La estructura E08 se polarizó únicamente hasta 0.7 volts ya
que la corriente se encuentra en el mismo rango que el resto de las
estructuras. En el histograma de la figura 5.22 e) las estructuras E02, E03,
E05 y E07 no mostraron un aumento en la corriente bajo iluminación IR por lo
que no se incluyeron tales resultados. También se puede ver que la
responsividad para las distintas estructuras se encuentra dentro del rango de
0.15 A/W (estructura E44) a 1.67 A/W (estructura E08). En el capítulo 6 se
presenta una discusión detallada de resultados.
123
0.0 0.5 1.0 1.5 2.00.0
2.0x10-7
4.0x10-7
6.0x10-7
8.0x10-7
1.0x10-6
1.2x10-6
1.4x10-6
0.0 0.5 1.0 1.5 2.00.000.050.100.150.200.250.30 Obscuridad
IR
Co
rrie
nte
(A
)
Voltaje (V)
Res
po
nsi
vid
ad (
A/W
)
Voltaje (V)
Estructura 50 - Proceso 1178 (pm-Ge:H)
0.0 0.5 1.0 1.5 2.00.0
2.0x10-7
4.0x10-7
6.0x10-7
8.0x10-7
1.0x10-6
1.2x10-6
1.4x10-6
0.0 0.5 1.0 1.5 2.00.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25 Obscuridad IR
Co
rrie
nte
(A
)
Voltaje (V)
Res
po
nsi
vid
ad (
A/W
)
Voltaje (V)
Estructura 02 - Proceso 1178 (pm-Ge:H)
0.0 0.5 1.0 1.5 2.00.0
2.0x10-7
4.0x10-7
6.0x10-7
8.0x10-7
1.0x10-6
1.2x10-6
1.4x10-6
1.6x10-6
0.0 0.5 1.0 1.5 2.00.00
0.05
0.10
0.15
0.20 Obscuridad IR
Co
rrie
nte
(A
)
Voltaje (V)
Res
po
nsi
vid
ad (
A/W
)
Voltaje (V)
Estructura 04 - Proceso 1178 (pm-Ge:H)
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0
0.0
5.0x10-7
1.0x10-6
1.5x10-6
2.0x10-6
0.0 0.5 1.0 1.5 2.00.00
0.05
0.10
0.15 Obscuridad IR
Co
rrie
nte
(A
)
Voltaje (V)
Res
po
nsi
vid
ad (
A/W
)
Voltaje (V)
Estructura 48 - Proceso 1178 (pm-Ge:H)
E1
E2
E3
E4
E5
E6
E7
E8
E43
E44
E45
E46
E47
E48
E49
E50
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
Res
po
nsi
vid
ad e
n c
orr
ien
te, R
I (
A/W
)
Tipo de micro-bolómetro
Proceso 1178 (pm-Ge:H)
Figura 5.21. Responsividad en corriente
Iℜ para micro-bolómetros con película
termo-sensora de pm-Ge:H del proceso 1178 con TCR= 3.79 %K-1 y conductividad
de σRT= 7.5x10-4 (Ω·cm)-1.
a)
c)
b)
e)
d)
124
0.0 0.2 0.4 0.6 0.80.0
2.0x10-6
4.0x10-6
6.0x10-6
8.0x10-6
0.0 0.2 0.4 0.6 0.80.0
0.5
1.0
1.5
Obscuridad IR
Co
rrie
nte
(A
)
Voltaje (V)
Res
po
nsi
vid
ad (
A/W
)
Voltaje (V)
Estructura 08 - Proceso 1193 (pm-Ge:H)
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0
0.0
2.0x10-6
4.0x10-6
6.0x10-6
8.0x10-6
0.0 0.5 1.0 1.5 2.00.0
0.5
1.0 Obscuridad IR
Co
rrie
nte
(A
)
Voltaje (V)
Res
po
nsi
vid
ad (
A/W
)
Voltaje (V)
Estructura 48 - Proceso 1193 (pm-Ge:H)
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.20.0
2.0x10-6
4.0x10-6
6.0x10-6
8.0x10-6
1.0x10-5
0.0 0.5 1.0 1.5 2.00.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2 Obscuridad IR
Co
rrie
nte
(A
)
Voltaje (V)
Res
po
nsi
vid
ad
(A
/W)
Voltaje (V)
Estructura 50 - Proceso 1193 (pm-Ge:H)
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0
0.0
2.0x10-6
4.0x10-6
6.0x10-6
8.0x10-6
1.0x10-5
0.0 0.5 1.0 1.5 2.00.0
0.2
0.4
0.6
0.8 Obscuridad IR
Co
rrie
nte
(A
)
Voltaje (V)
Res
po
nsi
vid
ad (
A/W
)
Voltaje (V)
Estructura 49 - Proceso 1193 (pm-Ge:H)
E1
E2
E3
E4
E5
E6
E7
E8
E43
E44
E45
E46
E47
E48
E49
E50
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
Res
po
nsi
vid
ad e
n c
orr
ien
te, R
I (
A/W
)
Tipo de micro-bolómetro
Proceso 1193 (pm-Ge:H)
Figura 5.22. Responsividad en corriente
Iℜ para micro-bolómetros con película
termo-sensora de pm-Ge:H del proceso 1193 con TCR= 4.2 %K-1 y conductividad de
σRT= 2.65x10-4 (Ω·cm)-1.
a)
c)
b)
e)
d)
125
En la figura 5.23 se muestran los resultados de responsividad del
proceso 1195, que usa como película termo-sensora silicio polimorfo (pm-
Si:H,B - tabla 5.2), donde la figuras de la a) a la d) presentan las curvas I-V
de las cuatro estructuras con respuesta evidente a la radiación IR. En el
histograma de la figura e) se presentan los resultados para las 6 estructuras
que respondían correctamente bajo iluminación infrarroja, el resto de
estructuras se dañaron durante la caracterización. Los micro-bolómetros se
polarizaron a un bajo voltaje ya que la resistencia eléctrica se encuentra en el
orden de 1-5 kΩ. Se puede ver que en todos los casos la curva de
responsividad presenta una buena linealidad con el voltaje de polarización.
En el histograma se observa que las estructuras E04-E06 tienen una
responsividad promedio de 0.4 A/W, mientras que las estructuras E44, E46 y
E50 mantienen una responsividad promedio de 0.27 A/W. En el capítulo 6 se
presenta una discusión detallada de éstos resultados.
En la figura 5.24 se presentan los resultados del proceso 1181, que
usa como película termo-sensora silicio-germanio polimorfo (pm-SixGey:H -
tabla 5.3). En las figuras 5.24 a) a d) se muestran curvas I-V en oscuridad y
bajo iluminación infrarroja de 4 micro-bolómetros con respuesta evidente a la
radiación IR. Se puede ver que sólo la estructura E50 presenta un buen
contacto óhmico, aunque la curva de responsividad en función del voltaje
aplicado (que se muestra en el recuadro insertado en la figura 5.24 d)) no es
completamente lineal. Por otro lado la estructura E07 posee el máximo de
responsividad de 1.42 A/W el cual es significativamente superior comparado
con el resto de estructuras cuyo valor promedio se encuentra en el rango de
0.36 A/W. Para este proceso se observa que únicamente dos estructuras del
total que se alambraron no funcionaron ya que su respuesta bajo iluminación
infrarroja fue nula. En el capítulo 6 se presenta una discusión de los
resultados.
126
0,000 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 0,0300,0
1,0x10-6
2,0x10-6
3,0x10-6
4,0x10-6
5,0x10-6
6,0x10-6
7,0x10-6
0,00 0,01 0,02 0,030,0
0,1
0,2
0,3
0,4 Obscuridad IR
Co
rrie
nte
(A
)
Voltaje (V)
Res
po
nsi
vid
ad (
A/W
)
Voltaje (V)
Estructura 04 - Proceso 1195 (pm-Si:H,B)
0,000 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 0,0300,0
1,0x10-6
2,0x10-6
3,0x10-6
4,0x10-6
5,0x10-6
6,0x10-6
7,0x10-6
0,00 0,01 0,02 0,030,0
0,1
0,2
0,3
0,4 Obscuridad IR
Co
rrie
nte
(A
)
Voltaje (V)
Res
po
nsi
vid
ad (
A/W
)
Voltaje (V)
Estructura 06 - Proceso 1195 (pm-Si:H,B)
0,000 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 0,0300,0
1,0x10-6
2,0x10-6
3,0x10-6
4,0x10-6
5,0x10-6
6,0x10-6
7,0x10-6
0,00 0,01 0,02 0,030,0
0,1
0,2
0,3
0,4 Obscuridad IR
Co
rrie
nte
(A
)
Voltaje (V)
Res
po
nsi
vid
ad (
A/W
)
Voltaje (V)
Estructura 05 - Proceso 1195 (pm-Si:H,B)
0,000 0,005 0,010 0,015 0,0200,0
1,0x10-6
2,0x10-6
3,0x10-6
4,0x10-6
5,0x10-6
6,0x10-6
7,0x10-6
0,00 0,01 0,020,0
0,1
0,2
0,3
Obscuridad IR
Co
rrie
nte
(A
)
Voltaje (V)
Res
po
nsi
vid
ad (
A/W
)
Voltaje (V)
Estructura 50 - Proceso 1195 (pm-Si:H,B)
E1
E2
E3
E4
E5
E6
E7
E8
E43
E44
E45
E46
E47
E48
E49
E50
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
0,40
0,45
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
0,40
0,45
Res
po
nsi
vid
ad e
n c
orr
ien
te, R
I (
A/W
)
Tipo de micro-bolómetro
Proceso 1195 (pm-Si:H,B)
Figura 5.23. Responsividad en corriente
Iℜ para micro-bolómetros con película
termo-sensora de pm-Si:H,B del proceso 1195 con TCR= 3.86 %K-1 y conductividad
de σRT= 2.53x10-7 (Ω·cm)-1.
a)
c)
b)
e)
d)
127
0.0 0.5 1.0 1.5 2.00.0
1.0x10-6
2.0x10-6
3.0x10-6
4.0x10-6
5.0x10-6
0.0 0.5 1.0 1.5 2.00.0
0.5
1.0
1.5 Obscuridad IR
Co
rrie
nte
(A
)
Voltaje (V)
Res
po
nsi
vid
ad (
A/W
)
Voltaje (V)
Estructura 07 - Proceso 1181 (pm-SixGey:H)
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0
0.0
5.0x10-7
1.0x10-6
1.5x10-6
2.0x10-6
2.5x10-6
0.0 0.5 1.0 1.5 2.00.0
0.2
0.4
0.6
0.8 Obscuridad IR
Co
rrie
nte
(A
)
Voltaje (V)
Res
po
nsi
vid
ad (
A/W
)
Voltaje (V)
Estructura 50 - Proceso 1181 (pm-SixGey:H)
0.0 0.5 1.0 1.5 2.00.0
1.0x10-6
2.0x10-6
3.0x10-6
4.0x10-6
0.0 0.5 1.0 1.5 2.00.0
0.1
0.2
0.3
0.4 Obscuridad IR
Co
rrie
nte
(A
)
Voltaje (V)
Res
po
nsi
vid
ad (
A/W
)
Voltaje (V)
Estructura 43 - Proceso 1181 (pm-SixGey:H)
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0
0.0
1.0x10-6
2.0x10-6
3.0x10-6
4.0x10-6
0.0 0.5 1.0 1.5 2.00.0
0.1
0.2
0.3
0.4 Obscuridad IR
Co
rrie
nte
(A
)
Voltaje (V)
Res
po
nsi
vid
ad (
A/W
) Voltaje (V)
Estructura 47 - Proceso 1181 (pm-SixGey:H)
E1
E2
E3
E4
E5
E6
E7
E8
E43
E44
E45
E46
E47
E48
E49
E50
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
Res
po
nsi
vid
ad e
n c
orr
ien
te, R
I (
A/W
)
Tipo de micro-bolómetro
Proceso 1181 (pm-SixGey:H)
Figura 5.24. Responsividad en corriente
Iℜ para micro-bolómetros con película
termo-sensora de pm-SixGey:H del proceso 1181 con TCR= 4.38 %K-1 y
conductividad de σRT= 1.54x10-7 (Ω·cm)-1.
a)
c)
b)
e)
d)
128
En la figura 5.25(a-d) se muestran las curvas I-V en oscuridad y bajo
iluminación infrarroja de 4 micro-bolómetros con respuesta evidente a la
radiación IR del proceso 1185, el cual usa como película termo-sensora
silicio-germanio polimorfo (pm-SixGey:H - tabla 5.3).
Del histograma de la figura 5.25 e) las estructuras E43 y E46 no demostraron
un aumento en corriente bajo iluminación IR, mientras que la estructura E05
tuvo un incremento de corriente de 1.88 µA a 2 volts. Las estructuras
medidas presentaron una responsividad en el rango de 0.2 a 1.4 A/W. Para
este proceso se puede ver que la mayoría de las estructuras presentan una
curva suave de responsividad. En el capítulo 6 se presenta una discusión
detallada de éstos resultados.
En la figura 5.26 se muestran los resultados de responsividad para el
proceso 1187, el cual usa como película termo-sensora silicio-germanio
polimorfo (pm-SixGey:H - tabla 5.3), donde las figuras 5.26 a) a d) presentan
curvas I-V de las estructuras con mejor respuesta en cuanto a responsividad.
En el histograma de la figura 5.26 e) se observa que existe un grupo de 4
estructuras cuya responsividad se encuentra en el rango de 0.9 A/W mientras
que el grupo de estructuras E07, E43 y E44 presentaron una responsividad
en el rango de 2.1 A/W con el máximo que corresponde a la estructura E44
de 2.35 A/W.
Las estructuras que no se reportaron en el histograma de la figura 5.26
e) presentaron una respuesta insignificante bajo iluminación infrarroja a
excepción de las estructuras E45 y E46 que se dañaron durante la
caracterización. En el capítulo 6 se presenta la discusión de éstos resultados.
129
0.0 0.5 1.0 1.5 2.00.0
1.0x10-6
2.0x10-6
3.0x10-6
4.0x10-6
5.0x10-6
6.0x10-6
7.0x10-6
8.0x10-6
0.0 0.5 1.0 1.5 2.00.0
0.5
1.0
1.5 Obscuridad IR
Co
rrie
nte
(A
)
Voltaje (V)
Res
po
nsi
vid
ad (
A/W
)
Voltaje (V)
Estructura 05 - Proceso 1185 (pm-SixGey:H)
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0
0.0
2.0x10-6
4.0x10-6
6.0x10-6
8.0x10-6
1.0x10-5
0.0 0.5 1.0 1.5 2.00.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0 Obscuridad IR
Co
rrie
nte
(A
)
Voltaje (V)
Res
po
nsi
vid
ad (
A/W
)
Voltaje (V)
Estructura 08 - Proceso 1185 (pm-SixGey:H)
0.0 0.5 1.0 1.5 2.00.0
2.0x10-6
4.0x10-6
6.0x10-6
8.0x10-6
0.0 0.5 1.0 1.5 2.00.0
0.2
0.4
0.6
0.8 Obscuridad IR
Co
rrie
nte
(A
)
Voltaje (V)
Res
po
nsi
vid
ad (
A/W
)
Voltaje (V)
Estructura 07 - Proceso 1185 (pm-SixGey:H)
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0
0.0
2.0x10-6
4.0x10-6
6.0x10-6
8.0x10-6
0.0 0.5 1.0 1.5 2.00.0
0.2
0.4
0.6 Obscuridad IR
Co
rrie
nte
(A
)
Voltaje (V)
Res
po
nsi
vid
ad (
A/W
) Voltaje (V)
Estructura 02 - Proceso 1185 (pm-SixGey:H)
E1
E2
E3
E4
E5
E6
E7
E8
E43
E44
E45
E46
E47
E48
E49
E50
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
Res
po
nsi
vid
ad e
n c
orr
ien
te, R
I (
A/W
)
Tipo de micro-bolómetro
Proceso 1185 (pm-SixGey:H)
Figura 5.25. Responsividad en corriente
Iℜ para micro-bolómetros con película
termo-sensora de pm-SixGey:H del proceso 1185 con TCR= 5.15 %K-1 y
conductividad de σRT= 2.09x10-8 (Ω·cm)-1.
a)
c)
b)
e)
d)
130
0.0 0.5 1.0 1.5 2.00.0
1.0x10-6
2.0x10-6
3.0x10-6
4.0x10-6
5.0x10-6
6.0x10-6
7.0x10-6
8.0x10-6
0.0 0.5 1.0 1.5 2.00.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5 Obscuridad IR
Co
rrie
nte
(A
)
Voltaje (V)
Res
po
nsi
vid
ad (
A/W
)
Voltaje (V)
Estructura 44 - Proceso 1187 (pm-SixGey:H)
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0
0.0
1.0x10-6
2.0x10-6
3.0x10-6
4.0x10-6
5.0x10-6
6.0x10-6
7.0x10-6
0.0 0.5 1.0 1.5 2.00.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5 Obscuridad IR
Co
rrie
nte
(A
)
Voltaje (V)
Res
po
nsi
vid
ad (
A/W
)
Voltaje (V)
Estructura 43 - Proceso 1187 (pm-SixGey:H)
0.0 0.5 1.0 1.5 2.00.0
1.0x10-6
2.0x10-6
3.0x10-6
4.0x10-6
5.0x10-6
6.0x10-6
7.0x10-6
8.0x10-6
9.0x10-6
0.0 0.5 1.0 1.5 2.00.0
0.5
1.0
1.5
2.0 Obscuridad IR
Co
rrie
nte
(A
)
Voltaje (V)
Res
po
nsi
vid
ad (
A/W
)
Voltaje (V)
Estructura 07 - Proceso 1187 (pm-SixGey:H)
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0
0.0
2.0x10-6
4.0x10-6
6.0x10-6
8.0x10-6
1.0x10-5
0.0 0.5 1.0 1.5 2.00.0
0.5
1.0 Obscuridad IR
Co
rrie
nte
(A
)
Voltaje (V)
Res
po
nsi
vid
ad (
A/W
)
Voltaje (V)
Estructura 04 - Proceso 1187 (pm-SixGey:H)
E1
E2
E3
E4
E5
E6
E7
E8
E43
E44
E45
E46
E47
E48
E49
E50
0.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.02.22.4
0.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.02.22.4
Res
po
nsi
vid
ad e
n c
orr
ien
te, R
I (
A/W
)
Tipo de micro-bolómetro
Proceso 1187 (pm-SixGey:H)
Figura 5.26. Responsividad en corriente
Iℜ para micro-bolómetros con película
termo-sensora de pm-SixGey:H del proceso 1187 con TCR= 6.57 %K-1 y
conductividad de σRT= 1.36x10-10 (Ω·cm)-1.
a)
c)
b)
e)
d)
131
En las figuras 5.27 a) - d) se muestran las curvas I-V en oscuridad y
bajo iluminación infrarroja de los 4 micro-bolómetros con mayor respuesta a
la radiación IR para el proceso 1189, el cual usa como película termo-
sensora silicio-germanio polimorfo (pm-SixGey:H - tabla 5.3). En el
histograma de la figura 5.27 e) se puede ver que la mayoría de las
estructuras medidas presentó una responsividad promedio de 60 mA/W
donde la más alta alcanzó un valor de 0.17 A/W correspondiente a la
estructura E03.
Como se puede observar en las curvas de corriente-voltaje, las
estructuras presentan un incremento en la corriente muy pequeño que les
confiere un valor de responsividad en corriente bajo. Las estructuras que no
se reportaron en el histograma de la figura 5.27 e) no demostraron ningún
aumento en la corriente bajo iluminación infrarroja, mientras que la estructura
E45 se dañó durante la caracterización. En el capítulo 6 se presenta la
discusión de resultados.
Finalmente en la figura 5.28 se muestran los resultados de
responsividad para el proceso 1191, el cual usa como película termo-sensora
silicio-germanio polimorfo (pm-SixGey:H - tabla 5.3), Las figuras 5.28 a) a d)
ilustran las curvas I-V de los mejores micro-bolómetros en cuanto a
responsividad. La estructura E03 que se muestra en la figura 5.28 b) se
polarizó hasta 0.6 V ya que su resistencia fue muy baja comparada con el
resto de estructuras aunque su responsividad alcanzó un valor de 0.65 A/W.
Del histograma de la figura 5.28 e) se puede ver que la responsividad
se encuentra en el rango de 0.14 - 0.66 A/W donde el máximo corresponde a
la estructura E48 con 0.66 A/W. Las estructuras E01 y E05 no mostraron un
aumento en corriente bajo iluminación IR. En el capítulo 6 se presenta la
discusión detallada de éstos resultados.
132
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.80.0
5.0x10-7
1.0x10-6
1.5x10-6
2.0x10-6
2.5x10-6
3.0x10-6
3.5x10-6
4.0x10-6
0.0 0.5 1.0 1.5 2.00.00
0.05
0.10
0.15
0.20 Obscuridad IR
Co
rrie
nte
(A
)
Voltaje (V)
Res
po
nsi
vid
ad (
A/W
)
Voltaje (V)
Estructura 03 - Proceso 1189 (pm-SixGey:H)
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0
0.0
5.0x10-7
1.0x10-6
1.5x10-6
2.0x10-6
2.5x10-6
3.0x10-6
3.5x10-6
0.0 0.5 1.0 1.5 2.00.00
0.05
0.10
0.15 Obscuridad IR
Co
rrie
nte
(A
)
Voltaje (V)
Res
po
nsi
vid
ad (
A/W
)
Voltaje (V)
Estructura 47 - Proceso 1189 (pm-SixGey:H)
0.0 0.5 1.0 1.5 2.00.0
5.0x10-8
1.0x10-7
1.5x10-7
2.0x10-7
2.5x10-7
0.0 0.5 1.0 1.5 2.00.00
0.02
0.04
0.06
0.08 Obscuridad IR
Co
rrie
nte
(A
)
Voltaje (V)
Res
po
nsi
vid
ad (
A/W
)
Voltaje (V)
Estructura 01 - Proceso 1189 (pm-SixGey:H)
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0
0.0
5.0x10-7
1.0x10-6
1.5x10-6
2.0x10-6
0.0 0.5 1.0 1.5 2.00.00
0.02
0.04
0.06 Obscuridad IR
Co
rrie
nte
(A
)
Voltaje (V)
Res
po
nsi
vid
ad (
A/W
)
Voltaje (V)
Estructura 43 - Proceso 1189 (pm-SixGey:H)
E1
E2
E3
E4
E5
E6
E7
E8
E43
E44
E45
E46
E47
E48
E49
E50
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
Res
po
nsi
vid
ad e
n c
orr
ien
te, R
I (
A/W
)
Tipo de micro-bolómetro
Proceso 1189 (pm-SixGey:H)
Figura 5.27. Responsividad en corriente
Iℜ para micro-bolómetros con película
termo-sensora de pm-SixGey:H del proceso 1189 con TCR= 6.83 %K-1 y
conductividad de σRT= 4.94x10-11 (Ω·cm)-1.
a)
c)
b)
e)
d)
133
0.0 0.5 1.0 1.5 2.00.0
1.0x10-6
2.0x10-6
3.0x10-6
4.0x10-6
5.0x10-6
0.0 0.5 1.0 1.5 2.00.0
0.2
0.4
0.6 Obscuridad IR
Co
rrie
nte
(A
)
Voltaje (V)
Res
po
nsi
vid
ad (
A/W
)
Voltaje (V)
Estructura 48 - Proceso 1191 (pm-SixGey:H)
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
0.0
1.0x10-6
2.0x10-6
3.0x10-6
4.0x10-6
5.0x10-6
6.0x10-6
0.0 0.2 0.4 0.60.0
0.2
0.4
0.6 Obscuridad IR
Co
rrie
nte
(A
)
Voltaje (V)
Res
po
nsi
vid
ad (
A/W
)
Voltaje (V)
Estructura 03 - Proceso 1191 (pm-SixGey:H)
0.0 0.5 1.0 1.5 2.00.0
1.0x10-6
2.0x10-6
0.0 0.5 1.0 1.5 2.00.0
0.2
0.4
0.6 Obscuridad IR
Co
rrie
nte
(A
)
Voltaje (V)
Res
po
nsi
vid
ad (
A/W
)
Voltaje (V)
Estructura 02 - Proceso 1191 (pm-SixGey:H)
0.0 0.5 1.0 1.5 2.00.0
1.0x10-6
2.0x10-6
3.0x10-6
4.0x10-6
5.0x10-6
0.0 0.5 1.0 1.5 2.00.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6 Obscuridad IR
Co
rrie
nte
(A
)
Voltaje (V)
Res
po
nsi
vid
ad (
A/W
)
Voltaje (V)
Estructura 47 - Proceso 1191 (pm-SixGey:H)
E1
E2
E3
E4
E5
E6
E7
E8
E43
E44
E45
E46
E47
E48
E49
E50
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
Res
po
nsi
vid
ad e
n c
orr
ien
te, R
I (
A/W
)
Tipo de micro-bolómetro
Proceso 1191 (pm-SixGey:H)
Figura 5.28. Responsividad en corriente
Iℜ para micro-bolómetros con película
termo-sensora de pm-SixGey:H del proceso 1191 con TCR= 8.89 %K-1 y
conductividad de σRT= 1.22x10-11 (Ω·cm)-1.
a)
c)
b)
e)
d)
134
De las curvas I-V en oscuridad y bajo radiación IR, se calculó la
responsividad en voltaje. En la figura 5.29 se muestran un histograma de los
valores de responsividad en voltaje de micro-bolómetros de proceso 1178
con película termo-sensora de pm-Ge:H. Se observa que la responsividad se
encuentra en el rango de 2.3x105 V/W. Se puede ver que para el grupo de
estructuras con poste de titanio (E01-E08, figura 4.6) existe una mayor
dispersión en el nivel de responsividad comparado con las estructuras con
postes de SiNx+titanio (E 43-E 50, figura 4.6) cuya responsividad se
mantiene en el orden de 2.7 x105 V/W. Además se observa en el grupo de
estructuras E01 -E04 (figura 4.6) una reducción en la responsividad a
medida que incrementa la longitud del brazo de soporte. Por otro lado se
observa que la estructura E50 posee el valor más alto de responsividad con
4.09x105 V/W.
En la figura 5.30 se muestran los resultados de responsividad en
voltaje de micro-bolómetros del proceso 1193, con película termo-sensora de
pm-Ge:H, donde la magnitud de responsividad oscila entre 6.8x104 V/W y
2.62x105 V/W con el máximo de 4.51x105 V/W (estructura E6). En este
proceso se observa una cierta tendencia en el aumento en responsividad a
medida que incrementa la longitud del brazo de soporte sobre todo en el
grupo de estructuras con poste de SiNx+titanio.
En la figura 5.31 se muestran los resultados de responsividad en
voltaje de micro-bolómetros del proceso 1195 con película termo-sensora de
pm-Si:H,B. En este proceso muchos de los micro-bolómetros alambrados se
dañaron durante las mediciones por el exceso de corriente que se les hizo
circular. En este proceso se pudo ver que las estructuras E04-E06
presentaron la misma responsividad de 2450 V/W mientras que el mínimo se
encontró para las estructuras E44 y E46 cuya magnitud resulto en 810 V/W.
para este proceso se puede ver que la respuesta más elevada se consigue
cuando las membranas quedan soportadas con postes de titanio, los cuales
en principio ofrecen un mejor aislamiento térmico.
135
E1
E2
E3
E4
E5
E6
E7
E8
E43
E44
E45
E46
E47
E48
E49
E50
0.0
5.0x104
1.0x105
1.5x105
2.0x105
2.5x105
3.0x105
3.5x105
4.0x105
0.0
5.0x104
1.0x105
1.5x105
2.0x105
2.5x105
3.0x105
3.5x105
4.0x105
Res
po
nsi
vid
ad e
n v
olt
aje,
RV (
V/W
)
Tipo de micro-bolómetro
Proceso 1178 (pm-Ge:H)
Figura 5.29. Responsividad en voltaje
Vℜ para micro-bolómetros con película
termo-sensora de pm-Ge:H del proceso 1178.
E1
E2
E3
E4
E5
E6
E7
E8
E43
E44
E45
E46
E47
E48
E49
E50
0.0
5.0x104
1.0x105
1.5x105
2.0x105
2.5x105
3.0x105
3.5x105
4.0x105
4.5x105
0.0
5.0x104
1.0x105
1.5x105
2.0x105
2.5x105
3.0x105
3.5x105
4.0x105
4.5x105
Res
po
nsi
vid
ad e
n v
olt
aje,
RV (
V/W
)
Tipo de micro-bolómetro
Proceso 1193 (pm-Ge:H)
Figura 5.30. Responsividad en voltaje
Vℜ para micro-bolómetros con película
termo-sensora de pm-Ge:H del proceso 1193.
136
E1
E2
E3
E4
E5
E6
E7
E8
E43
E44
E45
E46
E47
E48
E49
E50
0,0
5,0x102
1,0x103
1,5x103
2,0x103
2,5x103
0,0
5,0x102
1,0x103
1,5x103
2,0x103
2,5x103
Res
po
nsi
vid
ad e
n v
olt
aje,
RV (
V/W
)
Tipo de micro-bolómetro
Proceso 1195 (pm-Si:H,B)
Figura 5.31. Responsividad en voltaje
Vℜ para micro-bolómetros con película
termo-sensora de pm-Si:H,B del proceso 1195.
En la figura 5.32 se muestra el histograma de responsividad en voltaje
de micro-bolómetros del proceso 1181 con película termo-sensora de pm-
SixGey:H. En dicha figura se puede observar que la mayoría de las
estructuras mantienen una responsividad promedio de 1.6x105 V/W, mientras
que las estructuras E07 y E50 presentaron dos máximos de 5.3x105 V/W y
6.6x105 V/W respectivamente. Por otro lado la estructura con la menor
responsividad fue la E45 con sólo 3.5x104 V/W.
En la figura 5.33 se muestran los resultados de responsividad en
voltaje de micro-bolómetros del proceso 1185. Del histograma se observa
que las estructuras E01 y E44 presentan la menor responsividad con
magnitudes en el rango de 1x104 V/W, dichas estructuras comparten la
característica de poseer un brazo de soporte con la menor longitud. Por otro
lado la magnitud de la responsividad máxima se encuentra para la estructura
E47 con 6.31x105 V/W que contrasta con el promedio de la responsividad del
137
resto de micro-bolómetros que se encuentra en el rango de 2x105 V/W.
También se puede ver que dentro del grupo de micro-bolómetros con huecos
en las membranas, son las estructuras con electrodos en forma de dedos
interdigitados las que presentan la mayor responsividad, contrario a lo que
sucede con el grupo de estructuras sin huecos en las membranas. Sin
embargo, en ambos grupos la responsividad siempre aumenta de la
estructura de patas cortas a la de patas más largas, como se observa en las
estructura sE02 y E04, de la E06 y E08 y de la E48 y E50 (figura 4.6).
En la figura 5.34 se muestran los resultados de responsividad en
voltaje de los micro-bolómetros del proceso 1187 donde se puede observar
una gran variación en la magnitud de la responsividad entre distintas
estructuras oscilando entre 1.6x105 V/W y 1.1x106 V/W. También se puede
ver que para las estructuras con poste de titanio E01 y E02 la responsividad
se mantiene por encima de su contraparte con poste de SiNx+titanio.
E1
E2
E3
E4
E5
E6
E7
E8
E43
E44
E45
E46
E47
E48
E49
E50
0
1x105
2x105
3x105
4x105
5x105
6x105
7x105
0
1x105
2x105
3x105
4x105
5x105
6x105
7x105
Res
po
nsi
vid
ad e
n v
olt
aje,
RV (
V/W
)
Tipo de micro-bolómetro
Proceso 1181 (pm-SixGey:H)
Figura 5.32. Responsividad en voltaje
Vℜ para micro-bolómetros con película
termo-sensora de pm-SixGey:H del proceso 1181.
138
E1
E2
E3
E4
E5
E6
E7
E8
E43
E44
E45
E46
E47
E48
E49
E50
0
1x105
2x105
3x105
4x105
5x105
6x105
0
1x105
2x105
3x105
4x105
5x105
6x105
Res
po
nsi
vid
ad e
n v
olt
aje,
RV (
V/W
)
Tipo de micro-bolómetro
Proceso 1185 (pm-SixGey:H)
Figura 5.33. Responsividad en voltaje
Vℜ para micro-bolómetros con película
termo-sensora de pm-SixGey:H del proceso 1185.
E1
E2
E3
E4
E5
E6
E7
E8
E43
E44
E45
E46
E47
E48
E49
E50
01x105
2x105
3x105
4x105
5x105
6x105
7x105
8x105
9x105
1x106
1x106
1x106
01x105
2x105
3x105
4x105
5x105
6x105
7x105
8x105
9x105
1x106
1x106
1x106
Res
po
nsi
vid
ad e
n v
olt
aje,
RV (
V/W
)
Tipo de micro-bolómetro
Proceso 1187 (pm-SixGey:H)
Figura 5.34. Responsividad en voltaje
Vℜ para micro-bolómetros con película
termo-sensora de pm-SixGey:H del proceso 1187.
139
En la figura 5.35 se muestran los resultados de responsividad en
voltaje de los micro-bolómetros del proceso 1189. Del histograma se observa
que el promedio de responsividad se encuentra en el rango de 1x105 V/W
con el máximo de 3.4x105 V/W para la estructura E01. En este proceso al
igual que en el 1178 y 1187 se observa que la responsividad siempre
aumenta de la estructura E03 a la E04 pero en todos los casos la estructura
E01 con electrodos interdigitados se mantiene con un valor muy por encima
de estas dos. También se puede ver que para la estructura E03 la
responsividad mejora cundo se incluyen huecos en la membrana como lo
demuestra la estructura E07.
En la figura 5.36 se presentan los resultados de responsividad en
voltaje de micro-bolómetros del proceso 1191, donde se observa una alta
uniformidad en la magnitud de responsividad para distintas estructuras,
excepto para la E02 con el máximo de 5.4x105 V/W. Para el resto de las
estructuras el valor de la responsividad se mantiene muy cerca de 2.3x105
V/W, donde el mínimo corresponde a la estructura E03 con 8.8x104 V/W.
También en este proceso se observa la tendencia en el incremento de la
responsividad entre las estructuras E03 y E04 como en el proceso 1189.
Aunque algunas de las estructuras correspondientes a los micro-bolómetros
con poste de titanio no demostraron una respuesta a la radiación infrarroja, sí
se nota una cierta tendencia a mantener una responsividad mayor respecto a
las estructuras con poste de SiNx+titanio. Dentro del grupo de estructuras
con poste de SiNx+titanio (E43 a la E50) se puede ver que la inclusión de
huecos en las membranas y el aumento gradual en la longitud del brazo de
soporte introducen una ligera mejora en la responsividad en voltaje, excepto
para la estructura E50 cuya responsividad es disminuida. Como se puede ver
para los procesos 1185, 1187, 1189 y 1191, la responsividad en voltaje
siempre se mantuvo con valores en el orden de 105 V/W a pesar de tratarse
de aleaciones de silicio-germanio con distintas composiciones.
140
E1
E2
E3
E4
E5
E6
E7
E8
E43
E44
E45
E46
E47
E48
E49
E50
0.0
5.0x104
1.0x105
1.5x105
2.0x105
2.5x105
3.0x105
3.5x105
0.0
5.0x104
1.0x105
1.5x105
2.0x105
2.5x105
3.0x105
3.5x105
Res
po
nsi
vid
ad e
n v
olt
aje,
RV (
V/W
)
Tipo de micro-bolómetro
Proceso 1189 (pm-SixGey:H)
Figura 5.35. Responsividad en voltaje
Vℜ para micro-bolómetros con película
termo-sensora de pm-SixGey:H del proceso 1189.
E1
E2
E3
E4
E5
E6
E7
E8
E43
E44
E45
E46
E47
E48
E49
E50
0
1x105
2x105
3x105
4x105
5x105
0
1x105
2x105
3x105
4x105
5x105
Res
po
nsi
vid
ad e
n v
olt
aje,
RV (
V/W
)
Tipo de micro-bolómetro
Proceso 1191 (pm-SixGey:H)
Figura 5.36. Responsividad en voltaje
Vℜ para micro-bolómetros con película
termo-sensora de pm-SixGey:H del proceso 1191.
141
5.5 Resultados de caracterización de ruido y cálculo de detectividad
Las mediciones de ruido se realizaron conforme al procedimiento descrito en
la sección 3.5 siguiendo los lineamientos de la referencia [2.49]. El cálculo de
la detectividad se hizo utilizando los valores de responsividad en voltaje y
responsividad en corriente. Se realizaron 19 mediciones de densidad
espectral de ruido en micro-bolómetros sin empaquetar y una en el micro-
bolómetro E47 del proceso 1191 en encapsulado. Las mediciones a nivel
oblea corresponden a las estructuras E47 y E50 (ver figura 4.6) de 7
procesos. Además se midió el ruido en distintos micro-bolómetros del
proceso 1187 para poder observar las variaciones en la densidad espectral
de ruido en usando la misma película termo-sensora.
En la figura 5.37 se muestra la densidad espectral de ruido en voltaje
para la estructura E47 de los procesos 1178, 1193, 1181, 1189 y 1191.
Resulta interesante ver como la magnitud del ruido para las películas de
germanio polimorfo disminuye en casi un orden de magnitud cuando la
presión de depósito se incrementa de 1000 (proceso 1178) a 1500 mTorr
(proceso 1193). También sucede algo similar para las aleaciones de silicio-
germanio polimorfo, se ve una disminución gradual en el nivel de ruido a
medida que la presión de depósito se incrementa desde los 1000 mTorr
(proceso 1189) hasta 1500 mTorr (proceso 1191).
La figura 5.38 muestra la detectividad calculada a partir de los valores
de responsividad en voltaje y responsividad en corriente de la estructura E47.
Aunque las mediciones de ruido se realizaron hasta 80 kHz la detectividad se
calculó a una frecuencia de 100 Hz suponiendo un tiempo de respuesta
térmico thτ de ~10 ms. Como se puede ver los valores de detectividad
calculados con la responsividad en voltaje y corriente son bastante similares,
y como se podría esperar es la película de germanio polimorfo la que
presenta la mayor detectividad gracias a sus bajos niveles de ruido y su
responsividad en corriente de 0.66 A/W.
142
100 101 102 103 104 10510-8
10-7
10-6
10-5
10-4
10-8
10-7
10-6
10-5
10-4
Estructura 47 Proceso 1178 pm-Ge:H Proceso 1193 pm-Ge:H Proceso 1181 pm-SixGey:H Proceso 1189 pm-SixGey:H Proceso 1191 pm-SixGey:H
Den
sid
ad e
spec
tral
de
ruid
o e
n v
olt
aje,
Sv(f
)
(V
/Hz1/
2 )
Frecuencia (Hz)
Figura 5.37. Densidad espectral de ruido en voltaje para la estructura E47. Las
curvas muestran el ruido en la muestra después de haber extraído el ruido del
sistema.
Para la estructura E50 se midieron espectros de densidad en ruido en
los procesos 1178, 1193, 1181, 1185, 1187, 1189 y 1191, excepto para el
proceso 1195 con la película de silicio polimorfo dopado con boro, ya que en
las mediciones de responsividad se dañaron los micro-bolómetros con el
voltaje de polarización.
143
1178 1193 1181 1189 1191107
108
109
Estructura 47
@ 100 Hz
Detectividad ( RV )
Detectividad ( RI )
Det
ecti
vid
ad, D
*
(cm
·Hz1/
2 /W)
Proceso Figura 5.38. Detectividad para la estructura E47 calculada con los valores de
responsividad en corriente y responsividad en voltaje.
En la figura 5.39 se muestran los resultados de las mediciones
densidad espectral de ruido en voltaje para la estructura E50, donde se
puede ver que el nivel de ruido a baja frecuencia tiene valores en el rango de
1.8x10-3 V/Hz1/2 - 2.8x10-5 V/Hz1/2. También se vuelve a repetir la tendencia
observada en la figura 5.37 para los procesos 1178 (pm-Ge:H depositado a
1000 mTorr) y 1193 (pm-Ge:H depositado a 1500 mTorr) donde la diferencia
en ambos permanece en un orden de magnitud. Sin embrago ahora el
proceso 1181 (pm-SixGey:H) posee el nivel de ruido más bajo de todos los
procesos, incluido el proceso 1185 (pm-SixGey:H) de la misma serie que se
depositó a una presión mayor (1500 mTorr).
Así también, la diferencia que se vio para los procesos 1189 (pm-
SixGey:H, 1000 mTorr) y 1191 (pm-SixGey:H , 1500 mTorr) se acentúa mas
con la estructura E50, ya que ahora la diferencia en el nivel de ruido es de
más de un orden de magnitud. En la figura 5.40 se muestra el histograma de
detectividad calculada a 100 Hz, donde se puede ver que la mayor
144
detectividad le corresponde al proceso 1181 (pm-SixGey:H, 600 mTorr) que
tiene el nivel de ruido menor dentro de los distintos procesos. También se
observa que los micro-bolómetros de los procesos 1178, 1187, 1191, tienen
una detectividad a 100 Hz muy similar, al rededor de 1x108 cm·Hz1/2/W.
100 101 102 103 104 105
10-8
10-7
10-6
10-5
10-4
10-3
10-2
10-1
10-8
10-7
10-6
10-5
10-4
10-3
10-2
10-1
Estructura 50 Proceso 1178 pm-Ge:H Proceso 1193 pm-Ge:H Proceso 1181 pm-SixGey:H Proceso 1185 pm-SixGey:H Proceso 1187 pm-SixGey:H Proceso 1189 pm-SixGey:H Proceso 1191 pm-SixGey:H
Den
sid
ad e
spec
tral
de
ruid
o e
n v
olt
aje,
Sv(f
)
(V
/Hz1/
2 )
Frecuencia (Hz) Figura 5.39. Densidad espectral de ruido en voltaje para la estructura E50. Las
curvas muestran el ruido en la muestra después de haber extraído el ruido del
sistema.
A partir de las mediciones de responsividad en corriente (y antes de la
caracterización de ruido) se observó que el proceso 1187 demostró la mayor
responsividad y debido a esto se midió el nivel de ruido en distintos micro-
bolómetros de éste mismo proceso, con el objetivo de encontrar una relación
entre el tipo de la estructura (la forma de la membrana y los electrodos) y el
nivel de ruido que produce.
145
1178 1193 1181 1185 1187 1189 1191106
107
108
109
Estructura 50
@ 100 Hz
Detectividad ( RV )
Detectividad ( RI )
Det
ecti
vid
ad, D
*
(cm
·Hz1/
2 /W)
Proceso Figura 5.40. Detectividad para la estructura E50 calculada con los valores de
responsividad en corriente y responsividad en voltaje.
La figura 5.41 muestra la densidad espectral de ruido en voltaje para
distintos micro-bolómetros del proceso 1187 (TCR=6.57 %K-1, conductividad
de σRT=1.36x10-10 (Ω·cm)-1). Donde se puede ver primeramente que las
estructuras con poste de SiNx+titanio poseen un nivel de ruido a baja
frecuencia ligeramente mayor a aquellos con poste de titanio. Sin embargo
pese a las diferencias geométricas entre distintas estructuras en todos los
casos el nivel de ruido tiende a igualarse a partir de los 100 Hz. También se
puede ver que el nivel de ruido siempre se mantiene ligeramente menor para
las estructuras con electrodos en forma de dedos interdigitados como la E01
y la E43 respecto de las estructuras E02 y la E44.
La figura 5.42 muestra el histograma de detectividad calculado con los
valores de responsividad en corriente y voltaje a 100 Hz para las diferentes
estructuras del proceso 1187. Se puede ver que la detectividad se encuentra
para todas las estructuras en el rango de 1x108-2x109 cm·Hz1/2/W. Para las
estructura E44 con un elevado nivel de ruido se observa que su detectividad
146
se mantiene dentro del promedio ya que posee una responsividad en
corriente elevada (2.35 A/W).
Por otro lado se puede ver que la magnitud de la detectividad
calculada con los valores de responsividad en corriente y en voltaje no son
tan similares y es debido a que en el cálculo del ruido en corriente se
involucra el término de la resistencia del micro-bolómetro.
100 101 102 103 104 10510-8
10-7
10-6
10-5
10-4
10-3
10-8
10-7
10-6
10-5
10-4
10-3 Estructura 01 Estructura 02 Estructura 03 Estructura 04 Estructura 07 Estructura 43 Estructura 44 Estructura 50
Den
sid
ad e
spec
tral
de
ruid
o e
n v
olt
aje,
Sv(f
)
(V
/Hz1/
2 )
Frecuencia (Hz)
Proceso 1187 (pm-SixGey:H)
Figura 5.41. Densidad espectral de ruido en voltaje para la oblea del proceso 1187.
Las curvas muestran el ruido en la muestra después de haber extraído el ruido del
sistema.
Se midió la densidad espectral de ruido en un micro-bolómetro
empaquetado con la intención de comprobar la influencia del alambrado
sobre la magnitud del ruido. Estas mediciones también sirvieron para
observar las variaciones de ruido entre micro-bolómetros de distintos dados
ya que la estructura E47 en empaquetado pertenece al dado 4 mientras que
la medición sobre la oblea pertenece al dado 5. En la figura 5.43 se muestran
la densidad espectral de ruido para la estructura E47 del proceso 1191 en
147
empaquetado y a nivel oblea, en la figura 5.44 muestra la detectividad
calculada con los valores de Iℜ y Vℜ a 100 Hz. Como se puede observar en
las figura 5.43 y 5.44 el empaquetado no tiene un efecto importante en el
nivel de ruido de los micro-bolómetros. Igualmente la detectividad es
prácticamente la misma tomando valores alrededor de 4x108 cm·Hz1/2/W.
Esta observación es importante porque normalmente el ruido en los micro-
bolómetros se mide a nivel de oblea utilizando micropuntas, sin embargo este
procedimiento requiere que se tomen cuidados especiales para no dañar la
delgada película metálica de aluminio. Con las mediciones de ruido
mostradas en la figura 5.43 se puede ver que la magnitud del ruido es
prácticamente la misma en todo el rango de frecuencias utilizado que va de
1Hz a 80 kHz y es evidente que el empaquetado no incrementa el nivel de
ruido en los micro-bolómetros.
E1 E2 E3 E4 E7 E43 E44 E50107
108
109
Proceso 1187 (pm-SixGey:H)
Detectividad ( RV )
Detectividad ( RI )
Det
ecti
vid
ad, D
*
(cm
·Hz1/
2 /W)
Tipo de micro-bolómetro
@ 100 Hz
Figura 5.42. Detectividad para la oblea del proceso 1187 calculada con los valores
de responsividad en corriente y responsividad en voltaje.
148
100 101 102 103 104 10510-8
10-7
10-6
10-5
10-8
10-7
10-6
10-5
Encapsulado Oblea
Den
sid
ad e
spec
tral
de
ruid
o e
n v
olt
aje,
Sv(f
)
(V
/Hz1/
2 )
Frecuencia (Hz)
Estructura 47 - proceso 1191 (pm-SixGey:H)
Figura 5.43. Densidad espectral de ruido en voltaje para la estructura E47 del
proceso 1191. Las curvas muestran el ruido en la muestra después de haber
extraído el ruido del sistema.
Encapsulado Oblea
108
109
@ 100 Hz
Detectividad ( RV )
Detectividad ( RI )
Estructura 47 - Proceso 1191 (pm-SixGey:H)
Det
ecti
vid
ad, D
*
(cm
·Hz1/
2 /W)
Figura 5.44. Detectividad para la estructura E47 del proceso 1191 calculada con los
valores de responsividad en corriente y responsividad en voltaje.
149
5.6 Referencias
[5.1] M. Moreno, A. C. Sarmiento, J. J. Martinez, J. Plaza, A. Torres, P. Rosales, M.
Domínguez, A. Itzmoyol. Study of Boron and Phosphorous Doping of a-Si:H Films
Deposited by LF-PECVD. 2nd ICIAS, México, 2011
[5.2] A. Pérez. Depósito y caracterización de películas delgadas de Silicio-Germanio
Polimorfo. Reporte, Estadía Industrial, INAOE, 2012.
150
CAPÍTULO 6. DISCUSIÓN DE RESULTADOS
En este capítulo se discuten los resultados obtenidos en este trabajo. Se
tratan aspectos que están directamente relacionados con el proceso de
fabricación, los problemas experimentados y la influencia que pudieron tener
sobre el desempeño de los micro-bolómetros. Se discuten las diferencias en
la respuesta de cada estructura tomando en cuenta las variaciones
geométricas de cada diseño y el tipo de película termo-sensora.
6.1 Resultados comparativos del rendimiento por oblea (yield)
La figura 6.1 muestra el porcentaje (yield) de los micro-bolómetros al finalizar
el proceso de fabricación. Las fallas por corto circuito se atribuyen a que el
proceso de lift-off usado para definir los patrones de los contactos metálicos
no funcionó adecuadamente.
Este problema es más acentuado en las estructuras con electrodos
interdigitados (estructuras E01, E05, E43 y E47) y en las estructuras con
brazos de soporte largos (estructuras E04, E08, E46 y E50) como se puede
ver la figura 6.1. En este último tipo de micro-bolómetro con brazos largos se
podría cambiar ligeramente el diseño de los electrodos para reducir el riesgo
de corto circuito.
También existe una cierta tendencia en las estructuras con huecos en
las membranas a presentar un mayor número de fallas por corto circuito
comparado con las correspondientes estructuras sin huecos. La razón de
esto no es del todo clara ya que los huecos en la membrana no tienen
influencia en el proceso de lift-off.
151
E1
E2
E3
E4
E5
E6
E7
E8
E43
E44
E45
E46
E47
E48
E49
E50
0
5
10
15
20708090
100
0
5
10
15
20708090100
Corto circuito Circuito abierto Funcionando
Ren
dim
ien
to g
ener
al (
%)
Tipo de micro-bolómetro
Rendimiento general - 1280 micro-bolómetros
Figura 6.1. Porcentaje de micro-bolómetros funcionales después del proceso de
fabricación.
Por otro lado, el circuito abierto que presentaron las estructuras, se
debió a un posible redepósito de películas aislantes de poliimida y SiNx que
fueron grabadas en los pasos 3 - 5 del proceso de fabricación de los micro-
bolómetros (figura 4.8), las cuales quedaron depositadas entre los pads de
aluminio y los patrones de titanio que hacen contacto con las películas termo-
sensoras.
Para las estructuras cuya membrana queda soportada por poste de
titanio (ver figura 4.6, estructuras de la E01 al E08) se contabilizó un mayor
número de circuitos abiertos. Una explicación podría ser que durante la
definición de patrones de la membrana de soporte de SiNx con plasma
basado en flúor (CF4) existe un re-depósito en la superficie del aluminio de
polímeros CxFy o de una capa de óxido de silicio fluorado SixOyFz, en ambos
152
casos la poliimida y la fotoresina son las fuentes adicionales de carbono y
oxígeno [6.1, 6.2]. De esta manera las ventanas de 6x6 µm2 tienen una
mayor probabilidad de quedar con una película aislante en el fondo de la
cavidad comparada con las ventanas de 4x4 µm2 cuyas paredes están
protegidas con la película de SiNx y de fotoresina (estructuras de la E43 a la
E50).
En la figura 6.2 se ilustra la posible dinámica de grabado y re-depósito
de polímeros (representados por los símbolos CxFy), donde los símbolos F*
representan las principales especies reactivas que contribuyen al grabado
espontáneo del nitruro de silicio (en la figura se omite el resto de especies
neutras y radicales libres que están presentes en un grabado por plasma).
Así pues, para aumentar el yield, se puede implementar un paso de
grabado extra, para eliminar completamente los residuos de grabado antes
del depósito de los contactos de titanio (paso 5, figura 4.8).
a) b)
Figura 6.2. Etapa de grabado de la membrana de SiNx con plasma de CF4, a)
estructuras con postes de SiNx+titanio, b) estructuras con poste de titanio
c-Si SiO2 Al Poliimida SiNx Fotoresina
153
6.2 Resultados comparativos de rendimiento (yield) y responsividad de
los diferentes procesos
Tomando en cuenta las estructuras con mayor responsividad en corriente Iℜ
y responsividad en voltaje Vℜ se encontró que las estructuras con mayor
responsividad fueron principalmente aquellas con brazos largos. Recordando
que la responsividad es inversamente proporcional a la conductancia térmica,
era de esperarse que las estructuras con brazos cortos presentaran la
responsividad mas baja.
También se encontró que las estructuras cuya membrana está
soportada por postes de titanio, tienen en general mayor responsividad
comparadas con la estructuras donde la membrana está soportada por
postes de SiNx+titanio. Esto se puede deber a que el titanio y el nitruro de
silicio tienen una conductividad térmica similar 21.9 y 19 W/m·K,
respectivamente, y el hecho que la sección transversal en los postes de
titanio es menor comparada con la sección transversal de los soportes de
SiNx+titanio, por lo que su contribución a la conductancia térmica thG es más
alta en estos últimos.
Se encontró que en general los micro-bolómetros con huecos
presentaron la mayor responsividad. Por lo que, aunque las estructuras con
huecos en las membranas tienen menor área termo-sensora, también tienen
un mayor aislamiento térmico, lo que se traduce en una mayor responsividad.
Las estructuras E01, E05, E43 y E47 con electrodos en forma de
dedos interdigitados no presentaron una mejora significativa respecto de las
correspondientes estructuras E02, E06, E44 y E48 con electrodos simples y
en general tuvieron resultados similares.
También se decidió obtener un yield funcional de cada una de las
estructuras, esto es, considerando únicamente los micro-bolómetros
empaquetados, caracterizados en obscuridad y bajo iluminación infrarroja, y
154
que tengan respuesta a la radiación IR, la figura 6.3 muestra los resultados.
Como se puede ver, existen tres estructuras cuyo rendimiento dentro de las 8
películas termo-sensoras fue del 100 %, las cuales son la E04, E44 y E50,
resulta interesante ver que las estructuras E04 y E50 tienen las patas más
largas, mientras que la estructura E04 tiene las patas más cortas. Por lo que
se puede concluir que no hay una influencia de la longitud de las patas con el
rendimiento funcional.
Aquellas estructuras con un rendimiento menor al 100 % presentaron
problemas como: baja o nula respuesta a radiación infrarroja o falla por corto
circuito. El histograma de rendimiento de la figura 6.3 representa una
muestra pequeña de apenas 128 micro-bolómetros comparado con el
rendimiento de 1280 estructuras presentado en la figura 6.1, sin embargo se
debe tomar en cuenta que el primer análisis de rendimiento discutido en la
sección 6.1 considera a un micro-bolómetro como funcional si conduce o no
corriente eléctrica, sin considerar su respuesta a la radiación infrarroja. Por lo
que éste análisis es más completo, al incluir su respuesta ante radiación
infrarroja.
E1 E2 E3 E4 E5 E6 E7 E8 E43 E44 E45 E46 E47 E48 E49 E500
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Ren
dim
ien
to g
ener
al (
%)
Tipo de micro-bolómetro
128 micro-bolómetros
Figura 6.3. Rendimiento funcional tomando en cuenta los micro-bolómetros
empaquetados y caracterizados en obscuridad y bajo iluminación infrarroja.
155
Tomando un promedio de los valores de responsividad en corriente de los
micro-bolómetros en cada encapsulado podemos apreciar rápidamente el
desempeño de los micro-bolómetros con las distintas películas termo-
sensoras. La figura 6.4 muestra el promedio en responsividad en corriente y
el valor de TCR que se obtuvo de la caracterización de las películas termo-
sensoras, mientras que la tabla 6.1 muestra las principales condiciones de
depósito de las distintas películas termo-sensoras.
Tabla 6.1. Principales condiciones de depósito de las películas termo-sensoras.
Proceso 1178 1193 1195 1181 1185 1187 1189 1191 Presión (mTorr) 1000 1500 1500 600 1500 600 1000 1500
SiH4 @ 10% en H2
(sccm) – – 500 500 500 900 900 900
GeH4 @ 10% en H2
(sccm) 500 500 – 500 500 100 100 100
1178 1193 1195 1181 1185 1187 1189 11910,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
3
4
5
6
7
8
9
10 Responsividad en corriente
Res
po
spo
nsi
vid
ad e
n c
orr
ien
te, R
I (
A/W
)
pm-Ge:H pm-Si:H,B pm-SixGey:H
TCR T
CR
(%
K-1)
Figura 6.4. Responsividad en corriente promedio para cada encapsulado y valor de
TCR para cada película termo-sensora.
156
En la figura 6.4 se puede ver que la responsividad en corriente varía
de acuerdo con el TCR para las películas de pm-Ge:H desde una valor
promedio de responsividad en corriente de 0.123 A/W para la película del
proceso 1178 depositada a 1000 mTorr hasta alcanzar un valor de 0.695 A/W
para la película del proceso 1193 depositada a 1500 mTorr. La película silicio
polimorfo dopada con boro tiene un valor de TCR ligeramente superior al de
la película de germanio polimorfo del proceso 1178, por lo que su
responsividad promedio fue mayor alcanzando un valor de 0.348 A/W, pero
menor a la responsividad del proceso 1193.
Para las películas de silicio-germanio polimorfo (con un flujo de
SiH4=GeH4=500 sccm) de los procesos 1181 y 1185 vemos que también
existe un aumento en responsividad en corriente a medida que aumenta el
valor del TCR partiendo desde un valor promedio de 0.368 A/W para la
película del proceso 1181 depositada a 600 mTorr hasta alcanzar un valor de
promedio de 0.469 A/W para la película del proceso 1185 depositada a 1500
mTorr.
Hasta aquí se ha visto que en cada serie de depósitos la
responsividad es proporcional al TCR y aumenta con la presión de depósito.
Para la película de silicio-germanio polimorfo del proceso depositada a 600
mTorr 1187 (con un flujo de SiH4=900 sccm, GeH4=100 sccm) encontramos
la mayor responsividad en corriente promedio de todos los procesos
alcanzando un valor de 1.245 A/W. Para la película del proceso 1189
depositada a 1000 mTorr (SiH4=900 sccm, GeH4=100 sccm) vemos que el
valor del TCR sigue aumentando pero la responsividad en corriente presenta
el valor más bajo de todas la películas con apenas 0.067 A/W. Este
comportamiento es completamente contrario a lo esperado, y se podría deber
a problemas de contactos no óhmicos como se puede ver en la figura 5.27
c)-d) ocasionados por residuos de grabados. De la misma manera con la
película del proceso 1191 depositada a 1500 mTorr (SiH4=900 sccm,
GeH4=100 sccm) la responsividad en corriente posee un valor promedio de
157
0.386 A/W aunque dicha película tiene el TCR más elevado de todos los
procesos. En este caso, la baja responsividad observada se puede atribuir a
problemas de autocalentamiento u otros mecanismos que por el momento no
están del todo claros. El TCR es una cantidad que en principio permite
estimar la calidad de una película cuando es utilizada como material termo-
sensor, sin embargo cuando es implementada en un sensor como los micro-
bolómetros, otros factores involucrados con problemas de fabricación pueden
afectar seriamente el desempeño final de los dispositivos.
6.3 Resultados comparativos de la detectividad de los diferentes
procesos
En el capítulo 5 se describieron los resultados de mediciones de ruido, se
midieron las estructuras E47 y E50 (figura 4.6) de 7 procesos de micro-
bolómetros con diferentes películas termo-sensoras. De las mediciones de
ruido realizadas en los micro-bolómetros con distintas películas termo-
sensoras se encontró que la mayoría de las estructuras del tipo E50 (figura
4.6) con brazos largos presentan un nivel de ruido ligeramente mayor a las
estructuras E47 (figura 4.6) con electrodos en forma de dedos interdigitados.
Esto podría deberse a que las estructuras con electrodos en forma de dedos
interdigitados poseen mayor área de contacto entre el metal y la película
termo-sensora. Se ha encontrado [4.9, 6.3, 6.4] que se puede reducir el nivel
de ruido 1/f en silicio amorfo al aumentar el área dedicada a los electrodos o
utilizando elevados niveles de dopado con boro para conseguir contactos
óhmicos en los micro-bolómetros.
Por otro lado, mediciones de densidad espectral de ruido en películas
de a-Si:H, pm-Si:H y µm-Si:H han demostrado una reducción considerable en
la magnitud del ruido 1/f a medida que la estructura del material es más
ordenada [6.5].
158
En películas de a-SixGeyBz:H reportadas en [2.43] se encontró un
aumento considerable en la conductividad al doparse con boro y también a
medida que la cantidad de germanio en fase solida aumentó. Sin embargo se
encontró que el nivel de ruido más bajo fue para la película de silicio-
germanio amorfo intrínseco y conforme el contenido de germanio aumentó el
nivel de ruido también lo hizo. A partir de dichos resultados se puede notar
que a pesar que la resistividad de las películas disminuyó con un aumento de
contenido de boro y germanio, el nivel de desorden en la red amorfa pudo
haber aumentado influyendo en mayor medida en la magnitud del ruido 1/f
[2.42].
Lo anterior concuerda con los resultados obtenidos en este trabajo.
Haciendo una comparación en los dispositivos fabricados con películas
termo-sensoras depositadas a diferentes presiones, se puede observar que
las películas depositadas a mayor presión en general resultan en dispositivos
con menor nivel de ruido. Esto se puede ver al comparar los proceso de pm-
SixGey:H 1187 (600 mTorr) y 1191 (1500 mTorr), al igual que en los procesos
de pm-Ge:H 1178 (1000 mTorr) y 1193 (1500 mTorr); los dispositivos con
menor nivel de ruido fueron aquellos depositados a presiones mayores
(figuras 5.37 y 5.39) para los dos tipos de estructuras medidas (E47 y E50).
Cabe hacer notar que se ha demostrado que mayores presiones de depósito
en materiales amorfos resultan en la formación de nanocristales en la matriz
amorfa, aumentando el orden cristalino en el material y disminuyendo los
defectos. Así pues, es posible que el uso de materiales polimorfos en micro-
bolómetros resulte en dispositivos con menores niveles de ruido.
De los resultados de ruido medidos en los micro-bolómetros con
película termo-sensora de pm-SixGey:H del proceso 1187 se observa también
que el grupo de micro-bolómetros con postes de titanio posee un nivel de
ruido inferior a los que poseen el poste de SiNx+titanio.
La detectividad ∗D es una figura de mérito que normaliza la
responsividad con el ruido. Los valores de ∗D en los diferentes dispositivos
159
de los 7 distintos procesos están en el rango de 107-109 cm·Hz1/2/W. Como
se describió en el capítulo 5, se midió ruido en dos estructuras de micro-
bolómetros (E47 y E50) en los diferentes procesos de películas termo-
sensoras. En la figura 5.38 se observa que la mayor detectividad calculada
para estructuras E47 se encontró en el dispositivo con película termo-
sensora de pm-Ge:H depositada a 1500 mTorr (proceso 1193) con una
posible mayor fracción cristalina. Este dispositivo fue de los que menor nivel
de ruido presentó. En la figura 5.40 se observa que el dispositivo con
estructura E50 y película termo-sensora de pm-SixGey:H (proceso 1181)
presentó la mayor detectividad, esto es debido también a su bajo nivel de
ruido. Así pues, se puede ver que el nivel de ruido en los dispositivos tiene
una influencia alta en la detectividad, y afecta más que el valor de
responsividad.
La tabla 6.2 muestra un resumen de las características de las películas
termo-sensoras y el desempeño de los micro-bolómetros fabricados con
dichas películas. Se mencionan los promedios de responsividad en corriente
y voltaje, también se incluye el valor de responsividad máximo encontrado en
distintas estructuras. La detectividad que se muestra corresponde
únicamente a la de la estructura E50 para ayudar a comparar entre distintas
películas y descartar las variaciones geométricas del micro-bolómetro. Como
se puede ver la resistencia eléctrica de las estructuras oscila entre 3.3x103-
9.5x106 Ω.
En trabajos anteriores realizados en el laboratorio de microelectrónica
del INAOE se emplearon materiales como silicio amorfo, germanio amorfo o
aleaciones de silicio-germanio amorfo, sin embargo en muchos de los casos
los dispositivos fabricados presentaban elevadas resistencias del orden de
109 Ω. En este trabajo se ha encontrado que el uso de materiales polimorfos
ayuda significativamente a reducir la resistencia eléctrica de los micro-
bolómetros.
160
Tabla 6.2. Propiedades de las distintas películas termo-sensoras
Pel
ícul
a te
rmo-
sens
ora
Res
pons
ivid
ad e
n co
rrie
nte
(A/W
) –p
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–
Res
pons
ivid
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n co
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(A/W
) –m
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Res
pons
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(V
/W)
–pro
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Res
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n vo
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/W)
–máx
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Rui
do
(V/H
z1/2 )
–100
Hz,
E50
–
Res
iste
ncia
de
mic
ro-
boló
met
ro
(Ω)
–E50
–
Det
ectiv
idad
(c
m·H
z1/2 /W
) –1
00 H
z, E
50–
1178 pm-Ge:H 0.123 0.282
–E50– 2.32x105 4.09x105 –E50– 8.28x10-6 2.09x106 3.58x108
1193 pm-Ge:H 0.695 1.675
–E08– 2.05x105 4.51x105 –E06– 1.06x10-5 2.55x105 1.23x108
1195 pm-Si:H,B 0.348 0.445
–E04– 1.76x103 2.45x103 –E04– — 3.37X103 —
1181 pm-
SixGey:H 0.368 1.426
–E07– 1.62x105 6.67x105 –E50– 2.31x10-6 1.84x106 3.05x109
1185 pm-
SixGey:H 0.469 1.456
–E05– 2.0x105 6.31x105 –E47– 4.29x10-5 2.2x106 5.34x107
1187 pm-
SixGey:H 1.245 2.351
–E44– 5.63x105 1.12x106 –E01– 2.25x10-5 1.13x106 1.84x108
1189 pm-
SixGey:H 0.067 0.173
–E03– 1.17x105 3.4x105 –E01– 1.3x10-4 9.54x106 1.43x107
1191 pm-
SixGey:H 0.386 0.661
–E48– 2.31x105 5.4x105 –E02– 8.38x10-6 5.39x105 1.41x108
*Detectividad calculada con los valores de responsividad en corriente
En la tabla 6.3 se muestran las características de la estructura E50
con la película termo-sensora de pm-SixGey:H correspondiente al proceso
161
1181 (la cual mostró la mayor ∗D ), también se muestran las características
de algunos micro-bolómetros con distintas películas termo-sensoras
encontrados en la literatura. Los resultados obtenidos en [2.43] son bastante
similares a los encontrados en este trabajo. En dicho trabajo se reporta una
detectividad para una estructura tipo puente con electrodos coplanares de
5.9x109 cm·Hz1/2/W y un TCR de 2.7 %K-1, como se puede ver la detectividad
en dichos micro-bolómetros fue mayor a pesar de poseer un TCR menor
comparado con los de este trabajo. También se reporta un nivel de ruido
mucho menor que el encontrado aquí. Sin embargo las estructuras de prueba
de esta tesis tienen una reducción de área de un 45% respecto de los
reportados en dicho trabajo.
Se podría suponer que el aislamiento térmico de la estructura E50 no
pudo compensar la reducción del área activa y el elevado nivel de ruido, por
lo que al final la detectividad no fue significativamente mejor. Ya que dicho
trabajo fue el punto de partida de esta tesis, sí se encontraron mejoras
significativas en cuanto a yield estructural, ya que incluso las estructuras con
brazos largos permanecieron en buen estado después de la fabricación y
empaquetado, además su diseño permite un nivel de integración mayor
comparado con los micro-bolómetros tipo puente con área de 70x66 µm2.
En [2.18] se reportan las características de micro-bolómetros
comerciales fabricados con a-Si:H,B. El TCR reportado tiene una valor
moderado de 2.8 %K-1 ya que la película esta dopada con boro, sin embargo
la resistencia de la celda se encuentra en 3x107 Ω por lo que el nivel de ruido
1/f podría ser muy elevado, por otro lado la responsividad en voltaje es
bastante elevada alcanzando 1x106 V/W. Aunque no se reporta la
detectividad, se menciona que el NETD es <100 mK lo cual es bastante
bueno ya que los resultados corresponden al año 2000. Actualmente este
grupo ya está trabajando en micro-bolómetros basados en películas de a-
SiGe:H, sin embargo la información disponible es demasiado limitada para
hacer comparaciones con los resultados de esta tesis [6.6].
162
Tabla 6.3. Comparación del desempeño de los micro-bolómetros con la literatura.
Película termo-sensible
pm-SixGey:H –1181– a-SixGey:H,B a-Si:H,B a-Si:H,B a-GexSi1-xOy VOx
TCR (%K-1) 4.38 2.7 2.8 2.8 4.88 6.5
Tiempo de respuesta térmico
(ms)
— 3 11 13.3 13 8.2
Área del micro-
bolómetro (µm2)
50x50 70x66 48x48 — 50x50 65x60
Responsividad en corriente
(A/W) 0.76 0.03 — — — —
Responsividad en voltaje
(V/W) 6.6x105 1.2x105 1x106 3.8x104 1x105 1x105
Resistencia de micro-
bolómetro (Ω)
1.8x106 1x106 3x107 3-11x106 7x105 —
Detectividad (cm·Hz1/2/W) 3.0x109 5.9x109 — 1.7x108 6.7x108 1x109
Referencias Este trabajo [2.43] [2.18] [6.7] [2.24] [6.8]
En [6.7] se reporta el uso de a-Si:H,B para la caracterización de
estructuras de prueba. En el diseño utilizado el sensor yace directamente
sobre una capa gruesa de poliimida para mejorar el aislamiento térmico hacia
el sustrato de silicio. El valor de TCR reportado es también moderado con 2.8
%K-1 aunque la detectividad alcanza un valor de 1.7x108 cm·Hz1/2/W, sin
embargo no se reportan las dimensiones del área activa.
En [2.24] se discuten los resultados de distintos micro-bolómetros con
películas de a-GexSi1-xOy depositadas por sputtering. El valor del TCR es
bastante elevado con 4.88 %K-1 y la detectividad es también elevada,
compitiendo muy bien con los resultados de otros trabajos. Además el tiempo
de respuesta térmico le permite una operación a 30 Hz, también el material y
163
las condiciones de depósito son compatibles con los procesos CMOS. Sin
embargo se menciona que el yield estructural es muy bajo y el área ocupada
por los brazos de soporte consume demasiado espacio de la celda, por lo
que la integración en un arreglo bidimensional requiere de un rediseño en la
geometría del dispositivo y una nueva evaluación del desempeño del micro-
bolómetro.
Finalmente se presentan los resultados encontrados en [6.8] con
micro-bolómetros basados en película termo-sensora de óxido de vanadio,
específicamente es una mezcla de dos fases VO2 y V2O3 obtenidos después
de una tratamiento térmico a 360 °C. El nivel de TCR alcanzado se
encuentra muy por encima del promedio para VOx que ronda los ~2 %K-1,
además la detectividad alcanza un valor elevado de 1x109 cm·Hz1/2/W.
También el tiempo de respuesta térmico se encuentra dentro del rango
común con 8.2 ms, por otro lado, el uso del óxido de vanadio sigue
requiriendo de la fabricación del micro-bolómetro en instalaciones dedicadas
a este material y su incorporación a los procesos CMOS estándar aun no es
compatible.
Otra empresa [6.9] dedicada a la fabricación de micro-bolómetros
comerciales basados en silicio amorfo dopado con boro también ha
comenzado a investigar el uso de películas basadas en a-SiGe:H en vías de
reducir la resistividad con la incorporación del germanio a la vez que se
mantiene un elevado valor de TCR gracias a las propiedades del silicio
amorfo. Por ahora sólo se reportan valores preliminares, pero como se puede
ver, la tendencia actual se encuentra en la investigación de materiales
compatibles con procesos CMOS con el fin de reducir la complejidad de
fabricación y abarcar mercados con productos de bajo costo con rendimiento
moderado.
164
6.4 Discusión final: Selección de estructura y películas termo-sensoras
con mejores características
Tomando en cuenta el histograma de rendimiento general de la figura 6.3 se
puede ver que las estructuras E04, E44 y E50 son las que presentan la
mayor probabilidad de funcionar correctamente al final del proceso de
fabricación, empaquetado y caracterización (rendimiento de 100%). Si se
toma en cuenta el promedio de responsividad en corriente de las 8 películas
para estas tres estructuras encontramos que la estructura E04 tiene una
responsividad en corriente promedio de 0.372 A/W, la estructura E44 tiene
0.462 A/W y la estructura E50 tiene 0.48 A/W. Si ahora se toma en cuenta el
promedio de responsividad en voltaje encontramos que la estructura E04
tiene 1.34x105 V/W, la estructura E44 tiene 1.75x105 V/W y la estructura E50
tiene 3.34x105 V/W. Por lo tanto se observa que la estructura E50 presenta
siempre los mejores resultados en responsividad en voltaje y responsividad
en corriente y en segundo lugar la estructura E44. Tomando en cuenta la
estructura E50 para comparar el rendimiento entre distintos procesos se vio
que la película de pm-SixGey:H del proceso 1181 presentó el mejor resultado
de detectividad con 3.05x109 cm·Hz1/2/W, y en segundo lugar la película de
pm-Ge:H del proceso 1178 con un valor de 3.58x108 cm·Hz1/2/W.
6.5 Referencias
[6.1] C. Álvarez. Micromaquinado de silicio monocristalino mediante grabado seco.
M.S. Thesis, National Institute for Astrophisics, Optics and Electronics, 2007
[6.2] A. Bagolini, L. Pakula, T. L. M. Scholtes, H. T. M. Pham, P. J. French, P. M.
Sarro. Polyimide sacrificial layer and novel materials for post-processing surface
micromachining. J. Micromech. Microeng., 12, 385–389, 2002
165
[6.3] E. Mottin, A. Bain, Jean-Luc Martin, Jean-Louis Ouvrier-Buffet, S. Bisotto,
Jean-Jacques Yon, Jean-Luc Tissot. Uncooled amorphous silicon technology
enhancement for 25-µm pixel pitch achievement. Proc. SPIE 4820, Infrared
Technology and Applications XXVIII, 200, 2003
[6.4] Shibin Li, Y. Jiang, Z. Wu, J. Wu, Z. Ying, Z. Wang, W. Li, G. Salamo. Origins
of 1/f noise in nanostructure inclusion polymorphous silicon films. Nanoscale
Research Letters, 6, 281, 2011
[6.5] S. B. Li, Z. M. Wu, Y. D. Jiang, W. Li, N. M. Liao, J. S. Yu. Structure and 1/f
noise of boron doped polymorphous silicon films. Nanotechnology, 19, 085706, 2008
[6.6] T. Schimert, J. Brady, T. Fagan, M. Taylor, W. McCardel, R. Gooch, S. Ajmera,
C. Hanson, A.J. Syllaios. Amorphous silicon based large format uncooled FPA
microbolometer technology. Proc. SPIE 6940, Infrared Technology and Applications
XXXIV, 694023, 2008
[6.7] Xing-Ming Liu, Hua-Jun Fang, Li-Tian Liu. Study on new structure uncooled a-
Si microbolometer for infrared detection. Microelectronics Journal, 38, 735–739,
2007
[6.8] B. Wang, J. Lai, H. Li, H. Hu, S. Chen. Nanostructured vanadium oxide thin film
with high TCR at room temperature for microbolometer. Infrared Physics &
Technology, 57, 8–13, 2013
[6.9] J. J. Yon, J. P. Nieto, L. Vandroux, P. Imperinetti, E. Rolland, V. Goudon, C.
Vialle, A. Arnaud. Low-resistance a-SiGe-based microbolometer pixel for future
smart IR FPA. Proc. SPIE 7660, Infrared Technology and Applications XXXVI,
76600U, 2010
166
CAPITULO 7. CONCLUSIONES
Se diseñaron 16 estructuras de micro-bolómetros con el fin de estudiar los
efectos de la geometría de las estructuras en las distintas figuras de mérito.
El área total de la celda fue de 50x50 µm2 para todos los diseños.
Los huecos en las membranas sí ayudaron a reducir el tiempo de liberación
durante el grabado de la poliimida. Sin embargo no se obtuvo el tiempo total
de grabado para cada estructura ya que las obleas se procesaron de forma
continua. La responsividad mejoró ligeramente en las estructuras cuyas
membranas tienen huecos, sin embargo no se encontró una relación directa
con este hecho.
Las estructuras con poste de titanio mostraron mejores resultados en
términos de responsividad y detectividad que las estructuras con postes de
nitruro y titanio. La reducción en el área transversal del poste disminuye la
conductancia térmica por lo que la responsividad aumenta para este tipo de
micro-bolómetros. Sin embargo se notó que las estructuras con poste de
titanio tienen una mayor probabilidad de presentar un circuito abierto por una
película aislante que se redeposita durante el grabado con plasma de
oxígeno, por lo que un paso extra de grabado debe ser implementado.
Las estructuras con brazos largos mostraron un mejor desempeño
comparado con los que tienen brazos cortos. Este comportamiento se debe a
que la responsividad es directamente proporcional a la longitud del brazo de
soporte.
La forma de los electrodos en general influyó directamente en el número de
dispositivos con tendencia a presentar un corto circuito. En general los
electrodos en forma de dedos interdigitados presentaron el mayor número de
fallas por corto circuito. Este problema se debe principalmente a que el
167
material sobrante entre los electrodos de titanio no se logró remover por
completo en la etapa de lift-off. Una depuración en la técnica de foto-litografía
para aumentar la pendiente en las paredes de la fotoresina eliminaría este
problema.
De la caracterización para obtener la responsividad se analizaron 128 micro-
bolómetros y se obtuvo un rendimiento general para todos los procesos. Las
estructuras E04, E44 y E50 fueron las únicas que funcionaron correctamente
para los 8 procesos de fabricación. En general no se encontraron problemas
de estabilidad mecánica ya que la mayoría de las estructuras destruidas se
encontraron en la periferia de las obleas.
Al enfocar la atención en las tres estructuras con menor número de fallas, se
encontró que la estructura E50 presenta siempre los mejores resultados en
responsividad en corriente y voltaje, seguida por la estructura E44.
La caracterización de ruido en micro-bolómetros a nivel oblea fue un tanto
limitada y debido a su complejidad no se pudo realizar un análisis amplio
para encontrar de forma concisa el efecto de las variaciones en la geometría
de las estructuras sobre los niveles de ruido. El nivel de ruido entre distintas
películas termo-sensoras presentó variaciones de hasta 2 órdenes de
magnitud, mientras que las variaciones para distintas estructuras se
mantuvieron dentro de un orden de magnitud. Las mediciones de ruido en la
estructura E47 a nivel oblea y en empaquetado presentaron valores muy
similares, por lo que aparentemente el alambrado del micro-bolómetro no
influyó sobre el nivel de ruido registrado.
De las distintas películas termo-sensoras se encontró que la película de pm-
SixGey:H del proceso 1181 presentó el mejor resultado de detectividad con
3.05x109 cm·Hz1/2/W.
168
APÉNDICE A
Caracterización de fotoresina positiva AZ® ECI 3027
Para la película de sacrificio en la fabricación de micro-bolómetros, se
estudió la fotoresina positiva AZ® ECI 3027, la cual debió ser caracterizada
durante el desarrollo de este trabajo de tesis. Se realizaron una serie de
pruebas para obtener curvas de espesor para distintas revoluciones de
depósito, pruebas de grabado lateral de patrones en plasma de oxígeno (O2),
estabilidad térmica y reflujo a alta temperatura.
De la caracterización se obtuvo un proceso para definir patrones de 3
µm con las condiciones específicas del laboratorio de microelectrónica del
INAOE, la cual es como sigue:
• Deshidratación de obleas en horno de convección a 110 °C durante 10
minutos. Enfriado a temperatura ambiente en flujo de aire laminar,
durante 3 minutos.
• Aplicación de promotor de adherencia TI PRIME a 4000 rpm durante
20 segundos y curado durante 10 minutos a 110 °C en horno de
convección. Enfriado a temperatura ambiente en flujo de aire laminar.
• Aplicación de fotoresina positiva AZ® ECI 3027 a 4000 rpm durante 30
segundos, con esto se logra un espesor de 2.4-2.5 µm.
• Precocido en parrilla a 90 °C durante 2.5 minutos. Seguido de
hidratación en flujo de aire laminar durante 2-3 minutos. El fabricante
recomienda una humedad relativa del ambiente entre 40-50% y de
preferencia 45 %.
• Alineación y exposición en luz UV en alineadora semiautomática Karl
Suss MA 56-M en modo de contacto directo mascarilla-oblea
utilizando una densidad de energía de 346 mJ/cm2 @ λ=400 nm.
169
• Recocido de fotoresina en parrilla a 115 °C durante 1 minuto con 15
segundos y enfriado a temperatura ambiente en flujo de laminar.
• Revelado en solución AZ® 726 MIF o su equivalente AZ® 326 MIF
durante ~50 segundos.
Cabe señalar que este proceso se optimizó para un espesor de ~2.5
µm y sustratos que contienen una película de óxido de silicio, para otros
espesores de resina y superficies con otras películas como metales las
condiciones pueden variar.
La curva de espesor contra revoluciones de depósito presentó una
ligera desviación respecto de la proporcionada por el fabricante como se
muestra en la figura A.1.
1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 55002,0
2,2
2,4
2,6
2,8
3,0
3,2
3,4
3,6
3,8
4,0
4,2
4,4
4,6
esp
eso
r es
pes
or
( µµ µµm
)
rpm, 30 seg
Fabricante Laboratorio (INAOE)
AZ ECI 3027
Figura A.1. Espesor de la fotoresina AZ ECI 3027 para distintas revoluciones de
depósito.
170
Con el fin de buscar las condiciones de grabado en el sistema micro
RIE Technics 800, que permitieran obtener la máxima razón de grabado
vertical con un mínimo grabado lateral se realizaron dos series de pruebas.
La primera prueba consistió en dejar fija la potencia de RF a 150 Watts
mientras la presión base del gas se incrementó desde 150 hasta 300 mTorr.
La segunda prueba consistió en dejar fija la presión base a 150 mTorr y
mientras la potencia de RF se incrementó desde 150 hasta 300 Watts. Los
resultados de ambas pruebas se muestran en las figuras A.2 y A.3. Como se
puede ver en la figura A.2 la máxima razón de grabado vertical se obtiene
para las presiones en el rango de 150 a 200 mTorr a la vez que el grabado
lateral es prácticamente nulo. A medida que la presión de la cámara aumenta
el grabado tiende a ser más isotrópico alcanzando un punto máximo
alrededor de los 250 mTorr.
140 160 180 200 220 240 260 280 300115
120
125
130
135
140
0
10
20
30
40
50
Grabado vertical
Raz
ón
de
gra
bad
o la
tera
l (n
m/m
in)
Raz
ón
de
gra
bad
o v
erti
cal (
nm
/min
)
presión (mTorr)
Grabado de fotoresina AZ ECI 3027
en sistema micro-RIE Technics 800
potencia: 150 Watts
Grabado lateral
Figura A.2. Razones de grabado en plasma de oxigeno para la fotoresina AZ ECI
3027 en el equipo micro-RIE Technics 800 para una potencia fija de 150 Watts.
171
En la figura A.3 se observa que el punto crítico en el cual el grabado
lateral alcanza su valor máximo se encuentra alrededor de una potencia de
250 Watts. Por otro lado el grabado vertical aumenta de forma monótona a
medida que la potencia de RF se incrementa. Estas curvas de grabado
fueron de utilidad para identificar las condiciones óptimas en las cuales se
podía obtener el máximo grabado vertical con un mínimo grabado lateral, por
ejemplo cuando se requiere realizar una etapa de descumming previa a una
metalización por lift-off.
140 160 180 200 220 240 260 280 300120
140
160
180
200
220
20
30
40
50
60
70
80 Grabado vertical
Raz
ón
de
gra
bad
o la
tera
l (n
m/m
in)
Raz
ón
de
gra
bad
o v
erti
cal (
nm
/min
)
potencia (Watts)
Grabado de fotoresina AZ ECI 3027
en sistema micro-RIE Technics 800
presión: 150 mTorr
Grabado lateral
Figura A.3. Razones de grabado en plasma de oxigeno para la fotoresina AZ ECI
3027 en el equipo micro-RIE Technics 800 para una presión fija de 150 mTorr.
De las pruebas de reflujo y estabilidad térmica se sometió la fotoresina
a un tratamiento térmico por 4 horas a 200 °C. Se observó una disminución
en el espesor de la fotoresina de ~30 %, además los patrones cuadrados de
6x6 µm2 se deformaron como se observa en la figura A.4a. Por otro lado los
bordes de los patrones presentaron crestas con picos que oscilaron los 400
nm (obtenidos por perfilometría)
a)
Figura A.4. a) Deformación de pa
térmico, b) crestas ubicadas en los bordes de los patrones debido al reflujo de la
fotoresina.
Estas pruebas de reflujo se realizaron con el fin de estudiar la
posibilidad de utilizar la fotoresina como material d
deformación de patrones por reflujo limitó su aplicación en la fabricación de
los micro-bolómetros.
Caracterización de poliimida PI
El proceso de caracterización de poliimida se muestra a continuación
• Aplicación de promotor de adhere
MicroSystems a una concentración de
deionizada) y centrifugado a 3000 rpm por 30 segundos. Finalmente
curado a 110 °C durante 60 segundos en parrilla.
• Aplicación de poliimid
aceleración de 250 rpm/seg, centrifugado a 3000 rpm por 30
bordes de los patrones presentaron crestas con picos que oscilaron los 400
nm (obtenidos por perfilometría) como se puede ver en la figura A.4b
b)
eformación de patrones de 6x6 µm2 después del tratamiento
crestas ubicadas en los bordes de los patrones debido al reflujo de la
Estas pruebas de reflujo se realizaron con el fin de estudiar la
posibilidad de utilizar la fotoresina como material de sacrificio, sin embargo la
deformación de patrones por reflujo limitó su aplicación en la fabricación de
Caracterización de poliimida PI-2610 de HD MicroSystems
El proceso de caracterización de poliimida se muestra a continuación
Aplicación de promotor de adherencia VM651 de la marca HD
Systems a una concentración de 0.1% (diluido en agua
deionizada) y centrifugado a 3000 rpm por 30 segundos. Finalmente
curado a 110 °C durante 60 segundos en parrilla.
Aplicación de poliimida PI-2610, centrifugado por 12 segundos con
aceleración de 250 rpm/seg, centrifugado a 3000 rpm por 30
172
bordes de los patrones presentaron crestas con picos que oscilaron los 400
como se puede ver en la figura A.4b.
después del tratamiento
crestas ubicadas en los bordes de los patrones debido al reflujo de la
Estas pruebas de reflujo se realizaron con el fin de estudiar la
e sacrificio, sin embargo la
deformación de patrones por reflujo limitó su aplicación en la fabricación de
El proceso de caracterización de poliimida se muestra a continuación:
VM651 de la marca HD
0.1% (diluido en agua
deionizada) y centrifugado a 3000 rpm por 30 segundos. Finalmente
2610, centrifugado por 12 segundos con
aceleración de 250 rpm/seg, centrifugado a 3000 rpm por 30
173
segundos, finalmente centrifugado por 12 segundos con
desaceleración de 250 rpm/seg (ver figura A.5).
• Precocido por 90 segundos a 90 °C seguido de otros 90 segundos a
150 °C en parrilla (ver figura A.6).
• Curado final en horno de convección con temperatura inicial de 150 °C
y aumento gradual hasta alcanzar la temperatura final. Mantener la
muestra por 30 minutos y enfriado lento a temperatura ambiente (ver
figura A.6).
Figura A.5. Curva de centrifugado para poliimida PI-2610
Figura A.6. Curva de curado para la poliimida PI-2610.
30 min
1.5 min
~2 °C/min
parrilla
1.5 min
90
150
200
Temperatura (°C)
horno de convección
Tiempo (min)
3000 rpm
30 seg 12 seg 12 seg
250 rpm/seg 250 rpm/seg
rpm
Tiempo (seg)
174
De las pruebas de caracterización se obtuvieron curvas de espesor
para distintas revoluciones de depósito, tiempos y temperaturas de curado
final. En la figura A.7 se observa que se puede obtener un amplio rango de
espesores de poliimida desde ~4 µm hasta ~2.5 µm variando las
revoluciones de centrifugado desde 2000 hasta 3000 rpm (por 30 segundos).
Por otro lado se puede ver que el espesor final no varía considerablemente
con el tiempo de curado, aunque se recomienda como mínimo un tiempo de
curado de 30 minutos. Sin embargo se puede observar que el valor de la
temperatura de curado sí juega un papel importante en la reducción de
volumen debido a la evaporación de solventes.
2000 2500 30002,4
2,6
2,8
3,0
3,2
3,4
3,6
3,8
4,0
curado 200 °C - 30 min curado 300 °C - 30 min curado 200 °C - 1 hr curado 200 °C - 2 hr curado 200 °C - 3 hr curado 200 °C - 4 hr
esp
eso
r ( µµ µµ
m)
rpm, 30 seg
PI-2610
Figura A.7. Curvas de espesor para distintas revoluciones de depósito,
temperaturas y tiempos de curado.
Durante el desarrollo de la etapa de caracterización y fabricación de
los micro-bolómetros se utilizó un horno de convección para el curado final,
sin embargo pruebas posteriores mostraron una mejor calidad de la
175
superficie de la poliimida si el curado final se realizaba en parrilla. En
particular se debe mencionar que el uso del horno de convección produce
una capa dura en la superficie de la poliimida que evita la evaporación de
solventes. La formación de burbujas y estrías en la película se evita usando
parrilla para todo el proceso de curado, en la figura A.8 se muestra este
problema.
Figura A.8. Estrías y burbujas formadas por los solventes atrapadas en la película
de poliimida debido a un curado deficiente.
Se realizaron mediciones de rugosidad superficial por AFM a 3
muestras de poliimida con distintos procesos de curado. En una muestra el
proceso de curado únicamente involucró el precocido en parrilla hasta 150
°C, la segunda muestra se sometió a un proceso de curado utilizando
parrillas y horno de convección tal y como se describe en la figura A.6. La
tercera muestra se sometió a un curado en el que todo el proceso se llevó a
cabo en parrilla. La figura A.9 muestra los resultados para cada muestra, se
puede observar que la calidad de la película es superior cuando se utiliza una
parrilla para todo el proceso de curado ya que la rugosidad rms para la
muestra curada en horno de convección es del doble comparada con la
película cuyo curado final se realiza en parrilla.
176
a) b)
c)
Figura A.9 . Rugosidad superficial de poliimida. La figura a) muestra la superficie de
la poliimida únicamente con el precocido inicial en parrilla hasta 150 °C (Rq=2.97
nm). La figura b) corresponde a una muestra de poliimida con precocido en parrilla +
curado final en horno de conveccion a 200 °C por 30 minutos (Rq=5.83 nm). La
figura c) muestra la rugosidad para un precocido + curado final a 200 °C en parrilla
por 30 minutos (Rq=2.84 nm).
Se realizaron pruebas de grabado en plasma de O2 y O2+CF4. El
fabricante recomienda utilizar una mezcla de 75-80 % de O2 y 15-20% de
CF4 para aumentar la razón de grabado. Sin embargo las razones de
grabado dependen del equipo utilizado (RIE, ICP-RIE, etc.), de la potencia de
RF, voltaje de autopolarización (DC bias), presión de la cámara y flujo total
de la mezcla de gases
típica proporcionada por el fabricante.
Figura A.10. Tendencia en la razón de grabado para distintas concentraciones de
O2 en la mezcla O2+CF
En este trabajo sólo se utilizó
que el uso de CF4
películas que conforman el micro
de gases. En la figura A.10 se muestra una curva de grabado
típica proporcionada por el fabricante.
. Tendencia en la razón de grabado para distintas concentraciones de
+CF4 para grabado de poliimida con plasma.
En este trabajo sólo se utilizó plasma de O2 para formar el plasma, ya
incluso en bajas concentraciones dañaba demasiado las
películas que conforman el micro-bolómetro.
177
se muestra una curva de grabado
. Tendencia en la razón de grabado para distintas concentraciones de
para formar el plasma, ya
incluso en bajas concentraciones dañaba demasiado las
178
LISTA DE FIGURAS
Página
Figura 2.1. Exitancia espectral para cuerpos a distintas
temperaturas ………………………………………….…………………… 16
Figura 2.2. Exitancia espectral para cuerpos con distintas
emisividades……………………………………………………………...... 17
Figura 2.3. Transmisión de la atmosfera a nivel del mar [2.6]……….. 18
Figura 2.4. Micro-bolómetro fabricado por micromaquinado de
volumen……………………………………………………………………... 26
Figura 2.5. Micro-bolómetro fabricado por micromaquinado
superficial…………………………………………………………………… 27
Figura 2.6. Esquema del sistema LF-PECVD utilizado en este
trabajo [2.51]……………………………………………………………….. 34
Figura 2.7. Diagrama de la distribución de densidad de estados para
un material amorfo. La línea a trazos representa la densidad de
estados equivalente en un material cristalino…………………………... 35
Figura 2.8. Conductividad a temperatura ambiente para a-Si:H tipo p
y n como función de la fracción de gases dopantes mezclados con
SiH4 [2.48]………………………...………………………………………... 39
Figura 2.9. Sección transversal de una película de pm-Si:H tomada
con TEM. Los nanocristales tienen un tamaño ~3nm [2.60]………….. 42
Figura 2.10. Sección transversal de una película de pm-Ge:H sobre
corning glass [2.62]………………………………………………………... 42
Figura 2.11. Estructura básica de un detector infrarrojo térmico…….. 44
Figura 2.12. Variación en responsividad en voltaje para distintas
presiones y composiciones de gas [1.36]………………………………. 45
Figura 3.1. Mapa de oblea……………………………………………….. 58
Figura 3.2. Instalación utilizada para obtener el rendimiento eléctrico
de micro-bolómetros………………………………..……………………... 59
179
Figura 3.3. Instalación empleada durante las mediciones de curvas
I-V en obscuridad y bajo iluminación infrarroja…………………………. 60
Figura 3.4. Curvas corriente-voltaje (I-V) de un micro-bolómetro con
película termo-sensora de pm-SixGey:H………………………………… 61
Figura 3.5. Obtención de I∆ y V∆ utilizando curvas I-V en
obscuridad y bajo iluminación IR………………………………………… 64
Figura 3.6. Arreglo experimental utilizado para medir la densidad
espectral de ruido en los micro-bolómetros [2.42]…….…….…………. 65
Figura 3.7. Densidad espectral de ruido en voltaje para uno de los
micro-bolómetros fabricados. Se muestra la curva de NSD(sist+bol) y
NSDsist antes de hacer la resta…………………………………………… 66
Figura 4.1. Longitud del brazo de soporte de la membrana………….. 68
Figura 4.2. Las figuras a) y b) muestran las dos dimensiones de los
orificios para los postes; la figura c) muestra una vista transversal
del poste formado por la película de SiNx+titanio, la figura d) muestra
el poste formado sólo por la película de titanio………………………… 69
Figura 4.3. Diseño de las distintas formas de electrodos. Los micro-
bolómetros de la figura a) y b) tienen un porcentaje de área activa
respecto del área total de la celda, β , de 76.9%; el de la de la figura
c) tiene un 59.6% y el de la figura d) tiene un 42.3%. El micro-
bolómetro de la figura e) tiene un porcentaje de área activa respecto
del área total de la celda, β , de 75.5%; el de la de la figura f) tiene
un 74.9%; el de la figura g) tiene un 57.6% y el de la figura h) tiene
un 40.3%.............................................................................................. 70
Figura 4.4. a) Electrodos de polarización. b) Sección de aluminio
diseñada para reflejar la radiación infrarroja que no fue absorbida
por la membrana suspendida……………….………………………….… 71
Figura 4.5. Diagrama general de los distintos tipos de micro-
bolómetros diseñados…………………………………………………….. 72
180
Figura 4.6. Tipos de estructuras diseñadas (sólo se muestran las
mascarillas #3 y #4). El poste de titanio indica que las bases que
sostienen la membrana son sólo de titanio, mientras que en el otro
caso son postes de SiNx+titanio…………………………………………. 73
Figura 4.7. Diseño de layout compuesto por 4 mascarillas para la
fabricación de los micro-bolómetros…………………………………….. 74
Figura 4.8. Flujo de proceso de fabricación de un micro-bolómetro… 77
Figura 4.9. Micro-bolómetros con área activa de 31x31 µm2
fabricados sobre una superficie sin planarizar, las flechas indican las
irregularidades causadas por las líneas de interconexión del circuito
de lectura [2.27]……………………………………………………………. 78
Figura 4.10. Definición de electrodos de polarización y espejo
reflector de IR………………………………………………………………. 81
Figura 4.11. Patrones definidos en la película de poliimida después
de haber grabado la película de SiNx usada como enmascarante…... 85
Figura 4.12. Espectro de absorción FTIR para una muestra de
nitruro de silicio antes y después del tratamiento térmico de 4 hrs….. 88
Figura 4.13. Rugosidad superficial de SiNx depositada sobre silicio
cristalino. La imagen a) corresponde a una muestra sin tratamiento
térmico (Rq=5.77 nm). La figura b) muestra la rugosidad superficial
después del tratamiento térmico de 4 hrs a 200 °C en ambiente de
N2 (Rq=3.08 nm)…………………………………………………………… 89
Figura 4.14. Grabado parcial de la poliimida, las 4 estructuras tienen
el mismo tiempo de grabado. Las flechas indican la dirección en la
que avanza el grabado……………………………………………………. 93
Figura 4.15. Micro-bolómetros completamente liberados, versiones
sin huecos en las membranas: a), b), c), d); versiones con huecos
en las membranas: e), f), g), h)……………….…………………………. 94
181
Figura 4.16. Micro-bolómetros completamente liberados, versiones
sin huecos en las membranas: a), b), c), d). Versiones con huecos
en las membranas: e), f), g), h)…………………...……………………... 95
Figura 4.17. Vista de los micro-bolómetros a través de microscopia
electrónica de barrido (SEM). En todas las figuras se observa
claramente el exceso de titanio que no se pudo eliminar durante la
definición de patrones por lift-off……….………………………………… 95
Figura 4.18. Desplazamiento vertical y esfuerzo concentrado para la
estructura E49 considerando únicamente la membrana de soporte
de SiNx con un módulo de Young de 40 GPa y un esfuerzo residual
de compresión de 2500 MPa…………………………………………….. 97
Figura 4.19. Desplazamiento vertical y esfuerzo concentrado para la
estructura E50 (ver figura 4.6) considerando únicamente la
membrana de soporte de SiNx con un módulo de Young de 40 GPa
y un esfuerzo residual de compresión de 2500 MPa………………….. 98
Figura 4.20. Distribución de temperatura para distintas estructuras
considerando una intensidad de 0.07 W/cm2 y los postes como
sumideros de temperatura a 300 K……………………………………… 100
Figura 5.1. Dependencia de la conductividad con la temperatura
para pm-Ge:H………………………………………………………………. 105
Figura 5.2. Conductividad y TCR para pm-Ge:H en función de la
presión de depósito………………………………………………………... 105
Figura 5.3. Dependencia de la conductividad con la temperatura
para pm-Si:H,B…………………………………………………………….. 107
Figura 5.4. Conductividad y TCR para pm-Si:H,B en función del flujo
de B2H6……………………………………………………………………… 107
Figura 5.5. Dependencia de la conductividad con la temperatura
para pm-SixGey:H (SiH4/GeH4 = 50 sccm/50 sccm)…………………… 109
Figura 5.6. Conductividad y TCR para pm-SixGey:H en función de la
presión de depósito………………………………………………………... 110
182
Figura 5.7. Dependencia de la conductividad con la temperatura
para pm-SixGey:H (SiH4/GeH4 = 90 sccm/10 sccm)………………….... 111
Figura 5.8. Conductividad y TCR para pm-SixGey:H en función de la
presión de depósito………………………………………………………... 111
Figura 5.9. a) Probador de obleas semiautomático; b) montaje de la
oblea con 8 micropuntas para polarizar 4 estructuras a la vez………. 113
Figura 5.10. Porcentaje de micro-bolómetros funcionales (yield
eléctrico) después del proceso de fabricación…………………………. 114
Figura 5.11. Rendimiento por oblea para micro-bolómetros con
película termo-sensora de pm-Ge:H del proceso 1178……………….. 116
Figura 5.12. Rendimiento por oblea para micro-bolómetros con
película termo-sensora de pm-Ge:H del proceso 1193……………….. 116
Figura 5.13. Rendimiento por oblea para micro-bolómetros con
película termo-sensora de pm-Si:H,B del proceso 1195……………… 117
Figura 5.14. Rendimiento por oblea para micro-bolómetros con
película termo-sensora de pm-SixGey:H del proceso 1181…………… 117
Figura 5.15. Rendimiento por oblea para micro-bolómetros con
película termo-sensora de pm-SixGey:H del proceso 1185…………… 118
Figura 5.16. Rendimiento por oblea para micro-bolómetros con
película termo-sensora de pm-SixGey:H del proceso 1187…………… 118
Figura 5.17. Rendimiento por oblea para micro-bolómetros con
película termo-sensora de pm-SixGey:H del proceso 1189…………… 119
Figura 5.18. Rendimiento por oblea para micro-bolómetros con
película termo-sensora de pm-SixGey:H del proceso 1191…………… 119
Figura 5.19. a) Empaquetado de micro-bolómetros en DIP de 40
pines, b) alambrado de estructuras utilizando alambre de aluminio
de diámetro de 25.4 µm…………………………………………………… 120
183
Figura 5.20. Equipos utilizados durante la caracterización eléctrica
para obtener la responsividad: a) criostato con el empaquetado
montado en el socket ZIF, b) arreglo utilizado para iluminar los
micro-bolómetros con la fuente de IR…………………………………… 121
Figura 5.21. Responsividad en corriente Iℜ para micro-bolómetros
con película termo-sensora de pm-Ge:H del proceso 1178 con TCR=
3.79 %K-1 y conductividad de σRT= 7.5x10-4 (Ω·cm)-1………………… 123
Figura 5.22. Responsividad en corriente Iℜ para micro-bolómetros
con película termo-sensora de pm-Ge:H del proceso 1193 con TCR=
4.2 %K-1 y conductividad de σRT= 2.65x10-4 (Ω·cm)-1………………… 124
Figura 5.23. Responsividad en corriente Iℜ para micro-bolómetros
con película termo-sensora de pm-Si:H,B del proceso 1195 con
TCR= 3.86 %K-1 y conductividad de σRT= 2.53x10-7 (Ω·cm)-1…….... 126
Figura 5.24. Responsividad en corriente Iℜ para micro-bolómetros
con película termo-sensora de pm-SixGey:H del proceso 1181 con
TCR= 4.38 %K-1 y conductividad de σRT= 1.54x10-7 (Ω·cm)-1……….. 127
Figura 5.25. Responsividad en corriente Iℜ para micro-bolómetros
con película termo-sensora de pm-SixGey:H del proceso 1185 con
TCR= 5.15 %K-1 y conductividad de σRT= 2.09x10-8 (Ω·cm)-1……….. 129
Figura 5.26. Responsividad en corriente Iℜ para micro-bolómetros
con película termo-sensora de pm-SixGey:H del proceso 1187 con
TCR= 6.57 %K-1 y conductividad de σRT= 1.36x10-10 (Ω·cm)-1……… 130
Figura 5.27. Responsividad en corriente Iℜ para micro-bolómetros
con película termo-sensora de pm-SixGey:H del proceso 1189 con
TCR= 6.83 %K-1 y conductividad de σRT= 4.94x10-11 (Ω·cm)-1……… 132
Figura 5.28. Responsividad en corriente Iℜ para micro-bolómetros
con película termo-sensora de pm-SixGey:H del proceso 1191 con
TCR= 8.89 %K-1 y conductividad de σRT= 1.22x10-11 (Ω·cm)-1……… 133
184
Figura 5.29. Responsividad en voltaje Vℜ para micro-bolómetros
con película termo-sensora de pm-Ge:H del proceso 1178…………... 135
Figura 5.30. Responsividad en voltaje Vℜ para micro-bolómetros
con película termo-sensora de pm-Ge:H del proceso 1193…………... 135
Figura 5.31. Responsividad en voltaje Vℜ para micro-bolómetros
con película termo-sensora de pm-Si:H,B del proceso 1195….……… 136
Figura 5.32. Responsividad en voltaje Vℜ para micro-bolómetros
con película termo-sensora de pm-SixGey:H del proceso 1181………. 137
Figura 5.33. Responsividad en voltaje Vℜ para micro-bolómetros
con película termo-sensora de pm- SixGey:H del proceso 1185……… 138
Figura 5.34. Responsividad en voltaje Vℜ para micro-bolómetros
con película termo-sensora de pm- SixGey:H del proceso 1187……… 138
Figura 5.35. Responsividad en voltaje Vℜ para micro-bolómetros
con película termo-sensora de pm-SixGey:H del proceso 1189……... 140
Figura 5.36. Responsividad en voltaje Vℜ para micro-bolómetros
con película termo-sensora de pm- SixGey:H del proceso 1191……… 140
Figura 5.37. Densidad espectral de ruido en voltaje para la
estructura E47. Las curvas muestran el ruido en la muestra después
de haber extraído el ruido del sistema…………………………………... 142
Figura 5.38. Detectividad para la estructura E47 calculada con los
valores de responsividad en corriente y responsividad en voltaje…… 143
Figura 5.39. Densidad espectral de ruido en voltaje para la
estructura E50. Las curvas muestran el ruido en la muestra después
de haber extraído el ruido del sistema…………………………………... 144
Figura 5.40. Detectividad para la estructura E50 calculada con los
valores de responsividad en corriente y responsividad en voltaje…… 145
185
Figura 5.41. Densidad espectral de ruido en voltaje para la oblea del
proceso 1187. Las curvas muestran el ruido en la muestra después
de haber extraído el ruido del sistema…………………………………... 146
Figura 5.42. Detectividad para la oblea del proceso 1187 calculada
con los valores de responsividad en corriente y responsividad en
voltaje……………………………………………………………………….. 147
Figura 5.43. Densidad espectral de ruido en voltaje para la
estructura E47 del proceso 1191. Las curvas muestran el ruido en la
muestra después de haber extraído el ruido del sistema……………... 148
Figura 5.44. Detectividad para la estructura E47 del proceso 1191
calculada con los valores de responsividad en corriente y
responsividad en voltaje…………………………………………………... 148
Figura 6.1. Porcentaje de micro-bolómetros funcionales después del
proceso de fabricación……………………………………………………. 151
Figura 6.2. Etapa de grabado de la membrana de SiNx con plasma
de CF4, a) estructuras con postes de SiNx+titanio, b) estructuras con
poste de titanio……………………………………………………………... 152
Figura 6.3. Rendimiento funcional tomando en cuenta los micro-
bolómetros empaquetados y caracterizados en obscuridad y bajo
iluminación infrarroja………………………………………………………. 154
Figura 6.4. Responsividad en corriente promedio para cada
encapsulado y valor de TCR para cada película termo-sensora…….. 155
Figura A.1. Espesor de la fotoresina AZ ECI 3027 para distintas
revoluciones de depósito…………………………………………………. 169
Figura A.2. Razones de grabado en plasma de oxigeno para la
fotoresina AZ ECI 3027 en el equipo micro-RIE Technics 800 para
una potencia fija de 150 Watts…………………………………………… 170
186
Figura A.3. Razones de grabado en plasma de oxigeno para la
fotoresina AZ ECI 3027 en el equipo micro-RIE Technics 800 para
una presión fija de 150 mTorr……………………………………………. 171
Figura A.4. a) Deformación de patrones de 6x6 µm2 después del
tratamiento térmico, b) crestas ubicadas en los bordes de los
patrones debido al reflujo de la fotoresina……………………………… 172
Figura A.5. Curva de centrifugado para poliimida PI-2610…………… 173
Figura A.6. Curva de curado para la poliimida PI-2610………………. 173
Figura A.7. Curvas de espesor para distintas revoluciones de
depósito, temperaturas y tiempos de curado…………………………… 174
Figura A.8. Estrías y burbujas formadas por los solventes atrapadas
en la película de poliimida debido a un curado deficiente…………….. 175
Figura A.9. Rugosidad superficial de poliimida. La figura a) muestra
la superficie de la poliimida únicamente con el precocido inicial en
parrilla hasta 150 °C (Rq=2.97 nm). La figura b) corresponde a una
muestra de poliimida con precocido en parrilla + curado final en
horno de convección a 200 °C por 30 minutos (Rq=5.83 nm). La
figura c) muestra la rugosidad para un precocido + curado final a
200 °C en parrilla por 30 minutos (Rq=2.84 nm)……………………….. 176
Figura A.10. Tendencia en la razón de grabado para distintas
concentraciones de O2 en la mezcla O2+CF4 para grabado de
poliimida con plasma………………………………………………………. 177
187
LISTA DE TABLAS
Página
Tabla 2.1. Algunos materiales utilizados como material de soporte
en micro-bolómetros de membrana suspendida……………………….. 27
Tabla 2.2. Valores típicos de TCR para distintos materiales usados
como película termo-sensora…………………………………………….. 31
Tabla 2.3. Algunas propiedades del a-Si:H con calidad para
fabricación de dispositivos electrónicos (modificado de [2.57])………. 40
Tabla 4.1. Condiciones de depósito de SiNx en PECVD usada como
enmascarante…………………………………………………....………… 83
Tabla 4.2. Condiciones de grabado sistema micro-RIE Technics 800
para definir los patrones en la película de SiNx………………………… 84
Tabla 4.3. Condiciones de grabado de poliimida en sistema micro-
RIE Technics 800………………………………………………………….. 84
Tabla 4.4. Condiciones de grabado de poliimida en sistema ICP-RIE 84
Tabla 4.5. Condiciones de grabado en sistema micro-RIE Technics
800 de SiNx usado como enmascarante………………………………... 85
Tabla 4.6. Condiciones de depósito de SiNx en PECVD usada como
membrana de soporte…………………………………………………….. 87
Tabla 4.7. Condiciones de grabado en sistema micro-RIE Technics
800 de SiNx usado como membrana de soporte………………………. 87
Tabla 4.8. Índice de refracción y razón de grabado en solución de
ácido fluorhídrico para SiNx depositado por PECVD antes y después
de tratamiento térmico…………………………………………………….. 87
Tabla 4.9. Propiedades eléctricas y térmicas de algunos metales
[4.19, 4.20]………………………………………………………………….. 90
Tabla 4.10. Condiciones utilizadas en el sistema micro-RIE Technics
800 para limpiar restos de fotoresina……………………………………. 90
Tabla 4.11. Condiciones de depósito de SiNx en PECVD usada
como película absorbedora………………………………………………. 92
188
Tabla 4.12. Condiciones utilizadas en el sistema micro-RIE Technics
800 para definir los patrones de la película termo-sensora y
absorbedora……………………………………………………………….. 92
Tabla 4.13. Condiciones utilizadas en el sistema Asher Branson
L2101 para grabar el material de sacrificio……………………………... 92
Tabla 4.14. Incrementos en temperatura para distintos micro-
bolómetros………………………………………………………………….. 101
Tabla 5.1. Condiciones de depósito de las películas termo-sensoras
de pm-Ge:H………………………………………………………………… 106
Tabla 5.2. Condiciones de depósito de la película termo-sensora de
pm-Si:H,B…………………….…………………………………………….. 108
Tabla 5.3. Condiciones de depósito de las películas termo-sensoras
de pm-SixGey:H…………………………………………………………….. 112
Tabla 5.4. Porcentaje de estructuras funcionales por dado para los
distintos procesos de fabricación……………………….……………….. 113
Tabla 6.1. Principales condiciones de depósito de las películas
termo-sensoras…………………………………………………………….. 155
Tabla 6.2. Propiedades de las distintas películas termo-sensoras….. 160
Tabla 6.3. Comparación del desempeño de los micro-bolómetros
con la literatura…………………………………………………………….. 162