Desarrollo de micro-bolómetros no enfriados basados … · brinda ventajas como un menor consumo...

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.

Eur. J. Phys., 13, 268–79, 1992

[1.2] Cornell, E.S. Early Studies in Radiant Heat. Annals of Science, 1, 217-225,

1936

[1.3] Seebeck, T.J. On the Unequal Evolution of Heat in the Prismatic Spectrum.

Philosophical Mag 66:330-343 (I), 445-455 (II), 1825

[1.4] W. W. Jacques. Distribution of heat in the spectra of various sources of

radiation. Proc. Amer. Acad. Of Arts and Sc., 1879

[1.5] W. Herschel. Investigation of the Powers of the Prismatic Colours to Heat and

Illuminate Objects; With Remarks, That Prove the Different Refrangibility of Radiant

Heat. To Which is Added, an Inquiry into the Method of Viewing the Sun

Advantageously, with Telescopes of Large Apertures and High Magnifying Powers.

Phil Trans R Soc Lond, 90, 255-283, 1800

[1.6] W. Herschel. Experiments on the Refrangibility of the Invisible Rays of the Sun.

Phil Trans R Soc Lond, 90, 284-292, 1800

[1.7] W. Herschel. Experiments on the Solar, and on the Terrestrial Rays that

Occasion Heat; With a Comparative View of the Laws to Which Light and Heat, or

11

Rather the Rays Which Occasion Them, are Subject, in Order to Determine Whether

they are the Same, or Different. Phil Trans R Soc Lond, 90, 437-538, 1800

[1.8] Seebeck, T. J. Magnetische Polarisation der Metalle und Erze durch

Temperatur-Differenz. Abh. Deutsch. Akad. Wiss. Berlin, 265–373, 1822

[1.9] Oersted H. Nouvelles expériences de M. Seebeck sur les actions électro-

magnétiques. Ann. Chim. Phys., 22, 199-201, 1823

[1.10] Fourier J., Oersted H. Sur quelques nouvelles expériences thermoeléctriques.

Ann. Chim. Phys., 22, 375-389, 1823

[1.11] L. Nobili. Beschreibung eines Thermo-Multiplicators oder elektrischen

Thermoskops. Ann. Phys., 245-252, 1830

[1.12] L. Nobili, M. Melloni. Recherches sur plusieurs phénomènes calorifiques,

entreprises au moyen du thermo-multiplicateur. Ann. de chimie et de physique,

XLVIII, 198-218, 1831

[1.13] John F. W. Herschel. On the Chemical Action of the Rays of the Solar

Spectrum on Preparations of Silver and Other Substances, Both Metallic and Non-

Metallic, and on Some Photographic Processes. Phil Trans R Soc Lond, 130, 1-59,

1840

[1.14] A. F. Svanberg. Ueber Messung des Leitungswiderstandes für elektrische

Ströme und über ein galvanisches Differentialthermometer. Pogg. Ann., 84, 411-

418, 1851

[1.15] S. P. Langley. The Bolometer and Radiant Energy. Proceedings of the

American Academy of Arts and Sciences. 16, 342-358, 1881

[1.16] S. P. Langley. On the Thermal Balance. Scince, 2, 28, 11-12, 1881

[1.17] T. W. Case. “Thalofide cell” a new photo-electric substance. Phys. Rev.,15,

289-292, 1920

[1.18] S. O. Hoffman, "The detection of invisible objects by heat radiation" Phys.

Rev., 14, 163-166, 1919

[1.19] C. L. Oxley. Characteristics of cooled lead sulfide photo-conductive cells. J.

Opt. Soc., 36, 365, 1946

[1.20] W. N. Arnquist. Survey of Early Infrared Developments. IRE, 229-239, 1959

[1.21] A. Rogalski. Infrared Detectors: Status and Trends. Progress in Quantum

Electronics, 27, 59-210, 2003

12

[1.22] S. B. Borg. Thermal Imaging with Real Time Picture Presentation. Appl.

Optics, 7, 1697-1703, 1968

[1.23] K. Delendik, I. Emeliantchik, A. Litomin, V. Rumyantsev, O. Voitik. Aluminum

Oxide Microchannel Plates. Nuclear Physics B, 125, 394-399, 2003

[1.24] A. Rogalski. History of infrared detectors. Opto-electronics review 20, 279-

308, 2012

[1.25] Thomas L. Williams. Thermal Imaging Cameras: Characteristics and

Performance. pp. 22, 2009

[1.26] F. D. Sheperd, A. C. Yang. Silicon Schottky retinas for infrared imaging. Tech.

Digest of IEDM, 310, 1973

[1.27] B. R. Capone, L. H. Skolnik, R. W. Taylor, F. D. Shepherd, S. A. Roosild, W.

Ewing, W. F. Kosonocky , E. S. Kohn. Evaluation of a Schottky IRCCD Staring

Mosaic Focal Plane. Proc. of SPIE, 156, 120-131, 1978

[1.28] P. Roaux, E., J. C. Richard, and C. Piaget. Third-generation image intensifier.

Advances in Electronics and Electron Physics, 64-A, 71-75, 1985

[1.29] T. Akin, “CMOS-Based Thermal Sensors,” in Advanced Micro and

Nanosystems, Vol. 2, eds. H. Baltes, O. Brand, G. K. Fedder, C. Hierold, J. Korvink,

and O. Tabata, Wiley, Weinheim, Germany, pp. 479-512, 2005

[1.30] www.flir.com/uploadedfiles/Eurasia/MMC/Appl_Stories/AS_0015_EN.pdf

(revisado el 04/09/2012)

[1.31] www.yole.fr (revisado el 04/09/2012)

[1.32] Tissot J., Rothan F., Vedel C., Vilain M., Yon J. Uncooled IRFPA

developments review. Proceedings of Quantitative InfraRed Thermography 4, 292-

298, 1998

[1.33] M. Moreno, A. Kosarev, A. Torres. Fabrication and characterization of un-

cooled micro-bolometers based on silicon germanium thin films obtained by low

frequency plasma deposition. Revista Mexicana de Física, 53, 327-330, 2007

[1.34] P. R. i Cabarrocas, A. F. i Morral, Y. Poissant. Growth and optoelectronic

properties of polymorphous silicon thin films. Thin Solid Films, 403-404, pp. 39-46,

2002

[1.35] M. Moreno, A. Torres, R. Ambrosio, E. Torres, P. Rosales, C. Zuñiga, C.

Reyes-Betanzo, W. Calleja , J. De la Hidalga, K. Monfil. Study of polymorphous

13

silicon as thermo-sensing film for infrared detectors. Materials Science and

Engineering B, 177, 756-761, 2012

[1.36] P. W. Kruse, D. D. Skatrud. Uncooled infrared imaging arrays and systems.

Academic Press, San Diego, 47, 1997

[1.37] J.J. Yon, E. Mottin, L. Biancardini, J.L. Tissot, L. Letellier. Infrared

microbolometer sensors and their application in automotive safety. Proc. AMAA, 1-

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


cuerpos selectivos [2.5].

. Exitancia espectral para cuerpos con distintas emisividades



compuesta principalmente por nitrógeno, oxigeno, dióxido de carbono y



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


. Exitancia espectral para cuerpos con distintas emisividades.



oxigeno, dióxido de carbono y



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


detectores infrarrojos se diseñan para trabajar en alguna o varias de las



afectados por este tipo de atenuación.

. Transmisión de la atmosfera a nivel del mar [2.6].


se pueden distinguir dos grupos: los detectores infrarrojos de fotones

y los detectores infrarrojos térmicos. Los detectores de fotones



convierten la radiación en calor que induce un cambio en temperatura y

alguna propiedad física o eléctrica del dispositivo que



spuesta se relaciona con la cantidad de energía absorbida.

18


lguna o varias de las




se pueden distinguir dos grupos: los detectores infrarrojos de fotones (o

y los detectores infrarrojos térmicos. Los detectores de fotones



un cambio en temperatura y

alguna propiedad física o eléctrica del dispositivo que



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


sustrato, la figura 2.5 muestra el concepto. El proceso básico cons




durante el depósito de las otras películas. Enseguida se deposita

opcionalmente una película de soporte, luego la película termo


película absorbedora de IR. Por último, se realiza el grabado de la pel




la pérdida de calor hacia el substrato. Más a delante



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


sustrato, la figura 2.5 muestra el concepto. El proceso básico consiste en




otras películas. Enseguida se deposita

opcionalmente una película de soporte, luego la película termo-sensora,


película absorbedora de IR. Por último, se realiza el grabado de la película de




la pérdida de calor hacia el substrato. Más a delante



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



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.


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



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-


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


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



variaciones en la geometría de la cámara del reactor así como la presión,



características deseadas en una película [2.52-2.55].

2.6 Densidad de estados y diagrama de bandas



34


1].

[2.51].

roceso de plasma es caracterizado por muchos parámetros y la



eactor así como la presión,





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


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


densidad de estados de energía, resultando en colas de bandas


coordinación (como los dangling bonds) e impurezas resultan en



medida que aumenta el desorden en los potenciales experi


35


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


colas de bandas de estados


) e impurezas resultan en defectos



medida que aumenta el desorden en los potenciales experimentados por los


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


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


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


de electrones es mayor

En la tabla 2.3 se mencionan algunas características del a-Si:H con


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



[ ]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



(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


cual ocurre a presiones debajo de 50 mTorr [1.36]. Tomando esto en cuenta,



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-


e 50 mTorr [1.36]. Tomando esto en cuenta,



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

2.11 Referencias

[2.1] Gerald C. Holst. Common sense approach to thermal imaging, pp. 15, 2000

[2.2] S. O. Kasap. Principles of electronic materials and devices. pp. 172-173, 2002

[2.3] Thomas L. Williams. Thermal imaging cameras: characteristics and

performance, pp. 1, 2009

[2.4] E. L. Dereniak, G. D. Boreman. Infrared Detectors and Systems. pp. 66, 1996

[2.5] J. M Aranda. Espectrometría de imagen en el infrarrojo: una contribución al

estudio de las combustiones y a la teledetección de incendios forestales. Ph.D.

Thesis., Universidad Carlos III de Madrid, 23-24, 2002

[2.6] A. Rogalski. Infrared detectors. Boca Raton, CRC Press, 2011

[2.7] D.Würfel, M. Ruß, R. Lerch, D. Weiler, P. Yang, H. Vogt. An uncooled VGA-

IRFPA with novel readout architecture. Adv. Radio Sci., 9, 107-110, 2011

[2.8] A. Rogalski. Progress in focal plane array technologies. Progress in Quantum

Electronics, 36, 342–473, 2012

[2.9] M. J. E. Golay. Bridges Across the Infrared-Radio Gap. Proceedings of the IRE,

40, 1161-1165, 1952

[2.10] S. R. Hunter, G. S. Maurer, G. Simelgor, S. Radhakrishnan, J. Gray, K.

Bachir, T. Pennell, M. Bauer, U. Jagadish. Development and optimization of

microcantilever based IR imaging arrays. Proc. of SPIE, 6940, 2008

[2.11] S. Huang, H. Tao, I-Kuan Lin, X. Zhang. Development of double-cantilever

infrared detectors: Fabrication, curvature control and demonstration of thermal

detection. Sensors and Actuators A, 231-240, 2008

[2.12] M. Steffanson, K. Gorovoy, V. Ramkiattisak, T. Ivanov, J. Król, H. Hartmann,

I.W. Rangelow. ARCH-type micro-cantilever FPA for uncooled IR detection.

Microelectronic Engineering, 98, 614-618, 2012

[2.13] C. M. Hanson, H. R. Beratan, D.L. Arbuthnot. Uncooled Thermal Imaging with

Thin-Film Ferroelectric Detectors. Infrared Technology and Applications XXXIV,

Proc. of SPIE, 6940, 2008

[2.14] M. Elwenspoek, H. Jansen. Silicon Micromachining. pp. 43-47, 1998

52

[2.15] M. Almasri, D. P. Butler, Z. Çelik-Butler. Self-Supporting Uncooled Infrared

Microbolometers With Low-Thermal Mass. Journal of Microelectromechanical

Systems, 10, 2001

[2.16] M. Almasri, Z. Çelik-Butler, D. P. Butler, A. Yaradanakul, A. Yildiz. Uncooled

Multimirror Broad-Band Infrared Microbolometers. Journal of Microelectromechanical

Systems, 11, 2002

[2.17] N. Oda, Y. Tanaka, T. Sasaki, A. Ajisawa, A. Kawahara, S. Kurashina.

Performance of 320x240 Bolometer-Type Uncooled Infrared Detector. NEC Res &

Develop., 44, 2003

[2.18] A. J. Syllaios, T. R. Schimert, R. W. Gooch, W. L. McCardel, B. A. Ritchey, J.

H. Tregilgas. Amorphous Silicon Microbolometer Technology. Mat. Res. Soc. Symp.

Proc.,609, 2000

[2.19] F. Niklaus, J. Pejnefors, M. Dainese, M. Häggblad, Per-Erik Hellström, U.

Wållgren, G. Stemmea. Characterization of transfer bonded silicon bolometer arrays.

Infrared Technology and Applications XXX, Proc. of SPIE, 5406, 2004

[2.20] H. Ryu, Seong-Mok Cho, W. S. Yang, S. H. Cheon, Byoung-Gon Yu. Novel

Process for the Electrodes of Microbolometer. International Conference on Sensor

Technologies and Applications, 2007

[2.21] N. Chi-Anh, Hyun-Joon Shin, K. Kim, Yong-Hee Han, S. Moon.

Characterization of uncooled bolometer with vanadium tungsten oxide infrared active

layer. Sensors and Actuators A, 87-91, 2005

[2.22] U. Mizrahi, A. Fraenkel, L. Bykov, A. Giladi, A. Adin, E. Ilan, N. Shiloah, E.

Malkinson, Y. Zabar, D. Seter, R. Nakash, Z. Kopolovich. Uncooled Detector

Development Program at SCD. Infrared Technology and Applications XXXI, Proc. of

SPIE, 5783, 2005

[2.23] Kow-Ming Chang, Ren-Jie Lin, I-Chung Deng. Design of low-temperature

CMOS-process compatible membrane fabricated with sacrificial aluminum layer for

thermally isolated applications. Sensors and Actuators A, 134, 660-667, 2006

[2.24] A. H. Z. Ahmed, R. N. Tait. Characterization of an Amorphous GexSi1-xOy

Microbolometer for Thermal Imaging Applications. IEEE Transactions on Electron

Devices, 52, 1900-1906, 2005

[2.25] Yong-Hee Han, In-Hoon Choi, Chang-Sik Son, Kun-Tae Kim, N. C. Anh,

Hyun-Joon Shin, S. Moon. Fabrication of a Surface Micromachined Uncooled

53

Microbolometer Based on the V2O5/V/V2O5 Sandwich Structure. Journal of the

Korean Physical Society, 45, 1655-1658, 2004

[2.26] Woo-Bin Song, J. J. Talghader. Design and characterization of adaptive

microbolometers. J. Micromech. Microeng., 16, 1073-1079, 2006

[2.27] S. Kumar. CCBDI readout circuit for YBaCuO micromachined

microbolometers. PhD. Thesis, The University of Texas at Arlington, 2007

[2.28] S. Sedky, A. Witvrouw, H. Bender, K. Baert. Experimental Determination of

the Maximum Post-Process Annealing Temperature for Standard CMOS Wafers.

IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, 48, 377-385, 2001

[2.29] H. Takeuchi,A. Wung, X. Sun, R. T. Howe,Tsu-Jae Kin. Thermal Budget

Limits of Quarter-Micrometer MEMS Devices. IEEE TRANSACTIONS ON

ELECTRON DEVICES, 52, 2081-2086, 2005

[2.30] P. Gonzaleza, B. Guo, M. Rakowski, K. D. Meyer, A. Witvrouw. CMOS

compatible polycrystalline silicon-germanium based pressure sensors. Sensors and

Actuators A, 188, 9–18, 2012

[2.31] S. Sedky. SiGe: An attractive material for post-CMOS processing of MEMS.

Microelectronic Engineering, 84, 2491-2500, 2007

[2.32] A. Mahmood, D. P. Butler, Z. Çelik-Butler. Micromachined bolometers on

polyimide. Sensors and Actuators A, 132, 452-459, 2006

[2.33] Kow-Ming Chang, Ren-Jie Lin. Fabrication of High Performance CMOS

Compatible Surface-Micromachined Bolometer Arrays. ICEE Japan, 2004

[2.34] B. Wang, J. Lai, E. Zhao, H. Hu, Q. Liu, S. Chen. Vanadium oxide

microbolometer with gold black absorbing layer.Optical Engineering, 51, 2012

[2.35] M. Almasri. Amorphous Silicon Two-Color Microbolometer for Uncooled IR

Detection. IEEE SENSORS JOURNAL, 6, 2006

[2.36] R. A. Street. Hydrogenated Amorphous Silicon. 1991

[2.37] H. Y. Kim, K. M. Kim, B. I. Kim, W. S. Jang, T. H. Kim, T. Y. Kang. Mechanical

Robustness of FPA in a-Si Microbolometer with Fine Pitch. Sensors & Transducers

Journal, 11, 56-63, 2011

[2.38] L. Li, Z. Wu, Y. Ju, C. Chen. Process Effects on Heat-Sensitive Properties of

Sputtered TiOx Thin Film. Energy Procedia, 12, 456-461, 2011

54

[2.39] R. S. Saxena, A. Panwar, S. S. Lamba, R. K. Bhan. A sub-circuit model of a

microbolometer IR detector and its experimental validation. Sensors and Actuators

A, 171, 138-145, 2011

[2.40] S. Yoneoka, M. Liger, G. Yama, R. Schuster, F. Purkl, J Provine, F. B. Prinz,

R. T. Howe, T. W. Kenny. ALD-METAL UNCOOLED BOLOMETER. MEMS Cancun,

MEXICO, 2011

[2.41] R. Ambrosio. Research on fabrication processes for un-cooled

microbolometer based on plasma deposited films. Ph.D. Thesis, National Institute for

Astrophisics, Optics and Electronics, 2005

[2.42] I. Cosme. Estudio experimental de ruido en películas termosensor basadas en

silicio-germanio depositadas por plasma con aplicación en microbolómetros. M.S.

Thesis, National Institute for Astrophisics, Optics and Electronics, 2008

[2.43] M. Moreno. Study of IR un-cooled microbolometer arrays based on thin films

deposited by plasma. Ph.D. Thesis, National Institute for Astrophisics, Optics and

Electronics, 2008

[2.44] M. Liger. Uncooled Carbon Microbolometer Imager. Ph.D. Thesis, California

Institute of Technology, 2006

[2.45] M. M. Rana. Rf Sputtered SixGe1-x and SixGe1-xoy Thin Films for Uncooled

Infrared Detectors. Ph.D. Thesis, The University of Texas at Arlington, 2007

[2.46] A. Mahmood. Device level vacuum packaged microbolometers on flexible

substrates. Ph.D. Thesis, The University of Texas at Arlington, 2006

[2.47] M. Kolahdouz. Application of SiGe(C) in high performance MOSFETs and

infrared detectors. Ph.D. Thesis, KTH (Royal Institute of Technology), 2011

[2.48] K. Tanaka, E. Maruyama, T. Shimada, H. Okamoto. Amorphous Silicon., 1999

[2.49] W.G.J.H.M. van Sark. Methods of deposition of hydrogenated amorphous

silicon for device applications. In: Francombe, M.H. (ed.) Thin Films and

Nanostructures. Advances in Plasma-Grown Hydrogenated Films, ch. 1, vol. 30, pp.

1-215, 2002

[2.50] G. Bruno, P. Capezzuto, A. Madan. Plasma Deposition of Amorphous Silicon-

Based Materials. pp. 4-5, 1995

[2.51] Applied Materials. AMP-3300 LF-PECVD. Operator’s Reference Manual

55

[2.52] M. J. Kushner, M. J. McCaughey. A Self Consistent RF Discharge, Plasma

Chemistry and Surface Model for Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition.

Report. University of Illinois, 1988

[2.53] V. Rouessac, A. Ungureanu, S. Bangarda, A. Deratani, Chia-Hao Lo, Ta-Chin

Wei, Kueir-Rarn Lee, Juin-Yih Lai. Fluorine-Free Superhydrophobic Microstructured

Films Grown by PECVD. Chem. Vap. Deposition, 17, 198-203, 2011

[2.54] D. Y. Kim, T. Yoshihara, S. Porponth, M. Konagai. Effect of an inter-electrode

distance in VHF-PECVD and gas flow ratios on a-SiGeC:H films and solar cells by

using monomethyl germane as a germanium source. Journal of Non-Crystalline

Solids, 358, 2272–2276, 2012

[2.55] A. Chowdhury, S. Mukhopadhyay, S. Ray. Effect of electrode separation on

PECVD deposited nanocrystalline silicon thin film and solar cell properties. Solar

Energy Materials -& Solar Cells, 94, 1522-1527, 2010

[2.56] C. M. Soukoulis, M. H. Cohen, E. N. Economou. Exponential band tails in

random systems. Physical Review Letters, 53, 616–619, 1984

[2.57] R. A. Street. Technology and Aplications of Amorphous Silicon. pp. 4, 2000

[2.58] J. Koh, A. S. Ferlauto, P. I. Rovira, R. J. Koval, C. R. Wronski, R.W. Collins.

Evolutionary phase diagrams for the deposition of silicon films from hydrogen-diluted

silane. Journal of Non-Crystalline Solids, 266-269, pp. 43-47, 2000

[2.59] K. H. Kim, E. V. Johnson, A. Abramov, P. Roca i Cabarrocas. Light induced

electrical and macroscopic changes in hydrogenated polymorphous silicon solar

cells. EPJ Photovoltaics 3, 30301, 2012

[2.60] M. Moreno, A. Torres, R. Ambrosio, A. Torres-Rios, R. Farias, C. Zuñiga, P.

Rosales, A. Heredia. Electrical and optical characterization of polymorphous silicon

films deposited by plasma. In proceedings of the 1st International Congress on

Instrumentation and Applied Sciences ICIAS, Cancún, México, October 26-29, 2010

[2.61] M. Moreno, A. Torres, R. Ambrosio, C. Zuñiga, A. Torres-Rios, K. Monfil, P.

Rosales, A. Itzmoyotl. Study of the effect of the deposition parameters on the

structural, electric and optical characteristics of polymorphous silicon films prepared

by low frequency PECVD. Materials Science and Engineering B, 176, 1373-1377,

2011

[2.62] M. Moreno, A. Torres, R. Ambrosio, P. Rosales, A. Heredia, A. Kosarev, E.

Torres, C. Zuñiga, C. Reyes-Betanzo, M. Domínguez. Deposition and

56

characterization of polymorphous germanium films prepared by low frequency

PECVD. Journal of Non-Crystalline Solids, 358, 2099-2102, 2012

[2.63] M. Moreno, A. Torres, R. Ambrosio, P. Rosales, A. Heredia, A. Kosarev, E.

Torres, C. Reyes-Betanzo, C. Zuñiga. Study of polymorphous silicon and germanium

as thermo-sensing films for infrared detectors. Journal of Non-Crystalline Solids,

358, 2336-2339, 2012

[2.64] K. C. Liddiard. Thin-film resistance bolometer IR detectors. Infrared phys., 24,

57-64, 1984

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


n 5 VPP y el cual se conecta al amplificador LOCK

señal de sincronización.

Igualmente se usa una fuente de radiación infrarroja proporcionada


una fuente de corriente de la marca GW instek modelo PSP


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


conecta al amplificador LOCK-IN para

una fuente de radiación infrarroja proporcionada


una fuente de corriente de la marca GW instek modelo PSP-


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


iguales por cada tipo de micro-bolómetro. La figura 4.7 muestra el diseño

mpuesto por cuatro mascarillas.



película se sacrificio (poliimida), las cuales permiten la


patrones de tres películas: la membrana de soporte, la película termo


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


muestra el diseño



uales permiten la


patrones de tres películas: la membrana de soporte, la película termo-


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



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



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)


(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)


(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)


(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)


(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)


(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


la oblea por encima de los 200 °C. En la


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


93

que consisten de 8


C. En la figura 4.14 se


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-


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


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


la conductividad de las muestras y así mejorar la definición en el

estra algunas


; 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)


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)


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

[4.1] J.L. Tissot, C. Trouilleau, B. Fieque, A. Crastes, O. Legras. Uncooled

microbolometer detector: recent developments at ULIS. Opto-Electron. Rev., 14, 25-

32, 2006

[4.2] B. E. Cole, R. E. Higashi, R. A. Wood. Monolithic Two-Dimensional Arrays of

Micromachined Microstructures for Infrared Applications. PROCEEDINGS OF THE

IEEE, 86, 1679-1686, 1998

[4.3] A. W. M. Lee, B. S. Williams, S. Kumar. Real-Time Imaging Using a 4.3-THz

Quantum Cascade Laser and a 320 240 Microbolometer Focal-Plane Array. IEEE

PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, 18, 1415-1417, 2006

[4.4] C. Beck. Phosphor Concentration in Low Temperature Vapor Deposited Oxide.

Solid State Technology, 1977

[4.5] K. Fujino, Y. Nishimoto, N. Tokumasu, K. Maeda. Reaction Mechanism of

TEOS and O3 Atmospheric Pressure CVD. Proc. 8th Int. IEEE VLSI Multilevel

Interconnection Conf., 445–447, 1991

[4.6] Y. Ikeda, Y. Numasawa, M. sakamoto. Ozone/Organic-Source APCVD for

Conformal doped Oxide Films. Journal of Electronic Materials, 19, 45-49, 1990

102

[4.7] A. Das, M. Stavrev, H. Prenz, M. Schardin, I. Uhlig, W. Graf, Hans-Peter

Sperlich. Phosphorous doped SOG as a pre-metal-dielectric for sub-50 nm

technology nodes. Microelectronic Engineering, 85, 2085–2088, 2008

[4.8] M. Dominguez, P. Rosales, A. Torres, M. Moreno, A. Orduña. Study of dilution

of Spin-On Glass by Fourier transform infrared spectroscopy. Thin Solid Films, 520,

5018–5020, 2012

[4.9] C. Vedel, Jean-Luc Martin, Jean-Louis O. Buffet, Jean-Luc Tissot, M. Vilain,

Jean-Jacques YON. Amorphous silicon based uncooled microbolometer IRFPA.

SPIE Conference on Infrared Technology and Applications XXV, SPIE 3698, 1999

[4.10] P. Eriksson, J. Y. Andersson, G. Stemme. Thermal Characterization of

Surface-Micromachined Silicon Nitride Membranes for Thermal Infrared Detectors.

JOURNAL OF MICROELECTROMECHANICAL SYSTEMS, 6, 55-61, 1997

[4.11] Y. Zhai, C. Cai, J. Huang, H. Liu, S. Zhou, W. Liu. Study on the resistance

characteristic of Pt thin film. Physics Procedia, 32, 772–778, 2012

[4.12] R. S. Saxena, R. K. Bhan, P. S. Rana, A. K. Vishwakarma, A. Aggarwal, K.

Khurana, S. Gupta. Study of performance degradation in Titanium microbolometer IR

detectors due to elevated heating. Infrared Physics & Technology, 54, 343–352,

2011

[4.13] H. Huanga, K. J. Winchester, A. Suvorova, B. R. Lawne, Y. Liud, X. Z. Hud, J.

M. Dell, L. Faraone. Effect of deposition conditions on mechanical properties of low-

temperature PECVD silicon nitride films. Materials Science and Engineering A, 435–

436, p.p. 453–459, 2006

[4.14] K. Matoy, H. Schönherr, T. Detzel, G. Dehm. Micron-sized fracture

experiments on amorphous SiOx films and SiOx/SiNx multi-layers. Thin Solid Films

518, 5796–5801, 2010

[4.15] M. Martyniuk, J. Antoszewski, C. A. Musca, J. M. Dell, L. Faraone. Dielectric

thin films for MEMS-based optical sensors. Microelectronics Reliability

[4.16] X. Xu, Z. Yang, Z. Wang, C. Chen, D. Zhou, Y. Yang, Y. Jiang. Advanced

Design of Microbolometers for Uncooled Infrared Detectors. International

Conference on Information Science and Technology, China, 2011

[4.17] A. Stoffel, A. Kovács, W. Kronast, B. Müller. LPCVD against PECVD for

micromechanical applications. J. Micromech. Microeng., 6, 1–13, 1996

103

[4.18] F. C. Marques, P. Wickboldt, D. Pang, J. H. Chen, W. Paul. Stress and

thermomechanical properties of amorphous hydrogenated germanium thin films

deposited by glow discharge. Journal of Applied Physics, 84, 3118-3124, 1998

[4.19] N. Maluf. An Introduction to Microelectromechanical systems Engineering. pp

24, 2000

[4.20] R. Ghodssi, P. Lin. MEMS Materials and Processes Handbook. pp. 184, 2011

[4.21] R. Ambrosio, A. Torres, A. Kosarev, M. Landa and A. Heredia. Effect of the

hydrogen content in the optical properties and etching of silicon nitride films

deposited by PECVD for uncooled microbolometers. Mater. Res. Soc. Symp. Proc.,

862, 2005

[4.22] R. A. Levy, L. Chen, J. M. Grow, Y. Yu. A comparative study of plasma

enhanced chemically vapor deposited Si-O-H and Si-N-C-H films using the

environmentally benign precursor diethylsilane. Materials Letters, 54, 102-107, 2002

[4.23] C. V. Rijn, M. V. D. Wekken, W. Nijdam, M. Elwenspoek. Deflection and

Maximum Load of Microfiltration Membrane Sieves Made with Silicon

Micromachining. JOURNAL OF MICROELECTROMECHANICAL SYSTEMS, 6, 48-

54, 1997

[4.24] J. Qian, C. Pantea, J. Zhang, L. L. Daemen, Y. Zhao, M. Tang, T. Uchida, Y.

Wang. Yield Strength of a-Silicon Nitride at High Pressure and High Temperature. J.

Am. Ceram. Soc., 88, 903-906, 2005

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


, 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


113

se muestra una de


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


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

(%)


O blea P2M 7, proceso 1193 (pm -G e:H)


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


Ren

dim

ien

to p

or

ob

lea

(%)


O blea P2M8, proceso 1195 (pm -Si:H,B)


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


Ren

dim

ien

to p

or

ob

lea

(%)


O blea P2M 1, proceso 1181 (pm -SixG ey:H)


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

(%)


Oblea P2M3, proceso 1185 (pm-SixGey:H)



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

(%)





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 )



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

(%)





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


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


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


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


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)


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)


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)


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

)


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)


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)


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)


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)


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

)





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)


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)


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)


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

)


Proceso 1195 (pm-Si:H,B)



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)


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)


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)


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

)


Proceso 1181 (pm-SixGey:H)



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)


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)


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)


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)


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

)







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)


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)


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)


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)


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

)







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)


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)


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)


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)


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

)







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)


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)


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)


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)


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

)







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.


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

)



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

)





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

)


Proceso 1195 (pm-Si:H,B)



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.


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).


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

)





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

)






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

)






139


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

)






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

)






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)


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


Detectividad ( RV )

Detectividad ( RI )

Det

ecti

vid

ad, D

*

(cm

·Hz1/

2 /W)


@ 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 )


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 (

%)


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 (

%)


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

rom

edio

–

Res

pons

ivid

ad e

n co

rrie

nte

(A/W

) –m

áxim

o–

Res

pons

ivid

ad e

n vo

ltaje

(V

/W)

–pro

med

io–

Res

pons

ivid

ad e

n vo

ltaje

(V

/W)

–máx

imo–

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



• Aplicación de poliimid



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


posibilidad de utilizar la fotoresina como material de sacrificio, sin embargo la


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



Aplicación de poliimida PI-2610, centrifugado por 12 segundos con


172


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


e sacrificio, sin embargo la


El proceso de caracterización de poliimida se muestra a continuación:

VM651 de la marca HD

0.1% (diluido en agua


2610, centrifugado por 12 segundos con


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


para pm-Si:H,B…………………………………………………………….. 107

Figura 5.4. Conductividad y TCR para pm-Si:H,B en función del flujo

de B2H6……………………………………………………………………… 107


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


182


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


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


película termo-sensora de pm-Ge:H del proceso 1193……………….. 116


película termo-sensora de pm-Si:H,B del proceso 1195……………… 117


película termo-sensora de pm-SixGey:H del proceso 1181…………… 117









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


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


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


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



TCR= 5.15 %K-1 y conductividad de σRT= 2.09x10-8 (Ω·cm)-1……….. 129



TCR= 6.57 %K-1 y conductividad de σRT= 1.36x10-10 (Ω·cm)-1……… 130







184

Figura 5.29. Responsividad en voltaje Vℜ para micro-bolómetros

con película termo-sensora de pm-Ge:H del proceso 1178…………... 135


con película termo-sensora de pm-Ge:H del proceso 1193…………... 135


con película termo-sensora de pm-Si:H,B del proceso 1195….……… 136


con película termo-sensora de pm-SixGey:H del proceso 1181………. 137


con película termo-sensora de pm- SixGey:H del proceso 1185……… 138




con película termo-sensora de pm-SixGey:H del proceso 1189……... 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


estructura E50. Las curvas muestran el ruido en la muestra después


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


Figura 5.42. Detectividad para la oblea del proceso 1187 calculada

con los valores de responsividad en corriente y responsividad en

voltaje……………………………………………………………………….. 147


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

Desarrollo de micro-bolómetros no enfriados basados … · brinda ventajas como un menor consumo...

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