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Untersuchung niederdimensionaler Nanotubekontaktierungen zur Realisierung CMOS-kompatibler Mikrobolometer

 
: Michel, Marvin D.
: Vogt, Holger; Schmechel, Roland

:
Volltext ()

Duisburg-Essen, 2020, XVIII, 156 S.
Duisburg-Essen, Univ., Diss., 2020
URN: urn:nbn:de:hbz:464-20200514-112526-7
Deutsch
Dissertation, Elektronische Publikation
Fraunhofer IMS ()

Abstract
Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Weiterentwicklung des Herstellungsprozesses von nanotubekontaktierten Mikrobolometern auf Basis einer semi-analytischen Modellierung der Nanotube-Wärmeleitfähigkeit. Ansatzpunkt der Entwicklungen ist ein CMOS-kompatibler Herstellungsprozess für Mikrobolometer, in welchem der elektrische Anschluss des Sensorelements gleichermaßen mit dessen thermischer Isolierung über Nanotubes realisiert wird. Die Mikrobolometer finden Anwendung als FIR-Imager und lassen durch die Realisierung des nanotubebasierten Anschlusses eine nahezu beliebige Skalierung der einzelnen Mikrobolometerpixel zu. Die Skalierbarkeit der Mikrobolometerpixel eröffnet die Möglichkeit zur Realisierung kleinerer IR-Imager bei gleichbleibender Auflösung bzw. hochauflösenderer Detektoren bei gleichbleibender Größe des Kamerasystems. Das im Rahmen dieser Arbeit vorgestellte Nanotube-Wärmeleitfähigkeitsmodell basiert auf grundlegenden Modellen der Festkörperphysik. Das Modell bietet erstmals die Möglichkeit, bereits auf Grundlage weniger Materialparameter Vorhersagen über die Wärmetransporteigenschaften des Materials in einer Nanotubegeometrie zu treffen. Da die thermische Isolierung von Mikrobolometern unmittelbar mit deren Detektorsensitivität skaliert, lassen die hier vorgestellten Modellierungen Vorhersagen auf Designvorschriften zur Optimierung der Nanotube-Mikrobolometer zu. Auf Grundlage des Nanotube-Wärmeleitfähigkeitsmodells werden zur Realisierung einer hinreichend hohen thermischen Isolation der Mikrobolometer Zielwandstärken der Nanotubes in der Größenordnung weniger Atomlagen erforderlich. Die Verwendung derart geringer Wandstärken wird jedoch durch die mechanische Stabilität der Mikrobolometer limitiert. Aus diesem Grund wird ein System mechanischer Teststrukturen zusammengestellt, mit welchen die prinzipielle Umsetzbarkeit der Modellanforderungen an die Nanotubes am Bauteil experimentell nachgewiesen wird. Anhand dieser Messstrukturen wird quantitativ der Einfluss einzelner Komponenten der Mikrobolometermembran auf die mechanische Stabilität des Gesamtsystems aufgezeigt. Die Erkenntnisse aus der Modellierung der thermischen Eigenschaften und aus den experimentellen Untersuchungen zur mechanischen Stabilität werden in einem innovativem Herstellungsprozess für die Nanotube-Mikrobolometer umgesetzt. Dieses Mikrobolometerkonzept basiert zur Realisierung der thermischen Isolierung auf der Ausnutzung einer reduzierten Wärmeleitfähigkeit der Nanotubes durch Strukturgrößen nahe und unterhalb der mittleren freien Weglänge von Phononen und Elektronen. Die Mikrobolometer werden mit Methoden der Mikrosystemtechnik in einem Post-CMOS-Prozess auf einer Ausleseschaltung in QVGA- bzw. QQVGAAuflösung in einem Pixel-Pitch von 17µm gefertigt. Auf das Mikrobolometerarray wird ein IR-transparenter Deckel mittels Chip-to-Wafer-Bond aufgebracht, um die Mikrobolometer unter Vakuumatmosphäre thermisch isoliert betreiben zu können. Die elektro-optischen Eigenschaften der IR-Imager werden an einem Bauelementetest charakterisiert, um Aussagen über Kenngrößen wie Defektpixelzahlen und thermische Sensitivität treffen zu können. Abschließend werden die hergestellten IR-Imager zum qualitativen Funktionsnachweis für Thermographieanwendungen in einem Kamerasystem betrieben. Mit den gefertigten IR-Imagern wird in dieser Arbeit eine skalierbare Mikrobolometertechnologie vorgestellt, mit welcher eine Herstellung von funktionsfähigen Mikrobolometern mit einerPixelgröße von lediglich 6µm ermöglicht wird. Während kommerziell erhältliche Detektoren lediglich einen Pixel-Pitch von bis zu 10µm aufweisen, benötigt das hier vorgestellte Mikrobolometerkonzept bei 6µm nur 36% der Sensorfläche eines 10µm-Bolometers.

 

The intention of the presented work contains the advancement of a manufacturing process for microbolometers contacted by nanotubes, based on a semi-analytical model about the thermal conductivity of nanotubes. The development is based on a CMOS-compatible manufacturing process for microbolometers, where the electrical contact as well as the thermal isolation are realized by nanotubes. The microbolometers are used as IR-detectors for thermal imaging applications and are scalable in its pixel pitch because of their nanotube-based contact. The scalability of the microbolometer pixel allows a realisation of smaller IR-detectors by a constant resolution or IR-detectors with a higher resolution by an unchanged size of the camera system. The presented model for calculating the thermal conductivity of nanotubes is based on standard models of solid state physics. This model allows the prediction of thermal transport properties in a nanotube geometry with the knowledge of only a few basic material parameters. Since the thermal isolation of the microbolometers relates directly to their detectors sensitivity, the presented results can be used as design inputs for optimizing the nanotube-microbolometers. The results of the model for calculating the thermal conductivity deduce wall thicknesses of the nanotubes in the regime of only several atomic layers for realizing a sufficient thermal isolation for the microbolometers. However the reduction of nanotubewallthicknessislimitedbythemechanicalstabilityofthemicrobolometer. Therefore a system of mechanical test structures is presented to proof experimentally verified the implementability of the model requirements to the nanotubes. Furthermore the mechanical test structures will be used to demonstrate the influence of single layers to the mechanical stability of the whole microbolometer membrane. Finally the results of the thermal simulations and the empirical data about mechanical stability get combined to develop a novel manufacturing process for nanotube-microbolometers. The new concept for realizing microbolometers is based on a thermal isolation, which is enhanced by a reduced thermal conductivity of the nanotubes due to structure sizes in the order of magnitude and below the mean free path of phonons and electrons. The microbolometers are produced with methods of microsystems technology in a post-CMOS-process on top of a read-out IC in QVGA and QQVGA resolution by a pixel pitch of 17µm. An IR-transparent housing gets plant onto the microbolometer array by a chip-to-wafer bond to operate the microbolometers under vacuum atmosphere with thermally isolated conditions. In the end the electro-optical properties of the IR-imager are characterized by an automatized test for electronic components to quantify characteristic variables like the number of defect pixels and the thermal sensitivity. Furthermore the IR-imagers were operated in a camera system to proof qualitatively the functionality for thermography applications. All in all the manufactured IR-imagers represent a scalable microbolometer technology including the presentation of functional microbolometers with a pixel size of only 6µm. Since commercially available detectors have a pixel pitch of around 10µm, the presented microbolometer concept requires for 6µm only 36% of the sensing area compared to the 10µm-bolometers.

: http://publica.fraunhofer.de/dokumente/N-593181.html