Tez Arşivi

Hakkımızda

Tez aramanızı kolaylaştıracak arama motoru. Yazar, danışman, başlık ve özete göre tezleri arayabilirsiniz.


Orta Doğu Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü

A High fill factor CMOS uncooled infrared microbolometer detector

Yüksek etkin alanlı CMOS soğutmasız kızılötesi mikrobolometre dedektörü

Teze Git (tez.yok.gov.tr)

Bu tezin tam metni bu sitede bulunmamaktadır. Teze erişmek için tıklayın. Eğer tez bulunamazsa, YÖK Tez Merkezi tarama bölümünde 119179 tez numarasıyla arayabilirsiniz.

Özet:

ABSTRACT A HIGH FILL FACTOR CMOS UNCOOLED INFRARED MICROBOLOMETER DETECTOR Tannkulu, Mahmud Yusuf M.Sc, Department of Electrical and Electronics Engineering Supervisor: Assoc. Prof. Dr. Tayfun Akın September 2002, 99 pages This thesis presents the development of a high fill factor CMOS uncooled infrared microbolometer detector that can be used for low-cost, large format focal plane arrays (FPAs). Two types of microbolometers are considered: resistive and diode type. In resistive type, the n-well resistance is used as the sensing element, where its resistance changes due to temperature increase from the absorbed infrared radiation. In the diode type, an n-well/p+-active diode is used as the sensing element, where its turn-on voltage changes due to the temperature increase from the absorbed infrared radiation. In both types, the sensing elements are first fabricated in a 0.35 urn CMOS process, and then they are suspended from the silicon substrate with post-CMOS etching steps to thermally isolate them for high sensitivity and performance. A new post-CMOS etching process is developed in the framework of this study, and this process allows to reduce the pixel size of the microbolometer structures, while increasing their fill factors. As the microbolometers are mimplemented with simple post-CMOS etching steps, without needing any critical lithography or exotic material deposition processes, this approach can be used to implement low-cost, high performance microbolometer FPAs monolithically with the readout circuits. A number of pixel structures along with various test structures have been developed. Pixel structures are optimized using various simulations performed in MATLAB and CoventorWare softwares. Detailed simulations show that the optimum pixel is obtained with a diode type microbolometer in an area of 40um x 40pm, and it provides a sensitivity of -2 mV/K and an average noise density of 8.1 nV/VHz, when biased at 20 uA. This pixel provides a thermal isolation of 1.3xl0"7 W/K and a thermal time constant of 25 msec. After the design, all of the structures have been fabricated in a 0.35 urn CMOS process. The CMOS fabricated chips are then processed to implement thermally isolated microbolometer structures. Post-CMOS etching steps include two critical steps: reactive ion etching (RIE) and anisotropic silicon etching. RIE step is necessary to create narrow openings on the structure to reach the silicon substrate that will be etched. The anisotropic silicon etching is achieved in a TMAH solution together with electrochemical etch-stop technique to prevent the etching of the n-wells those contain the detector elements. These etching steps are optimized with extensive studies. The fabricated structures have been measured to determine their performance. The optimum microbolometer pixel provides a measured sensitivity of -1.98 mV/K and average noise density of 8.3 nV/VHz with 20 uA bias, which are very close to the simulation results. This pixel is expected to provide a detectivity (D*) value of 2.5x1 09 cnWHz/W and a noise equivalent temperature difference (NETD) value of less than 200 mK with f/1 optics and 4 kHz electrical bandwidth. The fabricated chip also includes a number of special test structures to determine the thermal characteristics of the CMOS layers that affect the performance of the IVmicrobolometers. Test results are used to extract the thermal conductivity and the heat capacity of the oxide layers, polysilicon and metal layers. The thermal conductivities are measured to be between 0.78 W/mK and 1.78 W/mK for the oxide layers, 14.6 W/mK for polysilicon layer, and 37.5 W/mK for the metal layer. The heat capacities are between 0.9 J/cm3K and 1.24 J/cm3K for the oxide layers, 1.78 J/cm K for polysilicon layer, and 10.9 J/cm K for the metal layer. The measured values are consistent with the values in literature. The results in this study show that it is possible to implement high performance microbolometers in small pixel areas using a new post-CMOS process approach. Therefore, this study is an important step to develop very low-cost advanced infrared imaging systems for military and commercial applications. Keywords: Uncooled infrared detectors, high fill factor microbolometers, low cost infrared detectors, CMOS infrared detectors, thermal characterization of CMOS layers.

Summary:

oz YÜKSEK ETKİN ALANLI CMOS SOGUTMASIZ KIZILÖTESİ MİKROBOLOMETRE DEDEKTÖRÜ Tarınkulu, Mahmud Yusuf Yüksek Lisans, Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü Tez Yöneticisi: Doç. Dr. Tayfun Akın Eylül 2002, 99 sayfa Bu tezde düşük maliyetli büyük odak düzlem matrislerinde kullanılabilecek CMOS sürecinde üretilen yüksek etkin alanlı bir soğutmasız kızılötesi mikrobolometre dedektörü sunulmuştur. Direnç ve diyot tipi olmak üzere iki çeşit mikrobolometre ele alınmıştır. Direnç tipi mikrobolometrelerde, emilen kızılötesi ışınım dolayısıyla direnç değeri değişen n-kuyu direnci algılayıcı eleman olarak kullanılmıştır. Diyot tipi mikrobolometrelerde ise, açılma voltajı değişen n-kuyu/p+ diyotu algılayıcı eleman olarak kullanılmıştır. Bu iki tip mikrobolometrede de, algılayıcı elemanlar öncelikle 0.35 um CMOS sürecinde ürettirilmiş ve daha sonra CMOS sonrası üretim basamakları kullanılarak silisyum tabandan ısıl olarak izole edilmiştir. Bu ısıl izolasyon dedektörün hassasiyetini ve performansım arttırmaktadır. Bu çalışma çerçevesinde geliştirilen CMOS sonrası üretim basamakları piksel alanım azaltırken etkin alam artırmayı sağlamaktadır. Mikrobolometrelerin CMOS sonrası üretim basamakları kolay olduğundan ve kritik vıbir basamak içermediğinden, bu yaklaşım düşük maliyetli yüksek performanslı odak düzlem matrislerinin üretiminde kullanılabilir. Bu çalışma içerisinde çeşitli piksel yapılan ve birkaç tane test yapısı geliştirildi. Piksel yapıları MATLAB ve CoventorWare yazılımlarında yapılan çeşitli simulasyonlar ile optimize edildi. Detaylı simulasyonlar en uygun piksel yapısının 40um x 40um alana sahip olduğunu ve 20 uA sabit akımda hassasiyetinin -2 mV/K, ortalama gürültü yoğunluğunun ise 8.1 nV/VHz olduğunu göstermektedir. Bu pikselin ısıl iletkenliği 1.3x1 0"7 W/K ve ısıl zaman sabitininde 25 msec olduğu bulunmuştur. Tasarımdan sonra yapılar 0.35 um CMOS üretim sürecinde ürettirilmiş ve daha sonra da CMOS sonrası üretim adımları ile ısıl izolasyonu sağlanmış yapılar tamamlanmıştır. CMOS sonrası üretim basamaklarının iki aşaması vardır: reaktif iyonla aşındırma (RIE) ve yönlü silisyum aşındırması. RIE basamağı yapılardaki dar aralıkların açılmasını, dolayısıyla aşındırılacak olan silisyum tabakaya ulaşılmasını sağlamaktadır. Yönlü silisyum aşındırması ise, TMAH çözeltisinde, n-kuyu tabakanın aşınmasını engelleyecek olan elektrokimyasal aşırdırma-durdurma yöntemi ile beraber yapılmaktadır. Bu iki basamakta kapsamlı çalışmalar sonucunda optimize edilmiştir. Üretilen yapıların performansının belirlenebilmesi için bir takım ölçümler yapılmıştır. En uygun mikrobolometre pikseli 20 uA sabit akımda -1.98 mV/K hassasiyete ve 8.3 nV/VHz ortalama gürültü yoğunluğuna sahiptir. Bu değerler simulasyon sonuçlarına çok yalandır. Bu pikselin dedektivitesinin 2.5xl09cnWHz/W civarında ve gürültüye eş sıcaklık farkının f/l optik ve 4 kHz elektriksel bant aralığında 200 mK'den düşük olacağı tahmin edilmektedir. Üretilen kırmıkta, mikrobolometrelerin performansını etkileyen CMOS katmalarım karakterize etmekte kullanılacak bir takım test yapılan bulunmaktadır. Bu yapılar kullanılarak yapılan testler sonucunda oksit, polisilisyum ve metal katmanlarının ısıl iletkenlikleri ve ısı sığaları bulunmuştur. Isıl iletkenlik, oksit katmanları için vu0.78 W/mK ile 1.78 W/mK arasında, polislisyum katmanı için 14.6 W/mK ve metal katmam için ise 37.5 W/mK bulunmuştur. Isı sığaları ise oksit katmaman için 0.9 J/cm3K ile 1.24 J/cm3K arasında, polisilisyum katmam için 1.78 J/cm3K ve metal katmam için ise 10.9 J/cm3K bulunmuştur. Ölçülen bu değerler literatürde verilen değerler ile uyumludur. Bu çalışma, küçük piksel alanına sahip yüksek performanslı mikrobolometrelerin yeni bir CMOS sonrası üretim yaklaşımı ile gerçeklenebileceğini göstermektedir. Bu yüzden, bu çalışma, askeri ve sivil uygulamalar için düşük maliyetli gelişmiş kızılötesi görüntüleme sistemlerinin geliştirilmesi için önemli bir adımdır. Anahtar Kelimeler: Soğutmasız kızılötesi dedektörler, yüksek etkin alana sahip mikrobolometreler, düşük maliyetli kızılötesi dedektörler, CMOS sürecinde üretilen kızılötesi dedektörler, CMOS katmanlarının ısıl karakterizasyonu. vııı