Uncooled infrared detectors based on nanometer-thin metal films

Abstract: Infrared detectors allow the remote and contactless measurement of the temperature of an object through radiometry. By using an array of multiple IR sensors assembled into a camera, a thermal image of a scene can be collected without the need for illumination. The applications for early infrared photon detectors were limited, because their requirement for cryogenic cooling resulted in bulky systems. The evolution of micromachining technology enabled the development of uncooled bolometric detectors, which found more widespread use in both military and civilian settings. Typical use cases include vision enhancement, navigation and collision avoidance, process control, search and rescue operations, surveillance, building inspection, process control and medical diagnostics. However, the relatively high costs of infrared cameras have prevented a more widespread use in consumer-oriented applications.

Part of the challenge is the complex set of requirements for materials used in resistive bolometers, which measure the incident IR radiation through the absorption-induced temperature change of a free-standing and thermally-isolated thermistor. The desired properties include a high IR absorption, a large magnitude and an excellent linearity of the temperature coefficient of resistance (TCR), a high electrical and thermal resistance as well as a low amount of intrinsic noise sources. Typically, a stack of layers is required to fulfill all the mentioned requirements, which results in a complex fabrication process. In this work, we instead developed a bolometer based on a single functional layer of sub-10 nm thin platinum. Reducing the thickness and number of layers has the immediate advantage of allowing for a better thermal isolation and a smaller thermal capacitance. Both measures help to improve the sensitivity, the temperature resolution and the thermal time constant, which represent the most important figures-of-merit of IR detectors. An additional benefit of this approach is a simple and cost-effective fabrication process, the complexity of which commonly scales with the number of mask layers and required lithography steps. Platinum has attractive properties and a long history of use as a thermistor material for temperature sensors. However, to achieve an effective absorption of IR radiation, a thickness in the nanometer-range is required to match the metal film’s impedance to that of free space. A surface micromachining process was developed at the Stanford Nanofabrication Facility that enables the reliable fabrication of the resulting delicate detector structures with aspect ratios in excess of 8000:1. The process is compatible with post-CMOS integration and wafer level packaging. Plasma enhanced atomic layer deposition (PE-ALD) was selected for a repeatable and homogeneous deposition of the functional layers.
A careful investigation of the thickness dependence of the relevant material properties was performed in order to establish the required knowledge for the design and modeling of the detectors structures. A steep increase in both the electrical and thermal resistivity was measured for a reduction of the Pt film thickness below 10 nm. The TCR of thin-film Pt was found to decrease simultaneously. The characterization of the optical properties of Pt showed an increase in both the real and imaginary part of the complex refractive index for smaller layer thicknesses. The risk of damage from high current densities in the Pt thin film due to electromigration was also evaluated and found to be unproblematic. Through the characterization of the mechanical properties of nanometer-thin PE-ALD layers, a reduction of the Young’s modulus of Al₂O₃ of up to 50% compared to bulk values was determined, whereas only a slight degradation was found for Pt. All layers exhibited tensile residual stresses with an average value around 131 MPa.

A detailed performance model was compiled based on these measured material properties and allowed the accurate prediction of the detector’s characteristics as well as an understanding of trade-offs involved in its design. In order to fully exploit the unique features of a bolometer with a single functional layer, an improved geometry based on a self-supporting serpentine structure was subsequently developed, which provides an increase in the sensitivity by a factor of four. The properties of fabricated demonstrator structures were characterized using a vacuum chamber setup. Depending on the employed layer thicknesses, the thermal time constant of the detectors was found to be in the range of 0.7 ms to 4.5 ms. These values are up to an order of magnitude faster compared to state-of-the-art bolometric detectors thanks to the comparatively low thermal mass of the free-standing structure. The sensitivity to IR radiation improved drastically with a reduction in Pt thickness and responsivities of 4×10⁸ V/WA could be achieved for 6 nm thin Pt layers. This value corresponds to a temperature resolution (NETD) of 70 mK, which is based on the measured 1/f noise characteristics of Pt and the assumption of infrared optics with an F-number equal to one. While this new detector technology still leaves room for improvement, the achieved temperature resolution is only about a factor of two away from the performance of commercially available bolometers, which exhibit a significantly slower reaction time and have to rely on a more complicated fabrication process. In summary, we demonstrated an uncooled IR detector based on a single free- standing, sub-10 nm thin Pt layer for the first time. Its performance profits significantly from the reduction in film thickness enabled by the use of PE-ALD.

The presented results and the lessons learned from this work can assist in the use of released, nanometer-thin layers for MEMS devices in other domains that can profit equally from such a development
Abstract: Infrarotdetektoren ermöglichen das kontaktlose Messen der Temperatur eines entfernten Objekts durch Radiometrie. Durch die Verwendung einer Kamera, die aus einer Matrix aus mehreren Detektoren besteht, kann außerdem ein Wärmebild einer Szene aufgenommen werden, ohne dass hierfür eine Lichtquelle notwendig ist.
Die Einsatzgebiete für die ersten auf halbleitenden Materialien basierenden Infrarot- Photodetektoren waren eingeschränkt, da die Notwendigkeit einer kryogenischen Kühlung zu aufwändigen und unhandlichen Systemen führte. Die Entwicklung der Herstellungsmethoden aus der Mikrosystemtechnik ermöglichte die Fertigung von ungekühlten bolometrischen Detektoren, die vielfältige Anwendungen in militärischen und zivilen Bereichen fanden. Typische Anwendungsgebiete umfassen z.B. die Verbesserung der Sicht (ähnlich zu Nachtsichtgeräten), die Unterstützung bei der Navigation und der Vermeidung von Kollisionen, die Überwachung von Objekten, die Suche nach vermissten Personen, die Diagnose und Überwachung von technischen Prozessen, die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung, die Gebäudediagnostik oder den Einsatz bei medizinische Untersuchungen. Die hohen Kosten von Infrarot-Kameramodulen haben jedoch bisher eine weitere Verbreitung im privaten Bereich weitgehend verhindert.

Ein Teil der Herausforderung bei der Entwicklung von IR-Detektoren ist in den komplexen Anforderungen begründet, die Materialien für den erfolgreichen Einsatz in Bolometern erfüllen müssen. Das Messprinzip dieser Art von Detektoren basiert typischerweise auf der Auswertung des elektrischen Widerstands eines freistehenden, thermisch-isolierten Thermistors, der sich aufgrund von absorbierter Infrarotstrahlung mit der Temperatur ändert. Zu den für diesen Einsatz gewünschten Eigenschaften zählen ein hoher Absorptionskoeffizient für Infrarotstrahlung, ein hoher elektrischer und thermischer Widerstand, eine hohe und möglichst lineare Änderung des Widerstands mit der Temperatur und ein geringes intrinsisches Rauschen. Häufig muss eine Kombination von verschiedenen Materialien verwendet werden, um alle Bedingungen zu erfüllen, was zu einem komplexen und kostenintensiven Herstellungsprozess führt.
In dieser Arbeit wurde eine neue Bolometer-Technologie entwickelt, die als einziges funktionales Material auf einer sub-10 nm dicken Platinschicht basiert. Durch die Reduzierung der Anzahl der Schichten und deren Dicke entsteht der Vorteil einer hervorragenden thermischen Isolation und einer geringeren thermischen Masse der Detektorstruktur. Zusammen ergeben sich hieraus eine Verbesserung der Sensitivität, der Temperaturauflösung und der thermischen Zeitkonstante, den drei wichtigsten Kenngrößen für Bolometer. Ein weiterer Vorteil dieses Ansatzes ergibt sich durch einen einfacheren und damit preiswerteren Herstellungsprozess, dessen Komplexität üblicherweise mit der Anzahl der Ebenen und den benötigten Lithographie-Schritten skaliert.
Platin besitzt attraktive Eigenschaften für die Verwendung als Thermistor-Material, was durch die weite Verbreitung von Platin-Widerstandsthermometern belegt ist. Für eine effektive Absorption von Infrarotstrahlung muss die Dicke der Platinschicht für die hier beschriebene Anwendung allerdings im Bereich von wenigen Nanometern liegen, damit eine Impedanz-Anpassung an den Freiraumwellenwiderstand erreichen werden kann. Um die wiederholbare und homogene Abscheidung von Schichten in dieser Größenordnung zu ermöglichen, wurde die Methode der plasmagestützten Atomlagenabscheidung (PE-ALD) gewählt. Hierauf basierend wurde an der Stanford Nanofabrication Facility ein Oberflächenmikromechanik-Fertigungsprozess entwickelt, der die zuverlässige Herstellung von nanometer-dünnen Bolometerstrukuren mit Aspektverhältnissen von über 8000:1 erlaubt. Die prinzipielle Kompatibilität des entwickelten Prozesses konnte sowohl für eine post-CMOS Integration als auch für eine Vakuum-Verkapselung der Sensoren durch Waferbonden gezeigt werden.
Zunächst wurden die relevanten Materialeigenschaften der mit PE-ALD abgeschiedenen Schichten und deren Schichtdickenabhängigkeit evaluiert, damit ein ausreichendes Verständnis für den Entwurf und die Modellierung der Bolometerstrukturen erzielt werden konnte. Ein signifikanter Anstieg der spezifischen elektrischen und thermischen Widerstände wurde hierbei für Platin ab einer Schichtdicke kleiner als 10 nm festgestellt. Dieser Anstieg ging mit einer deutlichen Verringerung der Temperaturabhängigkeit des Widerstandes einher. Bei der Charakterisierung der optischen Eigenschaften der Platinschichten im Infrarotbereich wurde eine Erhöhung der realen und imaginären Anteile des Brechungsindexes bei einer Verringerung der Schichtdicke gemessen. Das durch den kleinen stromtragenden Querschnitt entstehende Risiko einer Beschädigung der Pt-Schicht durch Elektromigration wurde ebenfalls evaluiert und konnte als unbedenklich eingestuft werden. Des Weiteren wurden die mechanischen Eigenschaften der verwendeten Schichten bestimmt. Eine Verringerung des Elastizitätskoeffizienten um bis zu 50% wurde für Al₂O₃-Schichten mit einer Dicke von 9 nm festgestellt, während keine signifikante Veränderung der Steifigkeit von Pt beobachtete wurde. Alle charakterisierten Schichten wiesen Zugspannungen mit durchschnittlichen Werten um 131 MPa auf.

Auf der Grundlage der gemessenen Materialeigenschaften wurde ein detailliertes analytisches Modell erstellt, mit dessen Hilfe die Eigenschaften der hergestellten Detektoren präzise vorhergesagt und die Abhängigkeit dieser Eigenschaften von den Designparametern verdeutlicht werden konnte. Mit der Entwicklung einer verbesserten Geometrie auf Basis einer freitragenden Serpentinenstruktur ließen sich die besonderen Merkmale des Detektoransatzes mit nur einer funktionalen Schicht ausnutzen, was zu einer Erhöhung der Sensitivität um eine Vierfaches führte.
Die Eigenschaften der hergestellten Sensor-Prototypen wurden mit Hilfe eines Vakuumkammer-Aufbaus und eines Schwarzkörperstrahlers bestimmt. Die thermische Zeitkonstante der Detektoren lag – abhängig von der verwendeten Schichtdicke – im Bereich zwischen 0.7 ms und 4.5 ms. Dank der geringen thermischen Masse der nanometer-dicken, freitragenden Schicht sind diese Werte bis zu einer Größenordnung schneller im Vergleich zum Stand der Technik. Die Sensitivität der Sensoren gegenüber Infrarotstrahlung verbesserte sich drastisch für geringere Platin-Schichtdicken. So konnte eine Sensitivität von 4×10⁸ V/WA für Platin mit eine Dicke von 6 nm erreicht werden. Dieser Wert entspricht einer Temperaturauflösung (NETD) von 70 mK unter Berücksichtigung des gemessenen 1/f-Rauschens von Platin und unter der Annahme einer Infrarot-Optik mit einer Blendenzahl F#=1. Obwohl die neuentwickelte Technologie noch Verbesserungspotential besitzt, liegt die erreichte Temperaturauflösung nur um etwa Faktor zwei über der von kommerziell erhältlichen Bolometern, die eine langsamere Zeitkonstante besitzen und auf einen deutlich komplexeren Herstellungsprozess angewiesen sind.

Zusammenfassend wurden in dieser Arbeit ungekühlte, bolometrische Infrarotdetektoren, die aus einer einzigen Platinschicht bestehen, entwickelt. Die Leistungsfähigkeit dieser Sensoren konnte durch die Reduktion der Schichtdicke auf wenige Nanometer signifikant verbessert werden, was mit der Verwendung von Atomlagenabscheidung ermöglicht wurde. Die in dieser Arbeit vorgestellten Ergebnisse schaffen eine hilfreiche Voraussetzung für die Verwendung von nanometer-dicken, freitragenden Strukturen bei Bauteilen aus anderen Bereichen der Mikrosytemtechnik, die auf ähnliche Weise von dieser Entwicklung profitieren können

Object Details

• Location: Deutsche Nationalbibliothek Frankfurt am Main
• Extent: Online-Ressource
• Language: Englisch
• Notes: Universität Freiburg, Dissertation, 2019

Classification and Topics

• Classification: Physik
• Keyword: Infrarotdetektor ; Atomlagenabscheidung ; Radiometrie ; Platin ; Bolometer ; Mikrosystemtechnik ; MEMS ; Nanoelektromechanik

Contributors, Places and Time

• Event: Veröffentlichung
• (where): Freiburg
• (who): Universität
• (when): 2020
• Creator: Purkl, Fabian
• Contributor: Urban, Gerald A. ; Albert-Ludwigs-Universität Freiburg. Fakultät für Angewandte Wissenschaften

Further information

• DOI: 10.6094/UNIFR/154625
• URN: urn:nbn:de:bsz:25-freidok-1546251
• Rights: Der Zugriff auf das Objekt ist unbeschränkt möglich.
• Last update: 14.08.2025, 10:46 AM CEST