Thermal immunity of the sensitive materials in microbolometers

Grâce au développement des technologies bolomètres « non refroidis » compatibles avec les filières de la microélectronique, une forte demande est apparue dans le domaine de la détection infrarouge grand public. Les secteurs de la sécurité/surveillance, du contrôle énergétique des bâtiments, de l'automobile ou encore des loisirs en plein air sont en plein essor et forcent les différents acteurs industriels à augmenter les volumes tout en gardant un certain niveau de performance. Le laboratoire du CEA/LETI, conscient de la nécessité d'avoir un thermomètre plus performant (meilleur TCR, bruit en 1/f faible), a développé des nouveaux matériaux thermomètres à base d'oxydes de métaux de transition, en collaboration avec l’industriel LYNRED. Cependant, malgré des performances bolométriques supérieures aux matériaux thermomètres à base de silicium amorphe, ces nouveaux matériaux présentent des faiblesses vis-à-vis de certaines sollicitations thermiques nécessaires à la fabrication des bolomètres ainsi que des effets de rémanences postérieurs à l’observation d’un corps chaud comme le soleil (appelé « éblouissement solaire »). Au cours de cette thèse, nous avons cherché à identifier les mécanismes physicochimiques permettant d'expliquer l'amélioration de la stabilité thermique de ces matériaux thermomètres, effet observé lorsqu'on modifie leur composition chimique. Pour cela, nous avons mis en place des caractérisations accessibles « en laboratoire » (FTIR, diffusion Raman en température et à l’ambiante, résistance électrique 4-pointes en température, DRX, TEM), des caractérisations « synchrotron » (EXAFS) et utilisé des outils de simulations numériques ab-initio à l’état de l’art afin de générer des structures représentatives des matériaux étudiés. Nous avons ainsi pu mettre en évidence un lien entre certaines caractéristiques structurales des matériaux et leurs températures de cristallisation Tc ou de transition vitreuse Tg. De plus, afin d'adresser le problème de « l'éblouissement solaire », nous avons développé la caractérisation « trempe à grande vitesse » (TGV) qui repose sur la technologie des micro-bolomètres (en particulier une bonne isolation thermique et une constante de temps thermique τth de l’ordre de 10ms) ce qui permet de chauffer et refroidir très rapidement ces matériaux thermomètres. Cette technique de caractérisation innovante permet d'étudier les mécanismes régissant la relaxation se produisant à la suite d'une sollicitation thermique (type « éblouissement solaire ») du matériau thermomètre.The development of consumer uncooled microbolometers has much progressed in recent years, due to increased market demand in security/surveillance, smart building, automotive and outdoors leisure. The industry is working to increase production volumes while keeping high performance. To improve bolometric performance in terms of TCR and 1/f noise, CEA/LETI has developed, in collaboration with the industrial LYNRED, bolometers based on transition metal oxides. However, despite better overall performance compared to the amorphous silicon counterparts, these new materials are prone do damage during routine high temperature device fabrication steps and are more affected by sunburn persistence. In this thesis, we have sought to identify the physicochemical mechanisms that explain why the thermal stability of the thermometer materials is improved when we change their chemical composition. Both laboratory and synchrotron radiation characterization techniques (FTIR, Raman scattering while heating or at ambient temperature, thermal 4-points probe resistivity measurements, XRD, TEM, EXAFS) have been done, but also ab initio computer simulations of the state of the art to study the microscopic structure of the studied materials. Moreover, to address the sunburn problem, we have developed the innovative experimental characterization “high speed quench” (TGV in French). The purpose of that characterization, which is based on the micro-bolometer technology (especially its good thermal insulation and a thermal time constant τth around 10ms), is to heat up and cool down the thermometer material very quickly. Using this characterization TGV, we can study the relaxation mechanisms that occurs after applying a specific thermal treatment (characteristic of sunburn phenomenon) to the thermometric materials