DE102018208650A1

DE102018208650A1 - Sensoranordnung, teilchensensor und verfahren zum herstellen einer sensoranordnung

Info

Publication number: DE102018208650A1
Application number: DE102018208650.8A
Authority: DE
Inventors: Thoralf Kautzsch
Original assignee: Infineon Technologies Dresden GmbH and Co KG
Current assignee: Infineon Technologies Dresden GmbH and Co KG
Priority date: 2018-05-30
Filing date: 2018-05-30
Publication date: 2019-12-05

Abstract

Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst eine Sensoranordnung 100 ein Halbleitersubstrat 110 mit einem ersten und einem zweiten, gegenüberliegenden Hauptoberflächenbereich 110-A, 110-B; eine Zwischenstruktur 120 in dem Halbleitermaterial des Halbleitersubstrats 110 benachbart zu dem ersten Hauptoberflächenbereich 110-A des Halbleitersubstrats 110; mindestens ein Empfangselement 130 in dem Halbleitermaterial zwischen der Zwischenstruktur 120 und dem ersten Hauptoberflächenbereich 110-A des Halbleitersubstrats 110; und mindestens eine Durchgangsöffnung 140 von dem zweiten Hauptoberflächenbereich 110-B des Halbleitersubstrats 110 zu der Zwischenstruktur 120, wobei die mindestens eine kanalförmige Durchgangsöffnung 140 ein Aspektverhältnis zwischen Kanallänge Lund Kanalbreite Bvon zumindest 20:1 aufweist.

Description

Technisches Gebiet
Ausführungsbeispiele beziehen sich auf eine Sensoranordnung, auf einen Teilchensensor unter Verwendung der Sensoranordnung und ferner auf ein Verfahren zur Herstellung einer Sensoranordnung. Insbesondere beziehen sich Ausführungsbeispiele auf eine Sensoranordnung und ein Beleuchtungselement als Teil eines Teilchensensors, wobei die Sensoranordnung zur Erfassung eines Abschattungssignals ausgebildet ist, das beispielsweise durch ein Feinstaubteilchen beim Durchlaufen der Verbindungslinie zwischen dem Beleuchtungselement und einem Lichterfassungselement der Sensoranordnung erhalten wird.
Hintergrund
Partikelverunreinigungen bzw. Feinstaub in der Umgebungsluft umfassen ein Gemisch aus Feststoffen und Flüssigkeitströpfchen. Neben der Feinstaubbelastung in der Umgebungsatmosphäre ist auch die Erfassung und Kontrolle von Partikeln, z. B. in Reinräumen zum Verarbeiten von Halbleitern, oder allgemein von Partikeln in einem Fluid, z. B. in Gasen oder Flüssigkeiten, erforderlich, wobei Gase und Flüssigkeiten zusammengefasst als Fluide bezeichnet werden. Solche Partikel können in einem breiten Größenspektrum vorkommen, wobei Partikel mit einem Durchmesser von weniger als 2,5 µm als Feinstaub (PM2,5) bezeichnet werden, während Partikel mit einem durchschnittlichen Durchmesser zwischen 2,5 und 10 µm als Grobstaub (PM10) bezeichnet werden.
Zur Erfassung und Messung von Partikeln bzw. Feinstaub werden gegenwärtig unterschiedliche Vorgehensweisen eingesetzt. So können Partikel durch mikromechanische Systeme erfasst werden, die die Änderung eines physikalischen Parameters, wie z. B. die Verschiebung der Resonanzfrequenz, messen, wobei die Änderung durch abgesetzte Partikel auf einem Mikrobalken verursacht wird.
Eine andere mögliche Vorgehensweise zur quantitativen Ermittlung des vorhandenen Feinstaubs besteht darin, einen mechanischen Luftfilter einzusetzen und diesen im Anfangszustand und nach der Filterung eines vorgegebenen Volumens des zu untersuchenden Gases zu wiegen, und um daraus den Anteil von Feinstaub in dem zu untersuchenden Gas, z. B. der Umgebungsatmosphäre, zu ermitteln.
Zur Feinstaubermittlung kann ferner beispielsweise eine Streulichtmessung zur Ermittlung von Partikeln durchgeführt werden, wobei aber eine Streulichtmessung keine Informationen über einen Volumenfluss des zu untersuchenden Gases bietet und ferner keine Partikelzählung ermöglicht.
Die DE 10 2017 112 632 A1 bezieht sich beispielsweise auf einen Teilchensensor und ein Verfahren zum Erfassen von Teilchen in einem Fluid.
Zusammenfassung
Auf dem Gebiet der Erfassung von Partikeln bzw. Feinstaub besteht ein ständiger Bedarf nach zuverlässig und genau arbeitenden Sensoranordnungen, die mit einer ausreichend hohen Genauigkeit die gewünschten Messergebnisse erfassen können. Ferner besteht ein Bedarf nach einem entsprechenden Herstellungsverfahren für solche Sensoranordnungen.
Ein solcher Bedarf kann durch den Gegenstand der vorliegenden unabhängigen Patentansprüche erfüllt werden. Weiterbildungen des vorliegenden Konzepts sind in den Unteransprüchen definiert.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst eine Sensoranordnung ein Halbleitersubstrat mit einem ersten und einem zweiten, gegenüberliegenden Hauptoberflächenbereich; eine Zwischenstruktur in dem Halbleitermaterial des Halbleitersubstrats benachbart zu dem ersten Hauptoberflächenbereich des Halbleitersubstrats, mindestens einem Empfangselement bzw. mindestens eine Fotodiodenstruktur in dem Halbleitermaterial zwischen der Zwischenstruktur und dem ersten Hauptoberflächenbereich des Halbleitersubstrats, und mindestens eine kanalförmige Durchgangsöffnung von dem zweiten Hauptoberflächenbereich des Halbleitersubstrats zu der Zwischenstruktur, wobei die kanalförmigen Durchgangsöffnungen ein Aspektverhältnis zwischen Kanallänge und Kanalbreite von zumindest 20:1 aufweisen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst ein Teilchensensor die (obige) Sensoranordnung und eine Beleuchtungseinrichtung mit einer Flächenlichtquelle, zumindest einer kollimierten Einzellichtquelle oder einer Mehrzahl von kollimierten Einzellichtquellen, wobei die Sensoranordnung und die Beleuchtungseinrichtung beabstandet zueinander angeordnet sind, um einen Fluidkanal für eine Fluidströmung zwischen der Sensoranordnung und der Beleuchtungseinrichtung vorzusehen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst ein Verfahren zum Herstellen einer Sensoranordnung folgende Schritte: Bereitstellen eines Halbleitersubstrats mit einer isolierenden Zwischenstruktur benachbart zu einem ersten Hauptoberflächenbereich des Halbleitersubstrats; Erzeugen mindestens eines Fotodiodenelements und mindestens einer CMOS-Auswerteschaltung an dem ersten Hauptoberflächenbereich des Halbleitersubstrats; und Erzeugen mindestens einer kanalförmigen Durchgangsöffnung ausgehend von einem zweiten, gegenüberliegenden Hauptoberflächenbereich des Halbleitersubstrats zu der isolierenden Zwischenstruktur mittels eines rückseitigen Bosch-Ätzungsvorgangs, so dass die mindestens eine kanalförmige Durchgangsöffnung ein Aspektverhältnis zwischen Kanalbreite und Kanallänge von zumindest 20:1 aufweist.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele von Vorrichtungen und/oder Verfahren werden nachfolgend beispielhaft unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren und Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:

1 eine schematische Querschnittsansicht einer Sensoranordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
2a eine prinzipielle Querschnittsansicht einer Kavität, z.B. einer Oxidausgekleideten SON-Kavität der Zwischenstruktur gemäß einem Ausführungsbeispiel;
2b eine prinzipielle Querschnittsansicht eines SOI-Substrats (SOI = silicon on insulator = Silizium auf Isolator) mit einer isolierenden Zwischenschicht, z.B. einer Oxidzwischenschicht, der (isolierenden) Zwischenstruktur gemäß einem Ausführungsbeispiel;
3a eine vergrößerte Prinzipdarstellung im Querschnitt einer Fotodiodenstruktur für die Sensoranordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
3b eine graphische Darstellung von beispielhaften Fotoströmen von Standardfotodioden im Vergleich zu einem typischen Fotostrom der Fotodiodenstruktur von 2a;
4 eine schematische Querschnittsansicht einer kanalförmigen Durchgangsöffnung der Sensoranordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
5 eine schematische Prinzipdarstellung im Querschnitt eines Teilchensensors gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
6 ein prinzipielles Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen einer Sensoranordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel.

Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele im Detail anhand der Figuren näher erläutert werden, wird darauf hingewiesen, dass identische, funktionsgleiche oder gleichwirkende Elemente, Objekte, Funktionsblöcke und/oder Verfahrensschritte in den unterschiedlichen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die in den unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellte Beschreibung dieser Elemente, Objekte, Funktionsblöcke und/oder Verfahrensschritte untereinander austauschbar ist bzw. aufeinander angewendet werden kann.
Verschiedene Ausführungsbeispiele werden nun ausführlich unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren beschrieben. In den Figuren können die Stärken von Linien, Schichten und/oder Bereichen zur Verdeutlichung nicht maßstäblich dargestellt sein.
Im Folgenden wird nun anhand von 1 in Form einer schematischen Querschnittsansicht eine Sensoranordnung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel beschrieben. Die Sensoranordnung 100 umfasst ein Halbleitersubstrat 110 bzw. einen Halbeiterchip (Die) mit einem ersten und einem zweiten, gegenüberliegenden Hauptoberflächenbereich 110-A, 110-B. In dem Halbleitermaterial des Halbleitersubstrats 110 ist benachbart zu dem ersten Hauptoberflächenbereich 110-A des Halbleitersubstrats 110 eine Zwischenstruktur bzw. ein Zwischenbereich 120 angeordnet. Die Zwischenstruktur 120 kann z.B. eine isolierende Zwischenstruktur in dem Halbleitermaterial des Halbleitersubstrats 110 aufweisen.
In dem Halbleitermaterial des Halbleitersubstrats 110 ist ferner mindestens ein optisches Empfangselement, wie z.B. eine Fotodiodenstruktur, 130 zwischen der Zwischenstruktur 120 und dem ersten Hauptoberflächenbereich 110-A des Halbleitersubstrats 110 angeordnet. Ferner ist mindestens eine kanalförmige Durchgangsöffnung 140 von dem zweiten Hauptoberflächenbereich 110-B des Halbleitersubstrats 110 zu der isolierenden Zwischenstruktur 120 angeordnet, wobei die mindestens eine kanalförmige Durchgangsöffnung 140 ein Aspektverhältnis zwischen Kanallänge l₁₄₀ und Kanalbreite b₁₄₀ (mit l₁₄₀/b₁₄₀) von zumindest 20:1 aufweist.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann in dem Halbleitermaterial des Halbleitersubstrats 110 ferner eine Mehrzahl von optischen Empfangselementen, wie z.B. Fotodiodenstrukturen, 130 zwischen der Zwischenstruktur 120 und dem ersten Hauptoberflächenbereich 110-A des Halbleitersubstrats 110 angeordnet sein. Ferner kann eine Mehrzahl von kanalförmigen Durchgangsöffnungen 140 von dem zweiten Hauptoberflächenbereich 110-B des Halbleitersubstrats 110 zu der isolierenden Zwischenstruktur 120 angeordnet sein, wobei die kanalförmigen Durchgangsöffnungen 140 auch ein Aspektverhältnis zwischen Kanallänge l₁₄₀ und Kanalbreite b₁₄₀ (mit l₁₄₀/b₁₄₀) von zumindest 20:1 aufweisen.
Die mindestens eine kanalförmige Durchgangsöffnung 140 weist beispielsweise eine Breite b₁₄₀ von 5 bis 30 µm und von etwa 10 µm auf, wobei die Länge l₁₄₀ der mindestens einen kanalförmigen Durchgangsöffnung im Bereich der Dicke des Halbleitersubstrats 110 bzw. der Waferdicke in einem Bereich von 300 bis 500 µm und bei etwa 400 µm liegen kann. Die Breite b₁₄₀ der mindestens einen kanalförmigen Durchgangsöffnung 140 sollte nicht unter der Größe der Wellenlänge λ₀ der Messstrahlung, d. h. des zu erfassenden Lichts, sein.
Wie in 1 ferner dargestellt ist, weist das Halbleitersubstrat 110 beispielsweise ferner einen sogenannten „BEOL-Metallisierungsschichtstapel“ bzw. „BEOL-Stapel“ 150 (BEOL = Back-End-of-Line) auf. Das Halbleitersubstrat 110 kann beispielsweise ein in einem FEOL-Prozess (FEOL = Front-End-of-Line) prozessierter Halbleiterwafer, wie z. B. ein Silizium-Wafer, mit den Fotodiodenstrukturen 130 und optional mit einer integrierten Schaltungsanordnung bzw. ASIC (ASIC = Application-Specific Integrated Circuit) oder allgemein mit CMOS-Bauelementen 160 sein, auf dem in einem BEOL-Prozess der BEOL-Schichtstapel 150 aufgebracht wird. Der BEOL-Schichtstapel (auch Verdrahtungsschichtstapel) 150 ist beispielsweise vorgesehen, um für die FEOL-Bauelemente, wie z.B. die Fotodiodenstrukturen 130, vorzusehen, d. h. vorgegebene Verbindungen zwischen FEOL-Bauelementen untereinander und/oder Verbindungen mit Anschlusskontakten an der Oberseite des Schichtstapels 150 bereitzustellen. Die in einem Isolationsmaterial 154 eingebetteten Metallisierungsstrukturen 152 des BEOL-Schichtstapels 150 weisen beispielsweise ein Metall- oder Metalllegierungsmaterial auf, wie z. B. Kupfer, Aluminium, etc. Die umgebende Isolationsschicht 154 weist beispielsweise ein dielektrisches Material, wie z. B. Siliziumnitrid SiN, auf.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann also optional angrenzend an den ersten Hauptoberflächenbereich 110-A des Halbleitersubstrats 110 mindestens eine CMOS-Schaltungsanordnung 160 angeordnet sein, die ausgebildet sein kann, um Ausgangssignale der mindestens einen Fotodiodenstruktur 130 auszulesen und aufzubereiten.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann eine Mehrzahl von Fotodiodenstrukturen 130 vorgesehen sein, wobei die optionale CMOS-Schaltungsanordnung 160 ausgebildet sein kann, um bei einer Mehrzahl von Fotodiodenstrukturen 130 z.B. benachbarte Fotodiodenstrukturen 130 paarweise antiparallel auszulesen und das ausgelesene Ausgangssignal hochpasszufiltern .
In dem Messbereich können beispielsweise auch Teilchen (Feinstaubteilchen) an der Sensoranordnung 100, z.B. an dem zweiten Hauptoberflächenbereich 110-B des Substrats 110 anhaften, und durch ein zumindest teilweises Bedecken einer der kanalförmigen Durchgangsöffnungen 140 zu einer Verfälschung des Messsignals führen. Um eine solche Verfälschung des Messsignals zu verhindern, kann eine antiparallel Schaltung von zwei Empfangselementen, wie z.B. Fotodioden bzw. Fotodiodenelementen, 130 mit einer nachfolgenden Hochpassschaltung 162 eingesetzt werden, um nur noch Änderungen der Differenzsignale zu erfassen. Über Änderungen des Differenzsignals kann eine direkte Aussage über die jeweilige Partikelgröße getroffen werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann eine kanalförmige Durchgangsöffnung 140 jeweils einem Empfangselement 130 zugeordnet sein.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann optional eine transparente Schutzschicht bzw. ein transparenter rückseitiger Deckel 170 an dem zweiten Hauptoberflächenbereich 110-B des Halbleitersubstrats 110 angeordnet sein und die in dem Halbleitersubstrat 110 angeordnete, mindestens eine kanalförmige Durchgangsöffnung 140 überdecken, um eine Paketkonfiguration zu erhalten. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die transparente Schutzschicht 170 als ein für die Wellenlänge λ₀ der elektromagnetischen Messstrahlung durchlässiger Glaswafer ausgebildet sein.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Halbleitersubstrat 110 ein erstes und ein zweites, aneinander angeordnetes Teilsubstrat 110-1, 110-2 aufweisen, wobei in dem ersten Teilsubstrat 110-1 das mindestens eine Empfangselement 130 (die mindestens eine Fotodiodenstruktur) angeordnet ist, und wobei in dem zweiten Teilsubstrat 110-2 die mindestens eine kanalförmige Durchgangsöffnung 140 angeordnet ist. Der Verbindungsbereich oder Zwischenbereich zwischen dem ersten und zweiten Teilsubstrat 110-1, 110-2 kann die Zwischenstruktur 120 bilden. Das erste und zweite Teilsubstrat 110-1, 110-2 können das gleiche Material, z.B. Halbleitermaterial bzw. Silizium, aufweisen. Das zweite Teilsubstrat 110-2 kann auch ein zu dem Material (z.B. Si) des ersten Teilsubstrats 110-1 unterschiedliches Material, z.B. auch ein Glas- oder Kunststoffmaterial, aufweisen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Halbleitersubstrat 110 ein erstes und ein zweites, aneinander angeordnetes Teilsubstrat 110-1, 110-2 aufweisen, wobei in dem ersten Teilsubstrat 110-1 eine Mehrzahl von Empfangselementen 130 (z.B. Fotodiodenstrukturen) angeordnet ist, und wobei in dem zweiten Teilsubstrat 110-2 eine Mehrzahl von kanalförmigen Durchgangsöffnungen 140 angeordnet ist.
Ausführungsbeispiele beziehen sich somit auf eine Sensoranordnung 100, die in einem Halbleitersubstrat bzw. dieser Halbleiterchip (Die) 110 implementiert ist und beispielsweise mindestens eine Chip-interne Fotodiode bzw. Fotodiodenstruktur 130 oder auch eine Sequenz von Chip-internen Fotodioden bzw. Fotodiodenstrukturen 130 und optional eine Ausleseschaltungsanordnung 160, 162 aufweist. Diese Sensoranordnung 100 in dem Halbleitersubstrat 110 kann zur Auswertung bzw. Quantifizierung und optional zum Zählen von Partikeln 190 in der Umgebungsatmosphäre, z. B. Luft, verwendet werden. Das Halbleitersubstrat 110 weist beispielsweise mindestens eine rückseitig geätzte, kanalförmige Durchgangsöffnung bzw. mindestens einen Graben 140 oder eine Sequenz von rückseitig geätzten, kanalförmigen Durchgangsöffnungen bzw. Gräben 140 auf, wobei diese kanalförmige(n) Durchgangsöffnung(en) 140 als Apertur(en) für ankommende Lichtsignale dient/dienen. Die mindestens eine kanalförmige Durchgangsöffnung 140 stoppt beispielsweise wenige Mikrometer unterhalb der mindestens einen Fotodiodenstruktur 130 in dem Halbleitersubstrat 110, wobei die mindestens eine Fotodiodenstruktur 130 Änderungen der Beleuchtungsstärke erfasst.
Diese Konfiguration der Sensoranordnung 110 ermöglicht somit eine direkte Messung von Partikelgröße, Luftströmungsgeschwindigkeit, Partikelanzahl und Partikelgesamtlast. Im Gegensatz zu Systemen, die auf einer Lichtstreuung basieren, ist mit der vorliegenden Sensoranordnung 100 die Erfassung von Partikelgröße und Luftströmungsgeschwindigkeit möglich. Ferner ist gemäß der vorliegenden Sensoranordnung 110 das Messergebnis von Reflektivitätscharakteristika der Partikel 190 unabhängig. Ferner ermöglicht die mindestens eine kanalförmige Durchgangsöffnung bzw. der mindestens eine Graben 140 und dessen rückseitige Ausrichtung das sog. „Sichtfeldproblem“ (field-of-view problem), so dass eine genaue Erfassung und Messung auch von kleinen Partikeln möglich ist. Das Sichtfeld bezeichnet den Bereich im Bildwinkel des optischen Erfassungselements 130, innerhalb dessen Ereignisse oder Veränderungen erfasst werden können, wenn z.B. ein Feinstaubteilchen die Verbindungslinie zwischen dem Beleuchtungselement und einem Lichterfassungselement der Sensoranordnung durchläuft.
Im Folgenden wird nun anhand der weiteren 2a-b, 3a-b und 4 beispielhaft weitere mögliche Implementierungen und Ausgestaltungen der unterschiedlichen Elemente der Sensoranordnung 100 gemäß dem vorliegenden Konzept beschrieben.
In 2a ist nun eine Vergrößerung des gekennzeichneten und eingekreisten Bereichs „A“ von 1 dargestellt, wobei die (z. B. isolierende) Zwischenstruktur 120 beispielsweise eine Kavität oder eine SON-Kavität 122 (SON = Silicon-on-nothing) aufweist. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die SON-Kavität 122 mit einem isolierenden Material 124 ausgekleidet, d. h. beispielsweise mit einer Oxid-Liner-Schicht 124. Der mit dem isolierenden Material 124 bedeckte bzw. ausgekleidete Wandbereich 124-A der Kavität 122 ist beispielsweise röhrensegmentförmig ausgebildet, so dass der Wandbereich bzw. Oberflächenbereich 124-A der SON-Kavität 122 parallel zueinander verlaufende, benachbarte Riffelungen 126, wie z.B. Vertiefungen bzw. Gräben 126, aufweist. Die Auskleidung 124 der Kavität 122 kann eine Dicke in einem Bereich von 100 nm bis 600 nm oder von 200 nm bis 500 nm aufweisen.
Die Riffelung 126 des Wandbereichs 124-A der SON-Kavität 122 kann beispielsweise durch das Einstellen der Prozessparameter bei dem Venezia-Prozess (= SON-Prozess für SON-Kavitäten), z. B. über die Prozesstemperatur, den Prozessdruck und die Prozessdauer, eingestellt werden. Ferner wird nach dem SON-Prozess eine Auskleidung, z. B. aus einem Oxidmaterial 124 der Kavität 122 erreicht, d. h. die Kavität 122 ist mit dem isolierenden Material 126, z. B. einem Oxidmaterial, ausgekleidet. Die Dicke des isolierenden Die Auskleidung 124 der Kavität 122 kann eine Dicke in einem Bereich von 100 nm bis 600 nm oder von 200 nm bis 500 nm aufweisen.
Wie im Nachfolgenden noch erörtert wird, kann die Auskleidungsschicht 124 auch als Ätzstopp-Schicht beim Ätzen der mindestens einen kanalförmigen Durchgangsöffnung 140 bis zu der mindestens einen Kavität 122 dienen. Die mindestens eine kanalförmige Durchgangsöffnung 140 stoppt an dem Auskleidungsoxid 124, so dass auf diese Weise durch die Riffelung des Wandbereichs 124-A der Kavität 122 eine selbsteingestellte bzw. selbstjustierte, lichteinfangende Struktur bereitgestellt wird. Es wird somit eine Kombination von mindestens einer rückseitig geätzten, kanalförmigen Durchgangsöffnung bzw. mindestens einem Graben 140 als mindestens ein Lichtkanal und eine Silicon-on-Nothing-Verarbeitung mit der mindestens einen Kavität 122 unterhalb des mindestens einen optischen Erfassungselements bzw. der mindestens einen Fotodiode 130 genutzt, um ein selbstjustiertes Einfangen von Licht beim Kombinieren von dem mindestens einen rückseitigen Graben 140 und mindestens einen röhrenförmigen Silicon-on-Nothing-Hohlraum 122 zu erhalten, wobei durch die geätzten Regionen Licht in die Fotodiodenregion 130 eingekoppelt wird.
In die mindestens eine frei-geätzte Region der mindestens einen Kavität 122, bei der die mindestens eine kanalförmige Durchgangsöffnung 140 die Kavität 122 erreicht, koppelt die strukturierte Oberfläche bzw. der strukturierte Wandbereich 124-A das in die Kavität 122 einfallende Licht in die Siliziumregion mit der mindestens einen Fotodiodenstruktur 130 ein, die zu dem Grabenboden bzw. den Riffelungen 126 benachbart ist. In den Regionen „B“ mit röhrenförmigen, verschlossenen Hohlräumen 122', bei denen das massive Halbleitermaterial des Halbleitersubstrats 110 nicht durch den mindestens einen Graben 140 entfernt wurde, kann einfallendes Licht äußerst effizient zurückgewiesen bzw. zurückgeworfen werden. Bei einem Siliziumsubstrat 110 ist massives Siliziummaterial unterhalb der mindestens einen SON-Kavität 122, d.h. zwischen der mindestens einen SON-Kavität 122 und dem ersten Hauptoberflächenbereich 110-A des Siliziumsubstrats 110, vorhanden, so dass einfallendes Licht zurückgewiesen und eine CMOS-Schaltungsanordnung 160, 162 vor nachteiliger lichtinduzierter Trägererzeugung geschützt wird. Dies liegt an dem hohen Brechungsindex, z. B. von Silizium, begründet, der zu einem äußerst kleinen Winkel der Totalreflexion führt, d. h. ungefähr 15° in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ₀ der Messstrahlung, d. h. des einfallenden Lichts. Die röhrenförmigen Kavitätsbereiche können beispielsweise einen Durchmesser zwischen 0,5 bis 2,0 µm aufweisen.
2b zeigt eine weitere schematische Querschnittsansicht einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung der (z.B. isolierenden) Zwischenstruktur 120 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. 2b ist wiederum eine vergrößerte, alternative Darstellung des Bereichs „A“ von 1.
Wie in 2b dargestellt ist, weist die isolierende Zwischenstruktur 120 beispielsweise eine isolierende Zwischenschicht 128 eines SOI-Substrats (SOI = Silicon-on-Isolator = Silizium-auf-Isolator) 110 auf. Das Substrat 110 kann also als ein sogenanntes „SOI-Substrat“ ausgebildet sein, bei dem eine relativ dünne Halbleiterschicht bzw. Siliziumschicht 110-1 durch eine isolierende Schicht 128, z. B. eine BOX-Schicht (BOX = Buried Oxide = vergrabenes Oxid) von dem weiteren Substratbereich 110-2, z. B. einem Siliziumsubstrat, getrennt ist. Wie in 2b dargestellt ist, sind die Empfangselemente bzw. Fotodiodenstrukturen 130 in dem Substratabschnitt 110-1 angeordnet, wobei die kanalförmigen Durchgangsöffnungen 140-A den weiteren Substratabschnitt 110-2 bis zu der isolierenden Schicht 128 durchlaufen. Die isolierende Zwischenschicht 128 kann beispielsweise als eine Zwischenoxidschicht 128 des SOI-Substrats 110 ausgebildet sein.
Gemäß Ausführungsbeispielen kann die z.B. isolierende Zwischenstruktur 120 eine beliebige Struktur aus z. B. einem isolierenden Material aufweisen, die einerseits bei dem Ätzvorgang der mindestens einen kanalförmigen Durchgangsöffnung 140 als eine Ätzstopp-Schicht wirksam ist und ferner für ein in die mindestens eine kanalförmige Durchgangsöffnung 140 eintretendes Licht mit der Messwellenlänge λ₀ bzw. dem Messwellenlängenbereich Δλ₀ transparent ist.
Im Folgenden wird nun anhand der in 3a dargestellten schematischen Querschnittsansicht der prinzipielle Aufbau und die Funktionsweise eines als Fotodiodenstruktur ausgebildeten Empfangselements 130 in dem Halbleitersubstrat 110 gemäß einem Ausführungsbeispiel beschrieben. 3a entspricht wiederum dem vergrößert dargestellten Abschnitt „A“ von 1.
Wie in 3a dargestellt ist, ist die mindestens eine Fotodiodenstruktur 130 in dem Halbleitermaterial des Halbleitersubstrats 110 zwischen der (isolierenden) Zwischenschichtstruktur 120 und dem ersten Hauptoberflächenbereich 110-A des Halbleitersubstrats 110 angeordnet. In 3a ist lediglich beispielhaft die Zwischenstruktur 122 als SON-Kavität 122 dargestellt, wobei die Ausführungen gleichermaßen auf den Fall anwendbar sind, wenn die Zwischenstruktur 120 als SOI-Zwischenoxidschicht 128 (vgl. 2b) ausgebildet ist.
Die in 3a dargestellte Fotodiodenstruktur 130 weist einen aktiven Halbleiterbereich 132 mit einem ersten Dotierungstyp und einen wannenförmigen Halbleiterbereich 134 mit einem zweiten Dotierungstyp auf, wobei der aktive Halbleiterbereich 132 innerhalb des wannenförmigen Halbleiterbereichs 134 angeordnet ist. Wie in 3a ferner dargestellt ist, sind eine Kontaktanschlussleitung 136 zum Kontaktieren des aktiven Halbleiterbereichs 132 und eine Kontaktanschlussleitung 138 zum Kontaktieren des wannenförmigen Halbleiterbereichs 134 vorgesehen. Die Kontaktanschlussleitung 136 ist beispielsweise über einen hoch-dotierten Bereich 132-1 in dem Halbleitersubstrat 110 mit dem aktiven Halbleiterbereich 132 verbunden, während die Kontaktanschlussleitung 138 über den hoch-dotierten Bereich 134-1 mit dem wannenförmigen Halbleiterbereich 134 elektrisch verbunden ist. Die Kontaktanschlussleitungen 136, 138 sind zum Ansteuern bzw. Auslesen der Fotodiodenstrukturen 130 vorgesehen.
Der wannenförmige Halbleiterbereich 134 ist nun ausgebildet, um beispielsweise bei einer entsprechenden elektrischen Vorspannung die in dem aktiven Halbleiterbereich 132 fotogenerierten Ladungsträger (und insbesondere die Minoritätsladungsträger) möglichst innerhalb des aktiven Halbleiterbereichs 132 zu halten, bzw. von einem Randbereich des aktiven Halbleiterbereichs 132 entfernt zu halten, um eine unerwünschte Oberflächenrekombination der in dem aktiven Halbleiterbereich 132 fotogenerierten Ladungsträger zu verhindern bzw. zumindest zu verringern.
Gemäß Ausführungsbeispielen kann das mindestens eine Empfangselement bzw. die mindestens eine Fotodiodenstruktur 130 als CMOS-Bildsensorelement oder streifenförmig ausgebildetes Fotodiodenelement ausgebildet sein. Das mindestens eine streifenförmig ausgebildete Fotodiodenelement erstreckt sich dabei beispielsweise senkrecht zur Zeichenebene von 3a.
Wie in 3a dargestellt ist, ist die Fotodiodenstruktur bzw. Fotodiode 130 oberhalb der kanalförmigen Durchgangsöffnung 140, d. h. zwischen der Zwischenstruktur 120 und dem ersten Hauptoberflächenbereich 110-A des Halbleitersubstrats 110, angeordnet.
3a weist dabei die anhand von 2a beschriebene, selbstjustierte, lichteinfangende SON-Kavität 122 auf, wobei, wie bereits angegeben, auch die anhand von 2b dargestellte Zwischenstruktur 120 eingesetzt werden kann.
Wie in 3a ferner dargestellt ist, weist die Fotodiodenstruktur 130 eine Dotierung eines sogenannten „taschenartigen“ Emitters benachbart zu der SON-Kavität 122 auf. So kann beispielsweise der aktive Halbleiterbereich 132 als eine p-Wanne (Basis) ausgebildet sein, während der wannenförmige Halbleiterbereich 134 als eine n-Wanne (Emitter) ausgebildet sein kann. Die Begriffe „n“ und „p“ beziehen sich auf den jeweiligen Dotierungstyp des Halbleitermaterials der Substratbereiche 132, 134. Typische Dotierungen für den Emitter (die n-Wanne) liegen beispielsweise in einem Bereich zwischen 10¹⁹ und 10²⁰ cm^-3, wobei typische Dotierungen für die Basis (die p-Wanne) in einem Bereich zwischen 10¹⁵ - 10¹⁷ cm^-3 liegen.
Wie in 3a dargestellt ist, weist der wannenförmige Halbleiterbereich 140 eine „Emitterdotierung“ am Boden 130-A der Fotodiodenstruktur 130 auf, d. h. benachbart zu der Zwischenstruktur 120, um Rekombinationsverluste von in dem aktiven Bereich 132 fotogenerierten Ladungsträgern zu verhindern bzw. zumindest zu verringern. Bei der Erzeugung der mindestens einen kanalförmigen Durchgangsöffnung 140 zu der Zwischenstruktur 120 kann es zu einer Oberflächenbeschädigung des an die Fotodiodenstruktur angrenzenden Halbleitermaterials des Halbleitersubstrats 10 kommen, was eine starke Oberflächenrekombination von fotogenerierten Ladungsträgern in dem daran angrenzenden Halbleiterbereich verursachen kann. Die Emittertasche 134 dient somit für Ladungsträger, die in der Basisregion 132 erzeugt werden, als Abschirmung vor einer Oberflächenrekombination.
Um den Einfluss von Störstellen bzw. Rekombinationszentren an oberflächennahen Bereichen des Halbleitermaterials des Halbleitersubstrats 110 zu verringern, die beispielsweise aufgrund des Herstellungsprozesses (z. B. Plasmaätzprozesses) der mindestens einen kanalförmigen Durchgangsöffnung 140, angrenzend an die mindestens eine Fotodiodenstruktur auftreten können und zu einer Verringerung des resultierenden Messsignals der Fotodiodenstruktur(en) 130 führen können, wird gemäß Ausführungsbeispielen eine spezielle Ausgestaltung der an die Zwischenstruktur(en) 120, z. B. die SON-Kavität(en) 122, angrenzenden Fotodiodenstruktur(en) eingesetzt.
Die Fotodiodenstruktur 130 weist also eine p-Wanne (Basis = aktiver Halbleiterbereich) 132 innerhalb einer n-Wanne (Emitter = wannenförmiger Halbleiterbereich) 134 auf. Das aktive p-Gebiet 132 weist also beispielsweise ein umgebendes, umlaufendes n-Diffusionsgebiet 134 auf. Daher sind die durch das Licht erzeugten (fotogenerierten) Ladungsträger entfernt von den „gestörten“ Halbleiterbereichen innerhalb der umgebenden n-Wanne bzw. n-Tasche von störenden Rekombinationszentren entfernt, so dass es zu keiner bzw. zu einer äußerst geringen unerwünschten Rekombination von Minoritätsladungsträgern an solchen störenden Rekombinationszentren kommt.
Bei der in 3a dargestellten Ausgestaltung der Fotodiodenstrukturen 130 in Kombination mit der als Lichtfalle ausgebildeten SON-Kavität 132 in der Zwischenstruktur 120 mittels der von der Rückseite 110-B durchgeführten Kanäle 140 und dem speziellen Wannen-Design bzw. Taschen-Design (Pocket-Design) der Fotodiodenstruktur kann ein sehr hoher Wirkungsgrad bei der Umwandlung des in die Fotodiodenstruktur 130 einfallenden Lichts in das auszulesende Messsignal erhalten werden.
Die Ausgestaltung der an die Kavität(en) 122 angrenzenden Fotodiode(n) 130 mittels einer p-Wanne 132 innerhalb einer n-Wanne 134, d.h. einem das aktive p-Gebiet 132 umgebenden umlaufenden n-Diffusion 134 ermöglicht, dass die durch das Licht erzeugten Ladungsträger entfernt von den „gestörten“ Halbleiterbereichen (im n-Bereich = umgebende n-Wanne bzw. n-Tasche) bleiben, so dass es zu keiner bzw. zu einer äußerst geringen unerwünschten Rekombination von Minoritätsladungsträgern an solchen störenden Rekombinationszentren kommt.
Die in 3a dargestellten Ausgestaltung der mindestens einen Fotodiodenstruktur 130 zeigt also beispielhaft eine Kombination der als Lichtfalle ausgebildeten SON-Kavität 132 in der Zwischenstruktur 120 mit dem Wannen-Design (Pocket-Design) der Fotodiodenstruktur 130.
In 3b ist nun eine graphische Darstellung von typischen Fotoströmen von Standardfotodioden im Vergleich zu einem typischen Fotostrom der Fotodiodenstruktur von 3a für unterschiedliche Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeiten dargestellt. Wie aus 3b ersichtlich ist, weist der in 3a dargestellte taschenartige Emitteraufbau der Fotodiodenstruktur 130 (durchgezogene Linie) einen deutlich erhöhten Fotostrom gegenüber Standardfotodioden mit unterschiedlichen Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeiten auf.
Im Folgenden wird nun anhand der in 4 dargestellten, schematischen Querschnittsansicht eine kanalförmige Durchgangsöffnung 140 der Sensoranordnung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel beschrieben. Die mindestens eine kanalförmige Durchgangsöffnung 140 von dem zweiten Hauptoberflächenbereich 110-B des Halbleitersubstrats 110 zu der Zwischenstruktur 120 weist beispielsweise ein Aspektverhältnis AV zwischen Kanallänge l₁₄₀ und Kanalbreite b₁₄₀ (AV = l₁₄₀/b₁₄₀) von zumindest 20:1 auf. Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die mindestens eine kanalförmige Durchgangsöffnung 140 ein Aspektverhältnis von zumindest 30:1, 40:1 oder 60:1 auf, um einen Streuanteil der elektromagnetischen Messstrahlung, d. h. des einfallenden Lichts, der in die mindestens eine kanalförmige Durchgangsöffnung 140 mit einer Einfallswinkelabweichung von zumindest 1°, 2° oder 5° gegenüber einer Mittelachse 142 der kanalförmigen Durchgangsöffnungen 140 einfällt, optisch auszukoppeln.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel erfolgt die optische Auskopplung des Streulichts durch eine optische Einkopplung und/oder Absorption des Streulichts in dem Halbleitermaterial des Halbleitersubstrats 110. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die mindestens eine kanalförmige Durchgangsöffnung 140 in einem Seitenwandbereich 140-A umlaufende Korrugationen bzw. Riffelungen 144 aufweisen.
Die mindestens eine kanalförmige Durchgangsöffnung bzw. der mindestens eine Graben 140 kann für eine effektive Sichtfeldreduzierung ausgebildet sein. Die mindestens eine kanalförmige Durchgangsöffnung 140 kann mit einem Aspektverhältnis von bis zu 60:1 oder sogar höher hergestellt werden. Dies ist möglich, da beispielsweise Bosch-Ätzverfahren mit einer extremen Selektivität bezüglich Siliziumoxid-Materialien ausgeführt werden können. Auf diese Weise kann eine rückseitig, d. h. von dem zweiten Hauptoberflächenbereich 110-B, in das Halbleitersubstrat 110 geätzte kanalförmige Durchgangsöffnung 140 einen Blickwinkel bereitstellen, der in einem Bereich von etwa 1° oder zwischen 0,5° und 2° liegt. Eine übliche Verarbeitung, d. h. beispielsweise ein Bosch-Ätzverfahren, erzeugt an den Rändern 140-A der mindestens einen kanalförmigen Durchgangsöffnung 140 Verwerfungen bzw. Wellungen (Riffelungen) 144. Diese Verwerfungen 144 sind für eine effektive Streulichtbeseitigung vorteilhaft, da Licht in massives Halbleitermaterial, wie z. B. Silizium, eingekoppelt wird. Ferner werden fotogenerierte Ladungsträger an der plasmabeschädigten Oberfläche der kanalförmigen Durchgangsöffnungen 140 mit einer hohen Rekombinationsgeschwindigkeit beseitigt. In 4 ist nun mittels der Pfeile die effektive Beseitigung von Streulicht durch die Verwerfungen bzw. Riffelungen 144 dargestellt, wobei das Streulicht in das massive Halbleitermaterial des Halbleitersubstrats 110, z. B. Silizium, eingekoppelt wird.
Zusammenfassend kann also hinsichtlich der in 4 dargestellten kanalförmigen Durchgangsöffnung 140 angegeben werden, dass aufgrund der durchgeführten Bosch-Ätzung zum Erstellen der mindestens einen kanalförmigen Durchgangsöffnung 140 (auch Lichtkanal) eine gewisse Riffelung 144 des Wandbereichs 140-A der mindestens einen Durchgangsöffnung 140 entsteht, wobei diese Riffelung 144 der Wandbereiche 140-A der mindestens einen geätzten kanalförmigen Durchgangsöffnung 140 zu einer weiteren effektiven Streulichtauskopplung aufgrund des großen Aspektverhältnisses von zumindest 20:1 oder höher führt. So wird bereits geringfügig schräg einfallendes Streulicht in die mindestens eine kanalförmige Durchgangsöffnung 140 äußerst effektiv durch die Riffelung bzw. Verwerfungen 144 reflektiert und in den Seitenwandbereich 140-A des Halbleitermaterials des Halbleitersubstrats 110, z. B. in das Siliziummaterial, absorbiert. Damit kann eine äußerst gute und effektive „Lichtfalle“ mittels der mindestens einen kanalförmigen Durchgangsöffnung 140 erhalten werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann eine kanalförmige Durchgangsöffnung 140 einer Fotodiodenstruktur 120 zugeordnet sein. Ist nun beispielsweise an einer Kavität 122 ein Fotodiodenpaar 130 angeordnet, sind zumindest zwei kanalförmige Durchgangsöffnungen 140 pro Kavität bzw. SON-Kavität in dem Halbleitersubstrat 110 erforderlich, wobei die Anzahl der kanalförmigen Durchgangsöffnungen mehrere hundert bis zu über 1000 Durchgangsöffnungen pro Kavität 122 betragen kann.
Bezugnehmend auf die 1 bis 4 werden nun nochmals einige Ausführungsbeispiele und deren Funktionalitäten beispielhaft zusammengefasst.
Ausführungsbeispiele beziehen sich somit auf eine Sensoranordnung 100, die in einem Halbleitersubstrat bzw. dieser Halbleiterchip (Die) 110 implementiert ist und beispielsweise mindestens eine Chip-interne Fotodiode bzw. Fotodiodenstruktur 130 oder auch eine Sequenz von Chip-internen Fotodioden bzw. Fotodiodenstrukturen 130 und optional eine Ausleseschaltungsanordnung 160, 162 aufweist. Diese Sensoranordnung 100 in dem Halbleitersubstrat kann zur Auswertung bzw. Quantifizierung und optional zum Zählen von Partikeln 190 in der Umgebungsatmosphäre verwendet werden. Das Halbleitersubstrat 110 weist beispielsweise mindestens eine rückseitig geätzte, kanalförmige Durchgangsöffnung bzw. Graben 140 auf, wobei diese mindestens eine kanalförmige Durchgangsöffnung 140 als Apertur für ankommende Lichtsignale dient. Die mindestens eine kanalförmige Durchgangsöffnung 140 stoppt beispielsweise wenige Mikrometer unterhalb des mindestens einen Empfangselements bzw. der mindestens einen Fotodiodenstruktur 130 in dem Halbleitersubstrat 110, wobei das mindestens eine Empfangselement 130 Änderungen der Beleuchtungsstärke erfasst.
Bei einem Ausführungsbeispiel dient eine sogenannte „SON-Kavität“ 122 (SON = Silicon-On-Nothing = Silizium-auf-Nichts) mit einer Oxidauskleidung 124 als die isolierende Zwischenstruktur 120 und damit als Stoppschicht für einen rückseitigen Ätzschritt zum Herstellen der mindestens einen kanalförmigen Durchgangsöffnung 140.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Zwischenstruktur 120 in dem Halbleitersubstrat 110 als eine isolierende Zwischenschicht 128, z. B. als eine Zwischenoxidschicht, eines SOI-Substrats 110 (SOI = Silicon-on-Isolator = Silizium-auf-Isolator) eingesetzt werden, die dann als die Ätzstoppschicht wirksam ist.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel kann das Halbleitersubstrat 110 ein erstes und ein zweites, aneinander angeordnetes Teilsubstrat 110-1, 110-2 aufweisen, wobei in dem ersten Teilsubstrat 110-1 die mindestens eine Fotodiodenstruktur 130 angeordnet ist, und wobei in dem zweiten Teilsubstrat 110-2 die mindestens eine kanalförmige Durchgangsöffnung 130 angeordnet ist. Der Verbindungsbereich zwischen dem ersten und zweite Teilsubstrat 110-1, 110-2 bildet die Zwischenstruktur 120.
Diese Konfiguration der Sensoranordnung 100 ermöglicht somit eine direkte Messung von Partikelgröße, Luftströmungsgeschwindigkeit, Partikelanzahl und Partikelgesamtlast. Im Gegensatz zu Systemen, die auf einer Lichtstreuung basieren, ist mit der vorliegenden Sensoranordnung 100 die Erfassung von Partikelgröße und Luftströmungsgeschwindigkeit möglich. Ferner ist gemäß der vorliegenden Sensoranordnung 100 das Messergebnis von Reflektivitätscharakteristika der Partikel unabhängig. Ferner ermöglichen die mindestens eine kanalförmige Durchgangsöffnung bzw. der mindestens eine Graben 140 und deren rückseitige Ausrichtung das sogenannte „Sichtfeldproblem“, so dass eine genaue Erfassung und Messung auch von kleinen Partikeln möglich ist.
Im Folgenden wird nun anhand von 5 in einer schematische Querschnittsansicht der prinzipielle Aufbau und die prinzipielle Funktionsweise eines Teilchensensors 200 gemäß einem Ausführungsbeispiel beschrieben.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist der Teilchensensor 200 die Sensoranordnung 100, wie sie im Vorhergehenden anhand der 1 bis 4 beispielhaft beschrieben wurde, und ferner eine Beleuchtungseinrichtung 210 mit einer Flächenlichtquelle 212 oder einer mindestens einer kollimierten Einzellichtquelle 214 oder einer Mehrzahl von kollimierten Einzellichtquellen 214 auf. Als kollimierte Einzellichtquelle 214 kann beispielsweise eine LED oder Laserdiode mit einer Mikrooptik zur Strahlbündelung verwendet werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Sensoranordnung 100 und die Beleuchtungseinrichtung 210 beabstandet zueinander angeordnet sind, um eine Fluidkanal 220 für eine Fluidströmung 222 zwischen der Sensoranordnung 110 und der Beleuchtungseinrichtung 210 vorzusehen. Dazu kann beispielsweise eine Abstandshalteranordnung 216 vorgesehen sein, die mit der Sensoranordnung 110 und der Beleuchtungseinrichtung 210 mechanisch verbunden ist, um die Breite b₂₂₀ des Fluidkanals 220 einzustellen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Sensoranordnung 110 ausgebildet sein, um Partikel bzw. Grob- oder Feinstaubpartikel 190, die sich in einem Fluidstrom 222 zwischen der Sensoranordnung 110 und der Beleuchtungseinrichtung 210 befinden, mittels einer Flankenermittlung des Partikels 190 zu erfassen.
Die Ermittlung der Partikelgröße kann mittels einer Flankenermittlung der Partikel 190 erfolgen, indem eine differenzielle Auswertung der mindestens einen Fotodiode 130 erfolgt, d.h. bei einem differenziellen Auslesen der mindestens einen Fotodiode 130 ergibt sich eine Signalflanke beim Eintritt und beim Austritt des jeweiligen Partikels aus dem Durchleuchtungsbereich zwischen Lichtquelle 210 und Empfangselement 130. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die optionale CMOS-Schaltungsanordnung 160 ausgebildet sein, um bei einer Mehrzahl von Fotodiodenstrukturen 130 z.B. benachbarte Fotodiodenstrukturen 130 paarweise antiparallel auszulesen und das ausgelesene Ausgangssignal hochpasszufiltern, um z.B. Änderungen der Differenzsignale zu erfassen. Über Änderungen des Differenzsignals kann eine direkte Aussage über die jeweilige Partikelgröße getroffen werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Sensoranordnung 100 also ausgebildet sein, um bei einem differenziellen Auslesen des mindestens einen Fotodiodenelements 130 sowohl eine Signalflanke beim Eintritt als auch beim Austritt des jeweiligen Partikels 190 aus dem Durchleuchtungsbereich zwischen der Lichtquelle 212, 214 der Beleuchtungseinrichtung 210 und der zugeordneten Fotodiodenstruktur 130 der Sensoranordnung 110 zu erhalten.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Sensoranordnung 100 ferner ausgebildet sein, um basierend auf den erhaltenen Signalflanken die jeweilige Partikelgröße, die Anzahl der Partikel 190 in dem Fluidstrom 222 und/oder die Fluidgeschwindigkeit v₂₂₂ zwischen der Sensoranordnung 100 und der Beleuchtungseinrichtung 210 zu ermitteln.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Teilchensensor 200 ferner eine Fluidströmungserzeugungseinrichtung 230 aufweisen, die ausgebildet ist, um die Fluidströmung 222 zwischen der Sensoranordnung 100 und der Beleuchtungseinheit 210 mit der Fluidgeschwindigkeit v₂₂₂ zu erzeugen. Die Fluidströmungserzeugungseinrichtung 230 kann ferner ausgebildet sein, um eine Mindestströmungsgeschwindigkeit v_MIN aufrechtzuerhalten, um ein Anhaften von Partikeln bzw. Grob- oder Feinstaubpartikeln 190 an der Sensoranordnung 100 und/oder der Beleuchtungseinrichtung 210 aufgrund der Sinkgeschwindigkeit der zu erfassenden Partikel 190 in dem Fluidstrom 222 relativ zu der Sensoranordnung 100 oder der Beleuchtungseinrichtung 210 zu verhindern oder zumindest zu reduzieren.
Die erforderliche Strömungsgeschwindigkeit v_MIN des zu untersuchenden Fluids ergibt sich beispielsweise folgendermaßen. Die sich in dem zu untersuchenden Fluid befindlichen und zu erfassenden Partikel 190 weisen ein „Sinkgeschwindigkeit“ auf, wobei gilt: je höher die Partikelgröße ist, umso größer ist die Sinkgeschwindigkeit. Daher sollte eine ausreichende hohe Strömungsgeschwindigkeit VMIN vorhanden sein, so dass basierend auf der Sinkgeschwindigkeit der zu erfassenden Partikel 190 (Feinstaubpartikel) die erforderliche Strömungsgeschwindigkeit v₂₂₂ ≥ v_MIN durch die Messanordnung vorzusehen ist, um möglichst ein Anhaften von Partikeln 190 an einem Element des Teilchensensors 200 selbst zu verhindern.
Bezugnehmend auf die 1 bis 5 werden nun nochmals einige Ausführungsbeispiele und deren Funktionalitäten beispielhaft zusammengefasst.
Das von dem mindestens einen Erfassungselement 130 erfasste Abschattungssignal, das durch ein Feinstaubteilchen 190 beim Durchlaufen der Verbindungslinie zwischen Beleuchtungselement 210 und Lichterfassungselement 130 erzeugt wird, kann gemäß Ausführungsbeispielen sehr genau erfasst werden. Da aber die Spotgröße der (möglichst gut kollimierten) Lichtquelle 210, z.B. ein Halbleiterlaser mit optionaler Mikrooptik 214, schwierig abbildbar auf einem Bildsensor bzw. eine Fotodiode 130 ist (siehe Lichtschrankenprinzip), wird das Streulichtunterdrückungsprinzip mittels langer Kanäle 140 von der Rückseite 110-B in dem Halbleitersubstrat 110 bis zu der mindestens einen an der Vorderseite liegenden Fotodiode 130 vorgeschlagen.
Die jeweilige Fotodiodengröße (z.B. 5×5 µm) kann dabei in der Größenordnung der zu erfassenden Partikel liegen. Als Fotodiodenanordnung 130 kann z.B. mindestens ein CMOS-Bildsensor (CCD) oder auch mindestens ein einfach aufzubauender Diodenstreifen (in 3a in die Zeichenebene hinein) und entlang der gesamten Breite b₂₂₀ des Fluidkanals 220 des zu untersuchenden Fluidstroms 222 angeordnet sein.
Durch das vorliegende Konzept kann störendes Streulicht durch die zu erfassenden Partikel 190, die sich nicht im Lot zwischen der Lichtquelle 210 und dem Lichtsensor 13 befinden, weitestgehend eliminiert werden. Dazu wird gemäß dem vorliegenden Konzept von der Rückseite aus eine „Boschätzung“ mit einem Aspektverhältnis von zumindest 20:1 (40:1 oder höher) bis zu mindestens einer an der Vorderseite 110-A gelegenen Kavität 122 mit dem mindestens einen daran angeordneten Lichtsensorelement 130, z.B. Fotodiode, durchgeführt, so dass eine effektive Streulichtunterdrückung erreicht werden kann. Mittels der Boschätzung kann somit eine äußerst hohe Streulichtimmunität bzw. Streulichtunterdrückung der Messanordnung 200 mittels eines beherrschten Herstellungsprozesses an der Sensoranordnung 100 erhalten werden.
Es wird somit mindestens ein tiefer bzw. langer Kanal 140 von der Rückseite 110-B des Halbleiterwafers 110 bis zu einer mit einem Oxid-Liner 124 ausgekleideten Kavität 122 (bzw. Kavitäten) durchgeführt, wobei die Oxidschicht 124 in der Kavität 122 als Ätzstoppschicht wirksam ist. In einem zusätzlichen Prozessschritt kann die an dem Zugang bzw. den Zugängen zu der mindestens einen Kavität 122 vorhandene Oxidschicht 124 des Linermaterials entfernt werden.
Das Siliziummaterial des Siliziumwafers 110 weist für einen Winkel von größer 15° an einer Grenzfläche zwischen Siliziummaterial und Luft eine Totalreflexionseigenschaft von Licht auf, so dass mittels des mindestens einen tiefen Kanals 140 eine rückseitige „Lichtfalle“ für Streulicht erzeugt wird.
Im Folgenden wird nun anhand von 6 ein prinzipielles Ablaufdiagramm eines Verfahrens 300 zur Herstellung einer Sensoranordnung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel beschrieben.
Bei einem Ausführungsbeispiel weist das Verfahren 300 zum Herstellen einer Sensoranordnung 100 folgende Schritte auf: Bereitstellen 310 eines Halbleitersubstrats 110 mit einer isolierenden Zwischenstruktur 120 benachbart zu einem ersten Hauptoberflächenbereich 110-A des Halbleitersubstrats 110, Erzeugen 320 des mindestens einen optischen Empfangselements bzw. Fotodiodenelements 130 und mindestens einer optionalen weiteren CMOS-Auswerteschaltung 160, 162 an dem ersten Hauptoberflächenbereich 110-A des Halbleitersubstrats 110, und Erzeugen 330 von mindestens einer kanalförmigen Durchgangsöffnung 130 ausgehend von einem zweiten, gegenüberliegenden Hauptoberflächenbereich 110-B des Halbleitersubstrats 110 zu der isolierenden Zwischenstruktur 120 mittels eines rückseitigen Bosch-Ätzungsvorgangs, so dass die kanalförmigen Durchgangsöffnungen 140 ein Aspektverhältnis AV zwischen Kanallänge 1₁₄₀ und Kanalbreite b₁₄₀ (mit AV = l₁₄₀/b₁₄₀) von zumindest 20:1 aufweisen.
Bei einem Ausführungsbeispiel weist das Verfahren 300 einen Schritt 330 des Waferbondens eines Glaswafers 170 an den zweiten Hauptoberflächenbereich 110-B des Halbleitersubstrats 110 auf. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann optional eine für die elektromagnetische Messstrahlung transparente Schutzschicht 170 an dem zweiten Hauptoberflächenbereich 110-B des Halbleitersubstrats 110 angeordnet werden, um die mindestens eine in dem Halbleitersubstrat 110 angeordnete, kanalförmige Durchgangsöffnung 140 zu überdecken. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die transparente Schutzschicht 170 als ein für die Wellenlänge λ₀ der elektromagnetischen Messstrahlung durchlässiger Glaswafer ausgebildet sein.
Bei einem Ausführungsbeispiel weist das Verfahren 300 ferner einen Schritt 350 des Erzeugens eines wannenförmigen Halbleiterbereichs 134 mittels eines ersten Dotierungsvorgangs in dem Halbleitersubstrat 110, und einen Schritt 360 des Ausbildens eines aktiven Halbleiterbereichs 132 der Fotodiodenelemente 130 mittels eines zweiten Dotiervorgangs innerhalb des wannenförmigen Halbleiterbereichs 134 auf, wobei der wannenförmige Halbleiterbereich 134 und der aktive Halbleiterbereich 132 unterschiedliche Dotierungstypen aufweisen.
Die Fotodiodenstruktur 130 (vgl. 3a) weist somit einen aktiven Halbleiterbereich 132 mit einem ersten Dotierungstyp und einen wannenförmigen Halbleiterbereich 134 mit einem zweiten Dotierungstyp auf, wobei der aktive Halbleiterbereich 132 innerhalb des wannenförmigen Halbleiterbereichs 134 angeordnet ist. Die Fotodiodenstruktur 130 weist also eine p-Wanne (Basis = aktiver Halbleiterbereich) 132 innerhalb einer n-Wanne (Emitter = wannenförmiger Halbleiterbereich) 134 auf. Das aktive p-Gebiet 132 weist also beispielsweise ein umgebendes, umlaufendes n-Diffusionsgebiet 134 auf. Daher sind die durch das Licht erzeugten (fotogenerierten) Ladungsträger entfernt von den „gestörten“ Halbleiterbereichen innerhalb der umgebenden n-Wanne bzw. n-Tasche von störenden Rekombinationszentren entfernt, so dass es zu keiner bzw. zu einer äußerst geringen unerwünschten Rekombination von Minoritätsladungsträgern an solchen störenden Rekombinationszentren kommt.
Bei einem Ausführungsbeispiel weist das Verfahren 300 einen Schritt 370 des Durchführens eines SON-Prozesses zur Erzeugung der isolierenden Zwischenstruktur 120 in Form von SON-Kavitäten 122 benachbart zu einem ersten Hauptoberflächenbereich 110-A des Halbleitersubstrats 110 auf, wobei bei dem SON-Prozess zur Erzeugung der Kavitäten 122 eine Oxid-Auskleidungsschicht 124 an dem Wandbereich 124-A der Kavitäten 122 erzeugt wird, die bei dem Bosch-Ätzvorgang als Ätzstoppschicht 124 wirksam ist.
Die SON-Kavität 122 kann beispielsweise durch das Einstellen der Prozessparameter bei dem Venezia-Prozess (= SON-Prozess für SON-Kavitäten), z. B. über die Prozesstemperatur, den Prozessdruck und die Prozessdauer, eingestellt werden. Ferner wird bei bzw. nach dem SON-Prozess eine Auskleidung, z. B. aus einem Oxidmaterial 124 der Kavität 122 erreicht, d. h. die Kavität 122 wird mit dem isolierenden Material 126, z. B. einem Oxidmaterial, ausgekleidet.
Bei einem Ausführungsbeispiel können bei dem SON-Prozess die mindestens eine Kavität 122 mit Korrugationen 126 versehenen Wandoberflächenbereichen 124-A ausgebildet werden, die eine erhöhte Erfassungs- und Einkopplungseffektivität der elektromagnetischen Messstrahlung in dem aktiven Halbleiterbereich 132 bewirken.
Bei einem Ausführungsbeispiel kann bei dem Schritt des Bereitstellens eines Halbleitersubstrats 110 ein SOI-Substrat 110 (SOI = Silicon On Insulator) mit einer isolierenden Zwischenschicht 128 als die isolierende Zwischenstruktur 120 bereitgestellt werden. Das Substrat 110 kann also als ein sogenanntes „SOI-Substrat“ ausgebildet sein, bei dem eine relativ dünne Halbleiterschicht bzw. Siliziumschicht 110-1 durch eine isolierende Schicht 128, z. B. eine BOX-Schicht (BOX = Buried Oxide = vergrabenes Oxid) von dem weiteren Substratbereich 110-2, z. B. einem Siliziumsubstrat, getrennt ist.
Bei einigen Ausführungsbeispielen wird also die mindestens eine kanalförmige Durchgangsöffnung 140, z.B. in Form mindestens eines Grabens an der Rückseite 110-B des Halbleitersubstrats bzw. Chips 110, unter Verwendung eines Bosch-Ätzverfahrens hergestellt. Diese mindestens eine kanalförmige Durchgangsöffnung 140 stoppt auf einem Auskleidungsoxid 124 an dem mindestens einen Silicon-on-Nothing-Hohlraum 122 direkt unterhalb bzw. angrenzend zu dem mindestens einen Empfangselement bzw. der mindestens einen Fotodiode 130.
Bei weiteren Ausführungsbeispielen umfasst die Konfiguration zwei Halbleiterchips 110-1, 110-2, einen Chip 110-B mit Perforationen 140 und einen anderen Chip 110-A mit Dioden 130 und einer optionalen Schaltungsanordnung 160, 162.
Das vorliegende Konzept unterstützt somit die Integration von Partikelsensoren mit minimalem Platzbedarf für Produkte und Geräte der nächsten Generation, indem eine Kombination aus mindestens einem rückseitig geätzten Bosch-Graben als Lichtkanal und einer Apertur und mindestens einer rückseitig beleuchteten Fotodiode oberhalb eines Silicon-on-Nothing (SON)-Hohlraums bereitgestellt wird. Dies ermöglicht eine Standard-CMOS-Verarbeitung, wenn der mindestens eine SON-Hohlraum gebildet ist. Die Kombination ergibt einen miniaturisierten und äußerst kompakten Entwurf für Feinstauberfassungsvorrichtungen mit einem extrem kleinen Sichtfeld.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst eine Sensoranordnung 100 ein Halbleitersubstrat 110 mit einem ersten und einem zweiten, gegenüberliegenden Hauptoberflächenbereich 110-A, 110-B; eine Zwischenstruktur 120 in dem Halbleitermaterial des Halbleitersubstrats 110 benachbart zu dem ersten Hauptoberflächenbereich 110-A des Halbleitersubstrats 110; mindestens ein Empfangselement 130 in dem Halbleitermaterial zwischen der Zwischenstruktur 120 und dem ersten Hauptoberflächenbereich 110-A des Halbleitersubstrats 110; und mindestens eine kanalförmige Durchgangsöffnung 140 von dem zweiten Hauptoberflächenbereich 110-B des Halbleitersubstrats 110 zu der Zwischenstruktur 120, wobei die mindestens eine kanalförmige Durchgangsöffnung 140 ein Aspektverhältnis zwischen Kanallänge l₁₄₀ und Kanalbreite b₁₄₀ von zumindest 20:1 aufweist.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Zwischenstruktur 120 eine Kavität 122 oder eine SON-Kavität 122 (SON = Silicon-on-Nothing) aufweist und mit einer Auskleidungsschicht 124 (Oxid-Liner-Schicht) ausgekleidet sein.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die SON-Kavität 122 einen Wandbereich 124-A aufweisen, der röhrensegmentförmig ausgebildet ist, so dass der Wandbereich 124-A der SON-Kavität 122 parallel zueinander verlaufende, benachbarte Gräben 126 aufweist.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Halbleitersubstrat 110 ein SOI-Substrat aufweisen, wobei die Zwischenstruktur eine isolierende Zwischenschicht 128 des SOI-Substrats (SOI = Silicon-on-Insulator) aufweist.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die isolierende Zwischenschicht 128 eine Zwischenoxidschicht aufweisen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das mindestens eine Empfangselement 130 eine Fotodiodenstruktur 130 aufweisen, wobei die Fotodiodenstruktur 130 einen aktiven Halbleiterbereich 132 mit einem ersten Dotierungstyp und einen wannenförmigen Halbleiterbereich 134 mit einem zweiten Dotierungstyp aufweist, wobei der aktive Halbleiterbereich 132 innerhalb des wannenförmigen Halbleiterbereichs 134 angeordnet ist.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der wannenförmige Halbleiterbereich 134 ausgebildet sein, um eine Oberflächenrekombination von fotogenerierten Ladungsträgern an einem Randbereich des aktiven Halbleiterbereichs 132 zu verringern.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die mindestens eine Fotodiodenstruktur 140 ein CMOS-Bildsensorelement oder ein streifenförmig ausgebildetes Fotodiodenelement aufweisen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die mindestens eine kanalförmige Durchgangsöffnung 140 ein Aspektverhältnis A₁₄₀ von zumindest 30:1, 40:1 oder 60:1 aufweisen, um einen Streuanteil der elektromagnetischen Messstrahlung, der in die mindestens eine kanalförmige Durchgangsöffnung 140 mit einer Einfallswinkelabweichung von zumindest 1°, 2° oder 5° gegenüber einer Mittelachse der mindestens einen kanalförmigen Durchgangsöffnung 140 einfällt, optisch auszukoppeln.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die optische Auskopplung des Streulichts durch eine optische Einkopplung und/oder Absorption des Streulichts in das Halbleitermaterial des Halbleitersubstrats 110 erfolgen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel können die mindestens eine kanalförmige Durchgangsöffnung 140 in einem Seitenwandbereich 142 umlaufende Korrugationen 144 aufweist.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann eine kanalförmige Durchgangsöffnung 140 einem Empfangselement 130 zugeordnet sein.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann angrenzend an den ersten Hauptoberflächenbereich 110-A des Halbleitersubstrats 110 eine CMOS-Schaltungsanordnung in dem Halbleitermaterial angeordnet sein, wobei die Schaltungsanordnung ausgebildet ist, um Ausgangssignale des mindestens einen Empfangselements 130 auszulesen und/oder aufzubereiten.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die CMOS-Schaltungsanordnung ausgebildet sein, um bei einer Mehrzahl von Empfangselementen (130) benachbarte Empfangselemente 130 paarweise antiparallel auszulesen und das ausgelesene Ausgangssignal hochpasszufiltern.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann eine für die elektromagnetische Messstrahlung transparente Schutzschicht an dem zweiten Hauptoberflächenbereich des Halbleitersubstrats angeordnet sein und die mindestens eine in dem Halbleitersubstrat angeordnete kanalförmige Durchgangsöffnung 140 überdecken.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die transparente Schutzschicht als ein für die Wellenlänge der elektromagnetischen Messstrahlung durchlässiger Glaswafer ausgebildet sein.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Halbleitersubstrat ein erstes und ein zweites, aneinander angeordnetes Teilsubstrat aufweisen, wobei in dem ersten Teilsubstrat die Empfangselemente 130 angeordnet sind, und wobei in dem zweiten Halbleiterteilsubstrat die mindestens eine kanalförmige Durchgangsöffnung 140 angeordnet ist.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst ein Teilchensensor 200 folgende Merkmale: die Sensoranordnung 100, und eine Beleuchtungseinrichtung 210 mit einer Flächenlichtquelle, mit mindestens einer kollimierten Einzellichtquelle oder mit einer Mehrzahl von kollimierten Einzellichtquellen, wobei die Sensoranordnung 100 und die Beleuchtungseinrichtung 210 beabstandet zueinander angeordnet sind, um einen Fluidkanal für eine Fluidströmung zwischen der Sensoranordnung und der Beleuchtungseinrichtung vorzusehen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Sensoranordnung 100 ausgebildet sein, um Feinstaubpartikel 190, die sich in einem Fluidstrom 222 zwischen der Sensoranordnung 100 und der Beleuchtungseinrichtung 210 befinden, mittels einer Flankenermittlung des Feinstaubpartikels 190 zu erfassen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Sensoranordnung 100 ausgebildet sein, um bei einem differenziellen Auslesen der Empfangselemente 130 sowohl eine Signalflanke beim Eintritt als auch beim Austritt des jeweiligen Partikels aus dem Durchleuchtungsbereich 220 zwischen der Lichtquelle 212, 214 der Beleuchtungseinrichtung 210 und dem zugeordneten Empfangselement 130 der Sensoranordnung 100 zu erhalten.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Sensoranordnung 100 ferner ausgebildet sein, um basierend auf den erhaltenen Signalflanken die jeweilige Partikelgröße, die Anzahl der Partikel in dem Fluidstrom und/oder die Fluidgeschwindigkeit zwischen der Sensoranordnung 100 und der Beleuchtungseinrichtung 210 zu ermitteln.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Teilchensensor 200 ferner eine Fluidströmungserzeugungseinrichtung 230 aufweisen, die ausgebildet ist, um eine Fluidströmung 222 zwischen der Sensoranordnung 100 und der Beleuchtungseinheit 210 zu erzeugen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Fluidströmungserzeugungseinrichtung 230 ferner ausgebildet sein, um eine Mindestströmungsgeschwindigkeit v_MIN aufrechtzuerhalten, um ein Anhaften von Feinstaubpartikeln 190 an der Sensoranordnung 100 und/oder der Beleuchtungseinrichtung 210 aufgrund der Sinkgeschwindigkeit der zu erfassenden Partikel 190 in dem Fluidstrom 222 zu verhindern oder zumindest zu reduzieren.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann ein Verfahren 300 zum Herstellen einer Sensoranordnung 100 folgende Schritte aufweisen: Bereitstellen 310 eines Halbleitersubstrats mit einer isolierenden Zwischenstruktur benachbart zu einem ersten Hauptoberflächenbereich des Halbleitersubstrats, Erzeugen 320 mindestens eines Empfangselements an dem ersten Hauptoberflächenbereich des Halbleitersubstrats, und Erzeugen 330 mindestens einer kanalförmigen Durchgangsöffnung ausgehend von einem zweiten, gegenüberliegenden Hauptoberflächenbereich des Halbleitersubstrats zu der isolierende Zwischenstruktur mittels eines rückseitigen Bosch-Ätzungsvorgangs, so dass die mindestens eine kanalförmige Durchgangsöffnung ein Aspektverhältnis zwischen Kanallänge und Kanalbreite von zumindest 20:1 aufweist.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Verfahren 300 ferner folgenden Schritt aufweisen: Waferbonden 340 eines Glaswafers an den zweiten Hauptoberflächenbereich des Halbleitersubstrats.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Schritt des Erstellens des mindestens einen Fotodiodenelements folgende Teilschritte aufweisen: Erzeugen 350 eines wannenförmigen Halbleiterbereichs mittels eines ersten Dotierungsvorgangs in dem Halbleitersubstrat, und Ausbilden 360 eines aktiven Halbleiterbereichs de mindestens einen Fotodiodenelements mittels eines zweiten Dotiervorgangs innerhalb des wannenförmigen Halbleiterbereichs, wobei der wannenförmige Halbleiterbereich und der aktive Halbleiterbereich unterschiedliche Dotierungstypen aufweisen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Verfahren 300 ferner folgenden Schritt aufweisen: Durchführen 370 eines SON-Prozesses zur Erzeugung der isolierenden Zwischenstruktur in Form von mindestens einer SON-Kavität benachbart zu einem ersten Hauptoberflächenbereich des Halbleitersubstrats, wobei bei oder nach dem SON-Prozess zur Erzeugung der mindestens einen Kavität eine Oxid-Auskleidungsschicht an dem Wandbereich der mindestens einen Kavität erzeugt wird, die bei dem Bosch-Ätzvorgang als Ätzstoppschicht wirksam ist.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann bei dem SON-Prozess die mindestens eine Kavität mit Korrugationen versehenen Wandoberflächenbereichen ausgebildet wird, die eine erhöhte Erfassungs- und Einkopplungseffektivität der elektromagnetischen Messstrahlung in dem aktiven Halbleiterbereich bewirken.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann bei dem Schritt des Bereitstellens eines Halbleitersubstrats ein SOI-Substrat (SOI = Silicon On Insulator) mit einer isolierenden Zwischenschicht als die isolierende Zwischenstruktur bereitgestellt werden.
Während sich Ausführungsbeispiele für verschiedene Modifikationen und alternative Formen eignen, werden dementsprechend Ausführungsbeispiele derselben in den Figuren beispielhaft gezeigt und hier ausführlich beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass es nicht beabsichtigt ist, Ausführungsbeispiele auf die offenbarten bestimmten Formen zu begrenzen, sondern im Gegensatz die Ausführungsbeispiele alle in den Rahmen der Offenbarung fallenden Modifikationen, Entsprechungen und Alternativen abdecken sollen. In der gesamten Beschreibung der Figuren beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche Elemente.
Es versteht sich, dass, wenn ein Element als mit einem anderen Element „verbunden“ oder „gekoppelt“ bezeichnet wird, es direkt mit dem anderen Element verbunden oder gekoppelt sein kann oder Zwischenelemente vorhanden sein können. Wenn im Gegensatz ein Element als „direkt“ mit einem anderen Element „verbunden“ oder „gekoppelt“ bezeichnet wird, sind keine Zwischenelemente vorhanden. Sonstige zum Beschreiben des Verhältnisses zwischen Elementen benutzten Ausdrücke sollten auf gleichartige Weise ausgelegt werden (z.B. „zwischen“ gegenüber „direkt zwischen“, „benachbart“ gegenüber „direkt benachbart“ usw.). Ferner ist die Formulierung „zumindest ein“ Element so zu verstehen, dass ein Element oder eine Mehrzahl von Elementen vorgesehen sein können.
Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einem MEMS-Baustein beschrieben wurden, versteht es sich, dass einige Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Herstellungsverfahrens mit entsprechenden Verfahrensschritten zur Herstellung eines MEMS-Bausteins darstellen. So ist das Bereitstellen eines Blocks oder eines Bauelements auch als ein Verfahrensschritt oder ein Merkmal eines Verfahrensschrittes eines entsprechenden Verfahrens zu verstehen ist. Einige oder alle der Verfahrensschritte können durch einen Hardware-Apparat (oder unter Verwendung eines Hardware-Apparats), wie unter Verwendung eines Mikroprozessors, eines programmierbaren Computers oder einer elektronischen Schaltung durchgeführt werden. Bei einigen Ausführungsbeispielen können einige oder mehrere der wichtigsten Verfahrensschritte durch einen solchen Apparat ausgeführt werden.
In der vorhergehenden detaillierten Beschreibung wurden teilweise verschiedene Merkmale in Beispielen zusammen gruppiert, um die Offenbarung zu rationalisieren. Diese Art der Offenbarung soll nicht als die Absicht interpretiert werden, dass die beanspruchten Beispiele mehr Merkmale aufweisen als ausdrücklich in jedem Anspruch angegeben sind. Vielmehr kann, wie die folgenden Ansprüche wiedergeben, der Gegenstand in weniger als allen Merkmalen eines einzelnen offenbarten Beispiels liegen. Folglich werden die folgenden Ansprüche hiermit in die detaillierte Beschreibung aufgenommen, wobei jeder Anspruch als ein eigenes separates Beispiel stehen kann. Während jeder Anspruch als ein eigenes separates Beispiel stehen kann, sei angemerkt, dass, obwohl sich abhängige Ansprüche in den Ansprüchen auf eine spezifische Kombination mit einem oder mehreren anderen Ansprüchen zurückbeziehen, andere Beispiele auch eine Kombination von abhängigen Ansprüchen mit dem Gegenstand jedes anderen abhängigen Anspruchs oder einer Kombination jedes Merkmals mit anderen abhängigen oder unabhängigen Ansprüchen umfassen. Solche Kombinationen seien umfasst, es sei denn es ist ausgeführt, dass eine spezifische Kombination nicht beabsichtigt ist. Ferner ist beabsichtigt, dass auch eine Kombination von Merkmalen eines Anspruchs mit jedem anderen unabhängigen Anspruch umfasst ist, selbst wenn dieser Anspruch nicht direkt abhängig von dem unabhängigen Anspruch ist.
Obwohl spezifische Ausführungsbeispiele hierin dargestellt und beschrieben wurden, wird einem Fachmann offensichtlich sein, dass eine Vielzahl von alternativen und/oder äquivalenten Implementierungen für die spezifischen dort gezeigten und dargestellten Ausführungsbeispiele ersetzt werden können, ohne von dem Gegenstand der vorliegenden Anmeldung abzuweichen. Dieser Anmeldungstext soll alle Adaptionen und Variationen der hierin beschriebenen und erörterten spezifischen Ausführungsbeispiele abdecken. Daher ist der vorliegende Anmeldungsgegenstand lediglich durch den Wortlaut der Ansprüche und den äquivalenten Ausführungsformen derselben begrenzt.
Bezugszeichenliste

100: Sensoranordnung
110: Substrat
110-A: erster Hauptoberflächenbereich des Substrats
110-B: zweiter Hauptoberflächenbereich des Substrats
110-1: erstes Teilsubstrat
110-2: zweites Teilsubstrat
120: Zwischenstruktur
122: SON-Kavität
122': röhrenförmigen Hohlräume
124: Oxid-Liner-Schicht
124-A: Wandbereich der Kavität
126: Riffelungen
128: isolierende Zwischenschicht eines SOI-Substrats
130: Empfangselemente
132: aktiver Halbleiterbereich
132-1: hoch-dotierter Bereich
134: wannenförmiger Halbleiterbereich
134-1: hoch-dotierter Bereich
136: Kontaktanschlussleitung
138: weitere Kontaktanschlussleitung
140: kanalförmige Durchgangsöffnungen
140-A: Wandbereich der kanalförmigen Durchgangsöffnungen
142: Mittelachse der kanalförmigen Durchgangsöffnungen
144: umlaufende Korrugationen
150: Schichtstapel
152: Verdrahtungsebenen
154: Isolationsmaterial
160: CMOS-Schaltungsanordnung
162: Hochpassschaltung
170: transparente Schutzschicht
190: Partikel
200: Teilchensensor
210: Beleuchtungseinrichtung
212: Flächenlichtquelle oder einer Mehrzahl von kollimierten Einzellichtquellen
214: kollimierte Einzellichtquellen
216: Abstandshalteranordnung
220: Fluidkanal
222: Fluidstrom
300: Herstellungsverfahren
310 - 370: Verfahrensschritte
AV: Aspektverhältnis
1₁₄₀: Kanallänge
b₁₄₀: Kanalbreite
λ₀: Wellenlänge der elektromagnetischen Messstrahlung
b₂₂₀: Breite des Fluidkanals
v₂₂₂: Fluidgeschwindigkeit
v_MIN: Fluidmindestgeschwindigkeit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102017112632 A1 [0006]

Claims

Sensoranordnung (100) mit folgenden Merkmalen: einem Halbleitersubstrat (110) mit einem ersten und einem zweiten, gegenüberliegenden Hauptoberflächenbereich (110-A, 110-B); einer Zwischenstruktur (120) in dem Halbleitermaterial des Halbleitersubstrats (110) benachbart zu dem ersten Hauptoberflächenbereich (110-A) des Halbleitersubstrats (110); mindestens einem Empfangselement (130) in dem Halbleitermaterial zwischen der Zwischenstruktur (120) und dem ersten Hauptoberflächenbereich (110-A) des Halbleitersubstrats (110); und mindestens einer kanalförmigen Durchgangsöffnung (140) von dem zweiten Hauptoberflächenbereich (110-B) des Halbleitersubstrats (110) zu der Zwischenstruktur (120), wobei die mindestens eine kanalförmige Durchgangsöffnung (140) ein Aspektverhältnis zwischen Kanallänge (l₁₄₀) und Kanalbreite (b₁₄₀) von zumindest 20:1 aufweist.
Sensoranordnung (100) nach Anspruch 1, wobei die Zwischenstruktur (120) eine Kavität (122) oder eine SON-Kavität (122) (SON = Silicon-on-Nothing) aufweist und mit einer Auskleidungsschicht (124) ausgekleidet ist.
Sensoranordnung (100) nach Anspruch 2, wobei die SON-Kavität (122) einen Wandbereich (124-A) aufweist, der röhrensegmentförmig ausgebildet ist, so dass der Wandbereich (124-A) der SON-Kavität (122) parallel zueinander verlaufende, benachbarte Gräben (126) aufweist.
Sensoranordnung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Halbleitersubstrat (110) ein SOI-Substrat aufweist, und wobei die Zwischenstruktur eine isolierende Zwischenschicht (128) des SOI-Substrats (SOI = Silicon-on-Insulator) aufweist.
Sensoranordnung (100) nach Anspruch 4, wobei die isolierende Zwischenschicht (128) eine Zwischenoxidschicht aufweist.
Sensoranordnung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das mindestens eine Empfangselement (130) eine Fotodiodenstruktur (130) aufweist, wobei die Fotodiodenstruktur (130) einen aktiven Halbleiterbereich (132) mit einem ersten Dotierungstyp und einen wannenförmigen Halbleiterbereich (134) mit einem zweiten Dotierungstyp aufweist, wobei der aktive Halbleiterbereich (132) innerhalb des wannenförmigen Halbleiterbereichs (134) angeordnet ist.
Sensoranordnung (100) nach Anspruch 6, wobei der wannenförmige Halbleiterbereich (134) ausgebildet ist, um eine Oberflächenrekombination von fotogenerierten Ladungsträgern an einem Randbereich des aktiven Halbleiterbereichs (132) zu verringern.
Sensoranordnung (100) gemäß Anspruch 6 oder 7, wobei die mindestens eine Fotodiodenstruktur (130) ein CMOS-Bildsensorelement oder ein streifenförmig ausgebildetes Fotodiodenelement aufweist.
Sensoranordnung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine kanalförmige Durchgangsöffnung (140) ein Aspektverhältnis (A₁₄₀) von zumindest 30:1, 40:1 oder 60:1 aufweist, um einen Streuanteil der elektromagnetischen Messstrahlung, der in die mindestens eine kanalförmige Durchgangsöffnung (140) mit einer Einfallswinkelabweichung von zumindest 1°, 2° oder 5° gegenüber einer Mittelachse der mindestens einen kanalförmigen Durchgangsöffnung (140) einfällt, optisch auszukoppeln.
Sensoranordnung (100) nach Anspruch 9, wobei die optische Auskopplung des Streulichts durch eine optische Einkopplung und/oder Absorption des Streulichts in das Halbleitermaterial des Halbleitersubstrats (110) erfolgt.
Sensoranordnung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine kanalförmige Durchgangsöffnung (140) in einem Seitenwandbereich (142) umlaufende Korrugationen (144) aufweisen.
Sensoranordnung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine kanalförmige Durchgangsöffnung (140) einem Empfangselement (130) zugeordnet ist.
Sensoranordnung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei angrenzend an den ersten Hauptoberflächenbereich (110-A) des Halbleitersubstrats (110) eine CMOS-Schaltungsanordnung in dem Halbleitermaterial angeordnet ist, wobei die Schaltungsanordnung ausgebildet ist, um Ausgangssignale der mindestens eines Empfangselements (130) auszulesen und/oder aufzubereiten.
Sensoranordnung (100) gemäß Anspruch 13, wobei die CMOS-Schaltungsanordnung ausgebildet ist, um bei einer Mehrzahl von Empfangselementen (130) benachbarte Empfangselemente (130) paarweise antiparallel auszulesen und das ausgelesene Ausgangssignal hochpasszufiltern.
Sensoranordnung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine für die elektromagnetische Messstrahlung transparente Schutzschicht an dem zweiten Hauptoberflächenbereich des Halbleitersubstrats angeordnet ist und die in dem Halbleitersubstrat angeordnete, mindestens eine kanalförmige Durchgangsöffnung (140) überdeckt.
Sensoranordnung (100) gemäß Anspruch 15, wobei die transparente Schutzschicht als ein für die Wellenlänge der elektromagnetischen Messstrahlung durchlässiger Glaswafer ausgebildet ist.
Sensoranordnung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Halbleitersubstrat ein erstes und ein zweites, aneinander angeordnetes Teilsubstrat aufweist, wobei in dem ersten Teilsubstrat die Empfangselemente (130) angeordnet sind, und wobei in dem zweiten Halbleiterteilsubstrat die mindestens eine kanalförmige Durchgangsöffnung (140) angeordnet ist.
Teilchensensor (200) mit folgenden Merkmalen: einer Sensoranordnung (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, und einer Beleuchtungseinrichtung (210) mit einer Flächenlichtquelle, mit mindestens einer kollimierten Einzellichtquelle oder mit einer Mehrzahl von kollimierten Einzellichtquellen; wobei die Sensoranordnung (100) und die Beleuchtungseinrichtung (210) beabstandet zueinander angeordnet sind, um einen Fluidkanal für eine Fluidströmung zwischen der Sensoranordnung und der Beleuchtungseinrichtung vorzusehen.
Teilchensensor (200) gemäß Anspruch 18, wobei die Sensoranordnung (100) ausgebildet ist, um Feinstaubpartikel (190), die sich in einem Fluidstrom (222) zwischen der Sensoranordnung (100) und der Beleuchtungseinrichtung (210) befinden, mittels einer Flankenermittlung des Feinstaubpartikels (190) zu erfassen.
Teilchensensor (200) gemäß Anspruch 19, wobei die Sensoranordnung (100) ausgebildet ist, um bei einem differenziellen Auslesen der Empfangselemente (130) sowohl eine Signalflanke beim Eintritt als auch beim Austritt des jeweiligen Partikels aus dem Durchleuchtungsbereich (220) zwischen der Lichtquelle (212, 214) der Beleuchtungseinrichtung (210) und dem zugeordneten Empfangselement (130) der Sensoranordnung (100) zu erhalten.
Teilchensensor (200) nach Anspruch 19 oder 20, wobei die Sensoranordnung (100) ferner ausgebildet, um basierend auf den erhaltenen Signalflanken die jeweilige Partikelgröße, die Anzahl der Partikel in dem Fluidstrom und/oder die Fluidgeschwindigkeit zwischen der Sensoranordnung (100) und der Beleuchtungseinrichtung (210) zu ermitteln.
Teilchensensor (200) nach einem der Ansprüche 18 bis 21, ferner mit folgendem Merkmal: einer Fluidströmungserzeugungseinrichtung (230), die ausgebildet ist, um eine Fluidströmung (222) zwischen der Sensoranordnung (100) und der Beleuchtungseinheit (210) zu erzeugen.
Teilchensensor (200) nach Anspruch 22, wobei die Fluidströmungserzeugungseinrichtung (230) ferner ausgebildet ist, um eine Mindestströmungsgeschwindigkeit (v_MIN) aufrechtzuerhalten, um ein Anhaften von Feinstaubpartikeln (190) an der Sensoranordnung (100) und/oder der Beleuchtungseinrichtung (210) aufgrund der Sinkgeschwindigkeit der zu erfassenden Partikel (190) in dem Fluidstrom (222) zu verhindern oder zumindest zu reduzieren.
Verfahren (300) zum Herstellen einer Sensoranordnung (100), mit folgenden Schritten: Bereitstellen (310) eines Halbleitersubstrats mit einer isolierenden Zwischenstruktur benachbart zu einem ersten Hauptoberflächenbereich des Halbleitersubstrats, Erzeugen (320) mindestens eines Empfangselements an dem ersten Hauptoberflächenbereich des Halbleitersubstrats, und Erzeugen (330) mindestens einer kanalförmigen Durchgangsöffnung ausgehend von einem zweiten, gegenüberliegenden Hauptoberflächenbereich des Halbleitersubstrats zu der isolierende Zwischenstruktur mittels eines rückseitigen Bosch-Ätzungsvorgangs, so dass die mindestens eine kanalförmige Durchgangsöffnung ein Aspektverhältnis zwischen Kanallänge und Kanalbreite von zumindest 20:1 aufweist.
Verfahren (300) nach Anspruch 24, ferner mit folgendem Schritt: Waferbonden (340) eines Glaswafers an den zweiten Hauptoberflächenbereich des Halbleitersubstrats.
Verfahren (300) nach Anspruch 24 oder 25, wobei der Schritt des Erstellens des mindestens einen Fotodiodenelements folgende Teilschritte aufweist: Erzeugen (350) eines wannenförmigen Halbleiterbereichs mittels eines ersten Dotierungsvorgangs in dem Halbleitersubstrat, und Ausbilden (360) eines aktiven Halbleiterbereichs des mindestens einen Fotodiodenelements mittels eines zweiten Dotiervorgangs innerhalb des wannenförmigen Halbleiterbereichs, wobei der wannenförmige Halbleiterbereich und der aktive Halbleiterbereich unterschiedliche Dotierungstypen aufweisen.
Verfahren (300) nach einem der Ansprüche 24 bis 26, ferner mit folgendem Schritt: Durchführen (370) eines SON-Prozesses zur Erzeugung der isolierenden Zwischenstruktur in Form von mindestens einer SON-Kavität benachbart zu einem ersten Hauptoberflächenbereich des Halbleitersubstrats, wobei bei oder nach dem SON-Prozess zur Erzeugung der mindestens einen Kavität eine Oxid-Auskleidungsschicht an dem Wandbereich der mindestens einen Kavität erzeugt wird, die bei dem Bosch-Ätzvorgang als Ätzstoppschicht wirksam ist.
Verfahren (300) nach einem Anspruch 27, wobei bei dem SON-Prozess die mindestens eine Kavität mit Korrugationen versehenen Wandoberflächenbereichen ausgebildet wird, die eine erhöhte Erfassungs- und Einkopplungseffektivität der elektromagnetischen Messstrahlung in dem aktiven Halbleiterbereich bewirken.
Verfahren (300) nach einem der Ansprüche 24 bis 26, wobei bei dem Schritt des Bereitstellens eines Halbleitersubstrats ein SOI-Substrat (SOI = Silicon On Insulator) mit einer isolierenden Zwischenschicht als die isolierende Zwischenstruktur bereitgestellt wird.