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WO2013120652A1 - Thermopile infrarot-sensorstruktur mit hohem füllgrad - Google Patents

Thermopile infrarot-sensorstruktur mit hohem füllgrad Download PDF

Info

Publication number
WO2013120652A1
WO2013120652A1 PCT/EP2013/050881 EP2013050881W WO2013120652A1 WO 2013120652 A1 WO2013120652 A1 WO 2013120652A1 EP 2013050881 W EP2013050881 W EP 2013050881W WO 2013120652 A1 WO2013120652 A1 WO 2013120652A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
infrared sensor
structure according
thermopile infrared
radiation
sensor structure
Prior art date
Application number
PCT/EP2013/050881
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Frank Herrmann
Marion Simon
Wilhelm Leneke
Bodo Forg
Karlheinz Storck
Michael Müller
Jörg SCHIEFERDECKER
Original Assignee
Heimann Sensor Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Heimann Sensor Gmbh filed Critical Heimann Sensor Gmbh
Priority to CN201380020314.1A priority Critical patent/CN104246457B/zh
Priority to JP2014556964A priority patent/JP5934809B2/ja
Priority to KR1020147025845A priority patent/KR101701275B1/ko
Priority to US14/379,007 priority patent/US9945725B2/en
Priority to DE112013001011.9T priority patent/DE112013001011B4/de
Publication of WO2013120652A1 publication Critical patent/WO2013120652A1/de

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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/10—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors
    • G01J5/12—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors using thermoelectric elements, e.g. thermocouples
    • G—PHYSICS
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    • G01J5/0853—Optical arrangements having infrared absorbers other than the usual absorber layers deposited on infrared detectors like bolometers, wherein the heat propagation between the absorber and the detecting element occurs within a solid
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    • G01J5/12—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors using thermoelectric elements, e.g. thermocouples
    • G01J5/14—Electrical features thereof
    • G01J5/16—Arrangements with respect to the cold junction; Compensating influence of ambient temperature or other variables

Definitions

  • thermopile infrared sensor ⁇ structure with high degree of filling in a medium-filled housing, consisting of a bottom plate having electrical connections to the outside and which is closed with an optical assembly and wherein on the bottom plate in the housing, a sensor chip is applied , which carries a plurality of thermoelectric sensor element structures whose so-called “hot contacts” are located on individual membranes, which are spanned by a respective cavity in a good heat-conducting silicon support body, wherein the "cold contacts" are on or near the silicon body.
  • thermopile sensor arrays are known in silicon micromechanical technology in various aspects.
  • Varieties can be produced.
  • a thin membrane with thermocouples arranged on it in thin-film technology usually located in the middle of each sensor cell. This membrane is located above a cavity in the underlying silicon substrate.
  • thermocouples have so-called "hot” and "cold” 1 * contacts, whereby the "hot" contacts on the
  • Silicon substrate which serves as a heat sink, are connected to each other via thin webs (beams). Most of the absorption of infrared radiation takes place in the central area of the membrane. This is significantly smaller than the size of the pixel (especially for high density arrays).
  • Infrared radiation IR radiation
  • IR radiation to the pixel is not used, whereby the achievable resolution
  • thermopile array in a housing with a radiation entrance optics, as well as a chip with thermocouples on a central thin membrane, which is stretched over a well-heat-conducting frame-shaped support body.
  • the disadvantage here is that the absorbing central area is significantly smaller than the total area of a pixel.
  • a major disadvantage here is that due to the multi-layer structure of a semiconductor circuit stack only 70% absorption are possible.
  • the carrier substrate is hollowed out under the sensor structure, which is achieved by a wet-chemical etching process (surface treatment).
  • Micromechanics is achieved, creating oblique walls become .
  • the thermal sensor is not operated under high vacuum, the heat conduction of the residual gas or of the filling gas in the sensor housing reduces the achievable temperature difference between the "hot contacts" on the absorber area and the "cold contacts” on the heat sink (carrier substrate).
  • thermopile sensor array in which the sensor elements are produced in a surface micromechanical technology with sacrificial ⁇ layer.
  • Residual gas pressure or with a filling gas, can not reach sufficiently high sensitivities.
  • DE 693 29 708 T2 and EP 0 599 364 B1 are concerned with a manufacturing method for infrared radiation sensors in which the sensitivity is improved by using a vacuum housing or a housing filled with a thermally only slightly conductive gas.
  • the radiation sensor has wet etched, sloping etch pit walls.
  • a venting gap Between the base plate and the substrate is a venting gap, which preferably serves to equalize the pressure between the region above and below the membrane.
  • the absorber area here is also significantly smaller than the dimension of a pixel.
  • thermopile sensor array fabricated in bulk Si micromechanical technology with the 64 elements on an 8x8 mm chip, each element siliconized - Thermally separated walls in wet etching technology.
  • the technological size of the chip leads to relatively high production costs and is in turn contrary to cost-effective mass applications.
  • the fill factor is particularly bad.
  • thermopile solutions there are other solutions to low-cost infrared arrays.
  • thermopile detector array with an interference-based absorber J. Micromech., Microeng
  • thermopile detector array in surface silicon micromechanics.
  • thermopile in addition to the production of a thermopile, it is all about a CMOS-compatible interference-based absorber, which consists of four superposed absorbers
  • a pixel structure which consists of a bolometer and a substrate.
  • the bolometer includes one
  • Transducer which has several holes or channels, which should increase the resistance and the absorption.
  • the recesses or channels also cause the parts of the infrared radiation to be directed into the absorber, which would otherwise be reflected. This recess also reduces the thermal mass of the bolometer. As a result, however, more process steps are needed and the
  • the umbrella-shaped absorber is located above a
  • Bolometer Due to the structure of this bolometer, however, a vacuum bagging is necessary, bolometers also need i.a. a temperature stabilization or a
  • the transducer can be made of vanadium oxide (VOx), titanium oxide (TiOx), amorphous silicon, or other materials that exhibit good temperature resistance.
  • VOx vanadium oxide
  • TiOx titanium oxide
  • amorphous silicon or other materials that exhibit good temperature resistance.
  • thermopile infrared array sensor cells which can do without vacuum.
  • the absorber area is small compared to the pixel area. This limits the maximum achievable signal share per pixel and increases the risk of incorrect measurements.
  • thermopile pixel The signal voltage of a thermopile pixel can be increased by, among other things, that several in series
  • thermocouples are patterned on the pixel.
  • CMOS process with the thermocouples side by side must be used. If you now increase the number of thermocouples on the beam, the beam widens inevitably - and at the same time, the central area with the absorber surface but even smaller, which in turn reduces the amount of absorbed infrared radiation energy per pixel and thus further worsens the degree of filling.
  • the object of the invention is to provide a thermopile infrared array sensor (sensor cell), which is smaller in size
  • Chip size has a high thermal resolution and a particularly high degree of filling.
  • This sensor should preferably be operated under gas at atmospheric pressure or reduced pressure and should be inexpensive without costly technologies for housing closure under maximum vacuum
  • the invention relates to an infrared (silicon) chip, which is produced in silicon micromechanics and has a collector-like IR absorber (later called radiation collector), which is located in the second plane above a membrane.
  • a collector-like IR absorber (later called radiation collector)
  • This infrared chip is a thermopile sensor, but other infrared sensor types, such as pyrosensors, are also possible.
  • the central part of the membrane, on which the hot contacts are arranged, is connected by connecting webs with the
  • the sides of the connecting webs are separated by slots from the central part of the membrane and the silicon support body. This increases the thermal resistance between the
  • thermocouples which are the hot and the cold
  • a radiation collector structure is constructed on at least one heat-conducting foot or punch above each individual membrane which mechanically holds the radiation collector.
  • the membrane spans one
  • the cavities are from the front or from the
  • the membranes or the cavities have a square, rectangular, polygonal or round shape.
  • the radiation collector assembly consists of one or more radiation collectors and one or more of them
  • the radiator (s) and the punch (s) are made of the same material and are manufactured in the same process, whereby the manufacturing costs are very low.
  • one or more thin ones are disposed between adjacent radiation collectors or the radiation collector structures
  • the shape of the stamp varies with the type of
  • the stamp may be in the shape of a cylinder due to a sacrificial layer technology used. Other geometric, cuboid and round shapes or tubular cross sections are possible. A possible
  • Construction is circular, with the stamps are on a circular path under the radiation collector and support it. It is also possible for the punches to be located in an elliptical, rectangular, parallelogram or trapezoidal geometric shape below the radiation collector.
  • the width of the stamp needs a secure hold for
  • lying membrane can also be varied if the medium (gas) has a very low pressure (vacuum),
  • the number of punches and radiation collectors can be varied to maximize mechanical
  • the thickness of the stamp can be different degrees ⁇ forms, for example, to ensure a sufficient distance from adjacent topology, so that no heat exchange can take place by contact or via a gas.
  • the membranes are each connected via narrow and thin webs to the silicon support body, wherein the thermocouples are performed with the functional layers on the webs and connect the "hot contacts" on the central region of the membrane with "cold contacts” on the silicon support body.
  • the thus at least one beam (bridge) hanging central ⁇ part of the diaphragm is prepared for example by etching.
  • a pit (cavity) is driven by etching from the back of the silicon support body to expose the membrane on the front.
  • both wet and Plasma etching processes also apply.
  • the plasma etching process enables significantly higher Inte ⁇ grations ashamed as wet etching, which have sloping walls result due to the achievable vertical or near-vertical walls.
  • thermocouples On the connecting webs are preferably two or more superposed polysilicon layers, which are formed during the CMOS process. These polysilicon layers were patterned in the CMOS process for the production of thermo ⁇ elements.
  • Radiation collector accommodate.
  • One of the two layers is n-type and the other p-type.
  • the connecting webs are arranged around the central part of the membrane, wherein the webs are thermally decoupled by means of slots.
  • One possible form of the beams is meandering, which significantly increases the signal.
  • Another advantage of this version is the stress reduction of the overall construct. The disadvantage is an increase in the
  • the radiation collectors may also extend over the edge of the cavity.
  • a particular embodiment of the invention is characterized in that the radiation collectors in the edge area ⁇ have a step or bulge and / or the underlying layers in the edge area over the
  • Silicon support body have an introduced pit.
  • the radiation collectors in the edge region can also be thinned.
  • the radiation collector has a low
  • One possible approach is to use materials that have a columnar structure.
  • the radiation collector can also be a multilayer system of mechanically stable layers, which does not necessarily have to be very absorbent. To increase the mechanical stability of the radiation collector can be constructed of at least two different materials.
  • the radiation collector as a multilayer system contains one or more additional well infra-red to increase its absorption. red-absorbing layers. This multi-layer system should be mechanically stress-compensated to prevent strong bending and thus mechanical contact with the membrane.
  • the radiation collector can also be covered with a thin absorber layer.
  • the radiation collector can be provided with good heat-conducting alloys in order to increase the heat flow towards the hot contacts.
  • the radiation collectors may also have a structured surface with pointed structures to increase the absorber area and free areas therebetween to reduce the time constant.
  • Another possibility is a honeycomb multi-layer structure of the radiation collector with reflective walls and an infrared absorbing layer on the bottom of the honeycomb.
  • Thermal radiation which does not occur vertically and is reflected on the sideways walls down, can thus be additionally collected.
  • the distance between the radiation collector and adjacent topology must meet the circumstances of high temperature stress load insofar as, even with expansion and / or deformation of the radiation collector due to thermal stress contact with the surrounding topology under any circumstances may arise. To increase the stability of the construction, these distances can be clear grow. The greater distance also reduces the
  • the radiation collector with punch (s) can by means of known release processes of silicon micromechanics
  • the radiation collector is not necessarily made of CMOS-compatible materials.
  • a material that is not very absorbent on the central surface of the membrane is also possible, as a result of which part of the infrared radiation is reflected back again. The radiation is then absorbed on the underside or within the radiation collector.
  • the radiation collector can be installed in a pit which has been driven into the CMOS layers by means of suitable micromechanical removal processes.
  • the integrated into the pit radiation collector can then be at least as wide as the underlying central part of the membrane.
  • the IR radiation collector is at most as large as a pixel and the necessary distance to the pit edges should ideally be designed so that the lowest possible, parasitic heat flow from the IR collector takes place to the heat sinks.
  • the radiation collector can lie above the membrane and additionally over the surrounding silicon sink (silicon support body 24).
  • the maximum size of the collector is then determined by the minimum distance to the collectors of adjacent pixels to avoid heat flow between the collectors.
  • Several collectors are next to each other as an array, spanning the pixels and inter-pixel electronics, delimited by narrow slits. These narrow slots are used in the manufacturing process, for example, for the removal of a sacrificial layer and the thermal
  • the thickness of the membrane is determined by the number of interlayer dielectrics used in the CMOS process and the degree of micromechanical thinning. If the membrane is too thick, the heat capacity and time constant increase and the signal becomes smaller. However, a very thin membrane in turn leads to instability of the overall structure and requires a particularly good control of the technology and low stress in the membrane layers.
  • the individual sensor cells (pixels) of the array can be electrically connected to one another via the cold contacts as an array by means of metal conducting paths.
  • Data processing is located largely outside the sensor array around the array chip.
  • Pixels In order to keep the area for electronics between the pixels as small as possible and the radiation collector size large, it is possible that e.g. two or more cells share electronic data processing.
  • thermopile sensor array In the thermopile sensor array according to the invention, the absorbed heat radiation in contrast to the prior art
  • Stamp with the underlying central part of the membrane with to be directed to hot contacts.
  • Fig. La the basic structure of an inventive
  • Fig. Lb the basic structure of an inventive
  • Thermopile sensor arrays with a filter as entrance optics and shutter a cross section of a sensor cell of the sensor array chip with Strahlungskollektor ⁇ construction ; a structure of a sensor cell of the sensor ⁇ array chip with radiation collector assembly, consisting of a stamp and the
  • thermopile sensor cell according to the invention in another geometric form
  • thermopile sensor cell Cells of the infrared sensor with the inventive thermopile sensor cell with different geometries for the radiation collector and its structure on the membrane surface; Fig. 4a ... d: cross sections through inventive thermopile array sensor cells with different Embodiments for the assembly of
  • thermopile array sensor cell show the cross section through a thermopile array sensor cell according to the invention of various embodiments for the absorbing layer on the radiation collector;
  • thermopile sensor array chip 14 is mounted centrically on a carrier substrate (eg bottom plate) 11. Ver ⁇ closed, the arrangement with an optical assembly in the form of a cap 12 which includes an opening for an ingress ⁇ optical system 13, the elements just above the mid-in sensor of the thermopile sensor array chip 14 is arranged.
  • the optical assembly in the form of a cap 12 according to FIG. 1a can be replaced by a filter as entry optics 13 according to FIG. 1b, so that the structure of a flat SMD component arises.
  • thermopile sensor array chip 14 contains a plurality of thermoelectric sensor elements 16, which are arranged, for example, in the form of a row or a field (array) on the chip.
  • the individual sensor elements 16 are built Strahlungskollektorauf- 17 associated with preferably each Sensorele ⁇ ment 16 includes a radiation collector assembly 17th
  • the entry optics 13 can be a plane-parallel filter (FIG. 1b) or a lens optic (FIG. 1a). In the variant illustrated in FIG. 1 a, an imaging lens 13 is shown as entrance optics.
  • thermopile sensor chip 14 with the radiation collectors 1 and the focal length of the entrance optics 13 are selected so that the objects to be imaged are imaged sharply on the sensor elements 16 via the entrance optics 13.
  • a variant with a filter is shown in Fig. Lb, in this case, at least one lens or other imaging optical element has (for example, a mirror optics ⁇ ) outside the housing to be mounted.
  • the support substrate 11 contact elements 28 ⁇ or connectors 28 are usually arranged to transmit the output signals of the thermopile sensor array chip 14 to other modules.
  • the thermopile sensor array chip 14 is connected to the bottom plate 11 via a contact means having a very high thermal conductivity (not shown).
  • Contact means may e.g. one with metal or ceramic
  • the gas or gas mixture 15 should have a thermal conductivity which is lower than that of air or nitrogen in order to prevent convection from the sensitive elements on the sensor array chip 14 or the radiation collector layer of the radiation collectors 1 to the silicon support body 24 (FIG. 2 a) or the housing (FIG. Cap 12), which act as a heat sink, to be kept as low as possible.
  • a gas with a high molar mass eg xenon, krypton or argon
  • a gas with a high molar mass eg xenon, krypton or argon
  • xenon, krypton or argon is preferably used under normal atmospheric pressure for the gas or gas mixture 15, because then the long-term stability of GeHouseab ⁇ seal with less effort is much easier to achieve than in a gas vacuum or a gas mixture at very low pressure.
  • FIG. 2a The construction of the sensor array chip 14 with the IR radiation collector assembly 17 according to the invention is shown in FIG. 2a.
  • Fig. 2a shows a cross section of a sensor cell of
  • the Thermopile Sensorarraychip 14 consists of a frame-shaped silicon support body 24, which consists of a
  • Silicon substrate has been worked out, with a cavity 9, which is spanned by a membrane 3.
  • the membrane 3 is connected via narrow webs 6 with the Siliziumtrag ⁇ body 24.
  • the Strahlungskollektorholz ⁇ construction 17 on the membrane 3 (see Fig. 1), which consists in a particularly preferred construction of a material which is produced in a single process. This will be the
  • radiator collector assembly 17 Reduced manufacturing costs and minimized mechanical stress in the layers.
  • Standard micromechanical techniques are used to fabricate the radiator collector assembly 17. These can be processes known per se, such as sacrificial layer technology, lift-off and other etching processes.
  • This structure also allows the application of additional absorbent, also heat-conducting layers on the radiation collector assembly 17 (see, for example, Fig. 4 b).
  • To the central part of the membrane 3 are the connecting webs 6 with
  • thermocouples which are used to achieve low production costs directly in the CMOS process (silicon wafer processing). These thermocouples work according to the Seebeck effect (thermoelectric effect) and can be used e.g. silicon or germanium or other semiconductor, as well as high Seebeck coefficient metal layers (e.g., Bi, Sb, or other alloys).
  • thermopile structures with the hot contacts on insulated membranes and the cold contacts on or above the silicon heat sink, the silicon support body 24, is known per se and will therefore not be described in detail here.
  • Fig. 2b shows the structure of a round sensor cell of
  • the punch 4 is located on the Mem- bran 3.
  • the radiation collector assembly 17 may also consist of several elements with a plurality of radiation collectors 1 and a plurality of punches 4. This design leads to a better adaptation to the requirement of
  • the punch 4 is made so high that between the radiation collector 1 applied thereon, even under high thermal stress, there can never be any mechanical contact with the underlying central part of the membrane 3 or the silicon support body 24 with the CMOS layer structure 29 (see also FIG. 2c ).
  • Fig. 2c.e show the basic structure of a thermopile sensor cell according to the invention in another geometric form.
  • Fig. 2c of the radiation collector 1 is clamped on a punch 4 on the membrane 3. It spans the central part of the membrane 3 and the cavity 9 and the surrounding silicon support body 24. On the latter, metal tracks and a pixel read-out electronics can be located.
  • Hollow 9 is driven from the bottom as deep as possible in the silicon support body 24 of the sensor chip (eg silicon wafer from the CMOS process), so that the heat conduction through the gas or gas mixture 15 between the membrane 3 and the sensitive layers and acting as a heat sink wall of the cavity so low as possible.
  • the silicon support body 24 of the sensor chip eg silicon wafer from the CMOS process
  • This cavity 9 can, for example, from the front by isotropic or anisotropic etching out of the
  • Silicon can be produced through openings in the membrane. In most cases, etching caustics such as KOH or TMAH (tetra methylammonium hydroxide) with a high etch rate for silicon are used. The dissolution of the silicon in the cavity 9 can also be done by other removal methods (eg laser technology and similar methods). Thus, the cavities 9 oblique walls (they Fig. 2e, or rounded walls - depending on the etching direction and etchant - have.
  • KOH or TMAH tetra methylammonium hydroxide
  • the cavity 9 has vertical or nearly vertical walls throughout the substrate, because then the least heat loss through the medium 15 and thus the highest signal sensitivity is achieved.
  • Fig. 2d shows an oblique view of two adjacent pixels ⁇ structure of an array, wherein two adjacent radiation ⁇ collectors 1 are connected to each other by means of mechanical connecting webs 7. Both radiation collectors 1 have a square or rectangular shape (depending on the desired pixel geometry) and are mounted on two stamps 4 located at a distance next to each other. Between
  • Radiation collectors 1 are thin mechanical connecting webs 7, e.g. to a higher mechanical
  • These connecting webs 7 should preferably have a small cross-section.
  • the materials used should be chosen so that they combine a high mechanical strength with the lowest possible thermal conductivity. It can also exist more of these webs, and these can stabilize the radiation collectors 1 at the corners or on the sides.
  • the membranes 3 can be round, as shown, rectangular, octagonal and square and resemble the shape of the respective radiation collectors 1. If the radiation collector 1 is at least as large as the membrane 3, this leads to a larger proportion of the incident infrared radiation which is absorbed on the radiation collector 1. Also prevents the size of the
  • Radiation collector 1 that the incident radiation can hit the slots 5 and lost, or is reflected from the surface 8 and thus leads to crosstalk in the housing by multiple reflections.
  • the membrane 3 There may be an infrared absorbing layer on the membrane 3.
  • the radiation transmitted through the collector 1 ⁇ radiation which emerges vertically or nearly vertically downwards out of the radiation collector 1 additionally absorbed on this underlying absorber layer.
  • Fig. 2e is another embodiment of the invention of the sensor element with square or vertical
  • Heat sink are separated by narrow slots 5.
  • the rectangular radiation radiation located above the membrane 3 Collector 1 is held by two punches 4 on the membrane 3.
  • the radiation collector 1 is larger than the
  • Membrane 3 and also covers the connecting webs 6 and the slots 5. This avoids that infrared radiation through the slots 5 could be lost.
  • FIG. 3 shows further details in the configuration of the cells of the infrared sensor with the thermopile sensor cell according to the invention with different geometries for the radiation collector 1 and its structure on the membrane 3.
  • Fig. 3a is a section of a cell of the inventive ⁇ themopile Sensorachips 14 with thermally decoupled by slots 5 connecting webs 6 from the silicon support body 24 to the membrane third
  • the radiation collector 1 is fixed on the central part of the membrane 3 by means of a punch (not visible).
  • the membrane 3 is coated with an infrared absorbing layer.
  • the thermocouples on the connecting webs 6 are separated by means of slots 5 of surrounding layers and the membrane 3.
  • the cell structure has a round shape to provide enough space for the edge electronics in the corners of the cell.
  • Fig. 3b the cell is shown with a square basic structure.
  • the radiation collector 1 is fixed by means of two punches 4 on a rectangular membrane 3.
  • Thermocouples on the connecting webs 6 are separated by means of slots 5 of surrounding layers and the central part of the membrane.
  • the cell structure has a rectangular shape. It should be noted that instead of being round or square, the cell geometry may also be hexagonal, octagonal, or any other polygon or ellipse. Under the recessed arranged Membrane 3 is a cavity 9 with vertical walls.
  • Fig. 4 a ... d show cross sections through inventive
  • Thermopile array sensor cells having different execution ⁇ molds for the possible assembly of the radiation collector. 1
  • FIG. 4a shows a cross section of a cell according to the invention with assembly of the radiation collector 1 in a first embodiment.
  • FIG. 4a shows the cell structure with IR radiation collector 1 and plunger 4 in the driven from above pit 18 in the CMOS-layer structure 29.
  • the vertical or nearly vertical walls has Angle driven into the silicon support ⁇ body 24 pit 9, so that the slits 5 and the connecting webs 6 are exposed.
  • Fig. 4a are located on the connecting webs 6 in each case three polysilicon interconnects 31, wherein n- and p-polysilicon interconnects are arranged one above the other for better area utilization and favorable production costs.
  • FIG. 4b illustrates the cross-section of a further cell according to the invention having a multilayer radiation collector 1 with an additional absorber layer 27.
  • Radiation collector 1 is also located here in a driven-in from above pit 18 in the CMOS layer structure 29th
  • FIG. 4b shows the cell structure with the IR radiation collector 1, which additionally has a separate absorber cover layer 27.
  • an absorber layer with very high absorption, but low thermal conductivity or low mechanical stability are connected to the radiation collector 1, which combines good thermal conductivity with high mechanical stability, so that high absorption with high stability and low heat capacity (high Response speed).
  • the additional absorber layer 27 can also be configured as a multilayer.
  • FIG. 4c shows a cross-section of a cell according to the invention with assembly of the radiation collector 1 with a punch 4 over the pit 18 driven in from above.
  • Radiation collector 1 extends here laterally beyond the silicon support body 24th
  • the pit 9 driven in from below likewise has vertical or almost vertical walls, so that the slots 5 and the connecting webs 6 are exposed.
  • the central part of the diaphragm 3 includes the hot contacts 10, which are located ideally directly below ⁇ half of the die 4, but in principle it may also be arranged at other points in the region of the central part of the diaphragm. 3
  • This version in 4c represents a particularly favorable ther- Mixing insulation of the radiation collector 1 to adjacent structures, when the medium 15 is a gas under normal atmosphere and no vacuum for cost reasons.
  • the CMOS layer structure 29 on the silicon support body 24 is partially covered here.
  • FIG. 4d shows a further embodiment of the radiation collector 1 according to the invention, showing a possibility of how the surface of the radiation collector 1 can be further enlarged if it has a surface in the edge region
  • Fig. 4d allows the cheapest in terms of manufacturing costs and fill factor technology.
  • the distance to the underlying layer stack and silicon support body 24 is increased with the CMOS layer structure 29.
  • the edge region of the radiation collector 1 can be guided so far that only a small gap to the neighboring pixel remains.
  • FIGS. 5a, b show the cross section through a thermopile sensor array cell (pixel) according to the invention
  • Fig. 5a shows the cross section of a pixel cell
  • Radiation collector 1 consisting of a layer stack with a cypress-like absorber layer and a thermal conductive layer underneath.
  • Radiation collector 1 On the radiation collector 1 are narrow, pointed structure 20 with a large upper ⁇ surface, which are separated from each other by free
  • Fig. 5b shows the cross section of a cell with honeycomb-like structures 22 on the radiation collector 1.
  • the side walls of the structures 23 are suitably structured so that the unabsorbed portion of the laterally incident
  • Nano compounds are used for the larger surface of the absorber top layer.
  • Figures 6a ... e show the top view of inventive thermopile sensor cells with various embodiments for the radiation collector layer and thinning and
  • Fig. 6a shows a plan view of a thermopile sensor cell according to the invention in a round shape.
  • the central part of the membrane 3 includes the punch 4, on which the
  • Radiation collector 1 is mounted (in Fig. 6a not
  • This radiation collector 1 is so large that it spans the connecting webs 6 (cf., FIG. 4).
  • These connecting webs 6 with thermocouples, which in turn are thermally decoupled by slots 5, are connected to the silicon support body 24 and thereby hold the
  • the pixel-like read-out electronics include, for example, low-pass filters, preamplifiers, but may also contain analog-to-digital converters, sample-and-hold members or switching devices, data memories or multiplexers, and are characterized by being in line or array form
  • arranged single cells each have one electronic signal processing unit per single cell or at least four individual cells in common.
  • the entire edge area is filled around the pixels with pixel-near electronics (the modules 26 describe this only symbo ⁇ cally).
  • the modules 26 describe this only symbo ⁇ cally.
  • the outer area of the sensor chip ie outside of the so-called "focal plane" with the individual thermocouple cells ⁇ further electronics for controlling the array and the signal readout is integrated, which can, for example, in addition
  • Amplifiers and drivers e.g. Multiplexer, AD converter, EEPROM, RAM memory and microprocessors as well as the
  • Fig. 6b is a plan view of an inventive
  • Thermopile sensor cell in rectangular shape and a round punch 4.
  • the central part of the diaphragm 3 includes the punch 4, on which the radiation collector 1 is mounted (not shown in Fig. 6b).
  • This radiation collector 1 is so large that it spans the connecting webs 6 and the slots 5 (see, for example, Fig. 4).
  • These connecting webs 6 with thermocouples are arranged in an L-shape around the central part of the membrane 3 around, thereby the sensitivity of the sensor cell can be increased.
  • Overlying cold contacts 25 at the junctions between the connecting webs 6 and the silicon support body 24 is the
  • thermopile sensor cell shows a plan view of a thermopile sensor cell according to the invention in rectangular form and one
  • Stamp 4 with star-shaped cross-section The central part of the Membrane 3 includes the plunger 4 on which the radiation collector mounted ⁇ 1 (not shown in Fig. 6c). This radiation collector 1 is so large that it protrudes until shortly before the cold contacts 25 which are located on the silicon support body 24.
  • the connecting webs 6 with thermocouples are only on two of the four sides of
  • Fig. 6d shows a plan view of an inventive
  • Thermopile sensor cell in rectangular shape and a round punch 4.
  • the central part of the diaphragm 3 is as large as the punch 4 itself, on which the radiation collector 1 is mounted (not shown in Fig. 6d). This radiation collector 1 is so large that it is close to the cold
  • the connecting webs 6 with thermo ⁇ elements are cross-shaped attached to the sides of the central part of the membrane 3 in order to generate a stress relaxation and to keep the radiation collector 1 stable above the membrane 3 can. Between the connecting webs 6 and the silicon support body 24 is the slot area. 5
  • thermocouples It is also possible to spread the connecting webs 6 in such a way and to pack them full of thermocouples that only a thin slot 5 remains for gas exchange.
  • thermopile sensor cell in a rectangular shape and a thermopile sensor cell
  • Stamp 4 with cross-shaped cross-section The central part of the membrane 3 is as large as the punch 4 itself, on which the radiation collector 1 is mounted (not shown in Fig. 6e).
  • the connecting webs 6 with thermocouples are arranged meandering around the central part of the membrane 3 to a large number of thermocouples with great length
  • the slot area 5 is located between the connecting webs 6 and the silicon support body 24.
  • the cold contacts 25 are located at the ends of the connecting webs 6 on the silicon support body 24, whereas the hot contacts are arranged on the membrane 3 near the punch 4.

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Abstract

Thermopile Infrarot-Sensorstruktur mit hohem Füllgrad in einem mit einem Medium (15) gefüllten Gehäuse, bestehend aus einem Trägersubstrat (11), das elektrische Verbindungen (28, 28') nach außen aufweist und das mit einer Optikbaugruppe (13) verschlossen ist und wobei auf dem Trägersubstrat (11) im Gehäuse ein Sensorchip (14) aufgebracht ist, das mehrere thermoelektrische Sensorelementstrukturen (16) trägt, deren sogenannten "heiße Kontakte" (10) sich auf individuellen Membranen (3) befinden, die über je einer Aushöhlung (9) in einem gut wärmeleitenden Siliziumtragkörper (24) aufgespannt sind, wobei sich die "kalten Kontakte" (25) auf oder in der Nähe des Siliziumtragkörpers (24) befinden. Aufgabe der Erfindung ist es, einen Thermopile-Infrarot-Array-Sensor (Sensorzelle) anzugeben, der bei kleiner Chipgröße ein hohes thermisches Auflösungsvermögen und einen besonders hohen Füllgrad aufweist. Dieser Sensor soll bevorzugt unter Gas mit Normaldruck oder reduziertem Druck betrieben werden und soll ohne aufwendige Technologien zum Gehäuseverschluss unter Höchst-Vakuum kostengünstig in Massenstückzahlen herstellbar sein. Erreicht wird das dadurch, dass sich über jeder individuellen Membran (3) der Sensorelementstrukturen (16), die eine Aushöhlung (9) überspannt, ein Strahlungskollektoraufbau (17) befindet.

Description

Thermopile Infrarot-Sensorstruktur mit hohem Füllgrad
Die Erfindung betrifft eine Thermopile Infrarot-Sensor¬ struktur mit hohem Füllgrad in einem mit einem Medium gefüllten Gehäuse, bestehend aus einer Bodenplatte, die elektrische Verbindungen nach außen aufweist und die mit einer Optikbaugruppe verschlossen ist und wobei auf der Bodenplatte im Gehäuse ein Sensorchip aufgebracht ist, das mehrere thermoelektrische Sensorelementstrukturen trägt, deren sogenannten „heiße Kontakte" sich auf individuellen Membranen befinden, die über je einer Aushöhlung in einem gut wärmeleitenden Siliziumtragkörper aufgespannt sind, wobei sich die „kalten Kontakte" auf oder in der Nähe des Siliziumtragkörpers befinden.
Bekannt sind Infrarot-Thermopile-Sensorarrays , die in Silizium-Mikromechanik-Technologie in verschiedenen
Spielarten hergestellt werden können. Dabei befindet sich üblicherweise in der Mitte einer jeden Sensorzelle eine dünne Membran mit darauf angeordneten Thermoelementen in Dünnschichttechnik. Diese Membran befindet sich über einer Aushöhlung im darunterliegenden Siliziumsubstrat.
Die Thermoelemente besitzen sogenannte „heiße" und „kalte1* Kontakte, wobei sich die „heißen" Kontakte auf dem
Zentralteil der Membran, dem Absorberbereich, befinden, während die „kalten" Kontakte auf dem Rand des Silizium¬ substrates (Pixel) positioniert sind. Der Zentralteil der Membran, der den Absorber enthält und der Rand des
Siliziumsubstrates, der als Wärmesenke dient, sind über dünne Stege (Beams) miteinander verbunden. Der größte Teil der Absorption von Infrarotstrahlung findet im Zentralbereich der Membran statt. Dieser ist (insbesondere bei High Density Arrays) deutlich kleiner als die Größe des Pixels.
Das hat zwei wesentliche Nachteile, denn ein Teil der
Infrarotstrahlung ( IR-Strahlung) zum Pixel wird nicht genutzt, wodurch das erzielbare Auflösungsvermögen
verringert wird.
Zum Anderen bringen kleine hot spots (zu detektierende bzw. zu messende Objekte oder Personen), deren Abbild durch die Optik auf den Randbereich des Pixels außerhalb des Zentral- bereiches fällt, keinen ausreichenden Signalbeitrag und werden „übersehen" .
Im Folgenden wird eine solche Lösung für ein Thermopile Array aus dem Stand der Technik unter Bezugnahme auf die EP 2 348 294 bzw. die US 2003/0054179 AI beschrieben. Es handelt sich um einen thermischen IR-Sensor in einem Gehäuse mit einer Strahlungseintrittsoptik, sowie einem Chip mit Thermoelementen auf einer zentralen dünnen Membran, die über einem gut Wärme leitenden rahmenförmigen Tragkörper aufge- spannt ist. Von Nachteil ist hier, dass der absorbierende Zentralbereich deutlich kleiner ist als die Gesamtfläche eines Pixels. Auf der Membran befindet sich eine Mehrfach¬ lagen-Strahlungsdetektorschicht, welche sich mit herkömm¬ lichen Prozessen der Schaltkreisherstellung aufbauen lässt. Ein wesentlicher Nachteil besteht hier darin, dass aufgrund der Multi-Layer-Struktur eines Halbleiterschaltkreis-Stapels nur 70% Absorption möglich sind.
Das Trägersubstrat ist unter der Sensorstruktur ausgehöhlt, was über ein nasschemisches Ätzverfahren (Oberflächen-
Mikromechanik) erreicht wird, wobei schräge Wände erzeugt werden .
Wird der thermische Sensor nicht unter Hochvakuum betrieben, so reduziert die Wärmeleitung des Restgases bzw. des Füll- gases im Sensorgehäuse die erzielbare Temperaturdifferenz zwischen den „warmen Kontakten" auf dem Absorberbereich und den „kalten Kontakten" auf der Wärmesenke (Trägersubstrat) .
Wenn die absorbierte IR-Strahlung eine geringere Temperatur- differenz erzeugt, verringert sich auch die erzielbare
Empfindlichkeit der Sensorzelle.
In Kanno, T. et al . (NEC Corp.) : „Uncooled focal plane array having 128x128 thermopile detector elements" in B. Andersen (Ed.), Infrared Technology, Proc. SPIE 2269, Vol. XX, San Diego, July 1994, S. 450-459 wird ein monolithisches
Thermopile Sensorarray angegeben, in dem die Sensorelemente in einer Oberflächen-Mikromechanik-Technologie mit Opfer¬ schicht hergestellt werden.
Wiederum ist der Zentralteil mit der Absorberschicht
deutlich kleiner als die Größe des Pixels. Der Abstand zwischen Sensorstruktur und Wärmesenke ist deutlich geringer als die Substratdicke selbst. Die Lösung erlaubt ein relativ gutes Auflösungsvermögen nur für den Fall, dass der
Sensorchip im hochvakuumdichten Gehäuse verkappt ist. Bei kostengünstigen Gehäuseaufbauten unter geringem
Restgasdruck, oder mit einem Füllgas, lassen sich keine ausreichend hohen Empfindlichkeiten erreichen.
In der DE 693 29 708 T2 bzw. EP 0 599 364 Bl geht es um ein Herstellungsverfahren für Infrarot-Strahlungssensoren, bei dem die Empfindlichkeit dadurch verbessert wird, dass ein Vakuumgehäuse oder ein Gehäuse gefüllt mit einem thermisch nur geringfügig leitendem Gas verwendet wird. Der Strahlungssensor besitzt nassgeätzte, schräge Ätzgrubenwände. Zwischen Basisplatte und Substrat befindet sich ein Entlüftungsspalt, der vorzugsweise zum Druckausgleich zwischen dem Bereich oberhalb und unterhalb der Membran dient. Der Absorberbereich ist hier ebenfalls deutlich kleiner als die Abmessung eines Pixels.
In HORIBA product Information: „8x8 element thermopile
Imager"; in Tech Jam International, 26. Sept. 2002 wird ein monolithisches Thermopile- Sensorarray angegeben, das in Bulk-Si-Mikromechanik-Technologie hergestellt wird. Die 64 Elemente befinden sich auf einem 8x8 mm großen Chip, wobei jedes Element durch Silizium- Wände in Nassätztechnik thermisch separiert wird. Die technologisch bedingte Größe des Chips führt zu relativ hohen Herstellungskosten und steht wiederum kostengünstigen Massenanwendungen entgegen.
Bei den beiden vorgenannten Lösungen ist der Füllfaktor besonders schlecht.
Neben diesen Thermopile-Lösungen gibt es weitere Lösungen zu Low-cost-Infrarot-Arrays .
In „A surface micromachined thermopile detector array withan interference-based absorber", J. Micromech. Microeng. 21
(2011) 8pp wird von einem Thermopile Detektor Array in Ober- flächensiliziummikromechanik geschrieben. In dieser Veröffentlichung geht es neben der Herstellung eines Thermo- piles vor allem um einen CMOS-kompatiblen Interferenz- basierten Absorber, der aus vier übereinanderliegenden
Schichten (SiC/Ti/SiC/Al) besteht. Dieser Schichtstapel absorbiert vordergründig Wellenlängen im Bereich von 1-5 ym. Diese Wellenlängen sind für Anwendungen der Personen- oder Obj ektdetektion allerdings wenig nützlich. Weiterhin wird von Problemen beim Herstellungsprozess geschrieben. Unter anderem kommt es beim Entfernen der Siliziumnitridschicht zu Residuen, welche einen nicht-transparenten Film bilden und im schlimmsten Fall zur Zerstörung der Struktur führen können . In Skidmore et al . : „Pixel Structure having an umbrella type absorber with one or more recesses or Channels sized to increase radiation absorption" US 2009/0140147 AI wird von einer Pixelstruktur mit einem sogenannten umbrella-Typ
Absorber (schirmförmiger Absorber) geschrieben. Es wird eine Pixelstruktur beschrieben, welche aus einem Bolometer und einem Substrat besteht. Das Bolometer beinhaltet einen
Transducer, welcher mehrere Löcher oder Kanäle besitzt, welche den Widerstand und die Absorption erhöhen sollen. Die Aussparungen oder Kanäle bewirken weiterhin, dass die Teile der Infrarotstrahlung in den Absorber gelenkt werden, die sonst reflektiert werden würden. Diese Aussparung verringert auch die thermische Masse des Bolometers. Dadurch werden allerdings mehr Prozessschritte benötigt und der
Herstellungsprozess wird teurer.
Der schirmförmige Absorber befindet sich über einem
Bolometer. Aufgrund des Aufbaus dieses Bolometers ist allerdings ein Vakuumpackaging nötig, Bolometer benötigen außerdem i.a. eine Temperaturstabilisierung oder einen
Shutter bzw. andere aufwendige Korrekturverfahren, um das starke Driften des empfindlichen Materials zu kompensieren.
Das Vakuum-Packaging ist vor allem für zuverlässige Anwendungen aufwendig und teuer. Der Transducer kann aus Vanadium Oxid (VOx) , Titanium Oxid (TiOx) , amorphem Silizium oder anderen Materialien bestehen, die ein gutes Temperatur- Widerstandsverhalten aufweisen.
All diese beschriebenen Strukturen gestatten nicht den
Aufbau von kostengünstigen Thermopilearrays mit hohem
Füllgrad, die ohne Vakuum auskommen. Bei sämtlichen beschriebenen Thermopile-Infrarot-Array- Sensorzellen ist die Absorberfläche klein im Vergleich zur Pixelfläche. Das begrenzt den maximal erzielbaren Signal- anteil pro Pixel und erhöht die Gefahr von Fehlmessungen.
Die Signalspannung eines Thermopile Pixels kann unter anderem dadurch erhöht werden, dass mehrere in Reihe
geschaltete Thermopaare auf dem Pixel strukturiert werden. Um niedrige Fertigungskosten zu nutzen, muss ein Standard- CMOS-Prozess genutzt werden, bei dem die Thermoelemente nebeneinander liegen. Erhöht man nun die Zahl der Thermoelemente auf dem Beam, so verbreitert sich zwangsläufig der Beam - und gleichzeitig wird der Zentralbereich mit der Absorberfläche aber noch kleiner, was wiederum die Menge der absorbierten Infrarotstrahlungsenergie pro Pixel reduziert und damit den Füllgrad noch weiter verschlechtert.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Thermopile-Infrarot- Array-Sensor (Sensorzelle) anzugeben, der bei kleiner
Chipgröße ein hohes thermisches Auflösungsvermögen und einen besonders hohen Füllgrad aufweist. Dieser Sensor soll bevorzugt unter Gas mit Normaldruck oder reduziertem Druck betrieben werden und soll ohne aufwendige Technologien zum Gehäuseverschluss unter Höchst-Vakuum kostengünstig in
Massenstückzahlen herstellbar sein.
Die Erfindung betrifft einen Infrarot- (Silizium) Chip, der in Siliziummikromechanik hergestellt wird und über einen kollektorähnlichen IR-Absorber (später Strahlungskollektor genannt) , welcher sich in zweiter Ebene über einer Membran befindet, verfügt. Dadurch wird ein besonders hoher Füllgrad erreicht . Dieser Infrarotchip ist ein Thermopilesensor, aber auch andere Infrarot-Sensortypen, wie Pyrosensoren, sind möglich. Der Zentralteil der Membran, auf dem die heißen Kontakte angeordnet sind, wird durch Verbindungsstege mit der
Siliziumwand verbunden.
Die Seiten der Verbindungsstege sind durch Schlitze von dem Zentralteil der Membran und dem Siliziumtragkörper getrennt. Dadurch erhöht sich der Wärmewiderstand zwischen dem
Zentralteil der Membran, den Verbindungsstegen und dem
Siliziumtragkörper. Auf diesen Verbindungsstegen befinden sich Thermoelemente, welche die heißen und die kalten
Kontakte miteinander verbinden.
Erfindungsgemäß ist ein Strahlungskollektoraufbau auf mindestens einem Wärmeleitfuß oder Stempel über jeder individuellen Membran aufgebaut, welcher den Strahlungskollektor mechanisch hält. Die Membran überspannt eine
Aushöhlung im Siliziumtragkörper. Auch mehrere Stempel und mehrere Strahlungskollektoren in unterschiedlichen Formen und Aufbauarten sind möglich. Der oder die Stempel
existieren, um den Strahlungskollektor zu tragen und um einen Wärmeübergang vom Strahlungskollektor zur darunterliegenden Membran mit heißen Kontakten zu gewährleisten. Die Aushöhlungen sind von der Vorderseite oder von der
Rückseite des Siliziumtragkörpers hineingetrieben, wobei letzter vorzugsweise mit senkrechten, oder nahezu
senkrechten Seitenwänden versehen sind. Prinzipiell sind auch Anordnungen mit schrägen Substratwänden möglich, allerdings nimmt man dann Verschlechterungen der erzielbaren Empfindlichkeit in Kauf.
Weiterhin besitzen die Membranen oder die Aushöhlungen eine quadratische, rechteckige, vieleckige oder runde Form.
In Fortführung der Erfindung besteht der Strahlungskollektoraufbau aus einem oder mehreren Strahlungs- kollektoren und einem oder mehreren diesen tragenden
Stempeln, die die Strahlungskollektorfläche thermisch mit dem darunter liegenden Zentralteil der Membran und den „heißen Kontakten" verbinden. Bevorzugt bestehen der oder die Strahlungskollektoren und der oder die Stempel aus dem gleichen Material und sind im gleichen Prozess hergestellt, wodurch die Herstellungskosten sehr gering sind.
In einer weiteren besonderen Ausgestaltung der Erfindung sind zwischen benachbarten Strahlungskollektoren bzw. den Strahlungskollektoraufbauten ein oder mehrere dünne
Verbindungsstege angeordnet, welche die mechanische
Stabilität der Strahlungskollektoren oder des Strahlungskollektoraufbaus erhöhen. Es ist allerdings darauf zu achten, dass durch die Verbindungsstege kein nennenswerter Temperaturausgleich zwischen benachbarten Strahlungskollektoren stattfindet, was ein thermisches Übersprechen und somit eine Verfälschung der Strahlungsdetektion zur Folge hätte.
Die Form der Stempel variiert dabei mit der Art des
Kollektors. Der Stempel kann die Form eines Zylinders haben, aufgrund einer verwendeten Opferschichttechnologie. Auch andere geometrische, quaderähnliche und runde Formen bzw. rohrförmige Querschnitte sind möglich. Eine mögliche
Aufbauart ist kreisförmig, wobei sich die Stempel auf einer Kreisbahn unter dem Strahlungskollektor befinden und ihn stützen. Es ist auch möglich, dass die Stempel in einer elliptischen, rechteckigen, Parallelogramm- oder trapez- förmigen geometrischen Form unter dem Strahlungskollektor sitzen .
Die Breite der Stempel muss einen sicheren Halt für
mechanische Stabilität garantieren. Aufgrund der mechani- sehen Fragilität des dreidimensionalen Gesamtgebildes und des möglichst geringen Wärmeflusses über das umgebende Gebiet zu erreichen, muss ein ausreichend großer Abstand des Strahlungskollektors zur umliegenden Topologie gewährleistet sein, um jegliche Gefahr einer Berührung zu vermeiden.
Dieser Abstand zwischen Kollektorfläche und darunter
liegender Membran kann auch variiert werden, wenn das Medium (Gas) einen sehr niedrigen Druck aufweist (Vakuum) ,
allerdings erhöht das stark die Kosten des Gehäusever¬ schlusses . Es können auch mehrere Stempel und Strahlungskollektoren in einer geometrischen Form und Aufbauart existieren, um einerseits die mechanische Stabilität und andererseits auch den Wärmefluss vom Strahlungskollektor zu den heißen
Kontakten hin zu erhöhen.
Die Anzahl der Stempel und Strahlungskollektoren kann variiert werden, um eine größtmögliche mechanische
Stabilität und den maximalen Wärmefluss zu den heißen
Kontakten gewährleisten zu können.
Die Dicke des Stempels kann unterschiedlich stark ausge¬ bildet sein, z.B. auch, um einen ausreichenden Abstand von benachbarter Topologie zu gewährleisten, damit kein Wärmeaustausch durch Kontakt oder über ein Gas stattfinden kann.
Die Membranen sind jeweils über schmale und dünne Stege mit dem Siliziumtragkörper verbunden, wobei die Thermoelemente mit den Funktionsschichten über die Stege geführt sind und verbinden die „heißen Kontakte" auf dem Zentralbereich der Membran mit „kalten Kontakten" auf dem Siliziumtragkörpers.
Der somit an mindestens einem Beam (Steg) hängende Zentral¬ teil der Membran wird z.B. durch Ätzen hergestellt. Dazu wird durch Ätzen von der Rückseite des Siliziumtragkörpers eine Grube (Aushöhlung) eingetrieben, um die Membran auf der Vorderseite freizulegen. Hierbei können sowohl Nass- als auch Plasmaätzprozesse Anwendung finden. Der Plasmaätz- prozess ermöglicht aufgrund der erreichbaren senkrechten oder fast senkrechten Wände eine deutlich höhere Inte¬ grationsdichte als Nassätzprozesse, die schräge Wände zur Folge haben.
Auf den Verbindungsstegen befinden sich bevorzugt zwei oder mehr übereinanderliegende Polysiliziumschichten, welche beim CMOS-Prozess entstehen. Diese Polysiliziumschichten wurden im CMOS-Prozess strukturiert zur Herstellung von Thermo¬ elementen. Auf jedem der Verbindungsstege befinden sich weniger als 20, bevorzugt weniger als 10 Thermoelemente, um die Wärmeleitung der Beams zu reduzieren und ein möglichst hohes Signal zu erzeugen. Die Anzahl der Thermoelemente ist nach oben begrenzt durch die minimale Größe des Zentralteils der Membran. Dieser muss mindestens so groß sein, um die heißen Kontakte und die Stempel zur Befestigung des
Strahlungskollektors unterzubringen . Eine der beiden Schichten ist n-leitend und die andere p-leitend. Die Verbindungsstege sind um den Zentralteil der Membran herum angeordnet, wobei die Stege mittels Schlitzen thermisch entkoppelt sind. Eine mögliche Form der Beams ist mäanderartig, dadurch wird das Signal deutlich erhöht. Ein weiterer Vorteil dieser Version ist die Stressminderung des Gesamtkonstruktes . Nachteilig ist eine Erhöhung des
elektrischen Widerstandes durch viele und lange Doppelpolys, welcher das thermische Rauschen (Johnson noise) erhöht. Dem entgegen steht allerdings ein Gas niedriger Wärmeleitfähig- keit, welches eine geringere Wärmeleitfähigkeit als Stick¬ stoff/Luft besitzt. Durch ein Gas geringerer Wärmeleitfähigkeit wird die Wärmeleitung vom Absorberbereich über die mäanderförmigen Schlitze oder vom Strahlungskollektor hin zur Wärmesenke Silizium zunehmend minimiert.
In einer Fortführung der Erfindung weisen die Strahlungs- kollektoren etwa die Größe der darunter liegenden Aushöhlung im Siliziumtragkörper auf.
Die Strahlungskollektoren können sich auch über den Rand der Aushöhlung erstrecken.
Eine besondere Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungskollektoren im Rand¬ bereich eine Stufe oder Aufwölbung besitzen oder/und die darunter liegenden Schichten im Randbereich über dem
Siliziumtragkörper eine eingebrachte Grube aufweisen.
Alternativ können die Strahlungskollektoren im Randbereich auch abgedünnt sein.
Der Strahlungskollektor zeichnet sich durch eine hohe
Wärmeleitfähigkeit und eine geringe Wärmekapazität aus.
Weiterhin muss der Strahlungskollektor eine geringe
Reflektivität in Richtung der einfallenden Strahlung
besitzen. Dadurch wird verhindert, dass die einfallende IR- Strahlung an der Oberfläche des Kollektors reflektiert wird und somit nicht in den Sensor eindringen kann. Ein möglicher Ansatz besteht in der Verwendung von Materialien, die eine kolumnare Struktur besitzen.
Diese absorbierte Wärme wird dann über den Kollektor und den Stempel zu den heißen Kontakten auf der Membran transportiert . Der Strahlungskollektor kann auch ein Mehrfachschichtsystem aus mechanisch stabilen Schichten sein, die nicht zwingend gut absorbierend sein müssen. Zur Erhöhung der mechanischen Stabilität kann der Strahlungskollektor aus mindestens zwei verschiedenen Materialien aufgebaut sein. Der Strahlungs- kollektor als Mehrfachschichtsystem enthält zur Erhöhung seiner Absorption eine oder mehrere zusätzliche gut infra- rot-absorbierende Schichten. Dieses Mehrfachschichtsystem sollte mechanisch stresskompensiert sein, um eine starke Verbiegung und somit einen mechanischen Kontakt zur Membran zu verhindern.
Zur Absorption von transmittierter und von unten zurück reflektierter Infrarotstrahlung kann der Strahlungskollektor auf der Unterseite eine gut absorbierende Schicht bein¬ halten .
Der Strahlungskollektor kann auch mit einer dünnen Absorberschicht bedeckt sein.
Weiterhin kann der Strahlungskollektor mit gut wärmeleiten- den Legierungen versehen sein, um den Wärmefluss zu den heißen Kontakten hin zu erhöhen.
Die Strahlungskollektoren können auch eine strukturierte Oberfläche mit spitzen Gebilden zur Erhöhung der Absorber- fläche und freie Bereiche dazwischen zur Verringerung der Zeitkonstante aufweisen.
Eine weitere Möglichkeit ist ein wabenförmiger Mehrschicht- Aufbau des Strahlungskollektors mit reflektierenden Wänden und einer Infrarot absorbierenden Schicht auf dem Boden der Waben. Wärmestrahlung, welche nicht senkrecht einfällt und an den seitlich stehenden Wänden nach unten reflektiert wird, kann somit zusätzlich aufgefangen werden. Der Abstand zwischen dem Strahlungskollektor und benachbarter Topologie muss den Umständen hoher Temperatur- Stressbelastung insoweit genügen, als dass selbst bei einer Ausdehnung und/oder Deformation des Strahlungskollektors infolge thermischer Belastung unter keinen Umständen Kontakt zur umliegenden Topologie entstehen darf. Um die Stabilität der Konstruktion zu erhöhen, können diese Abstände deutlich größer werden. Der größere Abstand verringert auch den
Gasaustausch zwischen dem äußeren Rand des Strahlungskollektors und dem Si-Randbereich . Der Strahlungskollektor mit Stempel (n) kann mittels an sich bekannter Release-Prozesse der Siliziummikromechanik
freigelegt werden. Der Strahlungskollektor besteht nicht zwingend aus CMOS-kompatiblen Materialien. Auf der darunterliegenden Membran kann sich ein Infrarotstrahlung absor- bierendes Material befinden, welches Wärmestrahlung, im Falle des Transmittierens durch den Strahlungskollektor, absorbiert. Auch ein nicht sehr gut absorbierendes Material auf der Zentralfläche der Membran ist möglich, wodurch ein Teil der Infrarotstrahlung wieder zurück zu reflektiert wird. Die Strahlung wird dann auf der Unterseite oder innerhalb des Strahlungskollektors absorbiert.
Der Strahlungskollektor kann in eine Grube, welche mittels geeigneten mikromechanischen Abtragprozessen in die CMOS- Schichten eingetrieben wurde, eingebaut werden.
Der in die Grube integrierte Strahlungskollektor kann dann mindestens so breit wie der darunterliegende Zentralteil der Membran sein. Idealerweise ist der IR-Strahlungskollektor maximal so groß wie ein Pixel und der nötige Abstand zu den Grubenkanten soll idealerweise so gestaltet sein, dass ein möglichst geringer, parasitärer Wärmefluss vom IR-Kollektor zu den Wärmesenken stattfindet. Der Strahlungskollektor kann über der Membran und zusätzlich über der umliegenden Siliziumsenke (Siliziumtragkörper 24) liegen. Die maximale Größe des Kollektors wird dann bestimmt durch den minimalen Abstand zu den Kollektoren benachbarter Pixel, um einen Wärmefluss zwischen den Kollektoren zu vermeiden. Mehrere Kollektoren befinden sich dabei als Array nebeneinander, die Pixel und Zwischen-Pixel-Elektronik überspannend, abgegrenzt durch schmale Schlitze. Diese schmalen Schlitze dienen beim Herstellungsprozess beispielsweise auch zur Entfernung einer Opferschicht und zur thermischen
Trennung der Strahlungskollektoren voneinander.
Die Dicke der Membran wird bestimmt durch die Anzahl der verwendeten Interlayer-Dielektrika des CMOS-Prozesses und dem Grad der mikromechanischen Abdünnung. Ist die Membran zu dick, erhöhen sich die Wärmekapazität und Zeitkonstante und das Signal wird kleiner. Eine sehr dünne Membran führt aber wiederum zur Instabilität des Gesamtgebildes und erfordert eine besonders gute Beherrschung der Technologie und einen geringen Stress in den Membranschichten.
In einer Ausführungsform für geringe Elementzahlen können die einzelnen Sensorzellen (Pixel) des Arrays über die kalten Kontakte als Array mittels Metallleitbahnen elek- trisch miteinander verbunden werden. Die elektronische
Datenverarbeitung befindet sich weitgehend außerhalb des Sensorarrayfeldes um den Arraychip herum.
In einer besonders bevorzugten Form befindet sich ein großer Teil der elektronischen Datenverarbeitung zwischen den
Pixeln. Um die Fläche für Elektronik zwischen den Pixeln möglichst klein und die Strahlungskollektorgröße groß halten zu können, ist es möglich, dass sich z.B. zwei oder mehr Zellen eine elektronische Datenverarbeitung teilen.
Bei dem erfindungsgemäßen Thermopile-Sensorarray wird die absorbierte Wärmestrahlung im Gegensatz zum Stand der
Technik nicht vordergründig nach unten gelenkt, sondern die Absorption soll bevorzugt im Strahlungskollektor entstehen. Die aufgenommene Wärme kann über einen Wärmeleitfuß oder
Stempel zum darunter liegenden Zentralteil der Membran mit heißen Kontakten geleitet werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungs¬ beispielen näher beschrieben. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:
Fig. la: den Grundaufbau eines erfindungsgemäßen
Thermopile Sensorarrays in einem mit einer Kappe verschlossenen Gehäuse;
Fig. lb: den Grundaufbau eines erfindungsgemäßen
Thermopile Sensorarrays mit einem Filter als Eintrittsoptik und Verschluss; einen Querschnitt einer Sensorzelle des Sensorarray-Chips mit Strahlungskollektor¬ aufbau; einen Aufbau einer Sensorzelle des Sensor¬ array-Chips mit Strahlungskollektoraufbau, bestehend aus einem Stempel und dem
Strahlungskollektor ;
Fig. 2c..e : zeigen den Grundaufbau einer erfindungs- gemäßen Thermopile Sensorzelle in anderer geometrischer Form;
Fig. 3a...b: weitere Details in der Ausgestaltung der
Zellen des Infrarotsensors mit der erfin- dungsgemäßen Thermopile-Sensorzelle mit verschiedenen Geometrien für den Strahlungskollektor und dessen Aufbau auf der Membranfläche ; Fig. 4a...d: Querschnitte durch erfindungsgemäße Thermo- pile-Array-Sensorzellen mit verschiedenen Ausführungsformen für die Montage des
Strahlungskollektors. In diesen Bildern wird die Aufbautechnik von Strahlungskollektor über Stempeln auf der Membran deutlich;
Fig. 5a, b: zeigen den Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Thermopile-Array-Sensorzelle verschiedenen Ausführungsformen für die absorbierende Schicht auf dem Strahlungs- kollektor; und
Fig. 6a...e: die Draufsichten auf erfindungsgemäße
Thermopile- Sensorzellen mit verschiedenen Ausführungsformen für die Membran und
Abdünn- und Schlitzvarianten.
Den prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen Infrarot- Sensorarrays zeigt Fig. la. Das Thermopile-Sensorarraychip 14 ist auf einem Trägersubstrat (z.B. Bodenplatte) 11 zentrisch aufgebracht. Ver¬ schlossen wird die Anordnung mit einer Optikbaugruppe in Form einer Kappe 12, die eine Öffnung für eine Eintritts¬ optik 13 enthält, die genau über der Mitte der Sensorele- mente des Thermopile-Sensorarraychips 14 angeordnet ist. Optional kann die Optikbaugruppe in Form einer Kappe 12 gemäß Fig. la durch einen Filter als Eintrittsoptik 13 gemäß Fig. lb ersetzt werden, so dass die Struktur eines flachen SMD-Bauelementes entsteht.
Der Thermopile-Sensorarraychip 14 enthält mehrere thermo- elektrische Sensorelemente 16, die z.B. in Form einer Zeile oder eines Feldes (Array) auf dem Chip angeordnet sind. Den einzelnen Sensorelementen 16 sind Strahlungskollektorauf- bauten 17 zugeordnet, wobei vorzugsweise jedes Sensorele¬ ment 16 einen Strahlungskollektoraufbau 17 enthält. Die Eintrittsoptik 13 kann einerseits ein planparalleles Filter (Fig. lb) oder eine Linsenoptik (Fig. la) sein. Bei der in Fig. la dargestellten Variante ist als Eintrittsoptik eine abbildende Linse 13 dargestellt. Die Abmessungen von Kappe 12, Thermopile-Sensorarraychip 14 mit den Strahlungskollektoren 1 sowie die Brennweite der Eintrittsoptik 13 sind so gewählt, dass die abzubildenden Objekte über die Eintrittsoptik 13 scharf auf den Sensorelementen 16 abge- bildet werden. Eine Variante mit Filter ist in Fig. lb dargestellt, in diesem Fall muss mindestens eine Linse oder ein anderes abbildendes Optikelement (z.B. eine Spiegel¬ optik) außerhalb des Gehäuses montiert werden. Am Trägersubstrat 11 sind üblicherweise Kontaktelemente 28 λ oder Steckverbinder 28 angeordnet, um die Ausgangssignale des Thermopile-Sensorarraychips 14 zu anderen Baugruppen weiterzuleiten. Das Thermopile-Sensorarraychip 14 ist über ein Kontaktmittel mit sehr hoher Wärmeleitfähigkeit (nicht dargestellt) mit der Bodenplatte 11 verbunden. Dieses
Kontaktmittel kann z.B. ein mit Metall- oder Keramik
gefüllter Kleber, eine metallgefüllte Einglasung, oder ein Lot sein. Unter der Kappe 12 ist ein Medium in Form eines Gases oder Gasgemisches 15 eingeschlossen, wobei die Kappe 12 mit der Bodenplatte 11 so dicht verschlossen sein muss, dass kein Gasaustausch mit der Umgebung außerhalb der Kappe 12
erfolgen kann.
Das Gas oder Gasgemisch 15 soll eine Wärmeleitfähigkeit aufweisen, die geringer als die von Luft oder Stickstoff ist, um die Konvektion von den sensitiven Elementen auf dem Sensorarraychip 14 bzw. der Strahlungskollektorschicht der Strahlungskollektoren 1 zum Siliziumtragkörper 24 (Fig. 2a) oder dem Gehäuse (Kappe 12), die als Wärmesenke fungieren, so gering wie möglich zu halten.
Um diese geringe Wärmeleitung des im Gehäuse eingeschlos¬ senen Gases oder Gasgemisches 15 zu erreichen, wird ein gegenüber normalem Luftdruck stark reduzierter Innendruck erzeugt (z.B. ein Gas-Vakuum).
Aus Kostengründen wird für das Gas oder Gasgemisch 15 vorzugsweise ein Gas mit hoher molarer Masse (z.B. Xenon, Krypton oder Argon) unter atmosphärischem Normaldruck verwendet, weil dann die Langzeitstabilität der Gehäuseab¬ dichtung mit geringerem Aufwand deutlich einfacher zu erreichen ist, als bei einem Gasvakuum oder einem Gasgemisch bei sehr niedrigem Druck.
Den Aufbau des Sensorarraychips 14 mit dem erfindungsgemäßen IR-Strahlungskollektoraufbau 17 zeigen Fig. 2a...e.
Fig. 2a zeigt einen Querschnitt einer Sensorzelle des
Thermopile-Sensorarraychips 14 mit Strahlungskollektoraufbau 17. Der Thermopile-Sensorarraychip 14 besteht aus einem rahmenförmigen Siliziumtragkörper 24, der aus einem
Siliziumsubstrat herausgearbeitet worden ist, mit einer Aushöhlung 9, die von einer Membran 3 überspannt wird. Die Membran 3 ist über schmale Stege 6 mit dem Siliziumtrag¬ körper 24 verbunden. Auf der Membran 3 und dem Siliziumtragkörper 24 befindet sich ein CMOS-Schichtaufbau 29, der über der Membran 3 eine von oben eingetriebene Grube 18 aufweist .
In der Grube 18 befindet sich der Strahlungskollektorauf¬ bau 17 über der Membran 3 (siehe Fig. 1), der im besonders bevorzugten Aufbau aus einem Material besteht, das in einem einzigen Prozess hergestellt wird. Dadurch werden die
Herstellkosten gesenkt und der mechanische Stress in den Schichten minimiert. Es werden Standardverfahren der Mikromechanik verwendet, um den Strahlungskollektoraufbau 17 herzustellen. Diese können z.B. an sich bekannte Prozesse wie Opferschichttechnik, Lift-off- und andere Ätzverfahren sein. Dieser Aufbau erlaubt weiterhin das Aufbringen zusätzlicher absorbierender, auch wärmeleitender Schichten auf dem Strahlungskollektoraufbau 17 (siehe z.B. Fig. 4 b) . Um den Strahlungskollektoraufbau 17, um die Membran 3, in den Schlitzen 5, in der Aushöhlung 9 und in der Grube 18 befindet sich ein Gas oder Gasgemisch 15 zur thermischen Entkopplung der Elemente untereinander und zum Siliziumtragkörper 24, der als Wärmesenke dient. Um den Zentralteil der Membran 3 befinden sich die Verbindungsstege 6 mit
Thermoelementen, welche zur Erreichung geringer Herstellungskosten direkt beim CMOS-Prozess (Siliziumwafer-Bearbei- tung) mit entstehen. Diese Thermoelemente arbeiten nach dem Seebeck Effekt ( thermoelektrischer Effekt) und können z.B. aus Silizium oder Germanium oder einem anderen Halbleiter sowie aus Metallschichten mit hohem Seebeck-Koeffizient (z.B. Bi, Sb oder anderen Legierungen) bestehen.
Bevorzugt wird n-dotiertes und p-dotiertes polykristallines Silizium verwendet, weil sich dieses einfach und
kostengünstig in einem Standard-CMOS Prozess herstellen lässt. Der Aufbau von Thermopilestrukturen mit den heißen Kontakten auf isolierten Membranen und den kalten Kontakten auf oder oberhalb der Silizium-Wärmesenke, dem Silizium- tragkörper 24, ist an sich bekannt und wird deshalb hier nicht detailliert beschrieben.
Fig. 2b zeigt den Aufbau einer runden Sensorzelle des
Sensorarray-Chips 14 mit Strahlungskollektoraufbau 17, bestehend aus einem Stempel 4 und dem von diesem getragenen Strahlungskollektor 1. Der Stempel 4 steht auf der Mem- bran 3.
Der Strahlungskollektoraufbau 17 (siehe Fig. 1) kann auch aus mehreren Elementen mit mehreren Strahlungskollektoren 1 und mehreren Stempeln 4 bestehen. Diese Konstruktion führt zu einer besseren Anpassung an die Anforderung der
Applikationen, zur Erreichung geringerer Zeitkonstanten und besonders hoher Signale. Der Stempel 4 ist so hoch ausgeführt, dass zwischen dem darauf aufgebrachten Strahlungskollektor 1 selbst bei hoher thermischer Belastung nie zu einem mechanischen Kontakt mit dem darunterliegenden Zentralteil der Membran 3 oder dem Siliziumtragkörper 24 mit dem CMOS-Schichtaufbau 29 kommen kann (siehe auch Fig. 2c) .
Die Fig. 2c..e zeigen den Grundaufbau einer erfindungsgemäßen Thermopile-Sensorzelle in anderer geometrischer Form. In Fig. 2c ist der Strahlungskollektor 1 auf einem Stempel 4 auf der Membran 3 aufgespannt. Er überspannt den Zentralteil der Membran 3 und die Aushöhlung 9 sowie den umliegenden Siliziumtragkörper 24. Auf letzterem können sich Metallleitbahnen und eine Pixel-Ausleseelektronik befinden. Die
Aushöhlung 9 wird von unten möglichst tief in den Siliziumtragkörper 24 des Sensorchips (z.B. Siliziumwafer aus dem CMOS-Prozess ) hineingetrieben, damit die Wärmeleitung über das Gas oder Gasgemisch 15 zwischen Membran 3 bzw. den empfindlichen Schichten und der als Wärmesenke wirkenden Wandung der Aushöhlung so gering wie möglich ist.
Diese Aushöhlung 9 kann beispielsweise von der Vorderseite her durch isotropes oder anisotropes Herausätzen des
Siliziums durch Öffnungen in der Membran hergestellt werden. Meist werden hierzu Ätzlaugen wie KOH oder TMAH (Tetra- methylammoniumhydroxid) mit großer Ätzrate für Silizium eingesetzt. Die Herauslösung des Siliziums in der Aushöhlung 9 kann aber auch durch andere Abtrageverfahren (z.B. Lasertechnik und ähnliche Verfahren) erfolgen. So können die Aushöhlungen 9 schräge Wände (sie Fig. 2e, oder abgerundete Wandungen - je nach Ätzrichtung und Ätzmittel - aufweisen.
Vorzugsweise besitzt die Aushöhlung 9 senkrechte oder fast senkrechte Wände durch das gesamte Substrat hindurch, weil dann der geringste Wärmeverlust durch das Medium 15 und somit die höchste Signalempfindlichkeit erreicht wird.
Solche senkrechten Wände können beispielsweise durch das sogenannte Tiefenätzen von der Unterseite des Wafers her erfolgen (sogenanntes Trockenätzverfahren oder DRIE) . Damit ist die Pixelfläche kleiner oder gleich der Absorberfläche und ein hohes Signal bei gleichzeitig kleiner Sensorfläche ist möglich. Fig. 2d zeigt ein Schrägbild von zwei benachbarten Pixel¬ strukturen eines Arrays, wobei zwei benachbarte Strahlungs¬ kollektoren 1 mittels mechanischer Verbindungsstege 7 miteinander verbunden sind. Beide Strahlungskollektoren 1 haben eine quadratische, oder rechteckige Form (je nach der gewünschten Pixelgeometrie) und sind auf jeweils zwei in einem Abstand nebeneinander befindlichen Stempeln 4 aufgespannt. Zwischen den
Strahlungskollektoren 1 befinden sich dünne mechanische Verbindungsstege 7, z.B. um eine höhere mechanische
Stabilität der Strahlungskollektoraufbauten 17 zu erreichen.
Diese Verbindungsstege 7 sollten bevorzugt einen geringen Querschnitt aufweisen. Die verwendeten Materialien sind so zu wählen, dass sie eine hohe mechanische Festigkeit mit möglichst geringer thermischer Leitfähigkeit verbinden. Es können auch mehrere dieser Stege existieren, und diese können die Strahlungskollektoren 1 auch an den Ecken oder auch an den Seiten stabilisieren. Auf der Fläche 8 zwischen den Membranen 3 können sich Metallleitbahnen und Elektronik befinden. Die Membranen 3 können rund, wie dargestellt, rechteckig, achteckig und quadratisch sein und der Form der jeweiligen Strahlungskollektoren 1 ähneln. Ist der Strahlungskollektor 1 mindestens gleich groß wie die Membran 3, so führt das zu einem größeren Anteil der einfallenden Infrarotstrahlung, die auf dem Strahlungskollektor 1 absorbiert wird. Außerdem verhindert die Größe des
Strahlungskollektors 1, dass die einfallende Strahlung auf die Schlitze 5 treffen kann und verloren geht, oder von der Fläche 8 reflektiert wird und so im Gehäuse zu Übersprechen durch Mehrfachreflektionen führt.
Es kann sich eine Infrarot- absorbierende Schicht auf der Membran 3 befinden. Damit wird die durch den Strahlungs¬ kollektor 1 transmittierte Strahlung, welche senkrecht oder nahezu senkrecht nach unten aus dem Strahlungskollektor 1 austritt, auf dieser darunterliegenden Absorberschicht zusätzlich absorbiert.
In Fig. 2e ist eine weitere erfindungsgemäße Ausgestaltung des Sensorelements mit quadratischen oder senkrechten
Elementgeometrien und einer von der Vorderseite in das
Substrat hineingetriebenen Aushöhlung 9, hergestellt in diesem Falle durch anisotropes Si-Ätzen durch Öffnungen in der Membran 3. Im dargestellten Fall ergeben sich schräge Wände der Aushöhlung 9. Die Membran 3 wird hier ebenfalls von schmalen Verbindungsstegen 6 getragen, die die Membran 3 teilweise umschlingen und zum umliegenden Substrat 30
(Wärmesenke) durch schmale Schlitze 5 getrennt sind. Der über der Membran 3 befindliche rechteckige Strahlungs- kollektor 1 wird durch zwei Stempel 4 über der Membran 3 gehalten. Der Strahlungskollektor 1 ist größer als die
Membran 3 und überdeckt auch die Verbindungsstege 6 und die Schlitze 5. Dadurch wird vermieden, dass Infrarotstrahlung durch die Schlitze 5 verloren gehen könnte.
Fig. 3 zeigt weitere Details in der Ausgestaltung der Zellen des Infrarotsensors mit der erfindungsgemäßen Thermopile- Sensorzelle mit verschiedenen Geometrien für den Strahlungs- kollektor 1 und dessen Aufbau auf der Membran 3.
In Fig. 3a ist ein Ausschnitt einer Zelle des erfindungs¬ gemäßen Themopile-Sensorachips 14 mit durch Schlitze 5 thermisch entkoppelten Verbindungsstegen 6 vom Silizium- tragkörper 24 zur Membran 3.
Der Strahlungskollektor 1 ist mittels eines Stempels (nicht sichtbar) auf dem Zentralteil der Membran 3 befestigt. Die Membran 3 ist mit einer Infrarot absorbierenden Schicht überzogen. Die Thermoelemente auf den Verbindungsstegen 6 sind mittels Schlitzen 5 von umgebenden Schichten und der Membran 3 abgetrennt. Der Zellaufbau hat eine runde Form, um genügend Platz für die Randelektronik in den Ecken der Zelle zu schaffen.
In Fig. 3b ist die Zelle mit einer quadratischen Grundstruktur dargestellt.
Der Strahlungskollektor 1 ist mittels zweier Stempel 4 auf einer rechteckigen Membran 3 befestigt. Thermoelemente auf den Verbindungsstegen 6 sind mittels Schlitzen 5 von umgebenden Schichten und dem Zentralteil der Membran abgetrennt. Der Zellaufbau hat eine rechteckige Form. Es sei bemerkt, dass die Zellgeometrie statt rund oder quadratisch auch sechseckig, achteckig oder ein beliebiges anderes Polygon oder eine Ellipse sein kann. Unter der vertieft angeordneten Membran 3 befindet sich eine Aushöhlung 9 mit senkrechten Wänden .
Fig. 4 a...d zeigen Querschnitte durch erfindungsgemäße
Thermopile-Array Sensorzellen mit verschiedenen Ausführungs¬ formen für die mögliche Montage des Strahlungskollektors 1.
In diesen Bildern wird die Aufbautechnik von Strahlungskollektor 1 über Stempel 4 auf der Membran 3 deutlich.
Aus Fig. 4a geht ein Querschnitt einer erfindungsgemäßen Zelle mit Montage des Strahlungskollektors 1 in einer ersten Ausführungsform hervor. Fig. 4a zeigt den Zellaufbau mit IR-Strahlungskollektor 1 und Stempel 4 in einer von oben eingetriebenen Grube 18 im CMOS-Schichtaufbau 29. Die von unten in den Siliziumtrag¬ körper 24 eingetriebene Grube 9 besitzt senkrechte oder fast senkrechte Wände, damit die Schlitze 5 und die Verbindungs- Stege 6 freigelegt sind. Im Beispiel von Fig. 4a befinden sich auf den Verbindungsstegen 6 jeweils drei Polysilizium- Leitbahnen 31, wobei n- und p-Polysilizium-Leitbahnen zur besseren Flächenausnutzung und für günstige Herstellungskosten übereinander angeordnet sind.
Selbstverständlich sind auch andere Anordnungen, andere Dotierungen, andere Materialien, eine andere Anzahl von Polysilizium-Leitbahnen und mehrere Schichten übereinander möglich .
Der Zentralteil der Membran 3 beinhaltet die heißen Kontakte 10, welche sich idealerweise direkt unterhalb des Stempels 4 oder in dessen Nähe befinden. Die heißen Kontakte 10 können sich aber auch an anderen beliebigen Stellen auf oder in der Membran 3 befinden. Fig. 4b veranschaulicht den Querschnitt einer weiteren erfindungsgemäßen Zelle mit mehrschichtigem Strahlungskollektor 1 mit zusätzlicher Absorberschicht 27. Der
Strahlungskollektor 1 befindet sich auch hier in einer von oben eingetriebenen Grube 18 im CMOS-Schichtaufbau 29.
Fig. 4b zeigt den Zellaufbau mit dem IR-Strahlungskollektor 1, der zusätzlich eine getrennte Absorberdeckschicht 27 besitzt. Dadurch kann beispielsweise eine Absorberschicht mit sehr hoher Absorption, dafür aber geringem Wärmeleitvermögen oder geringer mechanischer Stabilität, mit dem Strahlungskollektor 1 verbunden werden, der eine gute thermische Leitfähigkeit mit hoher mechanischer Stabilität verbindet, so dass sich hohe Absorption mit hoher Stabilität und geringer Wärmekapazität (hohe Ansprechgeschwindigkeit) verbinden lassen.
Die zusätzliche Absorberschicht 27 kann auch mehrschichtig ausgeführt sein.
In Fig. 4c ist ein Querschnitt einer erfindungsgemäßen Zelle mit Montage des Strahlungskollektors 1 mit Stempel 4 über der von oben eingetriebenen Grube 18 dargestellt. Der
Strahlungskollektor 1 erstreckt sich hier seitlich bis über den Siliziumtragkörper 24.
Bei der Ausgestaltung in Fig. 4c besitzt die von unten eingetriebene Grube 9 ebenfalls senkrechte oder fast senkrechte Wände, damit die Schlitze 5 und die Verbindungsstege 6 frei- gelegt sind. Der Zentralteil der Membran 3 beinhaltet die heißen Kontakte 10, welche sich idealerweise direkt unter¬ halb des Stempels 4 befinden, prinzipiell aber auch an anderen Stellen im Bereich des Zentralteiles der Membran 3 angeordnet sein können.
Diese Version in 4c stellt eine besonders günstige ther- mische Isolation des Strahlungskollektors 1 zu benachbarten Strukturen dar, wenn das Medium 15 aus Kostengründen ein Gas unter Normalatmosphäre und kein Vakuum ist. Der CMOS- Schichtaufbau 29 auf dem Siliziumtragkörper 24 wird hier teilweise überdeckt.
In Fig. 4d ist eine weitere erfindungsgemäße Ausgestaltung des Strahlungskollektors 1 dargestellt, eine Möglichkeit zeigt, wie die Fläche des Strahlungskollektors 1 weiter vergrößert werden kann, wenn dieser im Randbereich eine
Stufe 19 aufweist, wodurch der CMOS-Schichtaufbau 29 auf dem Siliziumtragkörper 24 überdeckt wird. Die Version nach
Fig. 4d erlaubt die hinsichtlich Herstellungskosten und Füllfaktor günstigste Technologie.
Durch die Stufe 19 wird der Abstand zum darunterliegenden Schichtstapel und Siliziumtragkörper 24 mit dem CMOS- Schichtaufbau 29 vergrößert. Diese erfindungsgemäße
Ausgestaltung verringert die Wärmeleitfähigkeit des
umgebenden Mediums (Gas oder Gasgemisch) 15 innerhalb des Gehäuses und verbessert dadurch die erzielbare Signal¬ empfindlichkeit und Temperaturauflösung für besonders große Kollektoren und damit auch besonders hohe Füllgrade. Prinzipiell kann der Randbereich des Strahlungskollektors 1 so weit geführt werden, dass nur noch eine kleine Lücke zum Nachbarpixel verbleibt.
Die Fig. 5a, b zeigen den Querschnitt durch eine erfindungs- gemäße Thermopile-Sensorarray-Zelle (Pixel) mit
verschiedenen Ausführungsformen für die absorbierende
Schicht auf dem Strahlungskollektor 1.
Fig. 5a zeigt den Querschnitt einer Pixel-Zelle mit
Strahlungskollektor 1, bestehend aus einem Schichtstapel mit einer zypressenartigen Absorberschicht und einer thermisch leitfähigen Schicht darunter. Auf dem Strahlungskollektor 1 befinden sich schmale, spitze Gebilde 20 mit großer Ober¬ fläche, welche voneinander abgetrennt sind durch freie
Bereiche 21, in denen die Infrarotstrahlung direkt nach unten dringen kann.
Fig. 5b zeigt den Querschnitt einer Zelle mit wabenähnlichen Strukturen 22 auf dem Strahlungskollektor 1. Die Seitenwände der Strukturen 23 sind geeignet strukturiert, so dass der nicht absorbierte Anteil der seitlich einfallende
Wärmestrahlung nach unten zum IR-Strahlungskollektor 1 hin reflektiert und dort absorbiert wird. Die Strukturen
bestehen aus einem oder mehreren IR absorbierenden
Materialien. Für die größere Oberfläche der Absorber- deckschicht kommen z.B. Nanoverbindungen zum Einsatz.
Die Figuren 6a...e zeigen die Draufsicht auf erfindungsgemäße Thermopile-Sensorzellen mit verschiedenen Ausführungsformen für die Strahlungskollektorschicht und Abdünn- und
Schlitzvarianten.
Fig. 6a stellt eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Thermopile-Sensorzelle in runder Form dar. Der Zentralteil der Membran 3 beinhaltet den Stempel 4, auf dem der
Strahlungskollektor 1 montiert ist (in Fig. 6a nicht
dargestellt) . Dieser Strahlungskollektor 1 ist so groß, dass er die Verbindungsstege 6 überspannt (vgl. Fig. 4) . Diese Verbindungsstege 6 mit Thermoelementen, welche wiederum durch Schlitze 5 thermisch entkoppelt sind, sind mit dem Siliziumtragkörper 24 verbunden und halten dadurch den
Zentralteil der Membran 3 mit dem Strahlungskollektor 1 in der Schwebe. Um die Sensorzelle herum befinden sich
Leitbahnen und eine Ausleseelektronik 26, welche an den kalten Kontakten 25 angeschlossen ist. Die heißen
Kontakte 10 (in Fig. 6a) nicht dargestellt) auf der
Membran 3 befinden sich in der Nähe des Stempels 4. Die pixelnahe Ausleseelektronik beinhaltet beispielsweise Tiefpässe, Vorverstärker, kann aber auch Analog-Digital- wandler, Sample-&-Hold-Glieder oder Schalteinrichtungen, Datenspeicher oder Multiplexer enthalten und ist gekennzeichnet dadurch, dass die in Zeilen- oder Arrayform
angeordneten Einzelzellen je eine elektronische Signalverarbeitungseinheit pro Einzelzelle oder mindestens pro vier Einzelzellen gemeinsam aufweisen. Üblicherweise ist der gesamte Randbereich um die Pixel mit pixelnaher Elektronik ausgefüllt (die Baugruppen 26 beschreiben das nur symbo¬ lisch) . Im Außenbereich des Sensorchips (d.h. außerhalb des sogenannten „focal planes" mit den einzelnen Thermoelement¬ zellen ist weitere Elektronik zur Steuerung des Arrays und die Signalauslesung integriert, das können z.B. neben
Verstärkern und Treibern z.B. Multiplexer, AD-Wandler, EEPROM, RAM-Speicher und Mikroprozessoren sowie die
Interfacebaugruppe sein. Fig. 6b ist eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße
Thermopile-Sensorzelle in rechteckiger Form und einem runden Stempel 4. Der Zentralteil der Membran 3 beinhaltet den Stempel 4, auf dem der Strahlungskollektor 1 montiert ist (in Fig. 6b nicht dargestellt). Dieser Strahlungskollektor 1 ist so groß, dass er die Verbindungsstege 6 und die Schlitze 5 überspannt (vgl. z.B. Fig. 4) . Diese Verbindungsstege 6 mit Thermoelementen sind in einer L-Form um den Zentralteil der Membran 3 herum angeordnet, dadurch kann die Empfindlichkeit der Sensorzelle erhöht werden. Über umliegende kalte Kontakte 25 an den Übergängen zwischen den Verbindungsstegen 6 und dem Siliziumtragkörper 24 ist die
umliegende Elektronik angeschlossen.
Fig. 6c zeigt eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Thermopile-Sensorzelle in rechteckiger Form und einem
Stempel 4 mit sternförmigem Querschnitt. Der Zentralteil der Membran 3 beinhaltet den Stempel 4, auf dem der Strahlungs¬ kollektor 1 montiert ist (in Fig. 6c nicht dargestellt) . Dieser Strahlungskollektor 1 ist so groß, dass er bis kurz vor die kalten Kontakte 25 heran ragt, die sich auf dem Siliziumtragkörper 24 befinden. Die Verbindungsstege 6 mit Thermoelementen sind nur an zwei der vier Seiten des
Zentralteils der Membran 3 angeordnet, um die Absorptions¬ fläche auf der Membran 3 zu erhöhen. Fig. 6d zeigt eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße
Thermopile-Sensorzelle in rechteckiger Form und einem runden Stempel 4. Der Zentralteil der Membran 3 ist so groß wie der Stempel 4 selbst, auf dem der Strahlungskollektor 1 montiert ist (in Fig. 6d nicht dargestellt) . Dieser Strahlungs- kollektor 1 ist so groß, dass er bis kurz vor die kalten
Kontakte 25 heran ragt. Die Verbindungsstege 6 mit Thermo¬ elementen sind kreuzförmig an den Seiten des Zentralteils der Membran 3 angebracht, um eine Stressrelaxation zu erzeugen und den Strahlungskollektor 1 stabil oberhalb der Membran 3 halten zu können. Zwischen den Verbindungsstegen 6 und dem Siliziumtragkörper 24 befindet sich das Schlitzgebiet 5.
Es ist auch möglich, die Verbindungsstege 6 so zu verbrei- tern und voller Thermoelemente zu packen, dass nur noch ein dünner Schlitz 5 zum Gasaustausch bleibt.
In Fig. 6e ist die Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Thermopile-Sensorzelle in rechteckiger Form und einem
Stempel 4 mit kreuzförmigem Querschnitt. Der Zentralteil der Membran 3 ist so groß wie der Stempel 4 selbst, auf dem der Strahlungskollektor 1 montiert ist (in Fig. 6e nicht dargestellt) . Die Verbindungsstege 6 mit Thermoelementen sind mäanderförmig um den Zentralteil der Membran 3 angeordnet, um eine große Anzahl an Thermoelementen mit großer Länge
(und damit geringer thermischer Ableitung) unterbringen zu können. Zwischen den Verbindungsstegen 6 und dem Siliziumtragkörper 24 befindet sich das Schlitzgebiet 5. Die kalten Kontakte 25 befinden sich an den Enden der Verbindungsstege 6 auf dem Siliziumtragkörper 24, wohingegen die heißen Kontakte auf der Membran 3 nahe des Stempels 4 angeordnet sind .
Bezugszeichenliste
I Strahlungskollektor
2 Umliegende CMOS- Strukturen
3 Zentralteil der Membran
4 Stempel
5 Schlitz
6 Verbindungsstege
7 mechanische Stabilisierungsstege
8 Fläche zwischen Membranen
9 Aushöhlung
10 heiße Kontakte
II Trägersubstrat
12 Kappe
13 abbildende Linse/Eintrittsoptik
14 Thermopile-Sensorarraychip
15 Gas oder Gasgemisch
16 Thermoelektrisches Sensorelement (Pixel) 17 Strahlungskollektoraufbau
18 Grube, von oben eingetrieben
19 Stufe des Strahlungskollektors im Randbereiche
20 spitze Gebilde mit hoher Oberfläche
21 freie Bereiche zwischen spitzen Gebilden
22 Waben oder wabenähnliche Strukturen
23 Seitenwände der Waben
24 Siliziumtragkörper
25 kalte Kontakte
26 Elektronik
27 Absorberdeckschicht auf Strahlungskollektor
28 Steckverbinder Kontaktelement
CMOS-Schichtaufbau
Substrat des Sensorchips
Übereinanderliegende Polysiliziumleitbahnen

Claims

Patentansprüche
1. Thermopile Infrarot-Sensorstruktur mit hohem Füllgrad in einem mit einem Medium gefüllten Gehäuse, bestehend aus einer Bodenplatte, die elektrische Verbindungen nach außen aufweist und die mit einer Optikbaugruppe verschlossen ist und wobei auf der Bodenplatte im Gehäuse ein Sensorchip aufgebracht ist, das mehrere thermoelektrische
Sensorelementstrukturen trägt, deren sogenannten „heiße Kontakte" sich auf individuellen Membranen befinden, die über je einer Aushöhlung in einem gut wärmeleitenden
Siliziumtragkörper aufgespannt sind, wobei sich die „kalten Kontakte" auf oder in der Nähe des Siliziumtragkörpers befinden, gekennzeichnet dadurch, dass sich über jeder individuellen Membran (3) der Sensorelementstrukturen (16), die eine Aushöhlung (9) überspannt, ein Strahlungs¬ kollektoraufbau (17) befindet.
2. Thermopile Infrarot-Sensorstruktur nach Anspruch 1
gekennzeichnet dadurch, dass das im Gehäuse eingeschlossene Medium 15 ein Gas oder Gasgemisch mit einem sehr niedrigem Druck (z.B. Vakuum) oder einem Gas mit deutlich schlechterer Wärmeleitfähigkeit als Luft oder Stickstoff, wie Xe, Kr oder Ar, ist.
3. Thermopile Infrarot-Sensorstruktur nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Aushöhlungen (9) von der Vorderseite her in den Siliziumtragkörper (24) hinein getrieben sind.
4. Thermopile Infrarot-Sensorstruktur nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Aushöhlungen (9) von der Rückseite her in den Siliziumtragkörper (24) hinein
getrieben sind und mit senkrechte oder nahezu senkrechte Seitenwände versehen sind.
5. Thermopile Infrarot-Sensorstruktur nach einem der vorgenannten Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass die Membranen (3) oder die Aushöhlungen (9) quadratische, rechteckige, vieleckige oder runde Formen aufweisen.
6. Thermopile Infrarot-Sensorstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass die Signalverarbeitung (25) der individuellen Sensorelemente Vorverstärker und Tiefpassfilter zur Begrenzung der
Rauschbandbreite enthalten.
7. Thermopile Infrarot-Sensorstruktur nach einem der vorgenannten Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass die Strahlungskollektoraufbauten (17) aus einem Strahlungskollektor (1) und einem oder mehreren diesen tragenden
Stempeln (4) bestehen, die die Strahlungskollektorfläche thermisch mit dem darunterliegenden Zentralteil der Membran (3) mit den „heißen Kontakten" (10) verbinden.
8. Thermopile Infrarot-Sensorstruktur nach einem der vorgenannten Ansprüche gekennzeichnet dadurch, dass die Strahlungskollektoraufbauten (17) aus einem Strahlungs- kollektor (1) und einem oder mehreren Stempeln (4) bestehen, wobei der Strahlungskollektor (1) und der oder die
Stempel (4) aus dem gleichen Material bestehen und gemeinsam in einem Prozess hergestellt worden sind.
9. Thermopile Infrarot-Sensorstruktur nach einem der vorgenannten Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass zwischen benachbarten Strahlungskollektoren (1) bzw. den Strahlungskollektoraufbauten (17) ein oder mehrere
Verbindungsstege (7) angeordnet sind.
10. Thermopile Infrarot-Sensorstruktur nach einem der vorgenannten Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass die Stempel (4) runde oder eckige Querschnitte, oder auch rohrförmige Querschnitte aufweisen.
11. Thermopile Infrarot-Sensorstruktur nach einem der vorgenannten Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass die Membranen (3) über schmale und dünne Stege (6) mit dem
Siliziumtragkörper (24) verbunden sind und dass die
Thermoelemente mit den Funktionsschichten über die Stege (6) geführt sind und die heißen Kontakte (10) auf dem
Zentralbereich der Membran (3) mit „kalten Kontakten" (25) oberhalb des Siliziumtragkörpers (24) verbinden.
12. Thermopile Infrarot-Sensorstruktur nach einem der vorgenannten Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass die Strahlungskollektoren (1) etwa die Größe der darunter liegenden Aushöhlung (9) im Siliziumtragkörper (24)
aufweisen .
13. Thermopile Infrarot-Sensorstruktur nach einem der vorgenannten Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass die Strahlungskollektoren (1) über den Rand der Aushöhlung (9) erstrecken .
14. Thermopile Infrarot-Sensorstruktur nach einem der vorgenannten Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass die Strahlungskollektoren (1) im Randbereich eine Stufe oder Aufwölbung (19) besitzen oder/und die darunter liegenden Schichten im Randbereich über dem Siliziumtragkörper (24) eine eingebrachte Grube (18) aufweisen.
15. Thermopile Infrarot-Sensorstruktur nach einem der vorgenannten Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass
Strahlungskollektoren (1) im Randbereich abgedünnt sind.
16. Thermopile Infrarot-Sensorstruktur nach einem der vorgenannten Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass die Strahlungskollektoren (1) mit einer dünnen Absorberschicht (27) bedeckt sind.
17. Thermopile Infrarot-Sensorstruktur nach einem der vorgenannten Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass die Strahlungskollektoren (1) eine strukturierte Oberfläche mit spitzen Gebilden (20) und freien Bereichen (21) dazwischen aufweisen .
18. Thermopile Infrarot-Sensorstruktur nach einem der vorgenannten Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass die Strahlungskollektoren (1) eine wabenförmige Oberfläche 23 aufweisen .
19. Thermopile Infrarot-Sensorstruktur nach einem der vorgenannten Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass mindestens ein Teil der Signalverarbeitung auf dem gleichen Halbleitersubstrat integriert ist.
20. Thermopile Infrarot-Sensorstruktur nach Anspruch
gekennzeichnet dadurch, dass mindestens ein Teil der
Signalverarbeitung der individuellen Sensorelemente
im Randbereich des Siliziumtragkörpers (24) um jedes
Sensorelement (16) herum angeordnet ist.
21. Thermopile Infrarot-Sensorstruktur nach Anspruch 20, gekennzeichnet dadurch, dass für jedes vierte Pixel, bevorzugt aber für jedes zweite Pixel oder jedes Pixel eine individuelle Signalverarbeitung 25 um jedes Sensorelement (16) herum angeordnet ist.
22. Thermopile Infrarot-Sensorstruktur nach einem der
Ansprüche 19 bis 21, gekennzeichnet dadurch, dass mindestens ein Teil der Signalverarbeitung der individuellen Sensor- elemente (Pixel) im Randbereich des Siliziumtragkörpers (24) um jedes Sensorelement (16) herum angeordnet ist und
beispielsweise Vorverstärker und Tiefpassfilter zur
Begrenzung der Rauschbandbreite und/oder Analog/Digital¬ wandler und Schalteinrichtungen enthalten.
PCT/EP2013/050881 2012-02-16 2013-01-18 Thermopile infrarot-sensorstruktur mit hohem füllgrad WO2013120652A1 (de)

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