DE10058861A1 - Infrarotsensor für hochauflösende Infrarot-Detektoranordnungen und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents
Infrarotsensor für hochauflösende Infrarot-Detektoranordnungen und Verfahren zu seiner HerstellungInfo
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Abstract
Ein Infrarotsensor für hochauflösende Infrarot-Detektoranordnungen hat einen Träger (20), auf dem mindestens ein Pixelelement (30) zur Detektion von Infrarotstrahlung angeordnet ist, und einen in den Träger integrierte Ausleseelektronik oder Bauelemente einer solchen Ausleseelektronik, die an das Pixelelement (30) gekoppelt ist/sind. Kontaktflächen (2) der Ausleseelektronik oder von Bauelementen der Ausleseelektronik befinden sich im Inneren des Trägers (20). Die Ausleseelektronik oder Bauelemente der Ausleseelektronik und das Pixelelement (30) sind in vertikaler Anordnung ausgebildet. Der Träger (20) enthält eine CMOS-kompatible Oberflächenmikromechnikstruktur mit einem integrierten Hohlraum (7) unterhalb des Pixelelements (30) und säulenartigen Metallstrukturen (6a), die sich vertikal erstrecken und die Kontaktflächen (2) der Ausleseelektronik mit dem Pixelelement (30) elektrisch verbinden. Bei einem Verfahren zur Herstellung des IR-Sensors werden Ausleseelektronik oder Bauelemente der Ausleseelektronik und Pixelelemente (30) vertikal übereinander angeordnet.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Infrarotsensor gemäß
dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 und ein Verfahren zur
Herstellung eines Infrarotsensors gemäß dem Oberbegriff von
Patentanspruch 9. Der IR-Sensor ist insbesondere für hochauf
lösende Infrarot-Detektoranordnungen geeignet.
Integrierte Infrarotsensoren für hochauflösende Infrarot-
Detektoranordnungen umfassen einen Halbleitertragekörper bzw.
Chip, auf dem ein Sensorelement zur Messung der Intensität
einer Infrarotstrahlung ausgestaltet ist. Dabei ist das Sen
sorelement beispielsweise ein pyroelektrischer Kondensator.
Neben dem Sensorelement bzw. der Sensorstruktur befindet sich
auf dem Chip weiterhin eine Ausleseelektronik, die zur Verar
beitung der von der Sensorstruktur erzeugten Signale dient.
Dabei sind die Ausleseelektronik und die Sensorstruktur ne
beneinander auf dem Chip aufgebracht. Die Ausleseelektronik
ist im Chip integriert.
Die bekannten Infrarotsensoren haben jedoch den Nachteil ei
nes großen Platzbedarfs. Durch die Anordnung von Auslese
elektronik und Sensorstruktur nebeneinander auf dem Chip ist
bei einer vorgegebenen Detektorfläche bzw. bei einer vorgege
benen Chipgröße in einem integrierten Sensorarray die Anzahl
der Sensorelemente begrenzt.
Hinzu kommt die allgemeine Anforderung, dass die Sensoren
bzw. IR-Detektorarrays stabil gegenüber mechanischen Einflüssen
von außen sein sollen. Darüber hinaus sollen die Infra
rotsensoren kostengünstig herstellbar sein.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen
Infrarotsensor insbesondere für hochauflösende Infrarot-
Detektoranordnungen zu schaffen, der sehr kompakt bzw. platz
sparend ausgestaltet werden kann und mit dem in Detektorar
rays eine dichte Anordnung der Sensoren erzielt werden kann.
Weiterhin soll mit dem Infrarotsensor eine hohe Auflösung der
IR-Detektorarrays ermöglicht werden. Darüber hinaus soll ein
Verfahren zur Herstellung eines derartigen Infrarotsensors
angegeben werden, das relativ kostengünstig durchführbar ist.
Die Aufgabe wird gelöst durch den Infrarotsensor gemäß Pa
tentanspruch 1 und durch das Verfahren zur Herstellung eines
Infrarotsensors gemäß Patentanspruch 9. Weitere vorteilhafte
Merkmale, Aspekte und Details der Erfindung ergeben sich aus
den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnun
gen.
Der erfindungsgemäße Infrarotsensor für hochauflösende Infra
rot-Detektoranordnungen hat einen Träger, auf dem mindestens
ein Pixelelement zur Detektion von Infrarotstrahlung angeord
net ist, und eine z. B. in den Träger integrierte Auslese
elektronik oder Bauelemente einer Ausleseelektronik, die an
das Pixelelement gekoppelt ist/sin, wobei die Ausleseelektro
nik oder die Bauelemente der Ausleseelektronik und das Pixel
element in vertikaler Anordnung ausgebildet sind und der Trä
ger - unter anderem - eine Mikromechanikstruktur enthält.
Die Mikromechanistruktur kann zur thermischen Isolierung des
Pixelelements vom Substratmaterial dienen.
Durch die vertikale Anordnung der beiden Teile Ausleseelekt
ronik bzw. Ausleseschaltung oder Bauelemente der Auslese
elektronik und Pixelelement in Verbindung mit einer Mikrome
chanikstruktur können in einer Detektoranordnung die Sensoren
wesentlich dichter aneinander angeordnet werden. Dadurch kön
nen hochauflösende IR-Detektorarrays geschaffen werden, die
einen sehr geringen Platzbedarf aufweisen und dennoch eine
hohe Auflösung erzielen. Der erfindungsgemäße Infrarotsensor
ist insbesondere mit Techniken der Oberflächenmikromechanik
herstellbar, d. h. es werden mit einer CMOS-kompatiblen Mik
romechanik bzw. Oberflächenmikromechanik hochauflösende IR-
Detektorarrays zugänglich.
Vorteilhafterweise ist in dem Träger eine oberflächenmikrome
chanisch hergestellte Stützstruktur vorgesehen. Dadurch wird
eine besonders hohe Stabilität gegenüber externen Einflüssen
erzielt, wobei dennoch ein äußerst geringer Platzbedarf ge
währleistet ist. Die Verwendung der oberflächenmikromecha
nisch hergestellten Stützstrukturen dient insbesondere auch
zur Verminderung des Übersprechens zwischen einzelnen Pixeln
bzw. Pixelelementen.
Bevorzugt ist ein elektrischer Kontakt vom Pixelelement zur
Ausleseelektronik beziehungsweise den Bauelementen der Ausle
seelektronik in die Stützstruktur bzw. in die Stützstrukturen
integriert. Dadurch wird der Raum- bzw. Platzbedarf noch wei
ter reduziert, ohne dass die Stabilität Nachteile erleidet.
Die Stützstruktur erfüllt dadurch gleichzeitig zwei Funktio
nen, nämlich einerseits die Bereitstellung des elektrischen
Kontakts zum Ausleseschaltkreis bzw. zur Ausleseelektronik,
und andererseits die Abstützung der vertikal bzw. vertikal
übereinander angeordneten Elemente des Infrarotsensors.
Vorteilhafterweise ist im Träger ein Hohlraum vorgesehen. Da
bei ist der Hohlraum bevorzugt evakuiert bzw. der Hohlraum
verschlussprozess im Vakuum durchgeführt. Durch den Hohlraum
und insbesondere durch den evakuierten Hohlraum ist das Pi
xelelement thermisch isoliert, was zur Verbesserung der Qua
lität der Messergebnisse bzw. zur Erhöhung der Auflösung bei
trägt. Durch diese vorteilhafte Ausgestaltung befindet sich
die thermische Isolation direkt im Pixel und der gesamte Chip
bzw. Infrarotsensor kann in ein unter Atmosphärendruck ste
hendes Gehäuse eingebaut werden. Dadurch werden Kosten einge
spart, da ein Vakuumgehäuse im Vergleich hierzu mit wesent
lich höheren Kosten verbunden ist.
Der Träger enthält z. B. eine CMOS-kompatible Mikromechanik
struktur mit einem insbesondere vertikal vom Trägerinnenraum
auf die Trägeroberfläche geführten Kontakt. Dies trägt noch
zusätzlich zur Platzeinsparung und zur Erhöhung der Stabili
tät bei.
Bevorzugt ist der Träger aus einem Substrat mit einer aufge
brachten Schichtfolge gebildet, wobei in der Schichtfolge ein
abgeschlossener Hohlraum mit ein oder mehreren elektrisch
leitenden Stützstrukturen ausgestaltet ist, die den Auslese
schaltkreis bzw. die Ausleseelektronik oder die Bauelemente
der Ausleseelektronik mit dem oder den Pixelelementen verbin
den. Der Träger bzw. das Substrat ist insbesondere ein Chip.
Dadurch ergibt sich eine besonders kostengünstige und beson
ders platzsparende Bauweise.
Das Pixelelement kann z. B. eine pyroelektrische Kondensator
struktur umfassen bzw. als solche ausgestaltet sein, die ins
besondere durch die Stützstrukturen im Träger mit der Ausleseelektronik
oder den Bauelementen der Ausleseelektronik e
lektrisch verbunden ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Infra
rotsensors, der insbesondere für hochauflösende Infrarot-
Detektoranordnungen geeignet ist, umfasst die Schritte: Be
reitstellen eines Trägers mit mikromechanisch hergestellten
Hohlräumen und einer Ausleseelektronik oder Bauelementen ei
ner Ausleseelektronik; Aufbringen eines Pixelelements auf die
Trägeroberfläche; und Herstellen einer elektrisch leitenden
Verbindung zwischen der Ausleseelektronik oder den Bauelemen
ten der Ausleseelektronik und dem Pixelelement; wobei die
Ausleseelektronik oder die Bauelemente der Ausleseelektronik
und das Pixelelement vertikal übereinander angeordnet werden,
und wobei sich die elektrisch leitende Verbindung durch den
Träger erstreckt.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann auf kostengünstige
Weise ein platzsparender Infrarotsensor hergestellt werden,
der eine hohe Auflösung in Infrarot-Detektorarrays ermög
licht, wobei dennoch eine hohe Festigkeit bzw. Stabilität des
Infrarotsensors erzielt wird.
Insbesondere erstreckt sich dabei die elektrisch leitende
Verbindung von der Ausleseelektronik oder den Bauelementen
der Ausleseelektronik des Trägers zur Trägeroberfläche. Dabei
sind die Kontaktflächen des Ausleseschaltkreises z. B. im In
neren des Trägers angeordnet.
Vorteilhafterweise wird das erfindungsgemäße Verfahren mit
Techniken der Mikromechanik bzw. der Oberflächenmikromechanik
durchgeführt. Dadurch können z. B. Stützstrukturen und/oder
Isolierungen zur Verminderung des Übersprechens zwischen ein
zelnen Pixeln hergestellt werden.
Insbesondere kann zur Herstellung des Trägers eine Schicht
folge auf das Substrat aufgebracht werden, in die beispiels
weise ein oder mehrere Metallstrukturen zur Stützung der Trä
geroberfläche und zur elektrischen Kontaktierung der Auslese
elektronik oder der Bauelemente der Ausleseelektronik von der
Trägeroberfläche eingebracht werden.
Bevorzugt wird eine Hilfsschicht innerhalb des Trägers z. B.
unterhalb einer Membran selektiv geätzt, um einen Hohlraum im
Träger auszubilden. Dabei wird der Hohlraum vorteilhafterwei
se bei ausreichend niedrigem Druck verschlossen. Dies kann
möglicherweise im Vakuum bzw. unter Vakuumbedingungen gesche
hen. Dadurch werden Kosten eingespart, die ansonsten durch
ein notwendiges Vakuumgehäuse für den Infrarotsensor entste
hen würden. Die Pixelelemente werden durch diese Maßnahmen
sehr gut thermisch isoliert, so dass eine noch dichtere An
ordnung der Infrarotsensoren im Detektorarray möglich wird,
wobei dennoch eine gute Auflösung gewährleistet ist.
Vorteilhafterweise wird auf dem Träger eine Schichtfolge zur
Bildung eines pyroelektrischen Kondensators aufgebracht, der
das Pixelelement bildet, wobei der Kondensator bzw. das Pi
xelelement z. B. über eine oberflächenmikromechanisch herge
stellte Stützstruktur innerhalb des Trägers mit der Auslese
elektronik oder den Bauelementen der Ausleseelektronik kon
taktiert wird.
Die Vorteile, Merkmale und Details der Erfindung, die unter
Bezugnahme auf das Verfahren zur Herstellung des IR-Sensors
angegeben werden, gelten selbstverständlich auch für den erfindungsgemäßen
Infrarotsensor selbst, ebenso wie Vorteile
und Merkmale des Infrarotsensors auch für das erfindungsgemä
ße Verfahren zu seiner Herstellung gelten.
Nachfolgend wird zunächst die Herstellung eines erfindungsge
mäßen Infrarotsensors bzw. eines hochauflösenden pyroelektri
schen IR-Detektorarrays beispielhaft beschrieben, und an
schließend wird der IR-Sensor selbst anhand der hergestellten
Struktur beispielhaft beschrieben. Dabei zeigen
Fig. 1a und 1b in schematischer Darstellung die einzelnen
Schritte bei der Herstellung des Infrarotsensors
gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Er
findung, wobei der Aufbau in den einzelnen Her
stellungsphasen mit A bis T gekennzeichnet ist.
In Fig. 1a wird von einem Wafer 1 ausgegangen, der mit einer
Ausleseelektronik bzw. Ausleseschaltung oder Teilen davon
versehen ist. An der Oberfläche des Wafers 1 sind metallische
Kontaktflächen 2 in Form von Pads ausgebildet. Der Wafer 1
bildet ein Substrat, das die Ausleseelektronik oder Bauele
mente der Ausleseelektronik enthält, wobei die Kontaktflächen
2 zur Kontaktierung der Ausleseelektronik bzw. Halbleiter
schaltung oder der Bauelemente der Ausleseelektronik dienen.
Auf den so bereitgestellten Wafer können weitere Schichtfol
gen aufgebracht werden. (A)
Nun wird eine Passivierung 3 auf die Oberfläche des Substrats
bzw. Wafers 1 aufgebracht, wobei die Passivierung 3 die Kon
taktflächen 2 bzw. Pads überdeckt. Die Passivierung 3 ist
vorzugsweise durch eine oder mehrere Nitridschichten bzw. Si-
Nitrid-Schichten gebildet. Die obere Silizium-Nitridschicht
der Passivierung 3 dient als Ätzstop für eine spätere Hohlraumätzung
oberhalb der Passivierung 3, so dass das darrun
terliegende Substrat 1 nicht angegriffen wird. (B)
In dem nun folgenden Prozessschritt wird auf die Nitrid
schicht der Passivierung 3 eine Hilfsschicht 4 aufgebracht,
die beispielsweise eine Plasmaoxidschicht ist. Die Plasmao
xidschicht bzw. Hilfsschicht 4 ist z. B. eine 0,5 µm dicke
Schicht, die zur späteren Herstellung einer Stützstruktur mit
einem integrierten elektrischen Kontakt bzw. Leiter dient.
Die Hilfsschicht 4 bildet eine Opferschicht für die spätere
Hohlraumätzung. (C)
Nun wird auf das Plasmaoxid der Hilfsschicht 4 eine weitere
Schicht als Membran 5 aufgebracht. Die Membranschicht bzw.
Membran 5 ist beispielsweise eine Si-Nitridschicht und hat z. B.
eine Stärke von etwa 0,2 µm. (D)
Anschließend werden in die auf dem Substrat oder Wafer 1 auf
gebrachten Schichten Kontaktlöcher 5a geätzt, die bis auf die
Aluminiumpads bzw. Kontaktflächen 2 der Ausleseelektronik
reichen und diese kontaktieren. Das jeweilige Kontaktloch 5a
wird senkrecht von der Oberseite der Membran 5 nach unten hin
senkrecht zur Substratoberfläche ausgebildet. Der Durchmesser
des jeweiligen Kontaktlochs 5a beträgt beispielsweise 1 bis 2 µm.
(E) und (F)
Anschließend werden die Kontaktlöcher 5a mit einem elektrisch
leitenden Material bzw. einem Metall aufgefüllt, wobei vor
teilhafterweise Wolfram verwendet wird. Das Wolfram kann bei
spielsweise in einem CVD-Prozeß (Chemical Vapor Deposition)
abgeschieden werden. Das elektrisch leitende Material in den
Kontaktlöchern 5a reicht von der Oberfläche der Membran 5
säulenartig hinab bis auf die Oberfläche der Kontaktflächen
2, so dass es einen durchgehenden elektrischen Kontakt von
der Oberfläche der so gebildeten Struktur zu den im Inneren
der Struktur gelegenen Kontaktflächen 2 bildet. Nach dem Fül
len der Kontaktlöcher mit dem Metall bzw. Wolframmetall be
findet sich eine Metallschicht 6 auf der Oberfläche der Memb
ran 5. (G)
Nun wird das Metall bzw. Wolfram, das sich auf der Oberfläche
der Membran 5 befindet, entfernt oder über eine FT struktu
riert. (H)
Der nächste Schritt umfasst die Ätzung von weiteren Löchern
5b in die Membran 5 aus Silizium-Nitrid. Die Öffnungen bzw.
Löcher 5b durchdringen die Membran 5 vollständig über ihre
gesamte Dicke, so dass eine Verbindung von außen zu der
Hilfsschicht 4 entsteht. (K)
Als nächster Schritt erfolgt eine Hohlraumätzung, wobei die
Hilfsschicht 4 bzw. Plasmaoxidschicht zwischen den Si-
Nitridschichten, d. h. zwischen der Passivierung 3 und der
darüberliegenden Membran 5, zum Teil herausgeätzt wird. Der
Ätzprozess wird dabei so geführt, dass um das Wolfram in den
Kontaktlöchern 5a Si-Oxid stehen bleibt. Es entsteht ein
Hohlraum 7 in der Hilfsschicht 4 unterhalb der Löcher 5b. Das
Wolfram in den Kontaktlöchern 5a, die zu beiden Seiten des
Hohlraums 7 ausgebildet sind, bildet eine Metallstruktur 6a,
die als Durchkontaktierung dient. Durch das verbleibende Ma
terial der Hilfsschicht 4 an den Metallstrukturen 6a wird das
Metall bzw. Wolfram vor einem Ätzangriff geschützt. Nun wer
den die Ätzlöcher 5b in der Membran 5 mit einem geeigneten
Material mittels der bekannten Verfahren verschlossen. Das
Verschlussmaterial bildet eine Verschluss- bzw. Membran
schicht 8, auf der anschließend eine Verdrahtung elektrischer
Bauelemente z. B. mittels Phototechnik durchgeführt werden
kann. (L)
Durch die erfolgte Ätzung durch das Oxid auf die Wolframkon
takte bzw. W-Plugs ergibt sich eine sehr platzsparende, CMOS
kompatible Oberflächenmikromechanikstruktur mit einem vom In
nenraum auf die Waferoberfläche geführten Kontakt. Der Kon
takt bildet eine elektrische Leitung, die sich senkrecht zur
Waferebene erstreckt und die unterhalb der Waferoberfläche
gelegene, im Wafer integrierte Ausleseschaltung beziehungs
weise deren Bauelemente kontaktiert.
Nun erfolgen die weiteren Prozessschritte, durch die pyroe
lektrische Pixel auf den bereitgestellten thermisch isolie
renden Strukturen definiert werden. Zunächst wird dabei in
einem ersten Schritt ganzflächig auf die Membranschicht 8 ei
ne Platinschicht aufgebracht, die eine untere Elektrode 9
bildet. Für die Elektrode können auch andere Materialien die
nen. Beispielsweise kann eine Ir-Schicht anstelle einer Pt-
Schicht als untere Elektrode 9 verwendet werden. Die Dicke
der unteren Elektrode 9 liegt typischerweise im Bereich zwi
schen 50 und 300 nm. (M)
Auf die Pt-Elektrode bzw. untere Elektrode 9 wird eine
Schicht 10 aus pyroelektrischem Material durch ein Sputter
verfahren aufgebracht. Als pyroelektrisches Material wird PZT
(Bleizirkonattitanat) verwendet. Das Aufbringen der ferro
elektrischen PZT-Schicht 10 erfolgt in sauerstoffhaltiger At
mosphäre bei Temperaturen zwischen ca. 450°C und 550°C. (N)
Anschließend wird auf die PZT-Schicht 10 mit einem lift-off
Prozess eine obere Elektrode 11 aufgebracht, die aus einer
CrNi-Schicht gebildet wird. Die CrNi-Elektrode bzw. obere Elektrode
11 hat eine Dicke von ca. 20-50 nm und absorbiert
Infrarotstrahlung optimal in einem Wellenlängenbereich von 10
Mikrometer. (O)
Der nächste Schritt umfasst die Strukturierung der ferro
elektrischen PZT-Schicht 10 mit einem RIE-Prozess (Reactive-
Ion-Etching). Hierbei handelt es sich um ein anisotropes phy
sikalisches Trockenätzen. Die Größe eines so definierten Pi
xels ist etwa 50 mal 50 µm2, wobei die PZT-Schicht 10 eine
Dicke von etwa 1 µm aufweist. (P).
Die untere Elektrode 9 wird dabei ebenfalls mit einem RIE-
Prozess strukturiert. Die strukturierte untere Elektrode 9,
die ferroelektrische PZT-Schicht 10 und die obere Elektrode
11 bilden eine pyroelektrische Kondensatorstruktur, die auf
der Oberflächenstruktur des Wafers 1 aufgebracht ist. (Q)
Die nächsten Schritte umfassen den Anschluss dieses Kondensa
tors an den unterhalb gelegenen Ausleseschaltkreis. Hierzu
wird zunächst seitlich an der ferroelektrischen Schicht 10
ein Isolator 12 angebracht. Der Isolator 12 erstreckt sich
seitlich über die Kanten der oberen Elektrode 11 und der un
teren Elektrode 9. (R)
Nun werden in die Membranschicht 8 Löcher 8a geätzt, so dass
die säulenartigen Metallstrukturen 6a bzw. Wolfram-Plugs ge
öffnet bzw. frei gelegt werden. D. h., die Löcher 8a werden
direkt oberhalb der Metallstrukturen 6a angeordnet. (S)
Anschließend wird zur Kontaktierung der unteren und oberen
Elektrode 9,11 eine Metallisierung 13 aufgebracht, die eine
elektrisch leitende Verbindung der jeweiligen Elektrode 9
bzw. 11 zur zugeordneten säulenartigen Metallstruktur 6a bildet.
In der hier gezeigten, schematisch dargestellten Anord
nung erstreckt sich die Metallisierung 13 zum einen zwischen
der unteren Elektrode 9 und der in der Figur links angeordne
ten Metallstruktur 6a, und zum anderen zwischen der oberen
Elektrode 11 und der in der Figur rechts angeordneten Metall
struktur 6a. Dadurch sind elektrische Kontakte von den Elekt
roden 9, 11 zu den darunter liegenden Kontaktflächen 2 der
darunter liegenden Ausleseelektronik bzw. Halbleiterschaltung
oder von den Bauelementen der Ausleseelektronik hergestellt.
Die Metallisierungen 13 können z. B. aus Aluminium, Ti/Pt/Au
oder auch aus Cr/Au bestehen. Die Dicke dieser Kontakte, die
beispielsweise mit der lift-off Technik strukturiert werden,
liegt im Bereich zwischen 400 und 600 Nanometer. (T)
Der im Abschnitt (T) von Fig. 1b dargestellte Infrarotsensor
umfasst einen Träger 20, der durch eine Oberflächenmikrome
chanikstruktur mit auf die Waferoberfläche geführten Kontak
ten gebildet wird. Auf dem Träger 20 ist ein Pixelelement 30
in Form einer pyroelektrischen Kondensatorstruktur angeord
net, die durch die untere und obere Elektrode 9, 11 mit der
dazwischen angeordneten PZT-Schicht 10 gebildet wird.
Eine Ausleseelektronik bzw. ein Ausleseschaltkreis, der in
den Figuren nicht explizit dargestellt ist, ist in den Träger
20 integriert und an das zugehörige Pixelelement 30 gekop
pelt. Der Ausleseschaltkreis und das Pixelelement 30 sind da
bei übereinander angeordnet bzw. in vertikaler Anordnung aus
gestaltet. Senkrecht geführte elektrische Leitungen in Form
von säulenartigen Metallstrukturen 6a, die sich durch den
Träger 20 erstrecken, verbinden die Ausleseelektronik mit dem
darüber liegenden Pixelelement 30. Dadurch erfolgt die Kon
taktierung der unterhalb der Chipoberfläche gelegenen Ausleseelektronik
an der Chipoberfläche in unmittelbarer Nähe des
darüber liegenden Sensor- bzw. Pixelelements 30.
Die Metallstrukturen 6a bilden jeweils eine Stützstruktur,
und dienen sowohl zur Abstützung des Pixelelements 30 an der
Oberfläche der Membran 8, als auch zur Kontaktierung der je
weiligen bzw. zugehörigen Ausleseschaltung oder von Bauele
menten davon. Der Hohlraum 7 in der Plasmaoxidschicht 4 bzw.
im Träger 20 dient zur thermischen Isolation des Pixelele
ments 30 und ist direkt unterhalb des Pixelelements 30 vorge
sehen.
In einem IR-Detektorarray sind eine Vielzahl derartiger IR-
Sensoren in hoher Dichte angeordnet, wobei die IR-Sensoren
z. B. in einem einzigen Wafer ausgestaltet sind.
Claims (15)
1. Infrarotsensor, insbesondere für hochauflösende Infra
rot-Detektoranordnungen, mit einem Träger (20), auf dem
mindestens ein Pixelelement (30) zur Detektion von Inf
rarotstrahlung angeordnet ist, und
einer in den Träger (20) integrierten Ausleseelektronik oder Bauelementen einer solchen Ausleseelektronik, der/die an das Pixelelement (30) gekoppelt ist/sin,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Ausleseelektronik oder die Bauelemente der Aus leseelektronik und das Pixelelement (30) in vertikaler Anordnung ausgebildet sind, wobei der Träger (20) eine Mikromechanikstruktur enthält.
einer in den Träger (20) integrierten Ausleseelektronik oder Bauelementen einer solchen Ausleseelektronik, der/die an das Pixelelement (30) gekoppelt ist/sin,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Ausleseelektronik oder die Bauelemente der Aus leseelektronik und das Pixelelement (30) in vertikaler Anordnung ausgebildet sind, wobei der Träger (20) eine Mikromechanikstruktur enthält.
2. Infrarotsensor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass in dem
Träger (20) eine oberflächenmikromechanisch hergestellte
Stützstruktur (4, 6a) zur Verminderung des Übersprechens
zwischen einzelnen Pixelelementen (30) vorgesehen ist.
3. Infrarotsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, dass eine Metallstruktur
(6a) in die Stützstruktur (4, 6a) integriert ist, die
einen vertikal geführten elektrischen Kontakt vom Pixel
element (30) zur Ausleseelektronik oder zu den Bauele
menten der Ausleseelektronik bildet.
4. Infrarotsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass im Trä
ger (20) ein Hohlraum (7) zur thermischen Isolation des
Pixelelements (30) vorgesehen ist.
5. Infrarotsensor nach Anspruch 4, dadurch
gekennzeichnet, dass der Hohlraum (7) eva
kuiert ist.
6. Infrarotsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der
Träger (20) eine CMOS-kompatible Oberflächenmikromecha
nikstruktur mit einem vom Trägerinnenraum auf die Trä
geroberfläche vertikal bzw. senkrecht zur Waferoberflä
che geführten Kontakt enthält.
7. Infrarotsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der
Träger (20) aus einem Substrat (1), das eine Auslese
elektronik oder Bauelemente einer Ausleseelektronik auf
weist, und einer aufgebrachten Schichtfolge (3, 4, 5, 8)
gebildet ist, wobei in der Schichtfolge ein abgeschlos
sener Hohlraum (7) mit ein oder mehreren elektrisch lei
tenden Stützstrukturen (4, 6a) ausgestaltet ist, die die
Ausleseelektronik oder die Bauelemente der Ausleseelekt
ronik mit dem mindestens einen Pixelelement (30) verbin
den.
8. Infrarotsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das Pi
xelelement (30) eine pyroelektrische Kondensatorstruktur
umfasst, die durch Stützstrukturen (4, 6a) im Träger
(20) mit der Ausleseelektronik oder den Bauelementen der
Ausleseelektronik elektrisch verbunden ist.
9. Verfahren zur Herstellung eines Infrarotsensors für
hochauflösende Infrarot-Detektoranordnungen, mit den
Schritten:
Bereitstellen eines Trägers (20) mit mikromechanisch hergestellten Hohlräumen und mit einer Ausleseelektroni uk oder Bauelementen einer Ausleseelektronik;
Aufbringen eines Pixelelements (30) auf die Trägerober fläche; und
Herstellen einer elektrisch leitenden Verbindung zwi schen dem Ausleseschaltkreis und dem Pixelelement (30);
dadurch gekennzeichnet,
dass die Ausleseelektronik oder die Bauelemente der Aus leseelektronik und das Pixelelement (30) vertikal über einander angeordnet werden, wobei sich die elektrisch leitende Verbindung durch den Träger (20) erstreckt.
Bereitstellen eines Trägers (20) mit mikromechanisch hergestellten Hohlräumen und mit einer Ausleseelektroni uk oder Bauelementen einer Ausleseelektronik;
Aufbringen eines Pixelelements (30) auf die Trägerober fläche; und
Herstellen einer elektrisch leitenden Verbindung zwi schen dem Ausleseschaltkreis und dem Pixelelement (30);
dadurch gekennzeichnet,
dass die Ausleseelektronik oder die Bauelemente der Aus leseelektronik und das Pixelelement (30) vertikal über einander angeordnet werden, wobei sich die elektrisch leitende Verbindung durch den Träger (20) erstreckt.
10. Verfahren nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet dass es mit
Techniken der Mikromechanik, insbesondere der Oberflä
chenmikromechanik, durchgeführt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10,
dadurch gekennzeichnet, dass zur
Herstellung des Trägers (20) eine Folge von Schichten
(3, 4, 5, 8) auf ein Substrat (1) aufgebracht wird, in
die ein oder mehrere Metallstrukturen (6a) eingebracht
werden, die zur Stützung der Trägeroberfläche und zur e
lektrischen Kontaktierung der Ausleseelektronik oder der
Bauelemente der Ausleseelektronik von der Trägeroberflä
che aus dienen.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, dass eine
Hilfsschicht (4) innerhalb des Trägers (20) unterhalb
einer Membran (5, 8) selektiv geätzt wird, um einen
Hohlraum (7) im Träger (20) auszubilden.
13. Verfahren nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet, dass der
Hohlraum (7) bei ausreichend niedrigem Druck verschlos
sen wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, dass auf ei
ner Membranschicht (8) des Trägers (20) eine Schichtfol
ge (9, 10, 11) zur Bildung eines pyroelektrischen Kon
densators aufgebracht wird, der das Pixelelement (30)
bildet.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14,
dadurch gekennzeichnet, dass das Pi
xelelement (30) über eine oberflächenmikromechanisch
hergestellte Stützstruktur innerhalb des Trägers (20)
mit der Ausleseelektronik oder den Bauelementen der Aus
leseelektronik kontaktiert wird.
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