DE102005061411A1 - Mikromechanischer Thermopile-Sensor und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen mikromechanischen Thermopile-Sensor, der aufweist: DOLLAR A ein Substrat (1), DOLLAR A mindestens einen in dem Substrat (1) ausgebildeten Isolationsbereich, insbesondere porösen Bereich (4), DOLLAR A eine Thermopile-Struktur (13) aus mindestens zwei zumindest im wesentlichen vertikal verlaufenden Thermopile-Schenkeln (6, 8) aus elektrisch leitfähigen Materialien mit unterschiedlichen Seebeck-Koeffizienten, wobei die Thermopile-Schenkel (6, 8) durch einen an der Substrat-Vorderseite (1a) ausgebildeten vorderen Kontakt (11) miteinander kontaktiert sind, und DOLLAR A mindestens eine sich vertikal durch den mindestens einen Isolationsbereich (4) erstreckende Ausnehmung (3), die sich von der Substrat-Vorderseite (1a) bis zur Substrat-Rückseite (1b) erstreckt und in der einer der sich vertikal erstreckenden Thermopile-Schenkel (8.9) ausgebildet ist.
Description
- Die Erfindung betrifft einen mikromechanischen Thermopile-Sensor und ein Verfahren zu seiner Herstellung.
- Mikromechanische Thermopile-Sensoren werden insbesondere in Infrarot(IR)-Sensoren verwendet, bei denen eine Absorberschicht auf einer Thermopile-Struktur aufgebracht ist und sich bei Absorption von IR-Strahlung erwärmt. Derartige Thermopile-Sensoren werden herkömmlicherweise auf einem monolithischen Halbleiterträger, d.h. einem Chip oder im Allgemeinen bereits auf dem Wafer, ausgebildet, indem in dem Substrat eine freitragende Membran oberhalb einer Kaverne ausgebildet wird, z.B. durch komplexe Beschichtungs- und Ätzverfahren. Das Festland bzw. der Bulk-Bereich stellt eine Wärmesenke dar, die im Allgemeinen die Temperatur der Umgebung annimmt. Die Thermopile-Struktur selbst wird durch ein Paar oder mehrere Paare von miteinander kontaktierten Schenkeln aus leitfähigen Materialien mit unterschiedlichem Seebeck-Koeffizienten gebildet. Die Schenkel sind elektrisch unterhalb des Absorbers thermisch und elektrisch kontaktiert und bilden aufgrund ihrer unterschiedlichen Seebeck-Koeffizienten am kalten Ende, d.h. im Festlandbereich zwischen sich eine Spannungsdifferenz aus.
- Die auf der Membran aufgetragene Absorberschicht und der von ihr bedeckte Kontakt der Thermopile-Struktur erwärmen sich in Abhängigkeit der einfallenden IR-Strahlung, so dass die Temperaturdifferenz zwischen dem Kontakt und den kalten Enden der Thermopile-Struktur und die hierdurch induzierte elektrische Spannung als Messsignal dient.
- Die Membran dient somit der thermischen Isolation der Absorberschicht und des von ihr bedeckten Kontaktes gegenüber dem Festlandbereich, so dass sie zur Gewinnung eines hohen Messsignals mit einer großen lateralen Ausdehnung ausgebildet wird. Die Membran wird hierzu aufwendig, im Allgemeinen durch mehrere Beschichtungsprozesse und mindestens einen Ätzprozess, ausgebildet. Eine großflächige, dünne Membran ist jedoch im Allgemeinen empfindlich bzw. fragil, so dass insbesondere das nachträgliche Deponieren des Absorbers auf der Membran zu einem Membranbruch führen kann.
- Die
DE 103 15 963 A1 zeigt einen derartigen Thermopile-Sensor, bei dem die infrarotabsorbierende Schicht mittels eines Tintenspritzverfahrens abgetragen wird. - Somit erfordern mikromechanische Thermopile-Sensoren einen erheblichen Flächenbedarf. Für spektroskopische Untersuchungen ist zusätzlich zu dem Messkanal in der Regel ein Referenzkanal vorgesehen; für mehrkanalige Sensoren zur Messung mehrerer Konzentrationen bei unterschiedlichen Wellenlängen und für die Ausbildung von Arrays für bildgebende Verfahren ist somit ein erheblicher Flächenbedarf bei erheblichen Herstellungskosten erforderlich.
- Vorteile der Erfindung
- Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die Thermopile-Struktur mit den beiden Thermopile-Schenkeln nicht horizontal, sondern vertikal durch das Substrat bzw. den Halbleiterträger verlaufen zu lassen. Hierdurch ergeben sich bereits mehrere Vorteile:
Der Flächenbedarf wird deutlich minimiert, wobei für die Thermopiles eine um 30 bis 100 % geringere Fläche als laterale Erstreckung neben der Absorberschicht erforderlich ist. Hierbei ist insbesondere auch eine Ausbildung vollständig unterhalb der Absorberschicht möglich, so dass der eigentliche Thermopile-Sensor keinen weiteren lateralen Flächenbedarf erfordert. Entsprechend kann die Absorberschicht bzw. die aktive Pixelfläche erhöht werden, so dass ein höheres Messsignal erreichbar ist. Somit kann erfindungsgemäß bei kleinerer Fläche ein Sensor mit erhöhter Sensitivität ausgebildet werden. - Da erfindungsgemäß die freitragende, fragile Membran entfällt, kann der erfindungsgemäße Thermopile-Sensor robuster bzw. stabiler ausgebildet sein. Der Sensor ist somit gegenüber den Umgebungsbedienungen weniger empfindlich; insbesondere kann ein Bruch der Membran beim Auftragen der Absorberschicht vermieden werden, so dass die Absorberschicht auch mit herkömmlichen Verfahren schnell und sicher aufgetragen werden kann.
- Die erforderliche Wärmeisolation kann bei der erfindungsgemäßen vertikalen Thermopile-Struktur insbesondere durch Ausbildung mindestens eines porösen Bereichs erreicht werden. Hierzu werden zunächst die zumindest im Wesentlichen vertikalen, vorzugsweise genau vertikalen Ausnehmungen durch z.B. ein Trench-Verfahren ausgebildet und der Bereich um jede Ausnehmung nachfolgend porosifiziert, z.B. durch ein elektrochemisches Ätzverfahren in einem Flusssäure-Elektrolyten. Hierbei kann vorzugsweise ein mehrere Ausnehmungen erfassender größerer Bereich porosifiziert werden, in dem jedoch auch Säulen des monokristallinen Substratmaterials verbleiben können, die – bei geeigneter Dotierung – nachfolgend als weitere Schenkel dienen können.
- Durch Oxidation, Nitridation oder ähnliche chemische Reaktionen kann die Wärmeisolation des porösen Bereichs nachfolgend deutlich erhöht werden. Es bildet sich somit ein poröser Bereich mit vertikalen Ausnehmungen, die voneinander thermisch und elektrisch isoliert sind, so dass nachfolgend die Materialien mit unterschiedlichen Seebeck-Koeffizienten in diese Aus nehmungen eingefüllt werden können und ein Bodenbereich unterhalb der Ausnehmungen abgetragen, z.B. mechanisch abgeschliffen werden kann.
- Somit ist mit relativ geringem Aufwand eine kompakte Ausbildung einer vertikalen Struktur mit einer hohen Anzahl von Thermopile-Schenkeln möglich, die nachfolgend in geeigneter Weise paarweise kontaktiert werden können, so dass auf die Vorderseite nachfolgend die Absorberschicht aufgetragen werden kann.
- Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren kann somit mit Standardprozessen ausgebildet werden; es ist schnell durchführbar, wobei die Gefahr einer ungewollten Beschädigung sowohl beim Trenchprozess als auch beim elektrochemischen Porosifizieren relativ gering ist. Beim Aufbringen der Absorberschicht besteht keine wesentliche Gefahr einer Beschädigung der robusten Struktur aus Thermopile-Schenkeln und porösem Bereich.
- Ausführungsbeispiele:
- Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungen an einigen Ausführungsformen erläutert. Die Figuren zeigen die Prozessschritte der Herstellung eines erfindungsgemäßen Sensors:
-
1 die Schritte des Aufbringens einer Maske und Ausbildung der Ausnehmungen im Querschnitt; -
2 den Schritt der Porosifizierung im Querschnitt; -
3 eine Aufsicht auf3 gemäß einer Ausführungsform; -
4 eine der4 entsprechenden Aufsicht gemäß einer alternativen Ausführungsform, -
5 den Schnitt V-V aus4 mit dem nachfolgenden Schritt der Einbringung leitfähiger Materialien als Thermopile-Schenkel; -
6 die nachfolgende Kontaktierung der Thermopile-Schenkel. - Zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Sensors wird gemäß
1 zunächst in einem Substrat1 bzw. Halbleiterträger1 aus Silizium eine Maske2 aufgebracht, strukturiert und anschließend Ausnehmungen3 ausgebildet. Die Ausnehmungen3 können z.B. mittels eines Trenchprozesses ausgebildet werden und erstrecken sich vertikal von der Vorderseite1a in das Substrat1 , jedoch nicht vollständig bis zur Rückseite1b , so dass ein Boden5 verbleibt. - In einem anschließenden Prozessschritt wird diese Struktur gemäß den
3 bis5 mittels elektrochemischen Ätzens in einem flusssäurehaltigen Elektrolyten porosifiziert, so dass sich in dem Substrat1 mindestens ein poröser Bereich4 ausbildet, der sich von der Vorderseite1a bis zur Rückseite1b des Substrates1 erstreckt und in lateraler Richtung sämtliche Ausnehmungen3 erfasst. Hierzu wird der Elektrolyt in die Ausnehmungen3 eingegeben, so dass er das Substratmaterial von den Wänden der Ausnehmungen3 her porosifiziert. - Erfindungsgemäß wird hierbei gemäß
2 vorteilhafterweise ein durchgängiger poröser Bereich4 ausgebildet werden; es können jedoch grundsätzlich auch mehrere, lateral voneinander getrennte poröse Bereiche4 ausgebildet werden. Gemäß der Ausführungsform der4 können in dem porösen Bereich4 sich in vertikaler Richtung durchgängig erstreckende einkristalline Substrat-Bereiche6 verbleiben, der nachfolgend – wie weiter unten beschrieben wird – genutzt werden kann. Es entstehen somit regelmäßige Anordnungen von Ausnehmungen3 und gegebenenfalls säulenförmigen Substrat-Bereichen6 , die durch das poröse Silizium thermisch und elektrisch voneinander entkoppelt sind. - Das poröse Silizium des porösen Bereichs
4 kann gemäß einer weiteren Ausführungsform nachfolgend auch verändert, insbesondere oxidiert werden. Es bilden sich somit poröses Siliziumdioxid, das eine reduzierte Wärmeleitfähigkeit und höhere elektrische Isolation aufweist. - In einem nachfolgenden Prozessschritt werden die Ausnehmungen
3 mit aktiven Materialen bzw. elektrisch leitfähigen Materialen aufgefüllt. Die Materialien können z.B. ein oder mehrere Materialien mit unterschiedlichen Seebeck-Koeffizienten aus folgender Gruppe sein:
dotiertes Polysilizium, dotiertes Silizum-Germanium, ein Metall, z.B. Aluminium. - Diese Materialien bilden im fertigen Aufbau Thermoschenkel
8 ,9 des Thermopiles bzw. der mehreren Thermopiles, wobei jeweils zwei zu kontaktierende Thermoschenkel8 ,9 unterschiedliche Seebeck-Koeffizienten aufweisen. Der in4 gezeigte einkristalline Bereich6 kann bei geeigneter Wahl der Substratdotierung direkt als einer dieser Schenkel mitverwendet werden. Indem jeweils ein Substrat-Bereich6 als ein Schenkel jedes Thermopiles dient, kann grundsätzlich auch nur ein einheitliches Material in die Ausnehmungen3 eingegeben werden, so dass hierzu nur ein Prozessschritt erforderlich ist. - Die Auffüllung der Ausnehmungen
3 kann beispielsweise mittels LPCVD-Prozessen oder auch mit Galvanik oder Atomic-Layer-Deposition erfolgen. Die Auffüllung kann hierbei wie in5 dargestellt vollständig erfolgen; alternativ hierzu ist es jedoch auch möglich, das lediglich eine dünne Wandschicht im Bereich von z.B. 100 nm deponiert wird. Dies reduziert den Wärmeabfluss von der Vorderseite1a des Substrates1 zur Rückseite1b und ist insbesondere bei Einbringung des thermisch sehr leitfähigen Aluminiums sinnvoll. - Nachfolgend erfolgt zur rückseitigen Kontaktierung ein Rückschliff an der Rückseite
1b des Substrates1 , so dass gemäß6 der Boden5 unter den Schenkeln6 ,8 ,9 entfernt wird und die Schenkel6 ,8 ,9 sich nunmehr bis zur Rückseite erstrecken, so dass sie an der Vorderseite1a und der Rückseite1b mittels Kontakten11 ,12 kontaktiert werden können. In6 ist der Teil einer Reihenschaltung aus mehreren Thermopile-Strukturen gezeigt, wobei an der Vorderseite1a „heiße" Kontakte11 zur Ausbildung einer Thermopile-Struktur13 aus zwei Thermopile-Schenkeln (in6 die Schenkel8 und6 ) und an der Ruckseite1b „kalte Kontakte"12 zur Reihenschaltung mehrerer Thermopile-Strukturen13 ausgebildet werden. Somit kann ein Thermopile-Array gebildet werden und die sich einstellende elektrische Spannung an zusätzlichen Anschlusskontakten abgegriffen werden. - Auf der Vorderseite
1a wird nachfolgend eine Absorberschicht14 zur Absorption von IR-Strahlung, z.B. ein Metallsalz oder eine Suspension mit Metallsalz- oder Graphit-Partikeln bereichsweise derartig deponiert, dass es die Kontakte11 bedeckt. - Der in
6 dargestellte erfindungsgemäße Sensor15 weist somit vom grundsätzlichen Aufbau her mindestens eine vertikale Thermopile-Struktur13 aus zwei Thermopile-Schenkeln8 ,9 mit einem Kontakt11 auf, die von einer Absorberschicht14 bedeckt ist.
Claims (18)
- Mikromechanischer Thermopile-Sensor, der aufweist: ein Substrat (
1 ), mindestens einen in dem Substrat (1 ) ausgebildeten, thermisch und elektrisch isolierenden Isolationsbereich (4 ), eine Thermopile-Struktur (13 ) aus mindestens zwei zumindest im Wesentlichen vertikal verlaufenden Thermopile-Schenkeln (6 ,8 ,9 ) aus elektrisch leitfähigen Materialien mit unterschiedlichen Seebeck-Koeffizienten, wobei die Thermopile-Schenkel (6 ,8 ,9 ) durch einen an der Substrat-Vorderseite (1a ) ausgebildeten vorderen Kontakt (11 ) miteinander kontaktiert sind, und mindestens eine sich zumindest im Wesentlichen vertikal durch den mindestens einen Isolationsbereich (4 ) erstreckende Ausnehmung (3 ), die sich von der Substrat-Vorderseite (1a ) bis zur Substrat-Rückseite (1b ) erstreckt und in der einer der Thermopile-Schenkel (8 ,9 ) ausgebildet ist. - Mikromechanischer Thermopile-Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Isolationsbereich (
4 ) sich durchgängig von der Substrat-Vorderseite (1a ) bis zur Substrat-Rückseite (1b ) erstreckt. - Mikromechanischer Thermopile-Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Thermopile-Schenkel (
6 ) ein sich vertikal erstreckender Materialbereich des dotierten monokristallinen Halbleiter-Materials des Substrates (1 ) ist. - Mikromechanisches Thermopile-Sensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der sich vertikal erstreckenden Thermopile-Schenkel (
8 ,9 ) aus einem Material der folgenden Gruppe ausgebildet ist: Silizium-Germanium, dotiertes oder undotiertes polykristallines Silizium, ein Metall, z.B. Aluminium. - Mikromechanischer Thermopile -Sensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der thermisch und elektrisch isolierende Isolationsbereich (
4 ) ein poröser Bereich (4 ) aus porösem Material ist. - Mikromechanischer Thermopile -Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der poröse Bereich (
4 ) aus porosifiziertem Material des Substrates (1 ) gebildet ist. - Mikromechanischer Thermopile-Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der poröse Bereich (
4 ) eine chemische Verbindung, z. B. ein Oxid (SiO2), des porosifizierten Materials des Substrates (1 ) aufweist. - Mikromechanischer Thermopile-Sensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Substrat-Vorderseite (
1a ) eine Absorberschicht (14 ) aufgebracht ist, die den mindestens einen vorderen Kontakt (11 ) der mindestens einen Thermopile-Struktur (13 ) bedeckt. - Mikromechanischer Thermopile-Sensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Substrat-Rückseite (
1b ) mindestens ein Kontakt (12 ) zur Kontaktierung zweier Paare von Thermopile-Schenkeln (8 ,9 ) ausgebildet ist. - Mikromechanischer Thermopile-Sensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens einer Aus nehmung (
3 ) der Thermopile-Schenkel (8 ,9 ) aus leitfähigem Material lediglich eine Wandschicht bedeckt. - Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Thermopile-Sensors mit mindestens folgenden Schritten: Ausbilden eines thermisch und elektrisch isolierenden Isolationsbereichs (
4 ) in dem Substrat (1 ) mit von dem Isolationsbereich (4 ) umgebenen Ausnehmungen (3 ), Einfüllen von leitfähigem Material als Thermopile-Schenkel (8 ,9 ) in die Ausnehmungen (3 ), Freilegen der Enden der leitfähigen Materialbereiche (8 ,9 ), Kontaktieren von mindestens zwei Thermopile-Schenkeln (6 ,8 ,9 ) durch Ausbilden eines Kontaktes (11 ) auf der Substrat-Vorderseite (1a ) zu einer Thermopile-Struktur (13 ). - Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Ausbildens des Isolationsbereichs (
4 ) und der Ausnehmungen (3 ) folgende Schritte aufweist: Ausbilden von sich zumindest im Wesentlichen vertikal durch das Substrat (1 ) erstreckenden Ausnehmungen (3 ), und Porosifizieren zumindest der Innenwandbereiche der Ausnehmungen (3 ) derartig, dass jede Ausnehmung (3 ) in einem porösen Bereich (4 ) liegt. - Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Porosifizierung mittels elektrochemischen Ätzens in einem flusssäurehaltigen Elektrolyten durchgeführt wird.
- Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der poröse Bereich (
4 ) um mindestens einen sich vertikal durch das Substrat (1 ) erstreckenden monokristallinen Bereich (6 ) aus dotierten Halbleitermaterial herum ausgebildet wird und der monokristal line Bereich (6 ) nachfolgend als ein Thermopile-Schenkel (6 ) eines Thermopiles (13 ) kontaktiert wird. - Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Porosifizieren eine chemische Reaktion, z.B. Oxidation, des porösen Bereichs (
4 ) durchgeführt wird. - Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen von der Substrat-Vorderseite (
1a ) her bis zu einem Boden (5 ) oberhalb der Substrat-Rückseite (1b ) ausgebildet werden, nachfolgend der Boden (5 ) porosifiziert wird und beim Freilegen der Enden abgetragen wird. - Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass nachfolgend auf die Substrat-Vorderseite (
1a ) eine Absorberschicht (14 ) zur Absorption von IR-Strahlung aufgetragen wird, die die Thermopile-Struktur (13 ) bedeckt. - Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Paare von Thermopile-Schenkeln (
6 ,8 ,9 ) auf der Substrat-Rückseite (1b ) durch Ausbilden von Kontakten (12 ) in einer Reihenschaltung kontaktiert werden.
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