DE102006055263A1

DE102006055263A1 - Mikromechanischer Thermopile-Sensor und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE102006055263A1
Application number: DE102006055263A
Authority: DE
Inventors: Armin Hoechst; Alexander Graf
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-11-23
Filing date: 2006-11-23
Publication date: 2008-05-29

Abstract

Die Erfindung betrifft einen mikromechanischen Thermopile-Sensor (30), der mindestens aufweist: einen zumindest im Wesentlichen vertikal verlaufenden ersten leitfähigen Bereich (16) als ersten Thermopile-Schenkel aus einem ersten elektrisch leitfähigen Material, einen zumindest im Wesentlichen vertikal verlaufenden zweiten leitfähigen Bereich (11) als zweiten Thermopile-Schenkel aus einem zweiten elektrisch leitfähigen Material mit einem gegenüber dem ersten Material unterschiedlichen Seebeck-Koeffizienten, wobei die beiden leitfähigen Bereiche (11, 16) lateral zueinander beabstandet und in ihren oberen und/oder unteren Endbereichen elektrisch als Thermopile-Struktur (18) kontaktiert sind. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung des mikromechanischen Thermopile-Sensors (30).

Description

Stand der Technik
Thermopile-Sensoren werden im Allgemeinen mikromechanisch als Membransensoren zur Detektion von Infrarot-(IR)-Strahlung hergestellt. Hierzu werden zwei Thermopile-Schenkel als Leiterbahnen aus zwei Materialien mit unterschiedlicher Austrittsarbeit bzw. unterschiedlichem Seebeck-Koeffizienten kontaktiert; zur Erhöhung des Mess-Signals werden in der Regel mehrere paarweise kontaktierte Thermopile-Schenkel in Reihe geschaltet. Als Material für die Thermopile-Schenkel eignen sich z. B. Silizium in unterschiedlichen Dotierungen und/oder Aluminium; der Kontakt zwischen den Schenkeln kann über ein weiteres Material, z. B. Aluminium erfolgen.
Die beiden Thermopile-Schenkel haben in einem kalten und einem warmen Bereich Kontakt. Es bildet sich eine messbare Thermo-Spannung, die proportional zur Temperaturunterschied der beiden Bereiche ist.
Die DE 10 2004 006 698 A1 zeigt einen derartigen mikromechanischen Sensor, dessen freitragende Membran in einer Oxid-Schicht des Substrates aufgehängt ist, wobei als Thermopile-Struktur zwei zu dem mittleren Membranbereich geführte Leiterbahnen kontaktiert und mit einer Absorberschicht bedeckt sind.
Die Thermopiles werden als Leiterbahn auf einer freitragenden Membran hergestellt, die der thermischen Isolation gegenüber dem Substrat bzw. Bulk-Material dient. Durch die einfallende IR-Strahlung wird die Membran erwärmt, so dass ein Temperaturunterschied zwischen der freitragenden Membran und dem Substrat erzeugt wird. Diese Erwärmung ist im mittleren Membranbereich maximal, so dass die Thermopile-Schenkel in diesem mittleren Membranbereich als warme Kontaktierung miteinander kontaktiert werden; die kalte Kontaktierung erfolgt entsprechend im Substrat. Die Thermospannung zwischen den beiden Leiterbahnen bzw. den mehreren in Reihe geschalteten Thermopile-Schenkeln wird über eine Zuführ- und Abführleitung ausgelesen. Die Ausgangsspannung eines Thermopiles ist proportional der Anzahl der verbundenen Thermopile-Schenkel.
Aufgrund der horizontalen Anordnung der Thermopile-Schenkel auf der Membran werden die mehreren Thermopile-Schenkel lateral nebeneinander angeordnet; insbesondere die Zuleitungen zu dem mittleren Membranbereich beschränken hierbei die Packungsdichte. Die Anordnung einer hohen Anzahl von Thermopile-Schenkel ist aufgrund der begrenzten Packungsdichte im Allgemeinen nicht realisierbar, so dass das Ausgangssignal und somit die Empfindlichkeit des Sensors begrenzt ist. Weiterhin sind die freitragenden Membranen im allgemeinen empfindlich, was bei der Herstellung zu einer hohen Ausfallrate und im Betrieb zu Beschädigungen führen kann.
Offenbarung der Erfindung
Der Erfindung liegt der Gedanke zu Grunde, die Thermopile-Strukturen senkrecht bzw. vertikal zur Wafer-Oberfläche anzuordnen; die mindestens zwei Thermopile-Schenkel werden als zumindest im wesentlichen vertikale leitfähige Bereiche, vorzugsweise mit umgebenden Gräben, ausgebildet. Hierbei wird die kalte Kontaktierung im unteren Bereich der beiden Thermopile-Schenkel ausgebildet, z. B. durch eine unter den vertikalen Thermopile-Schenkeln angeordnete, strukturierte Kontaktschicht. Die oberen Enden der vertikalen Thermopile-Schenkel dienen als warme Kontaktierung, die der Erwärmung durch die einfallende IR-Strahlung ausgesetzt sind.
Durch die vertikale Anordnung der Thermopile-Schenkel ergeben sich mehrere Vorteile:
Es kann eine hohe Packungsdichte an Thermokontakten bzw. Thermopile-Schenkel-Paaren und somit eine hohe Signalstärke und hohe Empfindlichkeit des Thermopile-Sensors erreicht werden kann.
Hierbei ist der Platzbedarf gering, so dass zum einen Kostenvorteile gegenüber herkömmlichen, horizontalen Anordnungen auftreten; weiterhin kann eine höhere örtliche Auflösung erreicht werden, z. B. bei einem Sensorarray, wie es bei Infrarot-Kameras eingesetzt wird.
Die Thermopile-Schenkel werden vorteilhafterweise als genau vertikale Säulen bzw. Stege hergestellt, da derartige vertikale Strukturen insbesondere durch einen Trenchprozess sehr genau herstellbar sind. Erfindungsgemäß sind jedoch grundsätzlich auch gewisse Neigungen der Thermopile-Schenkel gegenüber der Vertikalen möglich.
Um eine gute thermische Isolation der vertikalen, säulenartigen Thermopile-Schenkel zu erreichen, werden die zwischen ihnen ausgebildeten Gräben vorteilhafterweise nicht aufgefüllt, sondern die Struktur an ihrer Oberseite durch eine Verschlussschicht verschlossen. Die die Thermopile-Schenkel umgebenden Gräben sind somit gegenüber dem Außenraum getrennt, vorzugsweise vollständig verschlossen oder auch mit Öffnungen versehen. Auf der Verschlussschicht kann hierbei eine obere Kontaktschicht zur Kontaktierung der Thermopile-Schenkel aufgebracht und strukturiert werden, um eine Zuleitung zu den Thermopile-Schenkeln und die Reihenschaltung mehrerer Thermopile-Schenkel zu ermöglichen.
Auf der durch die Verschlussschicht und die obere Kontaktschicht ausgebildeten Membran kann eine Absorberschicht zur Absorption der IR-Strahlung aufgetragen werden. Die Membran wird hierbei von unten durch die säulenartigen, belastbaren Thermopile-Schenkel getragen und ist somit nicht so fragil wie herkömmliche, freitragende Membranen von horizontalen Thermopile-Strukturen, die lediglich in ihren seitlichen Bereichen eingespannt sind. Somit kann eine höhere Belastbarkeit und bei der Herstellung eine höhere Ausbeute erreicht werden.
Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren kann insbesondere Trenchprozesse verwenden. Hierzu kann zunächst auf einem Substrat ein Untergrund, insbesondere eine untere Ätzstoppschicht ausgebildet werden, um bei den nachfolgenden Trenchprozessen eine definierte untere Begrenzung zu schaffen; weiterhin bewirkt die untere Ätzstoppschicht auch eine galvanische Trennung der Kontaktschicht vom Substrat. Grundsätzlich sind jedoch auch hier Verfahren mit Zeitsteuerung ohne die untere Ätzstoppschicht möglich. Auf der unteren Ätzstoppschicht bzw. einer anderen Unterlage wird vorzugsweise zunächst eine untere Kontaktschicht aus leitfähigem Material aufgebracht und strukturiert, um die nachfolgende untere, „kalte" Kontaktierung der Thermopile-Schenkel zu ermöglichen, wobei diese Kontaktschicht grundsätzlich aus dotiertem polykristallinem Silizium-Material oder z. B. Metall ausgebildet werden kann. Auf der Kontaktschicht wird nachfolgend vorzugsweise eine obere Ätzstoppschicht aufgetragen und strukturiert, die später die darunter liegende Kontaktschicht schützt.
Anschließend werden die beiden Thermopile-Schenkel ausgebildet. Diese Ausbildung erfolgt in einer nachfolgend abgeschiedenen Funktionsschicht. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird einer der beiden Thermopile-Schenkel in dieser Funktionsschicht selbst ausgebildet, so dass auf der oberen Ätzstoppschicht zunächst eine erste leitfähige Thermopile-Schicht als Funktionsschicht konform abgeschieden wird, in der nachfolgend durch z. B. einen Trenchprozess Gräben für die zweiten Thermopile-Schenkel ausgebildet werden, in denen leitfähiges Material als zweite Thermopile-Schenkel abgeschieden wird. Die Strukturierung der ersten Thermopile-Schenkel aus der leitfähigen Thermopile-Schicht kann nachfolgend zusammen mit der Freilegung der zweiten Thermopile-Schenkel erfolgen.
Alternativ hierzu können jedoch grundsätzlich auch beide Thermopile-Schenkel durch Trenchprozesse mit nachfolgendem Abscheiden von leitfähigem Material in der aufgetragenen Funktionsschicht ausgebildet werden. In diesem Falle kann auf die Kontaktschicht statt einer ersten leitfähigen Thermopile-Schicht auch ein anderes Material aufgetragen werden, da diese Funktionsschicht letztlich nur als Opferschicht zur Ausbildung der beiden Thermopile-Schenkel dient.
Bei der Ausbildung des zweiten Thermopile-Schenkels bzw. beider Thermopile-Schenkel durch Auffüllen der Gräben können bei einem LPCVD-Verfahren Lunker auftreten, die jedoch die Leitfähigkeit der säulenartigen Thermopile-Schenkel nicht beeinträchtigen und sogar die thermische Isolation erhöhen können. Erfindungsgemäß kann die Isolation der Thermopile-Schenkel auch durch Ausbildung einer Oxid-Fläche oder z. B. Nitrid-Fläche auf deren vertikalen Flächen erhöht werden.
Als Materialien der Thermopile-Schenkel kann insbesondere dotiertes, polykristallines Silizium aufgetragen bzw. abgeschieden werden. Grundsätzlich ist jedoch auch die Einbringung eines anderen leitfähigen Materials möglich.
Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren kann vollständig in Oberflächenmikromechanik (OMM) durchgeführt werden; es kann mit Standardtechniken und einer relativ geringen Anzahl von Prozessschritten realisiert werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Figuren zeigen aufeinander folgende Prozessschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung des mikromechanischen Thermopile-Sensors. Es zeigen:
1 die Abscheidung einer unteren Ätzstoppschicht sowie die Abscheidung und Strukturierung einer Kontaktschicht und einer oberen Ätzstoppschicht;
2 die Abscheidung einer ersten Thermopile-Schicht,
3 die Strukturierung der ersten Thermopile-Schicht;
4 die Abscheidung der zweiten Thermopile-Schicht;
5 die nachfolgende Strukturierung der beiden Thermopile-Schichten;
6 die Ausbildung einer Verschlussschicht und deren Strukturierung;
7 die nachfolgende Ausbildung des mikromechanischen Sensors durch Auftragen und Strukturieren einer Kontaktschicht und Auftragen einer Absorberschicht;
8 eine zu 7 alternative Ausführungsform eines mikromechanischen Sensors vor Auftragen der Absorberschicht.
Beschreibung der Ausführungsformen
Auf einem Substrat 1 wird als Untergrund eine bis zu 5 μm dicke untere Ätzstoppschicht 2 abgeschieden oder ausgebildet, die z. B. eine Oxid- oder Nitrid-Schicht sein kann. Die untere Ätzstoppschicht 2 kann sowohl durch Abscheiden des Materials als auch durch Ausbildung im Silizium-Substrat 1, z. B. durch Oxidierung oder Nitridierung, ausgebildet werden. Die Dotierung des darunter liegenden Substrates 1 ist unerheblich, da es bei der nachfolgenden Ausbildung des mikromechanischen Sensors nicht relevant ist. Die gezeigten Prozessschritte können insbesondere auf Wafer-Ebene bei nachfolgender Vereinzelung ausgebildet werden, so dass das Substrat 1 zunächst den gesamten Wafer bildet. Hierbei kann die untere Ätzstoppschicht 2 auch z. B. auf einem auf dem Substrat 1 aufgetragenen Bereich ausgebildet werden.
Auf der unteren Ätzstoppsicht 2 wird nachfolgend eine elektrisch leitfähige, bis zu 5 μm dicke untere Kontaktschicht 3 aus z. B. Si, dotiertem Si oder SiGe abgeschieden und mit einem Standard-Verfahren derartig strukturiert, dass mehrere – der Anzahl der später auszubildenden Thermopile-Paare entsprechende – voneinander getrennte Kontaktschichtbereiche 3.1, 3.2, 3.3 und 3.4 ausgebildet werden.
Auf der strukturierten Kontaktschicht 3 wird eine bis zu 5 μm dicke obere Ätzstoppschicht 4 abgeschieden und derartig strukturiert, dass auf jedem Kontaktbereich 3.1, 3.2, 3.3, 3.4 jeweils ein Ätzstoppschicht-Bereich 4.1, 4.2, 4.3, 4.4 verbleibt und diesen teilweise bedeckt. Gemäß 1 sowie der linken Hälfte von 2 kann sich der Ätzstoppschicht-Bereich lediglich über einen lateral mittleren Oberflächenbereich seines Kontaktbereiches 3.1, 3.2, 3.3, 3.4 erstrecken und lateral neben sich das Material des jeweiligen Kontaktbereiches frei lassen; in der rechten Hälfte der 2 ist mit den Ätzstoppschichtbereichen 4.1 und 4.2 eine hierzu alternative Strukturierung der oberen Ätzstoppschicht 4 gezeigt, die für den nachfolgenden Trenchprozess vorteilhaft ist, da sie den betreffenden Bereich der Kontaktschicht 3 bedeckt.
Gemäß 2 wird nachfolgend eine mehrere 10 μm dicke leitfähige polykristalline, dotierte Silizium-Schicht als erste Thermopile-Schicht 6 mit einem bekannten Prozess abgeschieden. Die erste Thermopile-Schicht 6 kann z. B. aus polykristallinem, n-dotiertem Si ausgebildet sein, das eine hinreichende Leitfähigkeit aufweist.
Nachfolgend wird die erste Thermopile-Schicht 6 gemäß 3 mit einem Trenchprozess strukturiert, so dass die Kontaktschicht 3 durch die strukturierten Gräben 8 teilweise offen gelegt wird. Die Gräben 8 erstrecken sich hierbei vertikal durch die erste Thermopile-Schicht 6 auf Bereiche der Kontaktschicht 3 lateral neben den Ätzstoppschichtbereichen 4.1, 4.2, 4.3, 4.4. Gemäß 3 wird vorteilhafterweise eine symmetrische Anordnung der Gräben 8 über den Kontaktbereichen 3.1, 3.2, 3.3, 3.4 gewählt, um nachfolgend eine einfache Reihenschaltung durch Kontaktierung der erzeugten Thermopiles zu ermöglichen. Der Trenchprozess kann entweder zeitgesteuert gefahren werden, insbesondere bei einer Strukturierung der oberen Ätzstoppschicht 4 gemäß 1, 3 sowie der linken Hälfte von 2, bei denen die erste Thermopile-Schicht 6 direkt an die untere Kontaktschicht 3 angrenzt. Falls gemäß der rechten Hälfte von 2 der Boden der Gräben 8 durch die obere Ätzstoppschicht 4 begrenzt ist, kann der Trenchprozess auch mit einer Endpunkterkennung gefahren werden, bei der er auf der oberen Ätzstoppschicht 4 endet, wobei in diesem Fall die Ätzstoppschicht 4 nachfolgend zu entfernen ist, z. B. mit einem RIE(reactive ion etching)-Ätzverfahren. Das Aspektverhältnis der erzeugten Gräben 8, d. h. das Verhältnis von Tiefe zur lateraler Breite, beträgt deutlich mehr als 10.
Nachfolgend wird gemäß 4 eine dotierte polykristalline leitfähige Schicht als zweite Thermopile-Schicht 10 konform abgeschieden, so dass die zuvor erzeugten Gräben 8 wieder mit Silizium aufgefüllt werden und somit in den Gräben 8 Säulen 11 als zweite Thermopile-Schenkel ausgebildet werden. Hierbei weist das Silizium der zweiten Thermopile-Schicht 10 und somit auch der Säulen 11 eine andere Dotierung, z. B. vom p-Typ, als die erste Thermopile-Schicht 6 auf. Die Säulen 11 verlaufen somit in vertikaler Richtung von der Kontaktschicht 3 aus nach oben; prozessbedingt können Lunker 12 in den Säulen 11 entstehen, die die Funktionalität nicht beeinträchtigen und sogar die thermische Isolation verbessern können.
Gemäß 5 werden nachfolgend mit einem Trenchprozess in der ersten Thermopile-Schicht 6 Gräben 15 strukturiert, die sich bis zu den verbliebenen Ätzstoppschicht-Bereichen 4.1, 4.2, 4.3, 4.4 und bis zu der unteren Ätzstoppschicht 2 erstrecken; die Gräben 15 sind derartig strukturiert, dass zum einen die Säulen 11 der zweiten Thermopile-Schicht 10 verbleiben und zum anderen in der ersten Thermopile-Schicht 6 vertikal verlaufende Stege 16 ausgebildet werden, die von der Kontaktschicht 3 ausgehend vertikal nach oben verlaufen. Hierbei sind jeweils eine Säule 11 der zweiten Thermopile-Schicht 10 und ein Steg 16 der ersten Thermopile-Schicht 6 über einen Kon takt-Bereich 3.1, 3.2, 3.3, 3.4 miteinander verbunden sind, so dass lateral beabstandet mehrere, an ihren oberen Enden noch nicht kontaktierte vertikale Thermopile-Strukturen 18 ausgebildet werden, die jeweils einen Steg 16 als ersten Thermopile-Schenkel und eine Säule 11 als zweiten Thermopile-Schenkel aufweisen, die an ihren unteren Enden über einen „kalten" Kontaktbereich 3.1, 3.2, 3.3, 3.4 der unteren Kontaktschicht 3 kontaktiert sind.
Gemäß 6 werden die Gräben 15 nachfolgend mit einer bis zu 10 μm dicken Schicht 20, z. B. einer PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition)-Oxid- oder -Nitrid-Schicht 20 wieder verschlossen. Mit Standard-Techniken werden Öffnungen 21 in der oberen Verschluss-Schicht 20 ausgebildet, so dass die Säulen 11 und Stege 16 an ihrer Oberseite offen liegen.
Nachfolgend wird eine bis zu 5 μm dicke leitfähige obere Kontaktschicht 22 aufgetragen und derartig strukturiert, dass die Säulen 11 und die Stege 16, d. h. die Thermopile-Schenkel der einzelnen Thermopile-Strukturen 18, miteinander elektrisch kontaktiert sind. Als Material der oberen Kontaktschicht 22 kann z. B. Poly-Silizium oder SiGe oder ein Metall verwendet werden.
Gemäß 7 wird erfindungsgemäß somit ein Thermostapel aus mehreren, lateral zueinander beabstandet angeordneten, vertikalen Thermopile-Strukturen 18 erzeugt, bei dem die durch die untere Kontaktschicht 3 verbundenen unteren Endbereiche der Stege 16 und Säulen 11 die kalten Kontakte und die über die obere Kontaktschicht 22 verbundenen oberen Enden der Säulen 11 und Stege 16 die warmen Kontakte darstellen. Der Thermostapel kann somit als Reihenschaltung der einzelnen Thermopile-Strukturen 18 dienen, um das Messsignal zu erhöhen, wobei die obere Kontaktschicht 22 derartig strukturiert werden kann, dass sie als Zuführleitungen für die Abnahme des Messsignals dient.
Der in 7 somit ausgebildete Sensor 30 kann bereits als Temperatursensor dienen. Durch einfallende IR-Strahlung wird der Schichtstapel aus Verschluss- und Verbindungsschichten erwärmt.
Ergänzend kann auf die obere Kontaktschicht 22 oberhalb der Thermopile-Strukturen 18 eine Absorberschicht 34 bzw. mehrere Absorberschichten 34 aus einem IR-Strahlung absorbierenden Material, z. B. einem organischen Material oder einem Metallsalz, aufgetragen werden, so dass die einfallende IR-Strahlung besser absorbiert wird.
In dem Thermopile-Sensor 30 erfolgt erfindungsgemäß eine thermische Isolation der aus der oberen Verschlussschicht 20, oberen Kontaktschicht 22 und der Absorberschicht 34 gebildeten Membran 36 gegenüber dem Substrat 1 durch die Gräben 15 sowie die Lunker 12, so dass ein Temperaturunterschied zwischen dem Schichtstapel und dem Substrat und somit eine Thermospannung entsprechend der auftreffenden IR-Strahlung erzielt wird.
Hierbei kann bereits bei dem Thermopile-Sensor 30 der 7 eine hohe Freiheit bei der Auslegung der Form erreicht werden, da die Formgebung der Säulen 11 und Stege 16, insbesondere ihre laterale Breite und ihr Abstand zueinander, frei gewählt werden kann.
Erfindungsgemäß können auch weitere Ausführungsformen realisiert werden. So können die Stege 16 in der gleichen Weite wie die Säulen 11 hergestellt werden, nämlich durch Trenchen, z. B. ein Oxid-RIE-Prozess und LPCVD-Abscheidung. Hierbei kann z. B. in Anschluss an 4 der in 3 gezeigte Trenchprozess wiederholt werden, um entsprechende Gräben in der Schicht 6 auszubilden, in die nachfolgend leitfähiges Material zur Ausbildung der Säulen 16 abgeschieden wird, z. B. wiederum mittels eines LPCVD-Verfahrens entsprechend 4. Bei einer derartigen Ausführungsform kann somit auch das Material der als erste Thermopile-Schenkel dienenden Stege 16 frei gewählt werden, Z. B. zur Erzielung einer hohen Kontaktspannung bzw. eines hohen Seebeck-Effektes bei der Kontaktierung. Hierbei ist das Material der als Opferschicht 6 dienenden Funktionsschicht 6 frei wählbar, da es für die Thermopile-Struktur nicht weiter verwendet wird.
Weiterhin kann nach 3 zunächst eine Oxidierung oder Nitridierung der Wände 8a der Gräben 8 durchgeführt werden; falls auch die ersten Thermopile-Schenkel 16 durch Ausbildung von Gräben in der Funktionsschicht 6 mit nachfolgender Abscheidung eines leitfähigen Materials ausgebildet werden, können auch diese Gräben an ihren Wänden oxidiert bzw. nitridiert werden, so dass sich die in 8 bei der rechten Thermopile-Struktur 18 gezeigten Oxid-Flächen 40 ausbilden. Hierdurch sind die lateralen Dimensionen der Säulen 11 und gegebenenfalls Stege 16 bei der weiteren Prozessierung durch die Oxid-Flächen 40 vorgegeben. Zudem können dann die Hohlräume zwischen den Säulen 11 und Stegen 16, d. h. die Gräben 15, mit einem Silizium selektiv ätzenden Verfahren, z. B. mittels CIF₃, XeF₂, isotropen SF₆-Ätzen usw. hergestellt werden. Hierdurch werden größere Abstände zwischen den Stegen 16 und Säulen 11 und folglich eine bessere thermische Isolation ermöglicht.
Erfindungsgemäß ist es weiterhin möglich, dass die Säulen 11 und Stege 16 nach Ausbildung der Gräben 15 thermisch oxidiert werden, so dass sich Oxidflächen entsprechend den in 8 gezeigte Oxidflächen 40 ausbilden, allerdings unter Verringerung des Silizium-Anteils der Säulen 11 und Stege 16. Somit wird der Silizium-Anteil in den Säulen 11 und Stegen 16 und folglich die thermische Ableitung durch diese in vertikaler Richtung reduziert.
Erfindungsgemäß können die unterschiedlichen Dotierungen der Säulen 11 und Stege 16 durch bekannte Techniken, insbesondere Implantationen, Belegen oder Annealing erzielt werden.

Claims

Mikromechanischer Thermopile-Sensor (30), der mindestens aufweist einen zumindest im Wesentlichen vertikal verlaufenden ersten leitfähigen Bereich (16) aus einem ersten elektrisch leitfähigen Material, und einen zumindest im Wesentlichen vertikal verlaufenden zweiten leitfähigen Bereich (11) aus einem zweiten elektrisch leitfähigen Material mit einem gegenüber dem ersten Material unterschiedlichen Seebeck-Koeffizienten, wobei die beiden leitfähigen Bereiche (11, 16) lateral zueinander beabstandet und in ihren oberen und/oder unteren Endbereichen elektrisch als Thermopile-Struktur (18) kontaktiert sind.
Mikromechanischer Thermopile-Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden leitfähigen Bereiche (11, 16) auf einer strukturierten leitfähigen unteren Kontaktschicht (3) ausgebildet und in ihren unteren Endbereichen miteinander über in der unteren Kontaktschicht (3) strukturierte, lateral begrenzte Kontaktbereiche (3.1, 3.2, 3.3, 3.4) elektrisch kontaktiert sind.
Mikromechanischer Thermopile-Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass er mehrere, lateral zueinander beabstandete, elektrisch in ihren oberen Endbereichen miteinander durch eine strukturierte, elektrisch leitfähige obere Kontaktschicht (22) kontaktierte Thermopile-Strukturen (18) aus jeweils einem ersten leitfähigen Bereich (16) und einem zweiten leitfähigen Bereich (11) aufweist.
Mikromechanischer Thermopile-Sensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den leitfähigen Bereichen (11, 16) sich vertikal erstreckende Gräben (15) ausgebildet sind.
Mikromechanischer Thermopile-Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Gräben (15) durch eine obere Verschlussschicht (20) verschlossen sind, die derartig strukturiert sind, dass die elektrisch leitfähige obere Kontaktschicht (22) die ersten und zweiten leitfähigen Bereiche (11, 16) alternierend kontaktiert.
Mikromechanischer Thermopile-Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass aus zumindest der oberen Verschlussschicht (20) und der oberen Kontaktschicht (22) eine Membran (36) gebildet ist, die von den ersten und zweiten leitfähigen Bereichen (11, 16) getragen ist.
Mikromechanischer Thermopile-Sensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Membran (36) mindestens eine Absorberschicht (34) zur Absorption von IR-Strahlung aufgetragen ist.
Mikromechanischer Thermopile-Sensor nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass am Boden der Gräben (15) ein oder mehrere Ätzstoppschichten (2, 4) ausgebildet sind.
Mikromechanischer Thermopile-Sensor nach Anspruch 2 und Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass auf der strukturierten unteren Kontaktschicht (3) eine obere Ätzstoppschicht (4) und unter der strukturierten unteren Kontaktschicht (3) eine die untere Kontaktschicht (3) nach unten isolierende untere Ätzstoppschicht (2) ausgebildet sind.
Mikromechanischer Thermopile-Sensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Teil der leitfähigen Bereiche (11, 16) Lunker (12) ausgebildet sind.
Mikromechanischer Thermopile-Sensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wände der ersten und/oder zweiten leitfähigen Bereiche (11, 16) mit einer Oxid-Fläche (40) und/oder Nitrid-Fläche (40) bedeckt sind.
Mikromechanischer Thermopile-Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste leitfähige Bereich (16) und/oder der zweite leitfähige Bereich (11) aus dotiertem, polykristallinen Halbleitermaterial mit unterschiedlichem Dotierungstyp, z. B. LPCVD-abgeschiedenem Silizium, ausgebildet ist.
Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Thermopile-Sensors (30), mit mindestens folgenden Schritten: a) Ausbildung und Strukturierung einer unteren Kontaktschicht (3) auf einem elektrisch isolierenden Untergrund (2), b) Ausbildung mindestens einer Thermopile-Struktur (18) aus zwei im Wesentlichen vertikal von der Kontaktschicht (3) nach oben verlaufenden, leitfähigen Bereichen (11, 16) aus Materialien mit unterschiedlichen Seebeck-Koeffizienten und um die beiden leitfähigen Bereiche (11, 16) verlaufenden Gräben (15), c) Verschließen eines oberen Endes der Gräben (15) unter Ausbildung einer oberen Membran (36), die zumindest eine obere Verschlussschicht (20) und eine obere Kontaktschicht (22) zur Kontaktierung der beiden vertikalen leitfähigen Bereiche (11, 16) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt b) der Ausbildung der mindestens einen Thermopile-Struktur (18) zumindest folgende Teilschritte aufweist: b1: Abscheidung einer ersten leitfähigen Thermopile-Schicht (6), b2: Strukturierung der ersten leitfähigen Thermopile-Schicht (6) durch einen Trenchprozess unter Ausbildung vertikaler Gräben (8) bis zu der unteren Kontaktschicht (3), b3: Abscheidung einer zweiten Thermopile-Schicht (11) unter Ausbildung von zweiten leitfähigen Bereichen (11) als zweite Thermopile-Schenkel (11) in den Gräben (8), b4: Strukturierung der ersten leitfähigen Thermopile-Schicht (6) mittels eines Trenchprozesses, wobei erste leitfähige Bereiche (16) als erste Thermopile-Schenkel (16) der ersten Thermopile-Schicht (6) strukturiert werden und die zweiten Thermopile-Schenkel (11) der zweiten Thermopile-Schicht (10) freigelegt werden und Gräben (15) um die Thermopile-Struktur (11, 16, 3) herum ausgebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt b) der Ausbildung der mindestens einen Thermopile-Struktur (18) zumindest folgende Teilschritte aufweist: b5: Abscheidung einer Opferschicht (6), b6: Strukturierung der Opferschicht (6) durch einen oder zwei Trenchprozesse unter Ausbildung vertikaler Gräben (8) bis zu der unteren Kontaktschicht (3) und sukzessive Abscheidung von zweiten leitfähigen Bereichen als zweiten Thermopile-Schenkeln (11) und ersten leitfähigen Bereichen als ersten Thermopile-Schenkeln (16) in den Gräben (8), b7: Strukturierung der Opferschicht (6) unter Freilegung der ersten und zweiten leitfähigen Bereiche (11, 16).
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt a) die untere Kontaktschicht (3) auf einer unteren Ätzstoppschicht (2) ausgebildet und strukturiert wird, und auf der unteren Kontaktschicht (3) eine obere Ätzstoppschicht (4) abgeschieden und strukturiert wird, wobei die Ätzstoppschichten (2, 4) in Schritt b) die Ausbildung der vertikalen Gräben (8, 15) mittels des ers ten und zweiten Trenchprozesses nach unten begrenzen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten leitfähigen Bereiche (11) und gegebenenfalls die ersten leitfähigen Bereiche (16) mittels eines CVD-Prozesses, insbesondere LPCVD-Prozesses, in den Gräben (8) abgeschieden werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt (c) des Verschließens eines oberen Endes der Gräben (15) unter Ausbildung der oberen Membran (36) mindestens folgende Teilschritte aufweist: c1: Abscheiden einer elektrisch isolierenden oberen Verschlussschicht (20) auf den ersten leitfähigen Bereichen (16) und zweiten leitfähigen Bereichen (11) unter Verschluss der Gräben (15), c2: Strukturierung der oberen Verschlussschicht (20) unter Freilegung der oberen Enden der leitfähigen Bereiche (11, 16), c3: Auftragen und Strukturierung der oberen Kontaktschicht (22) zur Kontaktierung der leitfähigen Bereiche (11, 16).
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass sämtliche Prozess-Schritte in Oberflächen-Mikromechanik durchgeführt werden.