DE102007021911A1 - Sensor element for measuring infrared radiation in predetermined wavelength range, has filter element fastened on upper side of cap substrate by adhesive layer, where upper side of cap substrate is free from anti-reflection coating - Google Patents

Sensor element for measuring infrared radiation in predetermined wavelength range, has filter element fastened on upper side of cap substrate by adhesive layer, where upper side of cap substrate is free from anti-reflection coating Download PDF

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Abstract

The element (1) has a sensor substrate (2) with a measuring structure (6) for measurement of incident infrared radiation. A cap substrate (8) is fastened on the sensor substrate. A filter element (12) is provided on an upper side (8a) of the cap substrate for wavelength selective transmission of the radiation. The filter element is fastened on the upper side of the cap substrate by an adhesive layer (13). The upper side of the cap substrate is free from an anti-reflection coating, and the adhesive layer is an anti-reflection layer. An independent claim is also included for a method for manufacturing a sensor element.

Description

Die Erfindung betrifft ein Sensorelement zur Messung infraroter Strahlung, das insbesondere für spektroskopische Messungen einer oder mehrerer Gaskonzentrationen einsetzbar ist, und ein Verfahren zu dessen Herstellung.The The invention relates to a sensor element for measuring infrared radiation, in particular for spectroscopic measurements of or multiple gas concentrations can be used, and a method to its production.

Stand der TechnikState of the art

Die DE 103 39 319 A1 zeigt ein Sensorelement zur Detektion der Intensität infraroter Strahlung, bei dem ein Kappensubstrat mittels Seal-Glas-Verbindungen auf einem Sensorsubstrat befestigt wird, das eine Thermopile-Messstruktur aufweist. Auf dem Kappensubstrat ist ein vielschichtiges Filterelement zur wellenlängenselektiven Transmission von IR-Strahlung angebracht.The DE 103 39 319 A1 shows a sensor element for detecting the intensity of infrared radiation, in which a cap substrate is attached by means of seal glass compounds on a sensor substrate having a thermopile measuring structure. On the cap substrate, a multilayer filter element for wavelength-selective transmission of IR radiation is mounted.

Auf der Oberseite und Unterseite des Filterelementes sowie auf der Oberseite und Unterseite des Kappensubstrates ist jeweils eine Antireflexionsschicht ausgebildet, um die Transmission für die von oben einfallende Infrarot-Strahlung zu erhöhen. Das Filterelement ist durch eine Kleberschicht auf der Oberseite des Kappensubstrates befestigt; diese Kleberschicht ist somit zwischen der Antireflexionsschicht auf der Oberseite des Kappensubstrates und derjenigen an der Unterseite des Filterelementes angeordnet.On the top and bottom of the filter element and on the top and underside of the cap substrate is an antireflection layer, respectively designed to withstand the transmission for the incident from above To increase infrared radiation. The filter element is through an adhesive layer attached to the top of the cap substrate; this adhesive layer is thus between the antireflection layer on top of the cap substrate and those on the bottom arranged the filter element.

Der Einsatz einer Antireflexionsschicht ermöglicht grundsätzlich eine Erhöhung der Transmission und Verringerung der Reflexion der einfallenden IR-Strahlung. Es zeigt sich bei einem derartigen System jedoch, dass sich insgesamt nicht die gewünschte Antireflexwirkung ergibt.Of the Use of an antireflection coating basically allows an increase in transmission and reduction in reflection the incident IR radiation. It shows up in such a System, however, that in total not the desired Antireflection effect results.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Erfindungsgemäß wird erkannt, dass die Ausbildung einer Antireflexionsschicht auf dem Kappensubstrat unterhalb des Klebers eher nachteilhaft ist, da aufgrund der prozessbedingten Schichtdickentoleranzen der Antireflexionsschicht und der auf dieser angebrachten Kleberschicht auch destruktive Wirkungen auf die Transmissionseigenschaften zu Stande kommen können. Es ergeben sich bereits bei relativ geringen Toleranzen deutliche Änderungen des Transmissionsverhaltens, die sogar zu einer Verschlechterung des Transmissionsverhaltens gegenüber einem System ohne jegliche Antireflexions-Wirkung führen können. Dies wird durch die Ausbildung einer weiteren Antireflexionsschicht auf der Unterseite des Filterelementes noch verstärkt, da hierdurch ein vielschichtiges optisches System erzeugt wird, dessen Interferenzwirkung sehr komplex ist und bei geringfügigen Änderungen deutlich geänderte optische Eigenschaften zeigt. Da bereits das Filterelement mit seinem mehrschichtigen Aufbau, z. B. als Fabry-Perot-Filter bereits ein komplexes Transmissionsverhalten aufgrund der Vielzahl verschiedener Schichten aufweist, kann durch die Antireflexionsschicht auf der Unterseite dieses Filterelementes, die nachfolgende Kleberschicht mit prozessbedingten Toleranzen, und die auf dem Kappensubstrat ausgebildete Antireflexionsschicht letztlich ein sehr komplexes Interferenzverhalten gebildet werden.According to the invention realized that the formation of an antireflection coating on the Cap substrate below the adhesive is rather disadvantageous because due the process-related layer thickness tolerances of the antireflection layer and the adhesive layer applied thereto also destructive effects on the transmission properties can be made. There are already significant changes in the case of relatively small tolerances Transmission behavior, which even leads to a deterioration of the Transmission behavior compared to a system without any Antireflection effect can result. this will by the formation of a further antireflection coating on the Underside of the filter element reinforced, as a result multilayer optical system is generated, its interference effect is very complex and minor changes shows clearly changed optical properties. There already the filter element with its multilayer structure, for. B. as a Fabry-Perot filter already a complex transmission behavior due to the multitude different layers, can by the anti-reflection layer on the underside of this filter element, the subsequent adhesive layer with process-related tolerances, and those on the cap substrate trained antireflection coating ultimately a very complex Interference behavior are formed.

Erfindungsgemäß wird erkannt, dass die Transmissionseigenschaft dieses Systems auf überraschend einfache Weise verbessert werden kann, indem sowohl die Oberseite des Kappensubstrates als auch die Unterseite des Filterelementes frei von einer Antireflexionsschicht sind, wobei die Kleberschicht selbst als Antireflexionsschicht ausgebildet wird.According to the invention realized that the transmission characteristic of this system is surprising Simple way can be improved by both the top the cap substrate as well as the underside of the filter element are free of an anti-reflection layer, wherein the adhesive layer itself is formed as an antireflection layer.

Die Antireflexionsschicht wirkt hierbei in an sich bekannter Weise durch destruktive Interferenz des an seiner oberen und unteren Grenzfläche reflektierten Strahlungsanteils, so dass die an den Grenzschichten erzeugten Strahlungsanteile der reflektierten IR-Strahlung sich ganz oder zumindest weitge hend aufheben und somit nach dem optischen Prinzip der Entspiegelung eine weitgehende Transmission erreicht wird.The Antireflection layer acts in this way in a conventional manner destructive interference of at its upper and lower interface reflected radiation fraction, so that at the boundary layers generated radiation components of the reflected IR radiation itself completely or at least largely cancel and thus after the optical Principle of anti-reflection achieved a substantial transmission becomes.

Somit wird die Schichtdicke der Kleberschicht in Abhängigkeit der Brechungsindizes des Kappensubstrat-Materials, d. h. insbesondere Silizium, der Kleberschicht selbst sowie des Filterelementes gewählt. Erfindungsgemäß wird hierbei erkannt, dass eine gute Modellierung erreicht werden kann, indem ein mittlerer Brechungsindex des Filterelementes gewählt wird, insbesondere bei einem vielschichtigen Filterelement, wie es z. B. ein Fabry-Perot-Filter darstellt.Consequently the layer thickness of the adhesive layer is dependent the refractive indices of the cap substrate material, d. H. especially Silicon, the adhesive layer itself and the filter element selected. According to the invention, it is recognized here that a Good modeling can be achieved by having a mean refractive index the filter element is selected, in particular in a multilayer filter element, as z. B. a Fabry-Perot filter represents.

Auf besonders vorteilhafterweise ist zwar nicht auf der Oberseite, aber auf der Unterseite des Kappensubstrates eine Antireflexbeschichtung ausgebildet, die z. B. durch lokale thermische Oxidierung oder durch Nitridisierung des Siliziumsubstrates ausgebildet werden kann. Erfindungsgemäß hat sich gezeigt, dass eine derartige Anordnung mit genau einer Antireflexionsschicht durch Ausbildung der Kleberschicht auf der Oberseite des Kappensubstrates und der zusätzlichen, auf der Substratunterseite vorgesehenen Antireflexionsschicht eine sehr gute Antireflexionswirkung in einem gewünschten Wellenlängenbereich ermöglicht.On most advantageously, though not on the top, but on the underside of the cap substrate an antireflection coating trained, the z. B. by local thermal oxidation or by Nitridization of the silicon substrate can be formed. Has according to the invention It has been shown that such an arrangement with exactly one antireflection layer by forming the adhesive layer on top of the cap substrate and the additional, provided on the substrate base Antireflection coating a very good antireflection effect in one desired wavelength range allows.

Prozesstechnisch lässt sich die erfindungsgemäße Einstellung der gewünschten Schichtdicke der Kleberschicht insbesondere durch Ausbilden eines Abstandsmittels zwischen Kappensubstrat und Filterelement, z. B. durch Abstandsnoppen bzw. andere Bereiche auf der Oberseite des Kappensubstrates erreichen, so dass die Klebeschicht aufgetragen und der Filterchip unter Verdrängung des Klebers aufgesetzt wird, bis er auf die Abstandsnoppen gelangt.In terms of process technology, the adjustment according to the invention of the desired layer thickness of the adhesive layer can be achieved, in particular, by forming a spacer means between the cap substrate and the filter element, e.g. B. by spacer knobs or other areas on the top of the cap substrate, so that the adhesive layer applied and the filter chip is placed under displacement of the adhesive until it reaches the spacer knobs.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

1 zeigt den Aufbau eines Sensorelementes gemäß einer ersten Aus führungsform mit einer Kleberschicht zwischen Kappensubstrat und Filterelement; 1 shows the structure of a sensor element according to a first imple mentation form with an adhesive layer between the cap substrate and the filter element;

2 zeigt den Aufbau eines Sensorelementes gemäß einer weiteren Ausführungsform, bei der zusätzlich Abstandshalter zur Festlegung der Schichtdicke der Kleberschicht ausgebildet sind, wobei in 2 nur der Kappenchip gezeigt ist; 2 shows the structure of a sensor element according to a further embodiment, are additionally formed in the spacers for determining the layer thickness of the adhesive layer, wherein in 2 only the cap chip is shown;

3 den Strahlengang durch das Filter und das Kappensubstrat; 3 the beam path through the filter and the cap substrate;

4 ein Diagramm der Abhängigkeit des Transmissionsgrades und Reflexionsgrades bis Silizium-Materials des Kappensubstrats in Abhängigkeit der Wellenlänge; 4 a diagram of the dependence of the transmittance and reflectance to silicon material of the cap substrate as a function of wavelength;

5 einen ersten Prozessschritt der Herstellung des erfindungsgemäßen Kappensubstrats unter Oxidierung des Kappensubstrats; 5 a first process step of producing the cap substrate of the invention by oxidizing the cap substrate;

6 einen nachfolgenden zweiten Prozessschritt der Maskierung; 6 a subsequent second process step of the masking;

7 das durch nachfolgende Strukturierung der Oxidschicht und Entfernen der Maskierungsschicht ausgebildete Kappensubstrat zum Einsatz in dem Sensorelement gemäß 1; 7 the cap substrate formed by subsequently structuring the oxide layer and removing the masking layer for use in the sensor element according to FIG 1 ;

8 einen zu 7 alternativen Prozessschritt der Maskierung. 8th one too 7 alternative process step of masking.

Beschreibung der AusführungsformenDescription of the embodiments

Ein mikrostrukturiertes Sensorelement 1 dient als Infrarotsensor, insbesondere spektroskopischer Infrarotsensor, der zum Nachweis einer oder mehrerer Gaskonzentrationen in einem Gasgemisch verwendet werden kann. Er kann insbesondere als CO2-Sensor in der Automobilindustrie eingesetzt werden, um z. B. die CO2-Konzentration in einem Fahrgastinnenraum zu überwachen, um eine mögliche Leckage einer mit einem CO2-haltigen Kühlmittel betriebenen Klimaanlage zu erkennen und/oder in Abhängigkeit des CO2-Gehaltes im Fahrzeuginnenraum zwischen einem Umluft- und Abluftbetrieb umzuschalten. Weitere Anwendungen sind z. B. die Untersuchung von Abgasen auf Stickoxide.A microstructured sensor element 1 serves as an infrared sensor, in particular spectroscopic infrared sensor, which can be used to detect one or more gas concentrations in a gas mixture. It can be used in particular as a CO 2 sensor in the automotive industry to z. B. to monitor the CO 2 concentration in a passenger compartment to detect a possible leakage of a powered with a CO 2 -containing coolant conditioning and / or switch depending on the CO 2 content in the vehicle interior between a recirculation and exhaust air operation. Other applications are z. B. the investigation of exhaust gases on nitrogen oxides.

Das Sensorelement 1 weist ein Sensorsubstrat (Sensorchip) 2 auf Silizium- Basis auf, in dem von der Oberseite her eine Kaverne 3 geätzt ist, oberhalb von der in an sich bekannter Weise eine freitragende Membran 4 mit einer oder mehreren Schichten ausgebildet ist. Hierbei ist in einer oberen Schicht 5, die sich in lateraler Richtung bis in die Membran 4 erstreckt, eine in den Figuren nicht detaillierter gezeigte Thermopile-Struktur 6 ausgebildet und mit einer Absorberschicht 7 aus einem infrarot-absorbierenden Material, z. B. aus einem Metalloxid oder einem organischen Material, bedeckt.The sensor element 1 has a sensor substrate (sensor chip) 2 on silicon basis, in which from the top of a cavern 3 is etched, above the manner known per se, a self-supporting membrane 4 is formed with one or more layers. This is in an upper layer 5 extending laterally into the membrane 4 extends, a thermopile structure not shown in detail in the figures 6 formed and with an absorber layer 7 from an infrared absorbing material, e.g. B. of a metal oxide or an organic material covered.

Auf dem Sensorsubstrat 2 ist ein Kappensubstrat (Kappenchip) 8 mittels einer vakuumdichten Seal-Glas-Verbindung (Bondung) 9 befestigt. Oberhalb der Thermopile-Struktur 6 und Absorberschicht 7 ist von der Unterseite des Kappenchips 8 her eine Kaverne 10 ausgebildet, so dass sich zwischen dem Kappenchip 8 und dem Sensorchip 2 ein gegenüber dem Außenraum hermetisch abgedichteter Messraum 11 bildet, der z. B. als Vakuum ausgebildet oder mit einem Schutzgas gefüllt sein kann.On the sensor substrate 2 is a cap substrate (cap chip) 8th by means of a vacuum-tight seal-glass connection (bonding) 9 attached. Above the thermopile structure 6 and absorber layer 7 is from the bottom of the cap chip 8th a cavern 10 formed so that between the cap chip 8th and the sensor chip 2 a measuring chamber hermetically sealed from the outside 11 forms, the z. B. may be formed as a vacuum or filled with a protective gas.

Auf dem Kappenchip 8 ist ein Filterelement 12 befestigt, das z. B. als Filter-Chip 12 ausgebildet sein kann und wellenlängenselektiv Infrarot-Strahlung eines vorgegebenen Wellenlängenbereichs durchlässt. Es weist mehrere Schichten 12i, i = 1, ... auf und kann insbesondere ein Fabry-Perot-Filter sein. Das Filterelement 12 ist mit seiner Unterseite 12b mittels einer für die IR-Strahlung optisch transparenten Kleberschicht 13 auf der Oberseite 8a des Kappenchips 8 befestigt.On the cap chip 8th is a filter element 12 attached, the z. B. as a filter chip 12 may be formed and wavelength selective infrared radiation of a predetermined wavelength range passes. It has several layers 12i , i = 1, ..., and may in particular be a Fabry-Perot filter. The filter element 12 is with its bottom 12b by means of an optically transparent adhesive layer for the IR radiation 13 on the top 8a of the cap chip 8th attached.

Von oben einfallende IR-Strahlung IR tritt somit durch das Filterelement 12, die optisch transparente Kleberschicht 13, den Kappenchip 8 und den Messraum 11 auf die Absorberschicht 7, die sich in Abhängigkeit der Intensität der einfallenden IR-Strahlung erwärmt, wobei die Erwärmung durch die Thermopile-Struktur 6 als Messsignal ausgelesen werden kann.From above incident IR radiation IR thus passes through the filter element 12 , the optically transparent adhesive layer 13 , the cap chip 8th and the measuring room 11 on the absorber layer 7 which heats up depending on the intensity of the incident IR radiation, the heating being due to the thermopile structure 6 can be read out as a measuring signal.

Erfindungsgemäß ist an der Unterseite 8b des Kappenchips 8 eine Antireflexbeschichtung 16 ausgebildet. Gemäß 1 kann sie auf den Bereich der Kaverne 10 begrenzt sein, d. h. die Oberseite der Kaverne 10 ist mit der Antireflexbeschichtung 16 bedeckt; die Antireflexbeschichtung 16 kann aber auch im gesamten Bereich der Unterseite 8b des Kappenchips 8 ausgebildet sein. Auf der Oberseite 8a des Kappenchips 8 ist keine Antireflexbeschichtung 16 ausgebildet. Auch die Unterseite 12b des Filterelementes 12 ist vorteilhafterweise – aber nicht zwingend – frei von einer speziellen Antireflexbeschichtung bzw. ohne eine derartige Antireflexbeschichtung ausgebildet. Auf der Oberseite 12a des Filterelementes 12 kann wie in 1 gezeigt eine Antireflexbeschichtung 18 vorgesehen sein, z. B. durch Oxidation.According to the invention is at the bottom 8b of the cap chip 8th an anti-reflective coating 16 educated. According to 1 she can go to the area of the cavern 10 be limited, ie the top of the cavern 10 is with the anti-reflective coating 16 covered; the anti-reflective coating 16 but also in the entire area of the bottom 8b of the cap chip 8th be educated. On the top 8a of the cap chip 8th is not an anti-reflective coating 16 educated. Also the bottom 12b of the filter element 12 is advantageously - but not necessarily - free of a special anti-reflection coating or formed without such an anti-reflection coating. On the top 12a of the filter element 12 can be like in 1 shown an antireflective coating 18 be provided, for. B. by oxidation.

Erfindungsgemäß ist die Dicke d13 der Kleberschicht 13 derartig festgelegt, dass die Klebeschicht 13 selbst als Antireflexschicht dient. Hierzu sei angenommen, dass der mittlere Brechungsindex n12 des Filterelementes 12 und der Brechungsindex n8 = nSi = 3,45 des Siliziummaterials des Kappensubstrates 8 im Bereich der zu messenden CO2-Wellenlänge von λm = 4,26 μm jeweils größer sind als der Brechungsindex n13 = 2,2 der Kleberschicht 13. In diesem Fall ist die Schichtdicke d13 der Kleberschicht 13 z. B. als λm/(2n12) oder ein ganzzahliges Vielfaches davon gewählt, d. h. k × λm /(2n12) mit k = 1, 2, 3, .. Bei n13 = 2,2 ist somit z. B. d13 = 970 nm oder 1,94 μm oder ein weiteres Vielfaches von 970 nm.According to the invention, the thickness d13 is the Kle Bersch maybe 13 set such that the adhesive layer 13 itself serves as an antireflection layer. For this purpose, it is assumed that the mean refractive index n 12 of the filter element 12 and the refractive index n8 = n Si = 3.45 of the silicon material of the cap substrate 8th in the region of the CO 2 wavelength to be measured of λ m = 4.26 μm are in each case larger than the refractive index n 13 = 2.2 of the adhesive layer 13 , In this case, the layer thickness d13 of the adhesive layer 13 z. B. as λ m / (2n 12 ) or an integer multiple thereof, ie k × λ m / (2n 12 ) with k = 1, 2, 3, .. At n 13 = 2.2 is thus z. B. d13 = 970 nm or 1.94 microns or another multiple of 970 nm.

Das Sensorelement 1 kann vorteilhafterweise neben der Messstruktur 6 zur Messung der CO2-Wellenlänge von λm = 4,26 μm noch ein oder mehrere weitere Messstrukturen, insbesondere eine Referenz-Messstruktur zur Messung einer Referenzwellenlänge zur Normierung des Messsignals aufweisen. Auch im Bereich der Referenz-Messstruktur ist eine entsprechende Ausbildung gewählt, wobei hier die Schichtdicke d13 der gewählten Referenz-Wellenlänge λref angepasst ist.The sensor element 1 can advantageously next to the measurement structure 6 for measuring the CO 2 wavelength of λ m = 4.26 microns still have one or more further measuring structures, in particular a reference measuring structure for measuring a reference wavelength for normalization of the measurement signal. A corresponding design is also selected in the region of the reference measurement structure, in which case the layer thickness d13 is adapted to the selected reference wavelength λ ref .

Die Antireflexionsschicht 16 kann entweder nachträglich auf die Unterseite 8b aufgetragen sein, z. B. als SiO2, Si3N4 oder auch ein anderes Material. Weiterhin ist erfindungsgemäß vorteilhafterweise auch eine direkte Ausbil dung aus dem Siliziummaterial des Kappenchips 8 möglich, z. B. durch Oxidierung oder Nitridisierung zu SiO2 bzw. Si3N4. Weiterhin kann auch eine mehrschichtige Ausbildung der Antireflexionsschicht 16 erfolgen, z. B. durch eine Schichtfolge von SiO2 und Si aus zwei oder mehr Schichten. Dies kann z. B. die Schichtfolge SiO2, Si, SiO2 mit Schichtdicken λ/(2nSiO2), λ/4 (4nSi) und λ/(4nSiO2), mit nSi = 3,45 und nSiO2 = 1,5 im Bereich der CO2-Wellenlänge λ = 4,26 μm sein. 3 zeigt den allgemeinen Strahlengang mit der Intensität IO der einfallenden Strahlung, der Intensität IT der durchgelassenen Strahlung und der Intensität IR der reflektierten Strahlung, die erfindungsgemäß an der Schicht 16 sowie entsprechend den Schichten 13 und 18 in dem Mess-Wellenlängenbereich möglichst unterdrückt werden soll.The antireflection coating 16 can be either retrospectively to the bottom 8b be applied, for. As SiO2, Si3N4 or other material. Furthermore, according to the invention advantageously also a direct Ausbil tion of the silicon material of the cap chip 8th possible, for. B. by oxidation or nitridation to SiO2 or Si3N4. Furthermore, a multilayered embodiment of the antireflection coating can also be used 16 done, z. B. by a layer sequence of SiO 2 and Si from two or more layers. This can be z. B. the layer sequence SiO2, Si, SiO2 with layer thicknesses λ / (2n SiO2 ), λ / 4 (4n Si ) and λ / (4n SiO2 ), with n Si = 3.45 and n SiO2 = 1.5 in the CO 2 wavelength λ = 4.26 microns. 3 shows the general beam path with the intensity I O of the incident radiation, the intensity I T of the transmitted radiation and the intensity I R of the reflected radiation according to the invention at the layer 16 as well as according to the layers 13 and 18 should be suppressed as possible in the measurement wavelength range.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Antireflexionsschicht 16 ist die Verwendung einer einzigen Schicht aus SiO2 mit einer Schichtdicke von etwa λ/(4nSiO2), so dass eine Schichtdicke von 716 nm resultiert, die abgeschieden oder – vorteilhafterweise – gemäß 5 durch thermische Oxidation des vollständig prozessierten Kappensubstrates ausgebildet wird, der bereits geöffnete Kontaktlöchern 14 zur Kontaktierung des Sensorchips 2 von der Oberseite her aufweist.A particularly advantageous embodiment of the antireflection coating 16 is the use of a single layer of SiO 2 with a layer thickness of about λ / (4n SiO 2 ), so that a layer thickness of 716 nm results, which is deposited or, advantageously, according to 5 is formed by thermal oxidation of the fully processed cap substrate, the already opened contact holes 14 for contacting the sensor chip 2 from the top.

Der Verlauf des Reflexionsgrades R und des Transmissionsgrades T durch das Schichtsystem aus dem Kappenchip 8 aus Silizium und der Antireflexionsschicht 16 aus SiO2 sowie das Vakuum der Kaverne 10 ist in 4 dargestellt; das Reflexionsminimum liegt in diesem Ausführungsbeispiel bei der CO2-Wellenlänge von etwa λm = 4,26 μm.The course of the reflectance R and the transmittance T through the layer system of the cap chip 8th made of silicon and the antireflection coating 16 of SiO2 and the vacuum of the cavern 10 is in 4 shown; the reflection minimum is in this embodiment in the CO 2 wavelength of about λ m = 4.26 microns.

Der Kappenchip 8 ist dann im Prinzip fertig prozessiert, kann aber – falls erforderlich – noch auf eine Weise strukturiert werden, so dass die darauf folgende Seal-Glas-Bondung durch das Seal-Glas 9 erleichtert wird. Hierzu wird gemäß 6 in einem darauf folgenden Schritt eine Maskierungsschicht 22 gemäß einer Ausführungsform durch Dispensen (6) und gemäß der in 8 gezeigten Ausführungsform durch Sprühbelackung und lithografische Strukturierung aufgebracht. Grundsätzlich sind auch weitere, alternative Prozessschritte des Aufbringens dieser Maskierungsschicht 22 möglich. Anschließend wird die Antireflexionsschicht 16 strukturiert; gemäß der gezeigten Ausführungsform kann die Antireflexionsschicht 16 als SiO2-Schicht durch nasschemisches Ätzen, z. B. in BOE, oder durch trockenchemische Ätzverfahren, insbesondere Plasmaätzen, strukturiert werden. Hierdurch werden die Bondflächen vom Material der Antireflexionsschicht 16 befreit und hierdurch leichter bondbar. 7 zeigt das Kappensubstrat gemäß dieser Ausführungsform nach Strukturierung mit der Antireflexionsschicht 16.The cap chip 8th is then finished in principle finished, but if necessary - can still be structured in a way so that the subsequent seal-glass bonding through the seal glass 9 is relieved. This is done according to 6 in a subsequent step, a masking layer 22 according to one embodiment by dispensing ( 6 ) and according to the in 8th shown embodiment applied by spray painting and lithographic structuring. In principle, there are also further, alternative process steps of applying this masking layer 22 possible. Subsequently, the antireflection layer 16 structured; According to the embodiment shown, the antireflection coating 16 as SiO 2 layer by wet chemical etching, z. B. in BOE, or by dry chemical etching, in particular plasma etching, are structured. As a result, the bonding surfaces of the material of the anti-reflection layer 16 freed and thus easily bondable. 7 shows the cap substrate according to this embodiment after structuring with the antireflection coating 16 ,

2 zeigt eine besonders vorteilhafte Ausführungsform zur prozesstechnischen Umsetzung von geringen Schwankungen der Schichtdicke d13 der Kleberschicht 13. Hierbei sind zusätzliche Abstandsmittel 20 auf der Oberseite 8a des Kappenchips 8 und/oder an der Unterseite 12b des Filterelementes 12 vorgesehen. Vorteilhafterweise sind als Abstandsmittel Abstandsnoppen 20 der definierten Dicke d13 und definierter Geometrie ausgebildet, z. B. durch ein Plasmaätzverfahren. Vorteilhafterweise sind die Abstandsnoppen 20 lateral außerhalb des optischen Pfades angeordnet, d. h. in lateraler Richtung versetzt zur Absorberschicht 7, um den Strahlengang nicht zu beeinflussen. Zwischen den Abstandsnoppen 20 kann somit die Kleberschicht 13 aufgetragen werden, und beim nachfolgenden Aufsetzen des Filterelementes 12 überflüssiges Klebermaterial in lateraler Richtung verdrängt werden, bis das Filterelement 12 auf den Abstandsnoppen 20 aufliegt und somit die gewünschte Schichtdicke d13 der Kleberschicht 13 eingestellt ist. 2 shows a particularly advantageous embodiment of the process engineering implementation of small variations in the layer thickness d13 of the adhesive layer 13 , Here are additional spacers 20 on the top 8a of the cap chip 8th and / or at the bottom 12b of the filter element 12 intended. Advantageously, spacer spacers are used as spacers 20 the defined thickness d13 and defined geometry formed, z. B. by a plasma etching. Advantageously, the spacer knobs 20 arranged laterally outside the optical path, that is offset in the lateral direction to the absorber layer 7 so as not to influence the beam path. Between the spacer knobs 20 thus can the adhesive layer 13 be applied, and the subsequent placement of the filter element 12 superfluous adhesive material are displaced in the lateral direction until the filter element 12 on the spacer knobs 20 rests and thus the desired layer thickness d13 of the adhesive layer 13 is set.

Die Abstandsmittel 20 können grundsätzlich auch an der Unterseite 12b des Filterelementes 12 ausgebildet sein, oder als zusätzliche Mittel eingebracht werden.The spacers 20 basically also at the bottom 12b of the filter element 12 be formed, or introduced as additional funds.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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Claims (16)

Sensorelement zur Messung infraroter Strahlung in einem vorgebbaren Wellenlängenbereich, insbesondere für spektroskopische Messungen, wobei das Sensorelement (1) mindestens aufweist: ein Sensorsubstrat (2) mit einer Messstruktur (6) zur Messung einfallender IR-Strahlung, ein auf dem Sensorsubstrat (2) befestigtes Kappensubstrat (8), und einem auf einer Oberseite (8a) des Kappensubstrates (8) vorgesehenen Filterelement (12) zur wellenlängenselektiven Transmission von Infrarot-Strahlung (IR), wobei das Filterelement (12) mittels einer für IR-Strahlung (IR) transparenten Kleberschicht (13) auf der Oberseite (8a) des Kappensubstrates (8) befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberseite (8a) des Kappensubstrats (8) frei von einer Antireflexbeschichtung ist, und die Kleberschicht (13) als Antireflexionsschicht ausgebildet ist.Sensor element for measuring infrared radiation in a predefinable wavelength range, in particular for spectroscopic measurements, wherein the sensor element ( 1 ) at least comprising: a sensor substrate ( 2 ) with a measuring structure ( 6 ) for measuring incident IR radiation, one on the sensor substrate ( 2 ) attached cap substrate ( 8th ), and one on top ( 8a ) of the cap substrate ( 8th ) provided filter element ( 12 ) for the wavelength-selective transmission of infrared radiation (IR), wherein the filter element ( 12 ) by means of a transparent to IR radiation (IR) adhesive layer ( 13 ) on the top ( 8a ) of the cap substrate ( 8th ), characterized in that the upper side ( 8a ) of the cap substrate ( 8th ) is free of an antireflection coating, and the adhesive layer ( 13 ) is designed as an antireflection layer. Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schichtdicke (d13) und ein Brechungsindex (n13) der Kleberschicht (13) derartig ausgebildet sind, dass die Kleberschicht (13) für mindestens eine Mess-Wellenlänge (λm) der IR-Strahlung, für die das Filterelement (12) transparent ist, als Antireflexionsschicht für durch das Filterelement (12) einfallende IR-Strahlung wirkt.Sensor element according to claim 1, characterized in that a layer thickness (d13) and a refractive index (n13) of the adhesive layer ( 13 ) are formed such that the adhesive layer ( 13 ) for at least one measuring wavelength (λ m ) of the IR radiation for which the filter element ( 12 ) is transparent, as an antireflection layer for through the filter element ( 12 ) incident IR radiation acts. Sensorelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Brechungsindex (n13) der Kleberschicht (13) bei der Mess-Wellenlänge (λm) kleiner ist als ein mittlerer Brechungsindex (n12) des Filterelementes (12) und als ein Brechungsindex (n8) des Kappensubstrates (8) bei der Mess-Wellenlänge (λm), und die Schichtdicke (d13) der Kleberschicht (13) ein ganzzahliges Vielfaches der Mess-Wellenlänge (λm) beträgt.Sensor element according to claim 2, characterized in that the refractive index (n13) of the adhesive layer ( 13 ) at the measuring wavelength (λ m ) is smaller than an average refractive index (n12) of the filter element ( 12 ) and as a refractive index (n8) of the cap substrate ( 8th ) at the measuring wavelength (λ m ), and the layer thickness (d13) of the adhesive layer ( 13 ) is an integer multiple of the measuring wavelength (λ m ). Sensorelement nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Oberseite (8a) des Kappensubstrats (8) und/oder auf der Unterseite (12b) des Filterelementes (12) Abstandsmittel (20), z. B. Abstandsnoppen (20), zur Festlegung der Schichtdicke (d13) der Kleberschicht (13) ausgebildet sind.Sensor element according to one of the preceding claims, characterized in that on the upper side ( 8a ) of the cap substrate ( 8th ) and / or on the underside ( 12b ) of the filter element ( 12 ) Spacing agent ( 20 ), z. B. spacer knobs ( 20 ), for determining the layer thickness (d13) of the adhesive layer ( 13 ) are formed. Sensorelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandsmittel (20) auf der Oberseite (8a) des Kappensubstrates (8) lateral beabstandet zur Messstruktur (6) des Sensorsubstrates (2) ausgebildet sind, und das Filterelement (12) mit seiner Unterseite (12b) auf den Abstandsmitteln (20) aufliegt.Sensor element according to claim 4, characterized in that the spacing means ( 20 ) on the top ( 8a ) of the cap substrate ( 8th ) laterally spaced from the measuring structure ( 6 ) of the sensor substrate ( 2 ) are formed, and the filter element ( 12 ) with its underside ( 12b ) on the spacer means ( 20 ) rests. Sensorelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandsmittel (20) durch Strukturierung der Oberseite (8a) des Kappensubstrats (8) ausgebildet sind, z. B. durch ein Ätzverfahren.Sensor element according to claim 5, characterized in that the spacing means ( 20 ) by structuring the top ( 8a ) of the cap substrate ( 8th ) are formed, for. B. by an etching process. Sensorelement nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterseite (12b) des Filterelementes frei von einer Antireflexbeschichtung ist.Sensor element according to one of the preceding claims, characterized in that the underside ( 12b ) of the filter element is free of an anti-reflection coating. Sensorelement nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Unterseite (8b) des Kappensubstrats (8) eine Antireflexionsschicht (16) für durch das Kappensubstrat einfallende Infrarotstrahlung der Messwellenlänge (λm) ausgebildet ist.Sensor element according to one of the preceding claims, characterized in that on the underside ( 8b ) of the cap substrate ( 8th ) an antireflection coating ( 16 ) is formed for incident through the cap substrate infrared radiation of the measuring wavelength (λ m ). Sensorelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Antireflexionsschicht (16) auf der Unterseite (8b) des Kappensubstrats (8) abgeschieden oder aus dem Substratmaterial ausgebildet ist, z. B. durch Oxidierung oder Nitridierung des Substratmaterials des Kappensubstrates (8).Sensor element according to claim 8, characterized in that the antireflection coating ( 16 ) on the bottom ( 8b ) of the cap substrate ( 8th ) is deposited or formed from the substrate material, for. Example by oxidation or nitridation of the substrate material of the cap substrate ( 8th ). Sensorelement nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Antireflexionsschicht (16) oberhalb einer in dem Kappensubstrat (8) ausgebildeten Kaverne (10) ausgebildet istSensor element according to claim 8 or 9, characterized in that the antireflection coating ( 16 ) above one in the cap substrate ( 8th ) cavern ( 10 ) is trained Sensorelement nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kappensubstrat (8) lateral zu der Kaverne (10) und der Messstruktur (6) beabstandet ein oder mehrere Kontaktlöcher (14) zur Kontaktierung der Oberseite des Sensorsubstrates (2) strukturiert sind.Sensor element according to one of the preceding claims, characterized in that in the cap substrate ( 8th ) lateral to the cavern ( 10 ) and the measurement structure ( 6 ) spaced one or more contact holes ( 14 ) for contacting the upper side of the sensor substrate ( 2 ) are structured. Sensorelement nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messstruktur (6), z. B. eine von einer Absorberschicht (7) bedeckte Thermopile-Struktur (6), auf einer frei tragenden Membran (4) oberhalb einer in dem Sensorsubstrat (2) ausgebildeten Kaverne (3) ausgebildet ist.Sensor element according to one of the preceding claims, characterized in that the measuring structure ( 6 ), z. B. one of an absorber layer ( 7 ) covered thermopile structure ( 6 ), on a free-floating membrane ( 4 ) above one in the sensor substrate ( 2 ) cavern ( 3 ) is trained. Verfahren zum Herstellen eines Sensorelementes nach einem der vorherigen Ansprüche, mit mindestens folgenden Schritten: Mikrostrukturieren eines Sensorsubstrates (2) mit einer Messstruktur (6) zur Messung einfallender IR-Strahlung, Strukturieren eines Kappensubstrates (8) mit mindestens einer Kaverne (10), vakuumdichtes Befestigen des Kappensubstrates (8) auf dem Sensorsubstrat (2) derartig, dass die Kaverne (10) oberhalb der Messstruktur (6) eingeordnet ist, Befestigen eines Filterelementes (12) zur wellenlängenselektiven Transmission von IR-Strahlung (IR) auf dem Kappensubstrat (8) oberhalb der Kaverne (10) mittels einer Kleberschicht (13), wobei die Schichtdicke (d13) der Kleberschicht (13) derartig ausgebildet wird, dass die Kleberschicht (13) für durch das Filterelement (12) eintretende IR-Strahlung mindestens einer Mess-Wellenlänge (λm) eine Antireflexbeschichtung darstellt.Method for producing a sensor element according to one of the preceding claims, comprising at least the following steps: microstructuring a sensor substrate ( 2 ) with a measuring structure ( 6 ) for measuring incident IR radiation, structuring a cap substrate ( 8th ) with at least one cavern ( 10 ), vacuum-tight fastening of the cap substrate ( 8th ) on the sensor substrate ( 2 ) such that the cavern ( 10 ) above the measuring structure ( 6 ), attaching a filter element ( 12 ) for the wavelength-selective transmission of IR radiation (IR) on the cap substrate ( 8th ) above the cavern ( 10 ) by means of an adhesive layer ( 13 ), wherein the layer thickness (d13) of the adhesive layer ( 13 ) is formed such that the adhesive layer ( 13 ) For through the filter element ( 12 ) entering IR radiation of at least one measuring wavelength (λ m ) is an antireflection coating. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Oberseite des Kappensubstrates (8) und/oder der Unterseite (12b) des Filterelementes (12) Abstandsmittel zur Festlegung der Schichtdicke (d13) der Kleberschicht (13) ausgebildet werden, z. B. durch ein Ätzverfahren, insbesondere ein Plasmaätzverfahren.Method according to claim 13, characterized in that on the upper side of the cap substrate ( 8th ) and / or the underside ( 12b ) of the filter element ( 12 ) Spacer means for determining the layer thickness (d13) of the adhesive layer ( 13 ) are formed, for. B. by an etching process, in particular a plasma etching. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Befestigen des Kappensubstrates (8) auf dem Sensorsubstrat (2) zunächst auf der Unterseite (8b) des Kappensubstrates (8) oberhalb der Kaverne (10) eine Antireflexionsschicht (16) ausgebildet wird.A method according to claim 13 or 14, characterized in that prior to attaching the cap substrate ( 8th ) on the sensor substrate ( 2 ) first on the bottom ( 8b ) of the cap substrate ( 8th ) above the cavern ( 10 ) an antireflection coating ( 16 ) is formed. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Antireflexionsbeschichtung (16) der Kappensubstrat-Unterseite (8b) ausgebildet wird durch Ausbilden einer Oxidschicht (16) und/oder Nitridschicht, z. B. durch thermisches Oxidieren, auf mindestens der Kappensubstrat-Unterseite (8b), Aufbringen einer Maskierungsschicht (22) auf der Kappensubstrat-Unterseite (8b) oberhalb der Kaverne (10), z. B. durch Sprühbelackung oder lithografische Strukturierung, und Strukturierung der Antireflexionsschicht (16) durch Entfernen von Schichtmaterial außerhalb der Maskierungsschicht (22), und Entfernen der Maskierungsschicht (22).Method according to claim 15, characterized in that the antireflection coating ( 16 ) the cap substrate bottom ( 8b ) is formed by forming an oxide layer ( 16 ) and / or nitride layer, e.g. B. by thermal oxidation, on at least the cap substrate bottom ( 8b ), Applying a masking layer ( 22 ) on the cap substrate bottom ( 8b ) above the cavern ( 10 ), z. B. by spray coating or lithographic structuring, and structuring of the antireflection coating ( 16 ) by removing layer material outside the masking layer ( 22 ), and removing the masking layer ( 22 ).
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