DE102008002157A1 - Sensor element to spectroscopically measure infrared radiation, comprises substrate, membrane formed on substrate upper side, cavity formed below the membrane in the substrate, thermopile structure, filtering device, and thermopile cells - Google Patents
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Abstract
Description
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung betrifft ein Sensorelement zur Messung von Infrarot-Strahlung, das insbesondere als IR-Sensor oder spektroskopischer Sensor bzw. als Teil eines Infrarot-Sensors oder spektroskopischen Sensors eingesetzt werden kann, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.The The invention relates to a sensor element for measuring infrared radiation, in particular as an IR sensor or spectroscopic sensor or as Part of an infrared sensor or spectroscopic sensor used and a method for its production.
Mikromechanische Sensorelemente zur Detektion von Infrarot(IR)-Strahlung werden insbesondere in Infrarot-Kameras sowie in spektroskopischen Sensoren eingesetzt. Derartige spektroskopische Sensoren dienen insbesondere zum Nachweis einer Gaskonzentration, z. B. von Kohlendioxid, in der Umgebungsluft, wozu ergänzend optische Filter zur Selektion eines relevanten Wellenlängenbereichs eingesetzt werden.Micromechanical Sensor elements for the detection of infrared (IR) radiation are in particular used in infrared cameras as well as in spectroscopic sensors. Such spectroscopic sensors are used in particular for detection a gas concentration, z. B. of carbon dioxide, in the ambient air, where complementary optical filters for the selection of a relevant Wavelength range can be used.
Die mikromechanische Sensoren können insbesondere als Thermopile-Sensoren ausgebildet werden, die mindestens ein Thermopile-Paar aus zwei miteinander kontaktierten Thermoschenkeln aus Materialen mit unterschiedlichen Seebeck-Koeffizienten aufweisen. Die heiße Kontaktstelle der Thermoschenkel ist zur thermischen Isolation gegenüber dem weiteren Substratmaterial im Allgemeinen auf einer Membran ausgebildet und wird bei einfallender IR-Strahlung erwärmt, z. B. durch ein auf der Membran aufgetragenes Absorbermaterial, z. B. einer Ru-haltigen Widerstandspaste, so dass aus der sich bei der Erwärmung bildenden elektrischen Spannung auf die Intensität der einfallenden IR-Strahlung geschlossen werden kann.The Micromechanical sensors can be used in particular as thermopile sensors be formed, the at least one thermopile pair of two interconnected thermo legs made of materials with different Seebeck coefficients have. The hot contact point the thermo leg is facing the thermal insulation the further substrate material is generally formed on a membrane and is heated by incident IR radiation, e.g. B. by an applied on the membrane absorber material, for. B. one Ru-containing resistor paste, leaving out of the heat forming electrical voltage on the intensity of the incident IR radiation can be closed.
Als Materialsysteme bzw. Materialpaare der Thermopile-Sensoren werden insbesondere Silizium und Aluminium, oder p-Silizium und n-Silizium sowie weitere Materialsysteme verwendet. Der für die Empfindlichkeit der Thermopile-Sensoren relevante Seebeck-Koeffizient S ergibt sich als Differenz der Seebeck-Koeffizienten der Materialien S1 und S2 der beiden Thermoschenkel. Typische Werte bei Thermopile-Paaren (Thermopaaren) aus Silizium und Aluminium liegen bei S = –280,3 μV/K. Aluminium ermöglicht zwar einen guten elektrischen Kontakt zu dem zweiten Thermopartner Silizium, es bewirkt aufgrund seiner hohen Wärmleitfähigkeit jedoch auch eine Wärmeableitung von der Membran und somit eine Reduktion der Membran-Temperatur im Bereich der heißen Thermokontakte. Weiterhin sind aufgrund der relativ niedrigen Schmelztemperatur von Aluminium von 660°C die nach der Aufbringung der Aluminium-Schicht nachfolgenden Prozesse auf niedrigere Prozesstemperaturen beschränkt. Auch ergibt sich bei Einsatz in einer CMOS-Prozesstechnologie aufgrund möglicher Querkontamination eine Einschränkung der nachfolgenden Prozessschritte.When Material systems or material pairs of the Thermopile sensors in particular silicon and aluminum, or p-silicon and n-silicon as well as other material systems used. The one for the sensitivity the thermopile sensors relevant Seebeck coefficient S results as the difference of the Seebeck coefficients of materials S1 and S2 the two thermo legs. Typical values for thermopile pairs (Thermocouples) made of silicon and aluminum are at S = -280.3 μV / K. Although aluminum allows a good electrical contact to the second thermal partner silicon, it causes due to its high thermal conductivity but also a heat dissipation from the membrane and thus a reduction of the membrane temperature in the area of hot thermal contacts. Furthermore are due the relatively low melting temperature of aluminum of 660 ° C the processes following the application of the aluminum layer limited to lower process temperatures. Also results when used in a CMOS process technology due to possible Cross-contamination is a limitation of the following Process steps.
Typische Werte von Thermopile-Paaren aus p-Silizium und n-Silizium liegen im Bereich von S = –360 μV/K. Der Nachteil bei dieser Materialpaarung ist die Ausbildung von Raumladungszonen bei direkter Kontaktierung der unterschiedlich dotierten Silizium-Bereiche entsprechend von bipolaren pn-Dioden. Bei einer Reihenschaltung von Thermoschenkeln zur Erhöhung des Messsignals kommt es somit zwangsweise zu einer Reihenschaltung von pn-Dioden, die immer im Wechsel in Durchlass- und Sperrrichtung geschaltet sind und somit einen hohen Innenwiderstand aufweisen. Daher werden die beiden Thermoschenkel im Allgemeinen über eine Metallisierungsebene als Hilfsebene elektrisch kontaktiert, so dass wiederum eine zusätzliche Metallisierungsschicht mit dem entsprechenden Aufwand und den genannten Nachteilen bei der Prozessierung erforderlich ist.typical Values of thermopile pairs of p-type silicon and n-type silicon are in the range of S = -360 μV / K. The disadvantage with this material pairing is the formation of space charge zones at direct contacting of the differently doped silicon regions corresponding to bipolar pn diodes. In a series connection of thermo legs to increase the measurement signal comes it thus forcibly leads to a series connection of pn-diodes, always are alternately switched in the forward and reverse direction and thus have a high internal resistance. Therefore, the two thermo legs generally via a metallization level as auxiliary level electrically contacted, so that in turn an additional Metallization layer with the appropriate effort and the disadvantages mentioned is required during processing.
Die
Ausbildung der Membran kann unterschiedlich erfolgen und ist z.
B. in
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Der Erfindung liegt der Gedanke zu Grunde, den Thermopile-Sensor unter Verwendung zweier Halbleitermaterialien mit einer Dotierung vom gleichen Ladungsträgertyp und unterschiedlicher Konzentration der Dotierung auszubilden, wobei die beiden Thermoschenkel direkt miteinander kontaktiert werden. Unter einem Ladungsträgertyp wird erfindungsgemäß die Art bzw. das Vorzeichen der Dotierung verstanden, d. h. p-Dotierung oder n-Dotierung.Of the Invention is based on the idea, the thermopile sensor under Use of two semiconductor materials with a doping of same charge carrier type and different concentration form the doping, the two thermo legs directly be contacted with each other. Under a load carrier type According to the invention, the type or the sign understood the doping, d. H. p-doping or n-doping.
Das Thermopile-Paare (Thermopaar) kann insbesondere hergestellt werden, indem die beiden Halbleiterschichten der Thermoschenkeln übereinander bzw. sich zumindest teilweise überlappend ausgebildet werden mit einer isolierenden Zwischenschicht, die an Kontaktstellen bzw. Kontaktflächen geöffnet ist. Dies wird prozesstechnisch vorteilhafterweise realisiert, indem zunächst die erste Halbleiterschicht abgeschieden wird, voteilhafterweise auf einer auf dem Substrat ausgebildeten ersten isolierenden Zwischenschicht, nachfolgend eine zweite isolierende Zwischenschicht auf der strukturierten Halbleiterschicht ausgebildet und mit den Kontaktöffnungen strukturiert wird, und nachfolgend die zweite Halbleiterschicht abgeschieden wird.The Thermopile pairs (thermocouples) can be produced in particular by stacking the two semiconductor layers of the thermo legs or be formed at least partially overlapping with an insulating intermediate layer, which at contact points or Contact surfaces is open. This becomes process-technically advantageously realized by first the first Semiconductor layer is deposited, voteilhafterweise on one formed on the substrate first insulating intermediate layer, Subsequently, a second insulating intermediate layer on the structured Semiconductor layer formed and patterned with the contact openings and subsequently depositing the second semiconductor layer becomes.
Die Strukturierung der Halbleiter- und Isolationsschichten kann hierbei derartig erfolgen, dass eine Reihenschaltung aus mehreren Thermopile-Paaren ausgebildet wird. Hierdurch lassen sich hohe Seebeck-Koeffizienten, z. B. etwa 200 μV/K, und entsprechend hohe Thermospannungen erreichen.The structuring of the semiconductor and insulating layers may in this case take place in such a way that a series connection of a plurality of thermopile pairs is formed. This allows high Seebeck coefficients, z. B. about 200 μV / K, and achieve correspondingly high thermoelectric voltages.
Indem erfindungsgemäß weder zur Ausbildung der Thermoschenkel selbst noch zu ihrer Kontaktierung eine Metallschicht verwendet wird, insbesondere somit auch nicht Aluminium oder ein anderes niedrig schmelzendes Metall, treten die eingangs genannten prozesstechnischen Nachteile der Beschränkung auf niedrige Prozesstemperaturen und einer möglichen Querkontamination nicht auf. Da erfindungsgemäß Halbleitermaterialien mit einer Dotierung vom gleichen Ladungsträgertyp eingesetzt werden, wird somit auch die Ausbildung von pn-Übergängen vermieden. Somit ist auch die Reihenschaltung mehrerer Thermopile-Paare zur Erzielung eines hohen Signals unproblematisch.By doing according to the invention neither for the formation of the thermo leg even still used for their contacting a metal layer is, in particular, therefore not aluminum or another low Melting metal, enter the process mentioned above Disadvantages of the restriction to low process temperatures and a possible cross-contamination not on. As according to the invention semiconductor materials used with a doping of the same charge carrier type become, thus also the education of pn transitions avoided. Thus, the series connection of several pairs Thermopile to achieve a high signal unproblematic.
Erfindungsgemäß kann auch das Absorbermaterial in einer Weise aufgebracht werden, die bei metallisierten Substraten nicht zugänglich ist, z. B. in Epitaxie-Anlagen.According to the invention also the absorber material can be applied in a manner that is not accessible to metallized substrates, z. B. in epitaxy systems.
Die Ausbildung der Kaverne unterhalb der Membran kann insbesondere oberflächenmikromechanisch durch die isolierenden Zwischenschichten und Halbleiterschichten hindurch erfolgen, d. h. unter Ausbildung von Zugangsöffnungen bzw. Ätzzugängen durch die Halbleiterschichten und Isolationsschichten hindurch zu dem Bulk-Material des Substrates, um die Kaverne zu ätzen. Diese Zugangsöffnungen können erfindungsgemäß auch als Zugangsgräben zum lateralen Strukturieren bzw. Trennen der einzelnen Thermopile-Paare verwendet werden.The Forming the cavern below the membrane can be particularly surface micromechanical through the insulating intermediate layers and semiconductor layers through, d. H. under formation of access openings or Ätzzugängen through the semiconductor layers and insulating layers to the bulk material of the substrate, to etch the cavern. These access openings can also be used according to the invention as access trenches for the lateral structuring or separation of the individual pairs of thermopile be used.
Erfindungsgemäß kann der Abschluss der Thermopile-Messstruktur nach oben zum einen durch Waferbonden mit einem geeigneten Kappensubstrat erfolgen. Alternativ hierzu kann jedoch auch eine geeignete Schicht oberhalb der Messstruktur bzw. Thermopile-Struktur ausgebildet werden, wodurch zwar eine geringere thermische Isolierung der Thermopile-Struktur nach oben erreicht wird, der zeit- und kostenaufwendige Schritt der Herstellung und des Aufbondens des zusätzlichen Kappenwafers jedoch entfallen kann.According to the invention the completion of the thermopile measuring structure upwards for a through Wafer bonding done with a suitable cap substrate. alternative However, for this purpose, a suitable layer above the measuring structure or Thermopile structure are formed, although less thermal insulation of the thermopile structure reaches the top is the time-consuming and costly step of manufacturing and However, the Aufbondens the additional cap wafer omitted can.
Die erfindungsgemäße Herstellung der Thermopile-Strukturen ist kostengünstig und ermöglicht eine hohe Packungsdichte, wobei auch mehrere Thermopile-Zellen aus jeweils einer Vielzahl von Thermopile-Paaren kombiniert und gemeinsam kontaktiert werden.The Production according to the invention of the thermopile structures is inexpensive and allows a high packing density, whereby also several Thermopile cells from in each case a multiplicity combined by Thermopile pairs and contacted together.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Es zeigen:It demonstrate:
Beschreibung der AusführungsformenDescription of the embodiments
Zur
Herstellung des erfindungsgemäßen Sensorelementes
wird gemäß
Auf
der strukturierten Halbleiterschicht
Nachfolgend
wird gemäß
Die
Halbleitermaterialien der ersten Halbleiterschicht
Nachfolgend
wird gemäß
Im
lateral mittleren Bereich wird gemäß
Nachfolgend
wird ein Kappensubstrat
Der
Kappenchip
Nachfolgend
wird gemäß
Gemäß
Gemäß
Nachfolgend
wird gemäß
Gemäß
Gemäß
Nachfolgend
kann bei dieser Ausführungsform direkt ein optischer Filter
Das
Sensorelement
In
Erfindungsgemäß können
somit direkte Kontaktflächen
Die
Halbleitermaterialien der ersten Halbleiterschicht
Zwar unterscheiden sich die Seebeck-Koeffizienten S1 und S2 der beiden Halbleitermaterialien zunächst nicht so stark wie bei herkömmlichen Kombinationen, d. h. die Differenz ist relativ klein; erfindungsgemäß kann durch die direkte Kontaktierung jedoch eine hohe Anzahl von Thermopile-Paaren ausgebildet werden, so dass insgesamt hohe Seebeck-Koeffizienten S von z. B. 200 μv/K hergestellt werden können.Although the Seebeck coefficients S1 and S2 of the two semiconductor materials initially do not differ as much as in conventional combinations, ie the difference is relatively small; OF INVENTION However, according to the direct contacting, a large number of thermopile pairs can be formed so that overall high Seebeck coefficients S of z. B. 200 μv / K can be produced.
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