DE102008002157B4 - Sensor element for measuring infrared radiation and process for its manufacture - Google Patents
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Abstract
Sensorelement zur Messung von Infrarot-Strahlung, insbesondere für spektroskopische Messungen, wobei das Sensorelement (35, 36, 37) mindestens aufweist: ein Substrat (1), eine auf der Oberseite des Substrates (1) ausgebildete Membran (33, 33a, 34) und eine unterhalb der Membran (33, 33a, 34) in dem Substrat (1) ausgebildete Kaverne (9, 18), eine Thermopile-Struktur (30, 32) mit mindestens einem Thermopile-Paar (32), das einen ersten Thermoschenkel (3a, 26) aus einem ersten Halbleitermaterial und einen zweiten Thermoschenkel (6a, 26) aus einem zweiten Halbleitermaterial aufweist, wobei die Seebeck-Koeffizienten (S1, S2) des ersten Halbleitermaterials und des zweiten Halbleitermaterials verschieden sind, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Halbleitermaterial der ersten Thermoschenkel (3a) und das zweite Halbleitermaterial der zweiten Thermoschenkel (6a) Dotierungen des gleichen Ladungsträgertyps (p, n) aufweisen, und der erste Thermoschenkel (3a) und der zweite Thermoschenkel (6a) eines Thermopile-Paares (32) direkt in mindestens einer Kontaktfläche (37) miteinander kontaktiert sind.Sensor element for measuring infrared radiation, in particular for spectroscopic measurements, the sensor element (35, 36, 37) having at least: a substrate (1), a membrane (33, 33a, 34) formed on the top of the substrate (1) and a cavity (9, 18) formed below the membrane (33, 33a, 34) in the substrate (1), a thermopile structure (30, 32) with at least one thermopile pair (32), which has a first thermopile ( 3a, 26) made of a first semiconductor material and a second thermal limb (6a, 26) made of a second semiconductor material, the Seebeck coefficients (S1, S2) of the first semiconductor material and the second semiconductor material being different, characterized in that the first semiconductor material the first thermal limb (3a) and the second semiconductor material of the second thermal limb (6a) have dopings of the same charge carrier type (p, n), and the first thermal limb (3a) and the second thermal limb (6a) it thermopile pair (32) are in direct contact with one another in at least one contact surface (37).
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 InfrarotSensors oder spektroskopischen Sensors eingesetzt werden kann, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.The invention relates to a sensor element for measuring infrared radiation, which can be used in particular as an IR sensor or spectroscopic sensor or as part of an infrared sensor or spectroscopic sensor, 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 used in particular in infrared cameras and in spectroscopic sensors. Such spectroscopic sensors are used in particular to detect a gas concentration, e.g. B. carbon dioxide, in the ambient air, including additional optical filters are used to select a relevant wavelength range.
Die mikromechanischen 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.
Als Materialsysteme bzw. Materialpaare der Thermopile-Sensoren werden insbesondere Silizium und Aluminium, oder p-Silizium und n-Silizium sowie weitere Materialsysteme verwendet.
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 erforderlichist.
Die Ausbildung der Membran kann unterschiedlich erfolgen und ist z. B. in Review of micromachined thermopiles for infrared detection, Graf, Arndt, Sauer, Gerlach 2007, Meas. Sci. Technol. beschrieben, wobei insbesondere volumenmikromechanische oder oberflächenmikromechanische Herstellungsverfahren eingesetzt werden können.The formation of the membrane can be done differently and is z. B. in Review of micromachined thermopiles for infrared detection, Graf, Arndt, Sauer, Gerlach 2007, Meas. Sci. Technol. described, wherein in particular volume micromechanical or surface micromechanical manufacturing processes can be used.
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.The invention is based on the idea of constructing the thermopile sensor using two semiconductor materials with doping of the same charge carrier type and different concentration of doping, the two thermo legs being in direct contact with one another. According to the invention, a charge carrier type is understood to mean the type or the sign of the doping, ie. H. p-doping or n-doping.
Das Thermopile-Paare (Thermopaar) kann insbesondere hergestellt werden, indem die beiden Halbleiterschichten der Thermoschenkel 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, vorteilhafterweise 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 pair (thermocouple) can in particular be produced in that the two semiconductor layers of the thermo legs are formed one above the other or at least partially overlap with an insulating intermediate layer which is opened at contact points or contact surfaces. This is advantageously implemented in terms of process technology in that the first semiconductor layer is first deposited, advantageously on a first insulating intermediate layer formed on the substrate, subsequently a second insulating intermediate layer is formed on the structured semiconductor layer and structured with the contact openings, and subsequently the second semiconductor layer is deposited.
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 insulation layers can be done in such a way that a series circuit is formed from several thermopile pairs. This allows high Seebeck coefficients, e.g. B. about 200 µV / K, and achieve correspondingly high thermal 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.Since, according to the invention, a metal layer is not used either to form the thermal legs themselves or to make contact, in particular not aluminum or another low-melting metal, the aforementioned procedural disadvantages of the restriction to low process temperatures and possible cross-contamination do not occur. Since, according to the invention, semiconductor materials with doping of the same charge carrier type are used, the formation of pn junctions is also avoided. The series connection of several thermopile pairs to achieve a high signal is therefore also 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, the absorber material can also be applied in a manner that is not accessible in the case of metallized substrates, e.g. 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 BulkMaterial 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 formation of the cavern below the membrane can in particular take place in a surface micromechanical manner through the insulating intermediate layers and semiconductor layers; H. with the formation of access openings or etching accesses through the semiconductor layers and insulation layers to the bulk material of the substrate in order to etch the cavern. According to the invention, these access openings can also be used as access trenches for laterally structuring or separating the individual thermopile pairs.
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 top of the thermopile measurement structure can be closed on the one hand by wafer bonding with a suitable cap substrate. As an alternative to this, however, a suitable layer can also be formed above the measuring structure or thermopile structure, whereby a lower thermal insulation of the thermopile structure is achieved upwards, but the time-consuming and costly step of manufacturing and bonding the additional cap wafer is 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 of the thermopile structures according to the invention is inexpensive and enables a high packing density, with several thermopile cells each consisting of a large number of thermopile pairs being combined and contacted together.
FigurenlisteFigure list
Es zeigen:Show it:
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1 bis3 Prozessschritte zur Herstellung eines Sensors gemäß einer ersten Ausführungsform mit Kappenchip; -
4 eine von2 ausgehende Prozessvariante zur Herstellung eines Sensors mit Dünnschichtkappe; -
5 bis12 eine weitere Prozessvariante mit Ausgangspunkt in1 zur Herstellung eines Sensors mit Dünnschichtkappe; -
13 einen Sensor mit Kappenchip gemäß einer Ausführungsform; -
14 eine Aufsicht auf einen erfindungsgemäßen Sensor mit mehreren Thermopile-Paaren gemäß einer Ausführungsform; -
15 die Anordnung mehrerer Thermopile-Zellen gemäß einer Ausführungsform in Aufsicht.
-
1 to3 Process steps for producing a sensor according to a first embodiment with a cap chip; -
4th one of2 outgoing process variant for the production of a sensor with a thin-film cap; -
5 to12th another process variant with starting point in1 for producing a sensor with a thin-film cap; -
13th a sensor with a cap chip according to an embodiment; -
14th a plan view of a sensor according to the invention with a plurality of thermopile pairs according to an embodiment; -
15th the arrangement of several thermopile cells according to one embodiment in a plan view.
Beschreibung der AusführungsformenDescription of the embodiments
Zur Herstellung des erfindungsgemäßen Sensorelementes wird gemäß
Silizium erster Dotierung, zur Ausbildung des ersten Thermoschenkels abgeschieden und strukturiert. Hierbei werden in der ersten Halbleiterschicht mehrere durch Freiräume voneinander getrennte Bereiche
Auf der strukturierten Halbleiterschicht
Nachfolgend wird gemäß
Die Halbleitermaterialien der ersten Halbleiterschicht
The semiconductor materials of the
Nachfolgend wird gemäß
Im lateral mittleren Bereich wird gemäß
Nachfolgend wird ein Kappensubstrat 12bzw. Kappenchip, in dem durch Ätzen, z. B. KOH-Ätzen, von einer Seite her eine Kaverne
Der Kappenchip
Nachfolgend wird gemäß
Gemäß
Gemäß
Nachfolgend wird gemäß
In the following, according to
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.It is true that the Seebeck coefficients S1 and S2 of the two semiconductor materials initially do not differ as much as in conventional combinations. H. the difference is relatively small; According to the invention, however, a large number of thermopile pairs can be formed through the direct contact, so that overall high Seebeck coefficients S of z. B. 200 µv / K can be produced.
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