DE102008007674B3

DE102008007674B3 - Verfahren zur Erzeugung von Absorptionsschichten auf thermischen Strahlungssensoren

Info

Publication number: DE102008007674B3
Application number: DE200810007674
Authority: DE
Inventors: Marco Dipl.-Ing. Schossig; Volkmar Dr. Ing. Norkus; Gerald Prof. Dr. Ing. habil. Gerlach
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Heimann Sensor De GmbH
Priority date: 2008-01-28
Filing date: 2008-01-28
Publication date: 2009-05-14
Anticipated expiration: 2028-01-29
Also published as: WO2009095004A1; EP2238418A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Absorptionsschichten auf einer strahlungsempfindlichen Fläche von thermischen Strahlungssensoren, wie z.B. einen pyroelektrischen Sensor, ein Dünnschichtbolometer oder einen Thermosäulensensor, wobei herkömmliche, produktive Verfahren der Mikroelektronik und Mikromechanik angewendet werden und dadurch eine Integration in den Herstellungsprozess thermischer Strahlungssensoren problemlos möglich ist. Die auf die strahlungsempfindliche Fläche aufgebrachte Absorptionsschicht, vorzugsweise eine Nickel-Chrom-Absorptionsschicht, von einigen hundert Nanometern Dicke weist eine besondere Struktur auf, welche die absorbierenden Eigenschaften im visuellen und infraroten Spektralbereich erheblich verbessert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Absorptionsschichten auf einer strahlungsempfindlichen Fläche von thermischen Strahlungssensoren, wie z. B. einen pyroelektrischen Sensor, ein Dünnschichtbolometer oder einen Thermosäulensensor, wobei herkömmliche, produktive Verfahren der Mikroelektronik und Mikromechanik angewendet werden und dadurch eine Integration in den Herstellungsprozess thermischer Strahlungssensoren problemlos möglich ist.
Bei thermischen Sensoren führt die vom strahlenden Objekt auf die empfindliche Fläche einfallende Strahlung zu einer Temperaturänderung im empfindlichen Element des Sensors, welche dann entsprechend dem jeweiligen Sensorprinzip in eine äquivalente Änderung der Signalspannung, des Signalstromes oder des Sensorwiderstandes umgewandelt wird. Um dabei eine möglichst hohe Empfindlichkeit zu erreichen, muss das empfindliche Element ein hohes Absorptionsvermögen für die einfallende (infrarote) Strahlung besitzen. Der Absorptionsgrad thermischer Strahlungssensoren ist jedoch im Allgemeinen wellenlängenabhängig und zumeist beträchtlich unter 100%. Eine wirksame Maßnahme zur Erhöhung des Absorptionsgrades besteht im Einsatz einer zusätzlichen Absorptionsschicht, die den auftreffenden Strahlungsfluss möglichst vollständig und wellenlängenunabhängig absorbiert und durch Wärmeleitung eine Temperaturänderung im empfindlichen Element hervorruft. Dabei sollte die thermische Masse des Absorbers niedrig gegenüber der des empfindlichen Elementes sein. Nach dem Stand der Technik existieren verschiedene Methoden zur Herstellung derartiger Absorptionsschichten. Bekannt sind ultradünne Metallschichten mit angepasstem Flächenwiderstand, metallische Schwarzschichten, λ/4-Antireflexionsschichten bzw. λ/4-Strukturen sowie gefüllte Polymerschichten.
Das Absorptionsvermögen ultradünner Metallschichten mit angepasstem Flächenwiderstand, die sich mit herkömmlichen Verfahren der Mikroelektronik sehr einfach herstellen lassen, erreicht bei einer für jedes Metall charakteristischen Dicke ein Absorptionsmaximum von 50%. Dies wird z. B. bei pyroelektrischen Sensoren mit beidseitig aufgebrachten Elektroden, deren Überlappungsfläche das strahlungsempfindliche Gebiet definiert, ausgenutzt, um die Absorption, welche nur im pyroelektrischen Material und den Elektroden stattfindet, zu maximieren. Die typische Dicke der Elektroden beträgt dabei wenige Nanometer. Nachteilig sind allerdings das wellenlängenabhängige Absorptionsverhalten und der in der Praxis relativ geringe, erreichbare Absorptionsgrad von typisch 50 bis 70%.
Eine sehr hohe (> 95%) und auch spektral homogene Absorption weisen metallische Schwarz- bzw. Rußschichten auf, die z. B. durch thermisches Verdampfen von Silber, Gold, Platin oder ähnlichen Metallen in einer Restgasatmosphäre erzeugt werden. Diese üblicherweise bei thermischen Strahlungssensoren angewendeten Absorptionsschichten besitzen jedoch viele Nachteile. Zum einen sind sie nicht auf fotolithografischem Wege strukturierbar, sondern müssen mittels Durchdampfmasken realisiert werden, wodurch die laterale Auflösung der Strukturierung auf etwa 20 μm begrenzt ist. Zum anderen sind auf diese Weise hergestellte Absorptionsschichten mechanisch instabil, d. h. nicht wischfest, sowie nicht feuchtigkeits- und lösungsmittelbeständig und selbst unter normaler Luftfeuchtigkeit nicht langzeitstabil. Deshalb werden sie erst im letzten Prozessschritt vor dem Gehäuseverschluss aufgebracht.
Alternativ lassen sich gefüllte Polymerschichten verwenden, welche nicht die oben aufgeführten Nachteile von metallischen Schwarzschichten besitzen. Wie z. B. in der OS DE 42 21 037 A1 beschrieben, wird dabei ein fotolithografisch strukturierbarer Lack mit einem Füllstoff vermischt, wodurch absorbierende Eigenschaften im infraroten Spektralbereich erhalten werden. Als Füllstoffe kommen feinkörnige Materialen, z. B. Kohlenstoff oder Metalloxid, zum Einsatz. Das Lackgemisch wird im Scheibenverband aufgewalzt, aufgedruckt oder aufgeschleudert und die dadurch entstehende Absorptionsschicht durch übliches Belichten über Fotomasken und anschließendes Entwickeln strukturiert. Derart hergestellte Absorptionsschichten weisen eine hohe Absorption (> 90%) auf, bei typischen Schichtdicken von 3 bis 10 μm. Nachteilig sind die hohe Wärmekapazität sowie die geringe Wärmeleitfähigkeit dieser Schichten, was zu Empfindlichkeitsverlusten bei sehr niedrigen (< 10 Hz) respektive sehr hohen (> 100 Hz) Modulationsfrequenzen führt.
Ein Hauptproblem bei der Erhöhung der Sensorleistung sind Reflexionen von der strahlungsempfangenden Sensoroberfläche. Eine wirksame Maßnahme zur Verringerung dieser Reflexionen und daraus resultierenden Erhöhung der Absorption besteht im Aufbringen optischer Interferenzschichten. Wie z. B. in der EP 0 253 002 A1 beschrieben, werden solche Interferenzschichten meist als viellagige Vergütungsschichten aus verschiedenen Oxiden und Fluoriden mit sehr genau einzuhaltenden Dicken auf die strahlungsempfangende Oberfläche aufgebracht. Die Dicke dieser Schichten beträgt im Allgemeinen ein Viertel der Schwerpunktwellenlänge des zu entspiegelnden Spektralbereiches. Deshalb werden diese Schichten auch λ/4-Antireflexionsschichten bzw. λ/4-Strukturen genannt. Die genaue Wirkung ergibt sich auf Grund der Strahlungsauslöschung durch Interferenz. Dabei kann eine erhebliche Verringerung der Gesamtreflexion und damit eine deutliche Erhöhung der Absorption erreicht werden. Der entscheidende Nachteil liegt darin, dass dies nur für einen eingeschränkten, engen Spektralbereich möglich ist, wie es beispielsweise aus der US 2004/0256559 A1 hervorgeht. Hier wird die Verwendung einer Antireflexionsschicht aus Siliziumdioxid (SiO₂) vorgeschlagen, um die Reflexionen von der strahlungsempfangenden Sensoroberfläche im infraroten Wellenlängenbereich von 8...12 μm zu vermindern.
Alternativ lassen sich Reflexionen aber auch durch eine Strukturierung bzw. Aufrauhung der Oberfläche verringern. In der PS US 6 781 128 B2 wird z. B. eine λ/4-Antireflexionsschicht beschrieben, die zusätzlich eine Strukturierung besitzt, deren laterale Abmaße kleiner als die Wellenlänge der einfallenden Infrarotstrahlung ist. Durch diese Strukturierung verringert sich der Brechungsindexunterschied und damit auch der Reflexionsgrad. Gegenüber einer unstrukturierten λ/4-Antireflexionsschicht wird dadurch eine breitbandigere Entspiegelung erreicht. Des Weiteren beschreibt die PS JP 2004045339 AA eine Methode zur Strukturierung einer Absorptionsschicht. Dabei wird die auf die strahlungsempfangende Oberfläche aufgebrachte Absorptionsschicht mittels eines chemischen Ätzprozesses in ihrer Porosität eingestellt. Für Strahlung mit größeren Wellenlängen als der Durchmesser der Poren kann dabei die Schicht durch einen effektiven Brechungsindex beschrieben werden. Durch die Strukturierung verringert sich auch hier der Brechungsindexunterschied und somit der Reflexionsgrad. Ähnlich wie bei den Metallschwarzschichten bereitet die unzureichende mechanische Beständigkeit dieser porösen Absorptionschichten Probleme.
Es ist daher Aufgabe dieser Erfindung, ein Verfahren zur Erzeugung einer Absorptionsschicht auf einer strahlungsempfindlichen Fläche von thermischen Strahlungssensoren anzugeben, die ein möglichst hohes, breitbandiges und spektral homogenes Absorptionsverhalten besitzt, komplett mit herkömmlichen, produktiven Verfahren der Mikroelektronik und Mikromechanik herstellbar ist und nicht die oben aufgeführten Nachteile üblicher Absorptions- bzw. Antireflexionsschichten besitzt.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit den im Anspruch 1 genannten Verfahrensmerkmalen gelöst. Vorteilhafte Varianten des Verfahrens sind in den abhängigen Unteransprüchen genannt.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird derart durchgeführt, dass zunächst eine fotolithografisch strukturierbare Lackschicht von maximal 3 μm Dicke ganzflächig auf der strahlungszugewandten Sensoroberfläche aufgebracht wird und durch übliches Belichten über Fotomasken und anschließendes Entwickeln der strahlungsempfindliche Bereich wieder freigelegt wird. Auf die so strukturierte Sensoroberfläche wird dann im Hochvakuum unter einem Einfallswinkel von vorzugsweise größer 70° eine NiCr-Schicht von wenigen hundert Nanometern Dicke abgeschieden, wobei die Probe mit konstanter Geschwindigkeit rotiert. Die auf diese Weise abgeschiedene NiCr-Schicht weist eine besondere Struktur auf, welche die absorbierenden Eigenschaften im visuellen und infraroten Spektralbereich erheblich verbessert. Die Entfernung der Lackmaske erfolgt mit einem Lösungsmittel, wobei auch die darüber liegende, abgeschiedene NiCr-Schicht entfernt wird und somit nur im strahlungsempfindlichen Bereich vorhanden bleibt (sogenannte Lift-off-Technik). Die Absorptionsschicht bildet durch das erfindungsgemäße Verfahren eine Struktur in Form keulenartiger Nanostäbchen aus, die annähernd senkrecht auf der Oberfläche des strahlungsempfindlichen Elementes stehen, wobei Dichte und Anzahl der Nanostäbchen sich mit zunehmender Schichtdicke verringern, ihr Durchmesser und Abstand sich jedoch vergrößert. Dadurch weist die Schicht eine Porosität auf, die entlang der Wachstumsrichtung der Nanostäbchen zunimmt.
Vorzugsweise wird als Absorptionsschicht eine Nickel-Chrom-Schicht (NiCr) ausgebildet, wobei anstelle einer NiCr-Legierung aber auch andere Materialien verwendet werden können. NiCr-Legierungen eignen sich jedoch besonders gut, da sie sich durch sehr gute und langzeitstabile mechanische, elektrische als auch optische Eigenschaften auszeichnen. Zudem sind sie sehr preiswert. Anwendung finden sie z. B. in Dünnschichtwiderständen oder thermischen Strahlungssensoren.
Die erfindungsgemäß hergestellten NiCr-Absorptionsschichten sind mechanisch stabil, feuchtigkeits- und lösungsmittelbeständig sowie langzeitstabil. Da beide Legierungsbestandteile Metalle sind, besitzen sie auch eine hohe Wärmeleitfähigkeit. Durch die geringe Schichtdicke und hohe Porosität ist andererseits die thermische Masse sehr gering. In den erfindungsgemäß hergestellten thermischen Strahlungssensoren werden hohe (> 90%), breitbandige Absorptionsgrade bei Schichtdicken unter 1 μm erreicht.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der folgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1: einen Querschnitt durch einen pyroelektrischen Strahlungssensor
2: die schwarze Empfindlichkeit S_V(500 K) eines pyroelektrischen Sensors mit einer 750 nm dicken Nickel-Chrom-Absorptionsschicht im Vergleich zu einem Sensor ohne Absorptionsschicht
3: die spektrale Empfindlichkeit S_Vλ(15 Hz) eines pyroelektrischen Sensors mit einer 750 nm dicken Nickel-Chrom-Absorptionsschicht im Vergleich zu einem Sensor ohne Absorptionsschicht
4: ein Prinzip der Abscheidung einer Nickel-Chrom- Absorptionsschicht
5: ein Querschnittsprofil einer Nickel-Chrom-Absorptionsschicht
6: eine Oberfläche einer 180 nm dicken Nickel-Chrom-
Absorptionsschicht
7: eine Oberfläche einer 780 nm dicken Nickel-Chrom-Absorptionsschicht
Beim in 1 dargestellten pyroelektrischen Strahlungssensor ist der pyroelektrische Chip 2 mit Frontelektrode 7 und Rückelektrode 4 an seinen Eckpunkten elastisch über eine hoch isolierende Chipaufhängung 3, z. B. Silikonklebepunkte, mit einer Trägergrundplatte 1 verbunden, die in der Mitte eine Aussparung zur besseren thermischen Isolation besitzt. Das Volumen, welches zwischen Frontelektrode 7 und Rückelektrode 4 eingeschlossen ist, wird als strahlungsempfindliches Element und die Überlappungsfläche beider Elektroden als strahlungsempfindliche Sensorfläche bezeichnet. Die strukturierte Nickel-Chrom-Absorptionsschicht 10 befindet sich auf der Frontelektrode 7 des pyroelektrischen Chips 2 und bedeckt die strahlungsempfindliche Fläche. Die Metallschichten für die Elektroden 4 und 7 sowie die Absorptionsschicht 10 werden fotolithografisch strukturiert, d. h. eine ganzflächig aufgebrachte, dünne Schicht eines Fotolackes wird über Fotomasken belichtet und anschließend entwickelt, bevor das Abscheiden der Metallschichten, durch z. B. thermisches Verdampfen oder Sputtern, im Hochvakuum erfolgt. Die Frontelektrode 7 wird durch eine Drahtkontaktierung 8, z. B. Ultraschallbonden, mit der Kontaktleitbahn 9 auf der Trägergrundplatte 1 elektrisch verbunden. Die Rückelektrode 4 ist über einen elektrisch leitfähigen Kleber 5 mit der Kontaktleitbahn 6 auf der Trägergrundplatte 1 elektrisch verbunden. Vor dem Aufkleben und Bonden wird der pyroelektrische Chip 2 mit herkömmlichen Verfahren der Mikroelektronik hergestellt. Das Vereinzeln der pyroelektrischen Chips erfolgt z. B. durch Diamanttrennsägen. Wie üblich ist der beschriebene pyroelektrische Sensor zusammen mit der Vorverstärkereinheit, welche sich unterhalb der Trägergrundplatte 1 befindet, in einem hermetisch dichten Gehäuse mit infrarotdurchlässigem Fenster untergebracht. Gehäuse, Fenster und Vorverstärker sind nicht in der 1 dargestellt.
2 zeigt die schwarze Empfindlichkeit S_V(500 K) und 3 die spektrale Empfindlichkeit S_Vλ(15 Hz) eines erfindungsgemäßen, pyroelektrischen Strahlungssensors mit einer 750 nm dicken NiCr-Absorptionsschicht im Vergleich zu einem Sensor ohne Absorptionsschicht, der einen mittleren Bandabsorptionsgrad von etwa 62% besitzt. Damit werden nicht nur der hohe Absorptionsgrad (> 90%) sondern auch das breitbandige Absorptionsverhalten der NiCr-Absorptionsschicht bestätigt.
Die Abscheidung einer NiCr-Absorptionsschicht erfolgt unter einem Einfallswinkel von vorzugsweise größer 70° mit gleichzeitiger Probenrotation. Das Prinzip ist in 4 dargestellt. Der aus der Verdampferquelle 11 heraustretende NiCr-Teilchenstrom 12 trifft unter dem Einfallswinkel θ auf die Probe, die an der Probenhalterung 13 befestigt ist und mit konstanter Geschwindigkeit rotiert. Typische Abscheideraten liegen im Bereich von (1...5) nm/s bei typischen Rotationsgeschwindigkeiten von (30...40) U/min. Die Schichten weisen eine spezielle Struktur in Form keulenartiger Nanostäbchen auf, die in den 5 bis 7 dargestellt ist. Dabei verringern sich Dichte und Anzahl der Nanostäbchen mit zunehmender Schichtdicke, wohingegen sich Durchmesser und Abstand der Nanostäbchen vergrößern. Dadurch besitzen die Schichten eine gewisse Porosität, die entlang der Wachstumsrichtung der Nanostäbchen zunimmt. Die hergestellten NiCr-Absorptionsschichten sind dennoch mechanisch stabil sowie feuchtigkeits- und lösungsmittelbeständig.

1: Trägergrundplatte
2: pyroelektrischer Chip
3: Chipaufhängung
4: Rückelektrode
5: elektrisch leitfähiger Kleber
6: Kontaktleitbahn
7: Frontelektrode
8: Drahtkontaktierung
9: Kontaktleitbahn
10: Nickel-Chrom-Absorptionsschicht
11: Verdampferquelle
12: NiCr-Teilchenstrom
13: Probenhalterung

Claims

Verfahren zur Erzeugung von Absorptionsschichten auf einer strahlungsempfindlichen Fläche von thermischen Strahlungssensoren, insbesondere von pyroelektrischen Sensoren, wobei – auf der strahlungsempfindlichen Fläche eine fotolithografisch strukturierbare Lackschicht aufgebracht und ein strahlungsempfindlicher Bereich freigelegt wird, – die gesamte strahlungsempfindliche Fläche mit einer strukturierbaren, haftfesten Absorptionsschicht von einigen hundert Nanometern Dicke bedeckt wird, – die durch Verdampfen von Material im Hochvakuum unter einem Einfallswinkel zur Oberflächennormalen der strahlungsempfindlichen Fläche abgeschieden wird, – während des Verdampfens der Strahlungssensor mit konstanter Geschwindigkeit rotiert, so dass – sich die Absorptionsschicht mit einer Struktur in Form keulenartiger Nanostäbchen ausbildet, deren Porosität entlang der Wachstumsrichtung der Nanostäbchen zunimmt, und – verbliebene Lackschichten von der strahlungsempfindlichen Fläche abgelöst werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Nickel-Chrom-Legierung im Hochvakuum verdampft wird, so dass eine Nickel-Chrom-Absorptionsschicht abgeschieden wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Einfallswinkel zur Oberflächennormalen der Probe von größer als 70° während der Abscheidung eingehalten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Abscheidung mit einer Abscheiderate von 1 bis 5 nm/s erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlungssensor mit einer Geschwindigkeit von 30 bis 40 U/min während der Abscheidung rotiert.