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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Sensorpixel zur Detektion von Infrarotstrahlung, auf einen Sensor zur Detektion von Infrarotstrahlung, auf ein Verfahren zum Herstellen eines Sensorpixels sowie auf ein entsprechendes Computerprogramm.
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Bei einem Infrarot Bildsensor wird Infrarotstrahlung in eine Bildinformation umgewandelt. Dazu werden an einer Vielzahl von Bildpunkten Intensitätswerte der einfallenden Infrarotstrahlung ermittelt. Um die Absorption der einfallenden IR Strahlung zu erhöhen, können spezielle Absorbergeometrien verwendet werden. Beispielsweise können symmetrisch aufgebaute Ärmchengeometrien verwendet werden, bei denen jedes Ärmchen mindestens eine Zuleitungsebene enthält.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Sensorpixel zur Detektion von Infrarotstrahlung, ein Sensor zur Detektion von Infrarotstrahlung, ein Verfahren zum Herstellen eines Sensorpixels sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogramm gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Der hier vorgestellte Ansatz beschreibt ein Pixeldesign für Infrarot beziehungsweise IR-Strahlungsmessungen und ein Verfahren zur Herstellung desselben.
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Die Herstellung eines Mikrobolometers basiert prinzipiell auf der Bereitstellung einer thermisch isolierten Insel, die einen IR-Absorber und ein temperatursensitives Bauelement enthält.
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Die Insel kann über einen anisotropen TMAH-Ätzprozess freigestellt werden. Dabei sind der Füllfaktor und das Miniaturisierungspotenzial der Pixel begrenzt. Um die Absorption der einfallenden IR Strahlung zu erhöhen, können spezielle Absorbergeometrien verwendet werden.
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Vorteile sind eine hohe thermische Isolation der Pixel bei gleichzeitig maximal großem Absorber, was zu einer maximalen Temperaturerhöhung auf dem Pixel führt. Die thermische Trägheit des Systems kann durch Entfernen einiger Bereiche des Absorbers und des darunter liegenden Siliziums verringert werden. Gleichzeitig bietet sich die Möglichkeit, dadurch mehrere thermoelektrische Wandler elektrisch voneinander zu trennen.
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Es wird eine Pixelstruktur mit optimaler Kombination aus Absorberfläche und thermischer Isolation vorgestellt, aus der sich ein höchstmögliches Temperatursignal auf dem Pixel ergibt. In dem hier vorgestellten Ansatz liegen die Ärmchen und der Absorber in einer Ebene und benötigen keine dreidimensional strukturierten MEMS-Strukturen.
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Es wird ein Sensorpixel zur Detektion von Infrarotstrahlung vorgestellt, wobei das Sensorpixel die folgenden Merkmale aufweist:
eine von einem Substrat abgetrennte Insel, auf der eine Absorberstruktur zur Absorption der Infrarotstrahlung angeordnet ist; und
ein erstes Ärmchen und zumindest ein zweites Ärmchen, wobei die Ärmchen zwischen der Insel und dem Substrat angeordnet sind, elektrische Zuleitungen zwischen der Absorberstruktur und Pixelanschlüssen im Bereich des Substrats aufweisen und die Insel mechanisch mit dem Substrat verbinden, wobei ein Flächenanteil der Ärmchen des Sensorpixels in einem vorgegebenen Flächenverhältnis zu einem Flächenanteil der Insel des Sensorpixels steht.
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Ferner wird im hier vorgestellten Ansatz ein Sensor zur Detektion von Infrarotstrahlung mit einer Mehrzahl von Sensorpixeln gemäß dem hier vorgestellten Ansatz vorgestellt, wobei insbesondere die Inseln der Sensorpixel in einer regelmäßigen Anordnung angeordnet sind und über die Ärmchen mit einem gemeinsamen Substrat verbunden sind, wobei insbesondere die Pixelanschlüsse der Sensorpixel gruppiert angeordnet sind.
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Auch wird ein Verfahren zum Herstellen eines Sensorpixels zur Detektion von Infrarotstrahlung vorgestellt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
Integrieren einer ersten elektrischen Zuleitung und zumindest einer zweiten elektrischen Zuleitung für eine Absorberstruktur zur Absorption der Infrarotstrahlung in einem Schichtstapel;
Verbinden eines ersten elektrischen Anschlusses der Absorberstruktur mit einem ersten Pixelanschluss im Bereich eines Substrats des Sensorpixels unter Verwendung der ersten elektrischen Zuleitung und Verbinden eines zweiten elektrischen Anschlusses der Absorberstruktur mit einem zweiten Pixelanschluss im Bereich des Substrats unter Verwendung der zweiten elektrischen Zuleitung; und
Ausbilden eines ersten Ärmchens und zumindest eines zweiten Ärmchens aus dem Schichtstapel, wobei die Ärmchen zwischen dem Substrat und einer von dem Substrat abgetrennten Insel mit der Absorberstruktur angeordnet sind, wobei das erste Ärmchen und das zweite Ärmchen dazu ausgebildet sind, die Insel und das Substrat mechanisch miteinander zu verbinden.
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Unter einem Substrat kann ein Halbleitermaterial verstanden werden, das als Träger für das Sensorpixel verwendet wird. Eine Absorberstruktur kann eine Absorberfläche aufweisen, die dazu ausgebildet ist, Infrarotstrahlung zu absorbieren und in Wärmeenergie umzuwandeln. Die Absorberstruktur kann einen Temperatursensor umfassen, der dazu ausgebildet ist, eine Temperatur der Absorberstruktur und/oder der Insel in einem elektrischen Signal abzubilden. Ein Ärmchen kann eine Balkenstruktur beziehungsweise eine Materialbrücke zwischen der Insel und/oder der Absorberstruktur und dem Substrat sein. Eine Zuleitung kann eine elektrische Leitung aus einem elektrisch leitenden Material sein. Die Ärmchen können als Schichtstapel von übereinander angeordneten Schichten ausgeführt sein. Eine regelmäßige Anordnung von Sensorpixeln kann als Pixelmatrix bezeichnet werden. Unter einer Fläche der Ärmchen kann eine Fläche eines Zwischenraums zwischen der Insel und dem Substrat verstanden werden. Ein Flächenverhältnis kann ein Quotient aus einer projizierten Fläche der Insel beziehungsweise des Absorbers und einer Fläche der Ärmchen sein.
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Der Flächenanteil der Ärmchen kann im Wesentlichen dem Flächenanteil der Insel entsprechen. Die Flächenanteile können innerhalb eines Toleranzbereichs von beispielsweise zehn Prozent gleich sein. Zu dem Flächenanteil der Ärmchen zählen die Zwischenräume zwischen den Ärmchen dazu. Durch dieses Flächenverhältnis kann eine besonders günstige Absorption der Infrarotstrahlung erreicht werden.
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Das erste Ärmchen und alternativ oder ergänzend das zweite Ärmchen kann zumindest teilweise mäanderförmig ausgebildet sein. Durch eine mäanderförmige Ausführung kann auf engem Raum eine große Länge des Ärmchens angeordnet werden.
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Das erste Ärmchen und alternativ oder ergänzend das zweite Ärmchen kann zumindest teilweise spiralförmig um die Insel ausgebildet sein. Durch eine spiralförmige Ausführung können das erste Ärmchen und das zweite Ärmchen mit der gleichen Länge ausgeführt werden.
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Die elektrischen Zuleitungen können innerhalb der Ärmchen von elektrisch isolierendem Material umschlossen sein. Dadurch können die Zuleitungen vor Umwelteinflüssen geschützt sein.
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Die Insel kann durch zumindest einen Schlitz in zumindest zwei Teilinseln unterteilt sein. Dabei kann in jeder Teilinsel eine Absorberstruktur angeordnet sein. Die Teilinseln können durch Brücken miteinander verbunden sein. Durch mehrere Absorberstrukturen kann ein differenziertes elektrisches Signal erzeugt werden. Dadurch kann eine höhere Empfindlichkeit und/oder Auflösung des Sensorpixels erreicht werden.
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Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
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Bei dem hier vorgestellten Pixeldesign für Thermografieanwendungen, basierend auf dem bolometrischen Prinzip, wird ein Kompromiss zwischen Absorberfläche und thermischer Entkopplung des Pixels vorgestellt. Die thermische Entkopplung ist über die Ärmchenlänge und den Ärmchenquerschnitt einstellbar. Der Absorber selbst besteht beispielsweise aus einer einfachen SiO2 Schicht beziehungsweise Schichten und enthält eine Antennenstruktur oder plasmonische Strukturen, die als Metamaterial-Perfect-Absorber bezeichnet werden können. Die hier eingekoppelte Wärmeleistung führt zu einer Temperaturerhöhung des thermisch isolierten Pixels, dessen Isolation maßgeblich vom Aufbau der Halteärmchen, insbesondere Länge und Querschnittsfläche, abhängt. Diese Temperaturerhöhung wird mit einem direkt auf dem Pixel platzierten thermoelektrischen Wandlerelement in ein elektrisches Signal transformiert. Das Wandlerelement besteht beispielsweise aus einem temperaturabhängigen Widerstand, einem Halbleiter-Bauelement, wie einer Diode oder Thermocouples. Um zum einen die elektrische und mechanische Verbindung des Wandlerelementes zum Festland beziehungsweise Substrat und schlussendlich zum ASIC, aber auch die thermische Isolation der kompletten Pixelstruktur zu realisieren, werden lange und dünne Ärmchen verwendet, die eine elektrisch leitende Schicht enthalten. Um eine Verkippung der Insel infolge des Stresses in den Ärmchen zu kompensieren, werden die Verbindungspunkte zwischen Ärmchen und Insel optimalerweise symmetrisch zum Schwerpunkt der Insel gewählt. Bei rechteckiger Inselform beispielsweise in diagonal gegenüberliegenden Ecken. Die Ärmchen selbst werden so dünn und so schmal wie möglich gewählt, um die thermische Ableitung beziehungsweise Kopplung zum Substrat gering zu halten. Um eine höhere mechanische Stabilität bei großen Ärmchenlängen zu gewährleisten, werden Ärmchen bevorzugt, deren Breiten nicht wesentlich größer sind als die Höhen. Idealerweise ist die Höhe größer als die Breite. Mit hier vorgestellten Verfahren sind Ärmchenhöhen möglich, die dünner sind, als die Dicke der Insel und des Absorbers. Dadurch ist eine Reduktion der thermischen Kopplung möglich. Damit der zur Verfügung stehende Platz, festgelegt durch den Pixelpitch, optimal für Absorption auf dem Absorber und thermische Entkopplung genutzt werden kann, werden die Ärmchen entweder in einer rechtwinkligen Spirale um die Insel oder aber mäanderförmig auf zwei, bevorzugt den längeren, Seiten der Insel geführt. In beiden Fällen werden die Längen, Breiten und Dicken der Ärmchen gemeinsam mit der Fläche der Absorberstruktur so gewählt, dass ein Optimum der Temperaturerhöhung auf der Insel entsteht. Insbesondere wird ein Flächenverhältnis von näherungsweise eins zu eins gewählt.
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Um dem Problem einer höheren thermischen Trägheit in Folge einer höheren thermischen Entkopplung der Insel entgegenzuwirken, kann diese mit Löchern versehen werden, durch die ein Ätzangriff auf das darunter liegende Silizium möglich ist. Dadurch verringert sich zum einen die mechanische und thermische Masse der Insel, zum anderen ist jedoch auch die Aufteilung des Grundkörpers in mehrere elektrisch voneinander isolierte Blöcke möglich, durch die eingebrachte Wandlerelemente elektrisch getrennt werden können. Vorteilhaft ist es, wenn die Löcher hinsichtlich ihrer lateralen Abmessungen kleiner als die Wellenlänge sind, um die Absorption im Absorber nicht zu beeinflussen.
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Werden N × M Pixel in einer rechtwinkligen Matrix angeordnet, ist ortsaufgelöste Thermografie mit dem hier beschriebenen Konzept realisierbar.
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Der hier vorgestellte Ansatz wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine Schnittdarstellung durch ein Sensorpixel gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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2 eine Darstellung eines Sensorpixels mit spiralförmigen Ärmchen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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3 eine Darstellung eines Sensorpixels mit mäanderförmigen Ärmchen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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4 eine Schnittdarstellung durch ein Sensorpixel mit Teilinseln gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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5 eine räumliche Darstellung eines Sensorpixels mit vertikal über der Insel angeordneten Ärmchen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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6 eine Schnittdarstellung durch ein Sensorpixel mit vertikal über der Insel angeordneter Balkenstruktur gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
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7 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen eines Sensorpixels gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
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1 zeigt eine Schnittdarstellung durch ein Sensorpixel 100 beziehungsweise Bolometer Pixel 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Sensorpixel 100 ist dazu ausgebildet, eine Intensität einer Infrarotstrahlung 102 in einem elektrischen Signal abzubilden. Dazu weist das Sensorpixel 100 eine Absorberstruktur 104 zum Absorbieren der Infrarotstrahlung 102 auf. Die Absorberstruktur 104 ist dazu ausgebildet, die Infrarotstrahlung 102 in eine Temperaturerhöhung auf dem Pixel umzuwandeln. Aus der Temperaturerhöhung wird dann ein elektrisches Signal generiert. Eine Oberfläche der Absorberstruktur 104 ist im Wesentlichen senkrecht zu einer Einfallsrichtung der Infrarotstrahlung 102 ausgerichtet, um eine maximale Absorberfläche der Infrarotstrahlung 102 auszusetzen. Bei dem hier dargestellten Sensorpixel 100 wird die Absorberstruktur 104 von der Infrarotstrahlung 102 beim Absorbieren erwärmt. Eine Temperatur der Absorberstruktur 104 wird in dem elektrischen Signal abgebildet.
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Um einen möglichst geringen Wärmeverlust der Absorberstruktur 104 zu ermöglichen, ist die Absorberstruktur 104 auf einer Insel 106 angeordnet. Die Insel 106 besteht aus einem Halbleitermaterial. Die Insel 106 ist von einem Substrat 108 durch einen Zwischenraum 110 getrennt. Das Substrat 108 besteht hier ebenfalls aus einem Halbleitermaterial. Der Zwischenraum 110 isoliert die Insel 106 und die Absorptionsstruktur 104 thermisch von dem Substrat 108.
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Die Insel 106 wird von einer Balkenstruktur 112 gehalten. Die Balkenstruktur 112 weist zumindest zwei Balken 114, 116 auf, die die Insel 106 mit dem Substrat 108 mechanisch verbinden. Ein erster Balken 114 kann als erstes Ärmchen bezeichnet werden. Ein zweiter Balken 116 kann als zweites Ärmchen bezeichnet werden. Damit die Balkenstruktur 112 einen großen Wärmewiderstand aufweist, weisen die Balken 114, 116 eine geringe Querschnittsfläche und eine große Länge auf.
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In dem ersten Ärmchen 114 ist in diesem Ausführungsbeispiel eine erste elektrische Zuleitung integriert. In dem zweiten Ärmchen 116 ist hier eine zweite elektrische Zuleitung 120 integriert. Die elektrischen Zuleitungen 118, 120 verbinden die Absorberstruktur 104 mit hier nicht dargestellten Pixelanschlüssen im Bereich des Substrats 108. Ein Flächenanteil 122 der Ärmchen 114, 116 beziehungsweise der Balkenstruktur 112 des Sensorpixels 100 steht in einem vorgegebenen Flächenverhältnis zu einem Flächenanteil 124 der Insel 106 beziehungsweise der Absorberstruktur 104 des Sensorpixels 100. Dabei zählt der Zwischenraum 110 zwischen den Ärmchen 114, 116 zu dem Flächenanteil 122 der Balkenstruktur 112.
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Das hier vorgestellte Bauelement umfasst zumindest eine Pixelstruktur 100, wie sie beispielsweise in 1 dargestellt ist. Das Bauelement kann als Sensor zur Detektion von Infrarotstrahlung bezeichnet werden. Die Pixelstruktur 100 bestehend aus einer räumlich vom Substrat 108 freigestellten Insel 106 mit annähernd rechteckiger Form, die bevorzugt aus einem oder mehreren monokristallinen Siliziumgrundkörpern und wenigstens einer Haltestruktur aus beispielsweise Siliziumoxid zusammengesetzt ist. Darin integriert ist eine Absorberstruktur 104, beispielsweise ein Bulk-Absorber, eine Antennenstruktur oder ein Metamaterial-Perfect-Absorber. Weiterhin ist ein hier nicht dargestelltes thermoelektrisches Wandlerelement, wie ein temperaturabhängiger Widerstand, ein Halbleiterbauelement, insbesondere ein pn-Übergang oder ein Thermocouple in der Insel 106 integriert. Die Insel 106 ist über mindestens zwei Ärmchen 114, 116 mechanisch mit dem Substrat 108 verbunden. Die Aufhängungspunkte der Ärmchen 114, 116 an der Insel 106 sind in der Ebene im Wesentlichen symmetrisch zum Schwerpunkt der Inselmasse angeordnet. Mindestens zwei der Ärmchen 114, 116 enthalten zur elektrischen Kontaktierung mindestens eine Zuleitung 118, 120. Die Ärmchen 114, 116 sind bevorzugt dünner als die Insel 106 mit Absorber 104. Die Ärmchenbreite und Ärmchendicke ist so gewählt, dass die Breite nicht wesentlich größer ist als die Dicke. Dadurch wird die mechanische Stabilität längerer Ärmchen 114, 116 erhöht. Die Ärmchen 114, 116 sind entweder in einer im Wesentlichen rechtwinkligen Spirale um die Insel 106 oder mäanderförmig ausgeführt. Die Spirale umschließt beziehungsweise umläuft die Insel 106 lateral und weist bevorzugt drei oder mehr Schenkel auf. Der Mäander weist zwei, bevorzugt an den längeren Seiten der Insel 106 angeordnete Schenkel auf. Die Ärmchen 114, 116 können in der Ebene oder spiral- oder mäanderförmig vertikal über der dem Substrat 108 abgewandten Seite der Insel 106 angeordnet sein.
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Die optimale Pixelstruktur 100 ist die, bei der das Flächenverhältnis von Absorberinsel 106 zur von den beiden lateral angeordneten Ärmchen 114, 116 eingenommene Fläche am dichtesten an eins ist. Mit anderen Worten, wenn die Absorberfläche 124 möglichst die Hälfte der gesamten Pixelfläche einnimmt.
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2 zeigt eine Darstellung eines Sensorpixels 100 mit spiralförmigen Ärmchen 114, 116 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Sensorpixel 100 entspricht im Wesentlichen dem Sensorpixel in 1. Im Gegensatz dazu ist das Substrat hier nicht dargestellt. Die Balkenstruktur 112 ist hier spiralförmig um die Insel 106 beziehungsweise die Absorptionsstruktur 104 umlaufend ausgeführt. Dabei sind die Ärmchen 114, 116 an diagonal gegenüberliegenden Ecken der im Wesentlichen quadratischen Insel 106 mit der Absorptionsstruktur 104 verbunden und verlaufen mit einem im Wesentlichen gleichbleibenden Abstand zu der Insel 106 innerhalb des Zwischenraums 110 entlang zweier Seiten der Insel 106. Daran anschließend verlaufen die Ärmchen 114, 116 parallel entlang des jeweils anderen Ärmchens und anschließend geradlinig auf das hier nicht dargestellte Substrat zu, um den Zwischenraum 110 zu überbrücken und sind dort dem Substrat verbunden. Zum Vermeiden von Spannungsspitzen sind resultierende Kanten mit Radien versehen.
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Die Insel 106 weist in diesem Ausführungsbeispiel Schlitze 200 auf, welche die Insel 106 in vier gleich große Teilinseln 202, 204, 206, 208 unterteilen. Die Schlitze 200 sind kreuzförmig angeordnet. Die Teilinseln 202, 204, 206, 208 sind durch mit jeweils zwei Brücken 210 miteinander verbunden. Im Zentrum der Insel 106 ist eine quadratische Aussparung 212 angeordnet. Die Aussparung 212 ist an einem virtuellen Schnittpunkt der Schlitze 200 angeordnet. Die Schlitze 200 verlaufen durch das Halbleitermaterial der Insel 106 und die Absorptionsstruktur 104. Die Absorptionsstruktur 104 ist damit in vier Teilbereiche aufgeteilt. Jeder Teilbereich ist auf einer der Teilinseln 202, 204, 206, 208 angeordnet.
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In einem Ausführungsbeispiel sind innerhalb der Brücken 210 elektrische Leiter angeordnet, die die Insel mit den thermoelektrischen Wandlerelementen 106 kontaktieren. Dabei sind innerhalb der Ärmchen 114, 116 eine Mehrzahl von Zuleitungen integriert, um die Teilbereiche der Absorptionsstruktur 104 einzeln zu kontaktieren.
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Die Haltestruktur beziehungsweise Insel 106 kann Löcher 200 aufweisen, deren laterale Abmessungen deutlich kleiner als die zu detektierende IR-Wellenlänge sind. Durch die Löcher 200 können mehrere in die Insel 106 eingebrachte Wandlerelemente elektrisch voneinander durch einen Ätzvorgang getrennt werden. Durch die Löcher 200 kann die Insel 106 das Silizium betreffend in mehrere Teilinseln 202, 204, 206, 208 aufgeteilt werden. Die Masse, auch thermisch, der Insel 106 kann verringert werden.
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Der nicht dargestellte Sensor weist ein Array bestehend aus N × M Pixeln 100 auf, die in einer rechtwinkligen Matrix angeordnet sind.
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3 zeigt eine Darstellung eines Sensorpixels 100 mit mäanderförmigen Ärmchen 114, 116 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Sensorpixel 100 entspricht im Wesentlichen dem Sensorpixel in 2. Im Gegensatz dazu ist die Insel 106 rechteckig ausgeführt und in drei nebeneinander angeordnete Teilinseln 202, 204, 206 unterteilt, die durch jeweils drei Brücken 210 miteinander verbunden sind. Weiterhin ist die Balkenstruktur 112 mäanderförmig lateral neben der Insel 106 ausgebildet. Die Mäander verlaufen entlang der längeren Seiten der Insel 106 und überspannen den Zwischenraum 110.
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4 zeigt eine Schnittdarstellung durch ein Sensorpixel 100 mit Teilinseln 202, 204 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Sensorpixel 100 ist ein 2D-Pixel-Design und entspricht im Wesentlichen dem Sensorpixel in den 2 und 3 mit lateral angeordneten Ärmchen. Zusätzlich sind hier das Substrat 108 und der Zwischenraum 110 detailliert dargestellt. Hier ist auf dem Halbleitermaterial des Substrats 108 ein Schichtstapel 400 aufgebaut, aus dem die Balkenstruktur 112 herausgeätzt ist. Der Schichtstapel 400 ist im Bereich des Zwischenraums 110 und des Schlitzes 200 durchbrochen und erstreckt sich über die Insel 106. Die Absorptionsstruktur 104 ist hier in das Halbleitermaterial der Insel 106 integriert. Zusätzlich ist in das Halbleitermaterial ein thermoelektrisches Wandlerelement 402 pro Teilbereich der Absorptionsstruktur 104 integriert. Die Wandlerelemente 402 sind durch elektrisch leitfähige Schichten im Schichtstapel 400 elektrisch kontaktiert. Im Bereich des Substrats 108 sind mehrere Leiterbahnen 404 zum Betreiben des Sensorpixels 100 in dem Schichtstapel 400 integriert. Über die leitfähigen Schichten sind die Wandlerelemente 402 mit den Leiterbahnen 404 verbunden.
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5 zeigt eine räumliche Darstellung eines Sensorpixels 100 mit vertikal über der Insel 106 angeordneten Ärmchen 114, 116 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Sensorpixel 100 entspricht im Wesentlichen dem Sensorpixel in 3. Wie in 3 sind die Ärmchen 114, 116 mäanderförmig ausgeführt. Im Gegensatz dazu sind die beiden Ärmchen 114, 116 beabstandet zu einer Absorberfläche der Absorberstruktur 104 in einer Parallelebene angeordnet. Beide Ärmchen 114, 116 sind an, über die Absorberfläche vorstehenden Vorsprüngen 500 befestigt. Die Vorsprünge 500 sind im Wesentlichen im Schwerpunkt der Absorberstruktur 104 angeordnet.
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6 zeigt eine Schnittdarstellung durch ein Sensorpixel 100 mit vertikal über der Insel angeordneter Balkenstruktur 112 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Sensorpixel 100 ist ein 3D-Pixel-Design und entspricht im Wesentlichen dem Sensorpixel in 5. Zusätzlich weist das Sensorpixel 100 in diesem Ausführungsbeispiel zumindest eine weitere Insel 600 auf. Die Insel 106 und die weitere Insel 600 weisen jeweils einen im Schwerpunkt angeordneten Vorsprung 500 auf, der über die Balkenstruktur 112 mit dem Substrat 108 verbunden ist. Die Insel 106 und die weitere Insel 600 entsprechen in ihrer Funktion im Wesentlichen den Teilinseln in den vorhergehenden Figuren. Bei Anordnung der Ärmchen oberhalb der Pixelinsel ergibt sich vorteilhaft ein größerer Füllfaktor des Pixels.
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7 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 700 zum Herstellen eines Sensorpixels gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren 700 zum Herstellen des Sensorpixels zur Detektion von Infrarotstrahlung weist einen Schritt 702 des Integrierens, einen Schritt 704 des Verbindens und einen Schritt 706 des Ausbildens auf. Im Schritt 702 des Integrierens werden eine erste elektrische Zuleitung und zumindest eine zweite elektrische Zuleitung für eine Absorberstruktur zur Absorption von Infrarotstrahlung in einem Schichtstapel integriert. Im Schritt 704 des Verbindens wird ein erster elektrischer Anschluss der Absorberstruktur mit einem ersten Pixelanschluss im Bereich eines Substrats des Sensorpixels unter Verwendung der ersten elektrischen Zuleitung verbunden. Weiterhin wird ein zweiter elektrischer Anschluss der Absorberstruktur mit einem zweiten Pixelanschluss im Bereich des Substrats unter Verwendung der zweiten elektrischen Zuleitung verbunden. Im Schritt 706 des Ausbildens werden ein erstes Ärmchen und zumindest ein zweites Ärmchen aus dem Schichtstapel ausgebildet. Dabei sind die Ärmchen zwischen dem Substrat und einer von dem Substrat abgetrennten Insel mit der Absorberstruktur angeordnet. Das erste Ärmchen und das zweite Ärmchen sind dazu ausgebildet sind, die Insel und das Substrat mechanisch miteinander zu verbinden.
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Mit anderen Worten zeigt 7 ein Verfahren 700 zur Herstellung einer räumlich vom Substrat freigestellten Siliziuminsel beziehungsweise Insel mit lateral in der Ebene angeordneten freitragenden Ärmchen mit einem Teilschritt des Bereitstellens, einer Mehrzahl von Teilschritten des Abscheidens, des Strukturierens und des Entfernens, einem Teilschritt des Trenchens und einem Teilschritt des Ätzens.
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Im Teilschritt des Bereitstellens wird eine bevorzugt einkristalline erste Schicht bereitgestellt, welche vertikal vom Substrat durch eine Isolationsschicht, wie einen Spalt und/oder Siliziumoxid getrennt ist. Die erste Schicht enthält das thermoelektrische Wandlungselement.
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Im ersten Teilschritt des Abscheidens wird eine elektrisch isolierende zweite Schicht abgeschieden.
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Im ersten Teilschritt des Strukturierens wird diese zweite Schicht strukturiert. Dabei werden Kontaktlöcher in den notwendigen Bereichen des thermoelektrischen Wandlungselements geöffnet.
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Im zweiten Teilschritt des Abscheidens wird eine leitende dritte Schicht abgeschieden, die die elektrische Kontaktierung zwischen Insel und externen Anschlüssen realisiert.
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Im zweiten Teilschritt des Strukturierens wird diese dritte Schicht in Leiterbahnen als Zeilen- bzw. Spaltenzuleitungen und Verdrahtung auf dem Pixel strukturiert.
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Im dritten Teilschritt des Abscheidens wird eine elektrisch isolierende vierte Schicht abgeschieden.
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Im dritten Teilschritt des Strukturierens wird diese vierte Schicht zur Öffnung von Vialöchern strukturiert.
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Im vierten Teilschritt des Abscheidens wird eine fünfte leitfähige Schicht abgeschieden, die später als Hartmaske für die Ärmchenstrukturierung und als Zeilen- bzw. Spaltenzuleitungen verwendet wird. Alternativ kann die fünfte leitfähige Schicht als Ätzstopp verwendet werden.
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Im vierten Teilschritt des Strukturierens wird diese fünfte Schicht strukturiert, sodass diese insbesondere nur im Bereich der Ärmchen stehen bleibt.
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Im fünften Teilschritt des Abscheidens wird eine elektrisch isolierende sechste Schicht abgeschieden, die die Funktion des Absorbers realisiert und/oder als Passivierung dient.
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Optional wird im sechsten Teilschritt des Abscheidens einer siebten Schicht abgeschieden, die später als Ätzstopp für den Absorber verwendet wird.
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Im ersten Teilschritt des Entfernens werden die nicht leitenden Schichten zur Strukturierung der Ärmchen bis auf die erste Schicht durch anisotropes beziehungsweise senkrechtes Entfernen entfernt.
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Im fünften Teilschritt des Strukturierens wird die nicht leitende sechste Schicht zum Öffnen von Kontaktpads strukturiert.
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Im zweiten Teilschritt des Entfernens wird die Ätzstoppschicht beziehungsweise Hartmaskenschicht entfernt.
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Im Teilschritt des Trenchens beziehungsweise Ätzens wird die erste Schicht bis wenigstens in eine Tiefe der Isolationsschicht zur lateralen Trennung des Grundkörpers der Insel von der restlichen ersten Schicht und gegebenenfalls der Auftrennung des Grundkörpers der Insel in mehrere Wandlerelemente getrencht beziehungsweise geätzt.
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Optional wird im Teilschritt des Ätzens die erste Schicht und/oder das Substrat anisotrop geätzt, um die Ärmchen zu unterätzen.
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In einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens 700 zur Herstellung einer räumlich vom Substrat freigestellten Insel mit vertikal über der Insel angeordneten freitragenden Ärmchen weist das Verfahren 700 einen Teilschritt des Bereitstellens, eine Mehrzahl von Teilschritten des Abscheidens, des Strukturierens des Ätzens und einen Teilschritt des Entfernens auf.
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Im Teilschritt des Bereitstellens wird eine bevorzugt einkristalline erste Schicht bereitgestellt, welche vertikal vom Substrat durch eine Isolationsschicht, wie einen Spalt und/oder Siliziumoxid getrennt ist. Die erste Schicht enthält das thermoelektrische Wandlungselement.
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Im ersten Teilschritt des Abscheidens wird eine elektrisch isolierende zweite Schicht abgeschieden.
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Im ersten Teilschritt des Strukturierens wird diese zweite Schicht strukturiert. Dabei werden Kontaktlöcher in den notwendigen Bereichen des thermoelektrischen Wandlungselements geöffnet.
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Im zweiten Teilschritt des Abscheidens wird eine leitende dritte Schicht abgeschieden, die die elektrische Kontaktierung zwischen Insel und externen Anschlüssen realisiert.
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Im zweiten Teilschritt des Strukturierens wird diese dritte Schicht in Leiterbahnen als Zeilen- bzw. Spaltenzuleitungen und Verdrahtung auf dem Pixel strukturiert.
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Im dritten Teilschritt des Abscheidens wird eine elektrisch isolierende vierte Schicht abgeschieden.
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Im dritten Teilschritt des Strukturierens wird diese vierte Schicht zur Öffnung von Vialöchern strukturiert.
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Im vierten Teilschritt des Abscheidens wird eine fünfte leitfähige Schicht abgeschieden.
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Im vierten Teilschritt des Strukturierens wird diese fünfte Schicht als Zeilen- bzw. Spaltenzuleitungen strukturiert.
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Im fünften Teilschritt des Abscheidens wird eine elektrisch isolierende sechste Schicht abgeschieden.
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Im sechsten Teilschritt des Abscheidens wird eine Opferschicht beispielsweise aus W, poly-Si, poly-Ge abgeschieden.
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Im fünften Teilschritt des Strukturierens wird die Opferschicht strukturiert. Im siebten Teilschritt des Abscheidens wird eine elektrisch isolierende siebte Schicht abgeschieden.
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Im achten Teilschritt des Abscheidens wird eine leitfähige achte Schicht für die Ärmchenzuleitung abgeschieden.
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Im sechsten Teilschritt des Strukturierens wird die leitfähige achte Schicht strukturiert.
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Im neunten Teilschritt des Abscheidens wird eine elektrisch isolierende neunte Schicht abgeschieden.
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Im siebten Teilschritt des Strukturierens werden die nicht leitenden Schichten zum Öffnen von Kontaktpads in einer der leitfähigen Schichten, zur Definition der Ärmchen und simultanen Freilegung der Opferschicht strukturiert. Alternativ werden die nicht leitenden Schichten zwischen den Ärmchen bzw. zwischen den Ärmchen und der Insel sowie auf dem Absorber selbst entfernt.
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Im optionalen ersten Teilschritt des Ätzens wird das Silizium isotrop geätzt, um die Ärmchen freizustellen.
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Im Teilschritt des Entfernens werden die Opferschicht und die nicht leitenden Schichten bis in die Tiefe der ersten Schicht anisotrop beziehungsweise senkrecht entfernt, um die Haltevorrichtung zu strukturieren.
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Im zweiten Teilschritt des Ätzens wird die erste Schicht bis wenigstens in eine Tiefe der Isolationsschicht geätzt, um den Grundkörper lateral der Insel von der restlichen ersten Schicht zu trennen und um den Grundkörper der Insel gegebenenfalls in mehrere Wandlerelemente aufzutrennen.
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Im dritten optionalen Teilschritt des Ätzens werden die erste Schicht, die Opferschicht und/oder das Substrat geätzt, um die Ärmchen und gegebenenfalls die erste Schicht zu unterätzen.
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Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden.
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Ferner können die hier vorgestellten Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
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Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“ -Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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