DE19525071A1 - Pyroelektrisches Bauelement und Verfahren zur Herstellung - Google Patents

Description

Ein Pyrodetektor besteht aus einer aktiven Sensorschicht aus einem pyroelektrischen Material, welche beidseitig mit einer Elektrode versehen ist. Als pyroelektrische Materialien wer­ den beispielsweise Bleizirkonat Titanate (PZT) vorzugsweise Bleititanat oder organische Pyroelektrika wie Polyvinyliden­ fluorid (PVDF) verwendet. Eine dauerhafte Polarisierung der Sensorschicht kann in einem starken elektrischen Feld erfol­ gen oder stellt sich beim Aufwachsen des Pyroelektrikums von selbst ein.

Durch Absorption von infraroter Strahlung und der dadurch be­ wirkten Temperaturerhöhung reagiert die aktive Sensorschicht eines Pyrodetektors mit dem Aufbau einer an den Elektroden ablesbaren elektrischen Spannung. Um bei einer gegebenen Strahlung ein maximales Meßsignal zu erhalten, müssen die py­ roelektrischen Eigenschaften der Sensorschicht und insbeson­ dere der pyroelektrische Koeffizient optimiert werden. Ein schnelles und leichtes Ansprechen wird erreicht, wenn der Py­ rodetektor eine nur geringe Wärmekapazität besitzt. Dies er­ folgt üblicherweise durch Reduzierung der Schichtdicken des Pyrodetektors und durch Rückätzen des Substrats, auf dem das Detektorelement aufgebaut wird. Eine weitere Steigerung der Empfindlichkeit kann erzielt werden, wenn eine Auslese- und Verstärkerschaltung zur Auswertung des Meßsignals ohne großen Verdrahtungsaufwand an das Detektorelement angeschlossen wer­ den kann oder noch besser zusammen mit dem Detektorelement auf einem einzigen Bauelement integriert ist.

Ein weiteres Problem existiert bei der Herstellung integrier­ ter Pyrodetektorarrays, bei denen auf einem Bauelement eine Vielzahl von Detektorelementen integriert ist, um damit ein Warmebild einer IR-Quelle zu erzeugen. Ein solches Pyrodetek­ torarray muß zusätzlich auf eine möglichst hohe Packungsdich­ te der einzelnen Detektorelemente optimiert sein, um ein Wär­ mebild mit einer besseren Auflösung zu erhalten.

Ein Pyrodetektorarray mit einer C-achsenorientierten aktiven Sensorschicht ist aus einem Artikel von R. Takayama et al, "Pyroelectric Infrared Array Sensors Made Of c-Axis-oriented La-Modified PbTiO₃ Thin Films", Sensors and Actuators, A21 bis A23, pp 508 bis 512 (1990) bekannt. Die dort beschriebene Sensorschicht besteht aus mit Lanthan modifizierten Bleitita­ nat-Dünnschichten (PLT) die über einem Magnesiumoxideinkri­ stall als Substrat orientiert aufgewachsen sind. In einem späteren Verfahrensschritt wird die PLT-Schicht durch Rückät­ zen des Magnesiumoxidsubstrats freigelegt und von unten mit einer Elektrode beschichtet.

Nachteilig an diesem bekannten Pyrodetektorarray ist die auf­ wendige Verschaltung der teilweise unter dem Substrat verlau­ fenden Elektroden, die mit einer externen Auslese- und Aus­ werteschaltung verbunden werden müssen.

Aus der DE-A 43 23 821 ist ein integriertes Pyrodetektorele­ ment bekannt, bei dem über einem [100]-Siliziumsubstrat zu­ nächst Bufferschichten und darüber orientierte Elektroden- und aktive Sensorschichten abgeschieden werden. Die erforder­ lichen Auslese- und Auswerteschaltungen können direkt in das Substrat unterhalb der Bufferschichten integriert werden. Nachteilig an diesem Pyrodetektorelement ist, daß entweder bei der Herstellung der Auswerteschaltung oder beim Anschluß des Detektorelements an die Auswerteschaltung die aus den Bufferschichten bestehende Membran durchbrochen werden muß. Dies reduziert die mechanische Stabilität. Nachteilig ist weiterhin, daß das für die Schaltung erforderliche [100]-Siliziumsubstrat nicht über die gesamte Schichtdicke von bei­ spielsweise 400 µm anisotrop ätzbar ist. Die Detektorfenster, die zur Verminderung der Wärmekapazität des einzelnen Detek­ torelements im Substrat erzeugt werden müssen, können daher nur mit schrägen Seitenwänden erzeugt werden. Da andererseits zwischen den einzelnen Detektorelementen bzw. zwischen Zeilen von Detektorelementen Substratstege als Wärmesenken verblei­ ben müssen, ist durch die schrägen Seitenwände die maximale Packungsdichte der Einzeldetektoren auf dem integrierten De­ tektorarray reduziert.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein inte­ griertes pyroelektrisches Bauelement mit einer erhöhten Packungsdichte der Einzeldetektoren anzugeben, auf welchem eine Auslese- und Auswerteschaltung integriert ist, welches sich einfach herstellen läßt und dessen Herstellverfahren mit der herkömmlichen Halbleitertechnologie kompatibel ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein pyroelek­ trisches Bauelement mit den Merkmalen von Anspruch 1. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sowie ein Verfahren zur Her­ stellung des Bauelements gehen aus den übrigen Ansprüchen hervor.

Grundlegende Idee der Erfindung ist es, ein anisotrop ätzba­ res Substrat zu verwenden und dieses unter Zwischenschaltung einer elektrisch isolierenden Membran mit einer [100]- orientierten Siliziumschicht zu kombinieren.

Die für das pyroelektrische Bauelement erforderlichen Auswer­ te- und Ausleseschaltungen lassen sich mit herkömmlicher Halbleiterprozeßtechnik unabhängig vom Pyrodetektorelement herstellen. Das Substrat kann unabhängig von der Silizium­ schicht gewählt werden und ist anisotrop ätzbar. Auf diese Weise lassen sich unterhalb der einzelnen Pyrodetektorelemen­ te Detektorfenster im Substrat erzeugen, die vertikale oder nahezu vertikale Seitenwände aufweisen. Das verbleibende Substratmaterial zwischen den Pyrodetektorelementen dient als Wärmesenke und Membranträger zur mechanischen Stabilisierung des pyroelektrischen Bauelements. Bei gleicher Wärmekapazität ermöglichen Detektorfenster mit vertikalen Seitenwänden eine höhere Integrationsdichte der einzelnen Pyrodetektorelemente auf dem Bauelement als solche mit schrägen Seitenwänden.

Ein geeignetes anisotrop ätzbares Substratmaterial stellt beispielsweise [110]-orientiertes Silizium dar.

Die Kombination von [110]-orientiertem Siliziumsubstrat und [100]-orientierter Siliziumschicht gelingt in einfacher Weise durch ein Waferbond-Verfahren. Ein solches Verfahren ist bei­ spielsweise aus der US 4 883 215 bekannt. Mit diesem Verfah­ ren lassen sich auch Wafer unterschiedlicher Orientierung zu einem festen und hohlraumfreien Verbund verbinden. Vorausset­ zung ist lediglich eine saubere, glatte und gegebenenfalls hydrophil eingestellte Oberfläche. Obwohl für das Waferbond-Verfahren verschiedenartige Oberflächen geeignet sind, wurde es bislang doch ausschließlich zum Verbinden gleichartiger Substrate, üblicherweise [100]-Siliziumsubstrate verwendet. Entsprechende gebondete Substrate finden Anwendung in der SOI-Technik (Silicon On Isolator), mit deren Hilfe vollstän­ dig isolierte Bauelemente über einer elektrisch isolierenden Schicht erzeugt werden können. Eines der Substrate wird dabei soweit in der Dicke reduziert, bis eine für die Erzeugung der entsprechenden Bauteile ausreichende Schichtdicke erhalten wird. Dazu können mechanische Schleif- und Polierverfahren, Ätztechniken oder Kombinationen davon dienen.

Die Erfindung nutzt weiterhin die Möglichkeit des Waferbond-Verfahrens, verschiedene Oberflächenschichten zu vereinen, um dabei die Membran für das Pyrodetektorelement zu erzeugen. Eine besonders bevorzugte Membran besteht aus einer Dreifach­ schicht, die eine Siliziumnitridschicht, eine Siliziumoxid­ schicht und eine weitere Siliziumnitridschicht umfaßt. Wird zusätzlich eine Schichtdickenoptimierung durchgeführt, so lassen sich in dieser Dreifachschicht unterschiedliche Zug- und Druckspannungen so ausgleichen, daß für die gesamte Mem­ bran bzw. für die Dreifachschicht keinerlei Gesamtspannung resultiert.

Das Pyrodetektorelement selbst besteht aus einer unteren Elektrode, vorzugsweise aus Platin, einer aktiven Sensor­ schicht aus einem pyroelektrischen Material, vorzugsweise ei­ nem gegebenenfalls dotierten Bleizirkonattitanat und einer oberen Elektrode, üblicherweise aus Metall.

Das Pyrodetektorelement wird über der Membran ausgebildet. Dabei kann die untere Elektrode direkt auf der amorphen Mem­ bran erzeugt werden.

Möglich ist es jedoch auch, die [100]-orientierte monokri­ stalline Siliziumschicht im Bereich des Pyrodetektorelements nicht vollständig zu entfernen, sondern nur bis auf eine Schichtdicke abzutragen, die ausreichend Strukturinformation besitzt, um darüber ein orientiertes Aufwachsen der für das Pyrodetektorelement erforderlichen Schichten zu ermöglichen. Wegen der hohen Wärmeleitfähigkeit des Siliziums wird die Dicke der Siliziumschicht im Detektorbereich möglichst dünn gewählt. Während zum Erzeugen der Auslese- und Auswerteschal­ tungen in der [100]-orientierten Siliziumschicht eine Schichtdicke von 45 bis 2500 nm ausreichend ist, wird die Schichtdicke im Detektorbereich auf ca. 5 bis 30 nm einge­ stellt.

Ein erfindungsgemäß bevorzugtes pyroelektrisches Bauelement ist auf eine hohe Integrationsdichte der einzelnen Pyrodetek­ torelemente optimiert. Das [110]-orientierte Siliziumsubstrat ist dabei ein ideales Material für den Substratträger. Durch naßchemische Ätzung über eine Maskentechnik lassen sich maß­ haltig und anisotrop Detektorfenster mit vertikalen Seiten­ wänden erzeugen. Im Detektorfenster wird dazu das [110]-Silizium bis auf die Membran, bzw. bis auf die erste Silizi­ umnitridschicht abgeätzt. Da das [110]-Siliziumsubstrat bzw. der Membranträger eine Dicke von beispielsweise 400 µm auf­ weist, hat auch ein Detektorfenster dementsprechend die glei­ che Tiefe von 400 µm. Mit den Substraten, die bislang für py­ roelektrische Bauelemente vorgeschlagen wurden, sind solche Detektorfenster nicht erzeugbar. Weder in monokristallinem Magnesiumoxid noch in [100] Silizium sind anisotrope naßche­ mische Ätzschritte möglich. Dementsprechend ließen sich mit bekannten Substratmaterialien für pyroelektrische Bauelemente bislang auch keine Detektorfenster mit vertikalen Seitenwän­ den herstellen.

In einem hochintegrierten pyroelektrischen Bauelement sind die Pyrodetektorelemente über Detektorfenstern angeordnet. Dabei ist es nicht erforderlich, für jedes Detektorelement ein eigenes Detektorfenster zu erzeugen. Vielmehr ist es vor­ teilhaft, die Pyrodetektorelemente zu Zeilen zusammenzufas­ sen, die über einem gemeinsamen entsprechend geformten Detek­ torfenster angeordnet sind. Zwischen zwei benachbarten Zeilen von Pyrodetektorelementen verbleiben auf der Substratseite entsprechende Stege, die als Wärmesenken dienen. Wenn beim Betrieb des pyroelektrischen Bauelements ein Detektor auf ein Wärmesignal durch Erwärmung reagiert, dienen diese Wärmesen­ ken nach dem Auslesen des Signals zur Aufnahme der entspre­ chenden Wärmemenge aus dem von der Strahlung angesprochenen Pyrodetektorelement. Benachbarte Pyrodetektorelemente werden dabei nicht angesprochen und somit ein Übersprechen zwischen den einzelnen Pyrodetektorelementen verhindert. Die Ortsin­ formation des Wärmesignals bleibt so erhalten.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei­ spielen und den dazugehörigen acht Figuren näher erläutert. Dabei zeigen die

Fig. 1 bis 7 verschiedene Verfahrensstufen bei der Herstellung eines erfindungsgemäßen pyroelektrischen Bauelements anhand schematischer Querschnitte, wäh­ rend

Fig. 8 ein komplettes voll integriertes Bauelement aus­ schnittsweise anhand einer schematischen Aufrißzeich­ nung darstellt.

Ausführungsbeispiel

Fig. 1: Auf einem ersten Siliziumwafer S1 mit [100]- Orientierung werden mittels Dünnschichtabscheideverfahren ei­ ne Siliziumnitridschicht SN1 und darüber eine Siliziumoxid­ schicht SO1 erzeugt. Auf einem zweiten Wafer S2 aus einem anisotrop ätzbaren Material, hier aus [110]-orientiertem Si­ lizium, wird in analoger Weise eine Siliziumnitridschicht SN2 und eine Siliziumoxidschicht SO2 erzeugt. Die beiden Oxid­ schichten SO1 bzw. SO2 können dabei direkt in Dünnschicht­ technik abgeschieden werden oder durch Oxidation einer Poly­ siliziumschicht oder durch Kombination beider Verfahren er­ halten werden.

Die zu verbindenden Oberflächen der beiden Wafer, hier die beiden Oxidschichten SO1 und SO2, werden nun für das Wafer­ bonden vorbereitet. Dazu werden die Oberflächen geglättet, poliert, gereinigt und gegebenenfalls hydrophilisiert.

Zum Waferbonden selbst werden die beiden Wafer mit ihren vor­ bereiteten Siliziumoxidoberflächen SO aneinandergefügt und in einem Temperprozeß gegebenenfalls unter Druck miteinander verbunden. Auf diese Weise entsteht eine feste und hohlraum­ freie Verbindung der beiden Wafer, wie es in Fig. 2 darge­ stellt ist. Erste Siliziumnitridschicht SN1, gebondete Sili­ ziumoxidschicht SO und die Siliziumnitridschicht SN2 des zweiten Wafers bilden zusammen die Membran M des später zu erzeugenden Pyrodetektorelements.

Fig. 3: Zur Erzeugung einer Ausleseschaltung im [100]-orientierten Silizium S1 ist es vorteilhaft, das Material des ersten Siliziumwafers soweit abzutragen, bis eine zur Erzeu­ gung der Ausleseschaltung erforderliche Restschichtdicke ver­ bleibt. Im Ausführungsbeispiel wird das Material des ersten Wafers durch chemische Ätzung und anschließendes mechanisches Polieren bis auf eine Siliziumschicht SS1 abgetragen, die ei­ ne Restschichtdicke von ca. 50 nm aufweist. Die Restschicht­ dicke kann dabei in Abhängigkeit von der verwendeten Halblei­ tertechnologie für die Herstellung der Ausleseschaltung auch größer gewählt werden.

Fig. 4: Die Ausleseschaltung AS wird beispielsweise in CMOS-SOI-Technologie hergestellt, welche ausschließlich herkömmli­ che CMOS-Bearbeitungsverfahren umfaßt. Zusätzlich wird in vorteilhafter Weise die elektrisch isolierende Membran M zur vollständigen elektrischen Isolation der in der Silizium­ schicht SS1 erzeugten Bauelemente der Ausleseschaltung AS verwendet. Zusätzlich kann die Membran M bzw. die obenliegen­ de Siliziumnitridschicht SN1 als Ätzstopschicht für graben­ förmige Strukturen der Bauelemente dienen.

Wird ein Pyrodetektorelement von einer IR-Strahlung angespro­ chen, so wird ein an den Elektroden auslesbarer Stromimpuls erzeugt. Die Ausleseschaltung AS umfaßt Mittel, diesen Stro­ mimpuls in eine Spannung zu verwandeln, zu filtern und zu verstärken. Für ein Pyrodetektorarray mit einer Vielzahl von Pyrodetektorelementen ist es zusätzlich erforderlich, daß die Ausleseschaltung AS einen Multiplexbetrieb der ankommenden Signale der einzelnen Pyrodetektorelemente ermöglicht. Das heißt, daß die einzelnen Pyrodetektorelemente zeitlich ver­ setzt und beispielsweise zeilenweise ausgelesen werden und an einen Ausgang, beispielsweise eine Aufzeichnungs- oder Dar­ stellungseinheit weitergeleitet werden.

Fig. 5: Vor der Erzeugung des Pyrodetektorelements ist es erforderlich, an der Stelle des zu erzeugenden Detektorele­ ments die Siliziumschicht SS1 im Detektorbereich DB weiter zu dünnen. Dies kann durch maskierte chemische Ätzung oder durch Plasmaätzung erfolgen. Bei einem vollständigen Abtrag der Si­ liziumschicht SS1 im Detektorbereich DB kann die Siliziumni­ tridschicht SN1 als Ätzstopschicht dienen. Möglich ist es je­ doch auch, im Detektorbereich DB eine dünnere Siliziumschicht von beispielsweise 30 nm Dicke zu belassen, die für ein ori­ entiertes Aufwachsen der einzelnen Schichten des Pyrodetekto­ relements die zur Orientierung erforderliche Strukturinforma­ tion liefern kann (in Fig. 5 nicht dargestellt). Der Detek­ torbereich DB ist neben der Ausleseschaltung AS angeordnet. Der Aufbau der Ausleseschaltung wird durch Aufbringen einer Passivierungsschicht, zum Beispiel BPSG, und Rückätzen der Stellen, an denen das Pyrodetektorelement erzeugt werden soll, abgeschlossen (in Fig. 5 nicht dargestellt).

Fig. 6: Direkt auf der Membran M bzw. auf der im Detektorbe­ reich freigelegten Siliziumnitridschicht SN1 wird nun das Py­ rodetektorelement erzeugt. Auf dem Wafer wird nun eine erste Elektrodenschicht E1 erzeugt. Ein bevorzugtes Material für die erste Elektrodenschicht E1 ist Platin. Dieses kann aufge­ dampft oder gesputtert werden. Eine ausreichende Dicke be­ sitzt eine aus Platin bestehende erste Elektrodenschicht E1 bereits mit 100 nm. Möglich ist es jedoch auch, dünnere Pt-Elektroden oder andere elektrisch leitende Materialien für die erste Elektrodenschicht zu verwenden, insbesondere sol­ che, die sich orientiert über der (amorphen) Siliziumnitrid­ schicht SN1 abscheiden lassen.

Für die aktive Sensorschicht wird eine pyroelektrische Schicht PS über der ersten Elektrodenschicht E1 erzeugt. Vor­ zugsweise wird für die pyroelektrische Schicht PS eine Bleizirkonattitanatschicht mit ca. 30 Prozent Zirkoniumanteil verwendet. Als Aufbringverfahren werden herkömmliche Dünn­ schichtverfahren eingesetzt.

Über der pyroelektrischen Schicht PS wird abschließend die zweite Elektrodenschicht E2 aufgebracht, üblicherweise eben­ falls aus Platin oder beispielsweise Cr oder CrNi.

Die Strukturierung des aus erster Elektrodenschicht E1, pyro­ elektrischer Schicht PS und zweiter Elektrodenschicht E2 be­ stehenden Pyrodetektorelements kann schichtweise erfolgen, wobei durch maskiertes Aufbringen oder anschließendes mas­ kiertes Strukturieren jede einzelne Schicht vor oder nach de­ ren Erzeugung unabhängig von den anderen Schichten struktu­ riert wird. Möglich ist es auch, das gesamte Pyrodetektorele­ ment in einem Schritt zu strukturieren.

Weitere hier nicht dargestellte Strukturierungsschritte be­ treffen das Verbinden der Elektrodenschichten E1 und E2 mit den entsprechenden Anschlußstellen in der Ausleseschaltung AS. Dazu kann es erforderlich sein, zusätzliche elektrische Leiter, gegebenenfalls aus einem von den Elektrodenschichten E1 und E2 unterschiedlichen Material aufzubringen. Möglich ist es jedoch auch, die Elektrodenschichten E1 und E2 jeweils ganz flächig aufzubringen und die Anschlüsse durch entspre­ chendes Strukturieren der Elektrodenschichten herzustellen. Vor dem Abscheiden der zweiten Elektrodenschicht E2 kann es dabei erforderlich sein, über noch offenliegenden Resten der ersten Elektrodenschicht oder gegebenenfalls über den später aufgebrachten Leiterbahnen Isolationsschichten zu erzeugen, um Kurzschlüsse zwischen erster und zweiter Elektrodenschicht zu vermeiden.

Im letzten Schritt wird das Substratmaterial S2 des zweiten Wafers im Detektorbereich bis auf die Membran M entfernt, um das Detektorfenster DF zu erzeugen. Dies erfolgt in einer naßchemischen anisotropen Ätzung und mit Hilfe einer Masken­ technik. Die Seitenwände des Detektorfensters bzw. des ver­ bleibenden Substratmaterials (= Membranträger MT) sind nach der Ätzung vertikal.

Fig. 7 zeigt ein Detektorelemente bei dem im Unterschied zu der in Fig. 6 dargestellten Ausführungsform unterhalb der ersten Elektrodenschicht eine weitere Zwischenschicht BS an­ geordnet ist. In der einfachsten Ausführung ist diese Zwi­ schenschicht BS der im Detektorbereich bis auf eine minimale Schichtdicke abgetragene Rest der Siliziumschicht SS1. Die Zwischenschicht BS kann jedoch auch eine Bufferschicht umfas­ sen, welche ein orientiertes Aufwachsen der ersten Elektro­ denschicht E1 und vor allem der pyroelektrischen Schicht PS ermöglicht. Diese Bufferschicht BS kann unmittelbar vor dem Erzeugen der ersten Elektrodenschicht E1 abgeschieden werden. Möglich ist es jedoch auch, eine solche Bufferschicht BS vor dem Waferbonden als weitere Membranschicht oder anstelle der Nitridschicht SN1 aufzubringen.

Eine orientiert aufgewachsene erste Elektrodenschicht ermög­ licht ein orientiertes Aufwachsen der pyroelektrischen Schicht. Eine C-achsenorientierte pyroelektrische Schicht PS wiederum zeigt einen erhöhten pyroelektrischen Effekt gegen­ über einer nicht orientierten pyroelektrischen Schicht. Dies führt zu einem stärkeren Signal, welches leichter ausgelesen werden kann, bzw. erfordert für ein gleich starkes Signal ei­ ne geringere Detektorfläche. Dies kann zur Steigerung der In­ tegrationsdichte des pyroelektrischen Bauelementes bzw. eines Pyrodetektorarrays dienen.

Fig. 8 zeigt ein solches fertiges Pyrodetektorarray, bei dem mehrere Pyrodetektorelemente PDE zeilenförmig über einer Mem­ bran M über einem gemeinsamen Detektorfenster DF angeordnet sind. Die nicht dargestellten Ausleseschaltungen befinden sich zwischen den Zeilen.

Je nach gewünschter Integrationsdichte kann die Größe der einzelnen Pyrodetektorelemente PDE bzw. deren Grundfläche im Bereich von 300 × 300 (µm)² (für ungeordnete pyroelektrische Schichten) liegen und bis herab zu ca. 50 × 50 (µm)² betra­ gen.

Die Anzahl der für ein Pyrodetektorarray erforderlichen ein­ zelnen Pyrodetektorelemente ist abhängig von der gewählten Bildverarbeitung, welche üblicherweise herkömmlichen Stan­ dardformaten für Videoeinrichtungen, Fernsehbilder oder son­ stige computergestützte Anzeigemedien angepaßt ist.

Neben der Ortsauflösung, die unter anderem von der Anzahl der auf dem Pyrodetektorarray integrierten einzelnen Pyrodetekto­ relemente abhängt, hat das pyroelektrische Bauelement auch noch eine Temperaturauflösung. Diese ist abhängig von der (möglichst geringen) Wärmekapazität des einzelnen Pyrodetek­ torelements, wozu auch der Bereich der Membran M hinzugerech­ net werden muß, der direkt unter dem Pyrodetektorelement im Detektorbereich DB liegt. Zusätzlich wird diese Temperatur­ auflösung von dem Grad der Orientierung der pyroelektrischen Schicht PS bestimmt. Für ungeordnet abgeschiedene bzw. er­ zeugte pyroelektrische Schichten PS beträgt die maximal er­ reichbare Temperaturauflösung eines erfindungsgemäßen pyro­ elektrischen Bauelements ca. 0,2 K. Bei orientiert aufgewach­ senen pyroelektrischen Bauelementen werden Auflösungen bis 0,1 K erreicht.

Claims (10)

1. Pyroelektrisches Bauelement

• - mit einem anisotrop ätzbaren und als Membranträger (MT) dienenden Substrat, in dem zumindest ein Detektorfenster (DF) angeordnet ist
• - mit einer zumindest das Detektorfenster (DF) überspannenden elektrisch isolierenden Membran (M)
• - mit einem über der Membran (M) und über dem Detektorfenster (DF) angeordneten Pyrodetektorelement (PDE)
• - mit einer [100] orientierten monokristallinen Silizium­ schicht (S1) über der Membran (M) und
• - mit einer in der Siliziumschicht (S1) realisierten Auslese­ schaltung (AS).

2. Pyroelektrisches Bauelement nach Anspruch 1, bei dem der Membranträger (MT) aus einem [110] orientierten Siliziumwafer (S2) ausgebildet ist.

3. Pyroelektrisches Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Membran (M) eine Si₃N₄/SiO₂/Si₃N₄-Dreifach- Schicht ist.

4. Pyroelektrisches Bauelement nach mindestens einem der An­ sprüche 1 bis 3, bei dem das Pyrodetektorelement (PDE) eine untere Platinelek­ trode (E1), eine PZT-Schicht (PS) und eine obere Elektrode (E2) umfaßt.

5. Pyroelektrisches Bauelement nach mindestens einem der An­ sprüche 1 bis 4, bei dem das Pyrodetektorelement (PED) orientiert über der im Bereich des Detektorfensters (DF) dünneren Siliziumschicht (BS) aufgebracht ist.

6. Pyroelektrisches Bauelement nach mindestens einem der An­ sprüche 1 bis 5, bei dem Membranträger (MT), Membran (M) und Siliziumschicht (S1) aus einem durch Wafer-bonden hergestellten Substrat aus­ gebildet sind.

7. Verfahren zur Herstellung eines pyroelektrischen Bauele­ ments,

• - bei dem ein erster Wafer (S1) aus [100] orientiertem Sili­ zium und ein zweiter Wafer (S2) aus einem anisotrop ätzba­ ren Material durch Waferbonden so zusammengefügt werden, daß dazwischen eine elektrisch isolierende Zwischenschicht (M) verbleibt
• - bei dem das [100] orientierte Silizium des ersten Wafers bis auf eine Restschichtdicke (SS1) abgetragen wird
• - bei dem in der Restschichtdicke eine Ausleseschaltung (AS) erzeugt wird
• - bei dem neben der erzeugten Ausleseschaltung in einem De­ tektorbereich (DB) die Restschichtdicke weiter vermindert wird
• - bei dem zumindest im Detektorbereich ein eine erste Elek­ trode (E1), eine pyroelektrische Schicht (PS) und eine zweite Elektrode (E2) umfassendes Pyrodetektorelement (PDE) erzeugt und mit der Ausleseschaltung verbunden wird
• - bei dem das Material des zweiten Wafers (S2) im Detektorbe­ reich zur Erzeugung von zumindest einem Detektorfenster bis auf die Zwischenschicht (M) abgetragen wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die Ausleseschaltung (AS) in CMOS-SOI-Technologie er­ zeugt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, bei dem für den zweiten Wafer (S2) [110]-orientiertes Silizi­ um verwendet wird und bei dem auf den zu bondenden Oberflä­ chen beider Wafer vor dem Waferbonden zunächst eine Si₃N₄- und dann eine SiO₂-Schicht erzeugt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die Detektorfenster (DF) im [110] orientierten Sili­ zium (S2) mit vertikalen Seitenwänden erzeugt werden durch alkalisches kristallorientiertes Ätzen und mittels einer Mas­ kentechnik.