DE202012103703U1

DE202012103703U1 - Bolometer

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Publication number: DE202012103703U1
Application number: DE202012103703U
Authority: DE
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2011-10-03
Filing date: 2012-09-27
Publication date: 2012-10-08
Anticipated expiration: 2022-09-28
Also published as: US20130082182A1; CN203100906U; US8890076B2

Abstract

Bolometer (10) mit: – einem Substrat (12), – einer durch Entfernen einer ersten Opferschicht (14) auf dem Substrat (12) gebildeten, ersten Membran (16), wobei die erste Membran (16) ein Messelement (18) zum Messen einer Menge auftreffender elektromagnetischer Strahlung (R) umfasst, – einer durch Entfernen einer zweiten Opferschicht (20) auf der ersten Membran (16) gebildeten, zweiten Membran (22), wobei die zweite Membran (22) die erste Membran (16) umschließt, – einem zwischen dem Substrat (12) und der ersten Membran (16) ausgebildeten, ersten Hohlraum (24) sowie – einem zwischen der ersten Membran (16) und der zweiten Membran (22) ausgebildeten, zweiten Hohlraum (26).

Description

GEBIET DER NEUERUNG
Die vorliegende Neuerung bezieht sich auf ein Bolometer, insbesondere ein Infrarot-Bolometer. Die vorliegende Neuerung bezieht sich ebenfalls auf einen thermografischen Bildsensor zum Vorsehen eines thermografischen Bildes eines Objekts, das elektromagnetische Strahlung in Form von Infrarotlicht abstrahlt, wobei der thermografische Bildsensor mehrere solcher Bolometer umfasst. Die vorliegende Neuerung bezieht sich ebenfalls auf eine medizinische Einrichtung mit einem thermografischen Bildsensor dieser Art.
HINTERGRUND DER NEUERUNG
WO 01/64277 A2 offenbart eine Einrichtung zur Detektion vulnerabler Plaque innerhalb einer Arterie. Die Einrichtung umfasst eine längliche Welle mit einem distalen Ende und einem proximalen Ende. An der länglichen Welle nahe dem distalen Ende derselben ist eine Detektoranordnung befestigt. In einem Beispiel weist die Detektoranordnung 726 ein Substrat 742 und eine Abdeckung 744 auf, die eine Sensorarraykammer 746 definieren. Die Abdeckung 744 ist durch eine Bondverbindung 748 an dem Substrat 742 dichtend befestigt. Auf einer Oberseite von Substrat 742 von Detektoranordnung 726 ist eine Mehrzahl von Pixeln 751 angeordnet, um ein Wärmebild eines Plaquestreifens und der nahen Gefäßwand zu erhalten. Jedes Pixel umfasst ein Abtastelement 752 und eine durch Substrat 742 definierte Kavität 750.
Infolge der dichtenden Befestigung der Abdeckung an dem Substrat durch eine Bondverbindung kann eine Detektoranordnung dieser Art nicht in kleinen Dimensionen realisiert werden. Des Weiteren ist solch eine Bondverbindung nicht einfach und kostspielig und insbesondere zur Massenherstellung nicht geeignet.
US 6 262 417 B1 offenbart ein Infrarot-Bolometer, das ein Aktivmatrixniveau mit einem Substrat und einem Paar Verbindungsanschlüssen, ein Trägerniveau, das mit einem Paar Brücken und einem Paar Leiterbahnen versehen ist, sowie ein Absorptionsniveau, das ein von einem Absorber umgebenes Bolometerelement und ein Paar Stützen umfasst, die zwischen dem Trägerniveau und dem Absorptionsniveau angeordnet sind, aufweist. Jede der Brücken ist mit einem Verankerungsabschnitt, einem Schenkelabschnitt und einem erhabenen Abschnitt versehen, wobei der Verankerungsabschnitt an dem Aktivmatrixniveau angebracht ist und der erhabene Abschnitt von dem Aktivmatrixniveau getrennt ist, wobei der erhabene Abschnitt jeder der Brücken einen von einem Außenteil vorstehenden Innenteil aufweist. Jede der Stützen umfasst einen elektrischen Leiter, wobei jedes Ende des Bolometerelements über den entsprechenden Leiter und die entsprechende Leiterbahn mit dem jeweiligen Verbindungsanschluss verbunden ist.
Eine ähnliche Einrichtung ist ebenfalls in „Design and fabrication of a high fill-factor micro-bolometer using double sacrificial layers", Ju et al., SPIE Bd. 3698 Infrared Technology and Applications XXV (1999), offenbart. Die Herstellung dieses Bolometers zeigt, dass doppelte Opferschichten verwendet werden, um das Absorptionsniveau von der Brückenstruktur, dem elektrischen und thermischen Weg zwischen dem Absorber und dem Substrat, zu trennen.
Da das bolometrische Element in der oberen Membran angeordnet ist, kann ein solches Bolometer unter einem hohen Wärmeverlust für die Umgebungsluft leiden und/oder kann fragil sein.
ZUSAMMENFASSUNG DER NEUERUNG
Der Neuerung liegt als Aufgabe zugrunde, ein verbessertes, insbesondere einen geringen Wärmeverlust aufweisendes und/oder robustes Bolometer und ein Verfahren zur Herstellung desselben sowie einen entsprechenden thermografischen Bildsensor und eine medizinische Einrichtung vorzusehen.
Nach einem ersten Aspekt der vorliegenden Neuerung ist ein Bolometer vorgesehen mit einem Substrat, einer durch Entfernen einer ersten Opferschicht auf dem Substrat gebildeten, ersten Membran, wobei die erste Membran ein Messelement zum Messen einer Menge auftreffender elektromagnetischer Strahlung umfasst, einer durch Entfernen einer zweiten Opferschicht auf der ersten Membran gebildeten, zweiten Membran, wobei die zweite Membran die erste Membran umschließt, einem zwischen dem Substrat und der ersten Membran ausgebildeten, ersten Hohlraum sowie einem zwischen der ersten Membran und der zweiten Membran ausgebildeten, zweiten Hohlraum.
Nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Neuerung ist ein thermografischer Bildsensor vorgesehen, um ein thermografisches Bild eines Objekts bereitzustellen, das elektromagnetische Strahlung in Form von Infrarotlicht abstrahlt, wobei der thermografische Bildsensor mehrere solcher neuerungsgemäßer Bolometer umfasst, die in einem Array auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet sind.
Nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Neuerung ist eine medizinische Einrichtung (z.B. ein Endoskop oder Katheter) mit solch einem thermografischen Bildsensor gemäß der vorliegenden Neuerung vorgesehen.
Nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Neuerung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Bolometers vorgesehen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst, wonach eine erste Opferschicht auf einem Substrat vorgesehen wird, eine erste Membran auf der ersten Opferschicht vorgesehen wird, wobei die erste Membran ein Messelement zum Messen einer Menge absorbierter, auftreffender elektromagnetischer Strahlung umfasst, eine zweite Opferschicht auf der ersten Membran vorgesehen wird, eine zweite Membran auf der zweiten Opferschicht so vorgesehen wird, dass die zweite Membran die erste Membran umschließt, die erste Opferschicht so entfernt wird, dass ein erster Hohlraum zwischen dem Substrat und der ersten Membran gebildet wird, und die zweite Opferschicht so entfernt wird, dass ein zweiter Hohlraum zwischen der ersten Membran und der zweiten Membran gebildet wird.
Ein Grundgedanke der vorliegenden Neuerung ist, ein Bolometer mit doppeltem Hohlraum (ebenfalls als mit doppelter Membran aufgebautes Bolometer bezeichnet) vorzusehen. Es wird eine zweite Membran verwendet, um eine erste Membran mit dem Messelement (oder auch als bolometrisches Element bezeichnet) zu umschließen (einzukapseln). Die zweite Membran wirkt als eine optische Apertur und schützt das Bolometer gegen Einflüsse der Umgebung. Des Weiteren erhöht die zweite Membran die thermische Isolation des Bolometers – vorzugsweise nur, wenn der zweite Hohlraum mit einem Gas mit einem geringeren Druck als dem atmosphärischen Druck (z.B. Vakuum) gefüllt ist – signifikant. Die Funktion der ersten Membran mit dem Messelement ist, das Messelement (z.B. den Thermistor) mechanisch zu stützen und von seiner Umgebung thermisch zu isolieren. Das Substrat wirkt als eine Wärmesenke. Der erste Hohlraum dient auch zur thermischen Isolierung des Messelements. Ein solches Bolometer kann insbesondere unter Anwendung von Dünnfilmbeschichtungstechniken hergestellt werden. Die beiden Hohlräume werden durch Entfernen von Opferschichten ausgebildet. Da die Hohlräume während des Großteils des Herstellungsprozesses mit den Opferschichten gefüllt sind, ist das Bolometer sehr robust, was zu einer hohen Fertigungsmenge beiträgt. Des Weiteren sind das Bolometer, das Herstellungsverfahren und der entsprechende thermografische Bildsensor stark miniaturisiert und/oder zur Massenfertigung geeignet.
Bei einer ersten Ausführungsform umfasst die erste Membran zwei Abschnitte, mit denen die erste Membran an einer planaren Oberfläche des Substrats angebracht ist, sowie einen mittleren Abschnitt, der auf der ersten Opferschicht so angeordnet ist, dass der mittlere Abschnitt der ersten Membran von der planaren Oberfläche des Substrats beabstandet ist, wenn die erste Opferschicht entfernt ist. Auf diese Weise müssen in dem Substrat keine Bohrungen erzeugt werden, sondern die erste Membran und der erste Hohlraum können durch einfaches Entfernen einer Opferschicht (unter Anwendung eines Ätzschrittes) gebildet werden. Das Vorsehen oder Aufbringen der ersten Membran kann insbesondere unter Anwenden von Dünnfilmbeschichtungstechniken erfolgen. Auf diese Weise wird der Herstellungsprozess erleichtert und die Kosten werden reduziert.
Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst die zweite Membran zwei Endabschnitte, wo die zweite Membran an der ersten Membran angebracht ist, sowie einen mittleren Abschnitt, der auf der zweiten Opferschicht so angeordnet ist, dass der mittlere Abschnitt der zweiten Membran von der ersten Membran beabstandet ist, wenn die zweite Opferschicht entfernt ist. Auf diese Weise können die zweite Membran (welche die erste Membran umschließt) und der zweite Hohlraum lediglich durch Entfernen einer Opferschicht (unter Anwendung eines Ätzschrittes) auf einfache Weise ausgebildet werden. Das Vorsehen oder Aufbringen der zweiten Membran kann insbesondere unter Anwenden von Dünnfilmbeschichtungstechniken erfolgen. Auf diese Weise wird der Herstellungsprozess erleichtert und die Kosten werden reduziert.
Bei einer weiteren Ausführungsform handelt es sich bei der auftreffenden elektromagnetischen Strahlung um Infrarotlicht. Bei dieser Ausführungsform ist das Bolometer ein Infrarot-Bolometer. Das Infrarotlicht kann im Einzelnen eine Wellenlänge zwischen 8 μm und 15 μm, vorzugsweise etwa 10 μm, aufweisen. Diese Wellenlänge ist besonders geeignet, um Infrarotlicht zu detektieren, das von einem Objekt, beispielsweise einem Objekt mit einer Temperatur zwischen 15°C und 45°C, insbesondere mit einer Temperatur um Raumtemperatur (z.B. 300 K), abgestrahlt wird.
Bei einer Variante dieser Ausführungsform hat die zweite Membran eine Dicke, die so ausgewählt wird, dass das Infrarotlicht durch die zweite Membran zu dem Messelement hindurchtreten kann. Die Dicke der zweiten Membran wird somit gut ausgewählt und ist besonders gering.
Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst das Bolometer weiterhin eine Deckschicht auf der zweiten Membran und weist eine Bohrung in der Deckschicht auf, um ein Fenster vorzusehen, durch das die auftreffende elektromagnetische Strahlung durch die zweite Membran zu dem Messelement hindurchtreten kann. Auf diese Weise hat das Bolometer eine größere Dicke an den Rändern des Bolometers als im Mittelpunkt desselben. Somit wird sichergestellt, dass die elektromagnetische Strahlung durch die zweite Membran in dem Fenster (oder Mittelpunkt) des Bolometers hindurchtreten kann, während mit Hilfe der Deckschicht eine gute mechanische Abstützung der dünnen, zweiten Membran vorgesehen wird (an den Rändern des Bolometers). Des Weiteren stellt die Deckschicht eine zuverlässige Abdichtung (z.B. Vakuumabdichtung) der Hohlräume sicher. Bei einer Variante dieser Ausführungsform besteht die Deckschicht aus Siliciumnitrid. Dieses Material ist besonders vorteilhaft. Zum Beispiel kann die aus Siliciumnitrid bestehende Deckschicht unter Anwendung plasmagestützter chemischer Dampfabscheidung (PECVD) vorgesehen bzw. aufgetragen werden. Bei einer weiteren Ausführungsform liegt ein Gesamtdurchmesser des Bolometers zwischen 20 μm und 90 μm, vorzugsweise zwischen 40 μm und 60 μm, am besten bei etwa 50 μm. Auf diese Weise kann ein sehr kleines Bolometer vorgesehen werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform weist die zweite Membran eine Dicke zwischen 0,3 μm und 0,8 μm, vorzugsweise zwischen 0,4 μm und 0,6 μm, auf. Bevorzugt wird eine Dicke von etwa 0,5 μm. Diese Dicken sind dünn genug, damit das Infrarotlicht (vorzugsweise mit einer Wellenlänge zwischen 8 μm und 15 μm, noch besser um etwa 10 μm) durch die zweite Membran zu dem Messelement geleitet werden kann, und die zweite Membran in Abhängigkeit des Durchmessers oder der Fläche des Bolometers (vorzugsweise bei einem Gesamtdurchmesser des Bolometers zwischen 20 μm und 90 μm, besser noch zwischen 40 μm und 60 μm, am besten etwa 50 μm) gleichzeitig Umgebungsluftdruck (etwa 1 Bar) standhalten kann.
Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst die erste Membran ein einzelnes Messelement. Auf diese Weise kann eine thermische Kopplung zwischen zwei oder mehreren Messelementen verhindert werden. Überdies ist der Gesamtdurchmesser im Vergleich zu einer Lösung, bei der mehrere Messelemente von einer einzelnen Membran umschlossen oder bedeckt sind, kleiner, wodurch die Dicke der einkapselnden oder bedeckenden Membran dünner sein kann und dabei noch immer Umgebungsluftdruck (etwa 1 Bar) standhält.
Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst das Substrat eine Spiegelschicht mit einem reflektierenden Spiegel zum Reflektieren der auftreffenden elektromagnetischen Strahlung. Hierdurch wird die Empfindlichkeit des Bolometers weiter verbessert.
Bei einer weiteren Ausführungsform weist der erste Hohlraum eine Höhe auf, die größer als eine Höhe des zweiten Hohlraums ist.
Bei einer weiteren Ausführungsform werden die erste Opferschicht und die zweite Opferschicht in einem gemeinsamen Ätzschritt entfernt. Dadurch wird die Herstellung des Bolometers erleichtert und die Kosten werden somit reduziert. Beispielsweise kann ein Ätzmittel durch ein Ätzloch in der zweiten Membran eingebracht werden. Der erste Hohlraum und der zweite Hohlraum können zum Beispiel (z.B. durch ein Loch in der ersten Membran) so verbunden sein, dass die Opferschichten in einem gemeinsamen Ätzschritt geätzt werden können.
Bei einer weiteren Ausführungsform wird ein Ätzloch in der zweiten Membran vorgesehen, das mit einer Dichtung oder einem Stopfen verschlossen wird. Auf diese Weise kann (können) die Opferschicht(en) auf einfache Weise geätzt und die Hohlräume verschlossen werden. Das Ätzloch und der entsprechenden Stopfen können vorzugsweise an einem Rand des Bolometers (in einem Bereich, in dem die erste Membran an der planaren Oberfläche des Substrats angebracht ist) vorgesehen sein. In Kombination mit der Deckschicht kann die Deckschicht die Dichtung oder den Stopfen bedecken. Dadurch wird die Abdichtung der Hohlräume weiter verbessert.
Bei einer Variante dieser Ausführungsform umfasst auch die erste Membran eine Bohrung. Ein durch das Ätzloch in der zweiten Membran eingebrachtes Ätzmittel kann durch die Bohrung in der ersten Membran zu der ersten Opferschicht gelangen. Auf diese Weise kann sowohl die erste als auch die zweite Opferschicht in einem gemeinsamen Ätzschritt auf einfache Weise geätzt werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform enthalten der erste Hohlraum und/oder der zweite Hohlraum ein Gas mit einem geringeren Druck als dem atmosphärischen Druck. Dadurch wird die thermische Isolation des Messelements signifikant erhöht. Bei dem Gas kann es sich zum Beispiel um (Niederdruck-)Gasrückstände handeln, die sich in dem ersten und/oder zweiten Hohlraum während der Herstellung (insbesondere während des Verschließens mit Hilfe der Dichtung oder des Stopfens) angesammelt haben. Beispielsweise kann das Gas zumindest SiH₄, NH₃, N₂ oder Reaktionsprodukte enthalten. Zum Beispiel kann der Druck des Gases zwischen 0,5 und 5 Torr, vorzugsweise zwischen 2 und 3 Torr, oder Vakuum liegen.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist das Messelement in einer Schicht der ersten Membran eingebettet oder an dieser angebracht.
Bei einer Variante dieser Ausführungsform umfasst die erste Membran mehrere Schichten. Beispielsweise kann die erste Membran eine untere Schicht, eine mittlere Schicht auf der unteren Schicht sowie eine obere Schicht auf der mittleren Schicht umfassen, wobei das Messelement in der mittleren Schicht eingebettet ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das Messelement ein Thermistor (oder auch temperaturabhängiger Widerstand genannt). Auf diese Weise kann ein hoch empfindliches und kleines Messelement vorgesehen werden. Zum Beispiel kann der Thermistor in einer Schicht der ersten Membran eingebettet oder an dieser angebracht sein. Beispielsweise kann der Thermistor aus Metall (z.B. einer Metallschicht oder einem Metallelement) bestehen.
Bei einer Variante dieser Ausführungsform sind an dem Thermistor Zwischenverbindungen angebracht, die den Thermistor mit einem elektrischen Schaltkreis zur Erfassung einer Widerstandsänderung des Thermistors verbinden. Auf diese Weise kann eine Temperaturänderung des Thermistors detektiert werden. Beispielsweise können die Zwischenverbindungen in einer Schicht der ersten Membran eingebettet oder an dieser angebracht sein.
Bei einer weiteren Ausführungsform werden die Membranen und Schichten durch Dünnfilmbeschichtung vorgesehen.
Bevorzugte Ausführungsformen der Neuerung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert. Es versteht sich, dass das beanspruchte Verfahren oder der thermografische Bildsensor ähnliche und/oder identische bevorzugte Ausführungsformen wie das beanspruchte Bolometer und wie in den abhängigen Ansprüchen definiert aufweist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Ausführungsbeispiele der Neuerung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
1 einen schematischen Querschnitt eines Bolometers gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
2a–f Schritte eines Verfahrens zur Herstellung des Bolometers gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel;
3 einen schematischen Querschnitt eines Bolometers gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel;
4a–g Schritte eines Verfahrens zur Herstellung des Bolometers gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel;
5 ein erstes Bild eines Querschnitts eines exemplarischen Bolometers gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel;
6 ein zweites Bild des Querschnitts des exemplarischen Bolometers gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel; sowie
7 ein Bild eines exemplarischen thermografischen Bildsensors mit mehreren Bolometern gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER NEUERUNG
1 zeigt einen schematischen Querschnitt eines (Infrarot-)Bolometers 10 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Das Bolometer 10 umfasst ein Substrat 12. Das Bolometer 10 umfasst weiterhin eine erste Membran 16, die durch Entfernen einer ersten Opferschicht auf dem Substrat 12 gebildet wird. Die erste Membran 16 umfasst ein Messelement 18 zum Messen einer Menge einer auftreffenden elektromagnetischen (Infrarot-)Strahlung R. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die erste Membran 16 ein einzelnes Messelement 18. Das Messelement 18 ist vorzugsweise durch einen Thermistor (oder ebenfalls als temperaturabhängiger Widerstand bezeichnet) dargestellt. Auf diese Weise kann ein hoch empfindliches und kleines Messelement vorgesehen werden. Das Bolometer umfasst Zwischenverbindungen (nicht dargestellt), die an dem Thermistor angebracht sind und den Thermistor mit einem elektrischen Schaltkreis zum Erfassen einer Widerstandsänderung des Thermistors verbinden. Auf diese Weise kann eine Temperaturänderung des Thermistors detektiert werden. Die Widerstandsänderung des Thermistors ist proportional zu der Temperaturänderung. Alternativ kann das Messelement auch durch ein anderes geeignetes Messelement, wie z.B. eine Thermoelementkette, zum Messen einer Menge einer auftreffenden elektromagnetischen (Infrarot-)Strahlung dargestellt sein.
Das Bolometer umfasst weiterhin eine zweite Membran 22, die durch Entfernen einer zweiten Opferschicht auf der ersten Membran 16 gebildet wird. Die zweite Membran 22 umschließt (oder kapselt) die erste Membran 16. Ein erster Hohlraum 24 ist zwischen dem Substrat 12 und der ersten Membran 16 und ein zweiter Hohlraum 26 zwischen der ersten Membran 16 und der zweiten Membran 22 ausgebildet. Der erste Hohlraum 24 und/oder der zweite Hohlraum 26 enthalten/enthält ein Gas mit einem niedrigeren Druck als dem atmosphärischen Druck (z.B. Vakuum).
In 1 umfasst die erste Membran 16 zwei Endabschnitte 16a, 16b, wo die erste Membran 16 an einer planaren Oberfläche des Substrats 12 angebracht ist, sowie einen mittleren Abschnitt 16c, der auf der ersten Opferschicht so angeordnet ist, dass der mittlere Abschnitt 16c der ersten Membran 16 von der planaren Oberfläche des Substrats 12 (durch den Hohlraum 24) beabstandet ist, wenn die erste Opferschicht entfernt ist. Die zweite Membran 22 umfasst zwei Endabschnitte 22a, 22b, wo die zweite Membran 22 an der ersten Membran 16 angebracht ist, sowie einen mittleren Abschnitt 22c, der auf der zweiten Opferschicht so angeordnet ist, dass der mittlere Abschnitt 22c der zweiten Membran 22 von der ersten Membran 16 (durch den Hohlraum 26) beabstandet ist, wenn die zweite Opferschicht entfernt ist.
In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei der auftreffenden elektromagnetischen Strahlung R um Infrarotlicht. Das Infrarotlicht kann im Einzelnen eine Wellenlänge zwischen 8 μm und 15 μm, vorzugsweise etwa 10 μm, aufweisen. Die zweite Membran 22 hat eine Dicke t₂₂, die so ausgewählt wird, dass das Infrarotlicht durch die zweite Membran 22 zu dem Messelement 18 hindurchtreten kann. Auf diese Weise kann eine maximal zulässige Dicke definiert werden. Des Weiteren kann die Dicke so ausgewählt werden, dass sie Umgebungsluftdruck (etwa 1 Bar) in Abhängigkeit des Durchmessers oder der Fläche des Bolometers standhalten kann. Auf diese Weise kann eine minimal zulässige Dicke definiert werden. Die Dicke t₂₂ der zweiten Membran wird somit gut ausgewählt und ist vorzugsweise gering. Die zweite Membran 22 kann vorzugsweise so ausgewählt werden, dass das Produkt aus Dicke und Dämpfungskoeffizient des Materials der zweiten Membran klein ist (z.B. kleiner als 1). Wie aus dem Beer-Lambert-Gesetz bekannt, ist die gemessene Menge oder Intensität I der elektromagnetischen Strahlung (Licht), die durch eine Materialschicht mit einer Dicke x übertragen wird, auf die Auftreffintensität I₀ gemäß dem inversen Exponential-Potenzgesetz I = I₀e^–ax bezogen, wobei x die Dicke der Schicht (z.B. Dicke t₂₂ der zweiten Membran 22) darstellt und a den Dämpfungskoeffizienten (z.B. den Dämpfungskoeffizienten der zweiten Membran 22) darstellt.
Unter Berücksichtigung dieser Überlegungen kann die zweite Membran 22 vorzugsweise eine Dicke t₂₂ zwischen 0,3 μm und 0,8 μm, noch besser zwischen 0,4 μm und 0,6 μm, am besten etwa 0,5 μm, aufweisen. Bei diesen Dicken hat es sich gezeigt, dass das Infrarotlicht (vorzugsweise zwischen 8 μm und 15 μm, noch besser etwa 10 μm) durch die zweite Membran 22 hindurchtreten kann. Gleichzeitig ist die zweite Membran 22 dick genug, um Umgebungsluftdruck standzuhalten.
Die erste Membran 16 kann vorzugsweise eine Dicke t₁₆ zwischen 0,3 μm und 1,7 μm, besser noch zwischen 0,5 μm und 1,5 μm, aufweisen. Des Weiteren kann der erste Hohlraum 24 eine Höhe h₂₄ aufweisen, die, wie in 1 dargestellt, größer als eine Höhe h₂₆ des zweiten Hohlraums 26 ist. Der erste Hohlraum 24 kann eine Höhe h₂₄ aufweisen, die zwischen 1/8 und 1/2 der Wellenlänge, vorzugsweise etwa 1/4 der Wellenlänge (z.B. eine Höhe h₂₄ von 2,5 μm bei einer Wellenlänge von 10 μm), der elektromagnetischen Strahlung liegt.
Die 2a–f zeigen Schritte eines (Dünnfilmbeschichtungs-)Verfahrens zur Herstellung des Bolometers 10 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, wie in 1 dargestellt. Nach Vorsehen eines Substrats 12, wie in 2a dargestellt, wird auf dem Substrat 12, wie in 2b dargestellt, eine erste Opferschicht 14 vorgesehen (bzw. aufgebracht oder abgeschieden). Danach wird auf der ersten Opferschicht, wie in 2c dargestellt, eine erste Membran 16 vorgesehen (bzw. aufgebracht oder abgeschieden). Die erste Membran 16 umfasst ein Messelement 18 (vorzugsweise Thermistor) zum Messen einer Menge absorbierter, auftreffender elektromagnetischer Strahlung R. Sodann wird auf der ersten Membran 16, wie in 2d dargestellt, eine zweite Opferschicht 20 vorgesehen (bzw. aufgetragen oder abgeschieden). Anschließend wird auf der zweiten Opferschicht 20 eine zweite Membran 22 so vorgesehen (bzw. aufgebracht oder abgeschieden), dass die zweite Membran 22, wie in 2e dargestellt, die erste Membran 16 umschließt. Danach wird die erste Opferschicht so entfernt, dass ein erster Hohlraum 24 zwischen dem Substrat 12 und der ersten Membran 16 ausgebildet wird, und die zweite Opferschicht 20 so entfernt, dass ein zweiter Hohlraum 26 zwischen der ersten Membran 16 und der zweiten Membran 22 ausgebildet wird. Die erste Opferschicht 14 und die zweite Opferschicht 20 werden in einem gemeinsamen Ätzschritt entfernt. In diesem Ausführungsbeispiel werden die beschriebenen Membranen und Schichten durch Dünnfilmbeschichtung aufgebracht.
3 zeigt einen schematischen Querschnitt eines (Infrarot-)Bolometers gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, genauer gesagt, einer Variante des ersten Ausführungsbeispiels von 1. Die für das erste Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf 1 gemachten Erläuterungen haben daher auch für das zweite Ausführungsbeispiel Gültigkeit. Im Vergleich zu dem ersten Ausführungsbeispiel von 1 umfasst das Bolometer 10 weiterhin eine Deckschicht 28 auf der zweiten Membran 22 sowie eine Bohrung 29 in der Deckschicht 28, um ein Fenster vorzusehen, damit die auftreffende elektromagnetische Strahlung R durch die zweite Membran 22 zu dem Messelement 18 hindurchtreten kann. Auf diese Weise weist das Bolometer an den Rändern desselben eine höhere Stärke als in dem Mittelpunkt des Bolometers auf. Die Bohrung 29 hat eine Länge l₂₉. Die Länge l₂₉ ist größer als eine Länge des Messelements (oder Thermistors) 18. Wie aus 1 ersichtlich, ist das Messelement 18 (oder der Thermistor) in einer Schicht der ersten Membran 16 eingebettet. Dieses wird durch Vorsehen einer ersten Membran 16 mit mehreren Schichten erreicht. Wie aus 3 ersichtlich, umfasst die erste Membran 16 eine untere Schicht, eine mittlere Schicht auf der unteren Schicht sowie eine obere Schicht auf der mittleren Schicht, wobei das Messelement 18 in der mittleren Schicht eingebettet ist. Des Weiteren umfasst das Substrat 12 im Vergleich zu dem ersten Ausführungsbeispiel von 1 eine Spiegelschicht 13 mit einer reflektierenden Schicht 13a zum Reflektieren der auftreffenden elektromagnetischen Strahlung R. Ebenso ist an dem Rand des Bolometers (in einem Bereich, in dem die erste Membran 16 an der planaren Oberfläche des Substrats 12 (Endabschnitt der ersten Membran) angebracht ist), ein Ätzloch in der zweiten Membran 22 vorgesehen, das mit einer Dichtung oder einem Stopfen 23 verschlossen wird. Es können mehrere Ätzlöcher und entsprechende Dichtungen oder Stopfen 23 an den Rändern des Bolometers vorgesehen werden. Die Deckschicht 28 bedeckt die Dichtung(en) oder den (die) Stopfen 23.
Die 4a–g zeigen Schritte eines (Dünnfilmbeschichtungs-)Verfahrens zur Herstellung des Bolometers gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel, wie in 2 dargestellt. Nach Vorsehen eines Substrats 12, wie in 4a dargestellt, wird, wie in 4b dargestellt, auf dem Substrat 12 eine Spiegelschicht 13 vorgesehen (bzw. aufgebracht oder abgeschieden). Bei dem Substrat kann es sich beispielsweise um einen Wafer mit einer elektrischen Siliciumoxid-Isolationsschicht handeln. Die Spiegelschicht 13 umfasst einen reflektierenden Spiegel 13a zum Reflektieren der auftreffenden elektromagnetischen Strahlung R. Beispielsweise kann die den Spiegel 13a umfassende Spiegelschicht 13 eine Siliciumoxidschicht sein. Anschließend wird, wie in 4c dargestellt, auf dem Substrat 12 eine erste Opferschicht 14 vorgesehen (bzw. aufgebracht oder abgeschieden) und sodann eine erste Membran 16 auf der ersten Opferschicht 14 (ebenfalls in 4c dargestellt) vorgesehen. Wie unter Bezugnahme auf das erste Ausführungsbeispiel von 1 und 2 erläutert, umfasst die erste Membran 16 ein Messelement 18 zum Messen einer Menge absorbierter, auftreffender elektromagnetischer Strahlung R. Danach wird eine zweite Opferschicht 20 auf der ersten Membran 16 vorgesehen (bzw. aufgebracht oder abgeschieden) (wie in 4d dargestellt) und anschließend eine zweite Membran 22 auf der zweiten Opferschicht 20 so vorgesehen (bzw. aufgebracht oder abgeschieden), dass die zweite Membran 22 die erste Membran 16 umschließt (ebenfalls in 4d dargestellt). Sodann wird ein Ätzloch 22d in der zweiten Membran 22 vorgesehen (ebenfalls in 4d dargestellt). Anschließend wird, wie in 4e dargestellt, die erste Opferschicht so entfernt, dass ein erster Hohlraum 24 zwischen dem Substrat 12 und der ersten Membran 16 gebildet wird, und die zweite Opferschicht 20 so entfernt, dass ein zweiter Hohlraum 26 zwischen der ersten Membran 16 und der zweiten Membran 22 gebildet wird. Die erste Opferschicht 14 und die zweite Opferschicht 20 werden in einem gemeinsamen Ätzschritt unter Einsetzen eines Ätzmittels entfernt. Das Ätzmittel wird durch das Ätzloch 22d eingebracht. Die erste Membran 16 umfasst eine Bohrung 16d (nicht dargestellt), durch die das durch das Ätzloch 22d eingeführte Ätzmittel zu der ersten Opferschicht 14 gelangt. Nach Ätzen (durch das Ätzmittel) der ersten Opferschicht 14 und der zweiten Opferschicht 20 werden der erste Hohlraum 24 und/oder der zweite Hohlraum 26 mit Luft mit einem niedrigeren Druck als dem atmosphärischen Druck versehen. Sodann wird eine Dichtung oder ein Stopfen 23 in dem Ätzloch 22d vorgesehen, um, wie in 4e dargestellt, das Ätzloch 22d zu verschließen. Beispielsweise kann die Dichtung oder der Stopfen 23 durch Aufsputtern einer Aluminiumschicht in dem Ätzloch 22d vorgesehen werden. Danach wird, wie in 4f dargestellt, auf der zweiten Membran 22 eine Deckschicht 28 vorgesehen (bzw. aufgebracht oder abgeschieden). Die Deckschicht 28 kann beispielsweise aus Siliciumnitrid bestehen. Sodann wird, wie in 4g dargestellt, durch Entfernen eines Teils der Deckschicht 28 eine Bohrung 29 in der Deckschicht 28 vorgesehen. In der Bohrung 29 ist ein Fenster vorgesehen, durch das, wie oben erläutert, die auftreffende elektromagnetische Strahlung R durch die zweite Membran 22 zu dem Messelement 18 gelangen kann. Ebenso werden in diesem Ausführungsbeispiel die beschriebenen Membranen und Schichten durch Dünnfilmbeschichtung vorgesehen.
Zum Beispiel können/kann die erste Membran 16 und/oder die zweite Membran 22, insbesondere deren Schicht(en), aus Siliciumdioxid und/oder Siliciumnitrid bestehen. Beispielsweise kann das Messelement (oder der Thermistor) 18 aus Vanadiumoxid bestehen. Die erste Opferschicht 14 und/oder die zweite Opferschicht 20 können/kann beispielsweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung (z.B. einer Aluminium-Kupfer-Legierung) oder aus Polysilicium bestehen. Das Herstellungsverfahren bzw. der Herstellungsprozess kann beispielsweise eine maximale Temperatur unterhalb 400°C aufweisen. Somit ist das Verfahren bzw. der Prozess mit einem ASIC kompatibel, auf dem das Substrat angeordnet ist. Zum Beispiel können/kann die erste Membran 16 und/oder die zweite Membran 22 oder deren Schichten (z.B. aus Siliciumdioxid und/oder Siliciumnitrid) durch plasmagestützte chemische Dampfabscheidung (PECVD) vorgesehen bzw. aufgebracht werden.
Wie oben erwähnt, umfassen/umfasst der erste Hohlraum 24 und/oder der zweite Hohlraum 26, insbesondere des Bolometers des ersten Ausführungsbeispiels (siehe 1) oder des Bolometers des zweiten Ausführungsbeispiels (siehe 3) ein Gas mit einem niedrigeren Druck als dem atmosphärischen Druck (z.B. Vakuum). Bei dem Gas kann es sich zum Beispiel um (Niederdruck-)Gasrückstände handeln, die sich in dem ersten und/oder zweiten Hohlraum während der Herstellung (insbesondere während des Verschließens mit Hilfe der Dichtung oder des Stopfens 23) angesammelt haben. Beispielsweise kann das Gas zumindest SiH₄, NH₃, N₂ oder Reaktionsprodukte enthalten. Zum Beispiel kann der Druck des Gases zwischen 0,5 und 5 Torr, vorzugsweise zwischen 2 und 3 Torr, oder Vakuum liegen. Es versteht sich jedoch, dass das Gas einen anderen geeigneten Druck (niedriger als der Atmosphärendruck) aufweisen und/oder ein anderes geeignetes Gas oder Gasgemisch verwendet werden kann.
Wie oben erwähnt, weist das Bolometer des ersten Ausführungsbeispiels von 1 oder das Bolometer des zweiten Ausführungsbeispiels von 3 eine erste Membran 16 mit einem einzelnen Messelement 18 auf. Durch Verwenden eines von der zweiten Membran 22 umschlossenen oder bedeckten einzelnen Messelements 18 kann, insbesondere bei Verwenden mehrerer Bolometer in einem Wärmebildsensor, eine thermische Kopplung zwischen zwei oder mehreren Messelementen verhindert werden. Des Weiteren ist der Gesamtdurchmesser des Bolometers (und der Gesamtdurchmesser der zweiten Membran 22) im Vergleich zu einer Lösung, bei der mehrere Messelemente von einer einzelnen Membran umschlossen oder bedeckt sind, kleiner, und somit kann die Dicke der einkapselnden oder bedeckenden Membran dünner sein und dabei noch immer Umgebungsluftdruck (etwa 1 Bar) standhalten. Da der Kollapsdruck (der Druck, der erforderlich ist, um eine Membran zu zerstören) als Membrandicke^3 / Membranradius^4 messbar ist, müsste eine Membran mit einem größeren Durchmesser dick sein, was für die Absorption von Licht schlecht wäre.
5 zeigt ein erstes Bild eines Querschnitts eines exemplarischen Bolometers gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel, wie unter Bezugnahme auf 3 und 4 erläutert. Insbesondere aus 5 ist die das Ätzloch 22d verschließende Dichtung bzw. der Stopfen 23 ersichtlich. 6 zeigt ein zweites Bild des Querschnitts des exemplarischen Bolometers (5) gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel, wie unter Bezugnahme auf 3 und 4 erläutert. Insbesondere aus 6 ist die Bohrung 16d in der ersten Membran 16 ersichtlich, durch die das durch das Ätzloch 22d eingeführte Ätzmittel die erste Opferschicht 14 erreicht. In 5 und 6 weist die zweite Membran 22 eine Dicke von etwa 0,5 μm auf. Der erste Hohlraum 24 hat eine Höhe h₂₄ von etwa 2,5 μm, die größer als eine Höhe h₂₆ des zweiten Hohlraums 26 von etwa 0,5 μm ist. Der Gesamtdurchmesser des Bolometers liegt bei etwa 50 μm. Es versteht sich jedoch, dass die Dimensionen von 5 und 6 exemplarisch sind, und dass das Bolometer in jeder anderen geeigneten Größe hergestellt werden kann.
7 zeigt ein Bild eines exemplarischen thermografischen Bildsensors mit mehreren Bolometern 10 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel, wie unter Bezugnahme auf die 2 bis 6 erläutert. Ein thermografischer Bildsensor mit mehreren Bolometern 10 wird eingesetzt, um ein thermografisches Bild eines Objekts vorzusehen, das elektromagnetische Strahlung in Form von Infrarotlicht abstrahlt. Die mehreren Bolometer 10 sind in einem Array auf einem gemeinsamen Substrat 12 angeordnet. Jedes der Bolometer 10 misst eine Menge einer auftreffenden elektromagnetischen Strahlung unter Verwendung des Messelements oder Thermistors. Ein mit dem Messelement oder Thermistor verbundener elektrischer Schaltkreis (nicht dargestellt) erfasst eine Widerstandsänderung des Thermistors, um eine Temperaturänderung zu detektieren. Anhand dieser detektierten Temperaturänderungen oder Daten der mehreren Bolometer 10 kann das thermografische Bild rekonstruiert werden. Der thermografische Bildsensor kann weiterhin eine dedizierte ASIC zur Temperaturdatenerfassung und Signalverarbeitung umfassen. Des Weiteren kann der thermografische Bildsensor eine elektrische Leitung zu einer externen Einheit zur Signalverarbeitung und/oder zur Darstellung des thermografischen Bildes aufweisen. Optional kann der thermografische Bildsensor eine zusätzliche optische Linse (z.B. aus Germanium und/oder Silicium) aufweisen. Ebenfalls optional kann der thermografische Bildsensor eine Anordnung zum Reinigen der Oberfläche (oder der zweiten Membran) des Bolometers, beispielsweise mit Hilfe einer Flüssigkeit (z.B. Wasser) oder eines Gas-(z.B. Luft-)Stroms, aufweisen.
Der thermografische Bildsensor kann in vielfacher Weise verwendet werden. Zum Beispiel kann eine medizinische Einrichtung (z.B. ein Endoskop oder Katheter) einen thermografischen Bildsensor dieser Art umfassen. Eine solche medizinische Einrichtung kann beispielsweise bei minimal-invasiven Operationen, z.B. der Lungen, eingesetzt werden. Zum Beispiel kann der thermografische Bildsensor so auf der medizinischen Einrichtung platziert sein, dass ein 360° Blick ermöglicht wird.
Das Bolometer 10 kann, wie beispielsweise in 7 dargestellt, (bei Betrachtung von oben) eine hexagonale Form aufweisen. Insbesondere Bolometer mit einer hexagonalen Form können auf effiziente Weise als ein gepacktes Array vorgesehen werden. Somit ermöglichen als gepacktes Array vorgesehene Bolometer mit einer hexagonalen Form eine hohe Fülldichte. Es versteht sich jedoch, dass das (die) hier beschriebene(n) Bolometer eine andere geeignete Form, zum Beispiel eine runde oder eine quadratische Form, haben kann (können). Zum Beispiel weist ein Bolometer mit einer runden, genauer gesagt, kreisförmigen Form eine graduelle Spannungsverteilung auf.
Obgleich die Neuerung in der Zeichnung und der vorhergehenden Beschreibung dargestellt und näher beschrieben wurde, sind diese Darstellung und Beschreibung als erläuternd oder exemplarisch, nicht jedoch als einschränkend anzusehen; die Neuerung ist nicht auf die offenbarten Ausführungsbeispiele beschränkt. Weitere Variationen der offenbarten Ausführungsbeispiele können von Fachkundigen durch Ausführen der beanspruchten Neuerung, durch Studium der Zeichnung, der Offenbarung und der anhängigen Ansprüche verstanden und realisiert werden.
In den Ansprüchen schließt das Wort „umfassen“ nicht das Vorhandensein anderer Elemente oder Schritte und der unbestimmte Artikel „ein“ bzw. „eine“ vor einem Element nicht das Vorhandensein mehrerer solcher Elemente aus. Ein einzelnes Element oder eine andere Einheit kann die Funktionen mehrerer in den Ansprüchen aufgeführter Elemente erfüllen. Die Tatsache allein, dass bestimmte Maßnahmen in gegenseitig unterschiedlichen abhängigen Ansprüchen dargelegt sind, weist nicht darauf hin, dass eine Kombination dieser Maßnahmen nicht zum Vorteil verwendet werden kann.
Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als den Anwendungsbereich derselben einschränkend auszulegen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 01/64277 A2 [0002]
US 6262417 B1 [0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

„Design and fabrication of a high fill-factor micro-bolometer using double sacrificial layers“, Ju et al., SPIE Bd. 3698 Infrared Technology and Applications XXV (1999) [0005]

Claims

Bolometer (10) mit: – einem Substrat (12), – einer durch Entfernen einer ersten Opferschicht (14) auf dem Substrat (12) gebildeten, ersten Membran (16), wobei die erste Membran (16) ein Messelement (18) zum Messen einer Menge auftreffender elektromagnetischer Strahlung (R) umfasst, – einer durch Entfernen einer zweiten Opferschicht (20) auf der ersten Membran (16) gebildeten, zweiten Membran (22), wobei die zweite Membran (22) die erste Membran (16) umschließt, – einem zwischen dem Substrat (12) und der ersten Membran (16) ausgebildeten, ersten Hohlraum (24) sowie – einem zwischen der ersten Membran (16) und der zweiten Membran (22) ausgebildeten, zweiten Hohlraum (26).
Bolometer nach Anspruch 1, wobei die erste Membran (16) zwei Endabschnitte (16a, 16b) umfasst, wo die erste Membran (16) an einer planaren Oberfläche des Substrats (12) angebracht ist, sowie einen mittleren Abschnitt (16c) aufweist, der auf der ersten Opferschicht (14) so angeordnet ist, dass der mittlere Abschnitt (16c) der ersten Membran (16) von der planaren Oberfläche des Substrats (12) beabstandet ist, wenn die erste Opferschicht (14) entfernt ist.
Bolometer nach Anspruch 1, wobei die zweite Membran (22) zwei Endabschnitte (22a, 22b) umfasst, wo die zweite Membran (22) an der ersten Membran (16) angebracht ist, sowie einen mittleren Abschnitt (22c) aufweist, der auf der zweiten Opferschicht (20) so angeordnet ist, dass der mittlere Abschnitt (22c) der zweiten Membran (22) von der ersten Membran (16) beabstandet ist, wenn die zweite Opferschicht (20) entfernt ist.
Bolometer nach Anspruch 1, wobei die auftreffende elektromagnetische Strahlung (R) Infrarotlicht ist.
Bolometer nach Anspruch 4, wobei die zweite Membran (22) eine Dicke (t₂₂) aufweist, die so ausgewählt wird, dass das Infrarotlicht durch die zweite Membran (22) zu dem Messelement (18) hindurchtreten kann.
Bolometer nach Anspruch 1, das weiterhin eine Deckschicht (28) auf der zweiten Membran (22) umfasst und eine Bohrung (29) in der Deckschicht (28) aufweist, um ein Fenster vorzusehen, durch das die auftreffende elektromagnetische Strahlung (R) durch die zweite Membran (22) zu dem Messelement (18) hindurchtreten kann.
Bolometer nach Anspruch 1, wobei die zweite Membran (22) eine Dicke zwischen 0,3 μm und 0,8 μm, vorzugsweise zwischen 0,4 μm und 0,6 μm, aufweist.
Bolometer nach Anspruch 1, wobei die erste Membran (16) ein einzelnes Messelement (18) umfasst.
Bolometer nach Anspruch 1, wobei das Substrat (12) eine Spiegelschicht (13) mit einem reflektierenden Spiegel (13a) zum Reflektieren der auftreffenden elektromagnetischen Strahlung umfasst.
Bolometer nach Anspruch 1, wobei die erste Opferschicht (14) und die zweite Opferschicht (20) in einem gemeinsamen Ätzschritt entfernt werden.
Bolometer nach Anspruch 1, wobei der erste Hohlraum (24) und/oder der zweite Hohlraum (26) ein Gas mit einem geringeren Druck als dem atmosphärischen Druck enthält.
Bolometer nach Anspruch 1, wobei das Messelement (18) ein Thermistor ist.
Bolometer nach Anspruch 1, wobei die Membranen und Schichten durch Dünnfilmbeschichtung vorgesehen werden.
Thermografischer Bildsensor, um ein thermografisches Bild eines Objekts bereitzustellen, das elektromagnetische Strahlung in Form von Infrarotlicht abstrahlt, wobei der thermografische Bildsensor mehrere Bolometer (10) nach Anspruch 1 umfasst, die in einem Array auf einem gemeinsamen Substrat (12) angeordnet sind.