DE2247962C3

DE2247962C3 - Thermoelementanordnung auf Halbleiterbasis

Info

Publication number: DE2247962C3
Application number: DE722247962A
Authority: DE
Inventors: Peter 6741 Minfeld Kolbow; Otto 6729 Woerth Maurer; Herbert Dr. 8000 Muenchen Weiss
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1972-09-29
Filing date: 1972-09-29
Publication date: 1979-03-01
Also published as: GB1396807A; DE2247962B2; FR2201559A1; USB399632I5; US4001046A; JPS4973986A; FR2201559B3; DE2247962A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Thermoelcmentanordr.Mng mit mindestens einem Thermoelement, bei dein ein seinen einen Schenkel bildendes llalbleitergebiet mit einem Ende eines den anderen Schenkel bildenden metallischen Leiters in der heißen Lötstelle elektrisch leitend verbunden ist.

Eine derartige Theriiioelementanordnung ist z. IJ. aus der DE-AS 15 73 178 bekannt. Andere bekannte Thermoelemente auf llalbleiterbasis bestehen aus zwei kleinen Halbleilerblöcken verschiedenen Leitungstyps, deren mit einem Meiallbügel verbundene Enden von der zu messenden Strahlung erwärmt werden. Die an ilen anderen Enden abgreifbare Thermospannung isl der von der umgesetzten Strahlungsleistung verursachten Temperaturerhöhung proportional.

Die genannten Thermoelemente bzw. Thermoelementunordnungcn sind zwar relativ empfindlich, weisen jedoch infolge ihrer Masse eine derartige thermische Trägheit auf, daß sie schnellen Intcnsilälsänderungen der einfallenden Strahlung nicht folgen können.

Die von einem Einzellhernioelenunl abgegebene Thermospannung, die im Millivoltbereich liegt, bedarf einer hohen Verstärkung, um sie auf das für eine Anzeige oder eine weitere Meßweriverarbeitung notwendige .Signalniveau anzuheben. Da eine hohe Glcichspannungsverslärkung in der Praxis erhebliche Probleme mit sich bringt, werden häufig aus in Reihe geschalteten Einzelelementen gebildete Mchrfachthermoelcmentc verwendet, deren Ausgangsspannung der Summe aller Thcrmospannungcn entspricht. Bedingung dabei ist, daß jedes der Einzellhermoelemente die gleiche Strahlungsleistung empfängt, wenn die Temperatur einer homogenen Strahlungsquelle gemessen werden soll. In der Praxis isl dies, insbesondere bei Strahlungspyrometer^ bei denen das Mcßobjeki auf der relativ großen Empfängerfläche eines Mehrfachihermoelements abzubilden isl, schwer zu verwirklichen.

Es besteht demgemäß die Aufgabe, eine Thermoeleinentanordnung auf llalbleiterbasis mit hoher Empfindlichkeit und geringer thermischer Trägheit zu schaffen, die zur Herstellung von Mehrfachthermoelenienten

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Diese Aufgabe wird durch eine Thermoelenicnuii. ordnung der eingangs genannten An gelost, die erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet iss. dali aiii dem Halblcitergebiet eint elektrisch isolierende Schicht angcordct ist, daß der metallische Leiter eine auf der elektrisch isolierenden Schicht angeordnete Leiterbahn ist, die an ihrem einen Ende mil dem Halbleilei ;ebiei elektrisch leitend verbunden ist und daß an dem Halblciti.1 gebiet und an der Leiterbahn jeweils ein elektrischer Anschlußkontakt vorgesehen ist.

Vorzugsweise ist das Halbleitergebiet ein dotiertes Gebiet eines Halbleiterkörper und vorzugsweise sind in der elektrisch isolierenden Schicht zwei Aussparungen vorgesehen, wobei in der einen Aussparung die Leiterbahn mit dem llalbleilergebiet eleklriseh leitend verbunden ist und wobei in der anderen Aussparung der elektrische Anschlußkoniakt an dem Halblcitergebiet vorgesehen isl.

Ausführungsbeispiele der F.rfindung werden anhand der F'iguren näher erläutert.

Fig. I zeigt in sehematischer Darstellung eine Thermoelemcnlanordnung, wobei das Halbleitergebiel ein dotiertes Gebiet eines I lalblcilerkörpers ist;

F" ig. 2 zeigi die Aufsicht der Thcrmoelementanordnungnach Fig. I;

F" ig. 3 zeigt in sehemalischer Darstellung eine Weiterbildung der Thermoelementanordnung nach Fig. I;

F* ig. 4 zeigt in sehematischer Darstellung die Reihenschaltung von drei Thermoelemenlanordnungen;

Fig. 5 zeigt in sehematischer Darstellung eine Thermoclementanordnung, wobei auf einem Substrat 1 lalbleitermaierial aufgebracht isl.

In der Fig. I isl das I lalbleilergcbiel das dolierie Gebiet 2 eines Halbleiterkörper 1. Vorzugsweise bestehl diese"· Halbleiterkörper 1 aus η-Silizium. Das Halblcitergebiet hai dann p-Dolierung. Die Dicke des Halbleiterkörper 1 beträgl vorzugsweise etwa 200 μηι, während die Dicke des beispielsweise eindiffundierten p-Gebieles 2 etwa I bis 2 um beträgt. Auf dem Halbleitergebiet 2 und auf der Oberfläche des η .Siliziumhalbleiterkörpers 1 ist eine elektrisch isolierende Schicht 3 aufgebracht. Diese Schicht bestehl vorzugsweise aus SiO. und isl etwa 2 μηι dick. Im Bereich des Gebietes 2 sind in dieser elektrisch isolierenden Schicht 3 die Aussparungen 6 und 7 angeordnet. Diese Aussparungen 6, 7 in der Schicht 3 werden vorzugsweise mit Hilfe von fotolithografischen Vcrfahrenssehritlen angebracht. Über dem Gebiet 2 isl die Leiterbahn 4. durch die Schicht 3 von dem Halblcitergebiet 2 getrennt, angeordnet. In der einen Aussparung 6 steht die metallische Leiterbahn, die vorzugsweise aus Aluminium bestehl und eine Dicke von 1 μηι besitzt, mit dem Gebiet 2 in elektrisch leitender Verbindung. Diese Metall-Halbleiterverbindung entspricht der einen heißen Lötstelle eines herkömmlichen, aus Drählen zusammengelöteten Thermoelementes. Die Leiterbahn, die vorzugsweise aufgedampft ist, verläuft bis kurz vor die Aussparung 7. In dieser Aussparung 7 befindet sich ein Anschlußkontakt 8. Ein weiterer Anschlußkontakl 9 ist an der metallischen Leiterbahn 4 angeordnet, /wischen beiden Anschlußkontanlen befindet sich das Meßinstrument 5.

Die Fig. 2 ^eigt die Aufsicht auf eine wie oben beschriebene Thermoelementanordnung. Die Isolierschicht ist dabei, der besseren Übersicht wegen, nicht I ig. j zeigt eine Weiterbildung einer Thcmiodi.· mcntanordnung. bei der die Mctalleilcrbahn neben dem Diffusioiisgebiel angeordnel ist. Die Meialleiierrxihn führt ebenfalls in die Nähe eier Aussparung 7 Die elektrisch isolierende Schicht befindet sich unter der Metaileiterbahn 4 und ist in der Figur nicht dargestellt.

Fig. 4 zeigt ein Mehrfachthermoeleincni. das aus mehreren der beschriebenen Ther'iioelementanordnurigen in Reihenschaltung besteht. Dabei sind die Halbleitergebiele 2, die elektrischen Isolierschichten und die Leiterbahnen der einzelnen Thermoelemente vorzugsweise in den gleichen Verfahrensschritten hergestellt. Die einzelnen llalbleitergebiete sind in einem Halbleiterkörper angeordnet. Die I lalbleitergebiete sind vorzugsweise 10 μηι breit. Ihre Abstände untereinander sind vorzugsweise ebenso groll Die einzelnen in Reihe geschalteten Thermoelemente sind durch die Metallbahnen 44 untereinander verbunden. Die elektrisch isolierenden Schichten /wischen den Metdlleiterbahnen und den Halbleitergebieten 2 b/w. dem Halbleiterkörper 1 befinden sich unter den Melalleiterbahnen und sind in der Figur nicht dargestellt. Das Meßinstrument 5 ist mit Hilfe der Metalleiterbahnen 41 mit dem ersten Thermoelement der Reihe und mit Hilfe der Leiterbahn 42 mit dem letzten Thermoelement verbunden.

Bei einer Breite der Haibleilergebiete von 10 μηι und bei einer Entfernung der einzelnen Halbleilergebiele untereinander von ebenfalls 10 μηι lassen sich bei einer Länge des Halbleiterkörpers von 1 mm 50 Thermoelemente unterbringen. Mit einem solchen Mehrfachthermoelement, das aus >() einzelnen "Thermoelementen besteht, lassen sich trotz Wärmeableitung Thermospan-

nungeii von ca. 10 ..erreichen.

Bei den oben beschriebenen Thermoelementanordnungen ist das Halbleitergebiet, vorzugsweise das p-dolierie Silizium, gegenüber dem n-Sili/iiimkörper durch den pn-Übergang elektrisch praktisch isoliert. Beim Erwärmen der Kontaktstelle in der Aussparung f> zwischen der Leiterbahn und dein Diflusionsgebiet isl die Temperaturerhöhung sehr schnell meßbar, da sowohl das p-Gebiet als auch die Leiterbahn nur eine Dicke von etwa 1 um haben und die /u erwärmende Masse daher äußerst gering ist. Die /.eitkonslante eines wie oben beschrieben aufgebauten Thermoelementes liegt bei < 10 msec.

Für den Fall, daß im obigen Beispiel die thermische Kopplung zwischen dem Halbleiiergebiet und dem η-Silizium zu groß ist oder für den Fall, daß die elektrische Isolation zwischen diesen beiden Gebieten, dem Halblcitergebiet und dem Siliziuir.körper verbessert werden soll, wird folgende Weiterbildung einer Thermoelemcntanordnung angegeben. In der F i g. 5 isl eine solche Thermoelementanordnung schematisch dargestellt. Einzelheiten der F i g. 5, die bereits in den anderen Figuren beschrieben sind, tragen die entsprechenden Bezugszeichen. Das dotierte Halbleitergebiet, das das Bezugszeichen 22 trägt, ist zur besseren thermischen elektrischen Isolation gegen seine Umgebung auf ein isolierendes Trägersubstrat 11 aufgebracht. Vorzugsweise beträgl die Dicke des ! lalbleitergebieies 2 μιη. Das Halblcitergebiet bestehl vnr/i.gsweisc ans p-doticrtem Silizium und isl auf das isolierende Trägersubstrat aufgedampft. Vorzugsweise bestehl dieses Trägersubstrat aus Spinell oder aus Saphir. Die Empfindlichkeit solcher Thcrmoeicmen(anordnungen

beschrieben aufgebautes Thermoelement, betrügt sie schuhen. Dabei sind die cin/elnen ! liermoeleiiieiitc

etwa ¹JOO iiV/ C. \< >i/iigs\M. ise iiuf einem !»eineinsamen Spin;-!' niri

l'liennoelemenliiiiorclnungen. die wie oben beschrk Saphir-TriigerMibsiriU aulgebriiehl. heu iiiil'gc-b.'iii sind. I₁! ,sen sieh ebenfalls inehrlaeh

llier/u 2 Hhilt A'icluiu.itier

Claims

Palentansprüche:

1. Thennoelcmcntunordnung mit mindestens einem Thermoelement, bei dem ein seinen einen Schenkel bildendes Halblcilergcbiei mit einem Enc'e eines den anderen Schenkel bildenden metallischen Leiters in der heißen Lötstelle elektrisch leitend verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daU auf dem Halbleitergebiet (2, 22) eine elektrisch isolierende Schicht (3) angeordnet ist, daß der metallische Leiter eine auf der elektrisch isolierenden Schicht (3) angeordnete Leiterbahn (4) ist, die an ihrem einen Ende mit dem llalbleitergebiet (2, 22) elektrisch leitend verbunden ist und daß an dem llalbleitergebiet (2, 22) und an der Leiterbahn (4) jeweils ein elektrischer Anschlußkontakt (8, 9) vorgesehen ist.

2. Thermoelcmentanordnung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitergebiet (2) ein dotiertes Gebiet eines Halbleiterkörper (I) ist, daß in der auf dem Halbleitergebiet (2) befindlichen elektrisch isolierenden Schicht (3) zwei Aussparungen (6, 7) vorgesehen sind, daß die Leiterbahn (4) an ihrem einen Ende in der einen Aussparung (6) mit dem Halblcilergcbiet (2) elektrisch leitend verbunden ist und daß der elektrische Anschlußkoniakt (8) an dem Halbleitergebiel (2) in der anderen Aussparung (7) angeordnet ist.

J. Thermoclcmenianordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahn (4) über dem Halbleitergebiet (2) angeordnet ist und bis zu der anderen Aussparung (7) führt, in der der Anschlußkontakt (8) an dem Halbleilergebiet (2) vorgesehen ist (F i g. 2).

4. Thermoelenicntanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahn (4) teilweise über dem Halbleilergebiet (2) und teilweise neben dem llalbleitergebiet (2) angeordnet ist (rig· 3).

5. Thcrmoelemcntanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere einzelne Thermoelemente in Reihe geschaltet sind, wobei die llalbleitergebiete (2) der einzelnen Thermoelemente in einem gemeinsamen Halbleiterkörper (I) eindiffundiert sind (I' i g. 4).

6. Thermoelemenlanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Halbleitcrgcbicte (2) voneinander und die Breite der Halblcitergebiete (2) jeweils etwa 10 μιη betragen.

7. Thernioclemenianordnung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitergebiel (22) aus Halbleitermaterial besteht, das auf ein isolierendes Trägcrsubslrat (II) aufgebracht ist (Fig. 5).

8. Thcrmoelementanordnung nach Anspruch 7. dadurch gekennzeichnet, daß mehrere einzelne Thermoclemcntanordnungen in Reihe geschaltet sind, wobei die Halbleitergebietc (2) der einzelnen Thermoelementanordnungcn auf einem gemeinsamen isolierenden Trägersubsirat (II) aufgebracht sind.

9. Thermoelcmentanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstände der Haibleilergebiete (2) untereinander und die Breite der Halblcitergebiete jeweils etwa 10 μιη betragen.

Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch isolierende Schicht (J) eine SiO_,-Schichi ist.

11. Thermoelcmentanordnung nach einem der Ansprüche I bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahn (4) aus Aluminium ist.

12. Thermoclementanordnung nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper

(I) aus n-lcitendem Silizium ist und daß das Halbleitergebiel (2) ein p-dotierlcs Gebiet des n-leitcnden Siliziunikörpers ist.

13. Thermoelenicntanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das aus Halbleitermaterial bestehende Halbleitergebiel (22) aus p-dotiertem Silizium ist.

14. Thermoelemcntanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägersubstrat

II1) ein Spinellsubstrat ist.

15. Thermoelemenlanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägersubstral (I I) ein Substrat aus Saphir ist.