DE3626504C2 - Verfahren zur Herstellung eines linearen Bildsensors - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines linearen Bildsensors.

Zur Herstellung einer Photoleiterschicht von großer Länge oder großer Fläche werden herkömmlich Dünnfilm-Her­ stellungstechniken wie das Verfahren der Vakuumabscheidung, der Zerstäubung oder der chemischen Dampfabscheidung mittels Glimmentladung etc. eingesetzt.

Aus der JP 58-155758 (A) ist ein linearer Bildsensor bekannt, bei dem zuerst eine strukturierte Fotoleiterschicht für lichtaufnehmende Elemente und danach eine erste strukturierte Kontaktierungsschicht auf ein Glassubstrat aufgebracht wird. Sodann wird ein Teil des mit der strukturierten Kontaktierungs­ schicht versehenen Substrats mit einem isolierenden Polyimidfilm beschichtet, der Durchgangslöcher für Kontaktierungen aufweist. Auf dem Polyimidfilm mit Durchgangslöchern wird eine zweite strukturierte Kontaktierungsschicht aus Kupfer aufgebracht und danach die gesamte Oberfläche des Bildsensors mit einer weiteren Schutzschicht abgedeckt.

Die JP 54-42877 (B2) zeigt einen ähnlich aufgebauten linearen Bildsensor, bei dem die strukturierte Fotoleiterschicht nach der ersten strukturierten Kontaktierungsschicht aufgebracht wird.

Die Aufgabe der vor­ liegenden Erfindung besteht darin, das Verfahren zur Herstellung eines linearen Bildsensors zu vereinfachen.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird gemäß Anspruch 1 verfahren.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren dient eine einzige Isolierschicht sowohl für die gewünschte Isolierung der beiden Kontaktierungsschichten als auch als Schutzfilm für die lichtaufnahmenden Elemente bildende strukturierte Photoleiterschicht.

Aufgrund der Tatsache, daß mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens die Bildung des Schutzfilms für die lichtaufnehmenden Elemente durch die Bildung der Isolierschicht für die Bildung der mehrschichtigen Kontaktierung bereits im Frühstadium des Element-Her­ stellungsverfahrens abgeschlossen ist, können die nach­ teiligen Wirkungen auf die Kennwerte der lichtaufneh­ menden Elemente durch verschiedene Ätzmittel in den später erfolgenden Schritten wie dem Schritt der Bildung der Durchgangslöcher und Feinverarbeitungs-Schritt des Verdrahtens etc. vollständig eliminiert werden, und auf diese Weise läßt sich die Zuverlässigkeit der Kennwerte des Elements in ausgeprägter Weise verbessern.

Die Erfindung wird nun anhand der Figuren näher erläutert.

Fig. 1 zeigt im Ausschnitt eine Draufsicht auf einen linearen Bildsensor des Kontakt-Typs gemäß einer be­ vorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Fig. 2 zeigt eine Querschnittansicht des in Fig. 1 dar­ gestellten Bildsensors entlang der Geraden II-II.

Fig. 3 zeigt das elektrische Diagramm einer Schaltung für den linearen Bildsensor entsprechend Fig. 1.

Fig. 4 zeigt ausschnittweise eine seitliche Schnittan­ sicht eines Beispiels eines Sensor-Teils in einem Bild­ sensormodul-Substrat vom Kontakt-Typ in Sandwich-Form.

Fig. 5 zeigt ausschnittweise eine Querschnittansicht eines Sensor-Teils in einem coplanaren Bildsensormodul-Sub­ strat vom Kontakt-Typ, in dem die Elektrode unterhalb der Photoleiter-Schicht angeordnet ist.

Fig. 6 zeigt ausschnittweise eine Querschnittansicht eines Sensor-Teils in einem coplanaren Bildsensormodul Substrat vom Kontakt-Typ, in dem die Elektrode oberhalb der Photoleiter-Schicht angeordnet ist.

Fig. 7 zeigt das elektrische Diagramm eines Beispiels einer Leseschaltung.

In sämtlichen Zeichnungen sind gleiche Teile durch gleiche Bezugszahlen bezeichnet.

Ein Verfahren zur Herstellung eines linearen Bildsensors vom Kontakt-Typ gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird anhand der Abbildungen Fig. 1 bis Fig. 3 näher erläutert.

Für das aus einem einzelnen Körper eines Cd enthaltenden Gruppe-II-VI-Verbindungshalbleiters oder mehr als zwei Arten solcher Verbindungshalbleiter bestehende Material wird ein Material eingesetzt, das durch Zusatz von 0,1 bis 1 Mol-% CuCl₂ und/oder AgCl₂ als Verunreinigungen zu Rohpulver, das einen mittleren Durchmesser in der Größen­ ordnung von etwa 0,2 µm besitzt und mittels eines be­ kannten Verfahrens der chemischen Abscheidung erhalten wurde, und nachfolgendes 30- bis 60-minütiges Sintern desselben in einer Inertgas-Atmosphäre zur Aktivierungs­ behandlung, mittels der das Material mit Photoleitfähig­ keit ausgestattet wurde, erhalten wurde. Das auf die vorstehend beschriebene Weise erhaltene kristalline Pulver wird als Ausgangsmaterial in den im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen eingesetzt.

Wie in Fig. 1 und in Fig. 2, die einen Querschnitt längs der Geraden II-II in Fig. 1 darstellt, gezeigt ist, umfaßt das Element in seinem Aufbau eine Photoleiter­ schicht 2, die in streifenförmiger Anordnung auf einem isolierenden Substrat 1 mittels eines Beheizungsschrit­ tes gebildet wurde, gemeinsame Elektroden 3 und streifen­ förmige Einzelelektroden 4, die so angeordnet sind, daß sie gegenüberliegende Teile der Photoleiterschicht 2 bedecken, wobei die Einzelelektroden 4 kontinuierlich unter Bildung einer ersten Kontaktierungsschicht 5 ver­ längert sind, eine darauf gebildete organische Isolier­ schicht 6, die als Isolierfilm und Element-Schutzfilm dient, und eine zweite Kontaktierungsschicht 7, die weiterhin darauf gebildet ist, wobei die Kontaktie­ rungsschichten in der Form von Matrix-Verdrahtungen ausgebildet sind, die durch eine Mehrzahl von Stücken in Blocks unterteilt sind.

Als Materialien für die Elektroden 3 und 4 und für die Kontaktierungsschichten 5 und 7 werden Ti oder Ta, das ein hochschmelzendes Metall mit kleiner Arbeitsfunktion ist, oder deren Legierungen zum Ohm′schen Kontakt mit der Photoleiterschicht 2 und auch zur Verbesserung des Kon­ takts in bezug auf die Photoleiterschicht und das iso­ lierende Substrat 1 eingesetzt. Als isolierendes Sub­ strat kann ein Substrat mit hoher Wärmebeständigkeit wie ein Keramik-Substrat, Aluminiumoxid-Substrat, Pyrex-Glas-Sub­ strat oder dergleichen verwendet werden. Außer­ dem sollten für die organische Isolierschicht 6 wärme­ beständige Harze wie Polyimid-Harz, Polyamidimid-Harz oder dergleichen vorzugsweise eingesetzt werden.

Fig. 3 zeigt das elektrische Diagramm eines grundlegen­ den Aufbaus einer Schaltung für den gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellten linearen Bildsensor. In Fig. 3 bezeichnen R₁, R₂, R₃, R₄, R₅, R₆, R₇, R₈, R₉ . . . Widerstände der entsprechenden Teile zwischen den ge­ meinsamen Elektroden 3 und den Einzelelektroden 4, d. h. Element-Widerstände der Bildelemente (der Anordnung der bildempfangenden Elemente) P, und eine Quelle für eine gleichgerichtete Vorspannung Eb ist vorgesehen zum An­ legen einer Spannung an die gemeinsamen Elektroden 3 mit Hilfe von Umschaltern SW1, durch deren Betrieb jede der gemeinsamen Elektroden 3 mit der Quelle für die gleich­ gerichtete Vorspannung Eb oder mit der Seite der Masse/Erde verbunden ist. Die betreffenden Einzelelektroden 4 sind über Schalter SW2 mit einem Ladewiderstand Ra zum Aus­ geben eines Signals an einen Ausgangsanschluß T ver­ bunden, so daß der Signalstrom als Spannung gelesen wird. Diese Schalter SW1 und SW2 sind beispielsweise solche in Form von Schaltelementen, die durch C-MOS-Tran­ sistoren gebildet werden, und in der Weise angeord­ net, daß sie sequentiell Schaltvorgänge durch Gatter in den Elementen, die mit einem (nicht eingezeichneten) Schieberegister verbunden sind, bewirken.

Aufgrund der oben beschriebenen Bauweise zeigt die das jeweilige Bildelement bildende strukturierte Photoleiter­ schicht 2 Änderungen des Widerstandes entsprechend der empfangenen Lichtmenge, und da diese Veränderung des Widerstandes vermittels der angelegten gleichgerichteten Vorspannung Eb als Signalstrom abgegeben wird, werden an dem Anschluß T der Lichtmenge entsprechende Spannungen erzeugt. Aus diesem Grunde zeigt beim Abtasten der je­ weiligen Bildelemente durch das Umschalten der Schalter SW1 und SW2 das die jeweiligen Bildelemente darstellende lichtempfangende Element die dem aufgenommenen Licht entsprechende Widerstandsänderung, und auf diese Weise wird das lineare Bildinformation-Lesesignal von dem Anschluß T als Signalstrom erzeugt.

Eine Photoleiterschicht aus der CdSe-Gruppe zeigt ein Hell/Dunkel-Ver­ hältnis von mehr als 10³ bei Einstrahlung von Licht von 695 nm mit 30 Lx, wodurch ein Signal von mehr als 1 µA erzeugt wird. Die Photoleiterschicht zeigt auch ein rasches Ansprechen in weniger als 5 ms sowohl für das Ansteigen (90%) als auch das Ab­ fallen (90%), was für ein Hochgeschwindigkeits-Lese­ element außerordentlich wünschenswert ist. Da im übrigen das lichtaufnehmende Element durch den isolierenden Film aus dem organischen Harz vollständig abgedichtet ist, ist die Änderung der Kenndaten des Elements aufgrund einer Änderung der Umstände sehr klein.

Die Photoleiterschicht kann durch Ver­ arbeiten einer Paste aus einem photoleitfähigen Material mittels Siebdruck hergestellt werden.

Anschließend wird das Herstellungsverfahren des eine Photoleiterschicht der CdSe-Gruppe verwendenden Elements näher beschrieben.

Unter Verwendung eines Substrats aus Glas als isolierendes Substrat 1 wird die photoleitfähige Paste mittels des Siebdruck-Ver­ fahrens auf das Substrat aufgebracht und, nach 1 h Trocknen bei 100°C mit heißer Luft, der Wärmebehandlung 15 min bei 300°C und danach 30 min bei 500°C in einer N₂-Atmosphäre unterworfen, und auf diese Weise wurde eine Photoleiterschicht mit einer Filmdicke von etwa 4 µm gebildet.

Zur Herstellung der photoleitfähigen Paste wurden 3 Mol-% CdCl₂, 2 Gew.-% niedrigschmelzender Glasfritte (Tg: 385°C), bezogen auf die Gesamtmenge, und eine pas­ sende Menge Öl (das 1,5 Gew.-% Ethylcellulose enthielt) zur Einstellung der Viskosität zu kristallinem CdSe-Pulver (Cu-Dotierung: 0,4 Mol-%, Pulver bei 800°C in N₂ behandelt) hinzugegeben, das vorher einer aktivierenden Wärmebehandlung unterworfen worden war und einen mitt­ leren Teilchendurchmesser von etwa 2 µm aufwies, und die so erhaltene Mischung wurde 50 h in einer Kugelmühle durchgemischt.

Auf die so gebildete Photoleiterschicht 2 wurden gegen­ überstehende Elektroden, die die gemeinsamen Elektroden 3 und die Einzelelektroden 4 umfassen, mittels eines Abhebeverfahrens gebildet, wobei gleichzeitig die erste Kontaktierungsschicht 5 gebildet wurde. Dazu wurde Ti mit etwa 500 nm (5000 Å) als Elektroden und Verdrahtung aufge­ bracht war, wobei die Abstände zwischen den Elektroden 50 µm und die Elektrodenlängen 70 µm betrugen, es ergaben sich 1728 Bildelemente. Über die gesamte Oberfläche der Anordnung des Lichtempfänger-Elements hinweg wurde eine Schicht 6 aus Polyimid-Harz, die so vorbereitet war, daß sie nach dem Härten eine Dicke von etwa 5 µm hatte, mittels Spinnbeschichtung aufgetragen, um als Isolierfilm und als Schutzfilm für das Element zu dienen. Zur Herstellung der Durchgangslöcher für die Matrix-Verdrahtung wird das Polyimid-Harz zunächst in halbgehärtetem Zustand durch Anwendung einer üblichen photolithographischen Technik zu einem Muster geformt, und nach dem Aufbringen der dreifachen Metallschicht aus Al, Ti und einer Cu-Ni-Legierung darüber als Material der zweite Kontaktierungsschicht wird der Film aus Polyimid-Harz vollständig gehärtet. Für das vorgenannte Verdrahtungsmuster wurde die übliche photographische Technik angewandt, und die Matrix-Verdrahtung mit 32-Elementen wurde als ein Block ausgebildet.

Da die interlaminare Isolierschicht 6 für den Teil der Matrix-Verdrahtung nach dem Abhebeverfahren gleichzeitig auch auf dem Teil des Lichtempfänger-Elements gebildet wird, wird ein solcher Teil in dem Schritt zur Bildung der zweite Kontaktierungsschicht nicht nachteilig be­ einflußt, und auf diese Weise wird keine Minderung der Charakteristika der Photoleiterschicht beobachtet.

Das auf die im Vorstehenden beschriebene Weise herge­ stellte Element war in der Lage, Signalströme von an­ nähernd 15 µA im Mittel bei einfallendem Licht von 30 Lx bei einer Vorspannung von 12 V zu lesen, und die Streu­ ung in der Charakteristik der Abgabeleistung bei den jeweiligen Bildelementen lag günstigerweise bei ± 15%. Daneben wurden in bezug auf die Licht-Antwortgeschwin­ digkeit überlegene Ansprech-Kennwerte von 3 ms für das Ansteigen (90%) und 0,5 ms für das Abfallen (90%) erzielt, und somit konnte der lineare Hochgeschwindig­ keits-Bildsensor vom Kontakt-Typ, der zum Lesen durch das Realzeit-Lesesystem befähigt war, hergestellt wer­ den. Weiterhin wurden bei der Durchführung eines Zuver­ lässigkeitstests des vorstehenden Elements bei hoher Temperatur und Feuchtigkeit bei 65°C und 95% relativer Feuchtigkeit günstige Ergebnisse erhalten, wobei die Schwankungen der Charakteristika selbst nach 200 h in­ nerhalb von 5% lagen. Somit wurde gefunden, daß die auf der Photoleiterschicht gebildete Schicht aus Polyimid-Harz in vollem Umfang ihre Aufgabe als abdichtender Film zur Verbesserung der Zuverlässigkeit des Elements er­ füllt.

Wie aus der vorstehenden Beschreibung hervorgeht, kann nach dem Verfahren zur Herstellung des linearen Bild­ sensors vom Kontakt-Typ gemäß der vorliegenden Erfindung aufgrund der Tatsache, daß die Abdichtung der Anordnung der Lichtempfänger-Elemente gleichzeitig in dem Schritt der Bildung der Matrix-Verdrahtung erfolgt, die Zahl der Schritte vorteilhaft verringert werden, was eine über­ legene Massen-Produktivität ergibt. Weiterhin läßt sich gemäß der vorliegenden Erfindung eine hohe Ausbeute bei der Fertigung der Elemente erreichen, und dement­ sprechend können Elemente hoher Zuverlässigkeit unter niedrigen Kosten produziert werden.

Unter Bezugnahme auf die Abbildungen Fig. 4 und Fig. 7 werden ein Bildsensormodul-Substrat vom Kontakt-Typ im Folgenden näher beschrieben.

Allgemein lassen sich die Bildsensormodul-Substrate vom Kontakt-Typ im weiteren Sinne einteilen in solche vom Sandwich-Typ, wie er in Fig. 4 dargestellt ist und in dem die Photoleiter-Schicht 30 sandwichartig zwischen Elektroden 20 auf dem Glas-Substrat 11 eingelagert ist, und solche vom coplanaren Typ, die ihrerseits unterteilt werden in einen Typ, in dem entsprechend der Darstellung in Fig. 5 die Elektrode 20 unter der Photoleiterschicht 30 auf dem Glas-Substrat 11 aufgebracht ist, und einen anderen Typ, in dem entsprechend der Darstellung in Fig. 6 die Elektrode 20 auf der Photoleiterschicht 30 ange­ ordnet ist.

Generell wird bei dem Sandwich-Typ hauptsächlich amor­ phes Silicium für die Photoleiter-Schicht verwendet; er ist gekennzeichnet durch seine hohe Licht-An­ sprechgeschwindigkeit, hat jedoch den Nachteil, daß das Herstellungsverfahren für dasselbe kompliziert ist, woraus hohe Kosten resultieren. Demgegenüber ist der coplanare Typ hinsichtlich der Schritte seiner Herstel­ lung einfach und demgemäß billiger, wird jedoch in bezug auf seine Licht-Ansprechgeschwindigkeit als dem ersteren unterlegen angesehen. Bei den beiden letzt­ genannten Typen ist die Photoleiter-Schicht selbst ein Element, das gegen äußere Einflüsse sehr empfindlich ist, und aus diesem Grunde ist es erforderlich, eine Passivierung der Schicht durchzuführen, um ihr Bestän­ digkeit gegen Chemikalien und Umwelteinflüsse zu ver­ leihen. Überdies werden für die Elektrode 20 des Photo leiter-Teils 1728 Linien oder 3456 Linien (für die Fälle 8 Linien/mm bzw. 16 Linien/mm) für die Größe A4 benö­ tigt, und wie die von diesen Elektroden zu gewinnenden Signale zu lesen sind, wirft weitere Probleme auf. Zur Meisterung dieser Situation war und ist es allgemeine Praxis, die Leseschaltung in Blocks einzuteilen (d. h. in Form von Mehrschichten-Verdrahtungen auszubilden), wie dies in Fig. 7 dargestellt ist. Die durch die Bezugszahl 30 bezeichnete Photolei­ ter-Schicht ist an eine Treiber-Schaltung Lc auf der Seite der gemeinsamen Elektroden und an eine Treiber-Schaltung Li auf der Seite der Einzelelektro­ den durch die in Fig. 7 abgebildeten Verdrahtungen ge­ koppelt, wobei durch das Symbol D bezeichnete blockie­ rende Dioden zwischengeschaltet sind und eine Gleich­ spannungsquelle E0 und ein Lastwiderstand R in Reihe in die die Schaltungen Lc und Li verbindende Leitung eingefügt sind.

Claims (2)

1. Verfahren zur Herstellung eines linearen Bildsensors mit folgenden Schritten:

• a) Auf einem Substrat wird eine erste strukturierte Kontaktierungsschicht aufgebracht,
• b) vor oder nach der ersten Kontaktierungsschicht wird eine strukturierte Photoleiterschicht für linear ange­ ordnete lichtaufnehmende Elemente ausgebildet,
• c) die freiliegenden Flächen von Substrat, ersten Kon­ taktierungsschicht und Photoleiterschicht werden mit einer Isolierschicht bedeckt,
• d) die Isolierschicht wird teilweise ausgehärtet,
• e) in die teilweise ausgehärtete Isolierschicht werden Durchgangslöcher geätzt,
• f) die Isolierschicht wird sodann vollständig ausgehär­ tet und
• g) anschließend wird eine zweite strukturierte Kontak­ tierungsschicht auf der Isolierschicht und in den Durch­ gangslöchern ausgebildet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für die Isolierschicht ein organisches Harz der Polyimid-Gruppe verwendet wird.