DE4218789A1

DE4218789A1 - Mikroelektronikkompatibler pyroelektrischer Detektor und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE4218789A1
Application number: DE4218789A
Authority: DE
Inventors: Uwe Dr Dibbern; Mareike Dr Klee; Joseph Dr Pankert
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 1992-06-06
Filing date: 1992-06-06
Publication date: 1993-12-09

Description

Die Erfindung betrifft einen mikroelektronikkompatiblen pyroelektrischen Detektor, mit einer pyroelektrischen Schicht mit Kontakten auf einem Siliziumsubstrat, mindestens einem Kontakt in einem strahlungsempfindlichen Bereich der pyroelektrischen Schicht und einem weiteren Kontakt zwischen dem Siliziumsubstrat und der pyroelek trischen Schicht, und ein Verfahren zu seiner Herstellung.

Derartige Detektoren sind beispielsweise aus den weiter unten genannten Dokumenten bekannt. Sie nutzen den soge nannten pyroelektrischen Effekt aus. Darunter versteht man im allgemeinen den physikalischen Effekt, daß ein polarer Stoff bei Temperaturänderung seine elektrische Polarisation ändert und somit ein elektrisches Feld aus bildet. Die Ursache dieses physikalischen Effektes liegt darin, daß der Stoff von Natur aus polarisiert ist. Normalerweise ist dessen Polarisation aber durch die Ober flächenladung kompensiert, so daß sie von außen nicht meßbar ist. Ändert sich durch eine Temperaturänderung die innere Polarisation, dann wird das Gleichgewicht zwischen Polarisation und Kompensationsladung vorübergehend gestört, wodurch eine Differenzladung meßbar wird. Alle ferroelektrischen Stoffe sind z. B. auch pyroelektrisch. Der pyroelektrische Effekt kann beispielsweise für empfindliche Infrarot-Strahlungsmeßgeräte genutzt werden.

Ein wesentlicher Bestandteil eines pyroelektrischen Detektors, nachfolgend auch kurz Pyrodetektor genannt, ist somit dessen pyroelektrisches Material, an dessen Ober fläche Elektroden angeordnet sind. Das pyroelektrische Material kann aus ferroelektrischer Keramik wie PZT, pyroelektrischen Kristallen wie LiTaO₃, organischen Kristallen wie Triglyzinsulfat oder auch Polymeren wie PVDF bestehen. Bei einer Temperaturänderung, die beispielsweise durch Absorption von Infrarotstrahlung hervorgerufen sein kann, kann an den Elektroden eine Spannung gemessen werden. Ein einfacher entsprechender Detektor weist beispielsweise auf der Oberseite einer pyroelektrischen Schicht zwei getrennte Elektroden und auf der gegenüberliegenden unteren Seite der Schicht eine Elektrode auf. Die oberen beiden Elektroden können auch miteinander verbunden sein. Temperaturänderungen führen dann zu unterschiedlichen Ladungszuständen der Elektroden, die dann erfaßt und ausgewertet werden können.

Um bei gegebener Strahlungsleistung möglichst hohe Signal spannungen des Detektors und damit eine hohe Empfindlich keit zu erreichen, sollte die Strahlungsenergie möglichst nur zur Aufheizung der pyroelektrischen Schicht dienen. Die Erwärmung von z. B. stützendem aber pyroelektrisch inaktivem Material reduziert die Empfindlichkeit. Es wird daher angestrebt, die pyroelektrische Schicht möglichst freitragend aufzuhängen. An Wärmeverlusten sind dann neben den geringen Strahlungsverlusten nur noch die Wärmeabgabe an die umgebende Atmosphäre zu berücksichtigen. Um dies zu erreichen, sind verschiedene Lösungen bekannt.

Bei den konventionellen Detektoren werden pyroelektrische Scheiben meist aus größeren Blöcken von 150 bis 500 µm Dicke geschnitten und mit Flächen von etlichen Quadrat millimetern punktförmig mittels Klebstoff auf einem Träger befestigt oder an Bonddrähten aufgehängt. Als Träger wird häufig der für eine Impedanzwandlung erforderliche FET verwendet. Die laterale Auflösung dieses aus einer Valvo Publikation aus dem Jahre 1987 von J. Nagel - erschienen im Dr. Alfred Hüthig Verlag, Heidelberg, vgl. insbesondere Bild 23 - bekannten Detektors ist wegen der relativ großen Dicke gering. Eine Miniaturisierung ist hierbei nicht zu erreichen. Das Verfahren zu seiner Herstellung ist zudem sehr arbeitsaufwendig, wodurch die Detektoren verhältnis mäßig teuer sind.

Besonders im Hinblick auf Anordnungen, wie pyroelektrische Detektorzeilen (-Arrays) ist versucht worden, durch dünnere Schichten eine Verbesserung mindestens der lateralen Auflösung zu erreichen. Dünne Schichten können mit verschiedenen Verfahren abgeschieden werden, wie z. B. der Kathodenzerstäubung, der Chemical Vapour Deposition (CVD), durch Tauchen oder, wie z. B. bei organischen Schichten, durch Aufschleudern. Bei den üblichen Anordnungen wird die dünne pyroelektrische Schicht auf einem als Träger dienenden Substrat abgeschieden, das wesentlich dicker als die pyroelektrische Schicht ist. Dabei wird die Empfindlichkeit jedoch, wie oben bereits erwähnt, erheblich reduziert.

Eine entsprechende Anordnung ist aus dem Aufsatz von P. Würfel und W. Ruppel mit dem Titel "NaNO₂ THIN FILMS FOR PYROELECTRIC DETECTOR ARRAYS", erschienen in Ferroelectrics, l989, Vol. 91, pp. 113 bis 125, bekannt. Im einzelnen handelt es sich dabei um NaNO₂ als pyroelek trischem Material, das aus einer nicht freitragenden Schicht auf einem Siliziumsubstrat besteht und eine erheb liche Reduzierung der Empfindlichkeit und des Widerstandes zeigt.

Im Aufsatz von R. Takayama et. al. mit dem Titel "Pyroelectric Infrared Array Sensors Made of c-Axis oriented La-modified PbTiO₃ Thin Films", erschienen in Sensors and Actuators, A21-A23 (1990) pp. 508 bis 512, wird ein pyroelektrischer Detektor beschrieben, bei dem die empfindlichen Elemente, nur durch einen Polyimidfilm gehalten, freitragend auf einem Rahmen aus Magnesiumoxid befestigt sind. Die pyroelektrische Schicht ist durch Sputtern hergestellt und hat ihre gute Orientierung ver mutlich dem einkristallinen Substrat zu verdanken. Das Substrat ist verhältnismäßig teuer und die Anordnung kann nicht mit Standardverfahren gefertigt werden. Dieser Detektor hat zwar gute Eigenschaften, ist aber nicht voll kompatibel mit Silizium-Technologie.

Aus dem Aufsatz von M. Okuyama und Y. Hamakawa mit dem Titel "PREPARATION AND BASIC PROPERTIES OF PbTiO₃ FERROELECTRIC THIN FILMS AND THEIR DEVICE APPLICATIONS", erschienen in Ferroelectrics, 1985, Vol. 63, pp. 243 bis 252, sind verschiedene Detektoren bekannt. Neben einem Detektor auf einem dicken Silizium-Substrat (vgl. Fig. 9 dieses Aufsatzes) und Anordnungen auf dünngeätzten Silizium-Substraten (vgl. Fig. 14 dieses Aufsatzes) wird ein bis auf eine dünne SiO₂-Schicht freitragendes Element angegeben (vgl. Fig. 12 dieses Aufsatzes). Hierbei ist es jedoch unbedingt erforderlich, die pyroelektrische Schicht zu strukturieren und, was bei der Herstellung Probleme mit sich bringt, erfolgt das Ätzen der Vertiefung in das Silizium von der Oberseite, weshalb die dort angeordneten empfindlichen elektronischen Bauelemente kaum ausreichend vor der aggressiven Ätze geschützt werden können. Diese Anordnung besitzt weiterhin den Nachteil, daß die Größe der strahlungsempfindlichen Fläche, die Ätztiefe und die Ätzzeit miteinander gekoppelt sind und somit Beschränkungen der aktiven Fläche nach oben bestehen. Die verwendete strahlungsempfindliche Schicht ist dabei auf platinbeschichtetes Silizium gesputtert.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen mikroelektronikkompatiblen pyroelektrischen Detektor zu schaffen, der eine optimale Empfindlichkeit aufweist.

Ferner ist es Aufgabe, ein Verfahren zu dessen Herstellung anzugeben, das durch Verwendung bekannter Halbleiter technologie eine einfache Herstellung gewährleistet.

Die Aufgabe hinsichtlich des mikroelektronikkompatiblen pyroelektrischen Detektors wird dadurch gelöst, daß das Siliziumsubstrat unterhalb der pyroelektrischen Schicht im strahlungsempfindlichen Bereich eliminiert ist und nur einen äußeren Siliziumrahmen bildet, so daß die pyroelek trische Schicht in diesem Bereich quasi freitragend ist.

Die Aufgabe hinsichtlich des Verfahrens zu dessen Her stellung wird dadurch gelöst, daß das Siliziumsubstrat unterhalb der in einem ersten Schritt erzeugten pyroelek trischen Schicht im strahlungsempfindlichen Bereich von der der pyroelektrischen Schicht abgewandten Seite weg geätzt wird und anschließend nur einen äußeren Silizium rahmen bildet, so daß die pyroelektrische Schicht in diesem strahlungsempfindlichen Bereich quasi freitragend wird.

Hinsichtlich besonderer Ausgestaltungen der Erfindung betreffend den mikroelektronikkompatiblen pyroelektrischen Detektor wird auf die Unteransprüche 2 bis 10 und hin sichtlich bevorzugter Ausgestaltungen des Verfahrens zu dessen Herstellung auf die Unteransprüche 12 bis 19 ver wiesen.

Entsprechend der vorgenannten Aufgabe soll erfindungsgemäß ein pyroelektrischer Detektor geschaffen werden, der eine optimale Empfindlichkeit aufweist und auch preiswert zu produzieren ist. Um letzteres zu erreichen, sollen mög lichst bekannte Prozeßabläufe der Halbleitertechnologie eingesetzt werden, soweit dies entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren vorteilhaft ist. Dies bedeutet zunächst die Verwendung eines Siliziumsubstrats und ferner eine Modifizierung im wesentlichen durch Dünnfilm- und Ätzprozesse, wie sie als solche bekannt sind. Ein Siliziumsubstrat hat nämlich mehrere Vorteile. So ist es beispielsweise preiswert, in der Halbleitertechnologie gut handhabbar und erlaubt, falls erforderlich, gleichzeitig eine Integration des Sensors mit elektronischen Schalt kreisen bzw. Bauelementen. Leider ist Silizium wegen seiner guten Wärmeableitung als Substrat für empfindliche pyroelektrische Detektoren an sich ungeeignet.

Der erfindungsgemäße pyroelektrische Detektor ermöglicht trotz der guten Wärmeleitfähigkeit den Einsatz von Silizium. Der genannte Nachteil der hohen Wärmekapazität und -ableitung wird erfindungsgemäß dadurch umgangen, daß das Silizium unter dem strahlungsempfindlichen Bereich der pyroelektrischen Schicht beispielsweise durch Ätzen ent fernt wird, so daß eine ideale quasi freitragende strahlungsempfindliche Schicht bzw. ein idealer frei tragender strahlungsempfindlicher Bereich entsteht.

Als Träger kann vorteilhaft ein Substrat aus Si in <100< Orientierung verwendet werden, das in einem der letzten Verfahrensschritte unter dem aktiven, strahlungs empfindlichen Bereich derart weggeätzt wird, daß nur ein äußerer Siliziumrahmen verbleibt. Wesentlich ist, daß dieser wichtige Verfahrensschritt erfindungsgemäß von der dem Siliziumsubstrat zugewandten Seite vorgenommen wird. Hierdurch ist es möglich, alle empfindlichen Teile, wie beispielsweise die pyroelektrische Schicht, elektrische Kontakte, elektronische Bauelemente, während des Ätzens abzudecken und somit zu schützen. Dies ist z. B. bei Druck sensoren bekannt. Die Ätzzeit ist dann vorteilhaft auch nur von der Dicke des Substrats abhängig. Der strahlungs empfindliche Bereich des pyroelektrischen Detektors kann erfindungsgemäß beliebig in seiner Abmessung gewählt werden und ist ferner nicht durch die Ätzzeit oder Substratdicke eingeschränkt.

Gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, daß der strahlungsempfindliche Bereich völlig freitragend ist, so daß sich eine optimale, sogar maximal mögliche Empfindlichkeit ergibt. Die strahlungs empfindliche Schicht ist in diesem Fall nur mit den unbe dingt erforderlichen dünnen Elektroden in Kontakt. Die oberen Elektroden können gleichzeitig als Absorber für Infrarotstrahlung ausgebildet sein.

Die zum Siliziumsubstrat weisende Elektrode braucht bei einem erfindungsgemäßen Detektor in diesem Fall nur während der Herstellung beim Prozeß des Polarisierens der pyroelektrischen Schicht kontaktiert zu werden. Dies erfolgt vorteilhaft bereits auf dem Wafer und zwar vor dem Trennen in Einzelelemente, weshalb nur ein einziger Kontakt je Wafer nötig ist. Eine elektrische Verbindung dieses Kontaktes mit der Außenwelt ist im Betrieb nicht mehr erforderlich.

Die pyroelektrische Schicht wird erfindungsgemäß durch Schleuder- oder Tauchprozesse (z. B. Sol-Gel Technik) oder andere Dünnschichtverfahren wie Kathodenzerstäuben, Dampfen, chemische Abscheidung aus der Gasphase oder Laserabtragen aufgebracht. Bevorzugt wird die Sol-Gel- Technik, die preiswert ist und eine hervorragende Qualität ergibt. Neben den pyroelektrischen Eigenschaften können auch die mechanischen Daten durch Zusammensetzung und Prozeßführung optimiert werden. Grundsätzlich ist es jedoch möglich, auch alle anderen Dünnschichtverfahren zum Einsatz zu bringen.

Anmeldungsgemäß braucht die pyroelektrische Schicht solange nicht strukturiert zu werden, bis aus anderen Gründen, z. B. der Integration von elektronischen Bau elementen, Zugang zum Silizium erforderlich ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt eine Miniaturisierung des pyroelektrischen Detektors, wie es aus der Halbleitertechnologie bekannt ist. Dadurch können in bekannter Weise sowohl die Herstellungskosten des Detektors selbst als auch die Kosten eines ihn umgebenden Gehäuses erheblich reduziert werden, z. B. wegen des erforderlichen aber wesentlich kleineren in der Regel teuren Infrarotfensters.

Die Wärmekapazität des erfindungsgemäßen pyroelektrischen Detektors ist wegen des freitragenden Aufbaus klein. Die Wärmeabfuhr ist zum einen durch Strahlungsverluste sowie die Wärmeleitung und Konvektion an die umgebende Atmosphäre gegeben. Die Wärmeleitung kann erfindungsgemäß über die Atmosphäre in der Umgebung der pyroelektrischen Schicht beeinflußt werden. Vorteilhaft kann ein ver ringerter Druck in der Umgebung oder ein schlecht leitendes Gas die Verluste verringern. Dadurch wird die Detektorempfindlichkeit bei niedrigen Frequenzen gesteigert. Umgekehrt wird nämlich durch ein Gas besserer Leitfähigkeit oder erhöhten Druck der Wärmeverlust zunehmen.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung können Mittel vorgesehen sein, die pyroelektrische Schicht mechanisch zu stützen, so daß ihre mechanische Stabilität verbessert wird. Dazu kann unter der pyroelektrischen Schicht erfindungsgemäß ein Gitter aus Silizium angebracht sein, dessen Herstellung in bekannter Ätztechnik erfolgen kann. Als Alternative zu einem Gitter aus Silizium kann erfindungsgemäß eine Schicht aus SiO_xN_y ganzflächig auf der zum Siliziumsubstrat weisenden Seite der pyroelektrischen Schicht vorgesehen sein. Die Zusammensetzung dieser Schicht, also dessen Verhältnis Sauerstoff zu Stickstoff, kann dazu benutzt werden, um in Kombination mit der pyroelektrischen Schicht mechanische Spannungen auf dem Siliziumsubstrat zu minimieren. Der Vorteil der höheren mechanischen Stabilität muß jedoch mit einer, wenn auch nur geringfügigen Reduzierung der Empfindlichkeit erkauft werden. Allerdings verbleibt noch immer im Vergleich zu den bekannten Detektoren eine wesentlich höhere Empfind lichkeit vorhanden.

Bei den zuvor genannten besonderen Ausgestaltungen der Erfindung kann ebenfalls auf eine Strukturierung der pyroelektrischen Schicht an sich verzichtet werden.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann die pyroelektrische Schicht allerdings auch strukturiert sein, z. B. durch einen Ätzvorgang. Die mechanische Verbindung mit dem äußeren Siliziumrahmen erfolgt dann vorteilhaft nur über eine elastische und schlecht wärmeleitende Schicht beispielsweise aus Polyimid oder vergleichbaren Stoffen. Bei dieser Ausgestaltung werden mechanische Spannungen der pyroelektrischen Schicht noch besser ausgeglichen als bei den zuvor genannten Aus führungsformen. Im Gegensatz zu diesen kann hier ferner vorgesehen sein, die Erdungselektrode auf der pyroelek trischen Schicht auf der dem Siliziumsubstrat abgewandten Seite anzuordnen und nur beim Polarisieren zu kontaktieren. Die Verbindung nach außen erfolgt dann über die direkt auf dem Silizium abgeschiedenen Elektroden.

Die pyroelektrische Schicht wird erfindungsgemäß mit einem Sol-Gel-Verfahren oder MOD-Verfahrens erzeugt. Hierzu, also zur Abscheidung einer pyroelektrischen Schicht aus der Klasse der Titanate z. B. Pb (Zr_xTi_1-x)O₃ mit Mangan-, Lanthandotierung nach einem Sol-Gel-Schleuderverfahren oder thermischer Zersetzung von metallorganischen Ver bindungen (MOD-Verfahren) werden als Rohstoffe Salze von Carbonsäuren wie z. B. Bleiacetat-tri-hydrat, Blei-2- ethylhexanoat, Metallalkoxide wie z. B. Titan-tetra-butylat und Metallacetylacetonate wie z. B. Lathanacetylacetonat, Manganacetylacetonat in dem für die pyroelektrische Schicht notwendigen Verhältnis in einem organischen Lösungsmittel wie z. B. Methoxyethanol oder Butanol gelöst, wobei die Lösung zur Entfernung von Feststoffteilchen durch ein Celluloseacetatfilter mit einer Porenweite von ca. 0,2 µm filtriert wird und anschließend auf ein vorbehandeltes Siliziumsubstat aufgebracht wird.

Die Abscheidung der pyroelektrischen Schicht aus der Klasse der Perowskite erfolgt auf <100< Siliziumein kristalle, die thermisch oxidiert sind, wobei die untere Elektrode aus einem leitenden Material besteht, z. B. kathodenzerstäubtem Titan und Platin, und auf dieses Substrat die Lösung aufgebracht wird durch Schleuder- oder Tauchprozesse, wobei im Falle des Schleuderprozesses Umdrehungen von 1000-8000 Umdrehungen pro Minute einge setzt werden, im Falle des Tauchprozesses Tauch geschwindigkeiten von 0.1-1 cm/s und anschließend die Schicht zur Verdampfung des Lösungsmittels und Zersetzung der organischen Komponenten auf Temperaturen von 300-700°C aufgeheizt wird.

Um Schichtdicken von einigen hundert nm zu erreichen, kann der Prozeß wiederholt werden. Die so hergestellte Schicht zeigt die erwünschte Perowskitstruktur.

Als Deckelektrode kann eine Goldschicht z. B. durch Sputtern aufgebracht werden.

Weitere vorteilhafte Verfahrensschritte zur Erzeugung der Schicht und weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Ausführungsbeispiele werden nachfolgend unter Bezugnahme auf eine Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt:

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Detektor in einer geschnittenen Seitenansicht,

Fig. 2 einen weiteren erfindungsgemäßen Detektor in geschnittener Seitenansicht mit Stützgitter,

Fig. 3 eine Draufsicht auf den Detektor gemäß Fig. 2,

Fig. 4 einen erfindungsgemäßen weiteren Detektor in geschnittener Seitenansicht mit einer Stütz schicht, und

Fig. 5 einen weiteren erfindungsgemäßen Detektor, eben falls seitlich geschnitten.

Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen mikroelektronik kompatiblen pyroelektrischen Detektor 11 in einer geschnittenen Seitenansicht. Die den pyroelektrischen Detektor 11 umgebende Atmosphäre 14 kann erfindungsgemäß einen verringerten Druck und/oder ein schlecht wärme leitendes Gas aufweisen. Da die Wärmeabfuhr im wesent lichen durch Strahlungsverluste sowie Wärmeleitung und Konvektion an die umgebende Atmosphäre 14 gegeben ist, kann über die Atmosphäre 14 der zweite Anteil beeinflußt werden.

Der erfindungsgemäße pyroelektrische Detektor 11 kann in einem nicht dargestellten Gehäuse angeordnet sein. Der Detektor 11 hat eine pyroelektrische Schicht 15 mit elektrischen Kontakten 16 und kann kompatibel mit nicht dargestellten elektronischen Bauelementen auf einem Siliziumsubstrat 17 versehen sein. Er enthält mindestens einen Kontakt 16 in einem freigeätzten strahlungs empfindlichen Bereich 18 der pyroelektrischen Schicht 15 und einen weiteren als leitfähige Schicht ausgebildeten Kontakt 19 zwischen dem Siliziumsubstrat 17 und der pyro elektrischen Schicht 15. Die Schicht 19 braucht im Betrieb keinen Kontakt zu haben und muß nicht metallisch sein.

Erfindungsgemäß ist das Siliziumsubstrat 17 unterhalb der pyroelektrischen Schicht 15 im strahlungsempfindlichen Bereich 18 eliminiert und bildet nur noch einen äußeren Siliziumrahmen 20, so daß die pyroelektrische Schicht 15 in diesem Bereich quasi freitragend ist. Das Silizium substrat 17 ist vorteilhaft ein Substrat aus p- oder n-Si- <100<-Orientierung. Vorteilhaft ist die pyroelektrische Schicht 15 auf der Seite des Siliziumrahmens 20 mit einer dünnen flächigen Elektrode versehen. Auf der gegenüber liegenden Seite weist die pyroelektrische Schicht 15 im strahlungsempfindlichen Bereich 18 vorteilhaft zwei weitere Elektroden 16 als Kontakte auf. Hier sei ange merkt, daß die pyroelektrische Schicht 15 in vorteilhafter Weise nur dann zu strukturieren ist, wenn auf ihr elektrische nicht dargestellte Bauelemente integriert werden sollen.

Bei dieser in Fig. 1 dargestellten ersten Ausführungsform der Erfindung ist die strahlungsempfindliche Schicht 15 quasi völlig freitragend, so daß sich die maximal mög liche, also optimale Empfindlichkeit ergibt. Sie ist aus schließlich mit den unbedingt erforderlichen, dünnen Elektroden 16 und der Elektrode 19 in Kontakt. Die oberen Elektroden 16 können gleichzeitig als Absorber für Infrarotstrahlung ausgebildet werden. Die rückseitige, also zum Siliziumrahmen 20 weisende Elektrode 19 braucht bei diesen und bei den Ausführungsbeispielen entsprechend Fig. 2 und 4 nur während der Herstellung beim Polarisieren der pyroelektrischen Schicht 15 kontaktiert zu werden. Dies kann vorteilhaft bereits auf dem Wafer vor dem Trennen in die Halbleitereinzelelemente erfolgen, weshalb nur ein einziger Kontakt je Wafer nötig ist. Während des Betriebs ist eine elektrische Verbindung der Elektrode 19 mit der Außenwelt bei diesen Ausführungsbeispielen nicht erforderlich.

Die pyroelektrische Schicht 15 wird nach dem weiter unten näher beschriebenen Verfahren z. B. in Sol-Gel-Technik aufgebracht, einem Verfahren, das preiswert ist, bei hoher Qualität. Neben den pyroelektrischen Eigenschaften können auch die mechanischen Daten durch die Zusammensetzung und die Prozeßführung optimiert werden. Grundsätzlich ist es jedoch auch denkbar, alle anderen Dünnschichtverfahren zum Einsatz zu bringen.

Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Pyrodetektors ebenfalls in geschnittener Seitenansicht ohne ein Gehäuse. Vorteilhaft sind bei diesem erfindungsgemäßen Pyrodetektor 11 im strahlungs empfindlichen Bereich 18 Mittel vorgesehen, die die pyroelektrische Schicht 15 mechanisch stützen, so daß die mechanische Stabilität dieser pyroelektrischen Schicht 15 verbessert wird. Dazu kann vorteilhaft als Mittel ein Siliziumgitter 21 vorgesehen sein. Das Siliziumgitter kann sich dabei, wie aus Fig. 2 ersichtlich, oberhalb des Siliziumrahmens 20 ohne Gitterstruktur erstrecken.

Fig. 3 zeigt eine Draufsicht auf den Pyrodetektor 11 gemäß Fig. 2. Besonders deutlich sind die Elektroden 16 zu erkennen und ferner sind die Siliziumgitter 21 und auch eine Begrenzungslinie 22 angedeutet, an der der Quer schnitt des Siliziumrahmens 20 geringer zu werden beginnt.

Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Pyrodetektors 11, ebenfalls seitlich geschnitten und ohne Gehäuse. Vorteilhaft ist bei diesem Pyrodetektor 11 als Mittel zum Stützen eine ganzflächig auf der pyroelektrischen Schicht 15 angeordnete und zum Siliziumrahmen 20 weisende Schicht 23 aus SiO_xN_y vorge sehen, dessen Verhältnis von Sauerstoff zu Stickstoff in Kombination mit der pyroelektrischen Schicht 15 mechanische Spannungen auf dem Siliziumrahmen 20 minimiert. Dieser Vorteil der höheren mechanischen Stabilität muß jedoch mit einer, wenn auch nur gering fügigen Reduzierung der Empfindlichkeit erkauft werden. Der Rückgang ist jedoch klein im Verhältnis zu den vor stehend genannten Detektoren. Wie bereits erwähnt, kann auch bei diesen vorgenannten beiden Ausführungen, also gemäß Fig. 2 und 4 auf eine Strukturierung der pyro elektrischen Schicht 15 an sich verzichtet werden.

Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen vorteilhaften Detektors 11, ebenfalls seitlich geschnitten und ohne Gehäuse dargestellt. Besonders deutlich ist, daß die pyroelektrische Schicht 15 mechanisch über eine schlecht wärmeleitende Schicht 24 etwa aus Polyimid mit dem Siliziumrahmen 20 elastisch verbunden ist. Bei dieser Ausgestaltung ist die pyro elektrische Schicht 15 z. B. durch einen Ätzvorgang strukturiert. Die mechanische Verbindung mit dem äußeren Siliziumrahmen 20 erfolgt, wie bereits ausgeführt, nur über eine elastische und schlecht wärmeleitende Schicht 24 aus Polyimid oder vergleichbaren Stoffen. Bei diesem Aus führungsbeispiel werden vorteilhaft mechanische Spannungen in der pyroelektrischen Schicht 15 noch besser ausge glichen als in den anderen Ausführungsbeispielen. Im Gegensatz zu den vorgenannten Ausführungsbeispielen ist hier vorteilhaft vorgesehen, die Topelektrode als Elektrode 19 nur für das Polarisieren zu kontaktieren. Die Verbindung nach außen erfolgt über die direkt auf dem Silizium abgeschiedenen, hier unteren Elektroden 16.

Hinsichtlich des erfindungsgemäßen Verfahrens wird beispielsweise auf Fig. 1 hingewiesen. Es kann aber auch auf die Fig. 3 und 4 verwiesen werden. In Fig. 1 wird besonders deutlich, daß das Siliziumsubstrat 17 unterhalb der pyroelektrischen Schicht 15 im strahlungsempfindlichen Bereich 18 von der der pyroelektrischen Schicht 15 abge wandten Seite vorteilhaft weggeätzt wird und anschließend nur einen äußeren Siliziumrahmen 20 bildet, so daß die pyroelektrische Schicht 15 in diesem strahlungsempfindli chen Bereich 18 quasi freitragend wird. Die pyro elektrische Schicht 15 wird vorteilhaft durch eine Sol- Gel- oder Dünnschicht-Technik auf das Siliziumsubstrat 17 vor dem Ätzen aufgebracht. Vorteilhaft wird die pyro elektrische Schicht 15 anschließend auf der Seite des Siliziumsubstrats 17 mit einer dünnen flächigen Elektrode 19 versehen, welche nur während der Herstellung beim Prozeß des Polarisierens der pyroelektrischen Schicht 15 auf einem Wafer zum Trennen in Einzelelemente über nur einen Anschluß mit der Außenwelt elektrisch ver bunden werden.

Vorteilhaft kann zur Abscheidung einer pyroelektrischen Schicht 15 aus Bleititanat mit einer Mangan- und Lanthan dotierung nach z. B. einem MOD-Verfahren oder einer Sol- Gel-Technik verfahren werden. Folgende Zusammensetzung der Rohstoffe Bleiacetattrihydrat mit einem Bleigehalt von 54,7 Gew.%, Titantetrabutylat mit einem Titangehalt von 14,09 Gew.%, Lanthanacetylacetonat mit einem Lanthangehalt von 29,65 Gew.%, und Manganacetylacetonat mit einem Mangangehalt von 16,0 Gew.%, welche in einem Verhältnis von Pb:La:Ti:Mn:=1,0 : 0,06 : 0,99 : 0,01 bei einer Gesamtmenge von 7,80 g in 16,2 ml Methoxymethanol in Wärme von ca. 40° gelöst werden, ist vorteilhaft, wobei die Lösung nach dem Erkalten auf Raumtemperatur zur Entfernung von Feststoff teilchen durch ein Cellusoseacetatfilter mit einer Poren weite von ca. 0,2 µm unter Reinraumbedingungen filtriert wird und anschließend auf ein vorbehandeltes Silizium substrat aufgebracht wird.

Die Abscheidung der pyroelektrischen Schicht aus Lanthan- Mangan dotiertem Bleititanat erfolgt auf <100< Silizium einkristalle, die thermisch oxidiert sind, wobei die untere Elektrode aus 15 nm Ti und 38 nm Bt aufgesputtert werden und dieses Substrat zunächst für ca. 30 min bei ca. 750°C in Luft getempert wird und anschließend in einer Größe von 1"x1" jeweils 100 µl der angegebenen Blei-Titan- Lanthan-Mangan-Lösung aufgebracht und für ca. 30 sec bei ca. 1500 U/min geschleudert und anschließend in einem auf ca. 650°C erwärmten Ofen in ca. 100 sec in einer Sauer stoffatmosphäre aufgeheizt werden, wo sich nach etwa 10 min oxidische Schichten bilden.

Zur Verdichtung der oxidischen pyroelektrischen Schicht 15 wird die Temperatur mit 5 K/min bis auf ca. 700° gesteigert, 10 min konstant gehalten und dann mit 5 K/min bis auf ca. 650°C abgekühlt und anschließend innerhalb von ca. 100 sec auf Raumtemperatur weiter abgekühlt. Eine Wiederholung des Abscheidungsprozesses bewirkt eine Ver vielfachung der Schichtdicke um jeweils 200 nm. Die pyro elektrische Schicht 15 weist eine Perowskitstruktur, einen Pyrokoeffizienten P = 2,4 × 10^-4 C/(m²K), eine Permittivität ε = 270 und einen Verlustfaktor von tan δ = 0,01 auf. Als Deckelektrode wird eine Goldschicht aufgesputtert.

Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Figuren sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Aus führungsformen wesentlich sein.

Claims

1. Mikroelektronikkompatibler pyroelektrischer Detektor, mit einer pyroelektrischen Schicht mit Kontakten auf einem Siliziumsubstrat, mindestens einem Kontakt in einem strahlungsempfindlichen Bereich der pyroelektrischen Schicht und einem weiteren Kontakt zwischen dem Silizium substrat und der pyroelektrischen Schicht, dadurch gekennzeichnet, daß das Siliziumsubstrat (17) unterhalb der pyroelektrischen Schicht (15) im strahlungs empfindlichen Bereich (18) eliminiert ist und nur einen äußeren Siliziumrahmen (20) bildet, so daß die pyro elektrische Schicht (15) in diesem Bereich quasi frei tragend ist.

2. Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Siliziumsubstrat (17) ein Substrat aus Si in <100<-Orientierung ist.

3. Detektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die pyroelektrische Schicht (15) auf der Seite des Siliziumrahmens (20) mit einer dünnen flächigen Elektrode (19) versehen ist, und daß auf der anderen Seite innerhalb des strahlungsempfindlichen Bereichs (18) eine oder mehrere weitere Elektroden (16) als Kontakte vorgesehen sind.

4. Detektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die pyroelektrische Schicht (15) bei Integration von elektronischen Bauelementen auf dem Siliziumsubstrat (17) strukturiert ist.

5. Detektor nach einem oder mehreren der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens die die pyro elektrische Schicht (15) umgebende Atmosphäre (14) einen verringerten Druck und/oder ein schlecht wärmeleitendes Gas aufweist.

6. Detektor nach einem oder mehreren der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im strahlungsempfindlichen Bereich (18) Mittel vorgesehen sind, die die pyro elektrische Schicht (15) mechanisch stützen.

7. Detektor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel als ein Silizium gitter (21) ausgebildet sind.

8. Detektor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Mittel eine ganzflächig auf der pyroelektrischen Schicht (15) angeordnete und zum Siliziumrahmen (20) weisende Schicht (23) aus SiO_xN_y vor gesehen ist, dessen Verhältnis von Sauerstoff zu Stick stoff in Kombination mit der pyroelektrischen Schicht (15) mechanische Spannungen auf dem Siliziumrahmen (20) minimiert.

9. Detektor nach einem oder mehreren der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die pyroelektrische Schicht (15) mechanisch über eine schlecht wärmeleitende Schicht (24) etwa aus Polyimid mit dem Siliziumrahmen (20) elastisch verbunden ist.

10. Detektor nach einem oder mehreren der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der strahlungsempfindliche Bereich (18) des Detektors (11) beliebig in seinen Abmessungen wählbar ist.

11. Verfahren zur Herstellung eines mikroelektronik kompatiblen Pyrodetektors nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche mit einer pyroelektrischen Schicht (15) mit Kontakten (16, 19) auf einem Silizium substrat (17) und mindestens einem Kontakt (16) in einem strahlungsempfindlichen Bereich (18) der pyroelektrischen Schicht (15) und einem weiteren Kontakt zwischen dem Siliziumsubstrat (17) und der pyroelektrischen Schicht (15), dadurch gekennzeichnet, daß das Siliziumsubstrat (17) unterhalb der in einem ersten Schritt erzeugten pyro elektrischen Schicht (15) im strahlungsempfindlichen Bereich (18) von der der pyroelektrischen Schicht (15) abgewandten Seite weggeätzt wird und anschließend nur einen äußeren Siliziumrahmen (20) bildet, so daß die pyro elektrische Schicht (15) in diesem strahlungsempfindlichen Bereich (18) quasi freitragend wird.

12. Verfahren zur Herstellung eines Pyrodetektors nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die pyroelektrische Schicht (15) vor dem Ätzen durch eine Sol-Gel- oder Dünnschicht- Technik auf das Siliziumsubstrat (17) aufgebracht wird.

13. Verfahren zur Herstellung eines Pyrodetektors nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die pyroelektrische Schicht (15) auf der Seite des Siliziumsubstrats (17) mit einer dünnen flächigen Elektrode (19) versehen wird, welche nur während der Herstellung beim Prozeß des Polarisierens der pyroelektrischen Schicht (15) auf einem Wafer vor dem Trennen in Einzelelemente über nur einen Anschluß mit der Außenwelt elektrisch verbunden wird.

14. Verfahren zur Herstellung eines Pyrodetektors nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abscheidung einer pyroelektrischen Schicht aus der Klasse der Titanate z. B. Pb (Zr_xTi_1-x) O₃ mit Mangan-, Lanthandotierung nach einem Sol-Gel-Schleuderverfahren oder thermischer Zersetzung von metallorganischen Verbindungen (MOD-Verfahren) als Roh stoffe Salze von Carbonsäuren wie z. B. Bleiacetat-tri hydrat, Blei-2-ethylhexanoat, Metallalkoxide wie z. B. Titan-tetra-butylat und Metallacetylacetonate wie z. B. Lathanacetylacetonat, Manganacetylacetonat in dem für die pyroelektrische Schicht notwendigen Verhältnis in einem organischen Lösungsmittel wie z. B. Methoxyethanol oder Butanol gelöst werden, wobei die Lösung zur Entfernung von Feststoffteilchen durch ein Celluloseacetatfilter mit einer Porenweite von ca. 0,2 µm filtriert wird und anschließend auf ein vorbehandeltes Siliziumsubstat aufge bracht wird.

15. Verfahren zur Herstellung eines Pyrodetektors nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Abscheidung der pyro elektrischen Schicht aus der Klasse der Perowskite auf <100< Siliziumeinkristalle erfolgt, die thermisch oxidiert sind, wobei die untere Elektrode aus einem leitenden Material besteht, z. B. kathodenzerstäubtem Titan und Platin, und auf dieses Substrat die Lösung aufgebracht wird durch Schleuder- oder Tauchprozesse, wobei im Falle des Schleuderprozesses Umdrehungen von 1000-8000 Um drehungen pro Minute eingesetzt werden, im Falle des Tauchprozesses Tauchgeschwindigkeiten von 0.1-1 cm/s und anschließend die Schicht zur Verdampfung des Lösungsmittels und Zersetzung der organischen Komponenten auf Temperaturen von 300-700°C aufgeheizt wird.

16. Verfahren zur Herstellung eines Pyrodetektors nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine Wiederholung des Abscheidungsprozesses eine Vervielfachung der Schichtdicke bewirkt wird.

17. Verfahren zur Herstellung eines Pyrodetektors nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß nach ein- oder mehrmaliger Beschichtung ein Sinterprozeß bei 600-750°C durchgeführt wird.

18. Verfahren zur Herstellung eines Pyrodetektors nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die pyroelektrische Schicht (15) eine Perowskitstruktur mit einer <111<- Orientierung und einem Pyrokoeffizienten P = 2,4 × 10^-4 C/(m²K), eine Permittivität ε = 270 und einen Verlustfaktor von tan δ = 0,01 aufweist.

19. Verfahren zur Herstellung eines Pyrodetektors, dadurch gekennzeichnet, daß als Deckelektrode eine leitende Schicht z. B. aus Gold aufgebracht wird.