DE4221037C2 - Thermischer Strahlungssensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen thermischen Strahlungssensor, z. B. ei­ nen pyroelektrischen Sensor, mit beidseitig aufgebrachten Elektroden, die eine strahlungsempfangende Fläche defi­ nieren, ein Dünnschichtbolometer mit auf einem Träger­ substrat strukturierter und thermisch von dem Substrat isolierter Widerstandsschicht als strahlungsempfangende Fläche oder einen Thermosäulensensor mit mehreren elek­ trisch in Reihe geschalteten und auf einem Si-Chip aus­ gebildeten Thermoelementen mit einer strahlungsempfangen­ den Fläche, die thermisch isoliert vom Si-Grundkörper auf einer dünnen Membran angeordnet ist und die sogenannten "heißen" Kontakte trägt und von dem Si-Grundkörper umgeben ist, der als Wärmesenke wirkt und die sogenannten "kalten" Kontakte trägt, wobei die Empfindlichkeit für IR-Strahlung mittels einer Absorptionsschicht erhöht wird.

Bei thermischen Sensoren führt die vom strahlenden Objekt auf die empfindliche Fläche einfallende Strahlung zu einer Temperaturerhöhung bzw. Temperaturänderung der empfind­ lichen Fläche des Sensors. Der Sensor wandelt die Tempera­ turerhöhung bzw. -änderung in eine äquivalente Änderung der Signalspannung, des Signalstromes oder des Sensor­ widerstandes um. Um eine möglichst hohe Empfindlichkeit zu erreichen, muß die empfindliche Fläche des Sensors ein hohes Absorptionsvermögen für die infrarote Strahlung vom Objekt besitzen. Eine sehr hohe Absorption weisen Absorp­ tionsschwarzschichten bzw. Rußschichten auf, die z. B. durch thermisches Verdampfen von Gold, Silber, Platin o. ä. Metallen erzeugt werden. Der Nachteil dieser üblicherweise bei Strahlungsthermosäulen und Dünnschichtbolometern und häufig bei pyroelektrischen Sensoren angewendeten Absorp­ tionsschichten besteht darin, daß sie nicht auf foto­ lithografischem Wege strukturierbar sind, sondern mittels Durchdampfmasken realisiert werden müssen. Auf diese Weise hergestellte Absorptionsschichten sind mechanisch insta­ bil, nicht feuchtigkeits- oder lösungsmittelbeständig und selbst unter normaler Luftfeuchtigkeit nicht langzeit­ stabil. Moderne thermische Mikrosensoren, die in hohen Stückzahlen gefordert werden, lassen sich mit technolo­ gischen Mitteln der Mikroelektronik bzw. Mikromechanik herstellen, d. h. mehrere hundert bis tausend Sensorchips auf einer Substratscheibe. Es besteht daher die Möglich­ keit, auch die Absorptionsschicht mit fotolithografischen Verfahren zu strukturieren und die Chipvereinzelungspro­ zesse mit den von der Mikroelektronik her bekannten pro­ duktiven Verfahren (wie Trennsägen) durchzuführen. Diese Verfahren sind jedoch bei den üblicherweise verwendeten Absorptionsschwarzschichten nicht einsetzbar. Bei pyro­ elektrischen Sensoren wird aus diesen Gründen oft auf eine Absorptionsschicht verzichtet. Die Absorption findet dann nur im pyroelektrischen Material oder in den Elektroden statt. Damit lassen sich aber mit den meist angewendeten pyroelektrischen Detektormaterialien nur Absorptionskoef­ fizienten von typisch 50 bis 70% erreichen, was zu Emp­ findlichkeitsverlusten gegenüber der vom Detektormaterial vorgegebenen, maximal möglichen Empfindlichkeit führt. Außerdem findet die Absorption dann nicht an der Front­ seite des Detektorkristalls statt, was bei Montage der Detektorkristalle auf einer Wärmesenke zur Verringerung der Empfindlichkeit bei niedrigen Frequenzen führt.

Aus der DE 37 13 642 A1 ist ein Infrarot-Pyrodetektorsystem bekannt.

Es weist eine Absorptionsschicht für Infrarotstrah­ lung auf. Diese Schicht kann ein schwarzer Lack sein. Absor­ biert wird Strahlung im Wellenlängenbereich zwischen 3 µm und 10 µm.

Aus der DE 41 05 591 C1 ist ein Infrarotsensor bekannt. Als Me­ tallisierungs- und Strukturierungsverfahren werden hier Foto­ lithografie (LIGA-Verfahren), Fotoätztechniken und andere Verfahren der Maskentechnik und Musterherstellung bzw. -strukturierung angegeben.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen thermischen Strah­ lungssensor mit Absorberschicht zu schaffen, der eine ausrei­ chend hohe Empfindlichkeit aufweist und der komplett mit pro­ duktiven Verfahren der Mikroelektronik und Mikromechanik her­ stellbar ist.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Abhängige Ansprüche sind auf bevorzugte Ausführungs­ formen der Erfindung gerichtet.

Die strahlungsempfangende Fläche wird mit einer fotolithogra­ fisch strukturierbaren Lackschicht von einigen µm Dicke be­ deckt, wobei die Lackschicht durch Zusätze für den infraroten Spektralbereich absorbierende Eigenschaften er­ hält. Es werden also die auf bekannte Weise strukturierten Sensorchips mit einem fotolithografisch strukturierbaren Lackgemisch gleichmäßig beschichtet und die dadurch ent­ stehende Absorberschicht durch übliches Belichten über Fotomasken und anschließendes Entwickeln strukturiert.

In einer Weiterentwicklung der Erfindung werden dem struk­ turierbaren Lackgemisch vor der Beschichtung Zusätze von feinkörnigem Material, z. B. Metalloxide, Kohlenstoff, bei­ gemischt, wobei die Korngröße des Zusatzstoffes kleiner als die Schichtdicke der Lackschicht ist.

In einer zusätzlichen Weiterentwicklung der Erfindung wird vor der Lackschicht noch eine dünne Metallschicht abge­ schieden, die als Reflektor wirkt und den von der Lack­ schicht beim ersten Durchgang der Infrarotstrahlung noch nicht absorbierten Strahlungsanteil ein zweites Mal durch die Lackschicht leitet, wodurch die Absorption weiter erhöht wird.

In den erfindungsgemäß hergestellten thermischen Sensoren werden hohe Absorptionskoeffizienten erreicht, die 95% und mehr betragen können. Außerdem findet die Absorption der Strahlung nahezu ausschließlich in der Lackschicht statt, wodurch auch die angestrebte Erhöhung der Empfindlichkeit pyroelektrischer Sensoren mit Kontakt zur Wärmesenke bei niedrigen Frequenzen erreicht wird.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei­ spielen beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 den Querschnitt durch einen pyro­ elektrischen Sensor,

Fig. 2 den Querschnitt durch einen Thermosäulensensor in einer ersten Aus­ führungsform, und

Fig. 3 den Querschnitt durch einen Thermosäulensensor in einer zweiten Aus­ führungsform.

In Fig. 1 ist das pyroelektrische Chip 5 mit Frontelektro­ de 6 und Rückelektrode 4 über einen elektrisch leitfähigen Kleber 3 auf der als Wärmesenke wirkenden Grundplatte 1 mit den Kontaktleitbahnen 2 angeordnet. Die strukturierte Lackschicht 8 befindet sich auf der Frontseite des pyro­ elektrischen Chips 5. An dem von der Lackschicht freiblei­ benden Teil der Frontelektrode 6 wird diese durch Draht­ kontaktierung 7, z. B. Ultraschallbonden, mit der Grund­ platte 1 elektrisch verbunden. Vor dem Aufkleben und Bonden wird das Chip 5 mit den üblichen Verfahren der Mikroelektronik (Fotolithografische Strukturierung der Metallschichten für die Elektroden 4 und 6 sowie der Lackschicht 8) im Scheibenverband hergestellt. Das Ver­ einzeln der pyroelektrischen Chips kann z. B. durch Diamanttrennsägen erfolgen.

Beim in Fig. 2 dargestellten Thermosäulensensor befindet sich der Silicium-Grundkörper 9 auf der Gehäusebodenplatte 10. Die auf der Oberseite des Grundkörpers 9 angeordnete dünne Membranschicht 13 aus Siliciumdioxid und Silicium­ nitrid trägt als thermoelektrische Kontaktmaterialien dotiertes polykristallines Silicium 11 und Aluminium 12. Diese Leitbahnschichten sind wie bei üblichen Halbleiter­ prozessen strukturiert und abwechselnd kontaktiert, so daß wie bei Thermosäulen üblich, mehrere Thermoelemente in Reihe geschaltet sind. Unter den im zentralen Teil des Sensors angeordneten "heißen" Kontakten ist der Grundkör­ per 9 durch anisotropes Ätzen bis zur Membranschicht 13 abgedünnt, so daß die "heißen" Kontakte nur durch die dünne Membranschicht 13 mit dem als Wärmesenke wirkenden Grundkörper 9 verbunden sind. Über den "heißen" Kontakten befindet sich die für infrarote Strahlung aborbierende Lackschicht 14.

Wie beim pyroelektrischen Sensor läßt sich der Thermo­ säulensensor einschließlich der Lackschicht 14 durch fotolithografische Verfahren im Scheibenverband struktu­ rieren und durch Trennsägen vereinzeln. Als thermoelek­ trische Kontaktmaterialien können neben Silicium und Aluminium auch andere Metall- und Halbleiterschichten wie z. B. Wismuth, Antimon o. a., eingesetzt werden.

Bei dem in Fig. 3 dargestellten Thermosäulensensor befin­ det sich zwischen der absorbierenden Lackschicht 14 und den "heißen" Kontakten (Silicium 11 und Aluminium 12) eine dünne Isolierschicht 15 und die als Reflektor wirkende Metallschicht 16. Die Isolierschicht 15 kann beispiels­ weise aus Siliciumdioxid oder Siliciumnitrid hergestellt sein. Sie ist ebenso wie die darüberliegende Metallschicht 16 (z. B. Aluminium) mit den in der Mikroelektronik übli­ chen Verfahren im Scheibenverband herstellbar und struk­ turierbar.

Das fotolithografisch strukturierbare Lackgemisch wird im Scheibenverband aufgewalzt, aufgedruckt oder aufgeschleu­ dert. Die Lackschicht hat eine typische Dicke von 3 bis 10 µm. Das zur Erhöhung der Absorption beigefügte fein­ körmige Material (z. B. Metalloxid oder Kohlenstoff) wird dem Lack vor dem Abscheiden zugemischt. Wie üblich sind die beschriebenen Sensoren in einem hermetisch dichten Gehäuse mit infrarotdurchlässigem Fenster untergebracht. Gehäuse und Fenster sind in den Fig. 1 bis 3 nicht dar­ gestellt.

Für Dünnschichtbolometer wird der in den Fig. 2 und 3 vorgeschlagene Aufbau angewendet. Die thermoelektrischen "heißen" Kontakte werden durch eine strukturierte Leitbahn mit hoher Temperaturabhängigkeit des Widerstandes (z. B. schwach dotiertes polykristallines Silicium, Wismuth o. ä.) ersetzt. Der übrige Aufbau und die Strukturierung der Lackschicht unterscheidet sich nicht von den vorgeschla­ genen Lösungen für die Thermosäulensensoren.

Claims (3)

1. Thermischer Strahlungssensor, bei dem die strahlungsemp­ fangende Fläche mit einer fotolithografisch strukturierba­ ren Lackschicht (8, 14) von einigen Mikrometern Dicke be­ deckt ist, wobei die Lackschicht (8, 14) durch Zusätze für den infraroten Spektralbereich absorbierende Eigenschaften erhält.

2. Thermischer Strahlungssensor nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die strukturierbare Lackschicht (8, 14) Zusätze von feinkörnigem Material enthält, wobei die Korn­ größe des Materials kleiner als die Schichtdicke des Lac­ kes ist.

3. Thermischer Strahlungssensor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß unter der strukturier­ baren Lackschicht (8, 14) mindestens auf der strahlungs­ empfangenden Fläche eine metallische Dünnschicht (16) als Reflektor angeordnet ist.