DE4243315C2

DE4243315C2 - Thermoelectric thin film arrangement for radiation detectors

Info

Publication number: DE4243315C2
Application number: DE19924243315
Authority: DE
Inventors: Harry Hedler; Albrecht Lerm
Original assignee: HL Planartechnik GmbH
Current assignee: TE Connectivity Sensors Germany GmbH
Priority date: 1992-12-21
Filing date: 1992-12-21
Publication date: 2002-10-24
Anticipated expiration: 2012-12-22
Also published as: DE4243315A1

Description

Die Erfindung betrifft eine thermoelektrische Dünnschichtanordnung gemäß der Gattung des ersten Patentanspruchs. Derartige Strahlungsthermobauelemente werden beispielsweise in Wissensspeicher Infrarottechnik, Fachbuchverlag Leipzig 1990, S. 115-116 oder msr, Berlin 31 (1988), 8, S. 369-372 ausführlich beschrieben.The invention relates to a thermoelectric thin-film arrangement according to the genus of the first claim. such Radiation thermal components are stored in knowledge stores, for example Infrared technology, specialist book publisher Leipzig 1990, pp. 115-116 or msr, Berlin 31 (1988), 8, pp. 369-372.

Vorliegende Erfindung ist besonders geeignet für miniaturisierte thermische Strahlungsdetektoren, die in Strahlungspyrometern als Thermosäulen zur Umformung der Intensität von vorwiegend IR-Strahlung in elektrische Signale verwendet werden.The present invention is particularly suitable for miniaturized thermal Radiation detectors, which are used in radiation pyrometers as thermopiles Transformation of the intensity from predominantly IR radiation into electrical Signals are used.

Es sind thermische Detektoren bekannt, die nach dem Prinzip eines Thermoelements und dessen Reihenschaltung zu einer Thermosäule unter Nutzung des Seebeck-Effekts arbeiten, siehe Brockhaus abc Physik, VEB E. A. Brockhaus-Verlag, Leipzig 1973, S. 1558-1559. Um bei diesen thermischen Detektoren hohe Empfindlichkeiten zu erzielen, werden Materialien mit großen entgegengesetzten Thermokräften eingesetzt. Insbesondere bei Dünnschichtdetektoren sind die Paarungen Kupfer/Konstantan, dotiertes Silizium und Antimon/Wismut bekannt (vgl. JP 3-189 526 (A) in Patents Abstracts of Japan, Sect. P, Vol. 15 (1991), No. 449 (P-1275)). Entsprechende Thermosäulen-Schichtanordnungen bestehen aus den beiden thermoelektrischen Schichtmaterialien und einer Kontaktschicht zur elektrischen Kontaktierung der Thermosäule. Zur Erreichung einer ausreichenden Haftung der Kontaktschicht ist eine zusätzliche Haftschicht notwendig (vgl. auch msr, Berlin 31 (1988), 8, S. 370). Die elektrische Anbindung der vergleichsweise dünnschichtigen Säulenstrukturen an die Kontaktfläche erfolgt meist über eine zusätzliche Anbindungsschicht, mit der die relativ hohen Strukturkanten der Kontaktflächen durch die Säulenstrukturen überwunden werden. Thermal detectors are known which operate on the principle of a Thermocouple and its series connection to a thermopile below Use the Seebeck effect, see Brockhaus abc Physik, VEB E. A. Brockhaus-Verlag, Leipzig 1973, pp. 1558-1559. To be with these thermal detectors to achieve high sensitivities Materials with large opposite thermal forces are used. The pairings are particularly in the case of thin-film detectors Copper / constantan, doped silicon and antimony / bismuth known (cf. JP 3-189 526 (A) in Patents Abstracts of Japan, Sect. P, Vol. 15 (1991), No. 449 (P-1275)). Corresponding thermopile layer arrangements consist of the two thermoelectric layer materials and one Contact layer for electrical contacting of the thermopile. to Achieving adequate adhesion of the contact layer is one additional adhesive layer necessary (see also msr, Berlin 31 (1988), 8, P. 370). The electrical connection of the comparatively thin layer Column structures on the contact surface are usually made using an additional one Connection layer with which the relatively high structural edges of the Contact areas can be overcome through the column structures.

Es bestehen eine Reihe teilweise widersprechende Problemkreise bei der Herstellung von Thermosäulen, wie z. B. die zu geringe Thermospannung, die teilweise zu hohen spezifischen Materialwiderstände, die Haftungs- und Strukturierungsunsicherheiten, die nach einer Schichtkombination verlangen, die die Herstellungstechnologie vereinfacht und die technologische Sicherheit erhöht, ohne daß ein erheblicher Empfindlichkeitsverlust bei der Verwendung der thermoelektrischen Dünnschichtanordnung zu Meßzwecken eintritt. Durch die Erfindung soll also eine thermoelektrische Dünnschichtanordnung für empfindliche Strahlungsdetektoren geschaffen werden, deren Aufbau und Herstellung vereinfacht ist und die eine große Prozeßsicherheit aufweisen.There are a number of conflicting problems with the Manufacture of thermopiles, such as B. the low thermal voltage, the sometimes too high specific material resistances, the liability and Structuring uncertainties that require a combination of layers, which simplifies manufacturing technology and technological Security increases without a significant loss of sensitivity in the Use of the thermoelectric thin film arrangement for measurement purposes entry. The invention is therefore intended to be a thermoelectric Thin film arrangement created for sensitive radiation detectors the construction and manufacture of which is simplified and which is a large one Show process reliability.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch die Merkmale des ersten Patentanspruchs gelöst. Die thermoelektrische Dünnschichtanordnung besteht also neben den Isolier- und Kontaktschichten nur aus den beiden thermoelektrischen Schichten (Schenkeln), von denen die der Membran am nächsten liegende Schicht die mechanische Haft-, die elektrische Anbindungs- und die Wärmeausgleichsfunktion übernimmt.According to the invention, this object is achieved by the features of the first Claim resolved. The thermoelectric thin film arrangement in addition to the insulation and contact layers, it only consists of the two thermoelectric layers (legs), of which the membrane on the next layer is the mechanical adhesive, the electrical Connection and the heat compensation function takes over.

Als Kontaktschichtmaterial wird vorwiegend Aluminium (Al) mit Schichtdicken über 1 µm eingesetzt. Bekannte Haftschichtmaterialien sind Chrom (Cr), Nickelchrom (NiCr), Titan (Ti), Wolfram (W), Nickel (Ni), Cobalt (Co). Die absoluten Thermospannungen dieser Materialien weisen geringe Werte von +20 µV/K bis -20 µV/K auf. Die gleichzeitige Nutzung des Haftschichtmaterials als ein Material der thermoelektrischen Schichten erfordert somit ein zweites thermoelektrisches Material mit große, vorwiegend negativer absoluter Thermospannung, bspw. Wismut (Bi) ohne oder mit Legierungszusätzen, mit einer absolutet Thermospannung von etwa -100 µV/K.Aluminum (Al) is mainly used as the contact layer material Layer thicknesses over 1 µm used. Known adhesive layer materials are Chromium (Cr), nickel chromium (NiCr), titanium (Ti), tungsten (W), nickel (Ni), Cobalt (Co). The absolute thermal stresses of these materials indicate low values from +20 µV / K to -20 µV / K. Simultaneous use of the adhesive layer material as a material of the thermoelectric layers thus requires a second thermoelectric material with large predominantly negative absolute thermal voltage, e.g. bismuth (Bi) without or with alloy additives, with an absolute thermal tension of about -100 µV / K.

Die Beschichtungs- und Strukturierungsprozeße von Kontakt- Haftschichtsystemen sind geläufig und werden gut beherrscht. So ist bspw. NiCr als Haftschicht für Al-Leitbahnen und -kontaktschichten und als Dünnschicht-Widerstandsschicht weit verbreitet. The coating and structuring processes of contact Adhesive layer systems are common and are well controlled. For example, NiCr as an adhesive layer for Al interconnects and contact layers and as Thin film resistance layer widely used.

Durch den gleichzeitigen Einsatz von NiCr als Haftschicht für das Leitbahn- und Kontaktschichtmaterial und als Thermoschenkel wird unter Verzicht auf ein thermoelektrisch zwar günstigeres, technologisch aber schwerer beherrschbares Material, wie z. B. Antinmon (Sb), die Herstellung wesentlich vereinfacht und die Prozeßsicherheit erhöht. Trotz des Verzichts auf eine maximale thermoelektrische Schichtkombination gewährleistet bspw. die Verwendung von Bi als zweites Thermoschenkelmaterial weiterhin hohe Empfindlichkeiten bei vereinfachter Technologie mit hoher Prozeßsicherheit. Insbesondere werden Stör- und Abrißkanten vermieden, die dadurch entstehen, daß ein gesondertes Thermoschenkelmaterial über die sonst übliche, getrennt vorhandene Haftschicht in das Fenster geführt werden.Through the simultaneous use of NiCr as an adhesive layer for the interconnect and contact layer material and as a thermal leg is dispensed with a thermoelectrically cheaper, but technologically more difficult controllable material, such as B. Antinmon (Sb), the production essential simplified and increased process reliability. Despite not having one maximum thermoelectric layer combination ensures, for example Use of Bi as a second thermal leg material continues to be high Sensitivities with simplified technology with high process reliability. In particular, disturbing and tear-off edges are avoided arise that a separate thermal leg material over the otherwise usual, separate adhesive layer are led into the window.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der schematischen Zeichnung eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.The invention is described below with reference to the schematic drawing of a Embodiment explained in more detail.

In der Figur ist der Schnitt durch ein Siliziumchip 1 mit einem freigeätzten Fenster 2 und einer Oxid-Nitrid-Membran 3 dargestellt. NiCr-Strukturen 4 und 5 und Al-Bondinseln 6 und 7 werden in Vakuumfolge in einer Anlage abgeschieden und haben somit einen ausgezeichneten elektrischen Kontakt. Die NiCr-Strukture 4, 5 besitzen die Aufgabe einer Haftschicht, einer elektrischen Anbindung an die Bondinsel, einer thermischen Anbindung an das Substrat und eines ersten Thermoschenkels 4. Ein oberhalb einer Lackisolationsschicht 9 dargestellter zweiter Thermoschenkel 8 aus BiSb verbindet einen "heißen" thermoelektrischen Kontakt 10 mit der NiCr- Schicht 5, die gleichzeitig einen der "kalten" Kontakte darstellt. Oberhalb eines Abdecklackes 11 befindet sich im Zentrum der Membran eine Wärmeausgleichschicht 12 und eine Absorptionsschicht 13.The figure shows the section through a silicon chip 1 with a window 2 etched free and an oxide-nitride membrane 3 . NiCr structures 4 and 5 and Al bond pads 6 and 7 are deposited in a vacuum in a system and thus have excellent electrical contact. The NiCr structures 4 , 5 have the function of an adhesive layer, an electrical connection to the bond pad, a thermal connection to the substrate and a first thermal leg 4 . A second thermal leg 8 made of BiSb shown above a lacquer insulation layer 9 connects a "hot" thermoelectric contact 10 to the NiCr layer 5 , which at the same time represents one of the "cold" contacts. A heat compensation layer 12 and an absorption layer 13 are located above a covering lacquer 11 in the center of the membrane.

Eine auf skizzierte Dünnschichtanordnung auftreffende IR-Strahlung 14 wird durch die Absorptionsschicht 13 besonders gut absorbiert. Die entstehende Wärme wird über die Wärmeausgleichschicht 12 zu den "heißen" Kontaktstellen 10 der Thermoelemente geführt. Die so entstehende Temperaturdifferenz zwischen den "heißen" Kontaktstellen 10 (Membranzentrum) und den "kalten" (Chiprahmen) führt entsprechend der Größe der Thermokraft der Schenkelmaterialien zu einer Signalspannung, welche proportional zur eingestrahlten Leistung ist.An IR radiation 14 impinging on the thin-layer arrangement outlined is particularly well absorbed by the absorption layer 13 . The heat generated is conducted via the heat compensation layer 12 to the "hot" contact points 10 of the thermocouples. The resulting temperature difference between the "hot" contact points 10 (membrane center) and the "cold" (chip frame) leads to a signal voltage, which is proportional to the radiated power, in accordance with the magnitude of the thermal force of the leg materials.

In der Figur sind die Anbindungen der Thermoschenkel 4, 8 dargestellt. Die Reihenschaltung der einzelnen Thermoelemente zu einer Säule geschieht in bekannter Weise.The connections of the thermal legs 4 , 8 are shown in the figure. The series connection of the individual thermocouples to a column is done in a known manner.

Die gegenüber dem Stand der Technik im Aufbau vereinfachte thermoelektrische Dünnschichtanordnung führt zu einem weniger aufwendigen Herstellungsprozeß bei gleichzeitiger Ausbeutesteigerung.The structure simplified compared to the prior art thermoelectric thin film arrangement leads to one less complex manufacturing process with simultaneous increase in yield.

Claims

1. Thermoelectric thin-layer arrangement for radiation detectors with a substrate which is provided with a window closed by a membrane and in which adhesive, contact and insulating layers are provided on the membrane in addition to the thermoelectric layers, characterized in that the adhesive layer adjacent to the membrane also serves as one of the thermoelectric layers and is structured substantially over the window.

2. Thermoelectric thin-film arrangement according to claim 1, characterized characterized in that the adhesive layer also as a heat compensation layer serves.

3. Thermoelectric thin film arrangement according to claim 2, characterized characterized in that the adhesive layer made of NiCr, the contact layer made of Al and the other of the thermoelectric layers made of Bi each without or with alloy additives.