DE68915251T2 - Monolithische Struktur für einen IR-Detektor oder IR-Bildsensor und Verfahren zu ihrer Herstellung. - Google Patents

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf eine monolithische oder integrierte Struktur zur IR-Detektion oder -Bildherstellung, sowie ihr Fabrikationsverfahren. Sie ermöglicht die industrielle Großserienherstellung von pyroelektrischen IR-Bildaufnahmevorrichtungen, deren Komplexität und Elementarsensorenteilung direkt kompatibel sind mit einer Sichtbarmachung auf einem Bildschirm des aktuellen Fernsehstandards.
• Gegenwärtig wird die Entwicklung bei den zivilen Anwendungen der IR-Bilderzeugung, wie etwa den medizinischen Anwendungen, der Überwachung von brandgefährdeten Zonen, technisch gebremst durch das Fehlen eines industriellen Verfahrens für die Massenherstellung von preisgünstigen Detektoren.
• Die IR-Detektionvorrichtungen beruhen auf der Eigenschaft einer spontanen Polarisierung, über die eine bestimmte Anzahl dielektrischer Körper verfügen, d.h. ein remanentes internes elektrisches Feld, das sich in Abhängigkeit von der Temperatur verändert. Diese Eigenschaft ist der pyroelektrische Effekt.
• Die Temperaturveränderung ist der Energie des einfallenden Lichtsignals proportional. Bei gegebener Energie ist sie um so größer, je kleiner die thermische Kapazität des Detektors ist, was dazu führt, eine dünne pyroelektrische Schicht herzustellen, um das Detektionsvolumen zu minimieren.
• Die Polarisierungsänderung äußert sich an den Klemmen des Detektors durch eine Veränderung der Ladungen. Zwei metallische Elektroden, abgeschieden auf der Oberfläche des Dielektrikums, ermöglichen es, einen Kondensator zu bilden, an dessen Klemmen man die Spannung messen kann, wenn er gelesen wird durch eine Schaltung des MOS-Transistortyps mit hoher Eingangsimpedanz. Diese Spannung, einige Millivolt, ist proportional zu der Veränderung der eintretenden Energie.
• Die im allgemeinen verwendeten pyroelektrischen Materialien sind angegeben in dem Artikel "Pyroelectric devices and materials" von R.W. Watemoore, Rep. Prog. Phys. 49, von 1986, Seiten 1335-1386.
• Von diesen Materialien kann man die Polymere oder Copolymere des Fluorpolyvinylidentyps zitieren.
• In Figur 1 wurde schematisch und perspektivisch eine erste Ausführungsart eines bekannten IR-Detektors dargestellt, insbesondere beschrieben in dem Dokument "Ferroelectrics for infrared detection and imaging" von R.Watton IEEE Int. Symp. on Applications of Ferroelectrics, Juni 1986, Bethlehem, USA. Bei diesem Detektor ist der dielektrische Teil mit der Leseschaltung verbunden durch eine Hybridisierungstechnik.
• Wie in Figur 1 dargestellt, umfaßt jeder Sensor 2 des Dektektors zwei Elektroden 4 und 6, angeordnet auf den entgegengesetzten Seiten des pyroelektrischen Materials 8. Der Polarisationsvektor 9 muß senkrecht sein zur Oberfläche der Elektroden 4 und 6. Ein thermisch isolierendes Material 12 isoliert jeden Sensor 2 von einer Hybridisierungshartlötung oder - kontaktstelle 14. Für jeden Sensor sichert eine Metallisierung 16 dann den Kontakt zwischen der Elektrode 6 und der Hartlötung 14.
• Die Sensoren 2, die die Elementarbildpunkte darstellen, sind thermisch und mechanisch voneinander isoliert durch Ätzung der pyroelektrischen 8, leitendenden 6 und isolierenden 12 Materialien. Diese Isolierung trägt die Referenz 15.
• Das Lesen der Spannung an der Elektrode 6, resultierend aus der Wechselwirkung zwischen einer IR-Strahlung 17 und dem Detektor, erfolgt, über Steuerleitungen 22, in einer integrierten Schaltung 18, hergestellt in Silicium, mit Hilfe einer Verstärkerstufe 20 mit einem einzigen Eingang, wobei die allen Sensoren 2 gemeinsame Elektrode 4 als Referenz für alle Sensoren dient. Um die Beschreibung und die Figuren zu vereinfachen, ist die integrierte Schaltung nur funktionell dargestellt.
• Diese Anordnung des Dektektors läßt einen Verstärkungfator größer als 100 nicht zu. Außerdem erfordert diese Technik eine große Anzahl Masken und insbesondere 6 Maskierungsniveaus für die Herstellung des Detektionsteils.
• Eine neuere Ausführung einer Detektionsvorrichtung ist schematisch und perspektivisch in Figur 2 dargestellt. Diese Ausführung wird insbesondere beschrieben in dem Artikel "Type II pyroelectric detectors" von A. Hadni, Infrared Physics, Band 27, N 1, Seiten 17-23, von 1987.
• Bei dieser Ausführung sind die beiden Elektroden 4a und 6a jedes Sensors 2a auf der gleichen Seite des pyroelektrischen Materials 8a angeordnet und jeweils durch zwei Lötungen 14a und 14b verbunden mit der Leseschaltung 18a. Bei dieser Struktur muß der Polarisationsvektor 9a parallel sein zur Ebene der Elektroden 4a und 6a. Die nützliche Detektionszone, strichpunktiert dargestellt und mit 24 bezeichnet, entspricht ungefähr dem Volumen, das die Fläche zwischen den beiden Elektroden 4a und 6a zur Basis hat und dessen Höhe gleich dem Abstand d zwischen diesen Elektroden ist.
• Diese Struktur ist der der Figur 1 vorzuziehen, denn es gibt keine gemeinsame Elektrode, schlecht abgestützt in den Isolationszonen 15 (Zonen zwischen jedem Sensor); diese gemeinsame Elektrode ist folglich empfindlich und wenig betriebssicher. Außerdem befinden sich die beiden Elektroden 4a und 6a auf der Hybridisierungsseite und ermöglichen das Lesen jedes Sensors 2a durch einen Differentialverstärker 20a.
• Man weiß, daß dieser Verstärkertyp Geräusche wie das piezoelektrische Rauschen eliminiert, die bei gemeinsamer Betriebsweise auftreten und somit für jeden Sensor eine Verstärkung mit einem Verstärkungsfaktor zuläßt, der den Wert 1000 erreichen kann.
• Bei dieser Ausführungsart sichern die Metallisierungen 16a und 16b jeweils den elektrischen Kontakt zwischen den Elektroden 4a, 6a und den Hartlötungen 14a und 14b. Außerdem isoliert ein thermisch isolierendes Material 12a, 12b jeden Sensor 2a von diesen beiden Hartlötungen.
• Auch hier wird die thermische und mechanische Isolierung 15a der Sensoren sichergestellt durch eine Ätzung der isolierenden Schicht 12a und der pyroelektrischen Schicht 8a.
• Die beiden oben dargestellten Ausführungsarten weisen eine gewisse Anzahl Nachteile auf.
• Die metallischen Verbindungen 16, 16a, 16b zwischen den Sensoren und der integrierten Schaltung bilden thermische Brücken, die die Temperaturerhöhung des Sensors begrenzen und folglich in gleichem Maße die Spannungsänderung dämpfen, während das Leserauschen nicht gedämpft wird; die Detektion des IR-Signals wird sehr verschlechtert.
• Außerdem ermöglichen die topologischen Spannungen, verbunden mit der Ausführung der Hartlötungen, nicht, Abmessungen kleiner 40 um für jeden Detektor vorzusehen. Diese Abmessung ist größer als die Größe des Diffraktionsflecks der dem Detektor zugeordneten Optik: die Sensoren begrenzen folglich die Winkelauflösung der Bildaufnahme.
• Außerdem ist die Hybridisierungsoperation kein üblicher Verfahrensschritt der Mikroelektronik.
• Zudem ermöglichen die zur Abscheidung und Ätzung der Elektroden verwendbaren Techniken nicht, die Elektroden auf eine Distanz d (Figur 2) kleiner ungefähr 10 um einander zu nähern. Die Kapazität des Sensors ist infolgedessen gering gegenüber der Eingangskapazität der Leseschaltung. Daraus resultiert eine Dämfung der durch den Detektor gelieferten pyroelektrischen Spannung.
• Außerdem hält der Hohlraum unter jedem Sensor 2a der Figur 2 Spuren der beim Herstellungsprozeß verwendeten Materialien zurück. Diese Produkte bleiben aktiv, wenn die Detektionsvorrichtung fertiggestellt ist, was eine Verschlechterung der Lebensdauer dieser Vorrichtung bewirkt.
• Diese Nachteile sind für jedes verwendete pyroelektrische Material gültig. Jedoch sind diese Nachteile sehr viel stärker ausgeprägt, wenn man als sensibles Material ein Polymer oder Copolymer des Polyvinylfluoridtyps verwendet. Insbesondere erhöht die Hybridisierungsoperation übermäßig die Temperatur des Polymers und verschlechtert dadurch seine Leistungen.
• Außerdem bewirkt die metallische Abscheidung, erforderlich für die Herstellung der Elektroden auf einem sehr dünnen Polymerfilm, in diesem letzteren mechanische Spannungen, die den Dünnfilm und die Metallschicht deformieren. Die so deformierte Metallschicht wird ungeeignet für die Herstellung von Elektroden, die entsprechend den Techniken der Mikroelektronik geätzt werden.
• Als Schlußfolgerung ermöglicht die Technik der Hybridisierung der Sensoren mit einer integrierten Schaltung nicht die Herstellung von reproduzierbaren und verläßlichen IR- Detektoren oder -Bildgeräten hoher Integrationsdichte.
• Die Integration von Leseschaltungen und von Sensoren ist Gegenstand einer Veröffentlichung "Fully-integrated ZnO on silicon pyroelectric Infrared Detector Array" von D.L. Polla u.a., Proceeding IEDM, 1984, Seiten 282-284.
• Die in diesem Artikel beschriebene Technik eignet sich nicht für eine hohe Integrationsdichte. Die Leseschaltung und der mit ihr verbundene Sensor sind nämlich übereinander angeordnet wie in den oben beschriebenen Figuren 1 und 2. Außdem kann die für die Detektion erforderliche Dünnheit des Siliciums nicht mit einer kleinen Teilung hergestellt werden, kleiner als 10 Mikrometer.
• Die Erfindung hat genau eine monolithischen Struktur zur IR-Detektion oder -Bildherstellung sowie ihr Fabrikationsverfahren zur Zielsetzung, und vermeidet dabei die oben angebenen Nachteile. Insbesondere ermöglicht sie die Großserienherstellung von IR-Bildaufnahmeeinrichtungen einer Komplexität, die vergleichbar ist mit der bei der Herstellung sichtbarer Bilder verwendeten und einer Detektionselementarpunkteteilung in der Größenordnung von 10 um.
• Genauer, die Erfindung hat eine monolithische Struktur zur IR-Detektion oder -Bildherstellung zum Gegenstand, umfassend:
• - wenigstens eine elektrisch und thermisch isolierende Polymerschicht mit einer Oberseite und einer Unterseite,
• - IR-Sensoren, auf der Oberseite der isolierenden Schicht ruhend, voneinander beabstandet, einen pyroelektrischen Polymerfilm umfassend, dessen mit der isolierenden Schicht in Kontakt stehende Seite ausgestattet ist mit zwei kammförmigen Elektroden, deren Zähne verschachtelt sind, wobei der pyroelektrische Polymerfilm polarisiert ist in einer Ebene, die parallel ist zu der genannten Seite des Films in Richtungen, die parallel und senkrecht sind zu den Zähnen der Kämme,
• - eine integrierte Schaltung, die eine Seite aufweist, in Kontakt mit der Oberseite der isolierenden Schicht, die versehen ist mit Leseschaltungen,
• - elektrische Kontaktzonen, die die isolierende Schicht durchqueren und die Elektroden von jedem Sensor mit wenigstens einer Leseschaltung verbinden,
• Unter isolierten Sensoren versteht man thermisch, mechanisch und elektrisch isolierte Sensoren.
• Die monolytische Struktur der Erfindung ermöglicht es, die pyroelektrischen Eigenschaften der Polymere optimal zu nutzen für die industrielle Herstellung betriebssicherer, solider TR- Detektoren, deren Komplexität vergleichbar ist mit der der CCDs, die auf dem Gebiet der Sichtbarmachung zur Bilfaufnahme verwendet werden; die Winkelauflösung ist dann begrenzt durch die, die von der der Struktur zugeordneten Optik aufgezwungen wird, und nicht umgekehrt, wie bei der vorhergehenden Technik.
• Das elektrisch und thermisch isolierende Polymer muß eine Wärmeleitfähigkeit < 0,4 W/(mK) haben und eine Resistivität > 10¹&sup6; &Omega;.cm.
• Als elektrisch und thermisch isolierendes Polymer, verwendbar für die Erfindung, kann man die Polyurethane, die Polyester, die Polyimide zitieren. Vorzugsweise verwendet man eine Polyimidschicht. Dieses Material wird nicht nur aufgrund seiner in der Mikrolithographie bekannten Eigenschaften verwendet, sondern auch aufgrund seiner Wärmeleitfähigkeitseigenschaften, die nie genutzt werden.
• Als pyroelektrisches Material kann man jede Art von polyelektrischem Polymer verwenden, wie z.B. Polyvinylpolymere wie das Polyvinylidenfluorid, bekannt unter der Abkürzung PVDF.
• Vorzugsweise verwendet man Vinylidenfluorid- und Trifluorethylen-Copolymere, bekannt unter der Abkürzung VDF-TRFE.
• Diese Copolymere weisen außer ihren geringen Kosten zwei haupsächliche Vorteile auf:
• a) sie sind vor der Polymerisation als viskose Lösung verfügbar. Sie können folglich auf eine integrierte Schaltung aufgebracht werden mittels der in der Mikron-Technologie für die Aufbringung von Maskenharzen üblicherweise verwendeten Technik. Die Schichten können eine so geringe Dicke wie 100 nm haben. Nun, im Gegensatz zu den anderen pyroelektrischen Körpern erfordert die Herstellung von Dünnschichten keinen Kristallwachstumsprozeß, der komplex und teuer ist.
• b) die spontane Polarisierung wird hier gebildet nach oder während der Polymerisierung und erfordert in dem Detektorvolumen ein elektrisches Feld, das größer ist als ein kritisches Feld. Bei den anderen Zusammensetzungen ist die spontane Polarisierung abhängig von der Kristallorientierung.
• Diese Notwendigkeit der Orientierung macht ein Kristallwachstum der Dünnschichten noch komplexer.
• Die Erfindung hat auch ein Fabrikationsverfahren der vorhergehend beschriebenen monolithischen Struktur zum Gegenstand. Dieses Verfahren umfaßt die folgenden Schritte:
• a) Aufbringen von wenigstens einer thermisch und elektrisch isolierenden Polymerschicht auf die Oberfläche einer mit Leseschaltungen versehenen integrierten Schaltung, dann Polymerisation dieser Schicht,
• b) Herstellen von elektrischen Kontaktzonen gegenüber den Leseschaltungen, die die isolierende Schicht von einer Seite zur anderen durchdringen,
• c) Aufbringen einer leitenden Schicht auf der Oberfläche der isolierenden Schicht und der Kontaktzonen,
• d) Herstellen von kammförmigen Elektrodenpaaren in der leitenden Schicht, wobei diese Elektroden sich gegenüber den elektrischen Kontaktzonen befinden und die Zähne der Elektrode jedes Paares verschachtelt sind,
• e) Aufbringen eines pyroelektrischen Films aus Polymer auf die in d) erhaltene Struktur, dann Polymerisation dieses Films,
• f) Herstellen eines pyroelektrischen Elements in dem pyroelektrischen Film gegenüber jedem Elektrodenpaar, und
• g) Polarisierung der pyroelektrischen Elemente in einer Ebene, die parallel ist zu der Oberfläche der isolierenden Schicht und in Richtungen, die parallel und senkrecht verlaufen zu den Zähnen der Kämme, wobei jedes polarisierte Element und das mit ihm Kontakt habende Elektrodenpaar einen IR-Sensor bilden.
• Das Herstellungsverfahren der erfindungsgemäßen Struktur hat den Vorteil, nur Verfahrensschritte zu verwenden, die üblicherweise benutzt werden bei der Herstellung von mikronischen oder submikronischen integrierten Schaltungen des Typs HCMOS. Diese Technik ermöglicht, die thermischen Leistungen des Elementarsensors zu optimieren und seine Impedanz anzupassen an die der Leseschaltung; sie macht daher das Beste daraus.
• Außerdem werden die Teilung des IR-Detektors oder - Bildgeräts ebenso wie seine Komplexität nicht mehr aufgezwungen durch die Hybridisierungstechnik. Die Mikrolithographietechnik, die bei der Erfindung angewandt wird, erlaubt die Herstellung von soliden IR-Vidicons, deren Elemtarpunktteilung in der Größenordnung von ungefähr 10 Mikrometern liegt bei Sensorenmatrixen, die insbesondere 400 Zeilen mit 600 Punkten umfassen, kompatibel mit der direkten Sichtbarmachung des Bilds auf einem Standardmonitor im Fernsehformat.
• Zudem, da die Sensorentechnologie unabhängig ist von der Technologie der Leseschaltung, schließt sie folglich keinerlei Temperaturerhöhung mit ein. Auch können die Sensoren hergestellt werden auf irgendeiner beliebigen bekannten Leseschaltung und insbesondere auf am besten geeigneten Schaltungen in AsGa- oder Siliciumtechnologie.
• Da die Orientierung der resultierenden remanenten Polarisierung hergestellt wird am Ende des technologischen Verfahrens, kann sie jedesmal wiederholt werden, wenn ein zufälliges Vorkommnis, z.B. eine übermäßige Lagertemperatur, diese Polarisierung verschlechtert hat.
• Die Struktur der Erfindung ist monolithisch, was natürlich den Nachteil eliminiert, der verbunden ist mit Rückständen von Produkten, die während des technologischen Verfahrens verwendet wurden, und führt zu einer Betriebssicherheit, die die der Mikroelektronik ist. Die Lebensdauer der Detektoren und Bildgeräte, die die erfindungsgemäße Struktur verwenden, kann auf das fünffache der Vorrichtungen der vorhergehenden Technik geschätzt werden.
• Vorteilhafterweise wird die remanente Polarisierung des pyroelektrischen Films erreicht, indem man die Elektroden der Sensoren benutzt, was die optimale Orientierung des Remanenzfeldes in jedem Sensor sicherstellt, und dies unabhängig von der Geometrie der Elektroden.
• Die elektrischen Kontaktzonen können hergestellt werden durch Ätzen der Isolierschicht, dann Abscheiden einer Metallschicht gemäß den in der Mikroelektronik bekannten Techniken. Sie können auch erzeugt werden entweder durch Ionenimplantation durch eine Maske, die die Isolierschicht örtlich leitend macht, oder vorzugsweise durch eine lokale Modifikation der elektrischen Eigenschaften des Polymers gemäß einer Technik der organischen Chemie, wie beschrieben in dem Artikel "Method for increasing the conductivity of silver-doped polyimides", von A. Auerbach, J. Electrochem. Soc., vom April 1984, S. 937-938.
• Diese Techniken erlauben die Herstellung von Kontakten mit einer Seitenlänge von 2 Mikrometern und ermöglichen folglich, eine IR-Detektor- oder -Bildgerät-Gesamtgröße zu erzielen, die sich mit den herkömmlichen Hybridisierungsverfahren nicht verwirklichen läßt.
• Vorteilhafterweise werden die Elektroden hergestellt durch Abscheiden einer Metallschicht auf der Gesamtheit der Struktur, indem man die Bereiche dieser Metallschicht, die man behalten will, maskiert mittels eines photosensiblen Harzes und sodann die Metallschicht anisotrop ätzt. Diese Mikroelektroniktechnik erlaubt, die Elektroden jedes Sensors möglichst nahe aneinander heranzubringen, wenigstens auf 1 um, und folglich die elektrische Gesamtkapazität des Detektors oder Bildgeräts zu maximieren und dabei ein ausreichendes Detektionsvolumen zu wahren.
• Da die Abscheidung des pyroelektrischen Films am Ende des technologischen Verfahrens erfolgt, wird vermieden, daß dieser einer Temperaturerhöhung ausgesetzt wird, die seine pyroelektrischen Eigenschaften verschlechtern könnten.
• Die Herstellung von IR-Sensoren durch das erfindungsgemäße Verfahren ist sehr viel einfacher als das der vorhergehenden Technik. Es erfordert nämlich nur 3 Maskierungsniveaus anstatt 6, und die Schritte sind keinesfalls kritisch.
• Weitere Charakteristika und Vorzüge der Erfindung gehen besser aus der nachfolgenden, beispielhaften und keinesfalls einschränkenden Beschreibung hervor, mit Bezug auf die beigefügten Figuren 3 bis 6, nachdem die Figuren 1 und 2 schon beschrieben wurden.
• - Die Figur 3 stellt schematisch, als Draufsicht, eine erfindungsgemäße monolithische Struktur dar,
• - die Figur 4 ist eine perspektivische Ansicht der Struktur der Figur 3,
• - die Figur 5 stellt die verschiedenen Herstellungsschritte der erfindungsgemäßen monolithischen Struktur dar, für die Teile A-C, E und F in einer Ebene, die die Linie A-A der Figur 3 durchläuft, und in der Perspektive für den Teil D, und
• - die Figur 6 stellt schematisch, im Schnitt, eine Vorrichtung mit der erfindungsgemäßen Struktur dar, die analog in der Fokalebene der dem Detektor zugeordneten Optik fähig ist, bestimmte Bildverarbeitungen durchzuführen.
• Die nachfolgende Beschreibung bezieht sich hinsichtlich einer Vereinfachung auf einen IR-Detektor. Für ein Bildgerät genügt es, die beschriebene Struktur durch eine geeignete Optik zu ergänzen, angeordnet zwischen dem Detektionsteil und der Strahlung, und die Leseschaltungen durch Verarbeitungsschaltungen zu ergänzen.
• Mit Bezug auf die Figuren 3 und 4 umfaßt die monolithische Struktur eine Matrix 100 aus IR-Sensoren 102 mit einer Teilung p, elektrisch, thermisch und mechanisch voneinander isoliert durch Gräben 103. Diese Sensoren 102 haben eine Seitenlänge von 10 um und die Teilung p beträgt ungefähr 12 um.
• Diese Sensoren umfassen jeder einen Film 104 aus Polyvinylidenfluorid -CH&sub2;-CF&sub2;- mit 1 um Dicke, dessen obere Fläche 105 dazu bestimmt ist, die festzustellende IR-Strahlung 107 zu empfangen oder zur Bildherstellung zu verwenden.
• Die untere Fläche 109 des Films 104 ist für jeden Sensor 102 ausgestattet mit zwei Elektroden 106 und 108, die die Form von Kämmen aufweisen, deren Zähne verschachtelt sind; die Zähne 110 der Elektrode 106 dringen zwischen die Zähne 112 der Elektrode 108 ein. Die Elektroden 108 und 106 werden insbesondere hergestellt aus einem leitenden Polymer, etwa den Polyanilinen, oder aus einem üblicherweise in der Mikroelektronik verwendeten Metall, wie etwa Chrom. Sie weisen eine Dicke von 100 nm auf. Die Abstände e, die die Zähne 110 und 112 trennen, betragen 2 um, und die Breite 1 der Elektroden beträgt 1 um.
• Erfindungsgemäß ist der Polarisationsvektor 111 parallel zu den Flächen 105 und 109 des Films und nach der Richtung x orientiert, parallel zu den Zähnen 110 und 112, und nach der Richtung y, parallel zu diesen Zähnen.
• Die Sensoren 102 ruhen jeder auf einem thermisch und elektrisch isolierenden Block 114 aus Polymer, insbesondere aus Polyimid PIQ von Dupont de Nemours, mit 5 um Dicke.
• Die Isolationsblöcke 114 ruhen auf einer integrierten Schaltung 116, hergestellt in Siliciumtechnologie, Leseschaltungen 117 umfassend. Jede Leseschaltung 117 ist verbunden mit einem einzigen Sensor 102. Sie umfaßt zwei MOS-Transistoren 118 und 120, als Schalter fungierend, verbunden mit einem Differentialverstärker 122.
• Die Transistoren 118 und 120 werden gesteuert über eine Steuerleitung 124, die ermöglicht, die Leitungen 126 und 128 jeweils mit allen Elektroden 106 und 108 der Elementarpunkte der Sensorenmatrix zu verbinden, über elektrische Kontaktzonen 130 beziehungsweise 132; die jedem Sensor zugeordneten Kontaktzonen durchqueren den entsprechenden Polyamidblock 114 von einer Seite zur anderen.
• Die elektrischen Verbindungen zwischen den Transistoren 118 und 120 und jeweils den Kontaktzonen 130 und 132 werden sichergestellt durch Verbindungen 119 und 121 der integrierten Schaltung.
• Die Kontaktoberflächen 130 und 132 betragen 2um x 2um.
• Die Leseschaltung wurde hinsichtlich einer Vereinfachung symbolisch dargestellt und nicht in Form von Verfahrensschichten. Die technologische Ausführung dieser Schaltung ist dem Fachmann wohlbekannt.
• Die Gräben 102 zur mechanischen, elektrischen und thermischen Isolierung der Sensoren 102 erstrecken sich bis zur oberen Oberfläche 134 der integrierten Schaltung 116, obwohl nur eine Isolation über ausschließlich die Dicke des pyroelektrischen Materials 104 ausreicht (s. Figur 6).
• Im Vergleich mit der üblichen Technik wird die Dichte der Elementarpunkte bei einer erf indungsgemäßen Struktur mit 16 multipliziert. Die Bildaufnahme ist dann begrenzt durch den Diffraktionsfleck der Optik.
• Die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Struktur ist identisch mit der in der vorhergehenden Technik beschriebenen.
• Mit Bezug auf Figur 5 wird anschließend eine erste Durchführungart des Herstellungsverfahrens der erfindungskonformen Struktur beschrieben.
• Nachdem man die Leseschaltungen 117 mittels der herkömmlichen Photolithographieverfahren auf einem Siliciumsubstrat integriert hat, scheidet man auf der Gesamtheit der integrierten Schaltung 116 eine Schicht 200 aus Polyimid ab, eines Polymers, das in der Photolithographie häufig verwendet wird. Diese Schicht 200 wird aufgebracht entsprechend der Beschichtungstechnik von Harzen, die üblicherweise als Photomaske verwendet werden. Die Dicke dieser Schicht wird der üblichen Technik entsprechend gesteuert, um ihren Wärmeleitwert zu optimieren. Sie weist eine Dicke auf, die von 0,1 bis 10 um gehen kann und insbesondere 1 um beträgt. Die erhaltene Struktur ist die in Teil A der Figur 5 gezeigte. Man führt anschließend eine Wärmebehandlung durch bei der durch den Hersteller vorgeschriebenen Temperatur, um das Polyimid zu polymerisieren.
• Auf die Gesamtheit der Struktur bringt man dann eine Schicht 202 auf aus einem photosensiblem Harz wie die, die in der Mikroelektronik in der Beschichtungstechnik üblicherweise verwendet werden. Dieses Harz ist insbesondere ein Harz S 1400-27 von SHIPLEY. Es weist eine Dicke von 1 um auf.
• Nun erfolgt eine Bestrahlung der Harzschicht 202, durch eine mechanische Maske 204, um die Stellen der herzustellenden elektrischen Kontaktzonen 130 und 132 zu definieren. Die verwendete mechanische Maske muß so sein, daß ihre Öffnungen 206 sich gegenüber den Anschlüssen 119 und 121 der Transistoren 118 und 120 der Leseschaltung befinden.
• Nach dem Entwickeln in einem Entwickler von SHIPLEY erhält man die im Teil B dargestellt Struktur. Die bestrahlten Zonen der Harzschicht 202 wurden entfernt.
• Mit Hilfe dieser so gebildeten ersten Harzmaske 202a stellt man anschließend die elektrischen Kontaktzonen 130 und 132 her.
• Durch diese Harzmaske 202a erfolgt eine Ionenimplantation 205 in die Polyimidschicht, die das Polyimid lokal leitend macht (Zonen 130 und 132). Diese Ionenimplantation wird durchgeführt mit z.B. Arsenionen, mit einer Energie von 200 keV und einer Dosis von 10²&sup0; Ionen/cm³.
• Dieser Verfahrensschritt, der 1um eines Wärmeisolators gebildet hat sowie die Zonen 130 und 132, wird 5-mal wiederholt, um eine Wärmeisolatordicke von 5 um zu erhalten.
• Die nach der Implantation erhaltene Struktur ist die im Teil C der Figur 5 dargestellte.
• Nach Entfernung der letzten Harzmaske mit Hilfe eines Sauerstoffplasmas erfolgt, wie dargestellt im Teil D der Figur 5, das Abscheiden einer leitenden Schicht 208, wobei diese Schicht insbesondere eine Chromschicht von 100 nm ist, aufgebracht durch Magnetron-Sputtern.
• Dann bildet man, wie vorhergehend mit Bezug auf den Teil A beschrieben, eine zweite Harzmaske 210, die die Orte der in der Schicht 208 herzustellenden Elektroden 106 und 108 definiert. Zu diesem Zweck sichert die Maske 210 die Maskierung der Bereiche der leitenden Schicht, die man erhalten will, und exponiert die, die man entfernen will.
• Die Maske 210 stellt sich dar in Form einer Vielzahl von Kämmen 210a, 210b, paarweise einander zugeordnet, deren Zähne verschachtelt sind, um die Elektroden 106 und 108 zu erhalten, wie dargestellt in der Figur 3.
• Nun erfolgt eine anisotrope Ätzung der Schicht 208 mit Hilfe einer Maske 210. Für eine Chromschicht verwendet man ein chlorhaltiges Plasma als Angriffsmittel. Die erhaltene Struktur ist dargestellt im Teil E der Figur 5.
• Nach Entfernung der Maske 210 mit Hilfe eines Sauerstoffplasmas erfolgt die Abscheidung einer Schicht 212 aus Polyvinylidenfluorid entsprechend der üblicherweise in der Mikroelektronik verwendeten Beschichtungstechnik. Ihre Dicke wird gesteuert, um die Wärmekapazität der Sensoren zu optimieren und anzupassen an den Wärmeleitwert des Polyimids. Insbesondere hat die Schicht 212 eine Dicke, die von 0,1 bis 10 um geht und beträgt insbesondere 1 um. Ein Tempern, 8h bei 80ºC, bewirkt eine Polymerisation des Polyvinylfilms 212; diese Polymerisation des pyroelektrischen Films 212 bewirkt, daß er am Polyimid 200 haftet, was Verformungen verhindert.
• Nun wird mittels der herkömmlichen Verfahren der Photolithographie (s. Teil A der Figur 5) eine dritte Maske 214 ausgeführt, die die Abmessungen und die Orte der Sensoren 102 definieren, sowie ihre Isolierung 103. Diese Maske muß insbesondere die Elektroden 106 und 108 jedes Sensors 102 überdecken.
• Mit Hilfe dieser Maske 214 führt man dann eine anisotrope Ätzung des pyroelektrischen Films 212 durch, unter Verwendung eines Sauerstoffplasmas. Dieses Sauerstoffplasma bewirkt zusätzlich zu der Ätzung des Polyvinylfilms 212 die Beseitigung der Harzmaske 214 sowie die Ätzung des Polyimids 200. Die erhaltene Struktur ist die im Teil F der Figur 5 dargestellte.
• Der letzte Schritt des Verfahrens besteht im Polarisieren der pyroelektrischen Elemente 104, erreicht durch das Herstellen einer Spannung zwischen den beiden Elektroden 108 und 106 jedes Sensors 102. Die für diese Polarisierung bestimmte Schaltung bildet insbesondere einen Teil der integrierten Schaltung 116. Dies ermöglicht die Repolarisierung der pyroelektrischen Elemente 104 im Bedarfsfall.
• Erfindungskonform wird die Spannung, die erforderlich ist für die spontane Polarisierung 111 (s. Figur 3) kollektiv an die Sensoren 102 angelegt, indem man die Elektroden 106 von allen Sensoren verbindet mit der Steuerleitung 126 über die MOS-Schalter 118 und die Anschlüsse 119, und die Elektroden 108 mit der Steuerleitung 128 über die MOS-Schalter 120 und die Anschlüsse 121, während einer Zeitdauer, die bestimmt wird durch das an die Leitung 124 und folglich an die Gates der Transistoren gelegte Signal. Dieses Signal ist insbesondere eine Gleichspannung von 50 Volt und liegt während 60 Minuten an.
• Die Ausrichtung der resultierenden remanenten Polarisierung, vorgegeben durch die Form der Elektroden 106 und 108, ist spontan optimal für das Lesen der pyroelektrischen Spannung aufgrund der Verwendung dieser Elektroden für die Polarisierung der pyroelektrischen Blöcke.
• Nach einer zweiten Durchführungsart des erfindungsgemäßen Verfahrens bildet man die elektrischen Kontaktzonen 130 wie beschrieben in dem vorhergehend erwähnten Artikel von A. Auerbach. Zu diesem Zweck wird die auf die integrierte Schaltung 116 aufzubringende Polymerschicht (Teil A) gebildet durch eine Mischung aus einer polyamischen Säure und eines metallischen Salzes wie Silbernitrid, gelöst in einem organischen Lösungsmittel; die Zusammensetzung der Mischung ist die der vorhergehenden Technik. Diese Schicht wird mittels der herkömmlichen Mikroelektronik-Beschichtungstechnik für Harze aufgebracht. Eine Trocknung der aufgebrachten Schicht ermöglicht die Beseitigung des organischen Lösungsmittels und ihre Polymerisation.
• Die Herstellung der elektrischen Kontaktzonen 130 und 132 besteht dann darin, die abgeschiedenen Polyimide beschleunigten Kohlenstoffpartikeln auszusetzen, unter Verwendung der Harzmaske 205 (Teil B), um lokal die Silberionen in Metall zu reduzieren und die polyamische Säure zu imidisieren. Dieser Reduktionsschritt der Silberionen erfolgt bei 360ºC.
• Die Bildaufnahme-Matrixstruktur, beschrieben mit Bezug auf die Figuren 3 und 4, ist denkbar einfach. Jeder Sensor 102 ist nämlich mit nur einer einzige Leseschaltung verbunden.
• Jedoch eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren für sehr viel komplexere Sensorenstrukturen, deren Funktionsweise sich der der Netzhaut des Auges annähert.
• Die Figur 6 schematisiert im Schnitt die Struktur eines Detektors, der fähig ist, analog, in der Fokalebene einer geeigneten Optik gewisse Bildverarbeitungen durchzuführen. Dieser Detektor umfaßt mehrere Sensoren 102a, 102b, 102c und 102d, jeder verbunden mit drei Leseschaltungen. Der Sensor 102b ist verbunden mit der Leseschaltung 117a, 117b und 117c, der Sensor 102c ist verbunden mit der Leseschaltung 117b, 117c, 117d, usw. ... mittels Kontaktzonen, ähnlich den Zonen 130 und 132 der Figur 4.
• In der Struktur der Figur 6 ruhen die Sensoren 102a, 102b, 102c und 102d auf einer Schichtung aus drei Polyimidschichten 216, 218 und 220. Diese Schichten werden nacheinander auf die integrierte Schaltung 116 aufgebracht, dann polymerisiert.
• Nach der Polymerisierung der Polyimidschicht 220 führt man die Kontaktzonen 222 aus, die die Polyimidschicht 220 von einer Seite zur anderen durchqueren. Ebenso stellt man nach der Polymerisierung der Polyimidschicht 218 die Kontaktzonen 224 her, die die Schicht 218 und die Schicht 220 von einer Seite zur anderen durchqueren, und schließlich, nach der Polymerisierung der Schicht 216 führt man die Kontaktzonen 226 aus, die die drei Polyimidschichten von einer Seite zu anderen durchqueren.
• Durch dieses Zusammenfügungsverfahren, abgeleitet aus dem vorhergehend beschriebenen, wahrt man die mit der Verwendung des Polyimids verbundene Wärmeisolierung und stellt dabei Mehrfachanschlüsse her, die in Zusammenhang mit der Bildverarbeitung stehen.
• Diese Erfindung findet insbesondere Anwendungen auf dem Automobilsektor. Genauer, sie eignet sich für die Feststellung von Hindernissen auf der Straße, um z.B. Massenkollisionen bei schlechten Sichtbedingungen zu vermeiden.

Claims (12)

1. Monolithische Struktur für einen IR-Detektor oder IR-Bildsensor, umfassend:

- wenigstens eine, einen elektrischen und thermischen Isolator bildende Polymerschicht (114, 216, 218, 220) mit einer Oberseite und einer Unterseite,

- Infrarot-Sensoren (102, 102a, 102b, 102c, 102d), auf der Oberseite der Isolatorschicht ruhend und voneinander beabstandet (103), die einen pyroelektrischen Film (104) aus Polymer enthalten, dessen Seite 109, die Kontakt hat mit der Isolatorschicht (114), versehen ist mit kammförmigen Elektroden (106, 108), deren Zähne (110, 112) verschachtelt sind, wobei der pyroelektrische polymerfilm (104) polarisiert ist (111) in einer Ebene, die parallel ist zu der genannten Seite des Films in Richtungen, die parallel (x) und senkrecht (y) sind zu den Zähnen der Kämme,

- eine integrierte Schaltung (116), die eine Seite (134) aufweist, in Kontakt mit der Oberseite der Isolatorschicht (114), die versehen ist Leseschaltungen (117, 117a, 117b, 117c, 117d)

- elektrische Kontaktzonen (130, 132, 222, 224, 226), die die Isolatorschicht durchqueren und die Elektroden (106, 108) von jedem Sensor mit wenigstens einer Leseschaltung (117, 117a, 117b, 117c, 117d) verbinden.

2. Monolithische Struktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolatorschicht (114, 216, 218, 220) eine Polyimidschicht ist.

3. Monolithische Struktur nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Polymerfilm (104) ein Polyvinylidenfluorid-Polymer oder -Copolymer ist.

4. Monolithische Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede Leseschaltung zwei MOS- Transistoren (118, 120) enthält, die als Schalter wirken und mit einem Differentialverstärker (122) verbunden sind.

5. Monolithische Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie drei gestapelte elektrische und thermische Isolationsschichten (216, 218, 220) umfaßt, n Sensoren (102a-102d), eine integrierte Schaltung (116), n+2 Leseschaltungen (117a-117d) enthaltend, und elektrische Kontaktzonen (222, 224, 226), die wenigstens eine Isolationsschicht von einer Seite zur anderen durchdringen und so angeordnet sind, daß der Sensor i, mit 1< i< n, verbunden ist mit den drei Leseschaltungen i, i+1 und i+2.

6. Herstellungsverfahren einer monolithischen Struktur für einen Infrarot-Detetektor oder -Bildsensor, das die folgenden Schritte umfaßt:

a) Abscheiden von wenigsten einer elektrisch und thermisch isolierenden Polymerschicht (200, 216, 218, 220) auf der Oberfläche einer mit Leseschaltungen (117, 117a-117d) versehenen integrierten Schaltung (116), dann Polymerisation dieser Schicht,

b) Herstellen von elektrischen Kontaktzonen (130, 132, 222, 224, 226) gegenüber diesen Leseschaltungen, die die isolierende Schicht von einer Seite zur anderen durchdringen,

c) Abscheiden einer leitenden Schicht (208) auf der Oberfläche der isolierenden Schicht und den Kontaktzonen,

d) Herstellen von Elektrodenpaaren (106, 108) in der leitenden Schicht (208), die die Form von Kämmen aufweisen, wobei diese Elektroden sich gegenüber der elektrischen Kontaktzonen befinden und die Zähne (110, 112) der Elektroden jedes Paars verschachtelt sind,

e) Abscheiden eines pyroelektrischen Films (212) aus Polymer auf der in d) erhaltenen Struktur, dann Polymerisation dieses Films,

f) Herstellen eines pyroelektrischen Elements (104) in dem pyroelektrischen Film gegenuber eines jeden Elektrodenpaars, und

g) Polarisierung (111) der pyroelektrischen Elemente in einer Ebene, die parallel ist zur Oberfläche der isolierenden Schicht und in Richtungen, die parallel (x) und senkrecht (y) verlaufen zu den Zähnen (110, 112) der Kämme, wobei jedes polarisierte Element und das mit ihm Kontakt habende Elektrodenpaar einen Infrarot-Sensor (102, 102a-102d) bilden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die isolierende Schicht eine Polyimidschicht ist.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß man die Kontaktzonen in der isolierenden Schicht (200, 220, 222, 224) durch lokale chemische Veränderung der genannten Schicht bildet.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der pyroelektrische Film (214) aus Polyvinylidenfluorid ist.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß man die pyroelektrischen Elemente simultan polarisiert, indem man die Elektroden (106, 108) jedes Sensors benutzt, um das Polarisationssignal zu leiten.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (106, 108) gebildet werden durch anisotrope Atzung der leitenden Schicht (208) unter Verwendung einer Ätzmaske (210) von geeigneter Form.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die pyroelektrischen Elemente (104) gebildet werden durch anisotrope Ätzung des pyroelektrischen Films (212) unter Verwendung einer Ätzmaske (214) von geeigneter Form.