DE9301622U1

DE9301622U1 - Strahlungssensor

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Publication number: DE9301622U1
Application number: DE9301622U
Authority: DE
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1993-02-05
Filing date: 1993-02-05
Publication date: 1993-04-01
Anticipated expiration: 2003-02-06

Description

Strahlungssensor Beschreibung

Die vorliegende Neuerung betrifft einen Strahlungssensor mit einem ersten Wafer, der auf seiner Vorderseite eine ein Sensorelement tragende Membran aufweist, die eine vorderseitige Ätzausnehmung des ersten Wafers zumindest teilweise überspannt, mit einem Gehäuseteil zum hermitischen Abschluß des Sensorelementes, das an dem ersten Wafer befestigt ist, nach dem Oberbegriff des Schutzanspruchs 1.

Strahlungssensoren, welche auch als Strahlungstermometer oder als Wärmestrahlungssensor bezeichnet werden haben typischerweise einen rahmenförmigen Körper, der von einer Membran überspannt ist, auf der eine Mehrzahl von Sensorelementen angeordnet sind.

Die europäische Patentschrift 277124 zeigt einen derartigen Wärmestrahlungssensor, bei dem der Rahmen durch einen Kunststoffrahmen gebildet ist, auf dem eine Abdeckung aus Glas oder einer Folie aufgebracht ist, wobei der Rahmen ein membranartig dünnes Keramiksubstrat trägt, auf dem die eigentlichen Sensorelemente angeordnet sind. Ein derartiger Strahlungssensor wird üblicherweise in ein Gehäuse eingebracht, das mit dem Rahmen üblicherweise durch eine Klebung verbunden wird.

Aus der EP-453372-A1 ist bereits ein Strahlungssensor der eingangs genannten Art bekannt, bei dem der Trägerkörper durch einen Wafer gebildet ist, der auf seiner Vorderseite eine Membran trägt, die beispielsweise aus einem Siliziumnitridfilm gebildet ist. Dieser Wafer hat eine vorderseitige Ätzausnehmung unterhalb der Membran, so daß die Membran den

Wafer an dessen Vorderseite in einer diese vorderseitige Ätzausnehmung teilweise überdeckenden Weise überspannt. Auf der Membran sind die temperaturempfindlichen Elemente angebracht, welche beispielsweise eine Thermosäule miteinander bilden.

Dieser Wafer wird zur Erzeugung eines Strahlungssensors mit Epoxidharz oder einem anderen Klebemittel mit einem Anschlußleitungssubstrat in einer Vakuumumgebung verbunden (vgl. Spalte 8, Zeilen 1 bis 17 dieser Schrift) . Der Wafer hat auf der der Membran abgewandten Rückseite in einer Reflektorfilmmaske ein Fenster, durch welches die zu erfassende Strahlung nach Durchlaufen des Wafers die Sensorelemente erreicht. Das Substrat wird in seiner Dickenrichtung von Anschlußleitungen durchsetzt, die zur Kontaktierung von Leiterbahnen an dem Wafer dienen, welche mit den Sensorelementen in Verbindung stehen.

Die Herstellung dieser den Wafer tragenden Substratstruktur mit der darin eingebetteten Leiterbahnenanordnung ist aufwendig. Der erforderliche Klebeprozeß mittels Epoxidharzen zur Verbindung des Wafers gegenüber dem Substrat läßt sich nur schwer in eine Großserienfertigung einbinden. Als nachteilig muß es ferner betrachtet werden, daß es bei der Befestigung des Wafers gegenüber dem Substrat mittels der Epoxidharzverklebung zu unerwünschten Spannungen in der empfindlichen Membran kommen kann, welche mit einem Membranbruch einhergehen können. Aufgrund des Erfordernisses des genauen Ausrichtens des Substrates gegenüber dem Wafer bei der gegenseitigen Verklebung sind der Miniaturisierung dieses Sensors Grenzen gesetzt.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Neuerung daher die Aufgabe zugrunde, einen Strahlungssensor anzugeben, der bei einfacher Herstellbarkeit eine weitere Minaturisierung zuläßt.

Diese Aufgabe wird durch einen Strahlungssensor gemäß An-

spruch 1 gelöst.

Der neuerungsgemäße Strahlungssensor hat anstelle einer separaten Gehäusestruktur, die beim Stand der Technik zur Aufnahme des rahmenartigen Tragkörpers zum Halten der Membran verwendet wird, einen zweiten Wafer, der mit dem ersten Wafer in einer die Membran überdeckenden Weise verbunden ist und der im Bereich des Sensorelementes eine zweite Ätzausnehmung hat. Vorzugsweise sind die beiden Wafer durch Waferbonden ihrer Vorderseiten miteinander verbunden.

Eine besonders einfache Kontaktierung des Sensorelementes wird dadurch erreicht, daß der erste Wafer Leiterbahnen aufweist, die sich auf der Membran von dem Sensorelement bis zu einer außerhalb der Ätzanordnung liegenden Anschlußstelle erstreckt, und daß die Anschlußstelle als ein Bondpad ausgebildet ist, wobei der zweite Wafer eine sich von dessen Rückseite bis zu dessen Vorderseite erstreckende dritte Ätzausnehmung hat, die eine Kontaktierung des Bondpads von der Rückseite des zweiten Wafers aus ermöglicht.

Eine separate Halterung einer optischen Filterstruktur wird dadurch vermieden, daß das optische Filter mit einem der Wafer verbunden ist. Vorzugsweise geschieht dies dadurch, daß das optische Filter durch eine optisch filternde Schicht gebildet ist, die an der dem ersten Wafer abgewandten Hauptfläche des zweiten Wafers vorgesehen ist.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des neuerungsgemäßen Strahlungssensors wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die einzige Fig. näher beschrieben. Es zeigt:

Die Fig.: eine Querschnittsdarstellung einer bevorzugten Ausführungsform eines neuerungsgemäßen Strahlungssensors.

Der Strahlungssensor umfaßt einen ersten Wafer I und einen zweiten Wafer 2. Der erste Wafer I trägt auf seiner Vorder-

seite eine Siliziumnitrid-Membran M, auf der eine Mehrzahl von Sensorelementen S angeordnet sind. Die Membran überspannt eine vorderseitige Ätzausnehmung des ersten Wafers I in Form einer Brücke. Die Sensorelemente S sind von einem Absorber A umschlossen.

Wie für den Fachmann offenkundig ist, wird eine derartige Struktur erzeugt, in dem auf einem Wafer eine Siliziumnitridschicht, die die spätere Membran M bildet, abgeschieden wird, welche photolitographisch strukturiert wird. Ausgehend von den photolitographisch gebildeten Ausnehmungen in der Siliziumnitridschicht wird die Ausnehmung geätzt.

Wie an sich im Stand der Technik bekannt ist, können die Sensorelemente S durch Paare von sich auf der Membran M kontaktierenden Streifen aus Metall und p⁺-Silizium gebildet werden, welche eine elektrische Spannung erzeugen, die von der Temperatur des Metall-p⁺-Silizium-Kontaktes abhängen. Die so gebildeten Bahnen der Sensorelemente S erstrecken sich auf der Membran M bis zu Anschlußstellen, die als sogenannte Bondpads B ausgebildet sind.

Der zweite Wafer weist im Bereich der Membran M an seiner Vorderseite eine Ausnehmung auf, die mit der Ausnehmung des ersten Wafers 1 korrespondiert. Die beiden Wafer I, 2 sind vorzugsweise durch vorderseitiges Waferbonden miteinander verbunden, so daß sie ein hermetisch abschließendes Gehäuse für die Sensorelemente S bilden. Im Bereich des Bondpads B weist der zweite Wafer 2 eine sich von dessen Rückseite bis zu seiner Vorderseite erstreckende Ätzausnehmung auf, die eine Kontaktierung des Bondpads B von der Rückseite des zweiten Wafers 2 aus ermöglicht. Auf der Rückseite des zweiten Wafers 2 ist eine optische Filterschicht F abgeschieden.

Die sich so ergebende integrierte Strahlungssensorstruktur in Form eines sogenannten Thermopiles kann als Mikrosystemtechnisch integriertes Infrarotmeßsystem verwendet werden, bei dem eine teuere und fertigungstechnisch aufwendige sepa-

rate Gehäusung entfällt und standardisierte und einfach Prozesse der Halbleitertechnologie zur Fertigung des Gesamtsysteities verwendet werden können.

Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel besteht die Membran aus Siliziumnitrid. Für den Fachmann ist es offenkundig, daß andere isolierende Membranmaterialien, wie beispielsweise Siliziumcarbid, gleichfalls in Betracht kommen.

Das bevorzugte Ausführungsbeispiel hat die Form eines Thermopiles. Gleichfalls kann der neuerungsgemäße Sensor als Bolometer ausgeführt sein.

Claims

Schut &zgr; ansprüche

1. Strahlungssensor

mit einem ersten Wafer (1), der auf seiner Vorderseite eine ein Sensorelement (S) tragende Membran (M) aufweist, die eine vorderseitige Ätzausnehmung des ersten Wafers zumindest teilweise überspannt, und

mit einem Gehäuseteil zum hermetischen Abschluß des Sensorelementes (S) , das an dem ersten Wafer (I) befestigt ist,

dadurch gekennzeichnet,

daß das Gehäuseteil durch einen zweiten Wafer (2) gebildet ist, der mit dem ersten Wafer (1) in einer die Membran (M) überdeckenden Weise verbunden ist und der im Bereich des Sensorelementes (S) eine weitere Ätzausnehmung hat.

2. Strahlungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß die Ätzausnehmung des zweiten Wafers (2) an dessen Vorderseite angeordnet ist; und

daß der zweite Wafer (2) an dem ersten Wafer (I) durch Bonden der jeweiligen Vorderseiten der Wafer (I, 2) befestigt ist.

3. Strahlungssensor nach Anspruch 1 oder 2, dadruch gekennzeichenet,

daß der erste Wafer (1) Leiterbahnen aufweist, die sich auf der Membran (M) von dem Sensorelement (S) bis zu

einer außerhalb der Ätzausnehmung des ersten Wafers (I) liegenden Anschlußstelle (B) erstrecken.

4. Strahlungssensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußstelle ein Bondpad B ist; und

daß der zweite Wafer (2) eine sich von dessen Rückseite bis zu dessen Vorderseite erstreckende dritte Ätzausnehmung hat, die eine Kontaktierung des Bondpads (B) von der Rückseite des zweiten Wafers (2) aus ermöglicht.

5. Strahlungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis, gekennzeichnet durch

ein optisches Filter (F) , das mit einem der Wafer (I, 2) verbunden ist.

6. Strahlungssensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,

daß das optische Filter durch eine optisch filternde Schicht (F) an der dem ersten Wafer (I) abgewandten Hauptfläche des zweiten Wafers (2) gebildet ist.