EP2238418A1 - Verfahren zur erzeugung von absorptionsschichten auf thermischen strahlungssensoren - Google Patents

Verfahren zur erzeugung von absorptionsschichten auf thermischen strahlungssensoren

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EP2238418A1
EP2238418A1 EP09707036A EP09707036A EP2238418A1 EP 2238418 A1 EP2238418 A1 EP 2238418A1 EP 09707036 A EP09707036 A EP 09707036A EP 09707036 A EP09707036 A EP 09707036A EP 2238418 A1 EP2238418 A1 EP 2238418A1
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EP
European Patent Office
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radiation
absorption
layers
sensitive surface
absorption layer
Prior art date
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Ceased
Application number
EP09707036A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Marco Schossig
Volkmar Norkus
Gerald Gerlach
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Technische Universitaet Dresden
Original Assignee
Technische Universitaet Dresden
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Filing date
Publication date
Application filed by Technische Universitaet Dresden filed Critical Technische Universitaet Dresden
Publication of EP2238418A1 publication Critical patent/EP2238418A1/de
Ceased legal-status Critical Current

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    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F30/00—Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors
    • H10F30/10—Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors the devices being sensitive to infrared radiation, visible or ultraviolet radiation, and having no potential barriers, e.g. photoresistors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
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    • G01J5/34—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors using capacitors, e.g. pyroelectric capacitors

Definitions

  • the invention relates to a method for producing absorption layers on a radiation-sensitive surface of thermal radiation sensors, such as.
  • a radiation-sensitive surface of thermal radiation sensors such as.
  • a pyroelectric sensor a thin-film bolometer or a thermopile sensor, with conventional, productive microelectronic and micromechanical methods are applied and thereby integration into the manufacturing process of thermal radiation sensors is easily possible.
  • the radiation incident on the sensitive surface by the radiating object leads to a temperature change in the sensitive element of the sensor, which is then converted into an equivalent change in the signal voltage, the signal current or the sensor resistance according to the respective sensor principle.
  • the sensitive element In order to achieve the highest possible sensitivity, the sensitive element must have a high absorption capacity for the incident (infrared) radiation.
  • the absorption coefficient of thermal radiation sensors is generally wavelength dependent, and is usually considerably less than 100%.
  • An effective measure for increasing the degree of absorption is the use of an additional absorption layer which absorbs the incident radiation flow as completely as possible and independently of the wavelength and causes a temperature change in the sensitive element by heat conduction.
  • the thermal mass of the absorber should be low compared to that of the sensitive element. According to the prior art, there are various methods for producing such absorption layers. Ultrathin metal layers with adapted sheet resistance, metallic black layers, XIA antireflection layers or XlA structures as well as filled polymer layers are known.
  • the absorptivity of ultrathin matched-sheet metal layers which are easily fabricated using conventional microelectronic processes, achieves an absorption maximum of 50% for a thickness characteristic of each metal.
  • the typical thickness of the electrodes is a few nanometers.
  • the disadvantage is the wavelength-dependent absorption behavior and the relatively low achievable absorption coefficient of typically 50 to 70% in practice.
  • a very high (> 95%) and also spectrally homogeneous absorption have metallic black or soot layers, the z. B. be generated by thermal evaporation of silver, gold, platinum or similar metals in a residual gas atmosphere.
  • these absorption layers commonly used in thermal radiation sensors have many disadvantages. On the one hand, they can not be patterned by photolithographic means, but must be realized by means of vapor masks, whereby the lateral resolution of the structuring is limited to about 20 ⁇ m.
  • absorption layers made in this way are mechanically unstable, i. not smudge-proof, as well as not resistant to moisture and solvents and not stable even under normal humidity. Therefore, they are only applied in the last process step before the housing closure.
  • filled polymer layers can be used which do not have the above-mentioned disadvantages of metallic black layers.
  • a photolithographically structurable paint is mixed with a filler, whereby absorbing properties are obtained in the infrared spectral range.
  • fillers are fine-grained materials, eg. As carbon or metal oxide used.
  • the paint mixture is rolled in the disc association, printed or spin-coated and structured the resulting absorption layer by conventional exposure on photomasks and subsequent development.
  • Absorption layers produced in this way have a high absorption (> 90%), with typical layer thicknesses of 3 to 10 ⁇ m. Disadvantages are the high heat capacity and the low thermal conductivity of these layers, which leads to loss of sensitivity at very low ( ⁇ 10 Hz) or very high (> 100 Hz) modulation frequencies.
  • interference layers are usually used as a multi-layer tempering layers of various oxides and Fluorides applied with very tightly adhering thicknesses on the radiation-receiving surface.
  • the thickness of these layers is generally one quarter of the centroid wavelength of the anti-reflective spectral range. Therefore, these layers are also called ⁇ / 4 antireflection layers or ⁇ / 4 structures.
  • the exact effect is due to the radiation cancellation by interference. In this case, a significant reduction of the total reflection and thus a significant increase in absorption can be achieved.
  • reflections can also be reduced by structuring or roughening the surface.
  • PS US 6,781,128 B2 z. B a ⁇ / 4-antireflection layer described, which additionally has a structuring whose lateral dimensions is smaller than the wavelength of the incident infrared radiation. This structuring reduces the refractive index difference and thus also the degree of reflection. Compared to an unstructured ⁇ / 4 antireflection coating, a broadband antireflection coating is thereby achieved.
  • JP JP 2004045339 A describes a method for structuring an absorption layer. In this case, the absorption layer applied to the radiation-receiving surface is adjusted by means of a chemical etching process in its porosity.
  • the layer can be described by an effective refractive index.
  • the refractive index difference and thus the degree of reflection are also reduced here.
  • the insufficient mechanical durability of these porous absorption layers causes problems.
  • the object is achieved with the method features mentioned in claim 1.
  • Advantageous variants of the method are mentioned in the dependent subclaims.
  • the inventive method is carried out such that first a photolithographically structurable coating layer of a maximum thickness of 3 microns is applied over the entire surface of the radiation-facing sensor surface and exposed by conventional exposure on photomasks and subsequent development of the radiation-sensitive area again.
  • an NiCr layer of a few hundred nanometers in thickness is then deposited under high vacuum at an angle of incidence of preferably greater than 70 °, with the sample rotating at a constant speed.
  • the NiCr layer deposited in this way has a special structure which considerably improves the absorbing properties in the visual and infrared spectral range.
  • the removal of the resist mask is carried out with a solvent, wherein the overlying, deposited NiCr layer is removed and thus remains only in the radiation-sensitive area (so-called lift-off technique).
  • the absorption layer forms by the method according to the invention a structure in the form of club-like nanorods, which are approximately perpendicular to the surface of the radiation-sensitive element, wherein the density and number of nanorods decrease with increasing layer thickness, their diameter and distance, however, increases. As a result, the layer has a porosity which increases along the growth direction of the nanorods.
  • NiCr nickel-chromium layer
  • other materials can be used instead of a NiCr alloy.
  • NiCr alloys are particularly well suited because they are characterized by very good and long-term stable mechanical, electrical and optical properties. In addition, they are very cheap. Application can be found z. B. in thin film resistors or thermal radiation sensors.
  • NiCr absorption layers produced according to the invention are mechanically stable, resistant to moisture and solvents and have long-term stability. Both Alloy components are metals, they also possess a high thermal conductivity. Due to the small layer thickness and high porosity, on the other hand, the thermal mass is very low. In the thermal radiation sensors produced according to the invention, high (> 90%), broadband absorptivities are achieved with layer thicknesses below 1 ⁇ m.
  • Fig. 1 a cross section through a pyroelectric radiation sensor
  • Fig. 2 the black sensitivity Sv (500 K) of a pyroelectric sensor with a 750 nm thick nickel-chromium absorption layer compared to a sensor without an absorption layer
  • Fig. 3 the spectral sensitivity Sv ⁇ (15 Hz) of a pyroelectric sensor with a 750 nm thick nickel-chromium absorption layer compared to a sensor without absorption layer
  • Fig. 4 a principle of the deposition of a nickel-chromium Ab sorption layer
  • Fig. 5 a cross-sectional profile of a nickel-chromium absorption layer
  • Fig. 6 a surface of a 180nm thick nickel-chromium absorption layer
  • Fig. 7 a surface of a 780nm thick Nickel-chromium absorption layer
  • silicone adhesive points connected to a support base plate 1, which has a recess in the middle for better thermal insulation.
  • the volume enclosed between the front electrode 7 and the back electrode 4 is referred to as the radiation-sensitive element and the overlapping surface of both electrodes is referred to as the radiation-sensitive sensor surface.
  • the structured nickel-chromium absorption layer 10 is located on the front electrode 7 of the pyroelectric chip 2 and covers the radiation-sensitive surface.
  • the metal layers for the electrodes 4 and 7 and the absorption layer 10 are photolithographically structured, ie, a full-surface applied, thin layer of a photoresist is exposed via photomasks and then developed before the deposition of the metal layers, by z. B. thermal Evaporation or sputtering, in a high vacuum.
  • the front electrode 7 is connected by a wire contact 8, z. B. ultrasonic bonding, electrically connected to the justifyleitbahn 9 on the support base plate 1.
  • the rear electrode 4 is electrically connected via an electrically conductive adhesive 5 with the Kunststoffleitbahn 6 on the support base plate 1.
  • the pyroelectric chip 2 is fabricated by conventional microelectronic processes. The separation of the pyroelectric chips z.
  • the pyroelectric sensor described is housed together with the preamplifier unit, which is located below the support base plate 1, in a hermetically sealed housing with infrared-transmitting window. Housing, windows and preamplifier are not shown in Fig. 1.
  • Fig. 2 shows the black sensitivity Sv (500 K) and Fig. 3, the spectral sensitivity Sv ⁇ (15 Hz) of a pyroelectric radiation sensor according to the invention with a 750 nm thick NiCr absorption layer in comparison to a sensor without Ab sorptions layer having a mean Has a belt absorption of about 62%. This confirms not only the high degree of absorption (> 90%) but also the broadband absorption behavior of the NiCr absorption layer.
  • NiCr absorption layer takes place at an angle of incidence of preferably greater than 70 ° with simultaneous sample rotation.
  • the principle is shown in Fig. 4.
  • the NiCr particle stream 12 emerging from the evaporator source 11 strikes the sample at the incident angle ⁇ , which is attached to the sample holder 13 and rotates at a constant speed.
  • Typical deposition rates are in the range of (1 ... 5) nm / s at typical rotational speeds of (30 ... 40) rpm.
  • the layers have a special structure in the form of lobe-like nanorods shown in Figs. 5 to 7.
  • the density and number of nanorods decrease with increasing layer thickness, whereas the diameter and distance of the nanorods increase.
  • the layers have a certain porosity, which increases along the growth direction of the nanorods.
  • the produced NiCr absorption layers are nevertheless mechanically stable and resistant to moisture and solvents. LIST OF REFERENCE NUMBERS

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Absorptionsschichten auf einer strahlungsempfindlichen Fläche von thermischen Strahlungssensoren, wie z.B. einen pyroelektrischen Sensor, ein Dünnschichtbolometer oder einen Thermosäulensensor, wobei herkömmliche, produktive Verfahren der Mikroelektronik und Mikromechanik angewendet werden und dadurch eine Integration in den Herstellungsprozess thermischer Strahlungssensoren problemlos möglich ist. Die auf die strahlungsempfindliche Fläche aufgebrachte Absorptionsschicht, vorzugsweise eine Nickel-Chrom-Absorptionsschicht, von einigen hundert Nanometern Dicke weist eine besondere Struktur auf, welche die absorbierenden Eigenschaften im visuellen und infraroten Spektralbereich erheblich verbessert. Die poröse Nickel-Chrom-Absorptionsschicht wird im streifenden Einfall auf ein rotierendes Substrat aufgedampft.

Description

Verfahren zur Erzeugung von Absorptionsschichten auf thermischen Strahlungssensoren
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Absorptionsschichten auf einer strahlungsempfindlichen Fläche von thermischen Strahlungssensoren, wie z. B. einen pyroelektrischen Sensor, ein Dünnschichtbolometer oder einen Thermosäulensensor, wobei herkömmliche, produktive Verfahren der Mikroelektronik und Mikromechanik angewendet werden und dadurch eine Integration in den Herstellungsprozess thermischer Strahlungssensoren problemlos möglich ist.
Bei thermischen Sensoren führt die vom strahlenden Objekt auf die empfindliche Fläche einfallende Strahlung zu einer Temperaturänderung im empfindlichen Element des Sensors, welche dann entsprechend dem jeweiligen Sensorprinzip in eine äquivalente Änderung der Signalspannung, des Signalstromes oder des Sensorwiderstandes umgewandelt wird. Um dabei eine möglichst hohe Empfindlichkeit zu erreichen, muss das empfindliche Element ein hohes Absorptionsvermögen für die einfallende (infrarote) Strahlung besitzen. Der Absorptionsgrad thermischer Strahlungssensoren ist jedoch im Allgemeinen wellenlängenabhängig und zumeist beträchtlich unter 100%. Eine wirksame Maßnahme zur Erhöhung des Absorptionsgrades besteht im Einsatz einer zusätzlichen Absorptionsschicht, die den auftreffenden Strahlungsfluss möglichst vollständig und wellenlängenunabhängig absorbiert und durch Wärmeleitung eine Temperaturänderung im empfindlichen Element hervorruft. Dabei sollte die thermische Masse des Absorbers niedrig gegenüber der des empfindlichen Elementes sein. Nach dem Stand der Technik existieren verschiedene Methoden zur Herstellung derartiger Absorptionsschichten. Bekannt sind ultradünne Metallschichten mit angepasstem Flächenwiderstand, metallische Schwarzschichten, XIA- Antireflexionsschichten bzw. XlA- Strukturen sowie gefüllte Polymerschichten.
Das Absorptionsvermögen ultradünner Metallschichten mit angepasstem Flächenwiderstand, die sich mit herkömmlichen Verfahren der Mikroelektronik sehr einfach herstellen lassen, erreicht bei einer für jedes Metall charakteristischen Dicke ein Absorptionsmaximum von 50%. Dies wird z. B. bei pyroelektrischen Sensoren mit beidseitig aufgebrachten Elektroden, deren Überlappungsfläche das strahlungsempfindliche Gebiet definiert, ausgenutzt, um die Absorption, welche nur im pyroelektrischen Material und den Elektroden stattfindet, zu maximieren. Die typische Dicke der Elektroden beträgt dabei wenige Nanometer. Nachteilig sind allerdings das wellenlängenabhängige Absorptionsverhalten und der in der Praxis relativ geringe, erreichbare Absorptionsgrad von typisch 50 bis 70%.
Eine sehr hohe (> 95%) und auch spektral homogene Absorption weisen metallische Schwarz- bzw. Rußschichten auf, die z. B. durch thermisches Verdampfen von Silber, Gold, Platin oder ähnlichen Metallen in einer Restgasatmosphäre erzeugt werden. Diese üblicherweise bei thermischen Strahlungssensoren angewendeten Absorptionsschichten besitzen jedoch viele Nachteile. Zum einen sind sie nicht auf fotolithografischem Wege strukturierbar, sondern müssen mittels Durchdampfmasken realisiert werden, wodurch die laterale Auflösung der Strukturierung auf etwa 20 μm begrenzt ist. Zum anderen sind auf diese Weise hergestellte Absorptionsschichten mechanisch instabil, d.h. nicht wischfest, sowie nicht feuchtigkeits- und lösungsmittelbeständig und selbst unter normaler Luftfeuchtigkeit nicht langzeitstabil. Deshalb werden sie erst im letzten Prozessschritt vor dem Gehäuseverschluss aufgebracht.
Alternativ lassen sich gefüllte Polymerschichten verwenden, welche nicht die oben aufgeführten Nachteile von metallischen Schwarzschichten besitzen. Wie z. B. in der OS DE 42 21 037 Al beschrieben, wird dabei ein fotolithografisch strukturierbarer Lack mit einem Füllstoff vermischt, wodurch absorbierende Eigenschaften im infraroten Spektralbereich erhalten werden. Als Füllstoffe kommen feinkörnige Materialen, z. B. Kohlenstoff oder Metalloxid, zum Einsatz. Das Lackgemisch wird im Scheibenverband aufgewalzt, aufgedruckt oder aufgeschleudert und die dadurch entstehende Absorptionsschicht durch übliches Belichten über Fotomasken und anschließendes Entwickeln strukturiert. Derart hergestellte Absorptionsschichten weisen eine hohe Absorption (> 90%) auf, bei typischen Schichtdicken von 3 bis 10 μm. Nachteilig sind die hohe Wärmekapazität sowie die geringe Wärmeleitfähigkeit dieser Schichten, was zu Empfϊndlichkeitsverlusten bei sehr niedrigen (< 10 Hz) respektive sehr hohen (> 100 Hz) Modulationsfrequenzen führt.
Ein Hauptproblem bei der Erhöhung der Sensorleistung sind Reflexionen von der Strahlungsempfangenden Sensoroberfläche. Eine wirksame Maßnahme zur Verringerung dieser Reflexionen und daraus resultierenden Erhöhung der Absorption besteht im Aufbringen optischer Interferenzschichten. Wie z. B. in der EP 0 253 002 Al beschrieben, werden solche Interferenzschichten meist als viellagige Vergütungsschichten aus verschiedenen Oxiden und Fluoriden mit sehr genau einzuhaltenden Dicken auf die Strahlungsempfangende Oberfläche aufgebracht. Die Dicke dieser Schichten beträgt im Allgemeinen ein Viertel der Schwerpunktwellenlänge des zu entspiegelnden Spektralbereiches. Deshalb werden diese Schichten auch λ/4-Antireflexionsschichten bzw. λ/4- Strukturen genannt. Die genaue Wirkung ergibt sich auf Grund der Strahlungsauslöschung durch Interferenz. Dabei kann eine erhebliche Verringerung der Gesamtreflexion und damit eine deutliche Erhöhung der Absorption erreicht werden. Der entscheidende Nachteil liegt darin, dass dies nur für einen eingeschränkten, engen Spektralbereich möglich ist, wie es beispielsweise aus der PS US 2004/0256559 Al hervorgeht. Hier wird die Verwendung einer Antireflexionsschicht aus Siliziumdioxid (SiO2) vorgeschlagen, um die Reflexionen von der Strahlungsempfangenden Sensoroberfläche im infraroten Wellenlängenbereich von 8...12 μm zu vermindern.
Alternativ lassen sich Reflexionen aber auch durch eine Strukturierung bzw. Aufrauhung der Oberfläche verringern. In der PS US 6 781 128 B2 wird z. B. eine λ/4-Antireflexionsschicht beschrieben, die zusätzlich eine Strukturierung besitzt, deren laterale Abmaße kleiner als die Wellenlänge der einfallenden Infrarotstrahlung ist. Durch diese Strukturierung verringert sich der Brechungsindexunterschied und damit auch der Reflexionsgrad. Gegenüber einer unstrukturierten λ/4-Antireflexionsschicht wird dadurch eine breitbandigere Entspiegelung erreicht. Des Weiteren beschreibt die PS JP 2004045339 A eine Methode zur Strukturierung einer Absorptionsschicht. Dabei wird die auf die Strahlungsempfangende Oberfläche aufgebrachte Absorptionsschicht mittels eines chemischen Ätzprozesses in ihrer Porosität eingestellt. Für Strahlung mit größeren Wellenlängen als der Durchmesser der Poren kann dabei die Schicht durch einen effektiven Brechungsindex beschrieben werden. Durch die Strukturierung verringert sich auch hier der Brechungsindexunterschied und somit der Reflexionsgrad. Ähnlich wie bei den Metallschwarzschichten bereitet die unzureichende mechanische Beständigkeit dieser porösen Absorptionsschichten Probleme.
Es ist daher Aufgabe dieser Erfindung, ein Verfahren zur Erzeugung einer Absorptionsschicht auf einer strahlungsempfindlichen Fläche von thermischen Strahlungssensoren anzugeben, die ein möglichst hohes, breitbandiges und spektral homogenes Absorptionsverhalten besitzt, komplett mit herkömmlichen, produktiven Verfahren der Mikroelektronik und Mikromechanik herstellbar ist und nicht die oben aufgeführten Nachteile üblicher Absorptions- bzw. Antireflexionsschichten besitzt. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit den im Anspruch 1 genannten Verfahrensmerkmalen gelöst. Vorteilhafte Varianten des Verfahrens sind in den abhängigen Unteransprüchen genannt.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird derart durchgeführt, dass zunächst eine fotolithografisch strukturierbare Lackschicht von maximal 3 μm Dicke ganzflächig auf der strahlungszugewandten Sensoroberfläche aufgebracht wird und durch übliches Belichten über Fotomasken und anschließendes Entwickeln der strahlungsempfmdliche Bereich wieder freigelegt wird. Auf die so strukturierte Sensoroberfläche wird dann im Hochvakuum unter einem Einfallswinkel von vorzugsweise größer 70° eine NiCr-Schicht von wenigen hundert Nanometern Dicke abgeschieden, wobei die Probe mit konstanter Geschwindigkeit rotiert. Die auf diese Weise abgeschiedene NiCr-Schicht weist eine besondere Struktur auf, welche die absorbierenden Eigenschaften im visuellen und infraroten Spektralbereich erheblich verbessert. Die Entfernung der Lackmaske erfolgt mit einem Lösungsmittel, wobei auch die darüber liegende, abgeschiedene NiCr-Schicht entfernt wird und somit nur im strahlungsempfindlichen Bereich vorhanden bleibt (sogenannte Lift-off-Technik).
Die Absorptionsschicht bildet durch das erfindungsgemäße Verfahren eine Struktur in Form keulenartiger Nanostäbchen aus, die annähernd senkrecht auf der Oberfläche des strahlungsempfindlichen Elementes stehen, wobei Dichte und Anzahl der Nanostäbchen sich mit zunehmender Schichtdicke verringern, ihr Durchmesser und Abstand sich jedoch vergrößert. Dadurch weist die Schicht eine Porosität auf, die entlang der Wachstumsrichtung der Nanostäbchen zunimmt.
Vorzugsweise wird als Absorptionsschicht eine Nickel-Chrom-Schicht (NiCr) ausgebildet, wobei anstelle einer NiCr-Legierung aber auch andere Materialien verwendet werden können. NiCr-Legierungen eignen sich jedoch besonders gut, da sie sich durch sehr gute und langzeitstabile mechanische, elektrische als auch optische Eigenschaften auszeichnen. Zudem sind sie sehr preiswert. Anwendung finden sie z. B. in Dünnschichtwiderständen oder thermischen Strahlungssensoren.
Die erfindungsgemäß hergestellten NiCr-Absorptionsschichten sind mechanisch stabil, feuchtigkeits- und lösungsmittelbeständig sowie langzeitstabil. Da beide Legierungsbestandteile Metalle sind, besitzen sie auch eine hohe Wärmeleitfähigkeit. Durch die geringe Schichtdicke und hohe Porosität ist andererseits die thermische Masse sehr gering. In den erfindungsgemäß hergestellten thermischen Strahlungssensoren werden hohe (> 90%), breitbandige Absorptionsgrade bei Schichtdicken unter 1 μm erreicht.
Ein Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung wird anhand der folgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Abb. 1: einen Querschnitt durch einen pyroelektrischen Strahlungssensor
Abb. 2: die schwarze Empfindlichkeit Sv(500 K) eines pyroelektrischen Sensors mit einer 750 nm dicken Nickel-Chrom-Absorptionsschicht im Vergleich zu einem Sensor ohne Absorptionsschicht
Abb. 3: die spektrale Empfindlichkeit Svλ(15 Hz) eines pyroelektrischen Sensors mit einer 750 nm dicken Nickel-Chrom-Absorptionsschicht im Vergleich zu einem Sensor ohne Absorptionsschicht
Abb. 4: ein Prinzip der Abscheidung einer Nickel-Chrom- Ab Sorptionsschicht Abb. 5: ein Querschnittsprofil einer Nickel-Chrom- Absorptionsschicht Abb. 6: eine Oberfläche einer 180nm dicken Nickel-Chrom- Absorptionsschicht Abb. 7: eine Oberfläche einer 780nm dicken Nickel-Chrom- Absorptionsschicht
Beim in Abb. 1 dargestellten pyroelektrischen Strahlungssensor ist der pyroelektrische Chip 2 mit Frontelektrode 7 und Rückelektrode 4 an seinen Eckpunkten elastisch über eine hoch isolierende Chipaufhängung 3, z. B. Silikonklebepunkte, mit einer Trägergrundplatte 1 verbunden, die in der Mitte eine Aussparung zur besseren thermischen Isolation besitzt. Das Volumen, welches zwischen Frontelektrode 7 und Rückelektrode 4 eingeschlossen ist, wird als strahlungsempfindliches Element und die Überlappungsfläche beider Elektroden als strahlungsempfindliche Sensorfläche bezeichnet. Die strukturierte Nickel-Chrom- Absorptionsschicht 10 befindet sich auf der Frontelektrode 7 des pyroelektrischen Chips 2 und bedeckt die strahlungsempfindliche Fläche. Die Metallschichten für die Elektroden 4 und 7 sowie die Ab sorptions Schicht 10 werden fotolithografisch strukturiert, d.h. eine ganzflächig aufgebrachte, dünne Schicht eines Fotolackes wird über Fotomasken belichtet und anschließend entwickelt, bevor das Abscheiden der Metallschichten, durch z. B. thermisches Verdampfen oder Sputtern, im Hochvakuum erfolgt. Die Frontelektrode 7 wird durch eine Drahtkontaktierung 8, z. B. Ultraschallbonden, mit der Kontaktleitbahn 9 auf der Trägergrundplatte 1 elektrisch verbunden. Die Rückelektrode 4 ist über einen elektrisch leitfähigen Kleber 5 mit der Kontaktleitbahn 6 auf der Trägergrundplatte 1 elektrisch verbunden. Vor dem Aufkleben und Bonden wird der pyroelektrische Chip 2 mit herkömmlichen Verfahren der Mikroelektronik hergestellt. Das Vereinzeln der pyroelektrischen Chips erfolgt z. B. durch Diamanttrennsägen. Wie üblich ist der beschriebene pyroelektrische Sensor zusammen mit der Vorverstärkereinheit, welche sich unterhalb der Trägergrundplatte 1 befindet, in einem hermetisch dichten Gehäuse mit infrarotdurchlässigem Fenster untergebracht. Gehäuse, Fenster und Vorverstärker sind nicht in der Abb. 1 dargestellt.
Abb. 2 zeigt die schwarze Empfindlichkeit Sv(500 K) und Abb. 3 die spektrale Empfindlichkeit Svλ(15 Hz) eines erfindungsgemäßen, pyroelektrischen Strahlungssensors mit einer 750 nm dicken NiCr-Absorptionsschicht im Vergleich zu einem Sensor ohne Ab sorptions Schicht, der einen mittleren Bandabsorptionsgrad von etwa 62% besitzt. Damit werden nicht nur der hohe Absorptionsgrad (> 90%) sondern auch das breitbandige Ab sorptions verhalten der NiCr-Absorptionsschicht bestätigt.
Die Abscheidung einer NiCr-Absorptionsschicht erfolgt unter einem Einfallswinkel von vorzugsweise größer 70° mit gleichzeitiger Probenrotation. Das Prinzip ist in Abb. 4 dargestellt. Der aus der Verdampferquelle 11 heraustretende NiCr-Teilchenstrom 12 trifft unter dem Einfallswinkel θ auf die Probe, die an der Probenhalterung 13 befestigt ist und mit konstanter Geschwindigkeit rotiert. Typische Abscheideraten liegen im Bereich von (1...5) nm/s bei typischen Rotationsgeschwindigkeiten von (30...40) U/min.' Die Schichten weisen eine spezielle Struktur in Form keulenartiger Nanostäbchen auf, die in den Abb. 5 bis 7 dargestellt ist. Dabei verringern sich Dichte und Anzahl der Nanostäbchen mit zunehmender Schichtdicke, wohingegen sich Durchmesser und Abstand der Nanostäbchen vergrößern. Dadurch besitzen die Schichten eine gewisse Porosität, die entlang der Wachstumsrichtung der Nanostäbchen zunimmt. Die hergestellten NiCr-Absorptionsschichten sind dennoch mechanisch stabil sowie feuchtigkeits- und lösungsmittelbeständig. Bezugszeichenliste
1 Trägergrundplatte
2 pyroelektrischer Chip
3 Chipaufhängung
4 Rückelektrode
5 elektrisch leitfähiger Kleber
6 Kontaktleitbahn
7 Frontelektrode
8 Drahtkontaktierung
9 Kontaktleitbahn
10 Nickel-Chrom- Absorptionsschicht
11 Verdampferquelle
12 NiCr-Teilchenstrom
13 Probenhalterung

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Erzeugung von Absorptionsschichten auf einer strahlungsempfindlichen Fläche von thermischen' Strahlungssensoren, insbesondere von pyroelektrischen Sensoren, wobei auf der strahlungsempfmdlichen Fläche eine fotolithografisch strukturierbare Lackschicht aufgebracht und ein strahlungsempfindlicher Bereich freigelegt wird, die gesamte strahlungsempfindliche Fläche mit einer strukturierbaren, haftfesten Absorptionsschicht von einigen hundert Nanometern Dicke bedeckt wird, die durch Verdampfen von Material im Hochvakuum unter einem Einfallswinkel zur Oberflächennormalen der strahlungsempfindlichen Fläche abgeschieden wird, während des Verdampfens der Strahlungssensor mit konstanter Geschwindigkeit rotiert, so dass sich die Absorptionsschicht mit einer Struktur in Form keulenartiger Nanostäbchen ausbildet, deren Porosität entlang der Wachstumsrichtung der Nanostäbchen zunimmt, und verbliebene Lackschichten von der strahlungsempfindlichen Fläche abgelöst werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Nickel-Chrom- Legierung im Hochvakuum verdampft wird, so dass eine Nickel-Chrom- Absorptionsschicht abgeschieden wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Einfallswinkel zur Oberflächennormalen der Probe von größer als 70° während der Abscheidung eingehalten wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Abscheidung mit einer Abscheiderate von 1 bis 5 nm/s erfolgt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlungssensor mit einer Geschwindigkeit von 30 bis 40 U/min während der Abscheidung rotiert.
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