WO2009083181A1 - Vorrichtung zur detektion von wärmestrahlung mit einem pyroelektrischen detektor-array, verfahren zum herstellen und verwendung der vorrichtung - Google Patents

Vorrichtung zur detektion von wärmestrahlung mit einem pyroelektrischen detektor-array, verfahren zum herstellen und verwendung der vorrichtung Download PDF

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WO2009083181A1
WO2009083181A1 PCT/EP2008/010903 EP2008010903W WO2009083181A1 WO 2009083181 A1 WO2009083181 A1 WO 2009083181A1 EP 2008010903 W EP2008010903 W EP 2008010903W WO 2009083181 A1 WO2009083181 A1 WO 2009083181A1
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layer
substrate
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lower electrode
substrate surface
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PCT/EP2008/010903
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Carsten Giebeler
Matthias Schreiter
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Pyreos Ltd.
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    • 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
    • G01J5/10—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors
    • G01J5/34—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors using capacitors, e.g. pyroelectric capacitors

Definitions

  • Apparatus for detecting thermal radiation with a pyroelectric detector array method of making and using the apparatus
  • the invention relates to a device for detecting thermal radiation.
  • a method of manufacturing the device and a use of the device are given.
  • a device for detecting heat radiation is known, for example, from DE 100 04 216 A1.
  • This device is called a pyrodetector.
  • the pyrodetector has a pyroelectric detector element in a Dunnschichrbauweise with two electrode layers and arranged between the electrode layers pyroelectric layer with pyroelektrisen sensitive material. This material is ferroelectric lead zirconate titanate (PZT).
  • the electrode layers consist, for example, of platinum or of a heat radiation absorbing chromium-nickel alloy. The layers are applied by gas phase deposition (vapor deposition).
  • the pyroelectrical detector element is on a
  • Substrate surface of a substrate (detector element carrier) applied from silicon. Between the detector element and the substrate, an insulating layer for electrical and thermal insulation of the detector element and the substrate is arranged from each other.
  • the insulation layer has an evacuated cavity which extends over a base area of the detector element, a lintel layer of the cavity and a cover of the support layer and the cavity.
  • the support layer is made of polysilicon.
  • the cover is made of Boron Phosphorus Silicate Glass (BPSG).
  • BPSG Boron Phosphorus Silicate Glass
  • a readout circuit is integrated in the substrate.
  • the Readout circuit is realized by the CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductors) technique.
  • a comparable device for the detection of thermal radiation is known from DE 195 25 071 Al.
  • the pyroelectric detector element is arranged on a multilayer substrate.
  • One of the layers of the substrate is an electrically insulating membrane.
  • the membrane consists for example of a - triple layer.
  • the membrane forms the substrate surface of the substrate on which the detector element is applied.
  • a plurality of detector elements may be present (detector element array).
  • the detector elements are arranged as close to each other as possible.
  • the closer the detector elements are to each other the higher the likelihood of thermal "crosstalk.”
  • the high resolution desired is lost, so the detector elements are thermally completely separated, which is very expensive in the manufacturing process as the detector elements are assembled separately Alternatively, the detector elements are separated after making the layers.
  • the object of the invention is to provide a compact device for detecting thermal radiation, which is easy to produce compared to the prior art.
  • a device for detecting thermal radiation with a substrate having a substrate surface, a arranged on the substrate surface pyroelectric detector element in Dunn harshbauweise with a substrate surface facing lower electrode layer, an upper surface remote from the substrate surface and a disposed between the electrode layers pyroelectric active layer , at least one on the substrate surface next to the pyroelectric detector element arranged further pyroelectric detector element in thin-film construction with one of the substrate surface facing further lower electrode layer, one of the substrate surface facing away from another upper electrode layer and one between the other
  • Specified electrode layers arranged further pyroelectric active layer, wherein the lower electrode layers of the detector elements are electrically isolated from each other and the pyroelectric active layers of the detector elements are formed by a continuous ceramic layer.
  • a vapor deposition method is performed for disposing the lower electrode layers, the ceramic layer and / or the upper electrode layer.
  • the gas phase deposition process is selected in particular from the group PVD (Physical Vapor Deposition) and / or CVD (Chemical Vapor Deposition).
  • PVD Physical Vapor Deposition
  • CVD Chemical Vapor Deposition
  • a sputtering or sputtering in question for example, a coherent metal layer is first deposited for the lower electrode layers. In order to separate the lower electrode layers, trenches are subsequently introduced into the continuous metal layer.
  • the heat radiation to be detected has a wavelength of more than 1 ⁇ m.
  • the wavelength is out of range selected from 5 to 15 ⁇ m.
  • the pyroelectric detector element consists of a pyroelectric layer with a pyroelectric sensitive material and electrode layers attached on both sides.
  • the pyroelectric sensitive material is, for example, a ceramic such as lithium niobate (LiNbO 3 ).
  • the pyroelectric sensitive material is lead zirconate titanate having a perovskite structure.
  • electrode material of the electrode layers for example, platinum or a platinum alloy in question.
  • the detector element and / or the further detector element have, for example, a rectangular base area with an edge length of 10 ⁇ m to 200 ⁇ m.
  • edge lengths for example 5 ⁇ m or even higher edge lengths of up to 400 ⁇ m are also conceivable.
  • An element pitch is 20 ⁇ m to 400 ⁇ m. Greater distances are also conceivable.
  • a multiplicity of pyroelectric detector elements can be arranged next to one another on the substrate surface.
  • the basic idea of the invention is to start from a structured lower electrode layer.
  • the coherent ceramic layer is applied to the structured lower electrode layer.
  • the upper electrode layers are applied. Due to the structuring of the lower electrode layer, separately controllable, pyroelectric detector elements are obtained.
  • the ceramic layer is not patterned after its application. A resulting (low) thermal coupling of the resulting detector elements across the ceramic layer is accepted. Since the ceramic layer does not have to be subsequently processed, for example by creating trenches, the production process is simplified drastically.
  • the substrate is a silicon substrate, on which a membrane is applied, which forms the substrate surface on which the detector elements are arranged.
  • the membrane consists of a membrane layer or of multiple membrane layers.
  • the membrane layer is made of silicon dioxide (SiO 2 ) or silicon nitride (Si 3 N 4 ).
  • SiO 2 silicon dioxide
  • Si 3 N 4 silicon nitride
  • the upper electrode layers are preferably thin because of the lowest possible heat capacity. In a particular embodiment, therefore, the upper electrode layers have a layer thickness in the range of 2 nm to 10 nm. Larger layer thicknesses are also conceivable.
  • the upper electrode layers may be electrically isolated from each other. In connection with small layer thicknesses, separating the upper electrode layers is not very complicated. It is also conceivable that the upper electrode layers are not electrically isolated from each other, so are electrically connected to each other. In a particular embodiment, therefore, the upper electrode layers are formed by a continuous metal layer. Especially with the small layer thicknesses given above, there is hardly any thermal coupling between the detector elements. Since the lower electrode layer and the further lower electrode layer are electrically isolated from each other, despite the contiguous metal layer for the upper
  • Electrode layers are independently obtained via the lower electrode layers controllable detector elements.
  • the lower electrode layers can be optimized for the application of the ceramic layer and, for example, be relatively thick compared to the upper electrode layers. In a particular embodiment, therefore, have the lower
  • the layer thicknesses of the lower The electrode layer and the further lower electrode layer are preferably approximately equal. But they can also be different.
  • Electrode layer platinum preferably platinum with a 111 orientation with respect to the substrate surface.
  • the ceramic layer preferably has PZT.
  • Electrode layers then forms the ceramic layer or the pyroelectric active layer with the pyroelectric sensitive material.
  • the temperature of the substrate during application for example by sputtering, is 45O 0 C to 60O 0 C.
  • the substrate and the lower electrode layers are uniformly tempered during the arrangement of the ceramic layer, so that substantially no temperature gradient occurs in the substrate and in the lower electrode layers.
  • the substrate and electrode layers are substantially at the same temperature during application. Differences of up to 2% can be tolerated. It has been shown that, in particular in the case of deposition of the PZT on platinum, little or no temperature differences have a positive effect on the formation of the ferroelectric and thus pyroelectrically active PZT with perovskite structure. At least PZT with perovskite structure is formed on the lower electrode layers. Between the lower electrode layers occur other phases, such as a non-ferroelectric pyrochlore phase. However, these additional phases are largely limited to the spaces between the lower electrode layers.
  • a substrate with at least one absorber layer for the absorption of tempering heat radiation is used according to a particular embodiment, the one of the substrate surface facing away from the substrate and is thermally conductively connected to the substrate, and for controlling the temperature of the substrate, the absorber layer is irradiated with tempering heat radiation.
  • the heat absorbed by the absorber layer is transferred by means of heat conduction to the substrate and thus to the lower electrode layers.
  • the substrate is heated uniformly. There is almost no difference in temperature.
  • Suitable absorber material are materials that the
  • the absorber layer may remain on the substrate surface after application of the ceramic layer on the substrate surface.
  • the absorber layer is preferred but after application of the
  • the device is used as a motion detector, as a presence detector and / or as a thermal imaging camera.
  • the device is equipped with a variety of detector elements, such as 240 X 320 detector elements (QVGA standard) and more.
  • the device for detecting heat radiation is compact.
  • the device for detecting thermal radiation is presented below on the basis of an example of an embodiment and the associated figures.
  • the figures are schematic and do not represent true to scale figures.
  • FIG. 1 shows a device for detecting thermal radiation in a lateral cross-section.
  • Figure 2 shows schematically a method of manufacturing the device
  • FIG. 3 shows a pyroelectric detector element m with a lateral cross section.
  • the device 1 for detecting thermal radiation has a substrate 10 with a membrane 101, on which a thermal detector element 11 and at least one further thermal detector element 12 are applied.
  • the substrate is a silicon substrate 100.
  • the thermal detector elements are arranged to a detector element array 110 on the surface portion 102 of the membrane.
  • the detector elements 11 and 12 are Pyroelekt ⁇ sche detector elements m Dunn Anlagenbauweise each having an upper electrode layer 112 and 122, each having a lower electrode layer 114 and 124 and each one arranged between the electrode layers pyroelectric layer 113th and 123 ( Figure 3).
  • the pyroelectric layer is in each case an approximately 1 ⁇ m thick layer of PZT as a pyroelectric sensitive material.
  • the electrode layers are made of platinum.
  • the membrane 101 is a SiO 2 / Si 3 N 4 / SiO 2 triple layer.
  • a non-illustrated readout circuit is integrated in the silicon substrate of the detector element carrier.
  • Alternative embodiments of the membrane are SiO 2 / Si 3 N 4 , Si 3 N 4 / SiO 2, and, Si 3 N 4 / SiO 2 / Si 3 N 4 triple layer.
  • a substrate with an absorber layer 104 of platinum is provided , During the deposition, the substrate is irradiated by means of an infrared radiator 105 with thermal radiation 106. This heat is coupled evenly into the substrate.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Detektion von Wärmestrahlung mit einem Substrat mit einer Substratoberfläche, einem auf der Substratoberfläche angeordneten pyroelektrischen Detektorelement in Dünnschichtbauweise mit einer der Substratoberfläche zugewandten unteren Elektrodenschicht, einer der Substratoberfläche abgewandten oberen Elektrodenschicht und einer zwischen den Elektrodenschichten angeordneten pyroelektrisch aktiven Schicht, mindestens einem auf der Substratoberfläche neben dem pyroelektrischem Detektorelement angeordneten weiteren pyroelektrischem Detektorelement in Dünnschichtbauweise mit einer der Substratoberfläche zugewandten weiteren unteren Elektrodenschicht, einer der Substratoberfläche abgewandten weiteren oberen Elektrodenschicht und einer zwischen den weiteren Elektrodenschichten angeordneten weiteren pyroelektrisch aktiven Schicht, wobei die unteren Elektrodenschichten der Detektorelemente elektrisch von einander isoliert sind und die pyroelektrisch aktiven Schichten der Detektorelemente von einer zusammenhängenden Keramikschicht gebildet sind. Daneben wird ein Verfahren zum Herstellen der Vorrichtung zur Detektion von Wärmestrahlung mit folgenden Verfahrensschritten angegeben: a) Bereitstellen eines Substrats mit einer Substratoberfläche, b) Anordnen der unteren Elektrodenschicht und Anordnen der weiteren unteren Elektrodenschicht auf der Substratoberfläche, so dass die unteren Elektrodenschichten elektrisch voneinander isoliert sind, c) Anordnen der zusammenhängenden Keramikschicht auf den unteren Elektrodenschichten und d) Anordnen der oberen Elektrodenschichten auf der Keramikschicht. Verwendung findet die Vorrichtung in Bewegungsmeldern, Präsenzmeldern und Wärmebildkameras.

Description

Beschreibung
Vorrichtung zur Detektion von Wärmestrahlung mit einem pyroelektrisehen Detektor-Array, Verfahren zum Herstellen und Verwendung der Vorrichtung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Detektion von Wärmestrahlung. Neben der Vorrichtung werden ein Verfahren zur Herstellung der Vorrichtung und eine Verwendung der Vorrichtung angegeben.
Eine Vorrichtung zur Detektion von Wärmestrahlung ist beispielsweise aus DE 100 04 216 Al bekannt. Diese Vorrichtung wird als Pyrodetektor bezeichnet. Der Pyrodetektor weist ein pyroelektrisches Detektorelement in Dunnschichrbauweise mit zwei Elektrodenschichten und einer zwischen den Elektrodenschichten angeordneten pyroelektrischen Schicht mit pyroelektrisen sensitivem Material auf. Dieses Material ist ferroelektrisches Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) . Die Elektrodenschichten bestehen beispielsweise aus Platin oder aus einer die Wärmestrahlung absorbierenden Chrom-Nickel-Legierung. Die Schichten werden mittels Gasphasenabscheide-Verfahren (Gasphasenabscheidung) aufgebracht .
Das pyroelektπsche Detektorelement ist auf einer
Substratoberflache eines Substrats (Detektorelement-Trager) aus Silizium aufgebracht. Zwischen dem Detektorelement und dem Substrat ist eine Isolationsschicht zur elektrischen und thermischen Isolierung des Detektorelements und des Substrats voneinander angeordnet . Die Isolationsschicht verfugt dabei über einen evakuierten Hohlraum, der sich über eine Grundflache des Detektorelements hinweg erstreckt, eine Sturzschicht des Hohlraums und eine Abdeckung der Stutzschicht und des Hohlraums. Die Stutzschicht besteht aus Polysilizium. Die Abdeckung ist aus einem Bor-Phosphor-Silikat-Glas (BPSG) . Zum Auslesen, Verarbeiten und/oder Weiterleiten eines aufgrund von Wärmestrahlung vom Detektorelement erzeugten elektrischen Signals ist im Substrat ein Ausleseschaltkreis integriert. Der Ausleseschaltkreis ist durch die CMOS (Complementary Metalloxide Semiconductors) -Technik realisiert .
Eine damit vergleichbare Vorrichtung zur Detektion von Wärmestrahlung ist aus der DE 195 25 071 Al bekannt. Das pyroelektrische Detektorelement ist auf einem mehrschichtigen Substrat angeordnet. Eine der Schichten des Substrats ist eine elektrisch isolierende Membran. Die Membran besteht beispielsweise aus einer
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- Dreifach-Schicht . Die Membran bildet die Substratoberflache des Subsrats, auf dem das Detektorelement aufgebracht ist.
Bei den bekannten Vorrichtungen kann eine Vielzahl von Detektorelementen vorhanden sein (Detektorelement-Array) . Um eine möglichst hohe örtliche Auflosung zu erhalten, werden die Detektorelemente möglichst nah aneinander angeordnet. Je naher aber die Detektorelemente aneinander angeordnet sind, desto hoher ist die Wahrscheinlichkeit für ein thermisches „Ubersprechen" . Die erwünschte hohe Auflosung geht verloren. Daher sind die Detektorelemente thermisch komplett voneinander getrennt. Dies ist im Herstellverfahren sehr aufwandig, da die Detektorelemente separat aufgebaut werden müssen. Alternativ dazu werden die Detektorelemente nach dem Herstellen der Schichten voneinander separiert.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine kompakte Vorrichtung zur Detektion von Wärmestrahlung anzugeben, die im Vergleich zum Stand der Technik leicht herstellbar ist.
Zur Losung der Aufgabe wird eine Vorrichtung zur Detektion von Wärmestrahlung mit einem Substrat mit einer Substratoberflache, einem auf der Substratoberflache angeordneten pyroelektrischen Detektorelement in Dunnschichtbauweise mit einer der Substratoberflache zugewandten unteren Elektrodenschicht , einer der Substratoberflache abgewandten oberen Elektrodenschicht und einer zwischen den Elektrodenschichten angeordneten pyroelektrisch aktiven Schicht, mindestens einem auf der Substratoberflache neben dem pyroelektrischem Detektorelement angeordneten weiteren pyroelektrischem Detektorelement in Dünnschichtbauweise mit einer der Substratoberfläche zugewandten weiteren unteren Elektrodenschicht, einer der Substratoberfläche abgewandten weiteren oberen Elektrodenschicht und einer zwischen den weiteren
Elektrodenschichten angeordneten weiteren pyroelektrisch aktiven Schicht angegeben, wobei die unteren Elektrodenschichten der Detektorelemente elektrisch von einander isoliert sind und die pyroelektrisch aktiven Schichten der Detektorelemente von einer zusammenhängenden Keramikschicht gebildet sind.
Zur Lösung der Aufgabe wird auch ein Verfahren zum Herstellen der
Vorrichtung zur Detektion von Wärmestrahlung mit folgenden
Verfahrensschritten angegeben: a) Bereitstellen eines Substrats mit einer Substratoberfläche, b) Anordnen der unteren Elektrodenschicht und Anordnen der weiteren unteren Elektrodenschicht auf der Substratoberfläche, so dass die unteren Elektrodenschichten elektrisch voneinander isoliert sind, c) Anordnen der zusammenhängenden Keramikschicht auf den unteren
Elektrodenschichten und d) Anordnen der oberen Elektrodenschichten auf der
Keramikschicht .
Vorzugsweise wird zum Anordnen der unteren Elektrodenschichten, der Keramikschicht und/oder der oberen Elektrodenschicht ein Gasphasenabscheide-Verfahren durchgeführt wird. Das Gasphasenabscheide-Verfahren ist insbesondere aus der Gruppe PVD (Physical Vapour Deposition) und/oder CVD (Chemical Vapour Deposition) ausgewählt. Als PVD-Verfahren kommt beispielsweise ein Bedampfungsverfahren oder Sputtern in Frage. Für die unteren Elektrodenschichten wird beispielsweise zunächst eine zusammenhängende Metallschicht abgeschieden. Zur Trennung der unteren Elektrodenschichten werden anschließend Gräben in die zusammenhängende Metallschicht eingebracht.
Die zu detektierende Wärmestrahlung weist eine Wellenlänge von über 1 μm auf. Vorzugsweise ist die Wellenlänge aus dem Bereich von 5 bis 15 μm ausgewählt. Das pyroelektrische Detektorelement besteht aus einer pyroelektrischen Schicht mit einem pyroelektrisch sensitiven Material und beidseitig angebrachten Elektrodenschichten. Das pyroelektrisch sensitive Material ist beispielsweise eine Keramik wie Lithiumniobat (LiNbO3) . Vorzugsweise ist das pyroelektrisch sensitive Material Blei-Zirkonat-Titanat mit Perowskit-Struktur . Als Elektrodenmaterial der Elektrodenschichten kommt beispielsweise Platin oder eine Platinlegierung in Frage. Das Detektorelement und/oder das weitere Detektorelement verfügen beispielsweise über eine rechteckige Grundfläche mit einer Kantenlänge von 10 μm bis 200 μm. Niedrigere Kantenlängen, beispielsweise 5 μm oder auch höhere Kantenlängen von bis zu 400 μm sind ebenfalls denkbar. Ein Element-Mittenabstand (Pitch) beträgt 20 μm bis 400 μm. Größere Abstände sind auch denkbar. Dabei kann eine Vielzahl von pyroelektrischen Detektorelementen auf der Substratoberfläche nebeneinander angeordnet sein.
Die grundlegende Idee der Erfindung besteht darin, von einer strukturierten unteren Elektrodenschicht auszugehen. Auf die strukturierte untere Elektrodenschicht wird die zusammenhängende Keramikschicht aufgebracht. Abschließend werden die oberen Elektrodenschichten aufgetragen. Aufgrund der der Strukturierung der unteren Elektrodenschicht werden separat ansteuerbare, pyroelektrische Detektorelemente erhalten. Die Keramikschicht wird nach dem ihrem Auftragen nicht strukturiert. Eine sich daraus ergebende (geringe) thermische Kopplung der resultierenden Detektorelemente über die Keramikschicht hinweg wird in Kauf genommen. Da die Keramikschicht im Nachgang nicht bearbeitet werden muss, beispielsweise durch Erzeugen von Gräben, vereinfacht sich das Herstellverfahren drastisch.
Gemäß einer besonderen Ausgestaltung ist das Substrat ein Siliziumsubstrat, auf dem eine Membran aufgebracht ist, die die Substratoberfläche bildet, auf der die Detektorelemente angeordnet sind. Die Membran besteht, aus einer Membranschicht oder aus mehreren Membranschichten. Dabei kann eine Vielzahl von anorganischen oder organischen Materialien eingesetzt werden. Beispielsweise ist die Membranschicht aus Siliziumdioxid (SiO2) oder Siliziumnitrid (Si3N4) . Der besondere Vorteil an Schichten aus diesen Materialien liegt in der elektrischen und thermischen Isolationswirkung der Materialien. Diese Materialien fungieren als elektrischer und thermischer Isolator.
Die oberen Elektrodenschichten sind wegen einer möglichst niedrigen Wärmekapazität vorzugweise dünn. In einer besonderen Ausgestaltung weisen daher die oberen Elektrodenschichten eine Schichtdicke aus dem Bereich von 2 nm bis 10 nm auf. Größere Schichtdicken sind ebenfalls denkbar.
Die oberen Elektrodenschichten können elektrisch voneinander isoliert sein. Im Zusammenhang mit kleinen Schichtdicken ist ein Separieren der oberen Elektrodenschichten nicht sehr aufwändig. Denkbar ist aber auch, dass die oberen Elektrodenschichten nicht elektrisch voneinander isoliert, also elektrisch miteinander verbunden sind. In einer besonderen Ausgestaltung sind daher die oberen Elektrodenschichten von einer zusammenhängenden Metallschicht gebildet. Insbesondere bei den oben angegebenen kleinen Schichtdicken findet kaum eine thermische Kopplung zwischen den Detektorelementen statt. Da die untere Elektrodenschicht und die weitere untere Elektrodenschicht elektrisch voneinander isoliert sind, werden trotz der zusammenhängenden Metallschicht für die oberen
Elektrodenschichten unabhängig voneinander über die unteren Elektrodenschichten ansteuerbare Detektorelemente erhalten.
Aufgrund der Trennung der unteren Elektrodenschichten findet nahezu keine thermische Kopplung zwischen den
Elektrodenschichten statt. Daher können die unteren Elektrodenschichten hinsichtlich des Aufbringens der Keramikschicht optimiert werden und beispielsweise - im Vergleich zu den oberen Elektrodenschichten - relativ dick sein. In einer besonderen Ausgestaltung weisen daher die unteren
Elektrodenschichten eine aus dem Bereich von 40 nm bis 100 nm ausgewählte Schichtdicke auf. Größere oder kleinere Schichtdicken sind auch denkbar. Die Schichtdicken der unteren tiektrodenschicht und der weiteren unteren Elektrodenschicht sind bevorzug annähernd gleich. Sie können aber auch unterschiedlich sein.
In einer besonderen Ausgestaltung weist die untere
Elektrodenschicht Platin auf, vorzugsweise Platin mit einer 111-Orientierung bezüglich der Substratoberfläche. Vorzugsweise weist die Keramikschicht PZT auf. Bei passenden Schichtdicken der unteren Elektrodenschichten aus Platin und bei einer passenden Temperierung des Substrats während des Aufbringens auf den
Elektrodenschichten bildet sich dann die Keramikschicht bzw. die pyroelektrisch aktive Schicht mit dem pyroelektrisch sensitiven Material. Im Fall von Blei-Zirkonat-Titanat beträgt die Temperatur des Substrats während des Auftragens, beispielsweise durch Sputtern, 45O0C bis 60O0C.
Generell und insbesondere im Fall des Abscheidens von Blei-Zirkonat-Titanat auf Platin wird während des Anordnens der Keramikschicht das Substrat und die unteren Elektrodenschichten gleichmäßig temperiert, so dass im Substrat und in den unteren Elektrodenschichten im Wesentlichen kein Temperaturgradient auftritt. Das Substrat und die Elektrodenschichten weisen während des Aufbringens im Wesentlichen eine gleiche Temperatur auf. Dabei können Unterschiede von bis zu 2% toleriert werden. Es hat sich gezeigt, dass sich gerade im Fall der Abscheidung des PZTs auf Platin geringe bis gar keine Temperaturunterschiede positiv auf die Bildung des ferroelektrischen und damit pyroelektrisch aktiven PZTs mit Perowskit-Struktur auswirken. Zumindest bildet sich auf den unteren Elektrodenschichten jeweils PZT mit Perowskit-Struktur aus. Zwischen den unteren Elektrodenschichten treten andere Phasen auf, beispielsweise eine nicht ferroelektrische Pyrochlor-Phase . Diese zusätzlichen Phasen bleiben aber weitgehend auf die Zwischenräume zwischen den unteren Elektrodenschichten beschränkt.
Zum gleichmäßigen Temperieren wird gemäß einer besonderen Ausgestaltung ein Substrat mit mindestens einer Absorberschicht zur Absorption von Temperier-Wärmestrahlung verwendet, die auf einer der Substratoberflache abgewandten Seite des Substrats angeordnet und mit dem Substrat Warme leitend verbunden ist, und zum Temperieren des Substrats die Absorberschicht mit Temperier-Warmestrahlung bestrahlt wird. Die von der Absorberschicht aufgenommene Wärme wird mittels Warmeleitung auf das Substrat und damit auf die unteren Elektrodenschichten übertragen. Das Substrat wird gleichmaßig erwärmt. Es tritt nahezu kein Temperaturunterschied auf.
Als Absorber-Material eignen sich Materialien, die die
Temperier-Warmestrahlung sehr gut absorbieren. Hierbei geht es um die Ausbildung einer möglichst homogenen Absorberschicht mit stabiler Absorption. Das Material wird hinsichtlich der Prozessbedingungen ausgewählt. Bei niedrigen Temperaturen und m Abwesenheit von Sauerstoff beim Abscheiden der Keramik konnte beispielsweise Aluminium als Absorber-Metall eingesetzt werden. Im Fall von einer reaktiven Abscheidung von PZT ist aber Sauerstoff zugegen. Darüber hinaus sind Temperaturen von über 400°C notwendig. Unter diesen Bedingungen eignet sich insbesondere Platin. Gemäß einer besonderen Ausgestaltung wird daher eine Absorberschicht mit Platin verwendet.
Die Absorberschicht kann nach dem Aufbringen der Keramikschicht auf der Substratoberflache am Substrat verbleiben. Die Absorberschicht wird aber bevorzugt nach dem Aufbringen der
Keramikschicht entfernt. Damit ist ausgeschlossen, dass die zu detektierende Wärmestrahlung von der Ruckseite des Substrats her über die Absorberschicht eingekoppelt wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Vorrichtung als Bewegungsmelder, als Prasenzmelder und/oder als Warmebildkamera verwendet. Für die Warmebildkamera ist die Vorrichtung mit einer Vielzahl von Detektorelementen, beispielsweise 240 X 320 Detektorelemente (QVGA-Srandard) und mehr ausgestattet.
Zusammenfassend sind folgende Vorteile der Erfindung hervorzuheben: - Durch die Bildung der zusammenhangenden Keramikschicht ist das Herstellverfahren erheblich vereinfacht.
- Die Vorrichtung zur Detektion von Wärmestrahlung ist kompakt.
- Eine übersprechwahrschemlichkeit zwischen benachbarten Detektorelementen ist gering. Gleichzeitig bleibt aber die Sensitivitat (Empfindlichkeit) der einzelnen Detektorelemente erhalten.
Anhand eines Äusfuhrungsbeispiels und der dazugehörigen Figuren wird im Folgenden die Vorrichtung zur Detektion von Wärmestrahlung vorgestellt. Die Figuren sind schematisch und stellen keine maßstabsgetreuen Abbildungen dar.
Figur 1 zeigt eine Vorrichtung zur Detektion von Wärmestrahlung m einem seitlichen Querschnitt.
Figur 2 zeigt schematische ein Verfahren zum Herstellen der Vorrichtung
Figur 3 zeigt ein pyroelektrisches Detektorelement m einem seitlichen Querschnitt.
Die Vorrichtung 1 zur Detektion von Wärmestrahlung weist ein Substrat 10 mit einer Membran 101 auf, auf der ein thermisches Detektorelement 11 und mindestens ein weiteres thermisches Detektorelement 12 aufgebracht sind. Das Substrat ist ein Silizium-Substrat 100. Die thermischen Detektorelemente sind zu einem Detektorelement-Array 110 auf dem Oberflachenabschnitt 102 der Membran angeordnet.
Die Detektorelemente 11 und 12 sind pyroelektπsche Detektorelemente m Dunnschichtbauweise mit jeweils einer oberen Elektrodenschicht 112 und 122, jeweils einer unteren Elektrodenschicht 114 und 124 und jeweils einer zwischen den Elektrodenschichten angeordneten pyroelektrischen Schicht 113 und 123 (Figur 3) . Die pyroelektrische Schicht ist jeweils eine ca. 1 μm dicke Schicht aus PZT als pyroelektrisch sensitives Material. Die Elektrodenschichten sind aus Platin.
Die Membran 101 ist eine Siθ2/Si3N4/SiO2- Dreifach-Schicht . Für die Detektorelemente ist im Silizium-Substrat des Detektorelement-Trägers eine nicht dargestellte Auslesschaltung integriert. Alternative Ausführungsformen der Membran sind SiO2/Si3N4, Si3N4/Si02 und, Si3N4/Siθ2/Si3N4-Dreifachschicht Zum Herstellen der Vorrichtung wird ein Substrat mit einer Absorberschicht 104 aus Platin bereitgestellt. Während des Abscheidens wird das Substrat mit Hilfe eines Infrarotstrahlers 105 mit Wärmestrahlung 106 bestrahlt. Dadurch wird Wärme gleichmäßig in das Substrat eingekoppelt.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung (1) zur Detektion von Wärmestrahlung mit
- einem Substrat mit einer Substratoberfläche, - einem auf der Substratoberfläche angeordneten pyroelektrischen Detektorelement in Dünnschichtbauweise mit einer der Substratoberfläche zugewandten unteren Elektrodenschicht, einer der Substratoberfläche abgewandten oberen Elektrodenschicht und einer zwischen den Elektrodenschichten angeordneten pyroelektrisch aktiven Schicht,
- mindestens einem auf der Substratoberfläche neben dem pyroelektrischem Detektorelement angeordneten weiteren pyroelektrischem Detektorelement (12) in Dünnschichtbauweise mir einer der Substratoberfläche zugewandten weiteren unteren Elektrodenschicht, einer der Substratoberfläche abgewandten weiteren oberen Elektrodenschicht und einer zwischen den weiteren Elektrodenschichten angeordneten weiteren pyroelektrisch aktiven Schicht, wobei
- die unteren Elektrodenschichten der Detektorelemente elektrisch von einander isoliert sind und
- die pyroelektrisch aktiven Schichten der Detektorelemente von einer zusammenhängenden Keramikschicht gebildet sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Substrat ein Siliziumsubstrat ist, auf dem eine Membran aufgebracht ist, die die Substratoberfläche bildet, auf der die Detektorelemente angeordnet sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die oberen Elektrodenschichten eine Schichtdicke aus dem Bereich von 2 nm bis 10 nm aufweisen.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die oberen Elektrodenschichten von einer zusammenhängenden Metallschicht gebildet sind.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis A1 wobei die unteren Elektrodenschichten eine aus dem Bereich von 40 nm bis 100 nm ausgewählte Schichtdicke aufweisen.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die unteren Elektrodenschichten Platin aufweisen.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Keramikschicht PZT aufweist.
8. Verfahren zum Herstellen einer Vorrichtung zur Detektion von Wärmestrahlung nach einem der vorangegangenen Ansprüche mit folgenden Verfahrensschritten: a) Bereitstellen eines Substrats mit einer Substratoberfläche, b) Anordnen der unteren Elektrodenschicht und Anordnen der weiteren unteren Elektrodenschicht auf der Substratoberfläche, so dass die unteren Elektrodenschichten elektrisch voneinander isoliert sind, c) Anordnen der zusammenhängenden Keramikschicht auf den unteren Ξlektrodenschichten und d) Anordnen der oberen Elektrodenschichten auf der Keramikschicht .
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei während des Anordnens der Keramikschicht das Substrat und die unteren Elektrodenschichten gleichmäßig temperiert werden, so dass im Substrat und in den unteren Elektrodenschichten im Wesentlichen kein Temperaturgradient auftritt.
10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei zum gleichmäßigen
Temperieren ein Substrat mit mindestens einer Absorberschicht zur Absorption von Temperier-Wärmestrahlung verwendet wird, die auf einer der Substratoberfläche abgewandten Seite des Substrats angeordnet und mit dem Substrat Wärme leitend verbunden ist, und zum Temperieren des Substrats die Absorberschicht mit Temperier-Wärmestrahlung bestrahlt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei eine Absorberschicht mit Platin verwendet wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei zum Anordnen der unteren Elektrodenschichten, der Keramikschicht und/oder der oberen Elektrodenschicht ein Gasphasenabscheide-Verfahren durchgeführt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Gasphasenabscheide-Verfahren aus der Gruppe PVD und/oder CVD ausgewählt ist.
14. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 als Bewegungsmelder, als Präsenzmelder und/oder als Wärmebildkamera.
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