DE102007062053B4

DE102007062053B4 - Verfahren zum Herstellen einer Vorrichtung zur Detektion von Wärmestrahlung

Info

Publication number: DE102007062053B4
Application number: DE102007062053A
Authority: DE
Inventors: Dr. Giebeler Carsten; Matthias Schreiter
Original assignee: Pyreos Ltd
Current assignee: Pyreos Ltd
Priority date: 2007-12-21
Filing date: 2007-12-21
Publication date: 2012-01-19
Anticipated expiration: 2027-12-22
Also published as: WO2009083181A1; DE102007062053A1

Abstract

Verfahren zum Herstellen einer Vorrichtung (1) zur Detektion von Wärmestrahlung, mit den Schritten: Bereitstellen eines Substrats (10) mit einer Substratoberfläche, einer unteren Elektrodenschicht (114) und einer weiteren unteren Elektrodenschicht (124), die auf der Substratoberfläche angeordnet sind und elektrisch voneinander isoliert sind, und zur Absorption von Temperier-Wärmestrahlung (106) einer Absorberschicht (104), die auf der der Substratoberfläche abgewandten Seite des Substrats (10) angeordnet und mit dem Substrat (10) wärmeleitend verbunden sind; Bestrahlen der Absorberschicht (104) mit einer Temperier-Wärmestrahlung (106) zum gleichmäßigen Temperieren des Substrats (10); Anordnen einer zusammenhängenden Keramikschicht auf den unteren Elektrodenschichten (114, 124).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Vorrichtung zur Detektion von Wärmestrahlung.
Eine Vorrichtung zur Detektion von Wärmestrahlung ist beispielsweise aus DE 100 04 216 A1 bekannt. Diese Vorrichtung wird als Pyrodetektor bezeichnet. Der Pyrodetektor weist ein pyroelektrisches Detektorelement in Dünnschichtbauweise mit zwei Elektrodenschichten und einer zwischen den Elektrodenschichten angeordneten pyroelektrischen Schicht mit pyroelektrisch 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 pyroelektrische Detektorelement ist auf einer Substratoberfläche eines Substrats (Detektorelement-Träger) 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 verfügt dabei über einen evakuierten Hohlraum, der sich über eine Grundfläche des Detektorelements hinweg erstreckt, eine Stützschicht des Hohlraums und eine Abdeckung der Stützschicht und des Hohlraums. Die Stützschicht 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 A1 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 Si₃N₄/SiO₂/Si₃N₄-Dreifach-Schicht. Die Membran bildet die Substratoberfläche des Subsrats, auf dem das Detektorelement aufgebracht ist.
In US 2003/0 173 519 A1 ist ein pyroelektrischer Sensor mit einer Mehrzahl an Bildelementen beschrieben, der einen porösen pyroelektrischen Film aufweist, an dessen beiden Seiten Elektroden angeordnet sind. In US 5 087 816 ist ein Infrarotdetektor beschrieben, welcher eine Schicht aus einem pyroelektrischen Material aufweist, welche mit einem Ausleseschaltkreis verbunden ist, der auf einem Halbleitersubstrat angeordnet ist. Das Halbleitersubstrat stützt leitende Blöcke ab, die die elektrischen Signale von der Schicht an den Ausleseschaltkreis leiten. Eine Gegenelektrode bedeckt die Schicht auf der den Blöcken abgewandten Seite. Zusätzlich ist in US 2004/0 155 188 A1 ein Infrarotsensor mit einer Mehrzahl an Bildelementen beschrieben, der an seiner Sensoroberseite eine strukturierte Schicht zur Absorption von Infrarotlicht hat, welche aus Kolloidteilchen gebildet ist. Die Kolloidteilchen werden mit einer Standardtechnik abgeschieden und anschließend teilweise entfernt, so dass die strukturierte Schicht gebildet wird.
Bei den bekannten Vorrichtungen kann eine Vielzahl von Detektorelementen vorhanden sein (Detektorelement-Array). Um eine möglichst hohe örtliche Auflösung zu erhalten, werden die Detektorelemente möglichst nah aneinander angeordnet. Je näher aber die Detektorelemente aneinander angeordnet sind, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit für ein thermisches „Übersprechen”. Die erwünschte hohe Auflösung geht verloren. Daher sind die Detektorelemente thermisch komplett voneinander getrennt. Dies ist im Herstellverfahren sehr aufwändig, da die Detektorelemente separat aufgebaut werden müssen. Alternativ dazu werden die Detektorelemente nach dem Herstellen der Schichten voneinander separiert.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Herstellen einer Vorrichtung zur Detektion von Wärmestrahlung zu schaffen, wobei das Verfahren leicht durchführbar ist.
Die Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen dazu sind in den weiteren Patentansprüchen angegeben.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird 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 hergestellt, wobei die unteren Elektrodenschichten der Detektorelemente elektrisch von einander isoliert sind und die pyroelektrisch aktiven Schichten der Detektorelemente von einer zusammenhängenden Keramikschicht gebildet sind.
Bevorzugt wird das 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 Elektrodenschicht und der weiteren unteren Elektrodenschicht sind bevorzugt 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, 450°C bis 600°C.
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 erfindungsgemäß ein Substrat mit mindestens einer Absorberschicht zur Absorption von Temperier-Wärmestrahlung verwendet, 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. Die von der Absorberschicht aufgenommene Wärme wird mittels Wärmeleitung auf das Substrat und damit auf die unteren Elektrodenschichten übertragen. Das Substrat wird gleichmäßig erwärmt. Es tritt nahezu kein Temperaturunterschied auf.
Als Absorber-Material eignen sich Materialien, die die Temperier-Wärmestrahlung 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 in Abwesenheit von Sauerstoff beim Abscheiden der Keramik könnte 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 Substratoberfläche am Substrat verbleiben. Die Absorberschicht wird aber bevorzugt nach dem Aufbringen der Keramikschicht entfernt. Damit ist ausgeschlossen, dass die zu detektierende Wärmestrahlung von der Rückseite des Substrats her über die Absorberschicht eingekoppelt wird.
Die durch das Verfahren hergestellte Vorrichtung wird bevorzugt als Bewegungsmelder, als Präsenzmelder und/oder als Wärmebildkamera verwendet. Für die Wärmebildkamera ist die Vorrichtung mit einer Vielzahl von Detektorelementen, beispielsweise 240 × 320 Detektorelemente (QVGA-Standard) und mehr ausgestattet.
Zusammenfassend sind folgende Vorteile der Erfindung hervorzuheben:

– Durch die Bildung der zusammenhängenden Keramikschicht ist das Herstellverfahren erheblich vereinfacht.
– Die Vorrichtung zur Detektion von Wärmestrahlung ist kompakt.
– Eine Übersprechwahrscheinlichkeit zwischen benachbarten Detektorelementen ist gering. Gleichzeitig bleibt aber die Sensitivität (Empfindlichkeit) der einzelnen Detektorelemente erhalten.

Anhand eines Ausführungsbeispiels und der dazugehörigen Figuren wird im Folgenden die Vorrichtung zur Detektion von Wärmestrahlung vorgestellt. Die Figuren sind schematisch und stellen keine maßstabsgetreuen Abbildungen dar.
1 zeigt eine Vorrichtung zur Detektion von Wärmestrahlung in einem seitlichen Querschnitt.
2 zeigt schematisch ein Verfahren zum Herstellen der Vorrichtung
3 zeigt ein pyroelektrisches Detektorelement in 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 Oberflächenabschnitt 102 der Membran angeordnet.
Die Detektorelemente 11 und 12 sind pyroelektrische Detektorelemente in Dünnschichtbauweise 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 (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 SiO₂/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/SiO₂ und, Si₃N₄/SiO₂/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

Verfahren zum Herstellen einer Vorrichtung (1) zur Detektion von Wärmestrahlung, mit den Schritten: Bereitstellen eines Substrats (10) mit einer Substratoberfläche, einer unteren Elektrodenschicht (114) und einer weiteren unteren Elektrodenschicht (124), die auf der Substratoberfläche angeordnet sind und elektrisch voneinander isoliert sind, und zur Absorption von Temperier-Wärmestrahlung (106) einer Absorberschicht (104), die auf der der Substratoberfläche abgewandten Seite des Substrats (10) angeordnet und mit dem Substrat (10) wärmeleitend verbunden sind; Bestrahlen der Absorberschicht (104) mit einer Temperier-Wärmestrahlung (106) zum gleichmäßigen Temperieren des Substrats (10); Anordnen einer zusammenhängenden Keramikschicht auf den unteren Elektrodenschichten (114, 124).
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Absorberschicht (104) Metall, insbesondere Platin, aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei für die unteren Elektrodenschichten (114, 124) eine zusammenhängende Metallschicht abgeschieden wird.
Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei zum Anordnen der unteren Elektrodenschichten (114, 124) ein Gasabscheide-Verfahren, insbesondere ausgewählt aus der Gruppe PVD und/oder CVD, durchgeführt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 3 oder 4, wobei zur Trennung der unteren Elektrodenschichten (114, 124) Gräben in die zusammenhängende Metallschicht eingebracht werden.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, mit dem Schritt: Anordnen einer oberen Elektrodenschicht (112, 122) auf der Keramikschicht.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei zum Anordnen der Keramikschicht ein Gasabscheide-Verfahren, insbesondere ausgewählt aus der Gruppe PVD und/oder CVD, durchgeführt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 6 oder 7, wobei zum Anordnen der oberen Elektrodenschicht (112, 122) ein Gasabscheide-Verfahren, insbesondere ausgewählt aus der Gruppe PVD und/oder CVD, durchgeführt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, mit dem Schritt: Entfernen der Absorberschicht (104) nach dem Anordnen der Keramikschicht.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Substrat (10) ein Siliziumsubstrat (100) ist, auf dem eine Membran (101) aufgebracht ist, die die Substratoberfläche bildet, auf der Detektorelemente (11, 12) angeordnet sind.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die unteren Elektrodenschichten (114, 124) eine aus dem Bereich von 40 nm bis 100 nm ausgewählte Schichtdicke aufweisen.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 6 bis 11, wobei die oberen Elektrodenschichten (112, 122) eine Schichtdicke aus dem Bereich von 2 nm bis 10 nm aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 11, wobei die oberen Elektrodenschichten (114, 124) von einer zusammenhängenden Metallschicht gebildet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die unteren Elektrodenschichten (114, 124) Platin aufweisen und/oder die Keramikschicht PZT aufweist.