DE69506921T2

DE69506921T2 - Infrarot-Strahlungssensor, Verfahren zu seiner Herstellung und Verwendung des Infrarot-Strahlungssensors

Info

Publication number: DE69506921T2
Application number: DE69506921T
Authority: DE
Inventors: Mitsuteru Miyagi-Gun Miyagi-Ken Kimura; Takeshi C/O Terumo K.K. Ashigarakami-Gun Kanagawa-Ken Kudo; Takehisa C/O Terumo K.K. Ashigarakami-Gun Kanagawa-Ken Mori
Original assignee: Terumo Corp
Current assignee: Terumo Corp
Priority date: 1994-01-24
Filing date: 1995-01-24
Publication date: 1999-06-10
Anticipated expiration: 2015-01-25
Also published as: EP0664554B1; EP0664554A1; DE69506921D1; JPH07209089A

Description

Hintergrund der Erfindung

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen Infrarot-Strahlungssensor zur berührungslosen Bestimmung der Temperatur eines gegebenen Objekts, im Speziellen der Temperatur des Trommelfells eines lebenden Körpers.

Stand der Technik

Bislang wurde die Temperatur einer gegebenen Substanz üblicherweise nach dem Prinzip bestimmt, daß die Substanz einen wärmeempfindlichen Abschnitt über Infrarot-Strahlung erwärmt und sich die Temperatur des wärmeempfindlichen Abschnitts proportional zu dem Ausmaß der Erwärmung erhöht. Es wurden viele auf die Miniaturisierung von Infrarot- Strahlungssensoren oder auf die Erhöhung der Empfindlichkeit abzielende Maßnahmen vorgeschlagen. Insbesondere, wenn sich die Temperatur eines gegebenen Objekts der normalen Raumtemperatur annähert oder sie überschreitet, ist die verfügbare auftreffende Infrarot-Strahlung sehr schwach. Wenn eine Temperatur-Sensoreinrichtung nach dem Thermistorprinzip verwendet wird, ist es daher notwendig, daß die Thermistorkonstante des Sensors groß genug und gleichzeitig dessen Wärmekapazität klein genug ist, daß verhindert wird, daß die Energie der einfallenden Infrarot-Strahlung um das größtmögliche Ausmaß abweicht.
Damit der letztgenannte Effekt erzielt wird, namentlich die Möglichkeit der Verringerung des Ausmaßes der von dem wärmeempfindlichen Abschnitt verlorenen Wärmeenergie um das gesamte erlaubbare Ausmaß, kann man sich eine Idee zur Minimierung des Wärmeaustausches mit der Umgebungsluft durch die Ausbildung des wärmeempfindlichen Abschnitts auf einem winzigen Brückenabschnitt und weiterhin der Ausstattung des wärmeempfindlichen Abschnitts mit eine luftdichte Versiegelung seiner Umgebung im Vakuum erlaubende Einrichtungen vorstellen (vgl. EP-A-0 566 156).
Die Einrichtung zum Abtasten der Infrarot-Strahlung verwendet das Phänomen, daß sich der elektrische Widerstand einer Thermosäule, einer pyroelektrischen Schicht oder einer Schicht aus amorphem Germanium, amorphem Silizium, polykristallinem Germanium oder polykristallinem Silizium mit der Temperatur ändert. Sie ist daher zur Miniaturisierung eines Sensors geeignet. Wenn diese Einrichtung verwendet wird, erlangt der Sensor eine Thermistorkonstante (B Konstante) von etwa 3500 K. Zum Zweck der Miniaturisierung eines Infrarot-Strahlungssensors und der Erhöhung der Empfindlichkeit des Infrarot-Strahlungssensors kann diese Empfindlichkeit jedoch nicht als hinreichend betrachtet werden.
Als Einrichtungen zur Erhöhung der Empfindlichkeit gegenüber infraroter Strahlung wurde ein eine pn-Diode verwendender Sensor (JP-A-05 142 039 und Technical Digest of 9th Sensor Symposium, 1990, S. 71-74) und ein sogenannter Temperatursensor mit Schottkyübergang (JP-A-0 540 064) offenbart.
Der erste Sensor verwendet das sich bei in Durchlaßrichtung vorgespannter pn-Diode ergebende Temperaturverhalten. Der Temperaturkoeffizient der Durchlaßspannung beträgt -1,6 mV/ºC und deren Empfindlichkeit lediglich 33 V/W. Daher ist die Empfindlichkeit dieses Sensors immer noch unzureichend.
Im Gegensatz dazu verwendet der andere Sensor das Phänomen einer starken Temperaturabhängigkeit des Sättigungsstroms in Sperrichtung, der bei Anliegen einer Sperrspannung an den Schottkyübergang fließt. Dieser Sensor erlangt eine sehr hohe äquivalente Thermistorkonstante von etwa 7600 K. Diese Tatsache bedingt die Möglichkeit, daß der Sensor eine nicht weniger als doppelt so hohe Empfindlichkeit wie der bekannte Infrarot-Strahlungssensor nach dem Thermistorprinzip erlangt. Nach der diesem Sensor zugrunde liegenden Erfindung wird die Schottkydiode mit einem einkristallinen Siliziumsubstrat hergestellt. Für den mit schwacher infraroter Strahlung zu erwärmenden Sensor ist die Wärmekapazität übermäßig groß und die Temperatur des Diodenabschnitts ist nicht vollständig angestiegen. Somit gelingt es dieser Erfindung nicht, einen hochempfindlichen Infrarot-Strahlungssensor bereitzustellen.
Es ist schwierig, auf einer durch eine isolierende Dünnschicht gebildeten Brückenstruktur einkristallines Silizium mit einer speziellen Gestalt genau auszubilden.
Insbesondere zum Zweck des Ausbildens eines Halbleiterelements auf einer durch eine isolierende Dünnschicht gebildeten Brückenstruktur kann Gebrauch von polykristallinem oder amorphem halbleitendem Material gemacht werden.
Die Schottkydiode wird übrigens ausschließlich mit einkristallinem Silizium hergestellt. Es gibt keine Literaturstelle über einen Fall der Verwendung einer Schicht aus amorphem oder polykristallinem Material, der auf einer Brückenstruktur ausgebildet ist.
Es ist daher eine Aufgabe dieser Erfindung, einen neuartigen Infrarot-Strahlungssensor bereitzustellen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, einen hochempfindlichen Infrarot-Strahlungssensor bereitzustellen, der einen hochempfindlichen Thermosensor bei einem auf einer elektrisch isolierenden Dünnschicht ausgebildeten Dünnschicht-Halbleitermaterial ausbildet, und mit dem das Abtasten von selbst schwacher infraroter Strahlung mit hoher Genauigkeit aufgrund der Verwendung einer Infrarot- Sensoreinrichtung mit großer Thermistorkonstante möglich ist.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Aufgaben werden durch einen Infrarot-Strahlungssensor mit einem Sensorsubstrat gelöst, das einen Hohlraum aufweist und mit einem auf einem dem Hohlraum überlagerten isolierenden Dünnschichtabschnitt ausgebildeten wärmeempfindlichen Abschnitt ausgestattet ist, wobei der wärmeempfindliche Abschnitt einen Schottkyübergang aus einem Halbleiter- oder Dünnschichtmaterial und einem metallischen Material verwendet, wobei der wärmeempfindliche Abschnitt im Ansprechen auf eine daran angelegte Vorspannung aktiv ist, einen Strom in Sperrichtung zu erzeugen, der sich entsprechend einer durch Infrarot-Strahlung verursachten Temperaturänderung an dem Sensor verändert.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Herstellung eines Infrarot-Strahlungssensors nach Anspruch 11 und die Verwendung eines Infrarot-Strahlungssensors nach Anspruch 21.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft den Infrarot- Strahlungssensor, wobei die isolierende Dünnschicht wärmeisolierend ist.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft den Infrarot-Strahlungssensor, wobei der den wärmeempfindlichen Abschnitt beinhaltende Hohlraum vakuumversiegelt ist.
Noch ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft den Infrarot-Strahlungssensor, wobei die isolierende Dünnschicht in einer Anordnung nach dem Brücken-, dem Ausleger- oder dem Membranaufbau ausgebildet ist.
Noch ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft den Infrarot-Strahlungssensor, wobei das halbleitende Dünnschichtmaterial polykristallines Silizium ist.
Noch ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft den Infrarot-Strahlungssensor, wobei das halbleitende Dünnschichtmaterial amorphes Silizium ist.
Noch ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft den Infrarot-Strahlungssensor, wobei das metallische Material Molybdän ist.
Noch ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft den Infrarot-Strahlungssensor, wobei das metallische Material Molybdänsilizid ist.
Der Infrarot-Strahlungssensor der Erfindung ist zur Ausnutzung des Temperaturverhaltens des Sättigungsstroms in der Sperrichtung einer Schottkydiode geeignet und dient deswegen ideal als Thermometer zur berührungslosen Bestimmung der Temperatur eines gegebenen Objektes, speziell der Temperatur des Trommelfells eines lebenden Körpers. Daher gestattet die Erfindung die Herstellung von sich durch eine hohe Empfindlichkeit und Genauigkeit auszeichnenden Infrarot- Strahlungssensoren.

Kurzbeschreibung der Zeichnung

Fig. 1 zeigt eine grafische Darstellung zur schematischen Veranschaulichung des sichtbaren Aufbaus eines Infrarot- Strahlungssensors eines Ausführungsbeispiels der Erfindung.
Fig. 2 zeigt eine grafische Darstellung zur schematischen Veranschaulichung des Zustands, in dem der sichtbare Aufbau eines Infrarot-Strahlungssensors eines Ausführungsbeispiels der Erfindung in seine Hauptbestandteile zerlegt ist.
Fig. 3 zeigt eine grafische Darstellung zur Veranschaulichung eines Teilschnitts eines Sensorsubstrats mit einer darin enthaltenen membranartigen Dünnschicht als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Fig. 4 zeigt eine schematische Perspektivansicht zur Veranschaulichung eines Sensorsubstrats mit einer darin enthaltenen auslegerartigen Dünnschicht.
Fig. 5 zeigt eine vereinfachte grafische Darstellung zur Veranschaulichung eines Querschnitts durch Fig. 4 entlang der Linie V-V.
Fig. 6 zeigt eine perspektivische Sicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung.
Fig. 7 zeigt eine schematische grafische Darstellung zur Veranschaulichung eines Vierpunkt-unterstützten Brückenaufbaus einer isolierenden Dünnschicht im Querschnitt (Querschnitt entlang der Linie VII-VII in Fig. 2), die einem in dem Sensorsubstrat ausgebildeten Hohlraum überlagert ist und einen einen Schottkyübergang verwendenden Infrarotwärmeempfindlichen Abschnitt beinhaltet, gemäß dem Infrarot- Strahlungssensor eines Ausführungsbeispiels der Erfindung.
Fig. 8 zeigt einen Querschnitt zur schematischen Veranschaulichung eines konkreten Beispiels eines Vorderdeckels entsprechend dem Sensorsubstrat, das einen Schottkyübergang verwendenden Infrarotwärmeempfindlichen Abschnitt umfaßt, gemäß dem Infrarot-Strahlungssensor des Ausführungsbeispiels aus Fig. 7.
Fig. 9 zeigt einen Querschnitt zur schematischen Veranschaulichung eines typischen Beispiels eines als Rückdeckel dienenden Glassubstrats entsprechend dem Sensorsubstrat, das einen Schottkyübergang verwendenden Infrarot-wärmeempfindlichem Abschnitt umfaßt, gemäß dem Infrarot- Strahlungssensor des Ausführungsbeispiels aus Fig. 7.
Fig. 10 zeigt einen Funktionsverlauf des Temperatur verhaltens eines als ein Ausführungsbeispiels der Erfindung hergestellten Infrarot-Strahlungssensors, der durch aufeinanderfolgendes Zusammenbauen des Sensorsubstrats, den Verbindungseinrichtungen für einen Vorder- und einen Rückdeckel und den Vakuumversiegelungseinrichtungen zur Verwendung während der Verbindung in der genannten Reihenfolge hergestellt wird und jeweils in den Fig. 7 bis 9 gezeigt ist.

Ausführliche Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels

Bei dem Infrarot-Strahlungssensor gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung ist das Ausmaß der von dem wärmeempfindlichen Abschnitt durch Wärmeleitung an die Randbauteile und die Umgebungsluft verlorenen Wärmeenergie minimiert, da die Umgebung des wärmeempfindlichen Abschnitts in einem entleerten Zustand gehalten wird, vorzugsweise in einem evakuierten Zustand. Als Folge ist die Temperaturerhöhung des wärmeempfindlichen Abschnitts verbessert und die Empfindlichkeit des Sensors deutlich erhöht.
Der Ausdruck "Vakuum" bedeutet in dieser Beschreibung den Zustand, wenn der Druck nicht mehr als 1,0 Torr beträgt. Es wird jedoch vorausgesetzt, daß der erzielte Effekt unter einem Druck von weniger als 0,13 Pa (≤ 0,13 Pa)(10&supmin;³ Torr (≤ 10&supmin;³ Torr)) demjenigen unter einem Druck gleich 10&supmin;³ Torr im wesentlichen gleicht.
Im einzelnen ist der erfindungsgemäße Infrarot-Strahlungssensor vorzugsweise so gebaut, daß ein Hohlraum im Sensorsubstrat ausgebildet ist und zwei im wesentlichen identisch geformte wärmeempfindliche Abschnitte dem Hohlraum überlagert oder über diesem bereitgestellt sind und einer der wärmeempfindlichen Abschnitte ist zur Ermöglichung des selektiven Eindringens von einfallender infraroter Strahlung angepaßt und der andere ist zur Unterbrechung der einfallenden infraroten Strahlung angepaßt. Durch Erfassung der Differenz zwischen dem Ausgang des wärmeempfindlichen Abschnitts mit der eindringenden infraroten Strahlung und dem Ausgang des die einfallende Strahlung unterbrechenden wärmeempfindlichen Abschnitts ist es mit dem Infrarot- Strahlungssensor möglich, die von elektrischem Rauschen und thermischer Störung befreite Nettomenge der infraroten Strahlung zu bestimmen.
Als Sensorsubstrat sind die Halbleitersubstrate aus Silizium, Germanium usw. verwendbar. Die Verwendung eines Siliziumsubstrats, speziell eines Siliziumeinkristallsubstrats ist jedoch zu bevorzugen, da es einfach und preiswert zu erhalten ist.
Als Gestalt (Aufbau) für die als Stütze des wärmeempfindlichen Abschnitts dienende isolierende Dünnschicht sind der an gegenüberliegenden Enden gestützte Brückenaufbau, der Auslegeraufbau, der Membranaufbau usw. effektiv anwendbar. Die Anwendung des an vier Punkten stützbaren Brückenaufbaus ist jedoch zur Senkung der Wärmekapazität und gleichzeitigen Gewährleistung der strukturellen Stabilität zu bevorzugen.
Als isolierende Dünnschicht zum Stützen des vorstehend erwähnten wärmeempfindlichen Abschnitts sind Dünnschichten aus Materialien wie Siliziumoxid, Siliziumnitrid und Siliziumoxinitrid effektiv verwendbar. Es ist jedoch insbesondere die Verwendung einer Dünnschicht aus Siliziumoxinitrid zu bevorzugen. Die Siliziumoxinitridschicht verbindet die Eigenschaften einer Siliziumoxidschicht und einer Siliziumnitridschicht, zeichnet sich daher durch Spannungsbalance aus und erlaubt die Ausbildung eines Aufbaus mit der Möglichkeit einer stabilen Stützung des wärmeempfindlichen Abschnitts. Der Aufbau des durch die isolierende Dünnschicht unterstützten wärmeempfindlichen Abschnitts kann beispielsweise hergestellt werden durch Überlagerung von je einer isolierenden Dünnschicht z. B. aus Siliziumoxinitrid auf die gegenüberliegenden Seiten eines Siliziumsubstrats, vorbereitende Strukturierung einer der beschichteten Seiten des Siliziumsubstrats durch Ätzen in der Gestalt einer Brücke, eines Auslegers, oder einer Membran und der anderen Seite in der Gestalt eines Fensters von gewünschter Größe (so daß der die Gestalt der Brücke ausbildende Abschnitt der Dünnschicht intakt bleibt und den die Gestalt des Fensters gewünschter Größe ausbildende Abschnitt der Dünnschicht auf der anderen Seite entfernt wird) und Unterziehen des strukturierten Substrats einer anisotropen Ätzung unter Verwendung einer wäßrigen Hydrazinlösung oder mit Kaliumhydroxid (KOH).
Dann wird der über den in dem Sensorsubstrat enthaltenen Hohlraum gelagerte auf der isolierenden Dünnschicht bereitgestellte oder von ihr gestützte wärmeempfindliche Abschnitt mit einem Schottkyübergang aus einer polykristallinen Siliziumschicht und Molybdän oder Molybdänsilizid versehen. Die Formung von polykristallinem Silizium in der Gestalt einer Schicht zur Ausbildung des Schottkyübergangs kann durch Verfahren wie Sputtern, Ionenstrahl-Sputtern, oder LP-CVD (chemisches Abscheiden aus der Gasphase bei Niederdruck) erzielt werden. Unter den vorstehend erwähnten Verfahren erweist sich die LP-CVD als besonders vorteilhaft, da sie eine Schicht erzeugt, die Siliziumkristalle großer Durchmesser aufweist und eine stabile Qualität zeigt.
Der wärmeempfindliche Abschnitt kann aus einem Schottkyübergang mit einer amorphem Siliziumschicht und Molybdän oder Molybdänsilizid ausgebildet sein. In diesem Fall wird das Sputterverfahren und das PCVD- (Plasma-CVD) Verfahren effektiv zur Formung von amorphem Silizium in der Gestalt einer Schicht verwendet. Das PCVD-Verfahren wird jedoch bevorzugt verwendet, da es eine günstige Steuerung der Dotierstoffkonzentration im Silizium erlaubt.
Für die Formung von Molybdän oder Molybdänsilizid in der Gestalt einer Schicht werden das Elektronenstrahl- Verdampfungsverfahren und das Sputterverfahren effektiv verwendet. Hier ist das Sputterverfahren jedoch wünschenswert, da es eine schnelle Haftung der geformten Schicht mit der darunterliegenden Substratoberfläche erlaubt.
Für die Stelle, an der der wärmeempfindliche Abschnitt auszubilden ist, gibt es keine besonderen Einschränkungen, so lange sie auf der über den im Sensorsubstrat ausgebildeten Hohlraum gelagerten isolierenden Dünnschicht liegt. Es ist beispielsweise zulässig, das Sensorsubstrat mit zwei im wesentlichen identischen Hohlräumen zu versehen, jeweils eine isolierende Dünnschicht auf die Hohlräume zu überlagern und jeweils einen im wesentlichen symmetrischen wärmeempfindlichen Abschnitt im wesentlichen in der Mitte der Dünnschichten anzuordnen.
Dann kann der Hohlraum einschließlich des wärmeempfindlichen Abschnitts in einem Vakuum, insbesondere durch mit den gegenüberliegenden Seiten des Sensorsubstrats verbundene Deckel (Vorder- und Rückdeckel) versiegelt werden, wobei der eine Deckel mit der einen Seite und der andere Deckel mit der anderen Seite des Sensorsubstrats im Vakuum verbunden ist.
Diese Deckel können entweder aus Siliziumsubstrat oder aus Glassubstrat gebildet sein. Hinsichtlich der Verwendung dieser Deckel ist es zu bevorzugen, daß der für den Einlaß der infraroten Strahlung zu beiden wärmeempfindlichen Abschnitten vorgesehene Deckel aus Siliziumsubstrat gebildet ist, daß dieses Siliziumsubstrat mit einer Infrarot- Reflexionsschicht aus Aluminium oder Kupfer versehen ist und daß die Infrarot-Reflexionsschicht an dem für das Eindringen der einfallenden infraroten Strahlung vorgesehenen Abschnitt mit einem Fenster versehen ist (Öffnungsabschnitt).
Als Mittel zum Anbringen der Deckel an das Sensorsubstrat sind das Lötverfahren und das anodische Fusionsverfahren verwendbar. Insbesondere wenn es erforderlich ist, daß die Umgebung des wärmeempfindlichen Abschnitts des Infrarot- Strahlungssensors im Vakuum verbleibt, ist es notwendig, daß entweder der Vorder- oder der Rückdeckel unter Befolgung des vorstehend beschriebenen Ablaufs in Verbindung mit den Einrichtungen zur Versiegelung unter Vakuum mit dem Sensorsubstrat verbunden wird. Wenn der Deckel z. B. aus Pyrexglas (Markenbezeichnung) besteht, kann er direkt durch das anodische Fusionsverfahren mit dem Sensorsubstrat aus Silizium verbunden werden.
Nachstehend wird die Erfindung detaillierter mit Bezug auf Ausführungsbeispiele beschrieben. Es wird festgestellt, daß die nachstehenden Ausführungsbeispiele zur Verdeutlichung dienen und nicht etwa die Erfindung einschränken.
Die perspektivischen Ansichten der Aufbauten eines Infrarot- Strahlungssensors als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung sind in den Fig. 1 und 2 veranschaulicht.
Ein Infrarot-Strahlungssensor 1 gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist mit einem Siliziumsubstrat 2 (vorzugsweise aus einkristallinem Silizium) als Sensorsubstrat ausgestattet. Dieses Siliziumsubstrat 2 weist einen Hohlraum 3 darin auf. Dieser Hohlraum 3 öffnet sich zur Ober- und Unterseite des Siliziumsubstrats 2 hin. Auf der Oberseite des Siliziumsubstrats 2 ist eine Siliziumoxinitridschicht 6 ausgebildet (Dicke: 1 bis 10 um, vorzugsweise 3 um), die mit zwei Brückenabschnitten 4 und 5 versehen ist und durch Ausbildung einer den Hohlraum 3 in einem Vierpunktgestützten Brückenaufbau überlagerten isolierenden Dünnschicht entsteht.
Die wärmeempfindlichen Abschnitte 7 und 8 (Dicke: 0,5 bis 5 um, vorzugsweise 2 um, Größe 0,2 mm · 0,4 mm bis 0,4 mm · 0,8 mm) der Dünnschichten aus Halbleitermaterial werden getrennt in den im wesentlichen mittigen Abschnitten der Brückenabschnitte 4 und 5 ausgebildet. Diese wärmeempfindlichen Abschnitte 7 und 8 sind z. B. aus n-dotiertem polykristallinem Silizium ausgebildet. An die wärmeempfindlichen Schichten 7 und 8 werden die aus Aluminium ausgebildeten und mit einem zwischen Molybdän oder Molybdänsilizid und n-dotiertem polykristallinem Silizium ausgebildeten Schottkyübergang 7a, 8a versehenen Kontaktabschnitte der Elektrodenleitschichten der einen Seite elektrisch verbunden. Die Kontaktabschnitte der Elektrodenleitschichten der anderen Seite werden mit einem Chromdraht verlängert und an die in die Randbereiche der Oberseite des Siliziumsubstrats 2 gebildeten Kontaktflächen 9 verbunden.
Der Oberseite des Siliziumsubstrats 2 wird eine Siliziumoxinitridschicht 6 überlagert. Mit der Oberseite dieser Siliziumoxinitridschicht 6 wird ein Vorderdeckel 10 verbunden. Der Vorderdeckel 10 wird aus Silizium ausgebildet und mit einer die Reflexion von infraroter Strahlung verhindernden Antireflexionsschicht 11 bedeckt. Auf der Oberfläche der Vorderseite der Antireflexionsschicht 11 wird eine durch Überlagerung einer Titanschicht über eine Aluminiumschicht ausgebildete Mehrfachschicht 12 zur Unterbrechung der infraroten Strahlung oder eine Kupferschicht überlagert. Die Schicht 12 zur Unterbrechung von infraroter Strahlung wird an einer Stelle gegenüber eines Abschnitts 13 zum Empfang infraroter Strahlung mit einem Einlaßfenster 14 (Apertur) versehen, damit einfallende infrarote Strahlung eindringen kann. Falls nötig, kann eine (nicht gezeigte) Fresnellinse in dem Injektionsfenster 14 bereitgestellt oder ausgebildet werden.
Mit der unteren Seite des Siliziumsubstrats 2 wird ein Rückdeckel 15 verbunden. Dieser Rückdeckel 15 wird beispielsweise aus Pyrexglas (Markenbezeichnung) gemacht.
Dieser Infrarot-Strahlungssensor 1 läßt selektiv die einfallende infrarote Strahlung durch die Öffnung 14 in dem Vorderdeckel 10 und den Hohlraum 3 in den wärmeempfindlichen Abschnitt 7 eindringen. Die auf den anderen wärmeempfindlichen Abschnitt 8 der Dünnschicht gerichtete einfallende infrarote Strahlung wird durch die Schicht 11 zur Unterbrechung von infraroter Strahlung abgehalten. Die zwischen dem einen der einfallenden infraroten Strahlung ausgesetzten wärmeempfindlichen Abschnitt 7 und dem anderen dieser nicht ausgesetzten wärmeempfindlichen Abschnitt 8 der Dünnschicht erzeugte Ausgangsdifferenz wird über ein (nicht gezeigtes) flexibles Substrat zu einem passenden externen Prüfgerät übertragen. Die Umgebung des Hohlraums 3 und die des in einem ausgehöhlten Abschnitt enthaltenen wärmeempfindlichen Abschnitts 7 der Dünnschicht wird in einem evakuierten Zustand gehalten, indem die Deckel (Vorderdeckel 10 und Rückdeckel 15) mit den gegenüberliegenden Seiten des Siliziumsubstrats 2 als ein Sensorsubstrat verbunden werden, dabei wird zuerst der Rückdeckel 15 mit der Unterseite des Siliziumsubstrats 2 verbunden und danach die Vorderseite 10 in einem Vakuum mit der Oberseite des Siliziumsubstrats 2 verbunden. Aufgrund dieser Anordnung zeichnet sich der Infrarot-Strahlungssensor durch erhöhte Empfindlichkeit aus, da der wärmeempfindliche Abschnitt 7 der Dünnschicht sogar mit einem sehr kleinen Ausmaß infraroter Strahlung hocheffektiv erwärmt werden kann, ohne die Möglichkeit mit sich zu bringen, die Energie der einfallenden infraroten Strahlung über das Medium der Umgebungsluft zu verlieren. Der andere wärmeempfindliche Abschnitt 8 der Dünnschicht wird entsprechend unter dem gleichen evakuierten Zustand belassen. Daher kann das wahre Ausmaß infraroter Strahlung basierend auf der Ausgangsdifferenz zwischen diesen beiden wärmeempfindlichen Abschnitten 7 und 8 erfaßt werden.
Hinsichtlich der Gestalt (des Aufbaus) der auf dem Hohlraum des Sensorsubstrats ausgebildeten isolierenden Dünnschicht sind der Membrantyp und der Auslegertyp neben dem in diesem Ausführungsbeispiel gezeigten Typ ebenfalls denkbar. Die diese Typen in einer vereinfachten Struktur veranschaulichenden schematischen grafischen Darstellungen sind durch die Fig. 3 bis 6 gegeben.
Zunächst zeigt Fig. 3 eine grafische Darstellung zur schematischen Veranschaulichung eines teilweise unterteilten Aufbaus eines Sensorsubstrats, wobei ein Membranaufbau in eine Dünnschicht ausgebildet ist. In dem Membranaufbau aus Fig. 3 ist eine Dünnschicht aus Siliziumoxinitrid als isolierende Dünnschicht ausgebildet, und über den gesamten Bereich des in das Sensorsubstrat ausgebildeten Hohlraums gelagert. In dieser grafischen Darstellung sind die den aus Fig. 2 entsprechenden Abschnitte mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet worden. Im einzelnen bezeichnet das Bezugszeichen 2 ein Siliziumsubstrat als ein Sensorsubstrat, 3 einen Hohlraum, 6 eine Siliziumoxinitridschicht, 7 und 8 jeweils einen wärmeempfindlichen Abschnitt der Dünnschicht, 7a und 8a Schottkyübergänge und 9 eine Kontaktfläche.
Fig. 4 zeigt eine grafische Darstellung zur schematischen Veranschaulichung eines Sensorsubstrats, auf dem eine Dünnschicht nach dem Auslegeraufbau ausgebildet ist. Fig. 5 zeigt eine vereinfachte grafische Darstellung zur Veranschaulichung eines Querschnitts durch Fig. 4 entlang der Linie V-V. Es wird bezüglich der Fig. 4 und 5 angemerkt, daß eine Dünnschicht aus Siliziumoxinitrid als isolierende Dünnschicht nach dem Auslegeraufbau ausgebildet ist, wobei sie an einem Ende abgestützt ist und über dem im Sensorsubstrat 2 ausgebildeten Hohlraum 3 liegt. Nach diesem Aufbau braucht die Dünnschicht nicht über den Hohlraum 3 in seiner gesamten Ausdehnung überlagert oder an den gegenüberliegenden Enden abgestützt zu sein, wie bei dem Brückenaufbau. In dieser grafischen Darstellung sind die den aus Fig. 2 entsprechenden Abschnitte mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet worden. Im einzelnen bezeichnet das Bezugszeichen 2 ein Siliziumsubstrat als ein Sensorsubstrat, 3 einen Hohlraum, 6 eine Siliziumoxinitridschicht, 7 (und 8) den wärmeempfindlichen Abschnitt einer Dünnschicht, 7a einen Schottkyübergang, 7b einen ohmschen Kontakt und 9 eine Kontaktfläche.
Fig. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung nach dem Auslegeraufbau, wobei eine Dünnschicht aus Siliziumoxinitrid als eine elektrisch isolierende Dünnschicht ausgebildet ist, die an einem Ende des im Sensorsubstrat 2 gebildeten Hohlraums 3 abgestützt ist, ähnlich dem Fall aus den Fig. 4 und 5. Es ist ein Loch 7c in der auslegerarti gen Dünnschicht ausgebildet und Wärmeabstrahlung im wesentlichen verhindert. Weiterhin sind in dieser grafischen Darstellung Abschnitte, die denen aus Fig. 2 entsprechen, mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet worden. Im einzelnen bezeichnet das Bezugszeichen 2 ein Siliziumsubstrat als Sensorsubstrat, 3 einen Hohlraum, 6 eine Siliziumnitridschicht, 7 (und 8) eine wärmeempfindliche Dünnschicht, 7a einen Schottkyübergang, 7b einen ohmschen Kontakt und 9 eine Kontaktfläche.
Fig. 7 zeigt in einer schematischen grafischen Darstellung des Infrarot-Strahlungssensors in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung im (durch Fig. 2 entlang der Linie VII-VII gebildeten) Querschnitt veranschaulichend einen Vierpunktgestützten Brückenaufbau einer isolierenden Dünnschicht, die über einen in einem Sensorsubstrat ausgebildeten Hohlraum überlagert ist und einen einen Schottkyübergang verwendenden wärmeempfindlichen Abschnitt für infrarote Strahlung beinhaltet.
In dem Aufbau nach Fig. 7 ist das Sensorsubstrat 31 ein Substrat aus Siliziumeinkristall mit einer Dicke von 300 um und einer Oberflächenorientierung (100). In diesem Sensorsubstrat 31 wurde ein Hohlraum 32 hinein geätzt, wie nachstehend beschrieben. Ein Brückenabschnitt 34 mit einer Siliziumoxinitridschicht 33 als einer seiner Bestandteile wird (als Brücke, die an vier Punkten gestützt wird) über dem Hohlraum 32 ausgebildet. In dem im wesentlichen mittigen Abschnitt des Brückenabschnitts 34 wird eine Dünnschicht eines wärmeempfindlichen Abschnitts 35 aus polykristallinem Silizium mit etwa 1 um Dicke aufgebracht. Ein Schottkyübergang wird an der Grenzfläche zwischen einem mit Phosphorionen niedriger Konzentration (Dosis: 1 · 10¹² cm²) implantierten polykristallinen Silizium-Abschnitt 36 und einem durch Sputtern aufgebrachten metallischen Molybdän (oder Molybdänsilizid) -abschnitt 37 ausgebildet. Die Erfindung verwendet als wärmeempfindliches Element den Schottkyübergang, genauer die Temperaturabhängigkeit des Sperrstroms der Schottkydiode. Nahezu die Hälfte des polykristallinen Siliziums wurde in ein n&spplus;-Silizium 38 umgewandelt, das mit einer Aluminiumelektrode einen ohmschen Kontakt bildet, indem Phosphorionen in das polykristalline Silizium mit hoher Konzentration (mit einer nicht geringeren Dosis als 1 · 10¹&sup6; cm&supmin;²) injiziert wurden.
In diesem Ausführungsbeispiel wird der wärmeempfindliche Abschnitt 35 auf den Brückenaufbau überlagert, damit die von dem wärmeempfindlichen Abschnitt 35 in die Umgebung weg diffundierende Wärmemenge um das größtmögliche Ausmaß reduziert wird. Zur Vergrößerung des für die Aufnahme der infraroten Strahlung bestimmten Bereichs wird dann der Brückenabschnitt 34 aus Fig. 7 in der gleichen Weise wie die Brückenabschnitte 4 und 5 ausgebildet, damit sie mittige Abschnitte (Durchmesser etwa ein mm) aufweisen, die eine große Fläche zur Ausbildung der Abschnitte 13 zum Empfang infraroter Strahlung darauf einnehmen dürfen, wie in Fig. 2 veranschaulicht. Weiterhin werden Abschnitte der Siliziumoxinitridschicht 33 aus Fig. 7 derartig ausgebildet, daß die zentralen Abschnitte durch schlanke Brückenelemente 16 (10 um oder 20 um breit) aufgehängt werden, wie in Fig. 2 veranschaulicht, damit die über die Brückenelemente 16 weg diffundierende Wärmemenge um das größtmögliche Ausmaß reduziert wird.
Die elektrische Verbindung des eine Schottkydiode umfassenden wärmeempfindlichen Abschnitts wird aus einer den Brückenabschnitt 34 überlagernden Chrom-Dünnschicht 39 (Cr) zur Minimierung der Wärmeleitfähigkeit ausgebildet. Auf den gegenüberliegenden Kontaktabschnitten der Chromschicht 39 werden je eine Titanschicht 40 (Ti) und eine Kupferschicht 41 (Cu) unter Vakuum auf die Chromschicht 39 (in der genannten Reihenfolge abwärts) abgeschieden, damit eine Kontaktfläche zur äußeren Verdrahtung entsteht. Weiterhin wird Gold 42 (Au) auf die Oberfläche der Titanschicht 40 abgeschieden bzw. galvanisch aufgebracht.
Zwischen dem wärmeempfindlichen Abschnitt für infrarote Strahlung und dem Chromkontakt wird eine (etwa 1,5 um dicke) Aluminiumschicht 43 mit dem Sputterverfahren in einer geeigneten Schrittbedeckung abgeschieden, wodurch eine Zusammenschaltung vermieden wird. Damit der wärmeempfindliche Abschnitt 35 und die elektrische Verbindung gegen die zum Ätzen des Siliziumsubstrats und dem Ausbilden des Hohlraums 32 darin verwendeten Hydrazinlösung geschützt werden, wird eine Siliziumoxinitridschicht 44 mit einer Dicke von 3 um über den gesamten Aufbau im Produktionsvorgang abgeschieden, nachdem die Aluminiumschicht 43 ausgebildet und strukturiert wurde. Als Unterlage zum Anlöten dieser Siliziumoxinitridschicht 44 an einen in Fig. 8 veranschaulichten Vorderdeckel (51), werden eine Kupferschicht 45 und eine Titanschicht 46 in der genannten Reihenfolge abwärts durch Vakuumabscheidung auf der Siliziumoxinitridschicht 44 aufeinander geschichtet.
Es wird übrigens auf der Unterseite des Sensorsubstrats 31 eine (nicht gezeigte) Siliziumoxinitridschicht vorbereitend abgeschieden. Diese Schicht ist so angepaßt, damit das Silizium im Herstellungsvorgang offen liegt, was eine anodische Fusion von dem Sensorsubstrat 31 und einem Glassubstrat (62) eines Rückdeckels (61) möglich macht, wie in Fig. 9 gezeigt.
Fig. 8 zeigt einen Querschnitt zur schematischen Verdeutlichung eines typischen Beispiels eines Vorderdeckels entsprechend dem Sensorsubstrat aus Fig. 7. In diesem Ausführungsbeispiel wird ein einkristallines Siliziumsubstrat 52 mit einer Dicke von 300 um und einer Oberflächenorientierung (100) als Material für den Vorderdeckel 51 verwendet. Auf den gegenüberliegenden Seiten des Siliziumsubstrats 52 werden Siliziumoxidschichten 53 mit einer Dicke von 0,1 um ausgebildet, wobei jedes gleichzeitig als Infrarot-Antireflexionsschicht und als Maske für das anisotrope Ätzen mit Hydrazin dient. Auf der die der infraroten Strahlung ausgesetzten Seite darstellende Siliziumoxidschicht 53 (die obere Seite in Fig. 8) werden metallische Schichten 54 und 55 (Übereinanderschichtung von Kupfer und Titan) ausgebildet. Die unmittelbar über dem infrarote Strahlung empfangenden Abschnitt (13) des Sensorsubstrats (31) liegenden Abschnitte der metallischen Schichten 54 und 55 werden durch Ätzen entfernt, damit einem Fenster (Apertur) 56 zum Eindringen der einfallenden infraroten Strahlung Platz geschaffen wird. Wenn diese Apertur 56 mit einer Fresnellinse ausgestattet wird, ist sie in der Lage, die einfallende infrarote Strahlung auf den Empfangsabschnitt (13) für die infrarote Strahlung zu bündeln und außerdem die Temperatur des wärmeempfindlichen Abschnitts (35) zu erhöhen. Die Fresnellinse wird durch Fortführung des Siliziumsubstrats 52 oder durch Anbringung der Fresnellinsen-Schicht ausgebildet.
Auf der Seite des gegenüber dem Sensorsubstrat (31) liegenden Vorderdeckels 51 wird eine Unterlage für das Anlöten des Vorderdeckels 51 an das Sensorsubstrat (31) ausgebildet. Diese Unterlage für das Anlöten wird aus überlagernden Schichten 57 und 58 aus Kupfer und Titan ähnlich der auf der Sensorsubstrat-Seite (31) ausgebildet.
Der Abschnitt gegenüber dem Brückenabschnitt (34) wird durch Abtragung mit anisotropem Ätzen auf eine Tiefe von etwa 200 um vertieft, damit der Abschnitt nicht die anderen auf dem Brückenabschnitt ausgebildeten Bauteile berührt. Gleichzeitig mit der Ausbildung des vertieften Abschnitts wird das Siliziumsubstrat 52 gleichzeitig von seiner Vorder- und Rückseite durch anisotropes Ätzen vertieft, damit eine Abtrennung von benachbarten Chips erreicht wird. Die Chips sind nicht vollständig getrennt, sondern in einer Reihe mit einem dünnen Siliziumfaden verbunden. Nachdem sie mit den Sensorsubstraten (31) verbunden wurden, werden sie voneinander getrennt ("dicing"). Bei diesem Vorgang kann eine Vielzahl von Chips auf einmal durch die Waferverarbeitung zum Zeitpunkt des Anlötens ausgerichtet werden.
Fig. 9 zeigt einen Querschnitt zur schematischen Veranschau lichung eines typischen Beispiels für ein zur Ausbildung eines Rückdeckels bestimmten Glassubstrats, entsprechend dem Sensorsubstrat aus Fig. 7. In diesem Ausführungsbeispiel ist das für den Rückdeckel 61 vorgesehene Glassubstrat 62 aus Pyrexglas (Markenbezeichnung) 300 um dick. Das Glas bleibt von der an das Sensorsubstrat (31) angebrachten Oberfläche des Glassubstrats 62 unbedeckt. Auf die gegenüberliegende Oberfläche des Glassubstrats 62 sind eine Kupferschicht 63 und eine Chromschicht 64 durch Abscheidung unter Vakuum aufeinander geschichtet, damit die sichtbare und infrarote Strahlung unterbrochen wird.
Nachfolgend wird ein typischer Ablauf im Zusammenbau des Sensorsubstrats, den Verbindungseinrichtungen für einen Vorder- und einen Rückdeckel und den zur Verbindung benötigten Einrichtungen zur Versiegelung unter Vakuum beschrieben, wie sie in der genannten Reihenfolge in den Fig. 7 bis 9 jeweils veranschaulicht werden. Zuerst wird das in Fig. 7 gezeigte Sensorsubstrat 31 und das in Fig. 9 gezeigte Glassubstrat 62 des Rückdeckels 61 durch anodische Fusion verbunden. Diese Einheit wird an die offene Luft gebracht. Daher sollte die für diese Einheit verwendete erforderliche Umgebung möglichst vollkommen normal und absolut frei von Verunreinigungen wie Staub sein.
Dann wird das bereits mit dem Glassubstrat 62 verbundene Sensorsubstrat 31 mit einem mit einer Heiz- und einer Abgleichvorrichtung ausgestatteten Vakuumbehälter geerdet. Ein zur Ausbildung des Vorderdeckels 51 bestimmter Wafer wird in den Vakuumbehälter eingebracht. Der Behälter wird sorgfältig (auf einen Vakuumdruck von nicht mehr als 10&supmin;&sup6; Torr) evakuiert, und dann die beiden Substrate 31 und 51 aufeinander ausgerichtet und durch Erwärmung verlötet. Natürlich können die Unterlagen zum Verlöten der beiden Substrate 31 und 51 zur Verbesserung der Verbindung der Substrate in dem Vakuumbehälter mit Lötmittel beschichtet werden.
Mit dem vorstehend beschriebenen Vorgang kann der Infrarot- Strahlungssensor mit dem wärmeempfindlichen Abschnitt für infrarote Strahlung und dem darin versiegelten Brückenaufbau in einer Vakuumumgebung hergestellt werden.
Fig. 10 zeigt einen Funktionsverlauf der Temperaturkennlinie eines Infrarot-Strahlungssensors, der als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung durch Zusammensetzung des Sensorsubstrats, den Verbindungseinrichtungen für einen Vorder- und einen Rückdeckel und den Einrichtungen zur Versiegelung unter Vakuum zur Verwendung während der Verbindung hergestellt wird, in der genannten Reihenfolge in den Fig. 7 bis 9 jeweils veranschaulicht. Die äquivalente Thermistorkonstante der Schottkydiode wird durch Anlegen einer Sperrspannung von 0,5 V an die Schottkydiode und die Spezifizierung der demzufolge durch den Sperrstrom verursachten Änderungen der Sensortemperatur bestimmt. Die äquivalente Thermistorkonstante der Erfindung liegt bei etwa 7250ºC (7500 K), mehr als zweimal so groß (etwa 3250ºC (3500 K)) wie die der Germanium verwendenden bekannten Thermistoren. Dadurch wurde bewiesen, daß die Erfindung einen hochempfindlichen Infrarot-Strahlungssensor verwirklicht.

Claims

1. Infrarot-Strahlungssensor (1), mit einem Sensorsubstrat (2), das einen Hohlraum (3) aufweist und einen wärmeempfindlichen Abschnitt (7) hat, der auf einem dem Hohlraum (3) überlagerten isolierenden Dünnschichtabschnitt (6) ausgebildet ist, wobei der wärmeempfindliche Abschnitt (7) einen Schottkyübergang (7a) aus einem Halbleiter-Dünnschichtmaterial und einem metallischen Material verwendet, wobei der wärmeempfindliche Abschnitt im Ansprechen auf eine daran angelegte Vorspannung aktiv ist, um einen Strom in Sperrichtung zu erzeugen, der sich entsprechend einer durch Infrarot-Strahlung bedingten Temperaturänderung bei dem Sensor verändert.

2. Infrarot-Strahlungssensor nach Anspruch 1, wobei der Schottkyübergang (7a) ein halbleitendes Dünnschichtmaterial enthält und weiterhin Vakuumversiegelungseinrichtungen (10, 15) bereitgestellt sind, die den Hohlraum (3) des Sensorsubstrats (2) und den wärmeempfindlichen Abschnitt umgeben und die Umgebung des wärmeempfindlichen Abschnitts (7) im Vakuum halten.

3. Infrarot-Strahlungssensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die isolierende Dünnschicht (6) wärmeisolierend ist.

4. Infrarot-Strahlungssensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die isolierende Dünnschicht (6) in einer Anordnung nach dem Brücken-, dem Ausleger-, oder dem Membranaufbau ausgebildet ist.

5. Infrarot-Strahlungssensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die isolierende Dünnschicht (6) einen Brückenaufbau (4, 5) ausbildet.

6. Infrarot-Strahlungssensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Halbleitermaterial polykristallines Silizium ist.

7. Infrarot-Strahlungssensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Halbleitermaterial amorphes Silizium ist.

8. Infrarot-Strahlungssensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei das metallische Material Molybdän ist.

9. Infrarot-Strahlungssensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei das metallische Material Molybdänsilizid ist.

10. Infrarot-Strahlungssensor nach Anspruch 2, wobei der Sensor weiterhin eine in dem Einlaß der Vakuumversiegelungseinrichtung (51) bereitgestellte oder ausgebildete Fresnellinse aufweist.

11. Verfahren zur Herstellung eines Infrarot- Strahlungssensors (1), das die Schritte

i) Vorbereiten eines Sensorsubstrats (2),

ii) Ausbilden eines Hohlraums (3) in dem Substrat,

iii) Ausbilden eines dem Hohlraum (3) überlagerten isolierenden Dünnschichtabschnitts (6) und

iv) Ausbilden eines wärmeempfindlichen Abschnitts (7) auf dem isolierenden Dünnschichtabschnitt aufweist, wobei der wärmeempfindliche Abschnitt (7) einen Schottkyübergang (7a) aus einem halbleitenden oder Dünnschichtmaterial und einem metallischen Material aufweist, wobei der wärmeempfindliche Abschnitt im Ansprechen auf eine daran angelegte Vorspannung aktiv ist, um einen Strom in Sperrichtung zu erzeugen, der sich entsprechend einer durch Infrarot-Strahlung bedingten Temperaturänderung bei dem Sensors verändernden.

12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Schottkyübergang (7a) ein halbleitendes Dünnschichtmaterial enthält und das weiterhin die Schritte der Bereitstellung von Vakuumversiegelungseinrichtungen (10, 15) umfaßt, die den Hohlraum (3) des Sensorsubstrats (2) und den wärmeempfindlichen Abschnitt umgeben und die Umgebung des wärmeempfindlichen Abschnitts (7) im Vakuum halten.

13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei die isolierende Dünnschicht (6) wärmeisolierend ist.

14. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei die isolierende Dünnschicht (6) in einer Anordnung nach dem Brücken-, dem Ausleger-, oder dem Membranaufbau ausgebildet ist.

15. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei die isolierende Dünnschicht (6) einen Brückenaufbau (4, 5) ausbildet.

16. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei das Halbleitermaterial polykristallines Silizium ist.

17. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei das Halbleitermaterial amorphes Silizium ist.

18. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei das metallische Material Molybdän ist.

19. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei das metallische Material Molybdänsilizid ist.

20. Verfahren nach Anspruch 12, das weiterhin den Schritt der Anordnung oder Ausbildung einer in dem Einlaß der Vakuumversiegelungseinrichtung (51) angeordneten oder ausgebildeten Fresnellinse aufweist.

21. Verwendung eines Infrarot-Strahlungssensors (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei

eine Sperrspannung an den Schottkyübergang des wärmeempfindlichen Abschnitts (7) angelegt wird und

der Sperrstrom durch den Schottkyübergang gemessen wird.