DE10058861A1 - Infrarotsensor für hochauflösende Infrarot-Detektoranordnungen und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Infrarotsensor für hochauflösende Infrarot-Detektoranordnungen und Verfahren zu seiner Herstellung

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Abstract

Ein Infrarotsensor für hochauflösende Infrarot-Detektoranordnungen hat einen Träger (20), auf dem mindestens ein Pixelelement (30) zur Detektion von Infrarotstrahlung angeordnet ist, und einen in den Träger integrierte Ausleseelektronik oder Bauelemente einer solchen Ausleseelektronik, die an das Pixelelement (30) gekoppelt ist/sind. Kontaktflächen (2) der Ausleseelektronik oder von Bauelementen der Ausleseelektronik befinden sich im Inneren des Trägers (20). Die Ausleseelektronik oder Bauelemente der Ausleseelektronik und das Pixelelement (30) sind in vertikaler Anordnung ausgebildet. Der Träger (20) enthält eine CMOS-kompatible Oberflächenmikromechnikstruktur mit einem integrierten Hohlraum (7) unterhalb des Pixelelements (30) und säulenartigen Metallstrukturen (6a), die sich vertikal erstrecken und die Kontaktflächen (2) der Ausleseelektronik mit dem Pixelelement (30) elektrisch verbinden. Bei einem Verfahren zur Herstellung des IR-Sensors werden Ausleseelektronik oder Bauelemente der Ausleseelektronik und Pixelelemente (30) vertikal übereinander angeordnet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Infrarotsensor gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 und ein Verfahren zur Herstellung eines Infrarotsensors gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 9. Der IR-Sensor ist insbesondere für hochauf­ lösende Infrarot-Detektoranordnungen geeignet.
Integrierte Infrarotsensoren für hochauflösende Infrarot- Detektoranordnungen umfassen einen Halbleitertragekörper bzw. Chip, auf dem ein Sensorelement zur Messung der Intensität einer Infrarotstrahlung ausgestaltet ist. Dabei ist das Sen­ sorelement beispielsweise ein pyroelektrischer Kondensator. Neben dem Sensorelement bzw. der Sensorstruktur befindet sich auf dem Chip weiterhin eine Ausleseelektronik, die zur Verar­ beitung der von der Sensorstruktur erzeugten Signale dient. Dabei sind die Ausleseelektronik und die Sensorstruktur ne­ beneinander auf dem Chip aufgebracht. Die Ausleseelektronik ist im Chip integriert.
Die bekannten Infrarotsensoren haben jedoch den Nachteil ei­ nes großen Platzbedarfs. Durch die Anordnung von Auslese­ elektronik und Sensorstruktur nebeneinander auf dem Chip ist bei einer vorgegebenen Detektorfläche bzw. bei einer vorgege­ benen Chipgröße in einem integrierten Sensorarray die Anzahl der Sensorelemente begrenzt.
Hinzu kommt die allgemeine Anforderung, dass die Sensoren bzw. IR-Detektorarrays stabil gegenüber mechanischen Einflüssen von außen sein sollen. Darüber hinaus sollen die Infra­ rotsensoren kostengünstig herstellbar sein.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Infrarotsensor insbesondere für hochauflösende Infrarot- Detektoranordnungen zu schaffen, der sehr kompakt bzw. platz­ sparend ausgestaltet werden kann und mit dem in Detektorar­ rays eine dichte Anordnung der Sensoren erzielt werden kann. Weiterhin soll mit dem Infrarotsensor eine hohe Auflösung der IR-Detektorarrays ermöglicht werden. Darüber hinaus soll ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Infrarotsensors angegeben werden, das relativ kostengünstig durchführbar ist.
Die Aufgabe wird gelöst durch den Infrarotsensor gemäß Pa­ tentanspruch 1 und durch das Verfahren zur Herstellung eines Infrarotsensors gemäß Patentanspruch 9. Weitere vorteilhafte Merkmale, Aspekte und Details der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnun­ gen.
Der erfindungsgemäße Infrarotsensor für hochauflösende Infra­ rot-Detektoranordnungen hat einen Träger, auf dem mindestens ein Pixelelement zur Detektion von Infrarotstrahlung angeord­ net ist, und eine z. B. in den Träger integrierte Auslese­ elektronik oder Bauelemente einer Ausleseelektronik, die an das Pixelelement gekoppelt ist/sin, wobei die Ausleseelektro­ nik oder die Bauelemente der Ausleseelektronik und das Pixel­ element in vertikaler Anordnung ausgebildet sind und der Trä­ ger - unter anderem - eine Mikromechanikstruktur enthält.
Die Mikromechanistruktur kann zur thermischen Isolierung des Pixelelements vom Substratmaterial dienen.
Durch die vertikale Anordnung der beiden Teile Ausleseelekt­ ronik bzw. Ausleseschaltung oder Bauelemente der Auslese­ elektronik und Pixelelement in Verbindung mit einer Mikrome­ chanikstruktur können in einer Detektoranordnung die Sensoren wesentlich dichter aneinander angeordnet werden. Dadurch kön­ nen hochauflösende IR-Detektorarrays geschaffen werden, die einen sehr geringen Platzbedarf aufweisen und dennoch eine hohe Auflösung erzielen. Der erfindungsgemäße Infrarotsensor ist insbesondere mit Techniken der Oberflächenmikromechanik herstellbar, d. h. es werden mit einer CMOS-kompatiblen Mik­ romechanik bzw. Oberflächenmikromechanik hochauflösende IR- Detektorarrays zugänglich.
Vorteilhafterweise ist in dem Träger eine oberflächenmikrome­ chanisch hergestellte Stützstruktur vorgesehen. Dadurch wird eine besonders hohe Stabilität gegenüber externen Einflüssen erzielt, wobei dennoch ein äußerst geringer Platzbedarf ge­ währleistet ist. Die Verwendung der oberflächenmikromecha­ nisch hergestellten Stützstrukturen dient insbesondere auch zur Verminderung des Übersprechens zwischen einzelnen Pixeln bzw. Pixelelementen.
Bevorzugt ist ein elektrischer Kontakt vom Pixelelement zur Ausleseelektronik beziehungsweise den Bauelementen der Ausle­ seelektronik in die Stützstruktur bzw. in die Stützstrukturen integriert. Dadurch wird der Raum- bzw. Platzbedarf noch wei­ ter reduziert, ohne dass die Stabilität Nachteile erleidet. Die Stützstruktur erfüllt dadurch gleichzeitig zwei Funktio­ nen, nämlich einerseits die Bereitstellung des elektrischen Kontakts zum Ausleseschaltkreis bzw. zur Ausleseelektronik, und andererseits die Abstützung der vertikal bzw. vertikal übereinander angeordneten Elemente des Infrarotsensors.
Vorteilhafterweise ist im Träger ein Hohlraum vorgesehen. Da­ bei ist der Hohlraum bevorzugt evakuiert bzw. der Hohlraum­ verschlussprozess im Vakuum durchgeführt. Durch den Hohlraum und insbesondere durch den evakuierten Hohlraum ist das Pi­ xelelement thermisch isoliert, was zur Verbesserung der Qua­ lität der Messergebnisse bzw. zur Erhöhung der Auflösung bei­ trägt. Durch diese vorteilhafte Ausgestaltung befindet sich die thermische Isolation direkt im Pixel und der gesamte Chip bzw. Infrarotsensor kann in ein unter Atmosphärendruck ste­ hendes Gehäuse eingebaut werden. Dadurch werden Kosten einge­ spart, da ein Vakuumgehäuse im Vergleich hierzu mit wesent­ lich höheren Kosten verbunden ist.
Der Träger enthält z. B. eine CMOS-kompatible Mikromechanik­ struktur mit einem insbesondere vertikal vom Trägerinnenraum auf die Trägeroberfläche geführten Kontakt. Dies trägt noch zusätzlich zur Platzeinsparung und zur Erhöhung der Stabili­ tät bei.
Bevorzugt ist der Träger aus einem Substrat mit einer aufge­ brachten Schichtfolge gebildet, wobei in der Schichtfolge ein abgeschlossener Hohlraum mit ein oder mehreren elektrisch leitenden Stützstrukturen ausgestaltet ist, die den Auslese­ schaltkreis bzw. die Ausleseelektronik oder die Bauelemente der Ausleseelektronik mit dem oder den Pixelelementen verbin­ den. Der Träger bzw. das Substrat ist insbesondere ein Chip. Dadurch ergibt sich eine besonders kostengünstige und beson­ ders platzsparende Bauweise.
Das Pixelelement kann z. B. eine pyroelektrische Kondensator­ struktur umfassen bzw. als solche ausgestaltet sein, die ins­ besondere durch die Stützstrukturen im Träger mit der Ausleseelektronik oder den Bauelementen der Ausleseelektronik e­ lektrisch verbunden ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Infra­ rotsensors, der insbesondere für hochauflösende Infrarot- Detektoranordnungen geeignet ist, umfasst die Schritte: Be­ reitstellen eines Trägers mit mikromechanisch hergestellten Hohlräumen und einer Ausleseelektronik oder Bauelementen ei­ ner Ausleseelektronik; Aufbringen eines Pixelelements auf die Trägeroberfläche; und Herstellen einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen der Ausleseelektronik oder den Bauelemen­ ten der Ausleseelektronik und dem Pixelelement; wobei die Ausleseelektronik oder die Bauelemente der Ausleseelektronik und das Pixelelement vertikal übereinander angeordnet werden, und wobei sich die elektrisch leitende Verbindung durch den Träger erstreckt.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann auf kostengünstige Weise ein platzsparender Infrarotsensor hergestellt werden, der eine hohe Auflösung in Infrarot-Detektorarrays ermög­ licht, wobei dennoch eine hohe Festigkeit bzw. Stabilität des Infrarotsensors erzielt wird.
Insbesondere erstreckt sich dabei die elektrisch leitende Verbindung von der Ausleseelektronik oder den Bauelementen der Ausleseelektronik des Trägers zur Trägeroberfläche. Dabei sind die Kontaktflächen des Ausleseschaltkreises z. B. im In­ neren des Trägers angeordnet.
Vorteilhafterweise wird das erfindungsgemäße Verfahren mit Techniken der Mikromechanik bzw. der Oberflächenmikromechanik durchgeführt. Dadurch können z. B. Stützstrukturen und/oder Isolierungen zur Verminderung des Übersprechens zwischen ein­ zelnen Pixeln hergestellt werden.
Insbesondere kann zur Herstellung des Trägers eine Schicht­ folge auf das Substrat aufgebracht werden, in die beispiels­ weise ein oder mehrere Metallstrukturen zur Stützung der Trä­ geroberfläche und zur elektrischen Kontaktierung der Auslese­ elektronik oder der Bauelemente der Ausleseelektronik von der Trägeroberfläche eingebracht werden.
Bevorzugt wird eine Hilfsschicht innerhalb des Trägers z. B. unterhalb einer Membran selektiv geätzt, um einen Hohlraum im Träger auszubilden. Dabei wird der Hohlraum vorteilhafterwei­ se bei ausreichend niedrigem Druck verschlossen. Dies kann möglicherweise im Vakuum bzw. unter Vakuumbedingungen gesche­ hen. Dadurch werden Kosten eingespart, die ansonsten durch ein notwendiges Vakuumgehäuse für den Infrarotsensor entste­ hen würden. Die Pixelelemente werden durch diese Maßnahmen sehr gut thermisch isoliert, so dass eine noch dichtere An­ ordnung der Infrarotsensoren im Detektorarray möglich wird, wobei dennoch eine gute Auflösung gewährleistet ist.
Vorteilhafterweise wird auf dem Träger eine Schichtfolge zur Bildung eines pyroelektrischen Kondensators aufgebracht, der das Pixelelement bildet, wobei der Kondensator bzw. das Pi­ xelelement z. B. über eine oberflächenmikromechanisch herge­ stellte Stützstruktur innerhalb des Trägers mit der Auslese­ elektronik oder den Bauelementen der Ausleseelektronik kon­ taktiert wird.
Die Vorteile, Merkmale und Details der Erfindung, die unter Bezugnahme auf das Verfahren zur Herstellung des IR-Sensors angegeben werden, gelten selbstverständlich auch für den erfindungsgemäßen Infrarotsensor selbst, ebenso wie Vorteile und Merkmale des Infrarotsensors auch für das erfindungsgemä­ ße Verfahren zu seiner Herstellung gelten.
Nachfolgend wird zunächst die Herstellung eines erfindungsge­ mäßen Infrarotsensors bzw. eines hochauflösenden pyroelektri­ schen IR-Detektorarrays beispielhaft beschrieben, und an­ schließend wird der IR-Sensor selbst anhand der hergestellten Struktur beispielhaft beschrieben. Dabei zeigen
Fig. 1a und 1b in schematischer Darstellung die einzelnen Schritte bei der Herstellung des Infrarotsensors gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Er­ findung, wobei der Aufbau in den einzelnen Her­ stellungsphasen mit A bis T gekennzeichnet ist.
In Fig. 1a wird von einem Wafer 1 ausgegangen, der mit einer Ausleseelektronik bzw. Ausleseschaltung oder Teilen davon versehen ist. An der Oberfläche des Wafers 1 sind metallische Kontaktflächen 2 in Form von Pads ausgebildet. Der Wafer 1 bildet ein Substrat, das die Ausleseelektronik oder Bauele­ mente der Ausleseelektronik enthält, wobei die Kontaktflächen 2 zur Kontaktierung der Ausleseelektronik bzw. Halbleiter­ schaltung oder der Bauelemente der Ausleseelektronik dienen. Auf den so bereitgestellten Wafer können weitere Schichtfol­ gen aufgebracht werden. (A)
Nun wird eine Passivierung 3 auf die Oberfläche des Substrats bzw. Wafers 1 aufgebracht, wobei die Passivierung 3 die Kon­ taktflächen 2 bzw. Pads überdeckt. Die Passivierung 3 ist vorzugsweise durch eine oder mehrere Nitridschichten bzw. Si- Nitrid-Schichten gebildet. Die obere Silizium-Nitridschicht der Passivierung 3 dient als Ätzstop für eine spätere Hohlraumätzung oberhalb der Passivierung 3, so dass das darrun­ terliegende Substrat 1 nicht angegriffen wird. (B)
In dem nun folgenden Prozessschritt wird auf die Nitrid­ schicht der Passivierung 3 eine Hilfsschicht 4 aufgebracht, die beispielsweise eine Plasmaoxidschicht ist. Die Plasmao­ xidschicht bzw. Hilfsschicht 4 ist z. B. eine 0,5 µm dicke Schicht, die zur späteren Herstellung einer Stützstruktur mit einem integrierten elektrischen Kontakt bzw. Leiter dient. Die Hilfsschicht 4 bildet eine Opferschicht für die spätere Hohlraumätzung. (C)
Nun wird auf das Plasmaoxid der Hilfsschicht 4 eine weitere Schicht als Membran 5 aufgebracht. Die Membranschicht bzw. Membran 5 ist beispielsweise eine Si-Nitridschicht und hat z. B. eine Stärke von etwa 0,2 µm. (D)
Anschließend werden in die auf dem Substrat oder Wafer 1 auf­ gebrachten Schichten Kontaktlöcher 5a geätzt, die bis auf die Aluminiumpads bzw. Kontaktflächen 2 der Ausleseelektronik reichen und diese kontaktieren. Das jeweilige Kontaktloch 5a wird senkrecht von der Oberseite der Membran 5 nach unten hin senkrecht zur Substratoberfläche ausgebildet. Der Durchmesser des jeweiligen Kontaktlochs 5a beträgt beispielsweise 1 bis 2 µm. (E) und (F)
Anschließend werden die Kontaktlöcher 5a mit einem elektrisch leitenden Material bzw. einem Metall aufgefüllt, wobei vor­ teilhafterweise Wolfram verwendet wird. Das Wolfram kann bei­ spielsweise in einem CVD-Prozeß (Chemical Vapor Deposition) abgeschieden werden. Das elektrisch leitende Material in den Kontaktlöchern 5a reicht von der Oberfläche der Membran 5 säulenartig hinab bis auf die Oberfläche der Kontaktflächen 2, so dass es einen durchgehenden elektrischen Kontakt von der Oberfläche der so gebildeten Struktur zu den im Inneren der Struktur gelegenen Kontaktflächen 2 bildet. Nach dem Fül­ len der Kontaktlöcher mit dem Metall bzw. Wolframmetall be­ findet sich eine Metallschicht 6 auf der Oberfläche der Memb­ ran 5. (G)
Nun wird das Metall bzw. Wolfram, das sich auf der Oberfläche der Membran 5 befindet, entfernt oder über eine FT struktu­ riert. (H)
Der nächste Schritt umfasst die Ätzung von weiteren Löchern 5b in die Membran 5 aus Silizium-Nitrid. Die Öffnungen bzw. Löcher 5b durchdringen die Membran 5 vollständig über ihre gesamte Dicke, so dass eine Verbindung von außen zu der Hilfsschicht 4 entsteht. (K)
Als nächster Schritt erfolgt eine Hohlraumätzung, wobei die Hilfsschicht 4 bzw. Plasmaoxidschicht zwischen den Si- Nitridschichten, d. h. zwischen der Passivierung 3 und der darüberliegenden Membran 5, zum Teil herausgeätzt wird. Der Ätzprozess wird dabei so geführt, dass um das Wolfram in den Kontaktlöchern 5a Si-Oxid stehen bleibt. Es entsteht ein Hohlraum 7 in der Hilfsschicht 4 unterhalb der Löcher 5b. Das Wolfram in den Kontaktlöchern 5a, die zu beiden Seiten des Hohlraums 7 ausgebildet sind, bildet eine Metallstruktur 6a, die als Durchkontaktierung dient. Durch das verbleibende Ma­ terial der Hilfsschicht 4 an den Metallstrukturen 6a wird das Metall bzw. Wolfram vor einem Ätzangriff geschützt. Nun wer­ den die Ätzlöcher 5b in der Membran 5 mit einem geeigneten Material mittels der bekannten Verfahren verschlossen. Das Verschlussmaterial bildet eine Verschluss- bzw. Membran­ schicht 8, auf der anschließend eine Verdrahtung elektrischer Bauelemente z. B. mittels Phototechnik durchgeführt werden kann. (L)
Durch die erfolgte Ätzung durch das Oxid auf die Wolframkon­ takte bzw. W-Plugs ergibt sich eine sehr platzsparende, CMOS­ kompatible Oberflächenmikromechanikstruktur mit einem vom In­ nenraum auf die Waferoberfläche geführten Kontakt. Der Kon­ takt bildet eine elektrische Leitung, die sich senkrecht zur Waferebene erstreckt und die unterhalb der Waferoberfläche gelegene, im Wafer integrierte Ausleseschaltung beziehungs­ weise deren Bauelemente kontaktiert.
Nun erfolgen die weiteren Prozessschritte, durch die pyroe­ lektrische Pixel auf den bereitgestellten thermisch isolie­ renden Strukturen definiert werden. Zunächst wird dabei in einem ersten Schritt ganzflächig auf die Membranschicht 8 ei­ ne Platinschicht aufgebracht, die eine untere Elektrode 9 bildet. Für die Elektrode können auch andere Materialien die­ nen. Beispielsweise kann eine Ir-Schicht anstelle einer Pt- Schicht als untere Elektrode 9 verwendet werden. Die Dicke der unteren Elektrode 9 liegt typischerweise im Bereich zwi­ schen 50 und 300 nm. (M)
Auf die Pt-Elektrode bzw. untere Elektrode 9 wird eine Schicht 10 aus pyroelektrischem Material durch ein Sputter­ verfahren aufgebracht. Als pyroelektrisches Material wird PZT (Bleizirkonattitanat) verwendet. Das Aufbringen der ferro­ elektrischen PZT-Schicht 10 erfolgt in sauerstoffhaltiger At­ mosphäre bei Temperaturen zwischen ca. 450°C und 550°C. (N)
Anschließend wird auf die PZT-Schicht 10 mit einem lift-off Prozess eine obere Elektrode 11 aufgebracht, die aus einer CrNi-Schicht gebildet wird. Die CrNi-Elektrode bzw. obere Elektrode 11 hat eine Dicke von ca. 20-50 nm und absorbiert Infrarotstrahlung optimal in einem Wellenlängenbereich von 10 Mikrometer. (O)
Der nächste Schritt umfasst die Strukturierung der ferro­ elektrischen PZT-Schicht 10 mit einem RIE-Prozess (Reactive- Ion-Etching). Hierbei handelt es sich um ein anisotropes phy­ sikalisches Trockenätzen. Die Größe eines so definierten Pi­ xels ist etwa 50 mal 50 µm2, wobei die PZT-Schicht 10 eine Dicke von etwa 1 µm aufweist. (P).
Die untere Elektrode 9 wird dabei ebenfalls mit einem RIE- Prozess strukturiert. Die strukturierte untere Elektrode 9, die ferroelektrische PZT-Schicht 10 und die obere Elektrode 11 bilden eine pyroelektrische Kondensatorstruktur, die auf der Oberflächenstruktur des Wafers 1 aufgebracht ist. (Q)
Die nächsten Schritte umfassen den Anschluss dieses Kondensa­ tors an den unterhalb gelegenen Ausleseschaltkreis. Hierzu wird zunächst seitlich an der ferroelektrischen Schicht 10 ein Isolator 12 angebracht. Der Isolator 12 erstreckt sich seitlich über die Kanten der oberen Elektrode 11 und der un­ teren Elektrode 9. (R)
Nun werden in die Membranschicht 8 Löcher 8a geätzt, so dass die säulenartigen Metallstrukturen 6a bzw. Wolfram-Plugs ge­ öffnet bzw. frei gelegt werden. D. h., die Löcher 8a werden direkt oberhalb der Metallstrukturen 6a angeordnet. (S)
Anschließend wird zur Kontaktierung der unteren und oberen Elektrode 9,11 eine Metallisierung 13 aufgebracht, die eine elektrisch leitende Verbindung der jeweiligen Elektrode 9 bzw. 11 zur zugeordneten säulenartigen Metallstruktur 6a bildet. In der hier gezeigten, schematisch dargestellten Anord­ nung erstreckt sich die Metallisierung 13 zum einen zwischen der unteren Elektrode 9 und der in der Figur links angeordne­ ten Metallstruktur 6a, und zum anderen zwischen der oberen Elektrode 11 und der in der Figur rechts angeordneten Metall­ struktur 6a. Dadurch sind elektrische Kontakte von den Elekt­ roden 9, 11 zu den darunter liegenden Kontaktflächen 2 der darunter liegenden Ausleseelektronik bzw. Halbleiterschaltung oder von den Bauelementen der Ausleseelektronik hergestellt. Die Metallisierungen 13 können z. B. aus Aluminium, Ti/Pt/Au oder auch aus Cr/Au bestehen. Die Dicke dieser Kontakte, die beispielsweise mit der lift-off Technik strukturiert werden, liegt im Bereich zwischen 400 und 600 Nanometer. (T)
Der im Abschnitt (T) von Fig. 1b dargestellte Infrarotsensor umfasst einen Träger 20, der durch eine Oberflächenmikrome­ chanikstruktur mit auf die Waferoberfläche geführten Kontak­ ten gebildet wird. Auf dem Träger 20 ist ein Pixelelement 30 in Form einer pyroelektrischen Kondensatorstruktur angeord­ net, die durch die untere und obere Elektrode 9, 11 mit der dazwischen angeordneten PZT-Schicht 10 gebildet wird.
Eine Ausleseelektronik bzw. ein Ausleseschaltkreis, der in den Figuren nicht explizit dargestellt ist, ist in den Träger 20 integriert und an das zugehörige Pixelelement 30 gekop­ pelt. Der Ausleseschaltkreis und das Pixelelement 30 sind da­ bei übereinander angeordnet bzw. in vertikaler Anordnung aus­ gestaltet. Senkrecht geführte elektrische Leitungen in Form von säulenartigen Metallstrukturen 6a, die sich durch den Träger 20 erstrecken, verbinden die Ausleseelektronik mit dem darüber liegenden Pixelelement 30. Dadurch erfolgt die Kon­ taktierung der unterhalb der Chipoberfläche gelegenen Ausleseelektronik an der Chipoberfläche in unmittelbarer Nähe des darüber liegenden Sensor- bzw. Pixelelements 30.
Die Metallstrukturen 6a bilden jeweils eine Stützstruktur, und dienen sowohl zur Abstützung des Pixelelements 30 an der Oberfläche der Membran 8, als auch zur Kontaktierung der je­ weiligen bzw. zugehörigen Ausleseschaltung oder von Bauele­ menten davon. Der Hohlraum 7 in der Plasmaoxidschicht 4 bzw. im Träger 20 dient zur thermischen Isolation des Pixelele­ ments 30 und ist direkt unterhalb des Pixelelements 30 vorge­ sehen.
In einem IR-Detektorarray sind eine Vielzahl derartiger IR- Sensoren in hoher Dichte angeordnet, wobei die IR-Sensoren z. B. in einem einzigen Wafer ausgestaltet sind.

Claims (15)

1. Infrarotsensor, insbesondere für hochauflösende Infra­ rot-Detektoranordnungen, mit einem Träger (20), auf dem mindestens ein Pixelelement (30) zur Detektion von Inf­ rarotstrahlung angeordnet ist, und
einer in den Träger (20) integrierten Ausleseelektronik oder Bauelementen einer solchen Ausleseelektronik, der/die an das Pixelelement (30) gekoppelt ist/sin,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Ausleseelektronik oder die Bauelemente der Aus­ leseelektronik und das Pixelelement (30) in vertikaler Anordnung ausgebildet sind, wobei der Träger (20) eine Mikromechanikstruktur enthält.
2. Infrarotsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Träger (20) eine oberflächenmikromechanisch hergestellte Stützstruktur (4, 6a) zur Verminderung des Übersprechens zwischen einzelnen Pixelelementen (30) vorgesehen ist.
3. Infrarotsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Metallstruktur (6a) in die Stützstruktur (4, 6a) integriert ist, die einen vertikal geführten elektrischen Kontakt vom Pixel­ element (30) zur Ausleseelektronik oder zu den Bauele­ menten der Ausleseelektronik bildet.
4. Infrarotsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Trä­ ger (20) ein Hohlraum (7) zur thermischen Isolation des Pixelelements (30) vorgesehen ist.
5. Infrarotsensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (7) eva­ kuiert ist.
6. Infrarotsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (20) eine CMOS-kompatible Oberflächenmikromecha­ nikstruktur mit einem vom Trägerinnenraum auf die Trä­ geroberfläche vertikal bzw. senkrecht zur Waferoberflä­ che geführten Kontakt enthält.
7. Infrarotsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (20) aus einem Substrat (1), das eine Auslese­ elektronik oder Bauelemente einer Ausleseelektronik auf­ weist, und einer aufgebrachten Schichtfolge (3, 4, 5, 8) gebildet ist, wobei in der Schichtfolge ein abgeschlos­ sener Hohlraum (7) mit ein oder mehreren elektrisch lei­ tenden Stützstrukturen (4, 6a) ausgestaltet ist, die die Ausleseelektronik oder die Bauelemente der Ausleseelekt­ ronik mit dem mindestens einen Pixelelement (30) verbin­ den.
8. Infrarotsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Pi­ xelelement (30) eine pyroelektrische Kondensatorstruktur umfasst, die durch Stützstrukturen (4, 6a) im Träger (20) mit der Ausleseelektronik oder den Bauelementen der Ausleseelektronik elektrisch verbunden ist.
9. Verfahren zur Herstellung eines Infrarotsensors für hochauflösende Infrarot-Detektoranordnungen, mit den Schritten:
Bereitstellen eines Trägers (20) mit mikromechanisch hergestellten Hohlräumen und mit einer Ausleseelektroni­ uk oder Bauelementen einer Ausleseelektronik;
Aufbringen eines Pixelelements (30) auf die Trägerober­ fläche; und
Herstellen einer elektrisch leitenden Verbindung zwi­ schen dem Ausleseschaltkreis und dem Pixelelement (30);
dadurch gekennzeichnet,
dass die Ausleseelektronik oder die Bauelemente der Aus­ leseelektronik und das Pixelelement (30) vertikal über­ einander angeordnet werden, wobei sich die elektrisch leitende Verbindung durch den Träger (20) erstreckt.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet dass es mit Techniken der Mikromechanik, insbesondere der Oberflä­ chenmikromechanik, durchgeführt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung des Trägers (20) eine Folge von Schichten (3, 4, 5, 8) auf ein Substrat (1) aufgebracht wird, in die ein oder mehrere Metallstrukturen (6a) eingebracht werden, die zur Stützung der Trägeroberfläche und zur e­ lektrischen Kontaktierung der Ausleseelektronik oder der Bauelemente der Ausleseelektronik von der Trägeroberflä­ che aus dienen.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Hilfsschicht (4) innerhalb des Trägers (20) unterhalb einer Membran (5, 8) selektiv geätzt wird, um einen Hohlraum (7) im Träger (20) auszubilden.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (7) bei ausreichend niedrigem Druck verschlos­ sen wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass auf ei­ ner Membranschicht (8) des Trägers (20) eine Schichtfol­ ge (9, 10, 11) zur Bildung eines pyroelektrischen Kon­ densators aufgebracht wird, der das Pixelelement (30) bildet.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Pi­ xelelement (30) über eine oberflächenmikromechanisch hergestellte Stützstruktur innerhalb des Trägers (20) mit der Ausleseelektronik oder den Bauelementen der Aus­ leseelektronik kontaktiert wird.
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102006003718A1 (de) * 2006-01-26 2007-08-09 Atmel Germany Gmbh Fertigungsprozess für integrierte mikroelektro-mechanische Bauelemente
DE102007024903A1 (de) * 2007-05-29 2008-12-11 Pyreos Ltd. Vorrichtung mit Sandwichstruktur zur Detektion von Wärmestrahlung, Verfahren zum Herstellen und Verwendung der Vorrichtung
DE102007024902A1 (de) * 2007-05-29 2008-12-11 Pyreos Ltd. Vorrichtung mit Membranstuktur zur Detektion von Wärmestrahlung, Verfahren zum Herstellen und Verwendung der Vorrichtung
CN102689874A (zh) * 2012-06-20 2012-09-26 清华大学 一种传感器阵列与信号处理电路的三维集成方法
DE102012217881A1 (de) * 2012-10-01 2014-04-03 Siemens Aktiengesellschaft Sensoranordnung und Herstellungsverfahren

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4754139A (en) * 1986-04-10 1988-06-28 Aerojet-General Corporation Uncooled high resolution infrared imaging plane
US5021663B1 (en) * 1988-08-12 1997-07-01 Texas Instruments Inc Infrared detector
US5286976A (en) * 1988-11-07 1994-02-15 Honeywell Inc. Microstructure design for high IR sensitivity
JPH07500913A (ja) * 1991-11-04 1995-01-26 ハネウエル・インコーポレーテッド 薄膜ピロ電気画像アレイ
US6097031A (en) * 1997-07-25 2000-08-01 Honeywell Inc. Dual bandwith bolometer

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102006003718A1 (de) * 2006-01-26 2007-08-09 Atmel Germany Gmbh Fertigungsprozess für integrierte mikroelektro-mechanische Bauelemente
DE102006003718B4 (de) * 2006-01-26 2008-07-17 Atmel Germany Gmbh Mikro-elektro-mechanisches Bauelement und Fertigungsprozess für integrierte mikro-elektro-mechanische Bauelemente
DE102007024903A1 (de) * 2007-05-29 2008-12-11 Pyreos Ltd. Vorrichtung mit Sandwichstruktur zur Detektion von Wärmestrahlung, Verfahren zum Herstellen und Verwendung der Vorrichtung
DE102007024902A1 (de) * 2007-05-29 2008-12-11 Pyreos Ltd. Vorrichtung mit Membranstuktur zur Detektion von Wärmestrahlung, Verfahren zum Herstellen und Verwendung der Vorrichtung
DE102007024903B4 (de) * 2007-05-29 2009-05-07 Pyreos Ltd. Vorrichtung mit Sandwichstruktur zur Detektion von Wärmestrahlung, Verfahren zum Herstellen und Verwendung der Vorrichtung
DE102007024902B4 (de) * 2007-05-29 2010-08-26 Pyreos Ltd. Vorrichtung mit Membranstuktur zur Detektion von Wärmestrahlung, Verfahren zum Herstellen und Verwendung der Vorrichtung
DE102007024902B8 (de) * 2007-05-29 2010-12-30 Pyreos Ltd. Vorrichtung mit Membranstruktur zur Detektion von Wärmestrahlung, Verfahren zum Herstellen und Verwendung der Vorrichtung
CN102689874A (zh) * 2012-06-20 2012-09-26 清华大学 一种传感器阵列与信号处理电路的三维集成方法
DE102012217881A1 (de) * 2012-10-01 2014-04-03 Siemens Aktiengesellschaft Sensoranordnung und Herstellungsverfahren

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