Vorrichtung zur Detektion von Wärmestrahlung mit hoher Auflösung, Verfahren zum Herstellen und Verwendung der Vorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Detektion von Wär- mestrahlung. Neben der Vorrichtung werden ein Verfahren zur

Herstellung der Vorrichtung und eine Verwendung der Vorrichtung angegeben.

Eine Vorrichtung zur Detektion von Wärmestrahlung ist bei- spielsweise aus DE 100 04 216 Al bekannt. Diese Vorrichtung wird als Pyrodetektor bezeichnet. Das Detektorelement ist ein pyroelektrisches Detektorelement. Es weist einen Schichtaufbau mit zwei Elektrodenschichten und einer zwischen den Elektrodenschichten angeordneten pyroelektrischen Schicht mit pyroe- lektrisch sensitivem Material auf. Dieses Material ist Bleizir- konattitanat (PZT) . Die Elektroden bestehen beispielsweise aus Platin oder aus einer die Wärmestrahlung absorbierenden Chrom- Nickel-Legierung .

Das thermische Detektorelement ist mit einem Detektorelement- Träger aus Silizium (Silizium-Substrat) verbunden. Zwischen dem Detektorelement und dem Detektorelement-Träger ist eine Isolationsschicht zur elektrischen und thermischen Isolierung des Detektorelements und des Detektorelement-Trägers voneinander angeordnet. Die Isolationsschicht verfügt dabei über einen evakuierten Hohlraum, der sich über eine Grundfläche des Detektorelements hinwegerstreckt, 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 des vom Detektorelement erzeugten elektrischen Signals ist im Detektorelement-Träger ein Ausleseschaltkreis integriert. Der Ausleseschaltkreis ist durch die CMOS (Complementary Metalloxide Semiconductors) -Technik reali- siert.

Eine damit vergleichbare Vorrichtung zur Detektion von Wärmestrahlung ist aus der DE 195 25 071 Al bekannt. Das thermische Detektorelement ist ebenfalls ein oben beschriebenes pyroe- lektrisches Detektorelement. Das Detektorelement ist auf einem mehrschichtigen Detektorelement-Träger angeordnet. Ein der

Schichten des Detektorelement-Trägers ist eine elektrisch isolierende Membran. Die Membran besteht beispielsweise aus einer Si ₃ N ₄ /Siθ ₂ /Si ₃ N ₄ - Dreifach-Schicht . Die Membran ist wiederum auf einem Silizium-Substrat des Detektorelement-Trägers aufge- bracht.

Bei den bekannten Vorrichtungen kann eine Vielzahl von Detektorelementen vorhanden sein (Detektorelement-Array) . Um eine möglichst hohe örtliche Auflösung zu erhalten, werden die De- tektorelemente möglichst nah aneinander angeordnet. Je näher aber die Detektorelemente aneinander angeordnet sind, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit für ein „übersprechen". Die erwünschte hohe Auflösung geht verloren.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine kompakte Vorrichtung zur De- tektion von Wärmestrahlung anzugeben, wobei die Vorrichtung sowohl hohe örtliche Auflösung als auch eine niedrige Ansprechzeit hat.

Zur Lösung der Aufgabe wird eine Vorrichtung zur Detektion von Wärmestrahlung angegeben, mit einer Membran und mindestens zwei Detektorelementen, die jeweils zum Umwandeln von Wärmestrahlung in ein elektrisches Signal eingerichtet und auf der Membran nebeneinander liegend angebracht sind, wobei auf der den Detek- torelementen zugewandten Seite der Membran und/oder auf der den Detektorelementen abgewandten Seite der Membran mindestens eine Wärmeableitbahn vorgesehen ist, die eine höhere Wärmeleitfähigkeit als die Membran hat und mit den Detektorelementen via die Membran wärmeleitend verbunden ist, so dass Wärme von den De- tektorelementen mit der Wärmeableitbahn abführbar ist, wodurch die Ansprechzeit der Detektorelemente hoch ist, und wobei in der Membran integriert mindestens eine Wärmebarriere vorgesehen ist, die eine niedrigere Wärmeleitfähigkeit als die Membran hat und zwischen den Detektorelementen sich erstreckt, so dass von der Wärmebarriere eine Wärmeleitung in der Membran von dem einen Detektorelement zu dem anderen Detektorelement behindert ist, wodurch das übersprechen der Detektorelemente gering ist.

Zur Lösung der Aufgabe wird auch ein Verfahren zum Herstellen der Vorrichtung mit folgenden Verfahrensschritten angegeben: a) Bereitstellen einer Membran mit mindestens einer Wärmesenke in

Form der Wärmeableitbahn zur Erzeugung eines gerichteten Wärmeflusses und mindestens einer thermischen Regelungseinrichtung in Form der Wärmebarriere zur Regulierung des Wärmeflusses und b) Anordnen der thermischen Detektorelemente auf der Membran derart, dass mittels der Wärmesenke eingerichteter Wärmefluss von mindestens einem der thermischen Detektorelemente weg in Richtung der Wärmesenke erzeugt und mittels der Regelungseinrichtung ein Ausmaß des Wärmeflusses geregelt werden kann.

Ferner kann die erfindungsgemäße Vorrichtung als Bewegungsmelder, als Präsenzmelder und/oder als Wärmebildkamera erfindungsgemäß verwendet werden.

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 thermische Detektorelement basiert beispielsweise auf dem Seebeck-Effekt. Vorzugsweise ist das thermische Detektorelement ein pyroelektrisches Detektorelement. Das pyroelektrische Detektorelement besteht, wie ein- gangs beschrieben, aus einer pyroelektrischen Schicht mit einem pyroelektrisch sensitiven Material und beidseitig angebrachten Elektrodenschichten. Das pyroelektrisch sensitive Material ist beispielsweise eine Keramik wie Lithiumniobat (LiNbO ₃ ) oder Bleizirkonattitanat . Denkbar ist auch ein ferroelektrisches Po- lymer wie Polyvinylidenfluorid (PVDF) . Als Elektrodenmaterial der Elektrodenschichten kommt beispielsweise Platin oder eine Platinlegierung in Frage. Denkbar ist auch eine Chrom-Nickel- Elektrode oder eine Elektrode aus einem elektrisch leitenden Oxid. Ein Detektorelement verfügt beispielsweise über eine rechteckige Grundfläche mit einer Kantenlänge vonlO μm bis 200 μm. Niedriger 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.

Die Wärmesenke in Form der Wärmeableitbahn führt zur Erzeugung des Wärmeflusses und damit zu einem Abtransport von Wärme von den Detektorelementen. Die Wärmesenke und die Detektorelemente sind thermisch leitend miteinander verbunden. Ohne zusätzliche Maßnahme würde aber durch einen damit einhergehenden erhöhten

Wärmefluss eine Empfindlichkeit (Sensitivität ) der Detektorele-

mente deutlich reduziert werden. Als Gegenmaßnahme ist die Regulierungseinrichtung in Form der Wärmebarriere vorhanden. Mit Hilfe der Regulierungseinrichtung wird der das Ausmaß (Größe) des Wärmeflusses eingestellt. Die Regulierungseinrichtung fun- giert als thermischer Widerstand. Dadurch gelingt es, die Empfindlichkeit der Detektorelemente aufrecht zu halten.

Das Detektorelement und das weitere Detektorelement sind nebeneinander auf einem Oberflächenabschnitt eines gemeinsamen De- tektorelement-Trägers angeordnet, der von der Membran gebildet ist. Dadurch, dass das thermische übersprechen bzw. die thermische Kopplung zwischen den Detektorelementen effizient unterbunden wird, können die Detektorelemente sehr nah aneinander angeordnet werden.

Die Wärmesenke ist zwischen dem thermischen Detektorelement und dem weiteren thermischen Detektorelement angeordnet. In dieser Konstellation wird die vom Detektorelement und vom benachbarten weiteren Detektorelement abgegebene Wärme abgeleitet. Es kommt zu keinem thermischen übersprechen zwischen den Detektorelementen.

Vorzugsweise ist die Wärmesenke auf dem Oberflachenabschnitt angeordnet, auf dem die Detektorelemente angeordnet sind. Al- ternativ dazu ist die Wärmesenke an einer dem Oberflächenabschnitt abgekehrten Seite des Detektorelement-Trägers angeordnet. Die Wärmesenke ist an der Rückseite des Detektorelement- Trägers angeordnet. Denkbar ist auch, dass die Wärmesenke beidseitig, also auf der Detektorelement-Seite oder auf der abge- kehrten Seite des Detektorelement-Trägers angeordnet ist.

Die Wärmeableitbahn ist bevorzugt aus Silizium. Der gemeinsame Detektorelement-Träger weist die Membran auf, die den Oberflächenabschnitt bildet, auf dem 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 (SiO ₂ ) oder Siliziumnitrid (Si ₃ N ₄ ) . Der besondere Vorteil an Schichten aus diesen Materialien liegt in der elektrischen und thermi-

sehen Isolationswirkung der Materialien. Diese Materialien fungieren als elektrischer und thermischer Isolator.

Bevorzugt ist die Wärmeableitbahn als ein Steg ausgebildet, der an der Membran angeordnet ist. Ferner ist es bevorzugt, dass die Wärmeableitbahn von einer Mehrzahl der Stege gebildet ist, die einen Bereich der Membran umschließen, in dem mindestens eines der Detektorelemente angeordnet ist. Die Wärmesenke und/oder die Regelungseinrichtung sind jeweils ein Bestandteil des gemeinsamen Detektorelement-Trägers. Dies gelingt insbesondere dadurch, dass die Wärmesenke mindestens einen auf dem gemeinsamen Detektorelement-Träger angeordneten Steg mit thermisch leitfähigem Material aufweist. Der Steg oder die Stege können auf der Vorderseite und auf der Rückseite angeordnet werden. über die Stege wird die Wärme effizient in Richtung der Wärmesenke abgeleitet. Die Stege erfüllen zudem eine Stützfunktion: Eine mechanische Stabilität der Vorrichtung wird erhöht. Dies ist insbesondere im Hinblick auf die Herstellung der Vorrichtung mit Waferbond-Prozessen von Vorteil.

Alternativ ist bevorzugt die Wärmeableitbahn von einer Dünnschicht gebildet, die an der Membran angeordnet ist. Somit ist die Wärmesenke bevorzugt die auf dem Detektorelement-Träger aufgebrachte Dünnschicht mit thermischleitfähigem Material. Der Detektorelement-Träger ist beispielsweise eine eingangs erwähnte mehrschichtige Membran. In diese mehrschichtige Membran kann eine Schicht als thermisch gut leitfähigem Material integriert sein. über diese Schicht, die wiederum mit einer Wärmesenke thermisch leitend verbunden ist, wird die Wärme gerichtet abge- leitet. Als thermisch leitfähiges Material des Stegs oder einer Dünnschicht sind beliebige Materialien denkbar. Vorzugsweise ist das thermisch leitfähige Material Silizium, wie es in der CMOS-Technologie bevorzugt zum Einsatz kommt.

Die Wärmebarriere ist bevorzugt eine in der Membran vorgesehene, evakuierte Aussparung. Die Regelungseinrichtung weist somit bevorzugt eine Ausnehmung des Detektorelement-Trägers auf. Denkbar ist beispielsweise eine Ausdünnung des Detektorelement- Trägers oder ein Loch im Detektorelement-Träger. Durch die Aus- sparung ist ein Wärmequerschnitt des Detektorelement-Trägers im Vergleich zu einem Detektorelement-Träger ohne Aussparung redu-

ziert. Es kommt zu einer Reduzierung eines lateralen Wärmetransfers. Dies führt dazu, dass der Wärmefluss von einem Detektorelement hin zur Wärmesenke behindert ist. In Folge davon bleibt die Empfindlichkeit des Detektorelements bzw. der Detek- torelemente weitestgehend aufrechterhalten.

Die evakuierte Aussparung ist bevorzugt ein in der Membran vorgesehener Schlitz, der zwischen zwei benachbarten Detektorelementen senkrecht zu einer gedachten, von den beiden Detektor- elementen definierten Verbindungslinie verläuft. Es ist bevorzugt, dass mindestens zwei parallel zueinander und auf gleicher Höhe verlaufende Schlitze vorgesehen sind, so dass die Schlitze zwischen den Detektorelementen angeordnet sind. Außerdem ist es bevorzugt, dass die Wärmeableitbahn zwischen den Schlitzen ver- läuft, so dass die Wärmeableitbahn durch die Schlitze von den Detektorelementen thermisch isoliert ist.

Die Detektorelemente sind auf der Membran befestigt und stehen mit ihr in wärmeleitendem Kontrakt. Daher sind die Detektorele- mente miteinander via die Membran wärmeleitend gekoppelt. Die

Wärmeleitung durch die Membran von dem einen Detektorelement zu dem anderen Detektorelement ist von dem Wärmeleitungskoeffizienten der Membran und der Membrandicke definiert. Dadurch, dass zwischen den Detektorelementen die Wärmebarriere angeord- net ist, sind die Detektorelemente hinsichtlich ihres Wärmeaus- tauschs durch die Membran thermisch voneinander isoliert. Dadurch ist ein übersprechen der Detektorelemente aufgrund vom Wärmeaustausch reduziert. Somit ist die örtliche Auflösung der Vorrichtung hoch, obwohl die Bestückungsdichte der Membran mit den Detektorelementen hoch ist. Ferner erwärmt sich das Detektorelement durch die Wärmestrahlung rasch, da aufgrund der Isolationswirkung der Wärmebarriere nur wenig Wärme von dem Detektorelement durch die Membran abgeleitet wird. Dadurch ist der Anstieg des elektrischen Signals im Zeitpunkt des Auftreffens der Wärmestrahlung auf das Detektorelements steil. Nachteilig hierbei ist allerdings, dass aufgrund der Isolationswirkung der Wärmebarriere das Detektorelement bei Beendigung der Wärmeeinstrahlung durch Wärmeabfuhr über die Membran nur langsam abkühlt. Die hätte zur Folge, dass die Ansprechzeit des Detektor- elements lang wäre. Abhilfe schafft das Vorsehen der Wärmeableitbahn, mit der Wärme von dem Detektorelement rasch abgelei-

tet wird, so dass sich aufgrund der Wärmeableitungswirkung der Wärmeableitbahn das Detektorelement bei Beendigung der Wärmeeinstrahlung durch Wärmeabfuhr über die Wärmeableitbahn schnell abkühlt. Dadurch ist der Abfall des elektrischen Signals im Zeitpunkt des Ausbleibens der Wärmestrahlung auf das Detektorelements steil. Somit ist die Ansprechzeit der Vorrichtung hoch, obwohl die Vorrichtung eine hohe Bestückungsdichte mit den Detektoren hat.

Gemäß dem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Vorrichtung als Bewegungsmelder, als Präsenzmelder und/oder als Wärmebildkamera verwendet. Für die Wärmebildkamera ist die Vorrichtung mit einer Vielzahl von Detektorelementen, beispielsweise 240 X 320 Detektorelemente (QVGA-Standard) und mehr ausgestattet. Dies ist aufgrund der hohen Integrationsdichte (Anzahl der Detektorelemente pro Flächeneinheit) möglich.

Zusammenfassend sind folgende Vorteile der Erfindung hervorzuheben:

- Die Vorrichtung zur Detektion von Wärmestrahlung ist kompakt.

- Durch die Erfindung ist eine im Vergleich zum Stand der Technik erhöhte Integrationsdichte.

- Eine übersprechwahrscheinlichkeit zwischen benachbarten Detektorelementen ist reduziert. Gleichzeitig bleibt aber die Sensitivität (Empfindlichkeit) der einzelnen Detektorelemente erhalten.

- Die Vorrichtung ist insbesondere bei Verwendung von Stegen mechanisch stabilisiert.

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.

Figur IA zeigt eine Vorrichtung zur Detektion von Wärmestrah- lung in perspektivischer Darstellung von oben.

Figur IB zeigt eine Vorrichtung zur Detektion von Wärmestrahlung in perspektivischer Darstellung von unten.

Figur 2 zeigt ein Detektorelement auf einem Detektorelement- Träger in einem seitlichen Querschnitt.

Die Vorrichtung 1 zur Detektion von Wärmestrahlung weist einen Detektorelement-Träger 10 mit einer Membran 101 auf, auf der ein thermisches Detektorelement 11 und mindestens ein weiteres thermisches Detektorelement 12 aufgebracht sind. Der Detektorelement-Träger weist ein Silizium-Substrat 100 auf. Die thermischen Detektorelemente sind zu einem Detektorelement-Array 110 auf dem Oberflächenabschnitt 102 der Membran angeordnet. Beispielhaft ist in Figur IA ein Detektorelement-Array mit 2x2 De- tektorelementen gezeigt.

Die Detektorelemente 11 und 12 sind pyroelektrische Detektorelemente in Dünnschichtbauweise mit zwei Elektrodenschichten 112 und 122 und jeweils einer zwischen den Elektrodenschichten angeordneten pyroelektrischen Schicht 113 und 123 (Figur 2) . Die pyroelektrische Schicht ist jeweils eine Ca. 1 μm dicke Schicht aus PZT als pyroelektrisch sensitives Material. Die E- lektrodenschichten sind aus Platin und einer Chrom-Nickel- Legierung mit Schichtdicken von etwa 20 nm.

Die Membran 101 ist eine Si ₃ N ₄ ZSiO ₂ ZSi ₃ N ₄ - Dreifach-Schicht . Für die Detektorelemente ist im Silizium-Substrat des Detektorelement-Trägers eine nicht dargestellte Auslesschaltung integriert .

Zwischen den Detektorelementen sind dünne Stege 104 aus Silizium sowohl auf der Vorderseite 102 als auch auf der Rückseite 103 angeordnet. Die dünnen Stege fungieren als jeweils als Wärmesenke von zumindest einem der Detektorelemente weg zu einer Wärmesenke hin. Die Wärmesenke ist nicht dargestellt.

Darüber hinaus sind Ausnehmungen in Form von Schlitzen 105 in der Membran enthalten. Die Schlitze fungieren als Regulierungseinrichtungen zur Regulierung des jeweiligen Wärmeflusses.

Finite Element (FEM) - Simulationen des thermischen überkop- pelns am Beispiel von Detektorelementen mit einer Grundfläche von 200x200μm2 bei einem Abstand der Detektorelemente von 400μm voneinander haben die Wirksamkeit der erfinderischen Kombination von Schlitz und Steg bestätigt:

Basisstruktur Auf Basisstruktur übersprechen normierte zwischen

Empfindlichkeit benachbarten Pixeln

ohne Stege + Schlitze 33%

mit Stege 0,28 < 1%

mit Stege + Schlitze 0,82 < 1%

mit Stege + Schlitze und Basistruktur auf 1/4 2,4 < V- verkleinert

Zum Herstellen der Vorrichtung wird wie folgt vorgegangen: a) Bereitstellen eines Detektorelement-Trägers mit einem Oberflächenabschnitt, mindestens einer Wärmesenke zur Erzeugung eines gerichteten Wärmeflusses und mindestens einer thermischen Regelungseinrichtung zur Regulierung des Wärmeflusses und b) Anordnen der thermischen Detektorelemente auf dem Oberflächenabschnitt des Detektorelement-Träger derart, dass mittels der Wärmesenke ein gerichteter Wärmefluss von mindestens einem der thermischen Detektorelemente weg in Richtung der Wärmesenke erzeugt und mittels der Regelungseinrichtung ein Ausmaß des Wärmeflusses geregelt werden kann. Auf dem Oberflächenabschnitt des vorgefertigten Detektorelement-Trägers werden die Detektorelemente aufgebracht. Alternativ dazu wird zunächst ein Detektorelement-Träger mit den Stegen bereitgestellt. Das Einbringen der Schlitze (Regulierungseinrichtung) erfolgt nach dem Anordnen der Detektorelemente. Das Anordnen der Detektorelemente erfolgt in üblicher Weise, beispielsweise durch Sputtern der einzelnen Schichten.

Nach dem Anordnen wird üblicherweise ein sogenanntes Rückseiten-ätzen durchgeführt. Material des Silizium-Substrats wird

von der Rückseite abgetragen, also der Seite des Silizium- Substrats, die den Detektorelementen abgekehrt ist. Dabei werden die Schlitze freigelegt werden.

Verwendung findet die Vorrichtung in einem Bewegungsmelder, einem Präsenzmelder oder einer Wärmebildkamera.