Pyrodetektorelement mit orientiert aufgewachsener pyroelektri- scher Schicht und Verfahren zu seiner Herstellung.

Ein Pyrodetektor besteht aus einer aktiven Sensorschicht aus einem pyroelektrischen Material, welche beidseitig mit einer Elektrode beschichtet ist. Als pyroelektrische Materialien wer¬ den beispielsweise Bleizirkonattitanate (PZT) vorzugsweise Bleititanat oder organische Pyroelektrika wie Polyvinyliden- fluorid (PVDF) verwendet. Eine dauerhafte Polarisierung des Py- roelektrikums kann in einem starken elektrischen Feld erfolgen oder stellt sich bei orientiertem Aufwachsen des Pyroelektri- ku s von selbst ein.

Durch Absorption von infraroter Strahlung in einem Pyrodetektor kommt es zu einer Temperaturerhöhung, die eine Änderung der Po- larisation des pyroelektrischen Materials bewirkt, wobei sich eine an den beiden Elektroden ablesbare Spannung aufbaut. Um bei einer gegebenen einfallenden Strahlung ein maximales Meßsi¬ gnal zu erhalten, müssen einerseits die pyroelektrischen Eigen¬ schaften des Materials optimiert werden. Da andererseits auch das Ausmaß der durch die Absorption der IR-Strahlung bewirkten Temperaturerhöhung die Größe des Meßsignals beeinflußt, sind Pyrodetektoren zusätzlich auf eine möglichst geringe Wärmekapa¬ zität hin optimiert. Dies erfolgt üblicherweise durch Reduzie¬ rung der Schichtdicken des Detektorelements und durch Rückätzen des Substrats, auf dem das Detektorelernent üblicherweise aufge¬ baut wird. So sind beispielsweise Detektorelemente mit "freischwebenden" Polysiliziummembranen im Abstand von etwa 1 μm zur Substratoberfläche bekannt. Auch das Ätzen von dünnen Siliziummembranen und freistehenden Zungen aus Silizium sowie das Ätzen von Wannen im Siliziumsubstrat unter der pyroelektri-

sehen Schicht ist bekannt. Um das Substrat selektiv gegen die pyroelektrische Schicht bzw. gegen die erste Elektrodenschicht zu ätzen, wird vor dem Aufbau des Detektorelements eine zusätz¬ liche Ätzstopschicht auf dem Substrat aufgebaut, die beispiels- weise eine amorphe Schicht aus Siliziumdioxid oder Siliziumni¬ trid ist.

Um Pyrodetektoren mit guten elektrischen Eigenschaften zu er¬ halten, die große Ströme als Meßsignale liefern, sollte die Po- larisationsrichtung des Pyroelektrikums senkrecht zu den Elek¬ trodenflächen und damit senkrecht auf der Substratoberfläche stehen. Da die Polarisation der Perowskite aus der PZT-Familie nur bestimmte Richtungen im Kristall einnehmen kann, muß die pyroelektrische Schicht zumindest orientiert und noch besser epitaktisch auf das Substrat aufgebracht werden. Dafür sind be¬ stimmte einkristalline Substratmaterialien erforderlich. Aus R. Takayama, Y. Tomita, J. Asayama, K. Nomura und H. Ogawa, "Pyroelekctric Infrared Array Sensors Made of c-Axis-oriented La-modified PbTiC>3 Thin Films", Sensors and Actuators, A21 - A23, 508 - 512 (1990), ist ein pyroelektrisches IR-Detektor-Ar- ray auf der Basis von c-Achsen orientierten Lanthan modifizier¬ ten Bleititanatdunnschichten (PLT) bekannt. Die PLT-Dünnschicht wird dabei auf einem Magnesiumoxideinkristall als Substrat ori¬ entiert aufgewachsen. In einem späteren Verfahrensschritt wird die PLT-Schicht durch Rückätzen des Magnesiumoxidsubstrats freigelegt und von unten mit einer Elektrode beschichtet.

Nachteilig an diesem bekannten Pyrodetektorarray ist die auf¬ wendige Verschaltung der teilweise "unter dem Substrat" verlau- fenden Elektroden, die mit einer externen Auslese- und Auswer¬ teschaltung verbunden werden müssen.

Aus der US-A-3 816 750 ist ein durch Heißpressen hergestellter keramischere Pyrodetektor auf der Basis von Lathan-dotiertem Bleicirkonattitanat bekannt.

Aus Material Research Symposium Proc, Vol. 200 (1990), Seite 13 bis 18, sind pyroelektrische Schichten über geglühtem Quarz bekannt, welche durch Sol-Gel-Verfahren hergestellt werden.

Aus Material Research Sympositum Proc, Vol. 243 (1992), Seiten 107 bis 112 ist die Herstellung pyroelektrischer Schichten durch Sol-Gel-Verfahren bekannt. Es wird ein Siliziumsubstrat mit Metallelektroden verwendet.

Aus Ferroelectrics, Vol. 128 (1992), Seiten 37 bis 42, ist die Herstellung pyroelektrischer Schichten über einem mit Platin¬ elektroden versehenen Siliziumsubstrat bekannt.

Aus Material Research Bulletin, Vol. 25 (1990), Seiten 1495 bis 1501, sind pyroelektrische PZT-Schichten auf Silizium oder Sa¬ phir bekannt.

Der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Dünnschichtpyrodetektorelement anzugeben, das aus einer orien¬ tierten pyroelektrischen Dünnschicht aufgebaut ist, eine niedrige Wärmekapazität besitzt und das eine einfachere und in¬ tegrierte elektrische Verschaltung für Aufbau und Betrieb des Detektorarrays ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Dünnschichtpyrode¬ tektorelement mit den Merkmalen von Anspruch 1 oder 2 gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sowie ein Verfahren zur Herstellung des Pyrodetektorelements sind den übrigen Ansprü- chen zu entnehmen.

Die Erfindung gibt erstmals ein Pyrodetektorelement an, das orientiert auf einem Siliziumsubstrat aufgewachsen ist und da¬ her die zusätzliche Integration von Auslese- und Auswerteschal- tungen für das Detektorelement bzw. für eine Anordnung von meh-

reren, zu einem Pyrodetektorarray zusammenfaßten Pyrodetektore- lementen erlaubt. Durch die Auswahl geeigneter Bufferschichten und/oder neuer Materialkombinationen für Elek- trode/pyroelektrische Schicht gelingt:

a) die Erzeugung von dünnen Membranen mit günstiger Kristall- Orientierung zur Abscheidung orientierter oder epitaktischer pyroelektrischer Schichten, zum Beispiel Bleititanat,

b) die Einführung neuer Elektrodenmaterialien, die aufgrund en¬ ger struktureller Verwandtschaft die Abscheidung orientierter oder epitaktischer pyroelektrischer Schichten ermöglicht.

Aus dem bereits zitierten Artikel von Takayama et al war es bislang nur bekannt, orientierte pyroelektrische Schichten di¬ rekt über einkristallinem Magnesiumoxid zu erzeugen. Die Mate¬ rialkombination des erfindungsgemäßen Pyrodetektorelements ist derart ausgelegt, daß über dem einkristallinen Siliziumsubstrat sowohl die Buffer- als auch die Elektroden- und die pyroelektrische Schicht orientiert oder gar epitaktisch auf¬ wachsen können. Die Bufferschicht ermöglicht außerdem ein ein¬ faches Rückätzen des Substrates, da sie gleichzeitig als Ätz¬ stopschicht beim Ätzen des Siliziumsubstrats dienen kann. Im fertigen Pyrodetektorelement bildet die Bufferschicht eine dünne freitragende Membrane, die wiederum das Detektorelement trägt.

Die Membrane bzw. die Bufferschicht kann in beliebiger Dicke erzeugt werden, weist jedoch üblicherweise eine solche Dicke auf, daß sie zusammen mit dem aktiven Teil des Pyrodetektorele¬ ments ausreichend mechanische Stabilität besitzt, um den durch Rückätzen des Substrats nun "substratfreien" Raum unter dem ak¬ tiven Detektorbereich zu überbrücken, ohne einen Bruch oder ei¬ ne sonstige Beschädigung während des Betriebs des Pyrodetekto- relements befürchten zu müssen.

Eine Ausführungsform der Erfindung betrifft die Verwendung ei¬ ner Spinell-Schicht (MgAl2θ ₄ ) als Zwischenschicht, über der epitaktisch oder zumindest orientiert eine Magnesiumoxidschicht aufwächst. Auf der Magnesiumoxidoberfläche wird dann die erste Elektrodenschicht aufgebracht. Gut geeignet für die erste Elek¬ trodenschicht ist Platin, das orientiert bis epitaktisch über dem Magnesiumoxid aufwächst. Für die darauf aufzubringende py¬ roelektrische Schicht wird ein Perowskit aus der PZT-Familie ausgewählt, beispielsweise ein Bleititanat PbTiC>3, das über Ma¬ gnesiumoxid bzw. über der dazwischenliegenden Platinelektro¬ denschicht ein orientiertes Wachstum zeigt.

Das Material für die zweite bzw. obere Elektrodenschicht über der pyroelektrischen Schicht ist unkritisch, da es außer einer ausreichenden Leitfähigkeit nur noch mit dem pyroelektrischen Material, insbesondere mit dem darin enthaltenen Blei Verträg¬ lichkeit aufweisen muß und eintreffende Wärmestrahlung mög¬ lichst gut absorbieren sollte. Möglich ist es beispielsweise, eine Nickel/Chrom-Legierung für die zweiten Elektrodenschicht zu verwenden.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird als Buf¬ ferschicht ein vollstabilisierteε Yttrium-stabilisiertes Zirko- noxid Zrθ2 (YSZ) verwendet, welches bislang nur als Buffer¬ schicht für Hochtemperatursupraleiter bekannt war. Auch hier kann Platin als erste Elektrodenschicht verwendet werden, da es auf YSZ orientiert aufwächst. Die pyroelektrische Schicht wird dann wieder von einem Bleititanat, beispielsweise von (Pb, Ca) (Ti, Mn) 0 ₃ gebildet.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die erste Elektrodenschicht über der YSZ-Bufferschicht aus einem elektro¬ nisch leitenden ABO3-Material hergestellt, wofür sich insbeson- dere Manganate und Kobaltate eignen. Über einer ersten Elektro-

denschicht aus beispielsweise (La, Ca) MnC ^* 3 wird dann eine Bleititanatschicht, beispielsweise (Pb, Ca) (Ti, Mn) O3 als py¬ roelektrische Schicht aufgebrach .

In einer besonders vorteilhaften Variante der eben beschriebe¬ nen Ausführungsform wird die Materialkombination Elek- trode/Pyroelektrikum so gewählt, daß beide Schichten die glei¬ chen Kationen enthalten und sich nur durch das Kationenverhält¬ nis auf dem A- und B-Platz unterscheiden. Eine erfindungsgemäße Materialkombination besteht daher in einer ersten Elektroden¬ schicht aus (La, Pb) Mn, Ti) O3 und (Pb, La) (Ti, Mn) O3 als pyroelektrische Schicht. In dieser Ausführung ergibt sich eine besonders einfache Herstellung, wobei Elektrode und Pyroelek- trikum zwei unterschiedliche Schichten darstellen können, oder zusammen eine einzige Schicht mit einem entsprechenden Gra¬ dienten des Kationenverhältnisses bilden. Dabei kann eine be¬ sonders gute Gitteranpassung und in der Folge eine besonders hoch orientierte pyroelektrische Schicht erzeugt werden.

Für die Erzeugung der unterschiedlichen Schichten der erfin¬ dungsgemäßen Pyrodetektorelemente sind bekannte Dünnschichtver¬ fahren geeignet, beispielsweise Sputtern, MOCVD, Sol-Geld Spin- On, Pulsed Laser Deposition oder andere Gasphasen- und Plasma- abscheidsverfahren. Der Grad der Orientierung der aufwachsenden Schichten kann durch ein entsprechend langsames Aufwachsen und geeignet gewählte Aufwachstemperaturen gesteigert werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispie¬ len und der dazugehörigen vier Figuren näher erläutert. Dabei zeigen

die Figuren 1 bis 3 einen schematischen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Pyrodetektorelement während verschie¬ dener Verfahrensstufen bei der Herstellung und

Figur 4 einen schematischen Querschnitt durch ein fertiges Py- rodetektorelement nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.

Figur 1 : Auf einem monokristallinen Siliziumsubstrat SS mit

(100) orientierter und polierter Oberfläche wird nach bekannten Dünnschichtverfahren, beispielsweise durch Aufsputtern, Auf¬ dampfen CVD, MOCVD usw. eine Reihenfolge von Schichten jeweils ganzflächig aufgebracht. Direkt über dem Siliziumsubstrat SS wird eine Zwischenschicht ZS aus Spinell MgAl2Ü4 aufgebracht, darüber eine Bufferschicht BS aus Magnesiumoxid MgO und darüber die erste Elektrodenschicht El. Die unterschiedlichen Schichten werden gegebenenfalls mit unterschiedlichen Abscheidebedingun¬ gen bezüglich Temperatur, Druck oder Verfahren aufgebracht, wo- bei die Abscheidetemperatur und die erzielte Aufwachsgeschwin¬ digkeit das Aufwachsen von zumindest orientierten, besser epi- taktischen Schichten erlaubt.

Die Schichtdicken von Zwischenschicht ZS, Bufferschicht BS und erster Elektrodenschicht El werden möglichst dünn gewählt, um eine möglichst gute Orientierung beim Aufwachsen trotz der Git¬ terfehlanpassung zu erzielen. Zwischenschicht ZS und Buffer¬ schicht BS sollten zusammen jedoch so dick und mechanisch sta¬ bil sein, daß sie ihre Membranfunktion erfüllen und das darüber aufgebaute Pyrodetektorelement bzw. Pyrodetektorarray zumindest über dessen Fläche frei tragen können. Dafür ist eine Schicht¬ dicke von zusammen ca. 1 μm ausreichend. Die minimale Dicke der ersten Elektrodenschicht El ist durch die Stromleitfähigkeit des Materials der ersten Elektrodenschicht begrenzt. Eine me- tallische und beispielsweise aus Platin bestehende erste Elek¬ trodenschicht kann mit ca. 100 nm entsprechend dünner ausge¬ führt werden als beispielsweise eine Elektrodenschicht aus ei¬ ner elektrisch leitenden ABO3-Verbindung.

Über der ersten Elektrodenschicht El wird nun eine pyroelektri ^¬ sche Schicht PS aus einem Bleititanat in einer Dicke von ca. 1 μm orientiert aufgewachsen.

Die zweite Elektrodenschicht E2 wird ganzflächig über der py¬ roelektrischen Schicht PS aufgebracht, beispielsweise durch Aufdampfen eines Metalles und anschließend mit Hilfe einer Pho- tostrukturierungstechnik strukturiert, also durch Aufbringen eines Photolackes, bildmäßiges Belichten einer gewünschten Struktur, Entwickeln des Photolackes und Abtragen der Elektro¬ denschicht E2 in den nicht von Photolack bedeckten Bereichen, beispielsweise durch Ätzen. In einem weiteren Photostrukturie- rungsschritt wird die einheitliche pyroelektrische Schicht PS in eine Vielzahl von den Einzeldetektoren entsprechenden Schichtbereichen aufgeteilt, beispielsweise durch Ätzen. Die räumliche Trennung von Einzeldetektoren in einem Pyrodetektor- array ist notwendig, um zwischen zwei benachbarten Einzeldetek¬ toren eine Wärmebrücke und damit das Übersprechen beim Detek- tieren eines IR-Signals zu minimieren.

Nach der Strukturierung der pyroelektrischen Schicht kann die erste Elektrodenschicht El wiederum mit Photostrukturierungs- verfahren strukturiert werden. Figur 2 zeigt diese Anordnung. Die untere Elektrode kann aber auch ganzflächig belassen wer- den.

Zum Anschluß der zweiten Elektrodenschicht E2 an den Auslese¬ schaltkreis werden nach dem Aufbringen einer geigneten elektri¬ schen Isolation Leiterbahnen aufgebracht und strukturiert. Diese zusätzlichen Elektrodenstrukturen sind in Figur 2 nicht gezeigt.

Zur Verbesserung der IR-Absorption des Pyrodetektorelements wird abschließend eine Absorberschicht aufgebracht, die bei- spielsweise aus Goldschwarz besteht.

Zur _V erringerung der Wärmekapazität und der Wärmeleitung ins Su _b strat des Pyrodetektorelementes wird nun das Substrat SS im Bereich des oder der Pyrodetektoren weggeätzt. Dabei ist es möglich, mittels einer Photolacktechnik unter jedem Einzelde¬ tektor eine Ausnehmung im Substrat SS zu erzeugen, oder in grö¬ ßeren Ausnehmungen gleichzeitig eine Reihe von Einzeldetektoren freizulegen, bzw. das Substrat unter dieser Reihe von Einzel- detektoren zu entfernen.

Bei der alkalischen Ätzung des Siliziumsubstrats SS dient die Zwischenschicht ZS als Ätzstopschicht. Der auf der Oberseite des Siliziumsubstrats aufgebrachte Schichtaufbau der Pyrode- tektorelemente wird bei diesem Ätzschritt durch eine geeignete Abdeckschicht geschützt.

Figur 3 zeigt die Anordnung nach diesem Verfahrensschritt. In der Ausnehmung A des Siliziumsubstrats SS ist die Zwischen¬ schicht ZS im Bereich des Pyrodetektorelements (El, PS, E2) freigelegt. Die Ausnehmung kann exakt den Ausmaßen des Pyrode¬ tektorelements entsprechen, oder etwas größer oder kleiner ge¬ staltet sein. Eine geeignete Grundfläche für ein einzelnes Py- rodetektorelement beträgt beispielsweise 50 x 50 μm ² , wobei ein Pyrodetektorarray zumindest zwei mal zwei, also vier Einzelde- tektoren umfaßt. Eine bessere Ortsauflösung eines detektierten IR-Signals wird mit größeren Arrays erhalten, die aus mehr Ein¬ zeldetektoren bestehen.

Die Schaltungen, die zum Betrieb eines Pyrodetektorelements bzw. eines Pyrodetektorarrays erforderlich sind, sind vorzugs¬ weise auf dem Siliziumsubstrat SS integriert. Sie bestehen im wesentlichen aus Ausleseschaltung zum Ansprechen der Einzelde¬ tektoren und Verstärkerschaltungen zum Verstärken der schwachen Meßsignale. Die Erzeugung der Schaltungen erfolgt normalerweise

vor dem Herstellen des Pyrodetektorelements bzw. der Pyrodetek- torelemente.

Figur 4 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der das aus erster Elektrodenschicht El, pyroelektrischer

Schicht PS und zweiter Elektrodenschicht E2 bestehende Pyrode- tektorelement auf einer Bufferschicht BS aus voll mit Yttrium stabilisiertem Zirkonoxid (YSZ) aufgebaut ist. Auch hier fun¬ giert die YSZ-Bufferschicht BS als Ätzstopschicht zur Erzeugung der Ausnehmung A im Siliziumsubstrat SS.

Ein voll integriertes und zusammen mit den erforderlichen Schaltungen auf einem einzigen (Silizium) Substrat unterge¬ brachtes Pyrodetektorelement bzw. eine Anordnung von mehreren solchen Pyrodetektorelementen hat den Vorteil einer kompakten

Bauweise, ist daher handlicher als bekannte Pyrodetektoren, bei denen Detektoren und die dazugehörige Elektronik auf getrennten Substraten untergebracht ist, ist leichter und kostengünstiger herstellbar und besitzt funktionale Vorteile.

Die kompakte Bauweise erlaubt es, mit geringerem Primärsignal aus dem Pyrodetektorelement zu arbeiten, weil das Signal in un¬ mittelbarer Nähe zum Detektorelement durch geeignete Schaltun¬ gen verstärkt werden kann. Der Aufbau des Pyrodetektorelementes als dünne Schicht ermöglicht außerdem ein schnelleres Anspre¬ chen des Pyrodetektors gegenüber einfallender IR-Strahlung.