Mikromechanische Sensorvorrichtung und entsprechendes Herstellungsverfahren

Die Erfindung betrifft eine mikromechanische Sensorvorrichtung und ein entsprechendes Herstellungsverfahren.

Stand der Technik

Obwohl auch auf beliebige mikromechanische Bauelemente anwendbar, wird die vorliegende Erfindung und die ihr zugrundeliegende Problematik anhand von

pyroelektrischen Infrarotsensoren auf Siliziumbasis erläutert.

Pyroelektrische Infrarotsensoren sind aus der US 5,424,544 A, der US 6,239,433 B1 und der WO 2010/1 19131 A1 bekannt. Die dort beschriebenen Beispiele unterliegen aufwendigen, kostenintensiven Herstellungsprozessen. Die offenbarten Pixelarchitekturen führen durch ihre gemeinsame Elektrodenschicht zu einem thermischen Übersprechen der Pixelelemente untereinander. Teilweise erfordern die bekannten Bauelemente eine teure, vakuumdichte Verpackung.

Offenbarung der Erfindung

Die Erfindung schafft eine mikromechanische Sensorvorrichtung nach Anspruch 1 und ein entsprechendes Herstellungsverfahren nach Anspruch 10.

Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.

Vorteile der Erfindung

Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, eine

mikromechanische Sensorvorrichtung vorzusehen, welche Sensorelemente aufweist, die über Substratstützen mechanisch verankert und elektronisch kontaktiert sind und sich lateral über einen Hohlraum erstrecken. Die vorliegende Erfindung schafft somit eine kostengünstige integrierte mikromechanische Sensorvorrichtung bzw. ein entsprechendes Herstellungsverfahren mit der Möglichkeit einer Verpackung auf Chipskala, wobei eine bevorzugte Verwendung eine Dünnfilm- Pyrometer-Kamera bzw. ein Dünnfilm-Pyrometer-Bewegungssensor ist.

Dieses erfindungsgemäße Herstellverfahren ermöglicht hohe Füllfaktoren der

Sensorelemente. Die Baugröße kann durch die Chipskala-Verpackung verkleinert werden und ein mechanisches und/oder thermisches und/oder elektrisches Übersprechen der Sensorelemente untereinander kann durch die Trenngräben und den Hohlraum deutlich reduziert bzw. vollständig beseitigt werden.

Zum Opferschichtätzen des Substrats dienen die Trenngräben ebenfalls, können allerdings durch zusätzliche Opferschichtätzlöcher ergänzt werden. Der Rückkontakt sorgt für eine elektrische Anbindung aller Sensorelemente und dient gleichzeitig als

Unterstützung des Pixels beim Bondvorgang. Hierbei ist es zweckmäßig, dass sich der Vorderseitenkontakt und der Rückseitenkontakt des jeweiligen Sensorelements möglichst vollständig überdecken. Der Rückseitenkontakt ist zweckmäßigerweise umlaufend mit einer Ätzstoppschicht, z.B. aus Si0 ₂ , vor dem Opferschichtätzmedium, z.B. einem Ätzgas, geschützt.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung weisen die Sensorelemente einen jeweiligen Vorderseitenkontakt auf, wobei die Vorderseitenkontakte auf einer der Rückseite gegenüberliegenden Seite, d. h. auf einer dem Substrat abgewandten Seite des

Sensorelement, liegen. Dies ermöglicht eine raumsparende elektrische Anbindung.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist das Substrat einen Randbereich mit einem Ringkontakt auf, der über eine entsprechende Randwandung auf die der Rückseite gegenüberliegenden Seite geführt ist und von den Sensorelementen durch die jeweiligen Trenngräben lateral beanstandet ist. So lässt sich das Substrat großflächig elektrisch anbinden und eine hermetisch dichte Verkappung schaffen.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind die Sensorelemente

infrarotsensitiv und weisen eine pyroelektrische Schicht auf, die zwischen einer ersten und zweiten Elektrodenschicht eingebettet ist. So lässt sich eine hochintegrierte

Infrarotkamera bilden. Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weisen die Sensorelemente eine erste elektrisch isolierende Absorberschicht auf der ersten Elektrodenschicht und eine zweite elektrisch isolierende Absorberschicht auf der zweiten Elektrodenschicht auf. Dies schafft eine gute Lichtabsorption.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind die Säulen (S1 , S2) von einer Ätzstoppschicht umgeben, welche vorzugsweise der ersten elektrisch isolierenden Absorberschicht entspricht. Dies ermöglicht eine Mehrfachfunktion der betreffenden Schicht und trägt zu einem gut kontrollierbaren Ätzprozess bei.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist auf der der Rückseite

gegenüberliegenden Seite eine Auswerteeinrichtung aufgebondet, welche den

Ringkontakt und die Vorderseitenkontakte kontaktiert. So lässt sich die

Auswerteeinrichtung platzsparend anschließen.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die Auswerteeinrichtung derart aufgebondet, dass sie den Hohlraum verschließt. So lässt sich im Hohlraum eine kontrollierte Atmosphäre bilden, z.B. ein Vakuum.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weisen die Sensorelemente Ätzlöcher auf. So lässt dich der Opferschichtätzprozess beschleunigen und gut steuern.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsformen mit Bezug auf die Figuren erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung einer

mikromechanischen Sensorvorrichtung gemäß einer ersten

Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung einer

mikromechanischen Sensorvorrichtung mit einer beispielhaften angeschlossenen Auswerteeinrichtung gemäß einer zweiten

Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3 eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung einer

mikromechanischen Sensorvorrichtung mit einer weiteren beispielhaften angeschlossenen Auswerteeinrichtung gemäß einer dritten

Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 4a)-e) schematische Querschnittsansichten zur Erläuterung eines

Herstellungsverfahrens für die mikromechanische Sensorvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Ausführungsformen der Erfindung In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche

Elemente.

Fig. 1 ist eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung einer

mikromechanischen Sensorvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

In Fig. 1 bezeichnet Bezugszeichen 1 ein niederohmiges Siliziumsubstrat mit einer Vorderseite VS und einer Rückseite RS. Auf der Vorderseite VS des Siliziumsubstrats 1 sind eine erste Säule S1 und eine zweite Säule S2 gebildet. In einem Randbereich RB des Siliziumsubstrats 1 ist eine umlaufende Randwandung SB gebildet.

Auf der ersten Säule S1 und der zweiten Säule S2 ist ein jeweiliges Sensorelement P1 bzw. P2 in Form eines pyroelektrischen Pixelelements gebildet, wobei die

Sensorelemente P1 , P2 jeweils eine größere laterale Ausdehnung als die zugehörige Säule S1 bzw. S2 aufweisen und wobei seitlich der Säulen S1 bzw. S2 unterhalb der Sensorelemente P1 bzw. P2 ein Hohlraum H vorgesehen ist.

Die Sensorelemente P1 , P2 sind durch jeweilige Trenngräben G1 , G2 lateral voneinander beabstandet und über die jeweils zugehörige Säule S1 bzw. S2 an ihrer jeweiligen Rückseite über die Säulen S1 , S2 und Kontaktstöpsel V6, V7 elektrisch kontaktiert. Die Sensorelemente P1 , P2 weisen eine untere elektrisch isolierende Schicht 5a aus Siliziumoxid auf, welche auch gleichzeitig die Säulen S1 , S2 vollständig isolierend ummantelt. Durch die Schicht 5a ist beim ersten Sensorelement P1 ein Kontaktstöpsel V6 von einer ersten Elektrodenschicht E1 auf die Oberseite der Stütze S1 geführt. Auf der ersten Elektrodenschicht E1 befindet sich eine pyroelektrische Schicht PS und darauf eine zweite Elektrodenschicht E2. Auf der zweiten Elektrodenschicht E2 befindet sich eine zweite elektrisch isolierende Schicht 5b aus Siliziumoxid, durch die ein Kontaktstöpsel V2 geführt ist, der die zweite Elektrodenschicht E2 mit einer Metallschicht 10, beispielsweise aus TiW, verbindet.

Bei der pyroelektrischen Schicht PS handelt es sich beispielsweise um ein c- achsenorientiertes PZT (Bleizirkontitanat) oder BST (Barium-Strontium-Titanat). Bei den Elektrodenschichten E1 , E2 handelt es sich beispielsweise um LNO (Lithiumniobat) oder SRO (Strontium-Ruthenium-Oxid).

Auf der Metallschicht 10 sind Bondkontakte BK1 , BK2 und BR vorgesehen, der beispielsweise aus Cu oder Cu/Sn besteht. Zusätzlich vorgesehen im ersten

Sensorelement P1 sind durchgehende Ätzlöcher L, welche für den weiter unten beschriebenen Herstellungsprozess von Bedeutung sind.

Das zweite Sensorelement P2 ist analog wie das erste Sensorelement P1 aufgebaut, wobei der in elektrischer Verbindung mit der Säule S2 und der ersten Elektrodenschicht E1 stehende Kontaktstöpsel mit Bezugszeichen V7 bezeichnet ist und wobei der mit der zweiten Elektrodenschicht E2 und der Metallschicht 10 in elektrischer Verbindung stehende Kontaktstöpsel mit Bezugszeichen V3 bezeichnet ist. Der auf der Metallschicht 10 vorgesehene Bondkontakt des zweiten Sensorelements P2 trägt Bezugszeichen BK2.

Auf der Randwandung SB befindet sich ebenfalls die erste elektrisch isolierende Schicht 5a, durch die ein Kontaktstöpsel V5 geführt ist, welcher eine elektrische Verbindung des Substrats 1 in diesem Bereich zur ersten Elektrodenschicht E1 schafft. In dem

Randbereich RB ist die pyroelektrische Schicht PS durchsetzt von zwei weiteren

Kontaktstöpseln VB1 , VB2 aus dem Material der zweiten Elektrodenschicht E2, welche die erste Elektrodenschicht E1 mit der zweiten Elektrodenschicht E2 kurzschließen, also die pyroelektrische Schicht PS elektrisch überbrücken. Auf der zweiten Elektrodenschicht E2 befindet sich im Randbereich RB ebenfalls die zweite elektrisch isolierende Schicht 5b, durchsetzt von einem Kontaktstöpsel V1 , der eine Verbindung zur dort befindlichen Metallschicht 10 herstellt. Bezugszeichen BR bezeichnet einen Bondrahmenkontakt, welcher wie die Randwandung SB und die darauf befindlichen Schichten umlaufend ausgebildet ist.

Alle Bondkontakte BK1 , BK2 und der Bondrahmenkontakt BR liegen somit gemeinsam auf der der Rückseite RS gegenüberliegenden Seite OS der Sensorvorrichtung und besitzen wegen eines identischen Schichtunterbaus dasselbe Niveau.

Die Funktion der derart aufgebauten mikromechanischen Sensorrichtung, welche auch als Pixelsubstrat PS bezeichnet wird, besteht darin, dass Licht LI von der Rückseite RS her auf die Anordnung der Sensorelemente P1 , P2 einfällt, dort in den Schichten 5a, 5b aus Siliziumoxid absorbiert wird und die daraus resultierenden Temperaturänderung auslöst, welche über die Bondkontakte BK1 , BK2 und den Bondrahmenkontakt BR als

Spannungsdifferenz elektrisch erfassbar ist.

Bei pyroelektrischen Kristallen der pyroelektrischen Schicht PS handelt es sich um lonenkristalle mit permanenter elektrischer Polarisation. Erwärmt man diese

pyroelektrischen Kristalle oder kühlt sie ab, so laden sich gegenüberliegende Flächen entgegengesetzt elektrisch auf. Die resultierende Spannungsdifferenz kann an den entsprechenden Kristallkanten (Oberflächen) mit den Elektrodenschichten E1 , E2 abgegriffen werden. Die Polarisation ist dabei proportional zur Temperaturänderung. Die vorhandenen Oberflächenladungen werden allerdings durch aus der Umgebung aufgenommene Ladungsträger kompensiert, z.B. freien Elektronen. Oberflächenladungen treten daher nur bei einer Änderung der Temperatur eines Pixels auf. Aufgrund dieser Eigenschaften lassen sich Bewegungen mit einer derartigen pyroelektrischen Kamera unter Verwendung von pyroelektrischen Pixelelementen bei dauerhaftem Lichteinfall sehr gut erfassen, da nur Bildelemente Sichtbar werden, in denen sich die Infrarotstrahlung ändert. Für Standbilder dagegen muss der Lichteinfall mit einem Chopper moduliert werden.

Das pyrometrische Pixelelement kann mit Absorberschichten für die jeweils

interessierende Strahlung versehen sein, beispielsweise bei der vorliegenden

Ausführungsform mit den Schichten 5a, 5b aus Si0 ₂ für das Ferninfrarot von 8-12 μηη. Somit kann die Si02-Schicht eine Doppelfunktion als Ätzstoppschicht für die Stützen und Absorptionsschicht für die Sensorelemente übernehmen, wie weiter unten näher erläutert.

Der Hohlraum H und die Trenngräben G1 , G2 sorgen für eine gute thermische Isolation der Sensorelemente P1 , P2 untereinander. Gemeinsam bestimmen der Vorderseiten- und Rückseitenkontakt der Sensorelemente P1 , P2 somit die Wärmeableitung aus dem jeweiligen Sensorelement P1 , P2. Ein geringer Querschnitt führt zu einem größeren Signalhub, ein größerer Querschnitt zu einer schnelleren Zeitkonstante des Pixels. Die genaue Dimensionierung hängt dafür von den speziellen gewünschten

Funktionseigenschaften ab.

Das Substrat 1 schützt die Sensorelemente zusätzlich vor Verschmutzung. Die

Metallschicht 10, z.B. aus TiW, dient als Diffusionsbarriere beim Bonden und auch gleichzeitig als Reflektorschicht bzw. Galvanikstartschicht.

Fig. 2 ist eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung einer

mikromechanischen Sensorvorrichtung mit einer beispielhaften angeschlossenen

Auswerteeinrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Gemäß Fig. 2 ist auf das Pixelsubstrat PS von Fig. 1 eine Auswerteeinrichtung AS in Form eines Auswertesubstrats aufgebondet, welches einen Schaltungsbereich SL und einen Verdrahtungsbereich VL aufweist. Das Auswertesubstrat AS weist einen analogen Bondrahmenkontakt BR' zur Verbindung mit dem Bondrahmenkontakt BR und analoge Bondkontakte BKV, BK2' zur Verbindung mit den Bondkontakten BK1 , BK2 des

Pixelsubstrats PS auf. Die entsprechenden Kontakte sind derart miteinander gebondet, dass das Schaltungssubstrat AS den Hohlraum H verschließt, wobei entweder Vakuum oder eine vorbestimmte Gasatmosphäre in dem Hohlraum vorgesehen werden kann.

Weiterhin weist das Schaltungssubstrat AS eine Bondverbindung BV an dessen dem Pixelsubstrat PS zugewandten Seite auf, der mit Bezugszeichen BV bezeichnet ist und über den Verdrahtungsbereich VL mit dem 'Schaltungsbereich SL elektrisch verbunden ist.

Die Bondverbindung wird vorzugsweise über Thermokompressionsbonden oder

SLID(Solid-Liquid-lnterdiffusion)-Bonden hergestellt. Für das Bonden ist es von Vorteil, wenn die Bondrahmenkontakte BR, BR' und die Bondkontakte BK1 , BK2 und BKV, BK2' unterschiedliche Größen aufweisen. Wenn die Größenunterschiede dabei die Justagetoleranzen der Ebenen zueinander

berücksichtigen, wird der Bondprozess tolerant gegenüber Versetzen und es kommt zu keiner unerwünschten Verkippung der Sensorelemente.

Sowohl bei der ersten als auch bei der zweiten Ausführungsform weisen der

Bondrahmenkontakt BR' und die Bondkontakte BKV, BK2' des Auswertesubstrats AS eine größere laterale Ausdehnung auf als der Bondrahmenkontakt BR und die

Bondkontakte BK1 , BK2 des Pixelsubstrats PS.

Fig. 3 ist eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung einer

mikromechanischen Sensorvorrichtung mit einer weiteren beispielhaften

angeschlossenen Auswerteeinrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 ist eine modifizierte Auswerteeinrichtung AS' in Form eines Auswertesubstrats AS' auf das Pixelsubstrat PS der ersten Ausführungsform gemäß Fig. 1 gebondet.

Dies geschieht ebenfalls über entsprechende Bondrahmenkontakte BR, BR' sowie Bondkontakte BK1 , BK2 und BK1 ', BK2'. Der Verdrahtungsbereich trägt bei dieser Ausführungsform Bezugszeichen VL' und weist zum Unterschied zum

Verdrahtungsbereich VL der zweiten Ausführungsform eine Durchkontaktierung DK auf, sodass der Schaltungsbereich SL von der dem Pixelsubstrat PS gegenüberliegenden Seite des Auswertesubstrats AS' kontaktierbar ist.

Fig. 4a)-e) sind schematische Querschnittsansichten zur Erläuterung eines

Herstellungsverfahrens für die mikromechanische Sensorvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Wie in Fig. 4a) dargestellt, wird zunächst das niederohmige Siliziumsubstrat 1 bereitgestellt und darin die Säulen S1 , S2 sowie die Randwandung SB durch Ätzen von Ringgräben RG im Substrat 1 gebildet, wobei die Ringgräben RG die jeweiligen Säulen S1 , S2 umgeben bzw. an die Randwandung SB angrenzen. In einem weiteren Prozessschritt werden die Ringgräben RG mit der ersten elektrisch isolierenden Schicht 5a aus Siliziumoxid verfüllt, wobei die erste elektrisch isolierende Schicht 5a zudem die Vorderseite VS des Substrats 1 mit einer bestimmten Höhe überdeckt.

In einem darauffolgenden Prozessschritt erfolgt ein Bilden der Kontaktstöpsel V6, V7, welche die erste und zweite Säule S1 bzw. S2 durch die erste elektrisch isolierende Schicht 5a hindurch elektrisch kontaktieren. Weiterhin erfolgt ein Bilden des

Kontaktstöpsels V5, welcher die Randwandung SB durch die erste elektrisch isolierende Schicht 5a hindurch elektrisch kontaktiert. Diese erste elektrisch isolierende Schicht 5a hat, wie im weiteren Prozessverlauf näher erläutert, eine Dreifachfunktion, nämlich, eine Isolationsfunktion, eine Ätzstoppfunktion und eine Absorberfunktion. Optional erfolgt noch eine Planarisierung der Oberseite der ersten elektrisch isolierenden Schicht 5a mit den darin befindlichen Kontaktstöpseln V5, V6, V7 mittels eines CMP-Schrittes.

Weiterhin mit Bezug auf Fig. 4b) wird über der Struktur gemäß Fig. 4a) die erste

Elektrodenschicht E1 abgeschieden und darüber wiederum die pyroelektrische Schicht PS. Anschließend werden in der pyroelektrischen Schicht PS im Randbereich Löcher für die Kontaktstöpsel VB1 , VB2 gebildet. Anschließend wird auf der pyroelektrischen Schicht PS die zweite Elektrodenschicht E2 abgeschieden, wobei sich dabei in diesen Löchern die Kontaktstöpsel VB1 , VB2 für den umlaufenden Randkontakt bilden.

Auf der zweiten Elektrodenschicht E2 wird anschließend die zweite elektrisch isolierende Schicht 5b abgeschieden und darin die Kontaktstöpsel V1 , V2 und V3 gebildet. Auch nach diesem Prozessschritt kann ein optionaler Planarisierungsschritt in Form eines CMP- Schritts erfolgen.

Weiter mit Bezug auf Fig. 4c) erfolgt eine Abscheidung der Metallschicht 10 aus z. B. TiW, welche eine Galvanikstartschicht, Diffusionsbarriere und eine Reflektorschicht für die zu erfassende IR-Strahlung LI bildet.

In einem darauffolgenden Prozessschritt werden auf der Metallschicht 10 der

Bondrahmenkontakt BR und die Bondkontakte BK1 , BK2 des ersten bzw. zweiten

Sensorelements P1 , P2 gebildet. Dieses Bilden des Bondrahmenkontakts BR und der Bondkontakte BK1 , BK2 erfolgt vorzugsweise mit Galvanik unter Verwendung einer Lackmaske, welche die nicht davon zu verstärkenden Bereiche der Metallschicht 10 abdeckt.

Wie in Fig. 4d) dargestellt, werden dann die Trenngräben G1 , G2 gebildet, welche die Sensorelemente P1 , P2 sowie den Randbereich BR lateral voneinander trennen. Dies erfolgt zweckmäßigerweise durch einen Ätzprozess, welcher auf der Vorderseite VS des Siliziumsubstrats 1 stoppt. Zusätzlich können optional in den Sensorelementen P1 , P2 Ätzgräben L gebildet werden, welche ebenfalls bis zur Vorderseite VS des

Siliziumsubstrats 1 reichen.

Im Anschluss an den in Fig. 4d) gezeigten Prozesszustand erfolgt ein Opferschichtätzen des durch die Trenngräben G1 , G2 und die Ätzgräben L freigelegten Teils an der Vorderseite VS des Siliziumsubstrats 1 mittels eines gasförmigen Ätzmediums, sodass seitlich der Säulen S1 , S2 und unterhalb der Sensorelemente P1 , P2 der Hohlraum H gebildet wird, wobei die erste elektrisch isolierende Schicht 5a als Ätzstoppschicht um die Säulen S1 , S2 herum und an der Randwandung SB wirkt.

Somit ist gemäß Fig. 4e) der Prozesszustand gemäß Fig. 1 erreicht. Die Herstellung der Verbindung mit dem Auswertesubstrat AS bzw. AS' gemäß der zweiten bzw. dritten Ausführungsform erfolgt dann vorzugsweise mittels eines bekannten Thermokompressionsbondschrittes oder SLI D-Bondschrittes.

Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt. Insbesondere sind die genannten Materialien und Topologien nur beispielhaft und nicht auf die erläuterten Beispiele beschränkt.