DE102007062053B4

DE102007062053B4 - Method for producing a device for detecting heat radiation

Info

Publication number: DE102007062053B4
Application number: DE102007062053A
Authority: DE
Inventors: Dr. Giebeler Carsten; Matthias Schreiter
Original assignee: Pyreos Ltd
Current assignee: Pyreos Ltd
Priority date: 2007-12-21
Filing date: 2007-12-21
Publication date: 2012-01-19
Anticipated expiration: 2027-12-22
Also published as: WO2009083181A1; DE102007062053A1

Abstract

Verfahren zum Herstellen einer Vorrichtung (1) zur Detektion von Wärmestrahlung, mit den Schritten: Bereitstellen eines Substrats (10) mit einer Substratoberfläche, einer unteren Elektrodenschicht (114) und einer weiteren unteren Elektrodenschicht (124), die auf der Substratoberfläche angeordnet sind und elektrisch voneinander isoliert sind, und zur Absorption von Temperier-Wärmestrahlung (106) einer Absorberschicht (104), die auf der der Substratoberfläche abgewandten Seite des Substrats (10) angeordnet und mit dem Substrat (10) wärmeleitend verbunden sind; Bestrahlen der Absorberschicht (104) mit einer Temperier-Wärmestrahlung (106) zum gleichmäßigen Temperieren des Substrats (10); Anordnen einer zusammenhängenden Keramikschicht auf den unteren Elektrodenschichten (114, 124).A method for producing a device (1) for detecting thermal radiation, comprising the steps of: providing a substrate (10) with a substrate surface, a lower electrode layer (114) and a further lower electrode layer (124), which are arranged on the substrate surface and are electrical are insulated from one another, and for the absorption of thermal radiation (106) of an absorber layer (104), which are arranged on the side of the substrate (10) facing away from the substrate surface and are connected to the substrate (10) in a thermally conductive manner; Irradiating the absorber layer (104) with a temperature control heat radiation (106) for uniform temperature control of the substrate (10); Arranging a continuous ceramic layer on the lower electrode layers (114, 124).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Vorrichtung zur Detektion von Wärmestrahlung.The invention relates to a method for producing a device for detecting thermal radiation.

Eine Vorrichtung zur Detektion von Wärmestrahlung ist beispielsweise aus DE 100 04 216 A1 bekannt. Diese Vorrichtung wird als Pyrodetektor bezeichnet. Der Pyrodetektor weist ein pyroelektrisches Detektorelement in Dünnschichtbauweise mit zwei Elektrodenschichten und einer zwischen den Elektrodenschichten angeordneten pyroelektrischen Schicht mit pyroelektrisch sensitivem Material auf. Dieses Material ist ferroelektrisches Blei-Zirkonat-Titanat (PZT). Die Elektrodenschichten bestehen beispielsweise aus Platin oder aus einer die Wärmestrahlung absorbierenden Chrom-Nickel-Legierung. Die Schichten werden mittels Gasphasenabscheide-Verfahren (Gasphasenabscheidung) aufgebracht.A device for detecting thermal radiation is for example off DE 100 04 216 A1 known. This device is called a pyrodetector. The pyrodetector has a pyroelectric detector element in thin-film construction with two electrode layers and a pyroelectric layer with pyroelectric sensitive material arranged between the electrode layers. This material is ferroelectric lead zirconate titanate (PZT). The electrode layers consist, for example, of platinum or of a heat radiation absorbing chromium-nickel alloy. The layers are applied by gas phase deposition (vapor deposition).

Das pyroelektrische Detektorelement ist auf einer Substratoberfläche eines Substrats (Detektorelement-Träger) aus Silizium aufgebracht. Zwischen dem Detektorelement und dem Substrat ist eine Isolationsschicht zur elektrischen und thermischen Isolierung des Detektorelements und des Substrats voneinander angeordnet. Die Isolationsschicht verfügt dabei über einen evakuierten Hohlraum, der sich über eine Grundfläche des Detektorelements hinweg erstreckt, 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 eines aufgrund von Wärmestrahlung vom Detektorelement erzeugten elektrischen Signals ist im Substrat ein Ausleseschaltkreis integriert. Der Ausleseschaltkreis ist durch die CMOS(Complementary Metalloxide Semiconductors)-Technik realisiert.The pyroelectric detector element is deposited on a substrate surface of a substrate (detector element carrier) made of silicon. Between the detector element and the substrate, an insulating layer for electrical and thermal insulation of the detector element and the substrate is arranged from each other. The insulating layer has an evacuated cavity which extends over a base area of the detector element, a supporting layer of the cavity and a covering of the supporting layer and the cavity. The support layer is made of polysilicon. The cover is made of Boron Phosphorus Silicate Glass (BPSG). For reading, processing and / or forwarding of an electrical signal generated due to heat radiation from the detector element, a readout circuit is integrated in the substrate. The readout circuit is realized by the CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductors) technique.

Eine damit vergleichbare Vorrichtung zur Detektion von Wärmestrahlung ist aus der DE 195 25 071 A1 bekannt. Das pyroelektrische Detektorelement ist auf einem mehrschichtigen Substrat angeordnet. Eine der Schichten des Substrats ist eine elektrisch isolierende Membran. Die Membran besteht beispielsweise aus einer Si₃N₄/SiO₂/Si₃N₄-Dreifach-Schicht. Die Membran bildet die Substratoberfläche des Subsrats, auf dem das Detektorelement aufgebracht ist.A comparable device for detecting thermal radiation is from the DE 195 25 071 A1 known. The pyroelectric detector element is arranged on a multilayer substrate. One of the layers of the substrate is an electrically insulating membrane. The membrane consists for example of a Si ₃ N ₄ / SiO ₂ / Si ₃ N ₄ triple layer. The membrane forms the substrate surface of the substrate on which the detector element is applied.

In US 2003/0 173 519 A1 ist ein pyroelektrischer Sensor mit einer Mehrzahl an Bildelementen beschrieben, der einen porösen pyroelektrischen Film aufweist, an dessen beiden Seiten Elektroden angeordnet sind. In US 5 087 816 ist ein Infrarotdetektor beschrieben, welcher eine Schicht aus einem pyroelektrischen Material aufweist, welche mit einem Ausleseschaltkreis verbunden ist, der auf einem Halbleitersubstrat angeordnet ist. Das Halbleitersubstrat stützt leitende Blöcke ab, die die elektrischen Signale von der Schicht an den Ausleseschaltkreis leiten. Eine Gegenelektrode bedeckt die Schicht auf der den Blöcken abgewandten Seite. Zusätzlich ist in US 2004/0 155 188 A1 ein Infrarotsensor mit einer Mehrzahl an Bildelementen beschrieben, der an seiner Sensoroberseite eine strukturierte Schicht zur Absorption von Infrarotlicht hat, welche aus Kolloidteilchen gebildet ist. Die Kolloidteilchen werden mit einer Standardtechnik abgeschieden und anschließend teilweise entfernt, so dass die strukturierte Schicht gebildet wird.In US 2003/0173519 A1 there is described a pyroelectric sensor having a plurality of picture elements comprising a porous pyroelectric film on both sides of which electrodes are arranged. In US 5 087 816 there is described an infrared detector comprising a layer of pyroelectric material connected to a readout circuit disposed on a semiconductor substrate. The semiconductor substrate supports conductive blocks that conduct the electrical signals from the layer to the readout circuit. A counter electrode covers the layer on the side facing away from the blocks. Additionally is in US 2004/0155188 A1 an infrared sensor having a plurality of picture elements is described, which has on its sensor top a structured layer for absorbing infrared light, which is formed from colloidal particles. The colloid particles are deposited by a standard technique and then partially removed to form the patterned layer.

Bei den bekannten Vorrichtungen kann eine Vielzahl von Detektorelementen vorhanden sein (Detektorelement-Array). Um eine möglichst hohe örtliche Auflösung zu erhalten, werden die Detektorelemente möglichst nah aneinander angeordnet. Je näher aber die Detektorelemente aneinander angeordnet sind, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit für ein thermisches „Übersprechen”. Die erwünschte hohe Auflösung geht verloren. Daher sind die Detektorelemente thermisch komplett voneinander getrennt. Dies ist im Herstellverfahren sehr aufwändig, da die Detektorelemente separat aufgebaut werden müssen. Alternativ dazu werden die Detektorelemente nach dem Herstellen der Schichten voneinander separiert.In the known devices, a plurality of detector elements may be present (detector element array). In order to obtain the highest possible spatial resolution, the detector elements are arranged as close to each other as possible. However, the closer the detector elements are to each other, the higher the probability of a thermal "crosstalk". The desired high resolution is lost. Therefore, the detector elements are thermally completely separated from each other. This is very complicated in the manufacturing process, since the detector elements must be constructed separately. Alternatively, the detector elements are separated from each other after making the layers.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Herstellen einer Vorrichtung zur Detektion von Wärmestrahlung zu schaffen, wobei das Verfahren leicht durchführbar ist.The object of the invention is to provide a method for producing a device for detecting heat radiation, wherein the method is easy to carry out.

Die Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen dazu sind in den weiteren Patentansprüchen angegeben.The object is achieved with the features of claim 1. Preferred embodiments thereof are specified in the further claims.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird eine Vorrichtung zur Detektion von Wärmestrahlung mit einem Substrat mit einer Substratoberfläche, einem auf der Substratoberfläche angeordneten pyroelektrischen Detektorelement in Dünnschichtbauweise mit einer der Substratoberfläche zugewandten unteren Elektrodenschicht, einer der Substratoberfläche abgewandten oberen Elektrodenschicht und einer zwischen den Elektrodenschichten angeordneten pyroelektrisch aktiven Schicht, mindestens einem auf der Substratoberfläche neben dem pyroelektrischem Detektorelement angeordneten weiteren pyroelektrischem Detektorelement in Dünnschichtbauweise mit einer der Substratoberfläche zugewandten weiteren unteren Elektrodenschicht, einer der Substratoberfläche abgewandten weiteren oberen Elektrodenschicht und einer zwischen den weiteren Elektrodenschichten angeordneten weiteren pyroelektrisch aktiven Schicht hergestellt, wobei die unteren Elektrodenschichten der Detektorelemente elektrisch von einander isoliert sind und die pyroelektrisch aktiven Schichten der Detektorelemente von einer zusammenhängenden Keramikschicht gebildet sind.The method according to the invention provides a device for detecting thermal radiation with a substrate having a substrate surface, a thin-film pyroelectric detector element arranged on the substrate surface with a lower electrode layer facing the substrate surface, an upper electrode layer facing away from the substrate surface and a pyroelectric active layer arranged between the electrode layers , at least one further pyroelectric detector element arranged on the substrate surface next to the pyroelectric detector element with a further lower electrode layer facing the substrate surface, a further upper electrode layer facing away from the substrate surface and a further pyroelectrically active layer arranged between the further electrode layers, the lower electrode layers Detector elements electrically from are insulated from each other and the pyroelectric active layers of the detector elements are formed by a continuous ceramic layer.

Bevorzugt wird das Verfahren zum Herstellen der Vorrichtung zur Detektion von Wärmestrahlung mit folgenden Verfahrensschritten angegeben:

a) Bereitstellen eines Substrats mit einer Substratoberfläche,
b) Anordnen der unteren Elektrodenschicht und Anordnen der weiteren unteren Elektrodenschicht auf der Substratoberfläche, so dass die unteren Elektrodenschichten elektrisch voneinander isoliert sind,
c) Anordnen der zusammenhängenden Keramikschicht auf den unteren Elektrodenschichten und
d) Anordnen der oberen Elektrodenschichten auf der Keramikschicht.

The method for producing the device for detecting thermal radiation is preferably specified with the following method steps:

a) providing a substrate having a substrate surface,
b) arranging the lower electrode layer and arranging the further lower electrode layer on the substrate surface so that the lower electrode layers are electrically insulated from each other,
c) arranging the continuous ceramic layer on the lower electrode layers and
d) arranging the upper electrode layers on the ceramic layer.

Vorzugsweise wird zum Anordnen der unteren Elektrodenschichten, der Keramikschicht und/oder der oberen Elektrodenschicht ein Gasphasenabscheide-Verfahren durchgeführt wird. Das Gasphasenabscheide-Verfahren ist insbesondere aus der Gruppe PVD (Physical Vapour Deposition) und/oder CVD (Chemical Vapour Deposition) ausgewählt. Als PVD-Verfahren kommt beispielsweise ein Bedampfungsverfahren oder Sputtern in Frage. Für die unteren Elektrodenschichten wird beispielsweise zunächst eine zusammenhängende Metallschicht abgeschieden. Zur Trennung der unteren Elektrodenschichten werden anschließend Gräben in die zusammenhängende Metallschicht eingebracht.Preferably, for disposing the lower electrode layers, the ceramic layer and / or the upper electrode layer, a vapor deposition method is performed. The gas phase deposition process is selected in particular from the group PVD (Physical Vapor Deposition) and / or CVD (Chemical Vapor Deposition). As a PVD method, for example, a sputtering or sputtering in question. For example, a coherent metal layer is first deposited for the lower electrode layers. In order to separate the lower electrode layers, trenches are subsequently introduced into the continuous metal layer.

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 pyroelektrische Detektorelement besteht aus einer pyroelektrischen Schicht mit einem pyroelektrisch sensitiven Material und beidseitig angebrachten Elektrodenschichten. Das pyroelektrisch sensitive Material ist beispielsweise eine Keramik wie Lithiumniobat (LiNbO₃). Vorzugsweise ist das pyroelektrisch sensitive Material Blei-Zirkonat-Titanat mit Perowskit-Struktur. Als Elektrodenmaterial der Elektrodenschichten kommt beispielsweise Platin oder eine Platinlegierung in Frage. Das Detektorelement und/oder das weitere Detektorelement verfügen beispielsweise über eine rechteckige Grundfläche mit einer Kantenlänge von 10 μm bis 200 μm. Niedrigere 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. Dabei kann eine Vielzahl von pyroelektrischen Detektorelementen auf der Substratoberfläche nebeneinander angeordnet sein.The heat radiation to be detected has a wavelength of more than 1 μm. Preferably, the wavelength is selected in the range of 5 to 15 μm. The pyroelectric detector element consists of a pyroelectric layer with a pyroelectric sensitive material and electrode layers attached on both sides. The pyroelectric sensitive material is, for example, a ceramic such as lithium niobate (LiNbO ₃ ). Preferably, the pyroelectric sensitive material is lead zirconate titanate having a perovskite structure. As electrode material of the electrode layers, for example, platinum or a platinum alloy in question. The detector element and / or the further detector element have, for example, a rectangular base area with an edge length of 10 μm to 200 μm. Lower edge lengths, for example 5 μm or even higher edge lengths of up to 400 μm are also conceivable. An element pitch is 20 μm to 400 μm. Greater distances are also conceivable. In this case, a multiplicity of pyroelectric detector elements can be arranged next to one another on the substrate surface.

Die grundlegende Idee der Erfindung besteht darin, von einer strukturierten unteren Elektrodenschicht auszugehen. Auf die strukturierte untere Elektrodenschicht wird die zusammenhängende Keramikschicht aufgebracht. Abschließend werden die oberen Elektrodenschichten aufgetragen. Aufgrund der der Strukturierung der unteren Elektrodenschicht werden separat ansteuerbare, pyroelektrische Detektorelemente erhalten. Die Keramikschicht wird nach dem ihrem Auftragen nicht strukturiert. Eine sich daraus ergebende (geringe) thermische Kopplung der resultierenden Detektorelemente über die Keramikschicht hinweg wird in Kauf genommen. Da die Keramikschicht im Nachgang nicht bearbeitet werden muss, beispielsweise durch Erzeugen von Gräben, vereinfacht sich das Herstellverfahren drastisch.The basic idea of the invention is to start from a structured lower electrode layer. The coherent ceramic layer is applied to the structured lower electrode layer. Finally, the upper electrode layers are applied. Due to the structuring of the lower electrode layer, separately controllable, pyroelectric detector elements are obtained. The ceramic layer is not patterned after its application. A resulting (low) thermal coupling of the resulting detector elements across the ceramic layer is accepted. Since the ceramic layer does not have to be subsequently processed, for example by creating trenches, the production process is simplified drastically.

Gemäß einer besonderen Ausgestaltung ist das Substrat ein Siliziumsubstrat, auf dem eine Membran aufgebracht ist, die die Substratoberfläche bildet, auf der 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 (SiO₂) oder Siliziumnitrid (Si₃N₄). Der besondere Vorteil an Schichten aus diesen Materialien liegt in der elektrischen und thermischen Isolationswirkung der Materialien. Diese Materialien fungieren als elektrischer und thermischer Isolator.According to a particular embodiment, the substrate is a silicon substrate, on which a membrane is applied, which forms the substrate surface on which the detector elements are arranged. The membrane consists of a membrane layer or of several membrane layers. In this case, a variety of inorganic or organic materials can be used. For example, the membrane layer is made of silicon dioxide (SiO ₂ ) or silicon nitride (Si ₃ N ₄ ). The particular advantage of layers of these materials lies in the electrical and thermal insulation effect of the materials. These materials act as electrical and thermal insulators.

Die oberen Elektrodenschichten sind wegen einer möglichst niedrigen Wärmekapazität vorzugweise dünn. In einer besonderen Ausgestaltung weisen daher die oberen Elektrodenschichten eine Schichtdicke aus dem Bereich von 2 nm bis 10 nm auf. Größere Schichtdicken sind ebenfalls denkbar.The upper electrode layers are preferably thin because of the lowest possible heat capacity. In a particular embodiment, therefore, the upper electrode layers have a layer thickness in the range of 2 nm to 10 nm. Larger layer thicknesses are also conceivable.

Die oberen Elektrodenschichten können elektrisch voneinander isoliert sein. Im Zusammenhang mit kleinen Schichtdicken ist ein Separieren der oberen Elektrodenschichten nicht sehr aufwändig.The upper electrode layers may be electrically isolated from each other. In connection with small layer thicknesses, separating the upper electrode layers is not very complicated.

Denkbar ist aber auch, dass die oberen Elektrodenschichten nicht elektrisch voneinander isoliert, also elektrisch miteinander verbunden sind. In einer besonderen Ausgestaltung sind daher die oberen Elektrodenschichten von einer zusammenhängenden Metallschicht gebildet. Insbesondere bei den oben angegebenen kleinen Schichtdicken findet kaum eine thermische Kopplung zwischen den Detektorelementen statt. Da die untere Elektrodenschicht und die weitere untere Elektrodenschicht elektrisch voneinander isoliert sind, werden trotz der zusammenhängenden Metallschicht für die oberen Elektrodenschichten unabhängig voneinander über die unteren Elektrodenschichten ansteuerbare Detektorelemente erhalten.It is also conceivable that the upper electrode layers are not electrically isolated from each other, so are electrically connected to each other. In a particular embodiment, therefore, the upper electrode layers are formed by a continuous metal layer. Especially with the small layer thicknesses given above, there is hardly any thermal coupling between the detector elements. Since the lower electrode layer and the further lower electrode layer are electrically insulated from one another, in spite of the contiguous metal layer for the upper electrode layers, independently controllable detector elements are obtained via the lower electrode layers.

Aufgrund der Trennung der unteren Elektrodenschichten findet nahezu keine thermische Kopplung zwischen den Elektrodenschichten statt. Daher können die unteren Elektrodenschichten hinsichtlich des Aufbringens der Keramikschicht optimiert werden und beispielsweise – im Vergleich zu den oberen Elektrodenschichten – relativ dick sein. In einer besonderen Ausgestaltung weisen daher die unteren Elektrodenschichten eine aus dem Bereich von 40 nm bis 100 nm ausgewählte Schichtdicke auf. Größere oder kleinere Schichtdicken sind auch denkbar. Die Schichtdicken der unteren Elektrodenschicht und der weiteren unteren Elektrodenschicht sind bevorzugt annähernd gleich. Sie können aber auch unterschiedlich sein.Due to the separation of the lower electrode layers almost no thermal Coupling between the electrode layers instead. Therefore, the lower electrode layers can be optimized for the application of the ceramic layer and, for example, be relatively thick compared to the upper electrode layers. In a particular embodiment, therefore, the lower electrode layers have a layer thickness selected from the range of 40 nm to 100 nm. Larger or smaller layer thicknesses are also conceivable. The layer thicknesses of the lower electrode layer and the further lower electrode layer are preferably approximately equal. But they can also be different.

In einer besonderen Ausgestaltung weist die untere Elektrodenschicht Platin auf, vorzugsweise Platin mit einer 111-Orientierung bezüglich der Substratoberfläche. Vorzugsweise weist die Keramikschicht PZT auf. Bei passenden Schichtdicken der unteren Elektrodenschichten aus Platin und bei einer passenden Temperierung des Substrats während des Aufbringens auf den Elektrodenschichten bildet sich dann die Keramikschicht bzw. die pyroelektrisch aktive Schicht mit dem pyroelektrisch sensitiven Material. Im Fall von Blei-Zirkonat-Titanat beträgt die Temperatur des Substrats während des Auftragens, beispielsweise durch Sputtern, 450°C bis 600°C.In a particular embodiment, the lower electrode layer comprises platinum, preferably platinum with a 111 orientation with respect to the substrate surface. The ceramic layer preferably has PZT. With suitable layer thicknesses of the lower electrode layers made of platinum and with an appropriate temperature control of the substrate during application on the electrode layers, the ceramic layer or the pyroelectrically active layer with the pyroelectric-sensitive material then forms. In the case of lead zirconate titanate, the temperature of the substrate during application, for example by sputtering, is 450 ° C to 600 ° C.

Generell und insbesondere im Fall des Abscheidens von Blei-Zirkonat-Titanat auf Platin wird während des Anordnens der Keramikschicht das Substrat und die unteren Elektrodenschichten gleichmäßig temperiert, so dass im Substrat und in den unteren Elektrodenschichten im Wesentlichen kein Temperaturgradient auftritt. Das Substrat und die Elektrodenschichten weisen während des Aufbringens im Wesentlichen eine gleiche Temperatur auf. Dabei können Unterschiede von bis zu 2% toleriert werden. Es hat sich gezeigt, dass sich gerade im Fall der Abscheidung des PZTs auf Platin geringe bis gar keine Temperaturunterschiede positiv auf die Bildung des ferroelektrischen und damit pyroelektrisch aktiven PZTs mit Perowskit-Struktur auswirken. Zumindest bildet sich auf den unteren Elektrodenschichten jeweils PZT mit Perowskit-Struktur aus. Zwischen den unteren Elektrodenschichten treten andere Phasen auf, beispielsweise eine nicht ferroelektrische Pyrochlor-Phase. Diese zusätzlichen Phasen bleiben aber weitgehend auf die Zwischenräume zwischen den unteren Elektrodenschichten beschränkt.In general, and in particular in the case of the deposition of lead zirconate titanate on platinum, the substrate and the lower electrode layers are uniformly tempered during the arrangement of the ceramic layer, so that substantially no temperature gradient occurs in the substrate and in the lower electrode layers. The substrate and electrode layers are substantially at the same temperature during application. Differences of up to 2% can be tolerated. It has been shown that, in particular in the case of deposition of the PZT on platinum, little or no temperature differences have a positive effect on the formation of the ferroelectric and thus pyroelectrically active PZT with perovskite structure. At least PZT with perovskite structure is formed on the lower electrode layers. Between the lower electrode layers occur other phases, such as a non-ferroelectric pyrochlore phase. However, these additional phases are largely limited to the spaces between the lower electrode layers.

Zum gleichmäßigen Temperieren wird erfindungsgemäß ein Substrat mit mindestens einer Absorberschicht zur Absorption von Temperier-Wärmestrahlung verwendet, die auf einer der Substratoberfläche abgewandten Seite des Substrats angeordnet und mit dem Substrat Wärme leitend verbunden ist, und zum Temperieren des Substrats die Absorberschicht mit Temperier-Wärmestrahlung bestrahlt wird. Die von der Absorberschicht aufgenommene Wärme wird mittels Wärmeleitung auf das Substrat und damit auf die unteren Elektrodenschichten übertragen. Das Substrat wird gleichmäßig erwärmt. Es tritt nahezu kein Temperaturunterschied auf.For uniform tempering, a substrate with at least one absorber layer for absorption of tempering thermal radiation is used according to the invention, which is arranged on a side facing away from the substrate surface of the substrate and conductively connected to the substrate heat, and irradiated for tempering the substrate, the absorber layer with tempering heat radiation becomes. The heat absorbed by the absorber layer is transferred by means of heat conduction to the substrate and thus to the lower electrode layers. The substrate is heated evenly. There is almost no difference in temperature.

Als Absorber-Material eignen sich Materialien, die die Temperier-Wärmestrahlung sehr gut absorbieren. Hierbei geht es um die Ausbildung einer möglichst homogenen Absorberschicht mit stabiler Absorption. Das Material wird hinsichtlich der Prozessbedingungen ausgewählt. Bei niedrigen Temperaturen und in Abwesenheit von Sauerstoff beim Abscheiden der Keramik könnte beispielsweise Aluminium als Absorber-Metall eingesetzt werden. Im Fall von einer reaktiven Abscheidung von PZT ist aber Sauerstoff zugegen. Darüber hinaus sind Temperaturen von über 400°C notwendig. Unter diesen Bedingungen eignet sich insbesondere Platin. Gemäß einer besonderen Ausgestaltung wird daher eine Absorberschicht mit Platin verwendet.As absorber material are suitable materials that absorb the tempering heat radiation very well. This involves the formation of a most homogeneous absorber layer with stable absorption. The material is selected with regard to the process conditions. For example, at low temperatures and in the absence of oxygen in the deposition of the ceramic, aluminum could be used as the absorber metal. In the case of reactive deposition of PZT, however, oxygen is present. In addition, temperatures of over 400 ° C are necessary. Platinum is particularly suitable under these conditions. According to a particular embodiment, therefore, an absorber layer is used with platinum.

Die Absorberschicht kann nach dem Aufbringen der Keramikschicht auf der Substratoberfläche am Substrat verbleiben. Die Absorberschicht wird aber bevorzugt nach dem Aufbringen der Keramikschicht entfernt. Damit ist ausgeschlossen, dass die zu detektierende Wärmestrahlung von der Rückseite des Substrats her über die Absorberschicht eingekoppelt wird.The absorber layer may remain on the substrate after application of the ceramic layer on the substrate surface. However, the absorber layer is preferably removed after the application of the ceramic layer. This precludes the fact that the heat radiation to be detected is coupled from the rear side of the substrate via the absorber layer.

Die durch das Verfahren hergestellte Vorrichtung wird bevorzugt als Bewegungsmelder, als Präsenzmelder und/oder als Wärmebildkamera verwendet. Für die Wärmebildkamera ist die Vorrichtung mit einer Vielzahl von Detektorelementen, beispielsweise 240 × 320 Detektorelemente (QVGA-Standard) und mehr ausgestattet.The device produced by the method is preferably used as a motion detector, as a presence detector and / or as a thermal imaging camera. For the thermal imaging camera, the device is equipped with a variety of detector elements, for example 240 × 320 detector elements (QVGA standard) and more.

Zusammenfassend sind folgende Vorteile der Erfindung hervorzuheben:

– Durch die Bildung der zusammenhängenden Keramikschicht ist das Herstellverfahren erheblich vereinfacht.
– Die Vorrichtung zur Detektion von Wärmestrahlung ist kompakt.
– Eine Übersprechwahrscheinlichkeit zwischen benachbarten Detektorelementen ist gering. Gleichzeitig bleibt aber die Sensitivität (Empfindlichkeit) der einzelnen Detektorelemente erhalten.

In summary, the following advantages of the invention should be emphasized:

- Due to the formation of the continuous ceramic layer, the manufacturing process is considerably simplified.
- The device for detecting heat radiation is compact.
- A crosstalk probability between adjacent detector elements is low. At the same time, however, the sensitivity (sensitivity) of the individual detector elements is maintained.

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.Based on an embodiment and the associated figures, the device for detecting thermal radiation is presented below. The figures are schematic and do not represent true to scale figures.

1 zeigt eine Vorrichtung zur Detektion von Wärmestrahlung in einem seitlichen Querschnitt. 1 shows a device for detecting thermal radiation in a lateral cross-section.

2 zeigt schematisch ein Verfahren zum Herstellen der Vorrichtung 2 schematically shows a method of manufacturing the device

3 zeigt ein pyroelektrisches Detektorelement in einem seitlichen Querschnitt. 3 shows a pyroelectric detector element in a lateral cross-section.

Die Vorrichtung 1 zur Detektion von Wärmestrahlung weist ein Substrat 10 mit einer Membran 101 auf, auf der ein thermisches Detektorelement 11 und mindestens ein weiteres thermisches Detektorelement 12 aufgebracht sind. Das Substrat ist ein Silizium-Substrat 100. Die thermischen Detektorelemente sind zu einem Detektorelement-Array 110 auf dem Oberflächenabschnitt 102 der Membran angeordnet.The device 1 for the detection of thermal radiation has a substrate 10 with a membrane 101 on, on which a thermal detector element 11 and at least one further thermal detector element 12 are applied. The substrate is a silicon substrate 100 , The thermal detector elements are a detector element array 110 on the surface section 102 arranged the membrane.

Die Detektorelemente 11 und 12 sind pyroelektrische Detektorelemente in Dünnschichtbauweise mit jeweils einer oberen Elektrodenschicht 112 und 122, jeweils einer unteren Elektrodenschicht 114 und 124 und jeweils einer zwischen den Elektrodenschichten angeordneten pyroelektrischen Schicht 113 und 123 (3). Die pyroelektrische Schicht ist jeweils eine ca. 1 μm dicke Schicht aus PZT als pyroelektrisch sensitives Material. Die Elektrodenschichten sind aus Platin.The detector elements 11 and 12 are pyroelectric detector elements in thin-film construction, each with an upper electrode layer 112 and 122 , in each case a lower electrode layer 114 and 124 and in each case a pyroelectric layer arranged between the electrode layers 113 and 123 ( 3 ). The pyroelectric layer is in each case an approximately 1 μm thick layer of PZT as a pyroelectric sensitive material. The electrode layers are made of platinum.

Die Membran 101 ist eine SiO₂/Si₃N₄/SiO₂-Dreifach-Schicht. Für die Detektorelemente ist im Silizium-Substrat des Detektorelement-Trägers eine nicht dargestellte Auslesschaltung integriert. Alternative Ausführungsformen der Membran sind SiO₂/Si₃N₄, Si₃N₄/SiO₂ und, Si₃N₄/SiO₂/Si₃N₄-Dreifachschicht Zum Herstellen der Vorrichtung wird ein Substrat mit einer Absorberschicht 104 aus Platin bereitgestellt. Während des Abscheidens wird das Substrat mit Hilfe eines Infrarotstrahlers 105 mit Wärmestrahlung 106 bestrahlt. Dadurch wird Wärme gleichmäßig in das Substrat eingekoppelt.The membrane 101 is a SiO ₂ / Si ₃ N ₄ / SiO ₂ triple layer. For the detector elements, a non-illustrated readout circuit is integrated in the silicon substrate of the detector element carrier. Alternative embodiments of the membrane are SiO ₂ / Si ₃ N ₄ , Si ₃ N ₄ / SiO ₂ and, Si ₃ N ₄ / SiO ₂ / Si ₃ N ₄ triple layer. For the production of the device, a substrate with an absorber layer is produced 104 made of platinum. During deposition, the substrate is made using an infrared radiator 105 with heat radiation 106 irradiated. This heat is coupled evenly into the substrate.

Claims

Method for producing a device ( 1 ) for the detection of thermal radiation, comprising the steps of: providing a substrate ( 10 ) with a substrate surface, a lower electrode layer ( 114 ) and another lower electrode layer ( 124 ), which are arranged on the substrate surface and are electrically insulated from one another, and for the absorption of tempering heat radiation (US Pat. 106 ) an absorber layer ( 104 ), which on the side facing away from the substrate surface of the substrate ( 10 ) and with the substrate ( 10 ) are thermally conductively connected; Irradiation of the absorber layer ( 104 ) with a tempering heat radiation ( 106 ) for uniform tempering of the substrate ( 10 ); Arranging a coherent ceramic layer on the lower electrode layers ( 114 . 124 ).

Process according to claim 1, wherein the absorber layer ( 104 ) Metal, in particular platinum.

Method according to claim 1 or 2, wherein for the lower electrode layers ( 114 . 124 ) a contiguous metal layer is deposited.

Method according to claim 3, wherein for arranging the lower electrode layers ( 114 . 124 ) a gas separation process, in particular selected from the group PVD and / or CVD, is performed.

Method according to claim 3 or 4, wherein for separating the lower electrode layers ( 114 . 124 ) Trenches are introduced into the contiguous metal layer.

Method according to one of claims 1 to 5, with the step: arranging an upper electrode layer ( 112 . 122 ) on the ceramic layer.

Method according to one of claims 1 to 6, wherein for the arrangement of the ceramic layer, a gas separation process, in particular selected from the group PVD and / or CVD, is performed.

Method according to claim 6 or 7, wherein for arranging the upper electrode layer ( 112 . 122 ) a gas separation process, in particular selected from the group PVD and / or CVD, is performed.

Method according to one of claims 1 to 8, with the step: removing the absorber layer ( 104 ) after arranging the ceramic layer.

Method according to one of claims 1 to 9, wherein the substrate ( 10 ) a silicon substrate ( 100 ), on which a membrane ( 101 ), which forms the substrate surface, on the detector elements ( 11 . 12 ) are arranged.

Method according to one of claims 1 to 10, wherein the lower electrode layers ( 114 . 124 ) have a layer thickness selected from the range of 40 nm to 100 nm.

Method according to one of claims 6 to 11, wherein the upper electrode layers ( 112 . 122 ) have a layer thickness in the range of 2 nm to 10 nm.

Method according to one of claims 6 to 11, wherein the upper electrode layers ( 114 . 124 ) are formed by a continuous metal layer.

Method according to one of claims 1 to 12, wherein the lower electrode layers ( 114 . 124 ) Have platinum and / or has the ceramic layer PZT.