DE102019132829B4

DE102019132829B4 - Strahlungsquelle zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung sowie Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE102019132829B4
Application number: DE102019132829.2A
Authority: DE
Inventors: Julia Baldauf; Thomas Ortlepp; Robert Täschner; Martin SCHÄDEL; Thomas Klein
Original assignee: Cis Forschungsinstitut fur Mikrosensorik GmbH
Current assignee: Micro-Hybrid Electronic De GmbH
Priority date: 2019-12-03
Filing date: 2019-12-03
Publication date: 2022-12-08
Anticipated expiration: 2039-12-04
Also published as: DE102019132829A1

Abstract

Strahlungsquelle zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung, insbesondere Infrarotstrahlung, umfassend:• einen Siliziumträger (01);• eine Trägerschicht (02), die auf dem Siliziumträger (01) angeordnet ist;• eine Deckschicht (04), die auf der vom Siliziumträger (01) abgewandten Seite der Trägerschicht (02) angeordnet ist;• eine zwischen der Trägerschicht (02) und der Deckschicht (04) eingebettete Widerstandsheizerschicht (03) aus einem CMOS-kompatiblen Material;• elektrische Zuleitungen (05), die als ein Zuleitungsschichtsystem aus mindestens zwei Schichten ausgeführt sind, wobei eine untere Schicht hochtemperaturfest ist und eine obere Schicht von der Widerstandsheizerschicht (03) durch die untere Schicht vollständig getrennt ist; dadurch gekennzeichnet, dass das CMOS-kompatible Material der Widerstandsheizerschicht (03) Molybdänsilizid ist, und dass die untere Schicht des Zuleitungsschichtsystems hochtemperaturfest bis mindestens 800°C ist sowie aus einem Material besteht, welches sich nicht mit Molybdänsilizid mischt, nicht mit diesem reagiert und nicht durch dieses hindurch elektromigriert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Strahlungsquelle zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung, insbesondere Infrarotstrahlung. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Strahlungsquelle.
Die DE 10 2015 222 072 B4 beschreibt eine Heizvorrichtung für einen MEMS-Sensor umfassend ein metallisches Zuleitungselement, ein metallisches Ableitungselement und mehrere zwischen dem Zuleitungselement und dem Ableitungselement ausgebildete metallische Heizelemente. Das Zuleitungselement besitzt über einen Heizbereich verlaufend eine abnehmende Breite und das Ableitungselement besitzt über den Heizbereich verlaufend eine zunehmende Breite. Zuleitungselement und Ableitungselement sind im Heizbereich jeweils so breit wie eine Gesamtbreite der in einer Stromflussrichtung angeordneten Heizelemente, wodurch im Zuleitungselement, im Ableitungselement und in den Heizelementen eine konstante elektrische Stromdichte ausbildbar ist.
In der DE 10 2017 205 990 A1 ist eine Infrarot-Lichtquelle beschrieben, die ein Substrat umfasst, welches wenigstens eine einkristalline Siliziumschicht und in einem Teilbereich eine Membran aufweist, wobei die Dicke der Membran weniger als 200 µm beträgt und wobei die Membran einen Teil der einkristallinen Siliziumschicht umfasst. Das Substrat besitzt wenigstens eine Diffusionssperrschicht zur Verminderung der Oxidation der einkristallinen Siliziumschicht. Die Diffusionssperrschicht bedeckt wenigstens die Membran. Die Infrarot-Lichtquelle umfasst weiterhin eine auf der Membran angeordnete Deck-Schicht, die eine Emissivität von wenigstens 0,85 aufweist.
Die WO 2002/080620 A1 betrifft eine Micro-Heizplatte, welche u.a. als Infrarotlichtquelle nutzbar ist. Die Micro-Heizplatte erzeugt Temperaturen oberhalb 600°C und umfasst einen Dünnfilm-Heizwiderstand, der aus einem metallischen Silizid erzeugt ist. Der Dünnfilm-Heizwiderstand ist zwischen Isolationsschichten eingekapselt, sodass eine Sandwich-Struktur gebildet ist, welche über einer Öffnung in einem Siliziumsubstrat in Form einer Membran angeordnet ist.
Der Artikel von M. Parameswaran, et al. „Micromachined thermal radiation emitter from a commercial CMOS process.“ IEEE Electron Device Letters 12.2, 1991, S. 57-59 beschreibt die Herstellung von thermisch isolierten mikromechanischen Strukturen, die in der Lage sind, Wärmestrahlung für die dynamische thermische Szenensimulation (DTSS) zu erzeugen.
Die DE 10 2014 114 873 A1 beschreibt eine Halbleitervorrichtung zum Emittieren von frequenzmäßig eingestelltem Infrarotlicht, welches eine laterale Emitterstruktur und eine laterale Filterstruktur umfasst. Die laterale Emitterstruktur ist ausgelegt, um Infrarotlicht mit einer Emitterfrequenzverteilung zu emittieren. Die laterale Filterstruktur ist ausgelegt, um frequenzmäßig eingestelltes Infrarotlicht bereitzustellen.
Die WO 2019/020937 A1 beschreibt eine Infrarotvorrichtung mit einem Widerstandselement, das in einem in einem Hauptelement ausgebildeten Hohlraum aufgehängt ist und Infrarotstrahlung übertragen kann, wenn es mit elektrischem Strom gespeist wird.
Das Hauptelement ist zumindest teilweise auf seiner Außenfläche und/oder auf seiner Innenfläche mit einer reflektierenden Beschichtung versehen.
Die US 2019/0301906 A1 zeigt einen heterostrukturbasierten Sensor, welcher ein Substrat, einen Bauteilbereich und mindestens ein Element auf Heterostrukturbasis umfasst. Das Substrat umfasst einen geätzten Bereich und einen Substratbereich, wobei der Bauteilbereich mindestens einen Membranbereich umfasst. Das mindestens eine Element befindet sich mindestens teilweise in oder auf dem Membranbereich und umfasst mindestens ein zweidimensionales Trägergas.
Die US 2016/0219650 A1 zeigt einen IR-Strahler und ein Verfahren zu seiner Herstellung, durch welche eine Elektrodenverschlechterung durch Hitze verhindert werden soll. Der IR-Strahler umfasst ein Substrat, eine Isolierschicht, eine Wärme erzeugende Schicht, eine Elektrode, einen Basisteil und einen elektrischen Leiter. Das Substrat hat einen Hohlraum, der einen Teil der Rückseite der Isolierschicht freilegt. Der elektrische Leiter befindet sich auf der Oberfläche des Basisteils. Das Ende der Wärme erzeugenden Schicht ist als Abdeckung für den elektrischen Leiter vorgesehen. Der Leiter hat einen höheren Schmelzpunkt als die Elektrode.
Die DE 10 2005 036 262 A1 beschreibt einen Infrarotsensor mit einem Substrat, einer Membran, die als dünnwandiger Abschnitt auf dem Substrat (110) gebildet ist, und einem Erfassungselement zur Erzeugung eines temperaturabhängigen Erfassungssignals wenn Infrarotstrahlung empfangen wird. Ein Teil des Erfassungselements ist auf der Membran gebildet. Eine IR-Absorptionsschicht ist auf der Membran gebildet, sodass sie wenigstens einen Teil des Erfassungselements überdeckt.
Die US 2018/0356290 A1 offenbart eine Infrarotvorrichtung mit einem Substrat und einer auf oder in dem Substrat angeordneten Konfiguration zum selektiven Emittieren oder selektiven Absorbieren von Infrarotstrahlung. Die Konfiguration umfasst ein aus einem elektrisch leitenden Material hergestelltes Muster auf einer ersten Ebene, einen elektrisch leitenden Film auf einer zweiten Ebene und eine dielektrische Schicht zwischen dem Muster und dem Film. Ein Heizelement zum Erwärmen der Konfiguration und ein thermischer Sensor zum Erfassen der Infrarotstrahlung sind auf oder in dem Substrat angeordnet.
Aus der EP 2 848 087 B1 ist eine Infrarot-Quelle bekannt, die ein Widerstandsheizelement umfasst, welches aus einem für CMOS-Technik verwendbaren Metall besteht und auf einer dielektrischen Membran gebildet ist. Das Heizelement ist in einem CMOS-Verfahren gefertigt, gefolgt von einem Rückätzen. Die IR-Quelle umfasst außerdem eine strukturierte Metallschicht oben auf dem Widerstandsheizelement, um die IR-Emission zu verbessern.
Die DE 10 2017 128 664 A1 offenbart eine Strahlungsquelle zur Erzeugung einer elektromagnetischen Strahlung, insbesondere einer IR-Strahlung. Die Strahlungsquelle umfasst ein Trägersubstrat, eine von diesem getragene Membranschicht und eine auf der Membranschicht aufgebrachte Emitterschicht mit elektrischen Kontaktbereichen. Das Trägersubstrat ist in einem Membranbereich auf der der Emitterschicht abgewandten Seite der Membranschicht entfernt. Die Emitterschicht wird beim Anlegen eines elektrischen Stroms erhitzt, um die elektromagnetische Strahlung zu emittieren. Die Membranschicht weist im Membranbereich eine Oberflächenstrukturierung auf, wobei die Emitterschicht dieser Strukturierung folgt und wobei die durchschnittliche Amplitude der Strukturierung gleich oder größer ist als die Dicke der Emitterschicht.
Die aus dem Stand der Technik vorbekannten Infrarot-Strahlungsquellen haben u.a. den Nachteil, dass sie nur bei Temperaturen unter 750°C zuverlässig betrieben werden können. Höhere Betriebstemperaturen sind bei bekannten Infrarotemittern technisch nicht umsetzbar und jedenfalls nicht über längere Zeit einstellbar, da andernfalls die elektrischen und optischen Emitterparameter nicht konstant gehalten werden können. Generell zeigen IR-Emitter nach dem Stand der Technik starke Alterungserscheinungen, welche sich in einer unerwünschten Änderung der elektrischen Parameter und/oder einer Wanderung des Hotspots (Ort der Aussendung der elektromagnetischen Strahlung) bei eingesetzten Widerstandsheizermembranen äußern.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher ausgehend vom Stand der Technik darin, eine verbesserte Strahlungsquelle zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung bereitzustellen, die es insbesondere gestattet, Infrarotstrahlung zu emittieren, bei Vermeidung der zuvor genannten Nachteile vorbekannter IR-Strahler. Weiterhin besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Strahlungsquelle anzugeben.
Die Aufgabe wird durch eine Strahlungsquelle gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren gemäß Anspruch 7 gelöst.
Die erfindungsgemäße Strahlungsquelle umfasst einen Siliziumträger, auf welchem mindestens eine Trägerschicht angebracht ist. Zwischen der Trägerschicht und mindestens einer Deckschicht ist eine Widerstandsheizerschicht eingebettet. Die Widerstandsheizerschicht besteht aus einem Material, welches CMOS-kompatibel und hochtemperaturstabil ist, bis zu Temperaturen von mindestens 800°C, besonders bevorzugt bis mindestens 1.000°C.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform besteht die Widerstandsheizerschicht aus einem elektromigrationsarmen Material, besonders bevorzugt aus Molybdänsilizid.
Weiterhin umfasst die Strahlungsquelle elektrische Zuleitungen, die bevorzugt als Durchkontaktierungen ausgeführt sind. Die Zuleitungen sind als ein Zuleitungsschichtsystem ausgeführt, aus mindestens zwei Schichten mit einer unteren Schicht und einer oberen Schicht. Die untere Schicht ist konfiguriert, um höheren Temperaturen von mindestens 800°C, besonders bevorzugt bis mindestens 1.000°C standhalten zu können. Bevorzugt besteht die untere Schicht aus Ti oder Cr. Jedenfalls ist ein Material oder eine Materialmischung gewählt, die sich nicht mit Molybdänsilizid mischt, mit diesem reagiert oder durch dieses hindurch elektromigriert. Die obere Schicht ist bevorzugt ausgewählt aus den Materialien NiV, AlSi, Al, AlSiCu, Pt oder Au. Die obere Schicht ist so platziert, dass sie durch die untere Schicht vollständig von der Widerstandsheizerschicht, also insbesondere vom Molybdänsilizid getrennt ist.
Die erfindungsgemäße Strahlungsquelle emittiert vorwiegend Strahlung im infraroten Spektralbereich.
Die untere Trägerschicht kann aus mehreren Teilschichten zusammengesetzt sein, bevorzugt aus einem Siliziumoxid-Siliziumnitrid Schichtstapel mit einer Gesamtstapeldicke von weniger als 2µm.
Die unmittelbar unter der Widerstandsheizerschicht ausgebildete Teilschicht der Trägerschicht ist vorzugsweise aus einem Siliziumnitrid bzw. Siliziumoxid gebildet, welches derartig ausgeführt ist, dass das Wachstum der darauf abgeschiedenen Widerstandsheizerschicht unter den gewählten Herstellungsbedingungen durchführbar ist.
Sowohl die Siliziumoxidschichten als auch die Siliziumnitridschichten der Trägerschicht müssen dabei so ausgeführt sein, dass sie dem nachfolgenden Temperaturregime bei der Abscheidung der Widerstandsheizerschicht und der anschließenden Temperung standhalten.
Die nachfolgende Abscheidung der Widerstandsheizerschicht, vorzugsweise aus Molybdänsilizid, wird bevorzugt durch Magnetronsputtern erzeugt, auf einen Substratwafer, welcher die Trägerschichten enthält. Dieses Magnetronsputtern findet bevorzugt mit einer Temperatur zwischen -5°C bis 400°C satt. Besonders bevorzugt wird folgendes Temperaturregime gewählt:

- -5°C und 5°C; bevorzugt -2°C bis 2°C
- 315°C bis 325°C; bevorzugt 318°C bis 322°C
- 395°C bis 405°C; bevorzugt 398°C bis 402°C.

Die dabei erzeugte Schichtdicke wird zwischen 50nm und 200 nm gewählt, bevorzugt zwischen 60 nm und 100 nm, besonders bevorzugt zwischen 60nm und 90nm.
Eine anschließende Temperung unter Stickstoffatmosphäre führt zur Ausbildung einer Mikrostruktur in der Molybdänsilizidschicht, die wesentlich zu einer starken Unterdrückung der Elektromigration im Infrarotemitter beiträgt.
Die Erfindung gestattet insbesondere den Aufbau eines hochtemperaturstabilen MEMS Infrarotemitter. Dazu wird vorzugsweise eine Widerstandsheizerschicht aus einem hochtemperaturstabilen Metallsilicid genutzt. Die Verwendung von Metallsilicid bietet gegenüber der Verwendung von Metallen, beispielsweise Platin, den Vorteil, dass die Schicht mit den herkömmlichen CMOS-Prozessen gefertigt werden kann. Damit erleichtert sich die Herstellung komplexer Baueinheiten unter Einschluss der IR-Strahlungsquelle.
Außerdem ist mit geeigneter Wahl eines Metallsilizids mit einem hohen Schmelzpunkt eine höhere Betriebstemperatur des Infrarotemitters erreichbar, sodass die Qualität der emittierten Strahlung verbessert wird und die Langzeitstabilität der Strahlungsquelle steigt.
Durch eine geeignete Prozessführung bei der Erzeugung der Widerstandsheizerschicht aus Metallsilizid können der Wert des zu erzeugenden elektrischen Widerstands angepasst und die Elektromigration in der Heizerschicht verringert werden. In Kombination mit einer geeigneten elektrischen Kontaktierung ist es daher möglich, eine Strahlungsquelle, insbesondere einen Infrarotemitter zu fertigen, der über einen sehr langen Zeitraum bei hohen Temperaturen ein gleichbleibendes elektrisches und optisches Verhalten zeigt. Dies bietet weiterhin den Vorteil, dass dieser Infrarotemitter einen länger andauernden, stabileren Betrieb von Systemen ermöglicht. Die höhere Stabilität der Eigenschaften des Infrarotemitters kann auch den Einsatz neuartiger Analysemethoden ermöglichen, die bisher auf Grund der elektrischen oder optischen Drift in der Strahlungsquelle nicht möglich waren.
Weitere Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:

1 eine vereinfachte Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Strahlungsquelle;
2 einen vereinfachten Ablaufplan wesentlicher Schritte bei der Herstellung der Strahlungsquelle nach 1.

1 zeigt in vereinfachter, nicht maßstabsgerechter Darstellung eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Strahlungsquelle. Die Strahlungsquelle umfasst einen Siliziumträger 01, auf welchem mindestens eine Trägerschicht 02 angebracht ist. Auf der Trägerschicht 02 ist eine Widerstandsheizerschicht 03 ausgebildet, die ihrerseits von einer Deckschicht 04 abgedeckt wird. Die Widerstandsheizerschicht 03 ist somit zwischen der Trägerschicht 02 und der Decksicht 04 eingebettet. Die Widerstandsheizerschicht besteht aus einem Material, welches CMOS-kompatibel und hochtemperaturstabil ist, vorzugsweise aus Molybdänsilizid.
Weiterhin umfasst die Strahlungsquelle elektrische Zuleitungen 05, die als Durchkontaktierungen durch die Deckschicht 04 ausgeführt sind. Die Zuleitungen sind als ein Zuleitungsschichtsystem aus mindestens zwei Schichten mit einer unteren Schicht und einer oberen Schicht gebildet. Die untere Schicht besteht hier aus Ti oder Cr. Die obere Schicht ist in die Ausführungsform aus NiV, AlSi, Al, AlSiCu, Pt oder Au gebildet. Die obere Schicht ist so platziert, dass sie durch die untere Schicht vollständig von der Widerstandsheizerschicht getrennt ist.
Die erfindungsgemäße Strahlungsquelle emittiert vorwiegend Strahlung im infraroten Spektralbereich. Oberhalb der für die zu emittierende IR-Strahlung transparenten Decksicht 04 kann ein emissionsanpassendes optisches Schichtsystem 06 angebracht sein.
2 zeigt in stark vereinfachter Weise einen Ablaufplan, der einige wichtige Schritte des Herstellungsprozesses für die Strahlungsquelle benennt. Der Prozess läuft in der Darstellung von oben nach unten. Im ersten Schritt wird der Siliziumträger in der Form eines Ausgangswafers bereitgestellt. Auf dem Ausgangswafer wird im nächsten Schritt die dielektrische Trägerschicht oder ein Trägerschichtsystem abgeschieden. Nachfolgend wird durch Abscheidung die Widerstandsheizerschicht aus CMOS-kompatiblen Material auf der Trägerschicht ausgebildet. Auf der Widerstandsheizerschicht wird sodann die dielektrische Deckschicht bzw. ein Deckschichtsystem abgeschieden, sodass die Widerstandsheizerschicht zwischen der Trägerschicht und der Decksicht eingebettet ist. Im folgenden Schritt werden Kontaktgebiete geöffnet und eine Metallisierung ausgeführt, um die elektrischen Zuleitungen zu bilden, über welche die Widerstandsheizerschicht mit elektrischer Energie versorgt werden kann. Im nächsten Schritt wird das Material des Siliziumträgers auf der Rückseite der Trägerschicht beispielsweise durch Ätzen entfernt. Und schließlich können im abschließenden Schritt eine Strukturierung der Emissionsschichten und eine Abscheidung des emissionsanpassenden optischen Schichtsystems erfolgen.

Claims

Strahlungsquelle zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung, insbesondere Infrarotstrahlung, umfassend: • einen Siliziumträger (01); • eine Trägerschicht (02), die auf dem Siliziumträger (01) angeordnet ist; • eine Deckschicht (04), die auf der vom Siliziumträger (01) abgewandten Seite der Trägerschicht (02) angeordnet ist; • eine zwischen der Trägerschicht (02) und der Deckschicht (04) eingebettete Widerstandsheizerschicht (03) aus einem CMOS-kompatiblen Material; • elektrische Zuleitungen (05), die als ein Zuleitungsschichtsystem aus mindestens zwei Schichten ausgeführt sind, wobei eine untere Schicht hochtemperaturfest ist und eine obere Schicht von der Widerstandsheizerschicht (03) durch die untere Schicht vollständig getrennt ist; dadurch gekennzeichnet, dass das CMOS-kompatible Material der Widerstandsheizerschicht (03) Molybdänsilizid ist, und dass die untere Schicht des Zuleitungsschichtsystems hochtemperaturfest bis mindestens 800°C ist sowie aus einem Material besteht, welches sich nicht mit Molybdänsilizid mischt, nicht mit diesem reagiert und nicht durch dieses hindurch elektromigriert.
Strahlungsquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Zuleitungen (05) als Durchkontaktierungen ausgeführt sind.
Strahlungsquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die untere Schicht des Zuleitungsschichtsystems hochtemperaturfest bis mindestens 1000°C ist.
Strahlungsquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die untere Schicht des Zuleitungsschichtsystems aus Ti oder Cr besteht.
Strahlungsquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die obere Schicht ausgewählt ist aus der Gruppe: NiV, AlSi, Al, AlSiCu, Pt oder Au.
Verfahren zur Herstellung einer Strahlungsquelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, folgende Schritte umfassend: • Bereitstellen eines Siliziumträgers (01); • Ausbilden einer Trägerschicht (02) auf dem Siliziumträger (01); • Ausbilden einer Widerstandsheizerschicht (03) aus einem CMOS-kompatiblen Material auf der Trägerschicht (02); • Ausbilden einer Deckschicht (04) auf der Widerstandsheizerschicht (03), sodass diese zwischen der Trägerschicht (02) und der Decksicht (04) eingebettet ist; • Ausbilden elektrischer Zuleitungen (05) in der Art eines Zuleitungsschichtsystems aus mindestens zwei Schichten, wobei eine untere Schicht hochtemperaturfest ausgebildet wird und eine obere Schicht von der Widerstandsheizerschicht (03) durch die untere Schicht vollständig getrennt ausgebildet wird; dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandsheizerschicht (03) aus Molybdänsilizid ausgebildet wird, und dass die untere Schicht des Zuleitungsschichtsystems aus einem Material ausgebildet wird, welches hochtemperaturfest bis mindestens 800°C ist und sich nicht mit Molybdänsilizid mischt, nicht mit diesem reagiert und nicht durch dieses hindurch elektromigriert.