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Die
vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung von pyroelektrischen
Sensoren durch Bildung einer pyroelektrischen Dünnschicht auf einer Seite desselben
Plättchens
bzw. Wafers, der insbesondere aus Silicium besteht. Jeder Sensor
ist aus mehreren Pixeln gebildet, die jeweils durch eine erste zugeordnete
Elektrode, die auf einer Seite der pyroelektrischen Schicht gebildet
ist, und eine zweite Elektrode, die auf der gegenüberliegenden
Seite dieser Schicht angeordnet ist, definiert sind.
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Ein
Verfahren zur Herstellung derartiger pyroelektrischer Sensoren ist
aus dem Dokument
JP
05 281034 A (Horiba Ltd.), 29. Oktober 1993, bekannt.
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Derartige
pyroelektrische Sensoren bieten sich für verschiedene Verwendungen
an, insbesondere für
die Gasspektrometrie und Wärmeabbildungen.
Sie sind verhältnismäßig kostengünstig. Für das gute
Funktionieren der pyroelektrischen Schicht ist es jedoch allgemein
notwendig, dass sie einer elektrischen Vorspannung/Polung bzw. Polarisation
unterzogen wird; das heißt
zwischen den beiden Elektroden wird ein elektrisches Feld angelegt,
wodurch bewirkt wird, dass die Dipole der pyroelektrischen Schicht
wenigstens zwischen der ersten und zweiten Elektrode der Pixel ausgerichtet
werden. Beispielsweise wird bei einer zwischen 110 bis 170°C liegenden
Temperatur der pyroelektrischen Schicht während ungefähr 10 Minuten zwischen der
ersten und der zweiten Elektrode der Pixel ein elektrisches Feld von
ungefähr
30 V angelegt. Mittels einer Technologie ähnlich der zur Herstellung
integrierter Schaltungen wird eine Vielzahl von Sensoren in einer
Charge hergestellt. Auf einer Siliciumplatte mit einem Durchmesser
von 10 cm können
mehrere Hundert Sensoren enthalten sein, die auf linearen Pixelnetzen
oder zweidimensionalen Netzen in Form von Pixelmatrizen geformt
sind.
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Ein
Verfahren zur Herstellung derartiger Sensoren muss das gleichzeitige
Polarisieren wenigstens von Pixel-Untergruppen ermöglichen,
da eine Polarisation Pixel für
Pixel aus naheliegenden Gründen
vermieden werden muss. Vorzugsweise wird die Polarisation aller
Pixel desselben Wafers auf gleichzeitige Weise vorgesehen, um die
für die
Herstellung der Sensoren erforderlichen Kosten und die Zeit zu verringern.
Zur Polarisation wenigstens einer Untergruppe von Pixeln ist vorgesehen,
einerseits ihre oberen Elektroden und andererseits ihre unteren Elektroden
untereinander elektrisch zu verbinden. Im Allgemeinen werden sowohl
die oberen als auch die unteren Elektroden untereinander permanent
elektrisch verbunden, so dass sie bei Betrieb des Sensors auf ein
gemeinsames Potenzial gebracht werden. Dagegen müssen die anderen Elektroden
untereinander elektrisch so isoliert sein, dass sie elektrische
Grundsignale liefern.
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Im
Allgemeinen sieht der Fachmann vor, die unteren Elektroden durch
eine metallische Schicht zu bilden, die eine gemeinsame Elektrode
für alle
Pixel definiert. Dies ermöglicht
eine Einsparung bei den Herstellungsschritten. Somit stellt der
Siliciumwafer eine durchgehende metallische Schicht dar, auf der die
pyroelektrische Dünnschicht
abgeschieden wird. Auf dieser Schicht werden die oberen Elektroden
abgeschieden, die die Pixel geometrisch definieren.
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In
dem oben genannten Beispiel müssen
die oberen Elektroden des Sensors, wie vorstehend erwähnt, vor
seinem Gebrauch untereinander isoliert sein. Zur gleichzeitigen
Polarisation wenigstens einer Pixel-Untergruppe ist jedoch vorgesehen,
zwischen den oberen Elektroden temporäre elektrische Verbindungen
zu bilden. Anders ausgedrückt
ist die elektrische Verbindung vorgesehen, um die elektrische Polarisation
auch derjenigen Elektroden zu bewirken, die für die Bereitstellung elektrischer
Grundsignale der Pixel vorgesehen sind. Vorzugsweise wird die Gruppe
dieser Elektroden somit wenigstens durch Untergruppen verbunden,
die mit wenigstens einem elektrischen Kontaktbereich verbunden sind,
der zum Bewirken der Polarisation vorgesehen ist.
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Ein
solches Verfahren stellt jedoch dadurch einen beträchtlichen
Nachteil dar, dass jeder unbeabsichtigte Kurzschluss zwischen den
Elektroden eines Pixels einen Spannungsabfall für alle Pixel der betroffenen
Untergruppe nach sich zieht. Die elektrische Polarisation wird somit
unmöglich
und ein gesamter Wafer kann verloren gehen. In Anbetracht der Anzahl der
auf demselben Wafer hergestellten Sensoren führt ein derartiges Ereignis
zu erheblichen Verlusten, was die Herstellungskosten derartiger
Sensoren in der industriellen Produktion signifikant erhöht.
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Das
Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, für den oben genannten Nachteil
Abhilfe zu schaffen und bei der Herstellung gleichzeitig eine simultane
elektrische Polarisation wenigstens für Untergruppen von Pixeln auf
einem Sensorenwafer zu ermöglichen.
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Dieses
Ziel wird durch die in Anspruch 1 definierte Aufgabe der Erfindung
erzielt, welcher ein Verfahren zum Herstellen mehrerer pyroelektrischer Sensoren
betrifft, in dem ein Schritt vorgesehen ist, in dem elektrische
Verbindungen zwischen mindestens einer Untergruppe erster Elektroden,
die jeweils eine zugeordnete Elektrode eines Pixels bilden, geformt werden,
und in dem ebenfalls vorgesehen ist, elektrische Widerstände in der
Weise anzuordnen, dass jede Elektrode der Untergruppe mit einem
dieser Widerstände
in Reihe geschaltet ist.
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Infolge
der oben genannten Anordnung der elektrischen Widerstände führt ein
Kurzschluss auf Höhe
eines Pixels nicht mehr zu einem kritischen Spannungsabfall der
während
eines nach dem oben genannten Schritt erfolgenden Polarisationsschritts angelegten
Polarisationsspannung. Somit ist es auch bei Vorhandensein eines
oder mehrerer Kurzschlüsse
auf Höhe
bestimmter Pixel möglich,
die Sensoren desselben Wafers korrekt vorzuspannen. Die kurzgeschlossenen
Pixel sind im Betrieb der hergestellten Sensoren natürlich nicht
betriebsfähig,
aber dieses Problem bleibt bei dem einen Pixel lokalisiert, das
einen versehentlichen Kurzschluss durchläuft.
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Zur
weiteren Verringerung der Gefahr von Kurzschlüssen und von Verschlechterungen
der Sensoren ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
vorgesehen, auch diejenigen Elektroden zu strukturieren, die dazu
bestimmt sind, untereinander mit einem Bezugspotenzial verbunden
zu werden. Die Pixel sind somit durch die den Pixeln zugeordneten
unteren und oberen Elektroden definiert. Dies ermöglicht die
Verringerung von durch die Elektroden gebildeten parasitären Kapazitäten. Diese
zweiten Elektroden sind wenigstens zum Teil über zweite elektrische Verbindungen
miteinander verbunden, das heißt,
sie sind wenigstens über
Untergruppen, die vorzugsweise den oben genannten Untergruppen entsprechen, elektrisch
verbunden.
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Gemäß einer
Variante zum Herstellen von Sensoren weisen die ersten und zweiten
elektrischen Verbindungen, die jeweils die oberen und die unteren Elektroden
verbinden, in der Projektion auf die allgemeine Ebene des Wafers
Kreuzungspunkte auf. Um zu verhindern, dass ein Kurzschluss zwischen
den ersten und zweiten elektrischen Verbindungen auf der Höhe der Kreuzungspunkte
zu einer Verschlechterung eines Teils oder der Gesamtheit der Sensoren infolge
des Spannungsabfalls der Polarisation führt, sind die ersten und zweiten
Verbindungen auf eine Weise angeordnet, dass diese Kreuzungspunkte
zwischen den Widerständen
und den Elektroden liegen, mit denen sie verbunden sind.
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Gemäß einer
besonders vorteilhaften Ausführungsform,
die sich gut für
lineare Pixelnetze oder Matrizen mit zwei Pixelreihen eignet, ist
vorgesehen, dass die zwischen den den Schutzwiderständen zugeordneten
Elektroden angeordneten Verbindungen beim Aussägen der Sensoren automatisch
unterbrochen werden.
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Weitere
Formen und Varianten zur Ausführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
sowie besondere Vorteile der Erfindung werden nachfolgend mit Hilfe
der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung
erläutert,
welche nicht einschränkende
Beispiele gibt und in der:
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1 eine
schematische Teilansicht von unten auf einen Wafer mit pyroelektrischen
Sensoren in der Herstellung nach einer ersten Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Verfahrens
zeigt,
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2 ein
Schnitt entlang der Linie II-II aus 1 ist,
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3 eine
schematische Teilansicht von unten auf einen Wafer mit pyroelektrischen
Sensoren in der Herstellung nach einer zweiten Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Verfahrens
zeigt,
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4 und 5 jeweils
Schnitte entlang den Linien IV-IV und V-V aus 3 sind.
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Im
Folgenden wird eine erste Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens
unter Bezugnahme auf die 1 und 2 beschrieben.
In 1 wird ein auf einem linearen Pixelnetz 4 gebildeter
Sensor 2 teilweise dargestellt. Jedes Pixel wird durch
die Geometrie einer oberen ihm zugeordneten Elektrode 6 definiert.
Jedes dieser Pixel wird durch eine pyroelektrische Dünnschicht 8 gebildet,
an deren Oberseite die Elektrode 6 gebildet ist, und an
deren Unterseite eine untere, auf einer Membran 12 geformte
Elektrode 10 vorgesehen ist. Unter der Membran 12,
die insbesondere aus SiO2 und/oder Si3N4 gebildet ist,
ist ein Hohlraum 14 zur Wärmeisolierung jedes Pixels
vorgesehen.
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Die
Sensoren sind auf einer oberen Seite 16 einer Siliciumplatte 18 gebildet.
Auf diesem Wafer können
Tausende pyroelektrischer Sensoren hergestellt werden. Bei der Herstellung
derartiger Sensoren kann eine untere Elektrode vorgesehen sein,
die der Gesamtheit der Pixel gemein ist oder sie ist der Gesamtheit
der Pixel gemein und bildet eine durch den Wafer gehende metallische
Schicht. Außerdem kann
die pyroelektrische Schicht 8 den Pixeln eines Sensors
gemein sein, auch der Gesamtheit der Pixel eines Sensors. Im Gegensatz
dazu wird die Schicht 8 im Allgemeinen wenigstens teilweise
strukturiert, um die Pixel untereinander thermisch zu isolieren.
In dem in 1 gezeigten Fall wird die Schicht 8 insbesondere
in den zwischen den Elektroden 6 gelegenen Bereichen entfernt.
Schließlich
wird eine Absorptionsschicht 20, beispielsweise aus schwarzem
Platin, auf den oberen Elektroden abgeschieden (in 1 nicht
gezeigt).
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Zum
elektrischen Polarisieren der Schicht 8 zwischen den Elektroden 6 und 10 jedes
Pixels sind die unteren Elektroden 10 untereinander mit
elektrischen Verbindungen 24 verbunden, die mindestens an
einen elektrischen Kontaktbereich 26 angrenzen. Ebenso
sind die oberen Elektroden untereinander mittels temporärer elektrischer
Verbindungen verbunden, welche aus Hauptbahnen 28 und jede
Elektrode 6 mit einer Hauptbahn verbindenden Nebenbahnen 30 geformt
sind. Diese elektrischen Verbindungen sind somit nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
geformt, um das gleichzeitige Polarisieren wenigstens einer Untergruppe
von Pixeln zu ermöglichen.
Dazu sind die Hauptbahnen 28 mit wenigstens einem elektrischen
Kontaktbereich 32 verbunden. Es sei darauf hingewiesen,
dass für
einen Wafer allgemein mehrere Kontaktbereiche 26 und/oder 32 vorgesehen
sind, die jeder eine Untergruppe unterer und/oder oberer Elektroden
eines in Herstellung befindlichen Sensors verbinden.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen,
für jedes Pixel 4 einen
Widerstand 36 zu bilden, der in Reihe mit der oberen oder
unteren Elektrode dieses Pixels verbunden ist. In dem hier beschriebenen
Beispiel sind die Widerstände 36 in
Reihe mit den Elektroden 6 verbunden und entlang der Nebenbahnen 30 angeordnet.
Die elektrischen Verbindungen der Elektroden 6 an dem Bereich 32 sind
erstens dafür
vorgesehen, um die Umsetzung eines elektrischen Polarisationsschrittes
der pyroelektrischen Schicht 8 durch Anlegen einer Spannung
zwischen den oberen und den unteren Elektroden über die Kontaktbereiche 26 und 32 zu
gestatten. Zweitens sind sie zur Abscheidung der Absorptionsschicht 20 mittels
eines elektrochemischen Verfahrens vorgesehen. Der Widerstand 36 weist
beispielhaft einen Wert in der Größenordnung von 10 kΩ auf.
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Wie
bereits in dem Einleitungsteil der vorliegenden Erfindung erwähnt, dient
der Widerstand 36 in erster Linie dazu, den Sensorenwafer
beim elektrischen Polarisationsschritt während der Herstellung zu schützen. Effektiv
begrenzt der Widerstand 36 im Fall eines in ein Pixel zwischen
den Elektroden 4 und 6 eintretenden Kurzschlusses
den Leckstrom erheblich und verhindert einen Spannungsabfall der
Polarisationsspannung, welcher andernfalls den Verlust mindestens
eines Teils des Wafers und somit von Tausenden Sensoren mit sich
bringt. Der Fachmann weiß den
Bereich geeigneter Werte für
den Widerstand 36 auszuwählen. Zweitens dienen diese
Widerstände 36 zum
Definieren einer Impedanz, die für jede
obere Elektrode 6 im Wesentlichen gleich ist, was zur gleichmäßigen Abscheidung
der Absorptionsschicht 20 auf der Gesamtheit der oberen
Elektroden vorteilhaft ist.
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Für jedes
Pixel ist ein einzelner zwischen der oberen Elektrode und dem Widerstand
angeordneter Kontaktbereich 38 vorgesehen.
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Zur
Verringerung der Gefahr von Kurzschlüssen zwischen den bezüglich der
Schicht 8 unteren und oberen Metallisierungen wurde im
Fall der vorliegenden Erfindung vorgesehen, auch die untere Elektrode 10 zu
strukturieren und diese Elektroden über Verbindungsbahnen 24 zu
verbinden. Zum Schützen der
mehreren Sensoren im Fall eines Kurzschlusses zwischen den unteren
und oberen elektrischen Verbindungen ist vorzugsweise vorgesehen,
dass die Kreuzungspunkte dieser Verbindungen in der Projektion in
der allgemeinen Ebene 42 des Wafers zwischen den Elektroden 6 und
den jeweiligen Widerständen 38 liegen.
Wenn ein Kurzschluss zwischen den Verbindungen 24 und 30 vorliegt,
schützen
die Widerstände 36 somit
den Rest der Pixel und insbesondere die von dieser lokalisierten
Verschlechterung nicht betroffenen Sensoren.
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Die
Hauptbahnen 28 sind zinnenartig geformt und es ist vorgesehen,
dass dieser Wafer bei der Trennung eines Sensors von dem Wafer entlang den
unterbrochenen Linien 44 zersägt wird. Beim Zersägen werden
die elektrischen Verbindung zwischen den oberen Elektroden somit
automatisch so zerteilt, dass die Elektroden dann voneinander elektrisch
isoliert sind. Die Bereiche 38 dienen zum Empfangen von
Grundsignalen von Pixeln und es sei darauf hingewiesen, dass der
Widertand 36 an der anderen Seite der Elektrode 6 bezüglich des
Bereichs 38 so angeordnet ist, dass er bei Betrieb des
Sensors inaktiv ist.
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Es
sei darauf hingewiesen, dass die Widerstände 36 hier in Form
von einer oder mehreren im Wesentlichen horizontalen Dünnschichten
geformt und an Oberseite 16 des Wafers angeordnet sind. Diese
Widerstände
können
in einer oder mehreren Schichten gemäß bekannten Techniken angeordnet werden.
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Wenn
die Matrixsensoren in zwei Pixelreihen geformt sind, können verschiedene
Elemente auf ähnliche
Weise wie in 1 angeordnet werden, wobei jede
Pixelreihe ihre Widerstände
auf der der Reihe gegenüberliegenden
Seite angeordnet hat, so dass die Widerstände in 1 abwechselnd
auf der einen und der anderen Seite der Pixel angeordnet sind. In
dem Fall, dass die Pixelmatrix mehr als zwei Reihen aufweist, kann
vorgesehen sein, dass die temporären
elektrischen Verbindungen teilweise zwischen den Pixeln angeordnet
sind, um insbesondere nicht periphere Elektroden zu erzielen. Um
Platz zu gewinnen und eine hohe Pixeldichte pro Oberflächeneinheit
zu erhalten, können
diese elektrischen Verbindungen bei großen Pixelmatrizen in einer Mehrschichtstruktur
angeordnet werden oder verschiedene Metallisationsniveaus sind voneinander gemäß Metallisationstechniken
isoliert, welche auf dem Gebiet der Halbleitertechnik bekannt sind.
Eine derartige Ausführung
ermöglicht
die Sicherstellung einer Mikroverarbeitung nur der Seite der Oberfläche 16 des
Wafers 18. Im Gegensatz dazu werden die Herstellungsschritte
erhöht
und die Wärmeisolierung der
Pixel kann in diesem Fall verringert werden, wenn nicht vorgesehen
ist, zwischen den Pixeln die elektrischen Verbindungen und ihre
Isolationsschichten zu erhöhen.
Eine vorteilhafte Lösung
für die
elektrischen Verbindungen, die für
die Polarisation verhältnismäßig ausgedehnter
zweidimensionaler Sensoren notwendig sind, wird im Folgenden gegeben.
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Unter
Bezugnahme auf die 3 und 4 wird im
Folgenden eine zweite Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
beschrieben. In 3 ist eine Anordnung der Pixel
in Matrixform teilweise dargestellt. Nur vier Pixel 54 sind
dargestellt, ein Sensor kann jedoch aus einer Matrix gebildet sein,
die mehrere Reihen und Spalten von Pixeln aufweist. Das beschriebene
Verfahren kann ohne Weiteres auf Sensoren angewendet werden, die
aus einer großen
Anzahl von Pixeln bestehen. Die bereits zuvor beschriebenen Bezugszeichen
werden hier nicht nochmals beschrieben.
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Die
Pixel 54 sind aus unteren Elektroden 6 und oberen
Elektroden 10 gebildet, die auf jeder Seite einer strukturierten
pyroelektrischen Schicht 8 angeordnet sind. Um die Schicht 12 bei
der Mikroverarbeitung der Elektrode 10 und ihres Verbindungszweigs 58 durch
Trockenätzung
zu schützen,
ist eine Tamponschicht oder Stoppschicht 60 unter der Schicht 12 vorgesehen.
Die Schicht 60 ist verhältnismäßig tief
und bildet auch eine Grenze, die Diffusionen zwischen der pyroelektrischen
Schicht und der Membran 12 verhindert. Außerdem wirkt
sie als eine Haftschicht für
die untere Elektrode. Sie kann insbesondere aus ZrO2,
TiO2 oder weiteren ähnlichen Oxiden bestehen, die
gegen Oxidation und Reaktionen mit der pyroelektrischen Schicht
widerstandsfähig sind.
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Die
elektrischen Verbindungen zwischen den oberen Elektroden erfolgen über Durchgangslöcher 64,
die die Verbindungsarme 56, welche auf der Schicht 8 angeordnet
sind, mit den auf der Unterseite 66 des Wafers 18 angeordneten
Bahnen 68 verbinden. Die Verbindungen zwischen den oberen
Elektroden erfolgen somit von unterhalb des in Frage stehenden Wafers
oder Sensors. Ebenso sind die unteren Elektroden 10 untereinander
mittels Durchgangslöchern 70 elektrisch
verbunden, welche die Zweige 58 mit den Leitungsbahnen 72,
die auf der Rückseite 66 des
Wafers angeordnet sind, vertikal verbinden. Die Bahnen 68 und 72 sind
rechteckig und durchqueren den Wafer 18, um die Reihen
oberer und unterer Elektroden zu verbinden. Wenigstens an einem
Ende weisen sie einen elektrischen Kontaktbereich auf. Die oben
beschriebene Anordnung gestattet die Umsetzung einer gleichzeitigen
Polarisation der Gesamtheit der auf dem Wafer 18 angeordneten
Pixel.
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Gemäß der Erfindung
ist vorgesehen, dass die Durchgangslöcher 64 oder 70 Schutzwiderstände der
Wafer bei der Herstellung während
der elektrischen Polarisation bilden. In dem hier gegebenen Beispiel
bilden die Durchgangslöcher 70 die
elektrischen Schutzwiderstände.
Nach dem Polarisationsschritt ist vorzugsweise vorgesehen, die elektrischen Verbindungen
zwischen den unteren Elektroden zu entfernen, indem die Bahnen 72 durch
Naß- oder Trockenätzung, durch
mechanisch-chemisches Polieren (CMP) oder durch Lasersektionieren
aufgehoben werden. Dagegen kann es vorteilhaft sein, die Bahnen 68 so
zu erhalten, dass die oberen Elektroden eines Sensors auf dasselbe
elektrische Potenzial gebracht werden. Zur Gewinnung elektrischer Grundsignale
der Pixel sind zwischen der Elektrode 10 und dem Widerstand 70 angeordnete
Kontaktbereiche 78 vorgesehen. Es ist jedoch auch möglich, diese
Bereiche 78 auf der Rückseite 66 des
Wafers, beispielsweise an den Enden der an dieser Rückseite mündenden
Durchgangslöcher 70,
vorzusehen. Die Verwendung der Durchgangslöcher ermöglicht die Lösung des
mit den notwendigen elektrischen Verbindungen verbundenen Problems
und ermöglicht die
vorteilhafte Anordnung der Schutzwiderstände auf der Höhe der Durchgangslöcher.
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Vom
Fachmann können
auch weitere Varianten ersonnen werden, ohne den Rahmen der vorliegenden
Erfindung zu verlassen, der durch den Anspruch 1 definiert wird.
Insbesondere können
elektrische Verbindungen für
die unteren Elektroden durch die Rückseite des Wafers vorgesehen
sein, es können
aber auch elektrische Verbindungen für die oberen Elektroden an
der Vorderseite 16 vorgesehen sein, das heißt auf der
Schicht 60 und insbesondere auf der pyroelektrischen Schicht,
wie in der ersten Ausführungsform
der Erfindung. In einer solchen gemischten Ausführung können die Widerstände auf der
Höhe der
Durchgangslöcher
oder auf der Höhe der
Metallisation der oberen Elektroden angeordnet sein.
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Es
sei auch darauf hingewiesen, dass vorgesehen sein kann, die elektrischen
Widerstände
auf der Rückseite 66 des
Wafers anzuordnen.