DE60126138T2

DE60126138T2 - Dreidimensionaler elektromagnetischer strahlungsdetektor und dessen verfahren zur herstellung

Info

Publication number: DE60126138T2
Application number: DE60126138T
Authority: DE
Inventors: Jean-Louis Ouvrier-Buffet; Sylvette Bisotto; Stephane Caplet
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2000-11-07
Filing date: 2001-11-06
Publication date: 2007-11-15
Anticipated expiration: 2021-11-07
Also published as: US20040092041A1; WO2002039481A2; FR2816447A1; ATE352103T1; US6861719B2; EP1344258A2; FR2816447B1; EP1344258B1; DE60126138D1; WO2002039481A3

Description

Erfindungsgebiet
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Detektion von elektromagnetischen Strahlung wie etwa Infrarotstrahlung, bei der die Detektoren und die Leseschaltung in einen Hohlraum eingeschlossen sind, in dem Vakuum herrscht und der durch ein für elektromagnetische Strahlung durchlässiges Fenster verschlossen ist, das elektrische Verbindungen nach außen ermöglicht.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung dieser Vorrichtung.
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Wärmedetektoren und insbesondere der ungekühlten Infrarotdetektoren. Sie kann zum Beispiel in monolithischen IR-Bilderzeugern angewendet werden, die bei Umgebungstemperatur arbeiten und eine Matrix aus empfindlichen Elementen umfassen, die mit einer Multiplexschaltung aus Silicium des Typs CMOS oder CCD verbunden sind.
Stand der Technik
Die ungekühlten Wärmedetektoren umfassen generell ein empfindliches Element, das durch eine Infrarotstrahlung in dem 8- bis 12 μm-Band erwärmt werden kann, wobei dieses empfindliche Element charakteristisch ist für die Temperatur und das Emissionsvermögen der beobachteten Körper. Die Erhöhung der Temperatur des empfindlichen Elements erzeugt eine Veränderung einer elektrischen Eigenschaft des empfindlichen Materials; diese Eigenschaft kann zum Beispiel das Auftreten von elektrischen Ladungen durch pyroelektrischen Effekt sein oder die Änderung der Kapazität durch Veränderung der dielektrischen Konstante oder auch Veränderung des Widerstands, wenn das Material halbleitend oder metallisch ist.
Damit solche Detektoren optimal arbeiten, sind drei Hauptbedingungen notwendig. Das empfindliche Material muss eine kleine kalorifische Masse, eine gute Wärmeisolation seiner aktiven Schicht gegenüber ihrem Träger und einen hohe Empfindlichkeit des Konversionseffekts von Wärme in ein elektrisches Signal haben, wobei die beiden ersten Bedingungen eine Realisierung des empfindlichen Materials in Form von Dünnschichten erfordert.
Bei zahlreichen Anwendungen, wie etwa den Anwendungen bei der IR-Bilderzeugung, müssen die Wärmedetektoren durch Vakuum oder ein nicht-wärmeleitendes Gas konditioniert werden, um ihre Leistung zu verbessern. In diesem Fall werden die Wärmedetektoren eingekapselt in ein Gehäuse mit einem Fenster, das durchlässig ist für das Band III, das heißt das 8- bis 12 μm-Band. Die klassische Einkapselungsoperation ist schwierig bezüglich Ausbeute und relativ teuer. Um die Kosten dieser Integration zu senken, wurden kollektive Einkapselungsverfahren vorgeschlagen.
Eines dieser kollektiven Einkapselungsverfahren ist in dem Patent WO-95/17014 beschrieben. Es handelt sich um ein Verfahren zur kollektiven Einkapselung unter Vakuum (oder unter einem nichtwärmeleitenden Gas) durch Kopplung eines Detektorenwafers mit einem Wafer aus IR-durchlässigen Fenstern. Die Verbindung zwischen den beiden Wafern erfolgt durch eine Schweißnaht, die einerseits die Dichtheit des Ganzen gewährleistet und andererseits die Durchführung der elektrischen Verbindungen zwischen der Innenseite und der Außenseite der Vorrichtung ermöglicht. Diese Schweißnaht bestimmt auch – in Abhängigkeit von ihrer Dicke – den Abstand zwischen den beiden Baukomponenten des Gehäuses. Der Abstand kann auch durch ein Abstandselement, erzeugt durch Schichten, die auf dem Vorrichtungswafer oder dem Fensterwafer abgeschieden werden, oder direkt aus dem Fenstermaterial realisiert werden. Bei Bauelementen mit großen Dimensionen kann im Zentrum ein Pfeiler vorgesehen werden, um die Verformungen der großdimensionierten Bauelemente zu begrenzen.
Das in diesem Dokument beschriebene Verfahren schlägt vor, auf der Detektorenwaferseite und der Fensterwaferseite eine Metallschicht vorzusehen, um die Benetzungsfähigkeit und die Haftfähigkeit der Schweißung zu gewährleisten.
Außerdem wird die Aufrechterhaltung des Vakuums im Innern des Mikrogehäuses dadurch gewährleistet, dass man Materialien verwendet, die keinen exzessiven Entgasungsgrad aufweisen. Jedoch ist es auch mit einem relativ niedrigen Entgasungsgrad quasi obligatorisch, ein Gettermaterial zu benutzen, um die durch die verschiedenen Oberflächen ausgeschiedenen Gase zu absorbieren, denn die Erhöhung des Drucks verschlechtert die Wärmeisolation der Mikrobrücken. Dieses Gettermaterial kann Barium, Vanadium, Eisen, Zirkon oder Legierungen dieser Stoffe sein. Jedoch müssen solche Stoffe, ehe sie aktiv sind, während einer kurzen Periode erwärmt werden, entweder durch Joule-Effekt oder durch einen Laserstrahl, ohne dass sich dabei die Vorrichtung oder das Fenster übermäßig erwärmen. Um dieses Problem zu lösen, wird das Gettermaterial auf dafür vorgesehenen Mikrobrücken abgeschieden, und dies mit dem Zweck, die Erwärmung auf nur das Gettermaterial zu begrenzen.
In der 1A ist dieses Verfahren zur kollektiven Herstellung von IR-Detektionsvorrichtungen schematisch dargestellt.
Diese 1A zeigt einen Detektionswafer 2, einen IR-durchlässigen Fensterwafer 3 und Mikrobolometer, das heißt ungekühlte Infrarotdetektoren 4a, 4b, 4c. Diese 1A zeigt auch, dass der Detektionswafer 2 und der Fensterwafer 3 in regelmäßigen Intervallen durch Abstandshalter 5a, 5b, 5c, 5d, usw. getrennt sind, die die Trennung der verschiedenen Detektionsvorrichtungen gewährleisten.
Das in der 1A dargestellte Ganze wird anschließend zwischen zwei Abstandshaltern durchtrennt, um verschiedene IR-Detektionsvorrichtungen zu bilden. Außerdem wird in der Patentanmeldung GB-A-2 310 952 eine IR-Detektionsvorrichtung mit Fenstern aus Silicium beschrieben. Die Realisierung des IR-durchlässigen Fensters aus Silicium hat den Vorteil, kostengünstig und – in Bezug auf den Wärmedehnungskoeffizienten – kompatibel zu sein mit der ebenfalls auf einem Siliciumsubstrat hergestellten Detektionsschaltung. Zudem ermöglicht das Silicium einen guten Kompromiss zwischen den mechanischen Eigenschaften und den optischen Eigenschaften der Vorrichtung.
Für den Zusammenbau des Fensters mit der Detektionsschaltung empfiehlt diese Dokument entweder eine eutektische Verschmelzung oder eine Verschmelzung bzw. Versiegelung durch gesintertes Glas mit niedrigem Schmelzpunkt oder eine Schweißung durch Thermokompression. Im Falle der eutektischen Verschmelzung wird empfohlen, für die Verschmelzung Zinn/Blei-Legierungen und für die Haftmetallisierungen eine W/Ni/Au-Dreierschicht zu benutzen.
In der 1B ist schematisch die oben beschriebene IR-Detektionsvorrichtung dargestellt, nach der Durchtrennung außerhalb der Abstandshalter 5c und 5d.
Diese IR-Detektionsvorrichtung umfasst eine Detektionsschaltung mit Detektoren 4a und 4b und Leseschaltungen sowie ein IR-durchlässigen Fenster 3. Das Fenster 3 wird durch zwei Abstandshalter 5c und 5d über der Detektionsschaltung 2 gehalten. Diese ganze Vorrichtung ist auf einem Träger 6 befestigt, mit dem sie durch Verbindungsdrähte 7 verbunden ist.
Eine solche Vorrichtung erfordert auf der Detektionsschaltung 2 Verschmelzungs- bzw. Versiegelungsnähte 5', die die Durchführung der elektrischen Verbindung bzw. Verbindungen zwischen der Detektionsschaltung 2 und den Verarbeitungsvorrichtungen außerhalb der Vorrichtung ermöglichen, nach der elektrischen Isolierung dieser Verbindungen. Es ist extrem schwierig, die Realisierung solcher Nähte in das Herstellungsverfahren zu integrieren, denn dazu benötigt man Gold, was mit dem Risiko einer Kontamination der CMOS-Schaltung der Detektionsschaltung 2 verbunden ist.
Zudem wird die Detektionsschaltung durch diese Verschmelzungs- bzw. Versiegelungsnaht, die das teuerste bzw. aufwendigste Element der fertigen Schaltung bildet, größer. Die Topologie auf Ebene der Verschmelzungsverbindung muss beträchtlich reduziert werden, das heißt dass sie planarisiert werden muss durch mechanisch-chemische Politur, um eine hermetische Versiegelung zu gewährleisten.
Zudem, wie oben erwähnt, muss man bei dieser Vorrichtung Getter benutzen, um das Vakuum im Innern der Vorrichtung, zwischen der Detektionsschaltung 2 und dem Fenster 3, aufrecht zu erhalten. Da diese Getter neben den Infrarotdetektoren angeordnet werden müssen, vergrößern sie noch die Fläche der Detektionsschaltung 2 auf Kosten der Anzahl Detektionsschaltungen pro Wafer.
Aus der Kurzfassung (Patent Abstracts of Japan, Band 1998, Nr. 2, 30. Januar 1998) der Patentanmeldung JP-A-09 264 784 kennt man eine Vorrichtung zur Detektion von elektromagnetischer Strahlung entsprechend des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Das Dokument WO-A-99/67818 offenbart eine Vorrichtung mit einem Träger und einer Haube, die mit dem Träger verschmolzen bzw. versiegelt wird, um mit dem Träger einen Hohlraum mit kontrollierter Atmosphäre um ein Bauelement herum zu bilden. Um das Bauteil herum wird eine Abdichtungsnaht gebildet. Die Vorrichtung umfasst auch Elemente aus elektrisch leitfähigem Material. Sie können dank eines die Haube durchquerenden Verbindungsloches eine elektrische Verbindung zwischen dem Bauelement und der Außenseite der Haube gewährleisten.
Aus der Kurzfassung (Patent Abstracts of Japan, Band 1999, Nr. 10, 31. August 1998) der Patentanmeldung JP-A-09 264 784 kennt man einen Infrarotsensor, der einen Träger mit einem Hohlraum umfasst, der durch einen Deckel dicht verschlossen ist. Der Träger umfasst auf dem Boden des Hohlraums höckerförmige Elektroden, die mit Elektroden des empfindlichen Elements des Sensors verbunden sind und das empfindliche Element tragen.
Darstellung der Erfindung
Die Erfindung hat genau die Aufgabe, die Nachteile der Vorrichtung und des Verfahrens der oben beschriebenen Realisierung zu beseitigen. Zu diesem Zweck schlägt sie eine Vorrichtung zur Detektion von Infrarotstrahlung vor, die in drei Dimensionen realisiert wird, um den die Verschmelzung bzw. Versiegelung betreffenden Teil auf wesentlich weniger teure Elemente als die Detektionsschaltungen zu übertragen und um den Getter unter der Detektionsschaltung anzuordnen.
Noch genauer betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Detektion von elektromagnetischer Strahlung, die wenigstens einen ungekühlten Wärmedetektor und eine Leseschaltung enthält,
wobei die Vorrichtung umfasst:

– ein Substrat mit einem Hohlraum unter Vakuum, in dem der Wärmedetektor und die Leseschaltung angeordnet sind;
– ein für die Strahlungen transparentes Fenster, das sich über dem Hohlraum befindet und diesen verschließt;
– Verschlusseinrichtungen, um das Fenster auf dem Hohlraum hermetisch abzudichten; und
– elektrische Verbindungseinrichtungen, die eine dichte Verbindung zwischen der Detektionsschaltung und außerhalb des Hohlraums befindlichen Verarbeitungselementen gewährleisten;

9

Vorteilhafterweise umfasst die Vorrichtung einen in dem Hohlraum unter der Leseschaltung angeordneten Getter.
Nach einer Realisierungsart der Erfindung sind die Verbindungseinrichtungen metallisierte Öffnungen.
Nach einer anderen Realisierungsart der Erfindung sind die Verbindungseinrichtungen im Wesentlichen H-förmige, das Fenster durchquerende Metallstücke.
Nach einer Variante der Erfindung werden die Verschlusseinrichtungen durch eine anodische Verschmelzung gebildet.
Nach einer anderen Variante der Erfindung werden die Verschlusseinrichtungen durch eine eutektische Versiegelung gebildet.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Realisierung dieser Vorrichtung. Noch genauer handelt es sich um ein Verfahren zur Einkapselung von ungekühlten Wärmedetektoren, die wenigstens einer Leseschaltung zugeordnet und dazu bestimmt sind, elektromagnetische Strahlen zu detektieren, darin bestehend:

a) einen Hohlraum in einem Substrat zu realisieren (E1); und dadurch gekennzeichnet, dass es außerdem darin besteht:
b) Öffnungen in einem für die zu detektierende Strahlung transparenten Fenster zu realisieren und auf dichte Weise in den Öffnungen des Fensters elektrische Verbindungseinrichtungen zu realisieren, wobei die elektrischen Verbindungseinrichtungen also das Fenster durchqueren;
c) die Detektionsschaltung durch Verbindungseinrichtungen mit dem transparenten Fenster zu verbinden; und
d) die Detektionsschaltung in dem Hohlraum zu platzieren und das transparente Fenster und das Substrat durch Verschmelzung bzw. Versiegelung hermetisch zu verschließen.

Vorteilhafterweise umfasst das erfindungsgemäße Verfahren einen Schritt c', der darin besteht, einen Getter in dem Hohlraum zu platzieren, vor der Platzierung der Detektionsschaltung.
Vorteilhafterweise scheidet man auf beiden Seiten des transparenten Fensters eine Antireflexschicht ab.
Nach einer Realisierungsart der Erfindung sind die Detektoren n Leseschaltungen zugeordnet, mit n ≥ 2. In diesem Fall besteht die Erfindung darin:

– in einer Substratscheibe n-mal den Schritt a) zu realisieren;
– in einer transparenten Fensterscheibe n-mal den Schritt b) zu realisieren;
– in der genannten Fensterscheibe n-mal den Schritt c) zu realisieren;
– für jeden Hohlraum den Schritt d) zu realisieren; und
– das durch die Fensterscheibe und die Substratscheibe gebildete Ganze so zu zerschneiden, dass man n Detektionsvorrichtungen gemäß derjenigen des Anspruchs 1 erhält.

Kurzbeschreibung der Figuren
Die schon beschriebene 1A stellt schematisch den Hauptschritt des kollektiven Herstellungsverfahrens der Vorrichtung nach dem Stand der Technik dar;
die schon beschriebene 1B stellt die durch das Verfahren der 1A realisierte Vorrichtung dar;
die 2 stellt die IR-Detektionsvorrichtung nach der Erfindung dar; und
die 3 stellt schematisch die verschiedenen Schritte zur Realisierung der Vorrichtung der 2 dar.
Detaillierte Beschreibung von Realisierungsarten der Erfindung
Die 2 zeigt die schematische Darstellung der IR-Detektionsvorrichtung nach der Erfindung. Die Bezugszeichen der 2 entsprechen denen der 1A und 1B für gleiche bzw. ähnliche Elemente.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung präsentiert sich in Form eines dreidimensionalen Stapels von Elementen. Eines dieser Elemente ist eine Detektionsschaltung 2, die eine Leseschaltung und drei ungekühlte Infrarotdetektoren 4a, 4b und 4c umfasst, die auch "Mikrobrücken" genannt werden und die mit der Leseschaltung verbunden sind. Die Anzahl der Detektoren kann groß sein (zum Beispiel 256 × 256).
Wenn die Detektionsvorrichtung zur IR-Bilderzeugung benutzt wird, stellt jede Mikrobrücke ein Pixel des detektierten Bildes dar.
Die Detektionsschaltung 2 befindet sich im Innern eines einen Hohlraum 10 umfassenden Substrats 8.
Ein anderes 3D-Stapelelement ist ein für IR-durchlässiges Fenster 3, so über dem Hohlraum 10 angeordnet, dass es den Hohlraum 10 verschließt. Dieses IR-durchlässige Fenster 3 ruht auf den Wänden 8a und 8b des Hohlraums 10. Es ist auf diesen Wänden durch eine in der 2 mit 12 bezeichnete Versiegelung des zum Beispiel anodischen Typs befestigt. Dieses Fenster 3 kann auf den Wänden des Hohlraums 10 auch durch eine in der 2 mit 13 bezeichnete Verschmelzung des eutektischen Typs befestigt werden. Selbstverständlich realisiert man die Befestigung des Fensters auf dem Substrat 8 (das heißt auf den Wänden 8a und 8b des Hohlraums 10) durch denselben Verschmelzungs- bzw. Versiegelungstyp, also eine anodische oder eine eutektische Versiegelung bzw. Verschmelzung.
Das IR-durchlässige Fenster 3 hat mehrere Öffnungen für Verbindungseinrichtungen zwischen der Außenseite der Vorrichtung und der Innenseite des Hohlraums.
Bei der Realisierungsart der 2 umfasst das IR-durchlässige Fenster zwei mit 3a und 3b bezeichnete Öffnungen, die als Durchgang für die Verbindungseinrichtungen 9 durch das Fenster 3 dienen. Die Öffnungen können durch ein Siebdruckverfahren oder auch durch das LPCVD-Verfahren metallisiert werden. Vorzugsweise ist die Dicke der metallisierten Schichten zwischen 0,5 μm und 5 μm enthalten.
Die Verbindungseinrichtungen 9 gewährleisten den Halt der Detektionsschaltung 2 im Innern des Hohlraums 10.
Sie gewährleisten folglich die Positionierung der IR-Detektoren 4a, 4b und 4c in Bezug auf das Fenster. Außerdem gewährleisten diese Verbindungseinrichtungen 9 den dichten Durchgang eine dichten elektrischen Verbindung zwischen der in dem Hohlraum 10 enthaltenen Detektionsschaltung 2 und außerhalb der Vorrichtung befindlichen Verarbeitungseinrichtungen 20. Diese externen elektronischen Verarbeitungseinrichtungen 20 können zum Beispiel eine elektronische Karte 20a umfassen, die über Lötstützpunkte 20b mit einem oder mehreren Verbindungseinrichtungen 9 der Detektionsvorrichtung verbunden ist.
Die elektrischen Verbindungseinrichtungen 9 können unterschiedlichen Typs sein. Jedoch müssen diese Verbindungseinrichtungen ausreichend steif sein, um die mechanische Befestigung der Detektionsschaltung 2 und somit eine stabile Positionierung dieser Schaltung im Innern des Hohlraums 10 zu ermöglichen, und ausreichend dicht sein, um das Vakuum im Innern des Hohlraums 10 aufrechtzuerhalten. Anzumerken ist, dass in der Beschreibung und den Ansprüchen zwar immer von "Vakuum" die Rede ist, dass es sich aber selbstverständlich auch um ein Gas handeln kann, das ein schlechter Wärmeleiter ist.
Diese Verbindungseinrichtungen 9 können zum Beispiel Metallstücke 9a mit der Form eines liegenden H sein, die das Fenster von einer Seite zur anderen durchqueren (in der Folge H-förmige Metallstücke genannt). Aber es können auch Techniken angewendet werden, die ganz oder teilweise gefüllte metallisierte Löcher benutzen.
Diese Verbindungseinrichtungen umfassen auch auf der Detektionsschaltung 2 befestigte Verbindungsmetallstücke 9c (Flachmetallstücke genannt). Hybridisierungsstücke 9b sichern die mechanische Verbindung und die elektrische Verbindung zwischen den H-förmigen Metallstücken 9a und den Flachmetallstücken 9c. Diese Metallstücke 9a, 9b und 9c werden aus metallischen Materialien wie Ti, TiN, Pt, Al, Au, W, Ni, Ln, Sn, MnPb, SnPb, usw. hergestellt. Sie werden auf der Vorrichtung durch Sputtern, CVD oder ein Verdampfungsverfahren abgeschieden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat den Vorteil, einen Hohlraum zu umfassen, der ausreichend tief ist, um einen Getter im Innern der Vorrichtung anzubringen, unter der Detektionsschaltung 2. In der 2 ist ein Getter 11 dargestellt, angeordnet auf bzw. in einem eventuell wärmeisolierenden Getterträger 11', der sich auf Vorsprüngen bzw. Stufen 14 der Wände 8a und 8b des Hohlraums abstützt. Der so unter der Leseschaltung 2 angeordnete Getter ermöglicht einen beträchtlichen Platzgewinn in Bezug auf die klassischen Vorrichtungen, bei denen der Getter sich auf der Seite der Leseschaltung befindet. Der Getter kann also großzügig dimensioniert werden und folglich als Mikropumpe dienen, so dass er teilweise eine sich außerhalb der leerzupumpenden Einheit befindliche Sekundärpumpvorrichtung ersetzen kann.
Außerdem vermeidet man mit dieser Anordnung des Getters die Risiken einer Veränderung der Detektoren 4a, 4b, 4c bei der Verschmelzung bzw. Versiegelung, da der Getter keinen direkten Kontakt mit der Detektionsschaltung hat.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann die Verschmelzung bzw. Versiegelung zur Befestigung des Fensters 3 auf dem Substrat 8 eine anodische sein; diese setzt die Verwendung von Glas des Typs PYREX^® (Borosilikat), stark natrium- oder kaliumdotiert, voraus. Die einzukapselnde Einheit wird dann unter Vakuum auf eine typisch zwischen 100 und 500°C enthaltene Temperatur gebracht und dabei einem starken elektrischen Feld der Größenordnung 7 × 10⁶ V/m in dem Glas ausgesetzt. Unter der konjugierten Wirkung des elektrischen Feldes und der Temperatur wandern die Ionen zur Anode und Katode, wo sie eingefangen werden. Die angesammelten Ionen erzeugen ein starkes internes elektrisches Feld, das bewirkt, dass die beiden präsenten Materialien aneinander haften. Jedoch sind die CMOS-Schaltungen (im vorliegenden Fall die Leseschaltung) bekanntlich empfindlich gegenüber der Diffusion von solchen metallischen Ionen und gegenüber starken elektrischen Feldern. Aber in der Erfindung ist die Detektionsschaltung 2 in dem Hohlraum mit Hilfe der Verbindungseinrichtungen 9 "aufgehängt"; folglich findet die anodische Verschmelzung bzw. Versiegelung zwischen dem Fenster 3 und den Wänden 8a und 8b des Hohlraums 10 statt, ohne dass die Gefahr einer Berührung der Detektionsschaltung 2 besteht. Außerdem ist die Detektionsschaltung auch nicht dem zur Verschmelzung bzw. Versiegelung nötigen elektrischen Feld ausgesetzt, so dass sie durch dieses nicht beschädigt werden kann.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es auch möglich, das Fenster 3 durch eine eutektische Verschmelzung festzuschmelzen. Diese Art der Verschmelzung besteht darin, zwischen zwei Siliciumoberflächen eine Metallschicht, zum Beispiel aus Gold, einzufügen, also eine Goldschicht 13 zwischen dem Fenster und den Wänden des Hohlraums, und das Ganze dann zu erwärmen. Die Schmelztemperatur der sich durch Diffusion bildenden Mischung ist niedriger als die des Metalls oder des Siliciums. Das Gold reagiert also mit dem Silicium bei 363°C, um das Eutektikum AuSi zu bilden.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Detektionsschaltung nie in direktem Kontakt mit dem zur Verschmelzung benutzten Metall, zum Beispiel Gold. Es besteht daher kein Risiko der Kontamination der Detektionsschaltung durch das Gold.
Außerdem gibt es bei dieser Vorrichtung kein von einer Metallisierung stammendes Relief, das heißt, die Verschmelzungsnaht nach außen durchquerende metallische Kontakte. Die eutektische Verschmelzung kann daher problemlos zwischen dem Fenster und den Wänden des Hohlraums realisiert werden.
Die Verschmelzung des Fensters mit den Wänden des Hohlraums kann auch durch Gläser mit niedrigem Schmelzpunkt oder Klebstoffen oder auch Lötwerkstoff erfolgen.
Um die erfindungsgemäße Vorrichtung zu realisieren, ist es nicht notwendig, den Getter zu aktivieren, also zu erwärmen. Die Erwärmung kann realisiert werden, indem man einen elektrischen Strom fließen lässt, oder auch durch Erwärmung der Substrat/Fenster- Einheit, vorteilhafterweise mittels Laser. Diese Laser-Aktivierung erfolgt durch das Substrat hindurch, das um die Betriebswellenlänge des Lasers herum transparent sein muss. Die Benutzung eines Abtastlasers (laser balayé) ermöglicht, die maximale Fläche des Getters 11 zu aktivieren und dabei zu vermeiden, die Wärmedetektoren zu sehr zu erwärmen. Diesbezüglich kann die Rückseite der Detektionsschaltung mit einer Schicht überzogen werden, die das durch den Getter während seiner Aktivierung emittierte Infrarotlicht reflektiert. Der Träger 11' des Getters wird dann aus einem Wärme isolierenden Material realisiert. Dieses Laseraktivierungsverfahren ermöglicht, eine Temperatur über 500°C zu erreichen und so eine Aktivierungsperiode von nur einigen Minuten zu realisieren.
Die Aktivierung kann auch durch Hochfrequenz erfolgen. In diese, Fall kann das den Getter 11 und seinen Träger 11' bildende Material metallisch sein. Man führt dann eine Induktionserwärmung durch die Rückseite des den Hohlraum bildenden Substrats durch. Dabei bewirkt eine elektromagnetische Welle das Fließen der induzierten Ströme, die ihrerseits Joule-Effekt-Verluste, verursacht durch Wirbelstrom, erzeugen. Um die Detektionsschaltung während der Aktivierungsphase nicht zu beschädigen, muss die Dicke des Getters und/oder seines Trägers so angepasst werden, dass sie eine wirksame Abschirmung bilden. Wie bei der Aktivierung durch Laser kann die Rückseite der Detektionsschaltung eine vorzugsweise elektrisch nicht leitfähige Reflexionsschicht umfassen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung, wie oben beschrieben, kann mit Hilfe eines sogenannten "Einkapselungsverfahrens für ungekühlte Wärmedetektoren" ("procédé d'encapsulation des détecteurs thermiques non refroidis") realisiert werden. Wie in der 3 dargestellt, besteht dieses Verfahren darin, zunächst in einem Substrat 8 einen Hohlraum 10 zu realisieren (Schritt E1), wobei dieses Substrat zum Beispiel aus Silicium oder aus Glas ist. Anschließend (Schritt E2) werden in einem IR-durchlässigen Fenster Öffnungen 3a, 3b realisiert, wobei das Fenster zum Beispiel aus Silicium oder Germanium oder auch aus ZnS sein kann. Seine Dicke hängt von seiner Art und von dem Format der Detektoren ab. Sie ist vorzugsweise zwischen 100 μm und 2 mm enthalten.
Anschließend werden in den Öffnungen des Fensters abdichtende Verbindungseinrichtungen 9 realisiert (Schritt E3).
Dann wird die Detektionsschaltung 2 mit Hilfe der Verbindungseinrichtungen 9 an dem transparenten Fenster 3 festgemacht (Schritt E4). Die derart an dem Fenster 3 befestigte Detektionsschaltung 2 wird dann in den Hohlraum 10 eingefügt (Schritt E5). Das transparente Fenster 3 wird hermetisch mit den Wänden 8a und 8b des Substrats verschmolzen bzw. versiegelt.
Bei der bevorzugten Realisierungsart der Erfindung besteht das Verfahren darin, einen Getter 11 in dem Hohlraum zu platzieren, zum Beispiel abgestützt auf Stufen 14 des Hohlraums, die vor der Platzierung der Leseschaltung realisiert wurden. Der Getter kann auch direkt in dem Substrat realisiert werden, gleichzeitig mit der Herstellung des Hohlraums.
Ein zusätzlicher Schritt ermöglicht, auf jeder der beiden Seiten des transparenten Fensters eine Antireflexschicht abzuscheiden.
Der erfindungsgemäße Detektor kann auch simultan mit anderen Detektoren in einem kollektiven Herstellungsverfahren realisiert werden. In diesem Fall müssen im Voraus realisiert werden:

– ein IR-Fensterwafer aus Si, Ge oder ZnS, mit Verbindungen nach außen; und
– ein Substratwafer mit Hohlräumen und Gettern.

Der Fensterwafer und der Substratwafer werden im Voraus mit den klassischen Mikroelektroniktechniken getrennt hergestellt. Die Hohlräume des Fensterwafers und die Öffnungen in dem Fensterwafer werden durch chemische Ätzverfahren oder durch Plasmaätzen realisiert.
Wenn der Fensterwafer und der Substratwafer hergestellt worden sind, hybridisiert man den Detektionswafer auf den Fensterwafer, der eventuell vorher einer Antireflexbehandlung unterzogen worden ist. Anschließend werden die Baukomponenten des Detektionswafers auf dem Wafer voneinander getrennt durch klassische IC-Schneideinrichtungen. Das kollektive Herstellungsverfahren besteht dann darin, die Getter im Innern der Hohlräume zu platzieren und dann den Fensterwafer, an dem der Detektionswafer befestigt ist, hermetisch mit dem Substratwafer zu verschmelzen bzw. zu versiegeln. Diese Verschmelzung bzw. Versiegelung kann gemäß einer der oben beschriebenen Techniken erfolgen.
Anschließend erfolgt in einem einzigen Durchgang das Schneiden bzw. Vereinzeln. Die Aktivierung des Getters kann vor oder nach dem Schneiden bzw. Vereinzeln so erfolgen, dass am Ende der Aktivierungsphase der Restdruck in dem Hohlraum weniger als 10 mTon (= 10^–2 mbar) beträgt.
Nach einer Variante – um die Anzahl der Detektionsschaltungen pro Substratwafer zu erhöhen – ist es möglich, den Detektionsschaltungswafer zu schneiden und die so erhaltenen Detektionsschaltungen kollektiv mit dem Fensterwafer zu verbinden und anschließend nur das Ganze auf dem Substratwafer anzubringen und dann zu verschmelzen bzw. zu versiegeln.

Claims

Vorrichtung zur Detektion von elektromagnetischer Strahlung, die wenigstens eine Detektionsschaltung mit einem ungekühlten Wärmedetektor (4) und eine zugeordnete Leseschaltung (2) umfasst, wobei die Vorrichtung umfasst: – ein Substrat (8) mit einem Hohlraum (10) unter Vakuum, in dem der Wärmedetektor und die Leseschaltung angeordnet sind; – ein für Strahlungen transparentes Fenster (3), das sich über dem Hohlraum befindet und diesen verschließt; – Verschlusseinrichtungen (12, 13), um das Fenster auf dem Hohlraum hermetisch abzudichten; und – elektrische Verbindungseinrichtungen (9), die eine dichte Verbindung zwischen der Detektionsschaltung und außerhalb des Hohlraums befindlichen Verarbeitungselementen gewährleisten; dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Verbindungseinrichtungen (9) das Fenster durchqueren.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Getter (11) umfasst, angeordnet in dem Hohlraum, unter der Leseschaltung.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungseinrichtungen metallisierte Öffnungen (3a) sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungseinrichtungen im Wesentlichen H-förmige, das Fenster durchquerende Metallstücke (9a) sind.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschlusseinrichtungen durch eine anodischen Verschmelzung (12) gebildet werden.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschlusseinrichtungen durch eine eutektische Verschmelzung (13) gebildet werden.
Verfahren zur Einkapselung von ungekühlten Wärmedetektoren, die wenigstens einer Leseschaltung (2) zugeordnet und dazu bestimmt sind, elektromagnetische Strahlungen zu detektieren, darin bestehend: a) einen Hohlraum (10) in einem Substrat (8) zu realisieren (E1), und dadurch gekennzeichnet, dass es außerdem dann besteht: b) Öffnungen (3a, 3b) in einem für die zu detektierende Strahlung transparenten Fenster zu realisieren (E2), und auf dichte Weise in den Öffnungen des Fensters elektrische Verbindungseinrichtungen (9) zu realisieren (E3), wobei also die elektrischen Verbindungseinrichtungen (9) das Fenster durchqueren, c) die Detektionsschaltung (4) durch Verbindungseinrichtungen (9) mit dem transparenten Fenster (13) zu verbinden (E4), d) die Detektionsschaltung (4) in dem Hohlraum (10) zu platzieren und das transparente Fenster und das Substrat durch Verschmelzung hermetisch zu verschließen (E5).
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Schritt c') umfasst, der darin besteht, einen Getter in dem Hohlraum zu platzieren, vor der Platzierung der Detektionsschaltung.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass es darin besteht, auf beiden Seiten des transparenten Fensters eine Antireflexschicht abzuscheiden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, bei dem die Detektoren n Leseschaltungen zugeordnet sind, mit n ≥ 2, dadurch gekennzeichnet, dass es darin besteht: – in einer Substratscheibe n-mal den Schritt a) zu realisieren; – in einer transparenten Fensterscheibe n-mal den Schritt b) zu realisieren; – in der genannten Fensterscheibe n-mal den Schritt c) zu realisieren; – für jeden Hohlraum den Schritt d) zu realisieren; und – das durch die Fensterscheibe und die Substratscheibe gebildete Ganze so zu zerschneiden, dass man n Detektionsvorrichtungen gemäß derjenigen des Anspruchs 1 erhält.