Beispielhafte Darstellung. Der Thermopile-Sensor in der Mitte ist ein Produkt der CMOS IR GmbH. Er wurde am CiS Forschungsinstitut entwickelt und hergestellt.
Der Markt für Thermopile-Sensoren ist in den letzten Jahren gewachsen und wird auch durch die aktuelle Corona-Pandemie weiter gewinnen. Um diesem Trend zu folgen, ist das Ziel im aktuellen Projekt zwei etablierte Prinzipien in einem Sensor zu kombinieren und somit die Innovationsfähigkeit auf diesem Gebiet weiter zu entwickeln. Dazu soll einerseits das Isothermalprinzip und andererseits die Möglichkeit, eine Membran von der Sensorvorderseite freizustellen, kombiniert werden.
Das isothermale Prinzip zeichnet sich dadurch aus, dass das vom Thermopile ausgegebene elektrische Signal nur in sehr geringen Umfang von der Temperatur des Chiprahmens abhängt. Dies kann über unterschiedliche Maßnahmen, wie zum Beispiel die Verwendung von Absorbern und Reflektoren erreicht werden.
Um eine Vorderseiten-Freistellung der Membran zu ermöglichen, muss dessen Oberfläche zunächst strukturiert werden. Durch diese relativ kleinen Öffnungen wird mittels Ätzer das Bulk-Material entfernt und so eine freistehende Struktur erzeugt. Da diese Struktur zum Untergrund (Bulk-Material) hin thermisch isoliert ist, kann ein detektierbarer Temperaturunterschied bei einstrahlender Infrarotstrahlung erzeugt werden.
Eine Struktur von der Vorderseite freizustellen hat verschiedene Vorteile. Der Prozess zur Herstellung ist einfacher, da alle photolithografischen Masken nur auf einer Seite des Wafers aufgebracht werden müssen und somit die Positioniergenauigkeit erhöht werden kann. Ein weiterer großer Vorteil ist die geschützte Membran durch das auf der Unterseite stehen bleibende Bulk-Material. Mit Hilfe dieser Technologie erreicht man eine höhere Stabilität der Chips und kann damit die thermische Ankopplung zu den Sockeln hin verbessern. Somit werden Thermopile-Sensoren mit einer hohen Dynamik möglich. Für die Wafer mit der vorderseitengeätzten Membran besteht nun die Möglichkeit einer Verkapselung auf Waferebene mittels eines Deckelwafers. Durch diese Maßnahmen kann die empfindliche Membran optimal geschützt werden und somit wird die weitere Verarbeitung der Sensoren vereinfacht.
Die Forschungs- und Entwicklungsarbeiten im Projekt Neuartiger Isothermalsensor durch Vorderseitenkavitäten (NIVo) wurden gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie.
FKZ: 49MF200129
