DE10214769A1 - Device and sensor for recording light signals and manufacturing process - Google Patents
Device and sensor for recording light signals and manufacturing processInfo
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Abstract
Es wird eine Vorrichtung (10) zur Aufnahme von Lichtsignalen, einen Sensor (15) und ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung (10) und eines Sensors (15) vorgeschlagen, wobei ein Detektor (45) auf einem ersten Wafer (40) vorgesehen ist und wobei ein Filter (85) auf einem zweiten Wafer (80) vorgesehen ist, wobei der erste Wafer (40) und der zweite Wafer (80) hermetisch dicht miteinander verbunden vorgesehen sind.A device (10) for recording light signals, a sensor (15) and a method for producing a device (10) and a sensor (15) are proposed, a detector (45) being provided on a first wafer (40) and a filter (85) is provided on a second wafer (80), the first wafer (40) and the second wafer (80) being hermetically sealed together.
Description
Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung nach der Gattung des Hauptanspruchs. Es ist allgemein bekannt, zur Aufnahme von Lichtsignalen, insbesondere von schmalbandigen Lichtsignalen, Kombinationen aus einem Filter und einem Detektor zu verwenden. Die Ausführung besteht zumeist aus einem Gehäuse in dessen Deckel der Filter geklebt wird. Auf das Unterteil des Gehäuses wird der Detektor geklebt. Hierbei treten jedoch Dichtheitsprobleme an den Klebe- und Walzverbindungen auf, die insbesondere für pyroelektrische Detektoren eine extrem hohe Dichtheit gegenüber Feuchte aufweisen müssen, da eintretende Feuchtigkeit insbesondere zu starken Drifterscheinungen des Detektors führen. The invention relates to a device according to the Genus of the main claim. It is well known for Recording light signals, especially narrow-band ones Light signals, combinations of a filter and one To use detector. The execution mostly consists of a housing in the lid of which the filter is glued. On the lower part of the housing is glued to the detector. However, there are tightness problems with the adhesive and Rolled connections, especially for pyroelectric Detectors have an extremely high level of moisture tightness must have, since moisture in particular lead to strong drift phenomena of the detector.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung, der erfindungsgemäße Sensor und das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung mit den Merkmalen der nebengeordneten Ansprüche haben demgegenüber den Vorteil, dass die Anzahl der Dichtflächen und die Anzahl der nötigen Prozessschritte reduziert und so insbesondere eine erhöhte Dichtheit der Vorrichtung erreicht wird. The device according to the invention, the device according to the invention Sensor and the method of manufacture according to the invention with the characteristics of the subordinate claims in contrast the advantage that the number of sealing surfaces and reduced the number of process steps required and such in particular an increased tightness of the device is achieved becomes.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der in den nebengeordneten Ansprüchen angegebenen Vorrichtung, des Sensors und des Verfahrens zur Herstellung möglich. By the measures listed in the subclaims advantageous developments and improvements in the apparatus specified device, des Sensor and the method for manufacturing possible.
Besonders vorteilhaft ist, dass die Wafer mittels eines Waferbondingprozesses miteinander verbunden werden. Hierdurch ist in besonders einfacher Weise eine hermetische Abdichtung zwischen den beiden Wafern möglich. Insbesondere hat dies auch zur Folge, dass die Herstelungskosten niedrig sind. It is particularly advantageous that the wafer by means of a Wafer bonding process. This is a hermetic in a particularly simple manner Sealing between the two wafers possible. In particular this also has the consequence that the manufacturing costs are low are.
Weiterhin ist es von Vorteil, dass der zweite Wafer aus einem infrarotdurchlässigen Material vorgesehen ist. Dadurch ist es möglich, die erfindungsgemäße Vorrichtung insbesondere für pyroelektrische Sensoren zu verwenden. It is also advantageous that the second wafer is made an infrared-transmissive material is provided. Thereby it is possible to use the device according to the invention to be used especially for pyroelectric sensors.
Weiterhin ist es von Vorteil, dass eine erste Seite (Rückseite) des zweiten Wafers mit einer ersten Seite (Vorderseite) des ersten Wafers verbunden ist und der Filter in Form einer Filterschicht auf einer zweiten, der ersten Seite gegenüberliegenden Seite (Vorderseite) des zweiten Wafers vorgesehen ist. Hierdurch ist der Filter, insbesondere als Interferenzfilter in besonders einfacher Weise herstellbar. It is also advantageous that a first page (Back) of the second wafer with a first side (Front) of the first wafer is connected and the filter in the form of a filter layer on a second, the first Side opposite side (front side) of the second Wafers is provided. This is the filter especially as an interference filter in a particularly simple manner Way to make.
Weiterhin ist von Vorteil, dass seitlich neben dem ersten Wafer und/oder dem zweiten Wafer ein lichtundurchlässiges Material, insbesondere ein Gel, vorgesehen ist. Hierdurch wird der Einfluß von Streulichteffekten wirkungsvoll reduziert. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn das lichtundurchlässige Material, beispielsweise als Gel in das Gehäuse, oder auch Housing, eines Sensors, der eine erfindungsgemäße Vorrichtung umfaßt, eingebracht wird. Another advantage is that laterally next to the first Wafer and / or the second wafer an opaque Material, in particular a gel, is provided. hereby the influence of scattered light effects becomes effective reduced. This is especially the case if that opaque material, for example as a gel in the Housing, or housing, of a sensor, the one comprises device according to the invention is introduced.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen An embodiment of the invention is in the drawing shown and in the description below explained. Show it
Fig. 1 den Aufbau eines Sensors gemäß dem Stand der Technik Fig. 1 shows the structure of a sensor according to the prior art
Fig. 2 den Aufbau eines erfindungsgemäßen Sensors bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung und Fig. 2 shows the structure of a sensor according to the invention or the device according to the invention and
Fig. 3 eine verbesserte Version des erfindungsgemäßen Sensors mit Streulichtschutz. Fig. 3 shows an improved version of the sensor according to the invention with protection against scattered light.
In Fig. 1 ist der Aufbau eines bekannten Sensors dargestellt. Mit dem Bezugszeichen 210 ist ein Filter bezeichnet, der in den Deckel eines Gehäuses 230 geklebt vorgesehen ist. Im unteren Teil des Gehäuses 230 ist Detektor 220 beispielsweise geklebt oder gebondet vorgesehen. Als Gehäuse 230 wird häufig ein TO-Gehäuse verwendet. In Fig. 1 the structure is shown of a prior art sensor. The reference numeral 210 denotes a filter which is provided glued in the cover of a housing 230 . Detector 220 is provided in the lower part of housing 230 , for example glued or bonded. A TO housing is often used as housing 230 .
Für pyroelektrische Detektoren müssen alle Klebe- und Walzverbindungen eine extrem hohe Dichtheit aufweisen, was bei der Verwendung eines Gehäuses und eines Deckels hierfür zu Problemen mit mangelnder Dichtheit führt. Im folgenden wird die erfindungsgemäße Vorrichtung anhand eines Beispiels dargestellt. For pyroelectric detectors, all adhesive and Roll connections have an extremely high tightness, what when using a housing and a cover for this leads to problems with insufficient tightness. Hereinafter the device according to the invention is based on an example shown.
In Fig. 2 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung 10 dargestellt. Die Vorrichtung 10 umfaßt einen ersten Wafer 40 und einen zweiten Wafer 80. Im oberen Teil der Fig. 2 ist der zweite Wafer 80 dargestellt und im unteren Teil der Fig. 2 ist der erste Wafer 40 dargestellt; somit ist die Oberseite des ersten Wafers 40 und die Unterseite des zweiten Wafers 80 miteinander verbunden dargestellt. Die Oberseite des ersten Wafers 40 wird im folgenden auch als erste Seite des ersten Wafers 40 bezeichnet und die Unterseite des zweiten Wafers 80 wird im folgenden auch als erste Seite des zweiten Wafers 80 bezeichnet. Der zweite Wafer 80 umfaßt zusätzlich zu seiner ersten Seite eine dieser ersten Seite gegenüberliegende zweite Seite, welche somit in der in der Fig. 2 gewählten Darstellung der Oberseite des zweiten Wafers 80 entspricht. Entsprechend umfaßt der erste Wafer 40 eine zweite Seite, welche seiner ersten Seite (Oberseite) gegenüberliegt und somit seiner Unterseite entspricht. A device 10 according to the invention is shown in FIG. 2. The device 10 comprises a first wafer 40 and a second wafer 80 . .. In the upper part of Figure 2, the second wafer 80 is shown and in the lower part of Figure 2, the first wafer 40 is shown; thus the top of the first wafer 40 and the bottom of the second wafer 80 are shown connected to one another. The top of the first wafer 40 is also referred to below as the first side of the first wafer 40 and the bottom of the second wafer 80 is also referred to below as the first side of the second wafer 80 . In addition to its first side, the second wafer 80 comprises a second side opposite this first side, which thus corresponds to the top side of the second wafer 80 in the illustration selected in FIG. 2. Correspondingly, the first wafer 40 comprises a second side, which lies opposite its first side (upper side) and thus corresponds to its lower side.
In Fig. 2 ist mit dem Bezugszeichen 45 eine sensitive Schicht dargestellt, die den Detektor andeutet. Der Detektor kann selbstverständlich auch eine größere Tiefenausdehnung in den ersten Wafer 40 hinein aufweisen, falls dies sinnvoll erscheint. Als Detektoren bzw. Detektorprinzipien kommen alle gängigen Detektoren in Frage, insbesondere Photodioden oder Phototransistoren, beispielsweise für sichtbares Licht, und Thermopiles bzw. pyroelektrische Sensoren für Licht im infraroten Bereich. Je nach Detektroprinzip kann z. B. ein Thermopile in einem Bulk-Micro-Machining-Prozess (BNM- Prozess) erstellt werden. Dies bedeutet beispielsweise, dass der Detektor eine in der Fig. 2 mit dem Bezugszeichen 41 versehene Kaverne auf der Rückseite, d. h. der zweiten Seite, des ersten Wafers 40 und die sensitive Schicht 45 auf der bzw. in der Oberseite, d. h. der ersten Seite, des ersten Wafers 40 aufweist. Erfindungsgemäß ist es jedoch auch möglich, einen Detektor vorzusehen, der in Oberflächenmikromechanik hergestellt ist. A sensitive layer, which indicates the detector, is shown in FIG. 2 with reference numeral 45 . The detector can of course also have a greater depth extension into the first wafer 40 , if this appears reasonable. All common detectors are possible as detectors or detector principles, in particular photodiodes or phototransistors, for example for visible light, and thermopiles or pyroelectric sensors for light in the infrared range. Depending on the detector principle, z. B. a thermopile in a bulk micro-machining process (BNM process). This means, for example, that the detector has a cavern provided with the reference number 41 in FIG. 2 on the back, ie the second side, of the first wafer 40 and the sensitive layer 45 on the top or in the top, ie the first side, of the first wafer 40 . According to the invention, however, it is also possible to provide a detector which is manufactured using surface micromechanics.
Der zweite Wafer 80 trägt den Filter, der in Fig. 2 als Filterschicht 85 dargestellt ist. Hierbei kommt erfindungsgemäß insbesondere die Verwendung von Interferenzfilter in Frage. Die Filterschicht 85 ist erfindungsgemäß insbesondere auf der Oberseite des zweiten Wafers 80, d. h. auf seiner zweiten Seite vorgesehen. The second wafer 80 carries the filter, which is shown in FIG. 2 as filter layer 85 . According to the invention, the use of interference filters is particularly suitable here. According to the invention, the filter layer 85 is provided in particular on the upper side of the second wafer 80 , ie on its second side.
In Fig. 2 ist weiterhin als eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, auf der ersten Seite des zweiten Wafers 80, d. h. auf seiner mit der ersten Seite des ersten Wafers 40 zu verbindenen Seite, eine mit dem Bezugszeichen 81 versehene Kaverne vorzusehen. Hierdurch ist die Berührungsfläche der beiden ersten Seiten der beiden Wafer 40, 80 kleiner als wenn keine Kaverne vorgesehen ist. Hierdurch ist eine bessere Justage der Wafer und der sie verbindenden Verbindungsmittel möglich. In FIG. 2, an advantageous embodiment of the invention is furthermore provided on the first side of the second wafer 80 , ie on its side to be connected to the first side of the first wafer 40, to provide a cavern provided with the reference symbol 81 . As a result, the contact area of the first two sides of the two wafers 40 , 80 is smaller than if no cavern is provided. This enables better adjustment of the wafers and the connecting means connecting them.
Damit ist es erfindungsgemäß ebenso möglich, die Filterschicht 85 auf der ersten Seite, d. h. der Unterseite des zweiten Wafers 80 vorzusehen, insbesondere um sie durch ihre Vorsehung in einem hermetisch verschlossenen Raum besser zu schützen. It is thus also possible according to the invention to provide the filter layer 85 on the first side, ie the underside of the second wafer 80 , in particular in order to better protect it by providing it in a hermetically sealed room.
Beispielsweise ist die Filterschicht folgendermaßen
vorgesehen: z. B. Interferenzfilter aus Schichtsystemen wie
- - Silizium/Siliziumoxid
- - Silizium/Siliziumnitrid
- - silicon / silicon oxide
- - Silicon / silicon nitride
Der zweite Wafer 80 ist insbesondere aus einem infrarotdurchlässigen Material, wie beispielsweise Silizium oder Glas vorgesehen The second wafer 80 is in particular made of an infrared-transmissive material, such as silicon or glass
Entsprechend der von dem Detektor 45 aufzunehmenden Lichtsignale ist es selbstverständlich erfindungsgemäß vorgesehen, den zweiten Wafer 80 auch für andere Spektralbereiche elektromagnetischer Strahlung als Infrarotstrahlung durchlässig vorzusehen, beispielsweise für sichtbares Licht. Der Begriff Lichtsignale wird hierbei sowohl für sichtbares Licht als auch für andere, für den jeweiligen Anwendungsfall der erfindungsgemäßen Vorrichtung einschlägige Spektralbereiche, insbesondere den Infrarotbereich, verwendet. According to the light signals to be picked up by the detector 45 , it is of course provided according to the invention to provide the second wafer 80 to be transparent to other spectral ranges of electromagnetic radiation than infrared radiation, for example to visible light. The term light signals is used here both for visible light and for other spectral ranges relevant to the respective application of the device according to the invention, in particular the infrared range.
Nach der Prozessierung des Detektors, d. h. der Herstellung seiner Struktur auf der ersten Seite des ersten Wafers 40 (bei Oberflächenmikromechanik) bzw. "in" dem ersten Wafer 40 (bei BMM) wird der zweite Wafer 80 und der erste Wafer 40 miteinander verbunden. Dies kann beispielsweise durch Kleben oder sonstige Verbindungsverfahren geschehen. Erfindungsgemäß werden die beiden Wafer 40, 80 mit ihren ersten Seiten gebondet, d. h. der zweite Wafer 80 wird auf den ersten Wafer 40 gebondet. Hierzu ist es erfindungsgemäß vorgesehen, ein Waferbondverfahren zu verwenden. Solche Waferbondverfahren sind bekannt und sehen vor, auf den einen Wafer ein Versiegelungsmaterial (beispielsweise Sealglas) aufzubringen und anschließend die Wafer mittels des Versiegelungsmaterials miteinander zu verbinden. After the processing of the detector, ie the production of its structure on the first side of the first wafer 40 (in the case of surface micromechanics) or "in" the first wafer 40 (in the case of BMM), the second wafer 80 and the first wafer 40 are connected to one another. This can be done for example by gluing or other connection methods. According to the invention, the two wafers 40 , 80 are bonded with their first sides, ie the second wafer 80 is bonded to the first wafer 40 . For this purpose, it is provided according to the invention to use a wafer bonding process. Such wafer bonding methods are known and provide for a sealing material (for example seal glass) to be applied to the one wafer and then to bond the wafers to one another by means of the sealing material.
Die Filterschicht 85 wird auf den zweiten Wafer 80 entweder vor dem Waferbondprozess oder nach dem Waferbondprozess, d. h. entweder vor oder nach dem Verbinden der beiden Wafer 40, 80 auf den zweiten Wafer 80 und dort insbesondere auf die Oberseite, d. h. seine zweite Seite, aufgebracht. The filter layer 85 is applied to the second wafer 80 either before the wafer bonding process or after the wafer bonding process, ie either before or after the connection of the two wafers 40 , 80 on the second wafer 80 and there in particular on the upper side, ie its second side.
Die Vorrichtung 10 wird in einem Waferprozess hergestellt. Dies bedeutet, dass in der Regel eine Vielzahl von Vorrichtungen 10 gleichzeitig prozessiert werden. Im Anschluß an die Verbindung der Wafer 40, 80 miteinander und jedenfalls nachdem die Filterschicht 85 aufgebracht wurde, werden die miteinander verbundenen Wafer, welche in der Regel eine Vielzahl von erfindungsgemäßen Vorrichtungen 10 aufweisen, "gesägt", d. h. es werden die Vorrichtungen voneinander getrennt oder vereinzelt. Hierzu findet insbesondere ein Sägeverfahren Anwendung, wobei jedoch erfindungsgemäß selbstverständlich auch ein anderes Trennungsverfahren möglich ist. The device 10 is manufactured in a wafer process. This means that, as a rule, a multiplicity of devices 10 are processed simultaneously. Following the connection of the wafers 40 , 80 to one another and in any case after the filter layer 85 has been applied, the interconnected wafers, which generally have a multiplicity of devices 10 according to the invention, are "sawn", ie the devices are separated from one another or sporadically. For this purpose, a sawing method is used in particular, although another separation method is of course also possible according to the invention.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 findet insbesondere in einem Sensor 15 Verwendung, der in Fig. 3 dargestellt ist. Angedeutet und mit Bezugszeichen Versehen sind wiederum die beiden Wafer 40, 80. Seitlich neben dem ersten und/oder dem zweiten Wafer 40, 80 ist bei dem in Fig. 3 dargestellten Sensor 15 ein lichtundurchlässiges Material in dem mit dem Bezugszeichen 19 versehenen Gehäuse des Sensors 15 dargestellt. Im Beispiel der Fig. 3 ist das lichtundurchlässige Material sowohl neben dem ersten Wafer 40 als auch neben dem zweiten Wafer 80 vorgesehen. Das lichtundurchlässige Material dient erfindungsgemäß zur Vermeindung von Streulichteffekten. The device 10 according to the invention is used in particular in a sensor 15 , which is shown in FIG. 3. The two wafers 40 , 80 are again indicated and provided with reference symbols. Laterally next to the first and / or the second wafer 40 , 80 , in the sensor 15 shown in FIG. 3, an opaque material is shown in the housing of the sensor 15 provided with the reference number 19 . In the example of FIG. 3, the opaque material is provided both next to the first wafer 40 and next to the second wafer 80 . According to the invention, the opaque material serves to avoid scattered light effects.
Das lichtundurchlässige Material ist erfindungsgemäß insbesondere in Form eines lichtundurchlässigen Gels vorgesehen, insbesondere z. B. Silicon-Gele. The opaque material is according to the invention especially in the form of an opaque gel provided, in particular z. B. silicone gels.
Kern der Erfindung ist es, eine kostengünstige und mit möglichst wenig Dichtflächen ausgestattete Verbindungstechnik für eine erfindungsgemäße Vorrichtung und einen erfindungsgemäßen Sensor, insbesondere umfassend einen Lichtdetektor und einen Filter vorzuschlagen. Hierzu wird der Detektor und der Filter bzw. die diese beiden Elemente tragenden Wafer 40, 80 direkt, insbesondere über einen Waferbondprozess, miteinander verbunden. Damit wird die Anzahl der Dichtflächen und die Anzahl der nötigen Prozessschritte reduziert. The essence of the invention is to propose a cost-effective connection technology for a device and a sensor according to the invention, in particular comprising a light detector and a filter, with as few sealing surfaces as possible. For this purpose, the detector and the filter or the wafers 40 , 80 carrying these two elements are connected to one another directly, in particular via a wafer bonding process. This reduces the number of sealing surfaces and the number of process steps required.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
8131 | Rejection |