DE112014002312B4

DE112014002312B4 - Integrierte Bildgebungsvorrichtung für Infrarotstrahlung und Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE112014002312B4
Application number: DE112014002312.4T
Authority: DE
Inventors: Hubert Enichlmair; Rainer Minixhofer; Martin Schrems
Original assignee: Ams AG
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2013-05-08
Filing date: 2014-04-15
Publication date: 2019-05-23
Anticipated expiration: 2034-04-16
Also published as: DE112014002312T5; WO2014180635A1; JP6254682B2; CN105190892A; CN105190892B; EP2802009A1; EP2802009B1; US9577001B2; JP2016526155A; US20160104741A1

Abstract

Integrierte Bildgebungsvorrichtung, Folgendes aufweisend:- ein Substrat (1) mit einer integrierten Schaltung (4),- eine Abdeckung (2),- eine dielektrische Schicht (3) zwischen dem Substrat (1) und der Abdeckung (2),- einen Sensor (5) oder eine Anordnung von Sensoren (5),- einen Hohlraum (6), der zwischen dem Substrat (1) und der Abdeckung (2) eingeschlossen ist, und- wobei eine der dielektrischen Schicht (3) gegenüberliegende Oberfläche (11) des Substrats (1) oder eine der dielektrischen Schicht (3) gegenüberliegende Oberfläche (12) der Abdeckung (2) mit einer Struktur (8) versehen ist, die einfallende Strahlung auf den Sensor (5) oder die Anordnung von Sensoren (5) lenkt,dadurch gekennzeichnet, dass- die Abdeckung (2) Silizium umfasst, das an ein eine Oberfläche der dielektrischen Schicht (3) bildendes Siliziumoxid gebunden ist,- der Sensor (5) oder die Anordnung von Sensoren (5) im Hohlraum (6) angeordnet ist, und- der Hohlraum (6) ein Vakuum ist oder einen Gasdruck von weniger als 100 Pa hat.

Description

Bildgebungsvorrichtungen und Sensorvorrichtungen zur Erfassung von Strahlung sind oftmals mit Elementen wie Linsen versehen, um die Strahlung zu lenken. Für Infrarotstrahlung (IR) mit langen Wellenlängen im Bereich zwischen 8 µm und 12 µm (LWIR) kann ein Infrarotstrahlung durchlassendes amorphes Material (AMTIR) wie etwa ZnSe oder GeAsSe verwendet werden, um die Strahlung zu leiten oder zu bündeln. Eine Massenproduktion derartiger Infrarotdetektoren wird durch unerschwingliche Kosten verhindert, die auch der Konfektionierung geschuldet sind, die den Detektor mit einer integrierten Schaltung kombiniert.
Eine Fresnel-Linse weist mehrere konzentrische ringförmige Abschnitte mit unterschiedlichen Radien auf. Somit wird die durchgehende Fläche einer herkömmlichen Linse in ringförmige Flächen mit ähnlicher Krümmung unterteilt, die dort mit Stufen aneinander angrenzen, wo sich benachbarte Abschnitte verbinden. In jedem Abschnitt ist die maximale Dicke erheblich geringer als die maximale Dicke einer äquivalenten herkömmlichen Linse, so dass die Gesamtdicke einer Fresnel-Linse und von daher ihr Volumen im Verhältnis zu einer herkömmlichen Linse viel geringer sind.
Eine Zonenplatte, manchmal Fresnel-Zonenplatte genannt, weist mehrere konzentrische ringförmige Abschnitte mit unterschiedlichen Radien auf, die sogenannten Fresnel-Zonen. Opake Zonen und transparente Zonen wechseln sich im Bereich der Zonenplatte ab. Einfallendes Licht erfährt eine Beugung um die opaken Zonen herum. Die Zonen können so angeordnet sein, dass das gebeugte Licht an einem gewünschten Fokus konstruktiv stört.
Die US 2011/0147869 A1 offenbart einen integrierten Infrarotsensor, der eine in die Rückseite eines Siliciumsubstrats integrierte Fresnel-Linse aufweist. Ein Hohlraum ist durch Öffnungen in einem dielektrischen Stapel hindurch in das Substrat geätzt. Polysilicium- und Titannitridschichten erstrecken sich durch die Öffnungen zwischen Thermosäulen, die im dielektrischen Stapel angeordnet sind. Eine CMOS-Schaltung ist in einem Block des dielektrischen Stapels angeordnet.
Die EP 1 267 399 A1 offenbart einen Infrarotsensor, der ein Widerstandselement in einem Hohlraum aufweist, der durch eine Ausnehmung in einem Siliciumsubstrat und einen Kappenkörper gebildet ist, der ein Siliciumsubstrat aufweist. Der Kappenkörper trägt eine Filterschicht und eine Siliciumschicht, die strukturiert ist, um eine Fresnel-Linse bereitzustellen. Ein Transistor ist im Hinblick auf das Widerstandselement seitlich auf dem Substrat im Hohlraum angeordnet.
Die JP 2007-171174 A offenbart eine Infrarotabfühlvorrichtung, die ein in einem Hohlraum angeordnetes Infrarotabfühlteil aufweist, das durch zwei Siliciumwafer gebildet ist. Durchkontaktierungsverdrahtungen sind elektrisch an das Infrarotabfühlteil angeschlossen. Ein Halbleiterlinsenteil ist im oberen Siliciumwafer integral ausgebildet.
Die US 2011/0147872 A1 offenbart eine optische Vorrichtung mit einem Licht aufnehmenden Teil, das auf einem Halbleiterbauteil angeordnet ist, das mit einer transparenten Platte abgedeckt ist, die eine integrierte Fresnel-Linse aufweist. Eine Schicht aus einem adhäsiven Material kann eine Öffnung über dem Licht aufnehmenden Teil aufweisen.
Die EP 1 079 613 A2 offenbart eine Bildeingabevorrichtung mit einer Mikrolinsenanordnung und einer entsprechenden Anordnung photosensitiver Elemente.
Die EP 1 612 528 A2 offenbart einen Infrarotsensor, der einen Sensorchip und einen Kappenchip aufweist, die einen Hohlraum bilden, der eine absorbierende Schicht auf einer Membran über einer Ausnehmung des Sensorchips aufweist. Der Kappenchip ist mit einer Linse versehen, die in den Kappenchip oder in einen Siliciumlinsenchip integriert sein kann.
Die US 2012/0056291 A1 offenbart eine Bildgebungsvorrichtung, die ein Substrat, einen Photodetektionsabschnitt, einen Schaltungsabschnitt und eine Durchgangszusammenschaltung aufweist. Der Aufbau umfasst eine Linse.
Die US 2009/0256216 A1 offenbart ein Wafer-Level-Chip-Scale-Package-Die-Substrat, das elektronische Schaltungen enthält. Durch das Substrat hindurchgehende Siliciumdurchkontaktierungen verbinden die elektronischen Schaltungen mit der Unterseite des Substrats. Ein Package-Sensor ist an das Substrat angeschlossen, um einen Umgebungsparameter abzufühlen. Eine schützende Verkapselungsschicht bedeckt die Oberseite des Substrats mit Ausnahme einer Sensorapertur, die sich über dem Package-Sensor befindet.
Die US 7683449 B2 offenbart eine Strahlung detektierende optoelektronische Komponente, die ein Halbleiterbauteil mit mindestens einer strahlungssensitiven Zone, die dazu ausgelegt ist, elektromagnetische Strahlung zu detektieren, und ein optisches Element umfasst, das dazu ausgelegt ist, die elektromagnetische Strahlung in der strahlungssensitiven Zone zu bündeln. Das optische Element umfasst ein Beugungselement, das Strukturen in derselben Größenordnung wie die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung hat.
Das Schriftstück von P. M. Sarro et al.: „An integrated thermal infrared sensing array" in Sensors and Actuators 14, 191 - 201 (1988) berichtet über eine Anwendung einer externen Fresnel-Zonenplatte zum Fokussieren von Infrarotstrahlung auf Pixel eines Detektors. Die spektrale Zerlegung, die durch die Zonenplatte erzeugt wird, wird zur Infrarotspektroskopie verwendet.
Der Absorptionskoeffizient dotierten Siliciums für Infrarotstrahlung wurde von W. Spitzer und H. Y. Fan veröffentlicht, „Infrared Absorption in n-Type Silicon", Physical Review 108, 268 - 271 (1957). Wenn die Dämpfung einfallender Strahlung durch freie Ladungsträgerabsorption in Silicium innerhalb einer Siliciumdicke von beispielsweise 700 µm geringer als 10 % sein soll, muss die Dotierkonzentration geringer als 10¹⁷ cm^-3 sein.
Die EP 1 248 088 A1 offenbart einen Infrarot-Bildsensor, der auf einer Dünnfilmstruktur über einem Hohlraum eines Siliziumsubstrates gebildet ist. Ein strukturierter Dünnfilm aus n-dotiertem Silizium ist auf einem Isolationsfilm über dem Hohlraum angeordnet und mit einer Elektrode versehen.
Eine p-dotierte Schicht in dem Dünnfilm bildet einen pn-Übergang und ist mit einer weiteren Elektrode versehen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine kompakte, integrierte Bildgebungsvorrichtung für Infrarotstrahlung zu offenbaren. Eine weitere Aufgabe ist es, ein dazugehörendes Herstellungsverfahren zu offenbaren.
Diese Aufgaben werden mit der integrierten Bildgebungsvorrichtung nach Anspruch 1 und mit dem Verfahren zum Herstellen einer integrierten Bildgebungsvorrichtung nach Anspruch 15 erreicht. Ausführungsformen und Varianten leiten sich von den abhängigen Ansprüchen ab.
Die integrierte Bildgebungsvorrichtung weist ein Substrat auf, das eine integrierte Schaltung, eine Abdeckung, eine dielektrische Schicht zwischen dem Substrat und der Abdeckung, einen zwischen dem Substrat und der Abdeckung eingeschlossenen Hohlraum und einen Sensor oder eine Anordnung von Sensoren aufweist, der bzw. die im Hohlraum angeordnet ist bzw. sind. Die Abdeckung umfasst an Siliciumoxid gebundenes Silicium, das eine Oberfläche der dielektrischen Schicht bildet, und der Hohlraum ist ein Vakuum oder hat einen Gasdruck von weniger als 100 Pa oder sogar weniger als 10 Pa. Eine der dielektrischen Schicht in einem Bereich des Hohlraums entgegengesetzte Oberfläche des Substrats besitzt eine Struktur, die einfallende Strahlung zu dem Sensor oder zu der Anordnung von Sensoren lenkt, oder eine der dielektrischen Schicht im Bereich des Hohlraums entgegengesetzte Oberfläche der Abdeckung besitzt eine Struktur, die einfallende Strahlung zu dem Sensor oder zu der Anordnung von Sensoren lenkt.
In einer Ausführungsform der integrierten Bildgebungsvorrichtung handelt es sich bei der Oberflächenstruktur um eine Zonenplatte zum Fokussieren von Infrarotstrahlung.
In einer weiteren Ausführungsform der integrierten Bildgebungsvorrichtung handelt es sich bei der Oberflächenstruktur um eine Fresnel-Linse zum Fokussieren von Infrarotstrahlung.
In weiteren Ausführungsformen ist die Oberflächenstruktur in einem Halbleitermaterial ausgebildet.
In einer weiteren Ausführungsform weist der Sensor oder die Anordnung von Sensoren eine Diode mit einem pn-Übergang auf, der in Polysilizium ausgebildet ist.
In einer weiteren Ausführungsform ist mindestens eine Metallisierungsschicht in die dielektrische Schicht eingebettet, und mindestens eine elektrisch leitfähige Verbindung des Sensors oder der Anordnung von Sensoren zur Metallisierungsschicht erstreckt sich vom Hohlraum in die dielektrische Schicht.
In einer weiteren Ausführungsform weist der Sensor oder die Anordnung von Sensoren eine Membran auf, die integral mit der elektrisch leitfähigen Verbindung ausgebildet ist. Insbesondere ist die Membran elektrisch an die integrierte Schaltung angeschlossen und bildet einen passiven Infrarotdetektor. Die Membran kann elektrisch widerstandbehaftet sein oder einen pn-Übergang aufweisen, der eine Diode bildet.
In einer weiteren Ausführungsform erstreckt sich der Hohlraum in das Substrat und in die Abdeckung.
In einer weiteren Ausführungsform erstreckt sich der Hohlraum in das Substrat und bildet Abteilungen, die durch Komponenten der integrierten Schaltung getrennt sind, wobei jeder Sensor in oder über einer der Abteilungen angeordnet ist.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Hohlraum in der dielektrischen Schicht angeordnet und erstreckt sich in die Abdeckung.
In einer weiteren Ausführungsform ist mindestens eine Substratdurchkontaktierung im Substrat angeordnet. Die Substratdurchkontaktierung verbindet die integrierte Schaltung oder den Sensor oder die Anordnung von Sensoren elektrisch mit einem Anschlusskontaktfleck auf der der dielektrischen Schicht entgegengesetzten Oberfläche des Substrats.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Substratdurchkontaktierung nicht mit elektrisch leitfähigem oder dielektrischem Material gefüllt, und die Abdeckung ist über der Substratdurchkontaktierung an die dielektrische Schicht gebunden.
In einer weiteren Ausführungsform handelt es sich bei der integrierten Schaltung um eine CMOS-Schaltung, und die dielektrische Schicht umfasst eine Verdrahtung der integrierten Schaltung.
Das Verfahren zum Herstellen einer integrierten Bildgebungsvorrichtung umfasst die Schritte des Versehens eines Substrats mit einer integrierten Schaltung und mit einer dielektrischen Schicht, wobei zumindest eine Oberfläche der dielektrischen Schicht durch ein Siliziumoxid gebildet ist, des Anordnens eines Sensors oder einer Anordnung von Sensoren auf oder über dem Substrat, und des Anbringens einer Silizium umfassenden Abdeckung auf dem Substrat, indem das Silizium der Abdeckung mit dem Siliziumoxid der dielektrischen Schicht verbunden wird, wodurch ein Hohlraum gebildet wird, in dem der Sensor oder die Anordnung von Sensoren angeordnet ist. Eine der dielektrischen Schicht entgegengesetzte Oberfläche des Substrats oder eine der dielektrischen Schicht entgegengesetzte Oberfläche der Abdeckung wird geätzt, um eine Struktur herzustellen, die einfallende Strahlung auf den Sensor oder die Anordnung von Sensoren lenkt.
In einer Variante des Verfahrens wird der Hohlraum so ausgebildet, dass es sich bei ihm um ein Vakuum handelt oder er einen Gasdruck von weniger als 100 Pa oder sogar weniger als 10 Pa hat.
In einer weiteren Variante des Verfahrens wird die Oberflächenstruktur geätzt, um konzentrische, ringförmige Vertiefungen einer Zonenplatte zu bilden.
In einer weiteren Variante des Verfahrens wird die Oberflächenstruktur geätzt, um eine Fresnel-Linse zu bilden.
In einer weiteren Variante des Verfahrens wird die Oberfläche, in welche die Fresnel-Linse geätzt werden soll, mit einer Strukturierungsschicht bedeckt, die entsprechend der Fresnel-Linse strukturiert ist. Dann wird die Strukturierungsschicht durch einen anisotropen Ätzprozess entfernt, der die Struktur der Strukturierungsschicht in die Oberfläche überträgt, womit die Fresnel-Linse gebildet wird.
In einer weiteren Variante des Verfahrens handelt es sich bei der Oberfläche, in welche die Fresnel-Linse geätzt werden soll, um Silizium, und die Strukturierungsschicht besteht aus einem Polymer, das dieselbe Ätzrate hat wie Silizium.
In einer weiteren Variante des Verfahrens wird der Sensor oder die Anordnung von Sensoren in der dielektrischen Schicht angeordnet, eine Ausnehmung wird unter dem Sensor oder der Anordnung von Sensoren in das Substrat geätzt, und die dielektrische Schicht wird dann zumindest teilweise von dem Sensor oder von der Anordnung von Sensoren entfernt.
In einer weiteren Variante des Verfahrens wird der Sensor oder die Anordnung von Sensoren auf einer Opferschicht und in der dielektrischen Schicht angeordnet, die Opferschicht wird dann entfernt, und die dielektrische Schicht wird dann zumindest teilweise von dem Sensor oder von der Anordnung von Sensoren entfernt.
In einer weiteren Variante des Verfahrens wird der Sensor oder die Anordnung von Sensoren einschließlich einer Diode mit einem pn-Übergang ausgebildet, der in Polysilizium ausgebildet ist.
In einer weiteren Variante des Verfahrens wird der Sensor oder die Anordnung von Sensoren einschließlich einer Membran ausgebildet, die integral zusammen mit elektrisch leitfähigen Verbindungen strukturiert wird, welche die Membran mit Metallisierungsschichten in der dielektrischen Schicht verbinden. Die Membran kann elektrisch widerstandsbehaftet sein und besteht vorzugsweise aus einem Halbleitermaterial wie Polysilizium, das dotiert werden kann, um den gewünschten spezifischen Widerstand zu erzielen. Die Membran kann mit einem pn-Übergang versehen werden, der insbesondere durch eine Implantierung von Dotiermitteln in Polysilizium ausgebildet werden kann.
Folgendes ist eine ausführliche Beschreibung von Beispielen der Bildgebungsvorrichtung und des Verfahrens in Zusammenhang mit den beigefügten Figuren.

1 ist ein Querschnitt einer Ausführungsform der Bildgebungsvorrichtung mit Sensoren und einer integrierten Schaltung, die auf derselben Oberfläche des Substrats angeordnet sind.
2 ist ein Querschnitt einer weiteren Ausführungsform der Bildgebungsvorrichtung mit Sensoren und einer integrierten Schaltung, die auf entgegengesetzten Oberflächen des Substrats angeordnet sind.
3 ist ein Querschnitt einer weiteren Ausführungsform der Bildgebungsvorrichtung mit Anordnungen von Lotkugeln.
4 ist ein Querschnitt einer weiteren Ausführungsform mit Sensoren im Nahbereich einer integrierten Schaltung.
5 ist ein Querschnitt einer weiteren Ausführungsform mit einer Zonenplatte auf der Substratrückseite.
6 ist eine Draufsicht auf eine Oberflächenstruktur, die eine Zonenplatte bildet.
7 ist ein Querschnitt einer Abdeckung, der einen Bereich nahe einer Oberfläche zeigt, die eine Strukturierungsschicht trägt.
8 ist ein Querschnitt eines Zwischenprodukts eines Beispiels des Herstellungsverfahrens.
9 ist ein Querschnitt gemäß 8 nach dem Anlegen einer Maskenschicht.
10 ist ein Querschnitt gemäß 9 nach der Ausbildung einer Ausnehmung im Substrat.
11 ist ein Querschnitt gemäß 10 nach einem weiteren Ätzschritt.
12 ist ein Querschnitt gemäß 8 für eine Variante des Verfahrens.
13 ist eine Draufsicht auf ein Beispiel einer Membran, die angebracht ist, um einen Sensor zu bilden.
14 ist ein Querschnitt gemäß 4 einer weiteren Ausführungsform mit einer abwechselnden Anordnung von Sensoren und CMOS-Komponenten.

1 ist ein Querschnitt einer Ausführungsform der Bildgebungsvorrichtung. Ein Substrat 1 aus Halbleitermaterial wie Silizium ist mit einer Abdeckung 2 verbunden, bei der es sich um ein weiteres Halbleitersubstrat handeln kann. Das Substrat 1 und die Abdeckung 2 sind durch eine dielektrische Schicht 3 verbunden, bei der es sich zum Beispiel um ein Oxid des Halbleitermaterials handeln kann. Zumindest die Oberfläche der dielektrischen Schicht 3, die mit der Abdeckung 2 in Kontakt ist, besteht zum Beispiel aus einem Siliziumoxid wie SiO₂. Die Abdeckung 2 umfasst Silizium, das an das Siliziumoxid gebunden ist, das die Oberfläche der dielektrischen Schicht bildet. Die Verbindung lässt durch ein Waferbonding-Verfahren herstellen, das an sich bekannt ist. Ein solches Waferbonding-Verfahren kann unter Vakuum erfolgen, so dass der Hohlraum 6, der zwischen dem Substrat 1 und der Abdeckung 2 entsteht, ein Vakuum sein oder einen niedrigen Gasdruck von weniger als 100 Pa oder sogar weniger als 10 Pa haben kann. Das Substrat 1 umfasst eine integrierte Schaltung 4, und Metallisierungsschichten 13 können in die dielektrische Schicht 3 eingebettet sein, um eine Verdrahtung für die integrierte Schaltung 4 bereitzustellen. Bei der integrierten Schaltung kann es sich insbesondere um eine CMOS-Schaltung handeln.
Eine Anordnung von Sensoren 5 ist im Hohlraum 6 angeordnet, der zwischen dem Substrat 1 und der Abdeckung 2 entstanden ist. Die Sensoren 5 der Anordnung können beispielsweise zur Erfassung eines zweidimensionalen Bilds angeordnet sein. Ein einzelner Sensor 5 kann stattdessen im Hohlraum 6 angeordnet sein. Der Sensor 5 oder die Anordnung von Sensoren 5 kann zur Erfassung von Infrarotstrahlung vorgesehen sein und kann beispielsweise einen passiven Infrarotdetektor umfassen.
Passive Infrarot-(PIR)-Detektoren lassen sich auf verschiedene Weisen herstellen, die an sich bekannt sind und hier nicht beschrieben werden müssen. Passive Infrarotdetektoren umfassen für gewöhnlich Detektorelemente mit der Eigenschaft, dass sich der Widerstand und von daher die angelegte Spannung oder der angelegte Strom ändert, wenn das Detektorelement durch Infrarotstrahlung erwärmt wird.
Insbesondere kann das Detektorelement eine Membran aus einem für diese Anwendung geeigneten Material wie zum Beispiel Polysilizium umfassen.
Jeder Sensor 5 ist vorzugsweise durch ein im Hohlraum 6 vorgesehenes Vakuum thermisch vom Substrat 1 isoliert. Dies lässt sich, wie vorstehend erwähnt, durch ein Waferbonding in Vakuum bewerkstelligen, um den gewünschten Druck von typischerweise weniger als 100 Pa oder sogar weniger als 10 Pa im Hohlraum 6 um das Detektorelement herum zu erzielen. Die Sensoren 5 sind mit elektrisch leitfähigen Anschlüssen 7 versehen, welche die Sensoren 5 mit weiteren Leitern, insbesondere zum Beispiel mit den Metallisierungsschichten 13 der Verdrahtung verbinden.
Eine Oberflächenstruktur 8 ist in der Außenoberfläche 12 der Abdeckung 2 dem Hohlraum 6 gegenüberliegend vorgesehen. Die Oberflächenstruktur 8 ist dazu konzipiert, die einfallende Strahlung zu leiten und kann insbesondere eine Zonenplatte einer Fresnel-Linse zum Bündeln von Infrarotstrahlung bilden. Eine die Oberflächenstruktur 8 bildenden Zonenplatte kann fotolithografisch in Silizium hergestellt werden, indem die Oberfläche 12 beispielsweise mit einem Fotolack beschichtet wird, der entsprechend der Strukturierung der Zonenplatte Licht ausgesetzt, entwickelt und teilweise entfernt wird, um eine Lackmaske zu bilden. Dann wird der unbedeckte Bereich der Siliziumoberfläche beispielsweise mittels eines Chlor- oder Bromidionen enthaltenden Plasmas geätzt, um die gewünschte Oberflächenstruktur 8 zu auszubilden.
Die Pfeile in 1 stellen ein Beispiel einfallender Strahlung dar und illustrieren die Fokussierungswirkung einer Zonenplatte. Die Richtung der Strahlung bildet einen Winkel α mit der Lotrechten zur Oberfläche 12. Die parallelen Strahlen bündeln sich in einem der Sensoren 5.
Die optische Weglänge ist das Produkt aus dem Brechungsindex und der geometrischen Weglänge. Der Brechungsindex beträgt in Luft ca. 1 und in dem Wellenlängenbereich von Interesse ca. 3,4 in Silizium, bei dem es sich um das Material der Abdeckung 2 handeln kann. Deshalb ist die optische Weglänge von Strahlung, die sich in Silizium ausbreitet, ungefähr 3,4-mal so lang wie die optische Weglänge in Luft, auch wenn die geometrische Länge des Wegs dieselbe ist. Folglich legt die einfallende Strahlung, die in eine Ausnehmung der Oberfläche in das Silizium eintritt, einen optischen Weg zurück, der kürzer ist als der optische Weg von Strahlung, die im planen Bereich der Siliziumoberfläche in das Silizium eintritt. Wenn die Differenz der optischen Weglängen die halbe Wellenlänge beträgt, sind die sich ergebenden Abbildungseigenschaften vergleichbar mit einer optischen Linse. Es können auch andere Materialien mit einem hohen Brechungsindex anstelle von Silizium als das die Oberflächenstruktur 8 bildende Material verwendet werden.
In dem Beispiel einer Zonenplatte umfasst die Oberflächenstruktur 8 mehrere konzentrische, ringförmige Vertiefungen 21 oder flache kreisförmige Gräben, die durch Bereiche getrennt sind, die eine Oberseite haben, die in der Ebene der Oberfläche 12 liegen. Letztere Bereiche haben dieselbe Funktion wie die opaken Bereiche einer herkömmlichen Zonenplatte, während die Bereiche der Vertiefungen 21 die transparenten Bereiche einer herkömmlichen Zonenplatte ersetzen. Die verschiedenen optischen Weglängen, die vom Brechungsindex der Abdeckung 2 und den verschiedenen Oberflächenhöhen im Bereich der Oberflächenstruktur 8 herrühren, rufen eine Phasenverschiebung zwischen der in den Vertiefungen 21 auftreffenden Strahlung und der auf die Oberflächenbereiche zwischen den Vertiefungen 21 auftreffenden Strahlung hervor. Die Phasenverschiebung erzeugt eine Wirkung, die ähnlich der Wirkung der opaken und transparenten Zonen herkömmlicher Zonenplatten ist. Die Tiefe d der Vertiefungen 21 ist an die gewünschte Brennweite f angepasst. Der Durchmesser D der Oberflächenstruktur 8 kann typischerweise zum Beispiel 1 mm betragen. Wenn die einfallende Infrarotstrahlung beispielsweise von einer Person abgegeben wird, die sich dem Sensor aus einer Entfernung einiger Meter nähert und nicht näher als einen Meter kommt, sind die ankommenden Strahlen im Wesentlichen parallel, und eine Zonenplatte mit dem festgelegten Durchmesser D erzeugt ein Bild von dieser Person in der Brennebene des Infrarotdetektors.
Eine oder mehrere Substratdurchkontaktierung/en 9 kann bzw. können im Substrat 1 vorgesehen sein, um die integrierte Schaltung 4 und/oder die Sensoren 5 an einen Anschlusskontaktfleck 10 an der hinteren Außenoberfläche 11 des Substrats 1 anzuschließen. Diese Substratdurchkontaktierung 9 kann mit einer Kontaktfläche 14 einer Metallisierungsschicht 13 verbunden sein und ist vorzugsweise vom Halbleitermaterial des Substrats 1 durch ein Durchkontaktierungsdielektrikum 15 isoliert, bei dem es sich beispielsweise um ein Oxid des Halbleitermaterials handeln kann, und das auch auf der hinteren Außenoberfläche 11 vorhanden sein kann.
Wenn eine Substratdurchkontaktierung 9 nicht mit dem elektrisch leitfähigen oder dielektrischen Material gefüllt ist, so dass innen ein Leerraum zurückbleibt, wie in 1 gezeigt ist, ist die Abdeckung 2 vorzugsweise entsprechend 1 über der Substratdurchkontaktierung 9 an die dielektrische Schicht 3 gebunden. Somit ist der Boden der Substratdurchkontaktierung 9 einschließlich der Kontaktfläche 14 und einem Teil der dielektrischen Schicht 3 durch die Abdeckung 2 stabilisiert. Es ist deshalb günstig, dass sich die Abdeckung 2 über den Substratdurchkontaktierungen 9 erstreckt. Diese Anordnung der Abdeckung 2 ist auch in den Ausführungsformen gemäß den 2 bis 5 und 14 vorhanden, die im Folgenden beschrieben werden. Zusätzlich zu der vom Hohlraum 6 eingenommenen Fläche kann die Abdeckung 2 insbesondere die gesamte Fläche der dielektrischen Schicht 3 abdecken.
2 ist ein Querschnitt einer weiteren Ausführungsform der Bildgebungsvorrichtung. Elemente der Ausführungsform gemäß 2, die entsprechenden Elementen der Ausführungsform gemäß 1 ähnlich sind, sind mit denselben Bezugszahlen bezeichnet. In der Ausführungsform gemäß 2 ist die integrierte Schaltung 4 nahe der Außenoberfläche 11 des Substrats 1 angeordnet. Eine Verdrahtung der integrierten Schaltung 4 kann an oder über der Außenoberfläche 11 in einer weiteren dielektrischen Schicht angeordnet sein, die in 2 nicht gezeigt ist.
Die Außenoberfläche 12 der Abdeckung 2 ist mit der Oberflächenstruktur 8 zum Strahlungseinfall versehen. In dieser Ausführungsform kann die integrierte Schaltung 4 dem Hohlraum 6 gegenüberliegend angeordnet sein, so dass die seitliche Abmessung dieser Ausführungsform der integrierten Bildgebungsvorrichtung im Vergleich zur Ausführungsform gemäß 1 verkleinert werden kann. In der Ausführungsform gemäß 2 ist der Hohlraum 6 vorzugsweise ein Vakuum oder hat einen Gasdruck von typischerweise weniger als 100 Pa oder sogar weniger als 10 Pa. Dies kann dadurch erzielt werden, dass, wie vorstehend beschrieben, Silizium der Abdeckung 2 an die Oberfläche der dielektrischen Schicht 3 bildendes Siliziumoxid gebunden wird.
3 ist ein Querschnitt einer weiteren Ausführungsform der Bildgebungsvorrichtung mit Anordnungen von Lotkugeln. Elemente der Ausführungsform gemäß 3, die entsprechenden Elementen der Ausführungsform gemäß 1 ähnlich sind, sind mit denselben Bezugszahlen bezeichnet. In der Ausführungsform gemäß 3 ist eine Lotkugel 17 auf einer Kontaktfläche einer Metallisierungsschicht 13 angeordnet, die nicht durch die Abdeckung 2 abgedeckt ist. Ein Draht 18 wird verwendet, um die Lotkugel 17 durch ein herkömmliches technisches Drahtanschlussverfahren an externe Anschlüsse anzuschließen. Lotkugeln 19, 20 können auch auf der hinteren Außenoberfläche 11 des Substrats 1 angeordnet sein. Eine dieser Lotkugeln 11 schließt eine der Substratdurchkontaktierungen 9 an und bedeckt die Öffnung der Substratdurchkontaktierung 9. Eine weitere Lotkugel 20 ist auf einem Anschlusskontaktfleck 10 einer weiteren Substratdurchkontaktierung 9 angeordnet. 3 zeigt auch, wie die Oberflächenstruktur 8 mit einer Passivierungs- oder Antireflexionsbeschichtung 38 bedeckt sein kann, die ähnlich auch auf die Oberflächenstrukturen 8 der anderen Ausführungsformen aufgebracht werden kann. In der Ausführungsform gemäß 3 ist der Hohlraum 6 vorzugsweise ein Vakuum oder hat einen Gasdruck von typischerweise weniger als 100 Pa oder sogar weniger als 10 Pa. Dies kann dadurch erzielt werden, dass, wie vorstehend beschrieben, Silizium der Abdeckung 2 an die Oberfläche der dielektrischen Schicht 3 bildendes Siliziumoxid gebunden wird.
4 ist ein Querschnitt einer weiteren Ausführungsform, wobei die Sensoren 5 im Nahbereich der integrierten Schaltung 4 angeordnet sind. Elemente der Ausführungsform gemäß 4, die entsprechenden Elementen der Ausführungsform gemäß 3 ähnlich sind, sind mit denselben Bezugszahlen bezeichnet. In der Ausführungsform gemäß 4 erstreckt sich der Hohlraum 6 nicht in das Substrat 1, sondern nimmt ein Volumen der dielektrischen Schicht 3 ein und erstreckt sich nur in die Abdeckung 2. Der Hohlraum 6 kann insbesondere die dielektrische Schicht 3 durchdringen, wodurch er die Oberfläche des Substrats 1 erreicht, wie in 4 gezeigt ist. Auf diese Weise kann die integrierte Schaltung 4 der Abdeckung 2 zugewandt angeordnet werden, und die Sensoren 5 können zwischen der integrierten Schaltung 4 und der Abdeckung 2 angeordnet werden. In der Ausführungsform gemäß 4 ist der Hohlraum 6 vorzugsweise ein Vakuum oder hat einen Gasdruck von typischerweise weniger als 100 Pa oder sogar weniger als 10 Pa. Dies kann dadurch erzielt werden, dass, wie vorstehend beschrieben, Silizium der Abdeckung 2 an die Oberfläche der dielektrischen Schicht 3 bildendes Siliziumoxid gebunden wird.
5 ist ein Querschnitt einer weiteren Ausführungsform mit einer Zonenplatte auf der hinteren Außenoberfläche 11 des Substrats 1. Elemente der Ausführungsform gemäß 5, die entsprechenden Elementen der Ausführungsform gemäß 1 ähnlich sind, sind mit denselben Bezugszahlen bezeichnet. In der Ausführungsform gemäß 5 ist die Oberflächenstruktur 8 in der hinteren Außenoberfläche 11 des Substrats 1 dem Hohlraum 6 entgegengesetzt ausgebildet. Die Außenoberfläche 12 der Abdeckung 2 kann plan sein. In der Ausführungsform gemäß 5 ist die Fläche der hinteren Außenoberfläche 11 des Substrats 1, welche die Oberflächenstruktur 8 umfasst, für den Strahlungseinfall vorgesehen. In der Ausführungsform gemäß 5 ist der Hohlraum 6 vorzugsweise ein Vakuum oder hat einen Gasdruck von typischerweise weniger als 100 Pa oder sogar weniger als 10 Pa. Dies kann dadurch erzielt werden, dass, wie vorstehend beschrieben, Silizium der Abdeckung 2 an die Oberfläche der dielektrischen Schicht 3 bildendes Siliziumoxid gebunden wird.
6 ist eine schematische Draufsicht auf eine Oberflächenstruktur 8, die eine Zonenplatte auf der Außenoberfläche 12 der Abdeckung 2 bildet. Die Vertiefungen 21 sind als konzentrische, ringförmige Gräben in der Oberfläche 12 angeordnet. Die Breite der Vertiefungen 21 ist an die Funktion der Zonenplatte im Hinblick auf die Wellenlänge der zu erfassenden Strahlung angepasst.
7 ist ein Querschnitt eines Teils der Abdeckung 2 und zeigt einen Bereich nahe der Außenoberfläche. Eine Strukturierungsschicht 22 ist auf die plane Oberfläche 12 aufgebracht und mit der Struktur versehen, die für die herzustellende Oberflächenstruktur 8 bestimmt ist. Wenn die Strukturierungsschicht 22 auf die Oberfläche 12 aufgebracht wird, ist die in 7 angezeigte Oberflächenstruktur 8 noch nicht vorhanden. Das Material der Strukturierungsschicht 22 wird vorzugsweise so gewählt, dass es eine Ätzung mit derselben oder zumindest fast derselben Ätzrate wie des Materials der Abdeckung 2 ermöglicht. Wenn es sich bei der Abdeckung 2 um Silizium handelt, kann die Strukturierungsschicht 22 beispielsweise ein Polymer sein, das zum Beispiel durch einen Nano-Imprint-Schritt strukturiert werden kann. Dann wird die Strukturierungsschicht durch einen anisotropen Ätzprozess, insbesondere durch reaktives Ionenätzen, entfernt, und bei diesem anisotropen Ätzschritt wird die Struktur der Strukturierungsschicht 22 in die Oberfläche 12 der Abdeckung 2 übertragen. In der in 7 gezeigten Ausführungsform handelt es sich bei der übertragenen Oberflächenstruktur 8 um eine Fresnel-Linse, sie kann aber stattdessen auch eine Zonenplatte oder eine andere geeignete Oberflächenstruktur sein.
In dem in 7 gezeigten Beispiel handelt es sich bei der herzustellenden Oberflächenstruktur 8 um eine Fresnel-Linse, die einen zentralen Abschnitt 23 und mehrere konzentrische, ringförmige, periphere Abschnitte 24 mit unterschiedlichen Radien aufweist. Die Krümmungen der Oberflächen der peripheren Abschnitte 24 können peripheren ringförmigen Abschnitten einer Einzellinse entsprechen, die somit in Bezug aufeinander an den Grenzen der peripheren Abschnitte 24 der Fresnel-Linse vertikal verschoben erscheinen. Stattdessen kann es auch andere Krümmungen geben, oder die Oberflächen der peripheren Abschnitte 24 können plan oder zumindest in etwa plan sein, um beispielsweise den Herstellungsprozess zu vereinfachen.
Ein Beispiel eines Verfahrens zum Herstellen der integrierten Bildgebungsvorrichtung wird im Zusammenhang mit den 8 bis 12 beschrieben, die Querschnitte von Zwischenprodukten des Verfahrens nach verschiedenen Verfahrensschritten zeigen. Die Zwischenprodukte werden erhalten, nachdem die integrierte Schaltung 4 und die dielektrische Schicht 3 mit den eingebetteten Metallisierungsschichten 13 aus der Verdrahtung hergestellt wurden, und bevor die Abdeckung 2 am Substrat 1 angebracht wird.
8 zeigt einen Querschnitt eines Substrats 1 aus einem Halbleitermaterial wie Silizium, das mit einer dielektrischen Schicht 3 bedeckt ist, bei der es sich beispielsweise um ein Oxid des Halbleitermaterials handeln kann. Metallisierungsschichten 13 sind in die dielektrische Schicht 3 eingebettet, um eine Verdrahtung für die integrierte Schaltung bereitzustellen. Eine Schichtstruktur ist für einen Sensor wie einen der Sensoren 5 der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen vorgesehen und weist eine Membran 25, bei der es sich beispielsweise um Polysilizium handeln kann, und eine Absorberschicht 26 auf, bei der es sich beispielsweise um Siliziumoxid handeln kann. Eine optionale Absorptionsschicht 28, bei der es sich beispielsweise um Titannitrid handeln kann, kann auf der Absorberschicht 26 angeordnet sein, wie in 8 gezeigt ist. Die Schichtstruktur ist in die dielektrische Schicht 3 eingebettet. Die in 8 gezeigte Anordnung ist für durch das Substrat 1 hindurchgehende Strahlung vorgesehen. Wenn die Strahlung durch die Abdeckung 2 hindurchgehen soll, ist die Reihenfolge der für den Sensor vorgesehenen Schichten vorzugsweise umgekehrt.
Der Widerstand der Membran 25 verändert sich, wenn Infrarotstrahlung auf die Membran 25 auftrifft. Die Veränderung des Widerstands kann erfasst werden, indem eine Spannung oder ein Strom an die Membran 25 angelegt wird. Dazu ist die Membran 25 mit elektrisch leitfähigen Anschlüssen 7, 7' versehen, die aus demselben Material bestehen können wie die Membran 25. In diesem Fall können die Membran 25 und die Anschlüsse 7, 7' zusammen hergestellt werden, indem eine Schicht des für die Membran 25 vorgesehenen Materials aufgebracht und diese Schicht zur Membran 25 und den Anschlüssen 7, 7' strukturiert wird. Die Membran 25 ist somit integral mit den elektrisch leitfähigen Anschlüssen 7, 7' ausgebildet. Wenn es sich bei der Membran 25 und den Anschlüssen 7, 7' beispielsweise um Polysilizium handelt, kann die Membran 25 mit einem gewünschten spezifischen Widerstand versehen werden, indem das Polysilizium mit einer geeigneten Konzentration eines Dotiermittels dotiert wird, und die Anschlüsse 7, 7' können mit einer höheren Konzentration des Dotiermittels dotiert werden, um deren elektrische Leitfähigkeit zu steigern. Somit wird eine elektrisch leitfähige Membran 25 mit niederohmigen Anschlüssen 7, 7' erlangt.
Steckkontakte 27, 27' können vorgesehen sein, um die Anschlüsse 7, 7' mit einer Metallisierungsschicht 13 der Verdrahtung zu verbinden. So wird die Membran 25 elektrisch an die integrierte Schaltung und/oder externe Kontaktflecken angeschlossen. Die elektrische Verbindung des Sensors kann wie vorstehend beschrieben Substratdurchkontaktierungen im Substrat 1 enthalten. Die Oberseite der dielektrischen Schicht 3 kann mit einer Passivierungsschicht 30 bedeckt sein.
9 ist ein Querschnitt gemäß 8, der ein weiteres Zwischenprodukt nach der Strukturierung der Passivierungsschicht 30 und nach dem Aufbringen einer Maskenschicht 32 zeigt. Elemente des Zwischenprodukts gemäß 9, die entsprechenden Elementen des Zwischenprodukts gemäß 8 ähnlich sind, sind mit denselben Bezugszahlen bezeichnet. Die Passivierungsschicht 30 weist mehrere Öffnungen 31 auf, und die Maskenschicht 32 weist ein Maskenfenster 33 im Bereich einer der Öffnungen 31 über einer zentralen Öffnung 37 der Membran 25 und der Absorberschicht 26 auf. Wenn die optionale Absorptionsschicht 28 vorgesehen ist, ist die zentrale Öffnung 37 auch in der optionalen Absorptionsschicht 28 vorgesehen. Die unterbrochenen Linien in 9 zeigen einen Bereich der dielektrischen Schicht 3, der anschließend in einem Ätzschritt entfernt wird, um eine Öffnung in der dielektrischen Schicht herzustellen. Durch diese Öffnung hindurch kann eine Ausnehmung in das Substrat 1 unter der Schichtfolge 25, 26, 28 geätzt werden, die für den Sensor vorgesehen ist.
10 ist ein Querschnitt gemäß 9, der ein weiteres Zwischenprodukt nach der Ausbildung einer Ausnehmung 16 im Substrat 1 zeigt. Elemente des Zwischenprodukts gemäß 10, die entsprechenden Elementen des Zwischenprodukts gemäß 9 ähnlich sind, sind mit denselben Bezugszahlen bezeichnet. Die Ausnehmung 16 des Substrats 1 kann durch ein anisotropes Ätzen durch die Öffnung in der dielektrischen Schicht 3 hindurch hergestellt werden, die zuvor unter Verwendung der Maskenschicht 32 hergestellt wurde. Ein Trockenfilm 34 kann aufgebracht werden, um die Öffnung der dielektrischen Schicht 3 und die Ausnehmung 16 abzudecken. Über der Schichtfolge des Sensors wird der Trockenfilm 34 vorzugsweise entsprechend der Passivierungsschicht 30 strukturiert, so dass die Bereiche der dielektrischen Schicht 3, die in 10 mit unterbrochenen Linien angezeigt sind, anschließend unter Verwendung des Trockenfilms 34 als Maske entfernt werden können.
11 ist ein Querschnitt gemäß 10 nach einem weiteren Ätzschritt, um einen Graben 35 über der Schichtfolge 25, 26, 28 auszubilden, die für den Sensor vorgesehen ist. Der Graben 35 wird als Wärmeisolation für den Sensor vorgesehen. Dann wird der Trockenfilm 34 vorzugsweise entfernt. Die Abdeckung 2 kann dann auf die sich ergebende Bauteilstruktur, die in 11 gezeigt ist, aufgebracht werden, um den Hohlraum 6 wie vorstehend beschrieben auszubilden.
12 ist ein Querschnitt gemäß 8 für eine Variante des Verfahrens. Elemente des Zwischenprodukts gemäß 12, die entsprechenden Elementen des Zwischenprodukts gemäß 8 ähnlich sind, sind mit denselben Bezugszahlen bezeichnet. In der Ausführungsform gemäß 12 ist die für den Sensor vorgesehene Schichtfolge mit der Membran 25, der Absorberschicht 26 und der optionalen Absorptionsschicht 28 auf einer Opferschicht 36 angeordnet. Das Material der Opferschicht 36 wird vorzugsweise so gewählt, dass es im Hinblick auf die dielektrische Schicht 3 bis zu der für den Sensor vorgesehenen Schichtfolge und zum Halbleitermaterial des Substrats 1 selektiv geätzt werden kann.
Anstatt wie im vorhergehenden Beispiel gemäß den 8 bis 11 eine Ausnehmung in das Substrat 1 zu ätzen, wird nur die Opferschicht 36 entfernt, um die Sensormembran 25 vom Halbleitermaterial des Substrats 1 zu trennen. Da das Substrat 1 hier während der Ausbildung des Hohlraums 6 unverändert bleibt, kann die integrierte Schaltung, wie beispielsweise in der Ausführungsform gemäß 4, in den Bereich unmittelbar unter dem Sensor eingesetzt werden.
13 ist eine Draufsicht auf ein Beispiel der Membran 25 des Sensors. Die zentrale Öffnung 37 wird dazu verwendet, die Ausnehmung 16 gemäß den 10 und 11 zu ätzen bzw. die in 12 gezeigte Opferschicht 36 zu entfernen. Die Anschlüsse 7, 7' werden vorzugsweise als integrale Bestandteile der Schicht der Membran 25 ausgebildet und mit den Steckern 27, 27' versehen. Die Membran 25 kann beispielsweise mit einem pn-Übergang 29 versehen werden, der die Membran 25 durchquert, wie in 13 gezeigt ist. Wenn die Membran 25 in der Gestalt eines Quadrats vorliegt, kann der pn-Übergang 29 zum Beispiel entlang der Diagonale angeordnet werden, aber andere Positionen des pn-Übergangs 29 können auch geeignet sein, wie mit der vertikalen unterbrochenen Linie in 13 angegeben ist. Der pn-Übergang 29 kann entlang einer geraden Linie verlaufen oder gekrümmt sein. Wenn es sich bei der Membran 25 um ein Halbleitermaterial wie Polysilizium handelt, kann der pn-Übergang 29 durch Implantierungen von Dotierstoffen für entgegengesetzte Leitfähigkeitstypen ausgebildet werden. Die mit einem Leitfähigkeitstyp dotierte Membranzone wird über den Anschluss 7 und den Steckkontakt 27 an die Metallisierungsschichten 13 angeschlossen, und die mit dem entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp dotierte Membranzone wird über den weiteren Anschluss 7' und den weiteren Steckkontakt 27' an die Metallisierungsschichten 13 angeschlossen. Der pn-Übergang 29 bildet eine Diode, die anstelle eines elektrischen Widerstands zur Infraroterfassung verwendet werden kann. In beiden Fällen, entweder einen Widerstand oder eine Diode zu verwenden, kann die Wirkung einfallender Infrarotstrahlung erfasst werden, indem die induzierte Änderung des durch den Widerstand oder die Diode fließenden Stroms bei einer vorbestimmten Spannung gemessen wird, oder indem die induzierte Änderung der Spannung gemessen wird, die für die Erzeugung eines durch den Widerstand oder die Diode fließenden vorbestimmten Stroms erforderlich ist.
Eine Diode mit einem pn-Übergang kann anstelle eines elektrischen Widerstands oder zusätzlich zu einem elektrischen Widerstand vorgesehen werden. Insbesondere ist es machbar, dass ein oder mehrere Sensor/en der Bildgebungsvorrichtung eine elektrisch widerstandsbehaftete Membran umfasst bzw. umfassen, während mindestens ein weiterer Sensor der Vorrichtung eine Membran mit einem pn-Übergang aufweist.
14 ist ein Querschnitt einer weiteren Ausführungsform mit einer abwechselnden Anordnung aus Sensoren 5 und integrierten Komponenten 40 insbesondere einer CMOS-Schaltung. Elemente der Ausführungsform gemäß 14, die entsprechenden Elementen der Ausführungsform gemäß 4 ähnlich sind, sind mit denselben Bezugszahlen bezeichnet. In der Ausführungsform gemäß 14 erstreckt sich der Hohlraum 6 in Bereichen zwischen den Komponenten 40 der integrierten Schaltung 4 in das Substrat 1, wodurch mehrere separate Abteilungen 39 für einzelne Sensoren 5 geschaffen werden, die in oder über den Abteilungen 39 angeordnet sind. Es kann eine beliebige Anzahl an Abteilungen 39 geben, da es eine beliebige Anzahl an Sensoren 5 geben kann. Jede der Abteilungen 39 kann für einen der Sensoren 5 vorgesehen sein, wie in 14 angegeben ist, aber eine Abteilung 39 kann stattdessen auch leer oder für mehr als einen Sensor 5 vorgesehen sein. Obere Abschnitte der Abteilungen 39 können durch einen Teil der dielektrischen Schicht 3 getrennt sein. Ein oberer Abschnitt des Hohlraums 6 kann sich über den Abteilungen 39 und über der dielektrischen Schicht 3 in die Abdeckung 2 erstrecken, wie in 14 gezeigt ist. Eine solche Anordnung ergibt einen Hohlraum 6, der mehrere oder alle Abteilungen 39 gemeinsam enthält und derselbe Hohlraum 6 umgibt somit mehrere oder alle Sensoren 5.
Die Komponenten 40 der integrierten Schaltung 4 zwischen den Abteilungen 39 können vorteilhafter Weise für eine Verstärkung des Sensorsignals oder der Sensorsignale verwendet werden. Der Verstärker ist somit im Nahbereich des Sensors oder der Anordnung von Sensoren 5 angeordnet, so dass im Vergleich zu herkömmlichen Vorrichtungen parasitäre Impedanzen reduziert sind und der Rauschabstand verbessert ist.
In der Ausführungsform gemäß 14 ist der Hohlraum 6 vorzugsweise ein Vakuum oder hat einen Gasdruck von typischerweise weniger als 100 Pa oder sogar weniger als 10 Pa. Dies kann dadurch erzielt werden, dass, wie vorstehend beschrieben, Silizium der Abdeckung 2 an die Oberfläche des die dielektrische Schicht 3 bildenden Siliziumoxids gebunden wird.
Diese Erfindung stellt das erste chipvollintegrierte optische Infrarotsystem bereit, das sich aus Linsen und Sensorelementen zusammensetzt und sich durch eine integrierte Schaltung, eine optionale Gehäusebildung auf Waferebene (wafer-level packaging) inklusive Waferbonding, und optionale Substratdurchkontaktierungen oder eine Drahtbond-Integration auszeichnet.
Bezugszeichenliste

1: Substrat
2: Abdeckung
3: dielektrische Schicht
4: integrierte Schaltung
5: Sensor
6: Hohlraum
7: Anschluss
7': Anschluss
8: Oberflächenstruktur
9: Substratdurchkontaktierung
10: Anschlusskontaktfleck
11: Außenoberfläche des Substrats
12: Außenoberfläche der Abdeckung
13: Metallisierungsschicht
14: Kontaktfläche
15: Durchkontaktierungsdielektrikum
16: Ausnehmung
17: Lotkugel
18: Draht
19: Lotkugel
20: Lotkugel
21: Vertiefung
22: Strukturierungsschicht
23: zentraler Abschnitt
24: peripherer Abschnitt
25: Membran
26: Absorberschicht
27: Steckkontakt
27': Steckkontakt
28: optionale Absorptionsschicht
29: pn-Übergang
30: Passivierungsschicht
31: Öffnung
32: Maskenschicht
33: Maskenfenster
34: Trockenfilm
35: Graben
36: Opferschicht
37: Öffnung
28: Antireflexionsbeschichtung
39: Abteilung
40: Komponente der integrierten Schaltung
α: Winkel
d: Tiefe
D: Durchmesser
f: Brennweite

Claims

Integrierte Bildgebungsvorrichtung, Folgendes aufweisend: - ein Substrat (1) mit einer integrierten Schaltung (4), - eine Abdeckung (2), - eine dielektrische Schicht (3) zwischen dem Substrat (1) und der Abdeckung (2), - einen Sensor (5) oder eine Anordnung von Sensoren (5), - einen Hohlraum (6), der zwischen dem Substrat (1) und der Abdeckung (2) eingeschlossen ist, und - wobei eine der dielektrischen Schicht (3) gegenüberliegende Oberfläche (11) des Substrats (1) oder eine der dielektrischen Schicht (3) gegenüberliegende Oberfläche (12) der Abdeckung (2) mit einer Struktur (8) versehen ist, die einfallende Strahlung auf den Sensor (5) oder die Anordnung von Sensoren (5) lenkt, dadurch gekennzeichnet, dass - die Abdeckung (2) Silizium umfasst, das an ein eine Oberfläche der dielektrischen Schicht (3) bildendes Siliziumoxid gebunden ist, - der Sensor (5) oder die Anordnung von Sensoren (5) im Hohlraum (6) angeordnet ist, und - der Hohlraum (6) ein Vakuum ist oder einen Gasdruck von weniger als 100 Pa hat.
Integrierte Bildgebungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei es sich bei der Oberflächenstruktur (8) um eine Zonenplatte zum Bündeln von Infrarotstrahlung handelt.
Integrierte Bildgebungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei es sich bei der Oberflächenstruktur (8) um eine Fresnel-Linse zum Bündeln von Infrarotstrahlung handelt.
Integrierte Bildgebungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Sensor (5) oder die Anordnung von Sensoren (5) eine Diode mit einem in Polysilizium ausgebildeten pn-Übergang umfasst.
Integrierte Bildgebungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, darüber hinaus aufweisend: mindestens eine Metallisierungsschicht (13), die in die dielektrische Schicht (3) eingebettet ist, und mindestens einen elektrisch leitfähigen Anschluss (7, 7') des Sensors (5) oder der Anordnung von Sensoren (5) an die Metallisierungsschicht (13), wobei sich der elektrisch leitfähige Anschluss (7, 7') vom Hohlraum (6) in die dielektrische Schicht (3) erstreckt.
Integrierte Bildgebungsvorrichtung nach Anspruch 5, wobei der Sensor (5) oder die Anordnung von Sensoren (5) eine Membran (25) umfasst, die integral mit dem elektrisch leitfähigen Anschluss (7, 7') ausgebildet ist.
Integrierte Bildgebungsvorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Membran (25) elektrisch widerstandsbehaftet ist.
Integrierte Bildgebungsvorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Membran (25) einen pn-Übergang (29) umfasst.
Integrierte Bildgebungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei sich der Hohlraum (6) in das Substrat (1) und in die Abdeckung (2) erstreckt.
Integrierte Bildgebungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei sich der Hohlraum (6) in das Substrat (1) erstreckt und Abteilungen (39) bildet, die durch Komponenten (40) der integrierten Schaltung (4) getrennt sind, wobei jeder Sensor (5) in oder über einer der Abteilungen (39) angeordnet ist.
Integrierte Bildgebungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Hohlraum (6) in der dielektrischen Schicht (3) angeordnet ist und sich in die Abdeckung (2) erstreckt.
Integrierte Bildgebungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, darüber hinaus aufweisend: mindestens eine Substratdurchkontaktierung (9) im Substrat (1), wobei die Substratdurchkontaktierung (9) die integrierte Schaltung (4) oder den Sensor (5) oder die Anordnung von Sensoren (5) elektrisch mit einem Anschlusskontaktfleck (10) auf der Oberfläche (11) des Substrats (1) verbindet, die der dielektrischen Schicht (3) gegenüberliegend ist.
Integrierte Bildgebungsvorrichtung nach Anspruch 12, wobei die Substratdurchkontaktierung (9) nicht mit elektrisch leitfähigem oder dielektrischem Material gefüllt ist, und die Abdeckung (2) über der Substratdurchkontaktierung (9) an die dielektrische Schicht (3) gebunden ist.
Integrierte Bildgebungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei es sich bei der integrierten Schaltung (4) um eine CMOS-Schaltung handelt und die dielektrische Schicht (3) eine Verdrahtung (13, 14) der integrierten Schaltung (4) umfasst.
Verfahren zum Herstellen einer integrierten Bildgebungsvorrichtung, Folgendes umfassend: - Versehen eines Substrats (1) mit einer integrierten Schaltung (4) und mit einer dielektrischen Schicht (3), wobei zumindest eine Oberfläche der dielektrischen Schicht (3) durch ein Siliziumoxid gebildet ist, - Anordnen eines Sensors (5) oder einer Anordnung von Sensoren (5) auf oder über dem Substrat (1), - Aufbringen einer Silizium umfassenden Abdeckung (2) auf das Substrat (1) durch Bonden des Siliziums der Abdeckung (2) an das Siliziumoxid der dielektrischen Schicht (3), wodurch ein Hohlraum (6) gebildet wird, in dem der Sensor (5) oder die Anordnung von Sensoren (5) angeordnet wird, und - Ätzen einer der dielektrischen Schicht (3) gegenüberliegenden Oberfläche (11) des Substrats (1) oder einer der dielektrischen Schicht (3) gegenüberliegenden Oberfläche (12) der Abdeckung (2), um eine Struktur (8) herzustellen, die einfallende Strahlung auf den Sensor (5) oder die Anordnung von Sensoren (5) lenkt.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei der Hohlraum (6) so ausgebildet wird, dass er ein Vakuum oder einen Gasdruck von weniger als 100 Pa hat.
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, wobei die Oberflächenstruktur (8) geätzt wird, um eine Fresnel-Linse zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei die Oberfläche (11, 12), in welche die Fresnel-Linse geätzt werden soll, mit einer Strukturierungsschicht (22) bedeckt wird, die Strukturierungsschicht (22) der Fresnel-Linse entsprechend strukturiert wird, und die Strukturierungsschicht (22) durch einen anisotropen Ätzprozess entfernt wird, der die Struktur der Strukturierungsschicht (22) in die Oberfläche (11, 12) überträgt.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei es sich bei der Oberfläche (11, 12), in welche die Fresnel-Linse geätzt werden soll, um Silizium handelt, und die Strukturierungsschicht (22) aus einem Polymer gebildet wird, das dieselbe Ätzrate wie Silizium hat.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19, darüber hinaus umfassend: Anordnen des Sensors (5) oder der Anordnung von Sensoren (5) in der dielektrischen Schicht (3), Ätzen einer Ausnehmung (16) in das Substrat (1) unter dem Sensor (5) oder der Anordnung von Sensoren (5), und zumindest teilweises Entfernen der dielektrischen Schicht (3) vom Sensor (5) oder von der Anordnung von Sensoren (5).
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 20, darüber hinaus umfassend: Anordnen des Sensors (5) oder der Anordnung von Sensoren (5) auf einer Opferschicht (36) und in der dielektrischen Schicht (3), Entfernen der Opferschicht (36), und zumindest teilweises Entfernen der dielektrischen Schicht (3) von dem Sensor (5) oder der Anordnung von Sensoren (5).
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 21, darüber hinaus umfassend: Ausbilden des Sensors (5) oder der Anordnung von Sensoren (5) mit einer Membran (25) aus Polysilizium, die integral zurammen mit elektrisch leitfähigen Anschlüssen (7, 7') strukturiert wird, welche die Membran (25) an Metallisierungsschichten (13) in der dielektrischen Schicht (3) anschließen.
Verfahren nach Anspruch 22, darüber hinaus umfassend: Versehen der Membran (25) mit einem pn-Übergang (29).