(57)【要約】  本発明は、複数の熱電対（３４）と一つの支持体素子（４４）とを備えているマイクロ構造体を有している赤外線センサ（４０）に関する。各熱電対（３４）は、第１のゼーベック係数を有している第１のセンサ素子（２８）と、第２のゼーベック係数を有している第２のセンサ素子（３０）とを含んでいる。第１及び第２のセンサ素子（２８，３０）は、支持体素子（４４）の前面から支持体素子（４４）を貫通して支持体素子（４４）の裏面（１６）まで延在しており、且つ、支持体素子（４４）の上側の領域において相互に電気的に接続されている。支持体素子（４４）は集積回路（１８）用の基板を形成しており、この集積回路は少なくとも一つの構成素子を含んでおり、この少なくとも一つの構成素子は、支持体素子（４４）の裏面（１６）に形成されており、且つ、第１及び第２のセンサ素子（２８，３０）と電気的に接続されている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の熱電対（３４）と一つの支持体素子（４４）とを備えているマイクロ構造体を有している赤外線センサ（４０）であって、
前記熱電対（３４）はそれぞれ、第１のゼーベック係数を有している第１のセンサ素子（２８）と、第２のゼーベック係数を有している第２のセンサ素子（３０）とを含んでおり、
前記第１のセンサ素子（２８）及び前記第２のセンサ素子（３０）は、前記支持体素子（４４）の前面から前記支持体素子（４４）を貫通して前記支持体素子（４４）の裏面（１６）まで延在しており、
前記第１のセンサ素子（２８）及び前記第２のセンサ素子（３０）は、前記支持体素子（４４）の上側の領域において相互に電気的に接続されている、赤外線センサ（４０）において、
前記支持体素子（４４）は、集積回路（１８）用の基板を形成しており、
前記集積回路（１８）は少なくとも一つの構成素子を含んでおり、該少なくとも一つの構成素子は、前記支持体素子（４４）の前記裏面（１６）に形成されており、且つ、前記第１のセンサ素子（２８）及び前記第２のセンサ素子（３０）と電気的に接続されている、ことを特徴とする、赤外線センサ（４０）。
【請求項２】
前記少なくとも一つの構成素子は、前記第１のセンサ素子（２８）及び前記第２のセンサ素子（３０）間の電圧を検出するように構成されている、請求項１の赤外線センサ（４０）。
【請求項３】
前記集積回路（１８）は、増幅器及び／又はアナログ・ディジタル変換器を含んでいる、請求項１又は２に記載の赤外線センサ（４０）。
【請求項４】
前記集積回路（１８）は、前記支持体素子（４４）の前記裏面（１６）の温度を検出するための温度センサを含んでいる、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の赤外線センサ（４０）。
【請求項５】
前記第１のセンサ素子（２８）は、中空状の断面を有するように形成されており、
前記第２のセンサ素子（３０）は、前記第１のセンサ素子（２８）内に配置されている、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の赤外線センサ（４０）。
【請求項６】
前記集積回路（１８）は、複数のはんだコンタクト（２０）を有している、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の赤外線センサ。
【請求項７】
複数の熱電対（３４）と一つの支持体素子（４４）とを備えているマイクロ構造体を製造するための方法において、
−集積回路（１８）用の基板を形成する基板材料（１０）を準備するステップと、
−前記基板材料（１０）の裏面（１６）に、少なくとも一つの構成素子を含んでいる集積回路（１８）を形成するステップと、
−前記基板材料（１０）の前記裏面（１６）から前記基板材料（１０）の内部へと延びる複数の縦穴（２２）を形成するステップと、
−第１のゼーベック係数を有している第１の材料（２４）を、前記複数の縦穴（２２）のうちの第１の所定数の縦穴の各内部空間に配置し、第１のセンサ素子（２８）をそれぞれ形成するステップと、
−第２のゼーベック係数を有している第２の材料（２６）を、前記複数の縦穴（２２）のうちの第２の所定数の縦穴の各内部空間に配置し、第２のセンサ素子（３０）をそれぞれ形成するステップと、
−前記基板材料（１０）の前面（３２）側から前記基板材料（１０）を除去し、それによって、前記第１のセンサ素子（２８）及び／又は前記第２のセンサ素子（３０）の少なくとも一つの領域を露出させるステップと、
を備えていることを特徴とする、方法。
【請求項８】
先ず、前記第１の材料（２４）を前記縦穴の各内部空間に配置し、その後に、絶縁性材料を前記第１の材料（２４）上に被着させ、続いて前記第２の材料（２６）を前記絶縁性材料上に被着させる、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
第１の半導体層（１２）と、第２の半導体層（１４）と、該第１の半導体層（１２）と該第２の半導体層（１４）との間に配置されている絶縁層とを有している半導体材料を基板材料（１０）として準備する、請求項７又は８に記載の方法。
【請求項１０】
前記複数の縦穴（２２）を形成するために、前記第１の半導体層（１２）を乾式化学的エッチング法でもってエッチングし、前記第２の半導体層（１４）を電気化学的エッチング法でもってエッチングする、請求項９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の熱電対と一つの支持体素子とを備えているマイクロ構造体を有している赤外線センサに関する。更に本発明は、複数の熱電対と一つの支持体素子とを備えているマイクロ構造体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
冒頭で述べたような赤外線センサ及び相応の製造方法は、例えば、独国特許出願公開第１０２００９０４３４１３号明細書（DE 10 2009 043 413 B3）から公知である。この刊行物によれば、個々の熱電対がそれぞれ相互に平行に配向されている二つの半導体ロッドから形成されており、且つ、それらの半導体ロッドが自立的にセンサの支持体素子から突出している３次元のマイクロ構造体として、赤外線センサを構成することができる。半導体ロッドの自由端部において、二つの半導体ロッドは相互に電気的に接続されているので、それら二つの半導体ロッドが一緒に一つのダブルロッドを形成している。更に、二つの半導体ロッドはそれぞれゼーベック係数が異なる材料から形成されている。それら二つの半導体ロッド間でいわゆる熱起電力を測定することができる。即ち、二つの半導体ロッドが接続されているダブルロッドの自由端部と、センサ底部における端部との間に温度差が生じた際に発生する電圧を測定することができる。ここで、各ダブルロッドは、赤外線センサの画像領域における画素（ピクセル）を表すことができる。
【０００３】
その種の赤外線センサを例えば、サーモグラフィカメラに組み込むことができる。十分な画像解像度を保証するために、その種のサーモグラフィカメラには、通常の場合、数千の熱電対を備えている赤外線センサが複数使用される。熱電対を評価できるようにするために、又は、二つのセンサ素子間の熱起電力を測定できるようにするために、相応の測定回路が複数使用される。評価すべきセンサ素子の数が多いことから、測定電子回路は相当の設置空間を必要とする。更に、赤外線センサのチップと測定電子回路との間の電気的な接続及び機械的な接続に関する問題も存在する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】独国特許出願公開第１０２００９０４３４１３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従って、本発明の課題は、より小型に構成することができ、且つ、より廉価に製造することができる、冒頭で述べたような赤外線センサを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この課題は、請求項１の特徴部分に記載されている構成を備えている赤外線センサによって、また請求項７の特徴部分に記載されている構成を備えている方法によって解決される。本発明の有利な実施の形態は従属請求項に記載されている。
【０００７】
本発明による赤外線センサは、複数の熱電対と一つの支持体素子とを備えているマイクロ構造体を含んでおり、各熱電対は、第１のゼーベック係数を有している第１のセンサ素子と、第２のゼーベック係数を有している第２のセンサ素子とを含んでおり、第１のセンサ素子及び第２のセンサ素子は支持体素子の前面から支持体素子を貫通して支持体素子の裏面まで延在しており、第１のセンサ素子及び第２のセンサ素子は、支持体素子の上側の領域において相互に電気的に接続されており、支持体素子は集積回路用の基板を形成しており、この集積回路は少なくとも一つの構成素子を含んでおり、この少なくとも一つの構成素子は、支持体素子の裏面に形成されており、且つ、第１のセンサ素子及び第２のセンサ素子と電気的に接続されている。
【０００８】
赤外線センサはマイクロ技術的な製造方法によって製造されている。赤外線センサを半導体材料から、特にシリコンから作製することができる。赤外線センサは複数の熱電対を有している。例えば、赤外線センサは、数千の熱電対を有することができる。各熱電対は、ゼーベック係数が異なる二つのセンサ素子を含んでいる。個々のセンサ素子を、ロッド状又は中空円筒状に形成することができる。有利には、個々のセンサ素子が相互に平行に配置されており、且つ、実質的に支持体素子の前面から垂直に突出するように形成されている。各自由端部において、第１のセンサ素子及び第２のセンサ素子が相互に電気的に接続されている。それらのセンサ素子は自由端部から支持体素子を貫通して支持体素子の裏面まで延在している。支持体素子の裏面において、第１のセンサ素子と第２のセンサ素子との間の熱起電力を取り出すことができる。
【０００９】
支持体素子は集積回路用の基板を成している。集積回路は支持体素子の裏面に形成されている。特に、集積回路は支持体素子又は半導体材料に直接的に集積されている。集積回路は、ＣＭＯＳ技術によって作製されている、一つ又は複数の電子的な構成素子を含むことができる。集積回路の少なくとも一つの構成素子は、第１のセンサ素子及び第２のセンサ素子と電気的に接続されている。集積回路は相応の導体路も含むことができる。これによって、少なくとも熱電対の評価回路部を半導体基板に集積することができ、この半導体基板から赤外線センサもマイクロ技術的に製造される。これによって赤外線センサの小型の構造を実現することができる。更に、組み立て技術及び接続技術に関するステップの数も低減される。
【００１０】
有利には、少なくとも一つの構成素子が、第１のセンサ素子及び第２のセンサ素子間の電圧を検出するように構成されている。支持体素子の裏面には、赤外線センサの各熱電対のいわゆる「冷たい端部」がある。センサ素子が電気的に接続されている自由端部には、いわゆる「熱い端部」がある。「熱い端部」と「冷たい端部」との間に温度差があると、第１のセンサ素子と第２のセンサ素子との間に熱起電力が生じる。この熱起電力を直接的に、支持構造体の裏面における相応の構成素子によって更に処理することができる。従って、各熱電対の信号を、その信号が生じた場所で検出することができる。これによって、例えば長い測定線路に起因して生じるかもしれない測定エラーを低減することができる。
【００１１】
一つの実施の形態においては、集積回路が増幅器及び／又はアナログ・ディジタル変換器を含んでいる。集積回路は、各熱電対の信号又は熱起電力を相応に更に処理するように構成されている相応の構成素子を含むこともできる。例えば、測定信号を相応に増幅することができる。このために、増幅器をＣＭＯＳ技術で作製されているトランジスタから形成することができる。集積回路は、測定信号又は熱起電力をディジタル化することができる素子も複数含むことができる。その場合には、集積回路が相応の論理素子を複数含んでいることも考えられる。これによって、赤外線センサ又はセンサチップにおいて、処理された一つ又は複数の信号を直接的に出力することができる。
【００１２】
一つの別の構成においては、集積回路が、支持体素子の裏面の温度を検出するための温度センサを含んでいる。従って、熱起電力の他に、各熱電対の「冷たい端部」における温度も検出することができる。その際、集積回路に複数の温度センサを設けることもできる。温度センサによって検出された信号を直接的に、集積回路によって更に処理することができる。これによって、例えば、測定信号の効果的な温度補償を実現することができる。
【００１３】
有利には、第１のセンサ素子は中空状の断面を有するように形成されており、また第２のセンサ素子は第１のセンサ素子内に配置されている。第１のセンサ素子は、中空円筒の基本形状を有しているが、しかしながら、例えば角筒として形成することもできる。第２のセンサ素子は第１のセンサ素子内に配置されている。換言すれば、中空の第１のセンサ素子の内側は、第２のセンサ素子によって完全に満たされているか、又は、第２のセンサ素子自体も中空の断面を有し、例えば同軸で第１のセンサ素子内に延在している。二つのセンサ素子が入れ子的に嵌め込まれていることによって、個々の熱電対が相互に密着している非常に小型の構造を実現することができる。これによって、小さい画像領域における個々の画素のための個別の熱電対を多数配置することができる。
【００１４】
一つの別の実施の形態においては、集積回路が複数のはんだコンタクトを有している。それらのはんだコンタクトを例えばパッドとして形成することができる。パッド上にはんだを被着させることができる。同様に、相応のはんだペーストを使用することも考えられる。これは赤外線センサの簡単な電気的な接触接続を実現する。これによって、やはり、赤外線センサのケーシング又はサーモグラフィカメラへの組み込みが容易になる。
【００１５】
本発明による、複数の熱電対と一つの支持体素子とを備えているマイクロ構造体を製造するための方法は、集積回路用の基板を形成する基板材料を準備するステップと、基板材料の裏面に、少なくとも一つの構成素子を含んでいる集積回路を形成するステップと、基板材料の裏面から基板材料の内部へと延びる複数の縦穴を形成するステップと、第１のゼーベック係数を有している第１の材料を、複数の縦穴のうちの第１の所定数の縦穴の各内部空間に配置し、第１のセンサ素子をそれぞれ形成するステップと、第２のゼーベック係数を有している第２の材料を、複数の縦穴のうちの第２の所定数の縦穴の各内部空間に配置し、第２のセンサ素子をそれぞれ形成するステップと、基板材料の前面側から基板材料を除去し、第１のセンサ素子及び／又は第２のセンサ素子の少なくとも一つの領域を露出させるステップとを備えている。
【００１６】
赤外線センサを形成するマイクロ構造体を製造するための出発材料は、特に半導体材料から形成されている基板材料である。基板材料の裏面には、集積回路が形成される。その際、有利にはＣＭＯＳ技術が使用される。続いて、集積回路が相応にマスキングされるか、又はパッシベート処理される。その後、裏面側から基板材料をエッチングすることによって複数の縦穴が形成される。それらの縦穴のうちの複数の縦穴に、第１のゼーベック係数を有している材料が供給される。これを例えば、化学気相成長法（ＣＶＤ；Chemical Vapour Deposition）によって行うことができる。更に、第１の材料とは異なるゼーベック係数を有している第２の材料が縦穴に供給される。その際に、第１の材料及び第２の材料を、同じ縦穴の内部空間に供給することもできる。これに関する択一形態では、第１の材料が第１の縦穴の内部空間に供給され、第２の材料が隣接する第２の縦穴の内部空間に供給される。更に、第１の材料及び第２の材料は所定の領域において、相互に電気的に接続される。続いて、基板材料が前面側から除去されて、個々のセンサ素子が露出される。これによって、評価電子回路がセンサチップ上に集積されている赤外線センサのための簡単な製造方法が提供される。
【００１７】
有利には、先ず、第１の材料が縦穴の各内部空間に配置され、その後に、絶縁性材料が第１の材料上に被着され、続いて第２の材料が絶縁性材料上に被着される。複数の縦穴の各内部空間に、第１の材料が被着される。その際に、絶縁性材料が第１の材料を部分的にしか覆わないように、絶縁性材料を被着させることができる。続いて、第２の材料が絶縁性材料に被着される。これによって、各熱電対の二つのセンサ素子が入れ子的に配置されている、複数の熱電対を製造するための簡単な製造方法を提供することができる。
【００１８】
有利には、基板材料として、第１の半導体層と、第２の半導体層と、それらの半導体層間に配置されている絶縁層とを有している半導体材料が準備される。つまり例えば、いわゆるＳＯＩウェハを使用することができる。第１の半導体層は集積回路用の基板を形成することができる。絶縁層によって、スイッチング時間、消費電力、また特に集積回路内の漏れ電流を低減することができる。第２の半導体層を、マイクロシステム技術の方法によって個々の熱電対を製造するために使用することができる。
【００１９】
一つの実施の形態においては、複数の縦穴を形成するために、第１の半導体層が乾式化学的エッチング法でもってエッチングされ、第２の半導体層が電気化学的エッチング法でもってエッチングされる。集積回路用の基板としても使用される第１の半導体層については、マイクロシステム技術においては一般的な乾式エッチング法を使用することができる。その場合、縦穴は２μｍから１０μｍまでの直径を有することができる。一般的に、第１の半導体層よりも厚い層厚を有している第２の半導体層をエッチングするために、電気化学的エッチング法を使用することができる。特に、いわゆるＰＡＥＣＥ（Photo Assisted Electrochemical Etching）法を使用することができる。この方法では、高いアスペクト比を達成することができる。
【００２０】
本発明による赤外線センサと関連させて上記において説明した利点及び発展形態を同様に本発明による方法にも転用することができる。
【００２１】
以下では、添付の図面に基づき本発明を詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】赤外線センサをマイクロ技術的に製造するための基板材料の概略的な斜視図を示す。
【図２】赤外線センサの製造方法を説明するための、基板材料の概略的な断面図を示す。
【図３】赤外線センサの製造方法を説明するための、基板材料の概略的な断面図を示す。
【図４】赤外線センサの製造方法を説明するための、基板材料の概略的な断面図を示す。
【図５】赤外線センサの製造方法を説明するための、基板材料の概略的な断面図を示す。
【図６】赤外線センサの概略的な斜視図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
下記において詳細に説明する実施例は、本発明の有利な実施の形態を表す。
【００２４】
図１には、基板材料１０が概略的な斜視図で示されている。基板材料１０は、半導体材料、特にシリコンから形成されている。この場合、基板材料１０を単結晶シリコン又は多結晶シリコンから形成することができる。基板材料１０を相応にドーピングすることもできる。これとは異なり、基板材料１０が公知の別の半導体材料から作製されていることも考えられる。基板材料１０は、第１の半導体層１２及び第２の半導体層１４を有している。この図において、第１の半導体層及び第２の半導体層の寸法は縮尺通りに描かれていない。通常の場合、第１の半導体層１２は数μｍの厚さを有している。第２の半導体層１４は数百μｍの厚さを有している。第１の半導体層１２と第２の半導体層１４との間には、例えば酸化ケイ素から形成されている絶縁層を付加的に設けることもできる。
【００２５】
図１においては、基板材料１０を回動させて示している。基板材料１０の裏面１６に配置されている第１の半導体層１２は、ここでは詳細に示していない集積回路１８用の基板として使用される。集積回路１８は特にＣＭＯＳ技術によって作製されている。集積回路１８は複数のトランジスタを含むことができ、それらのトランジスタを後の時点において、センサ信号の捕捉及び評価に使用することができる。更に、集積回路１８は複数のはんだコンタクト２０を有しているが、ここではそれらのうち二つのはんだコンタクトが示されている。はんだコンタクト２０は集積回路１８の電気的な接触接続を行うために使用される。
【００２６】
以下では、複数の熱電対と一つの支持体素子とを備えているマイクロ構造体を製造するための製造プロセスを、図２から図５に基づき説明する。それらの図においては、基板材料１０が横断面図でそれぞれ示されている。
【００２７】
図２には、図１に示した基板材料１０の横断面図が示されている。第１の半導体材料１２に集積回路１８を作製した後に、集積回路１８は、ここでは図示していないパッシベーション層又は保護層によって相応に保護される。このために、例えば、基板材料１０の裏面１６から、窒化ケイ素層又は有機保護層を被着させることができる。続いて、基板材料１０の裏面１６にフォトレジストを被着させ、そのフォトレジストをリソグラフィによって相応にパターニングすることができる。
【００２８】
図３には、更なる製造ステップが行われた後の、図２に示した基板材料１０が示されている。ここでは、複数の縦穴２２が基板材料に形成されている。図３においては、図面を見やすくするために、縦穴２２は二つだけ示されている。これらの縦穴２２は、基板材料１０の裏面１６から、基板材料１０に形成されている。縦穴２２は、直径が１０μｍ以下である円形の断面を有することができる。縦穴２２を形成するために、有利には、マイクロ技術を用いたエッチング法が使用される。特に、ここでは、電気化学的なエッチング法、特にいわゆるＰＡＥＣＥ法が使用される。このために、第２の半導体層１４は、典型的には５〜２００Ωｃｍまでの相応のドーピングを有している。
【００２９】
図４には、更なる製造ステップが行われた後の、図３に示した基板材料１０が示されている。ここでは、第１の材料２４及び第２の材料２６が縦穴２２に供給されている。第１の材料２４と第２の材料２６は異なるゼーベック係数を有している。第１の材料２４及び第２の材料２６を、相応にドープされた半導体材料によって形成することができる。この製造ステップにおいては先ず、第１の材料２４が基板材料１０の裏面１６から縦穴２２に供給される。第１の材料２４を、例えば化学気相成長法（ＣＶＤ）を用いて、縦穴２２に供給することができる。第１の材料２４は、縦穴２２の内壁に第１の材料２４の薄い層が堆積されるように、縦穴２２に供給される。続いて、ここでは図示していない絶縁層が縦穴に形成される。このために、絶縁性材料、特に酸化ケイ素を使用することができる。絶縁層を被着させた後に、第２の材料２６が絶縁層上に被着される。第１の材料２４によって、中空円筒の形状を有している第１のセンサ素子２８が形成される。第２の材料２６によって、同様に中空円筒の形状を有している第２のセンサ素子３０が形成され、この第２のセンサ素子３０は、第１のセンサ素子２８の内側において、第１のセンサ素子２８と同軸に配置されている。
【００３０】
第１の材料２４及び第２の材料２６は、それら二つの材料２４，２６が縦穴２２内だけでなく、図４に示されているように、部分的には基板材料１０の裏面１６にも堆積されるように被着される。基板材料１０の裏面１６に存在する材料２４，２６の領域は、集積回路１８の構成素子との電気的な接触接続を行うために使用される。
【００３１】
図５には、更なる製造ステップが行われた後の、図４に示した基板材料１０が示されている。この製造ステップでは、基板材料１０乃至第２の半導体層１４が、裏面１６とは反対側に位置する前面３２から少なくとも部分的に除去される。これによって、第１のセンサ素子２８及び第２のセンサ素子３０によって形成されている熱電対３４が少なくとも部分的に露出される。基板材料１０の残存する部分は、熱電対３４の支持体素子４４を形成する。更に、第１のセンサ素子２８及び第２のセンサ素子３０は、それぞれの露出されている側の端部３６において、相互に電気的に接続される。また、第１のセンサ素子２８及び第２のセンサ素子３０乃至熱電対３４の露出されている側の端部３６には吸収素子３８がそれぞれ設けられている。この吸収素子３８を例えば、相応の表面構造を備えているポリマーによって形成することができる。吸収素子３８によって、熱電対３４の感度を高めることができる。
【００３２】
図６には、図５に示した赤外線センサ４０の概略的な斜視図が示されている。この図６においては付加的に、ここでは見て取れないはんだコンタクト２０に、はんだ４２が設けられている。これによって、赤外線センサ４０を簡単に電気的に接触接続させることができ、また例えば、サーモグラフィカメラに集積することができる。
【図１】
2016502099.tif 000003
【図２】
2016502099.tif 000004
【図３】
2016502099.tif 000005
【図４】
2016502099.tif 000006
【図５】
2016502099.tif 000007
【図６】
2016502099.tif 000008
【国際調査報告】
2016502099.tif 000009
2016502099.tif 000010
2016502099.tif 000011
2016502099.tif 000012