Dreidimensionaler thermoelektrischer Infrarot-Strahlungssensor mit Atomlagenabscheidung prozessiert und darauf angepassten Charakterisierungsmethoden

Verheyen, Erik GND

Strahlungssensoren auf Basis von thermoelektrischen Materialien könnten die nächste Innovationsstufe für integrierte Infrarot-Strahlungssensoren darstellen. Im Vergleich zu aktuellen Widerstandsbolometern haben sie Eigenschaften, die sie für die Entwicklung von energieeffizienten integrierten Sensoren ohne zusätzlichen Temperaturabgleich interessant machen, wie zum Beispiel die Gleichlichtempfindlichkeit. Ein großer Nachteil ist die zur Zeit machbare Sensorgröße bzw. die Sensorgeometrie von Thermosäulen, die große Pixelarrays wie bei Stegbolometern unmöglich erscheinen lässt. Durch geschickte Prozessführung können zwar zweidimensionale Arrays hergestellt werden, diese sind in der Anzahl aber durch die Abmessungen des Chips immer noch stark begrenzt. Das Hauptproblem bei der Herstellung der Thermosäulen ist vor allem, eine geeignete thermische Isolation von der Membran zum Substrat zu erreichen und so eine hohe Sensitivität zu erzielen.

Ziel dieser Arbeit ist es, ein Konzept für einen thermoelektrischen Infrarotsensor und der dazu passenden Messtechnik zu entwickeln. Dabei soll vor allem das Problem der Integrationsdichte optimiert werden, um die Herstellung von großen Sensorarrays zu ermöglichen. Um dies zu erreichen, ist ein besonderes Augenmerk auf die Technologie der Atomlagenabscheidung (ALD) gelegt worden, womit dünne, definierte Schichten erzeugt werden können. In dieser Arbeit wird ein einfacher Mikrostrukturierungsprozess gezeigt, der im Reinraum des Fraunhofer-Instituts für Mikroelektronische Schaltungen gefertigt worden ist.

Damit der Mikrostrukturierungsprozess genau untersucht werden kann, sind spezielle Teststrukturen designt worden. So sind zum Beispiel mechanische Teststrukturen designed worden, um den Stress in Schichtstapeln messen zu können, oder eine Geometrie, um die elektrische Kontaktierung zwischen verschiedenen Ebenen zu überprüfen.

Für die Messung der thermischen Leitfähigkeit ist ein Messsystem entwickelt worden, welches einen hohen Stellenwert in dieser Arbeit einnimmt. Die Messung mit der 3ω-Methode ermöglicht eine Wärmeleitfähigkeitsmessung von Schichtsystemen und ist hier durch Berechnungen und Simulationen so erweitert worden, dass auch der thermische Leitwert der Sensorstrukturen gemessen werden kann. Die Wärmeleitfähigkeitsmessung ist dazu simuliert und an unterschiedlichen Strahlungssensoren wie Stegbolometern, Nanoröhrchenbolometern und kommerziellen Thermosäulen untersucht worden. Dabei hat sich ein einfacher Zusammenhang für die Auswertung solcher Messungen über eine RC-Filter-Funktion herausgestellt und damit die Möglichkeit, integrierte Strahlungssensoren auch während des Betriebes charakterisieren und dabei eventuell fehlerhafte ausschalten zu können.

The next generation of integrated infrared thermal detectors could possible be made with thermoelectrical materials. In contrast to state-of-the-art bolometer structures, thermopiles have some properties which could lead to low-energy integrated sensors. Furthermore, thermopiles don't need a shutter for resetting, because they are continuous wave sensitive. One drawback is the today's possible integration size of thermopiles due to their two-dimensional geometry. Therefore, high resolution sensor arrays are not feasible with this geometry. Due to their big lateral dimensions and limited chip area small arrays are feasible only. The biggest challenge is to fabricate a thermal isolation from membrane to substrate, which is in the order of the membrane thermal radiation and additionally leads to a high sensitivity because of the material thermo-electric properties.

The purpose of this work is to develop a new concept for a highly integrated thermo-electrical infrared detector and the necessary measurement techniques to evaluate the detector. One goal is to overcome the possible integration density and enable thermoelectrical sensor arrays with high spatial resolution. To reach this goal the manufacturing is done with atomic layer deposition (ALD). With ALD very thin and defined layers can be manufactured. In this work also a micro structuring process is shown, which is processed in the cleanroom of the Fraunhofer-Institute for Microelectronic Circuits and Systems.

To verify the micro structuring process special fitted test structures were designed. For example, mechanical test structures are implemented, with which the layer stress of layered systems could be measured. Additionally, an electrical contact measurement structure was designed to measure the electrical interface between different layers.

One main task of this work is enabling the measurement of the thermal conduction of the designed sensors. For this task, a 3ω-method like measurement technique was adapted to be able to measure the thermal conduction in the proposed nanostructures.

As part of this work package the thermal conduction was simulated and the measurement technique was tested and evaluated on microbolometers, nanotube bolometers and thermopiles. Within those tests an easy derivable relationship was found, which makes it possible to evaluate the thermal conductivity with a RC-filter fit. Therefore, it is feasible to characterise infrared detectors also during operation and additionally makes it possible to find and disable faulty pixel structures.

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Verheyen, E., 2020. Dreidimensionaler thermoelektrischer Infrarot-Strahlungssensor mit Atomlagenabscheidung prozessiert und darauf angepassten Charakterisierungsmethoden. https://doi.org/10.17185/duepublico/72857
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