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Waferbasierte 3D-Integration von IR-Sensor-Technologien

Vertikale Integration auf Wafer-Level

Der Schlüssel zu einem breiten Einsatz von Sensorelementen liegt in deren Kosten. Erst wenn die Einzelkomponente zu Preisen von unter einem Euro verfügbar gemacht werden kann, lässt sich ein Sensor nahezu universell für alle Anwendungen einsetzen, bei denen die jeweilige Funktion des Sensors zweckmäßig genutzt werden kann. Dies gilt insbesondere für die großen Stückzahlen der diversen Consumer-Anwendungen. Die einzige Möglichkeit für derart drastische Kostenreduktionen liegt in der konsequenten Integration aller Funktionen des Sensors in einer Plattform, für die es massenfertigungstaugliche Herstellungsverfahren gibt. Im Falle des Siliziums als Sensormaterial ist die weitestmögliche Nutzung der Methoden der Halbleiterfertigung evident. Dies bedeutet insbesondere, dass eine parallele Herstellung vollständig integrierter Sensorsysteme auf Waferlevel erfolgt. Das vorliegende Konzept für einen Ferninfrarot-Sensor beruht auf der konsequenten Integration aller Einzelfunktionen von der Linse bis zur Ausleseelektronik in Silizium. Auf diese Weise soll gegenüber den heute verfügbaren Infrarot-Sensoren die erforderliche drastische Kostenreduzierung und Miniaturisierung erzielt werden.

Kostengünstige, monolithisch integrierte Ferninfrarot-Sensoren

Für einen kompletten Sensor benötigt man den eigentlichen Detektor, der im vorliegenden Ansatz thermoelektrisch funktioniert, eine Auswerteelektronik, die das Signal ausliest, sowie eine Optik, die die einfallende Strahlung auf den Detektor lenkt. Beim thermoelektrischen Effekt bewirkt ein Temperaturunterschied entlang eines aus unterschiedlichen Materialien bestehenden elektrischen Leiters eine elektrische Spannung.

Im Falle ferninfraroter Strahlung im Frequenzbereich der Wärmestrahlung ist es noch erforderlich, den Detektor von der Umgebungswärme zu entkoppelt, weswegen er sich in einem Vakuum be nden muss. Der Vakuum-Hohlraum muss in Detektionsrichtung mit einer Optik zur Bündelung der einfallenden Strahlung auf den Detektor verschlossen werden.

Alle diese Bestandteile des Sensors werden mit den Verfahren der Halbleiterfertigung aus Silizium hergestellt. Aus diesem Grund ist die Herstellung auf Waferlevel analog der Silizium-Elektronik-Fertigung prinzipiell möglich.

Gleichwohl steht ein solcher Prozess bis heute nicht zur Verfügung. Das vorliegende Verbundprojekt soll alle diejenigen Verfahrensschritte erarbeiten, die nicht einfach von der Elektronik übernommen werden können. Dies betrifft insbesondere die Vakuum-Verkapselung auf Waferlevel, sowie die Herstellung der diffraktiven Optik und der optischen Filter. Diffraktive Optiken unterscheiden sich von gewöhnlichen Linsen darin, dass sie nicht nach dem Prinzip der Lichtbrechung, sondern dem der Beugung von Licht funktionieren.

Als Ergebnis soll ein miniaturisierter Sensor in SMD-Bauweise entstehen, der 0,50$ kostet. Für solche Sensoren wird erwartet, dass für Medizintechnik, Automotive, Consumer- und Industrieanwendungen pro Jahr etwa 250 - 500 Millionen Stück benötigt werden.

Projektdetails

Koordinator

Dipl.-Ing.Norman Marenco
Fraunhofer-Institut für Siliziumtechnologie (ISIT)
Fraunhoferstr. 1, 25524Itzehoe
+49 4821 17-4620

Projektvolumen

2,2 Mio € (ca. 59% Förderanteil durch das BMBF)

Projektdauer

01.05.2013 - 30.04.2016

Projektpartner

Fraunhofer-Institut für Siliziumtechnologie (ISIT)Itzehoe
X-FAB Semiconductor Foundries AGErfurt
Melexis GmbHErfurt
X-FAB MEMS Foundry Itzehoe GmbHItzehoe