Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMS
Ungekühlte Infrarotsensoren nutzen Mikrobolometer als Sensorelement für IR-Strahlung. Das Fraunhofer IMS hat als eine Kernkompetenz einen eigenen Herstellungsprozess für Mikrobolometer entwickelt und ist damit der einzige Hersteller von Mikrobolometern in Deutschland. Mikrobolometer arbeiten nach dem thermischen Prinzip, bei der die von einem Objekt emittierte Infrarotstrahlung mittels einer thermisch sehr gut isolierten Membran absorbiert wird. Diese Membran erwärmt sich aufgrund der thermischen Isolation und der Absorption. Da in dieser Membran ein temperaturabhängiger Widerstand als Sensorschicht enthalten ist, erfolgt schließlich eine Änderung des elektrischen Widerstandes, der von der Ausleseschaltung in ein 16-Bit-Signal konvertiert wird. Weltweit wird als Sensormaterial Vanadiumoxid oder amorphes Silizium eingesetzt, wobei die ungekühlten Infrarotsensoren des Fraunhofer IMS auf amorphem Silizium basieren.
Eine wichtige Kenngröße für Mikrobolometer ist deren Pixelpitch, der als Mitte-Mitte-Abstand von Mikrobolometern definiert ist. Ungekühlte Infrarotdetektoren weisen meistens einen Pixelpitch von 25 µm, 17 µm oder 12 µm auf.
Die Mikrobolometer werden durch Postprozessing-Schritte auf CMOS-Wafern im MST Lab & Fab Reinraum des Fraunhofer IMS hergestellt. Die nachfolgende Abbildung zeigt mit der Aufsicht und dem Querschnitt zwei Rasterelektronenmikroskop-Bilder eines realisierten Mikrobolometers.
Das linke REM-Bild zeigt eine Aufsicht auf eine Mikrobolometer-Struktur mit 17 µm Pixelpitch. Im Mittelteil ist die Absorptionsmembran zu erkennen. In der Ecke werden zwei Metallkontakte zur Verbindung der Ausleseschaltung (ROIC) mit der Membran platziert. Zwei Stege zur thermischen Isolierung der Membran werden zwischen der Membran und dem Kontakt realisiert.
Im rechten REM-Bild ist der Querschnitt durch ein Mikrobolometer und die darunterliegende Ausleseschaltung dargestellt. Es ist zu erkennen, dass die Membran ca. 2 µm oberhalb einer Reflektorschicht mittels beider Stege fixiert wird. Es bildet sich so ein λ/4-Resonator, der für eine maximale Absorption der einfallenden IR-Strahlung sorgt. Es handelt sich bei der dargestellten Mikrobolometer-Struktur um ein sogenannten »Single-Level«-Mikrobolometer, das sich über einen einzelnen Opferschichtprozess herstellen lässt. Unterhalb des Mikrobolometers befindet sich die Ausleseschaltung, deren Metallleitungen deutlich erkennbar sind.