Mikrothermopaare mit vertikal freistehender Geometrie als Basis zum Aufbau von hochauflösenden Mikrothermoelement-Array-Detektoren

Abstract

Micro-thermopiles are promising candidates to meet the rising demand on cost-effective IR detector arrays with high resolution and low system complexity in technology fields like automotive, surveillance or smart-building. High volume production is enabled by silicon technology. Furthermore, they directly provide an electrical voltage as detector signal due to the Seebeck-effect. Their main drawback, however, is that their sensitivity correlates with the physical length of the thermocouples (thermal length). Therefore, detector arrays of micro-thermopiles with high sensitivity require a large amount of space. To overcome this drawback, this thesis focusses on the development, fabrication and characterization of novel micro-thermocouples with vertically free-standing geometry (3D TC), whose hot and cold contacts are perpendicular to each other. As proof of concept, several differently sized 3D micro-thermopile array detectors were fabricated in a complex manufacturing process based on photo-assisted electrochemical etching of silicon. The thermo legs are made of n- and p-doped polysilicon and the 3D TCs have a total length of 510 µm with an aspect ratio of 100:1. Experimentally, sensitivities of up to 65 V/W, specific detectivities of up to 2.53e7 cmHz0.5/W and thermal time constants between 5 ms and 9 ms are determined.

Mikrothermoelemente sind Kandidaten um den steigenden Bedarf an kostengünstigen IR-Detektorarrays mit hoher Auflösung und einer geringen Systemkomplexität u. a. im Automobil-, Überwachungs- oder Smart-Building-Bereich zu bedienen. Sie können mittels Siliziumtechnologie in Massenfertigung hergestellt werden und liefern aufgrund des Seebeck-Effektes direkt eine elektrische Spannung als Detektorsignal. Ihr wesentlicher Nachteil ist jedoch, dass die Empfindlichkeit mit der Länge der Mikrothermopaare (thermische Länge) korreliert, weshalb Detektorarrays aus empfindlichen Mikrothermoelementen einen hohen Platzbedarf zur Folge haben. Im Sinne der Überwindung dieses Nachteils, befasst sich diese Dissertation mit der Entwicklung, Herstellung und Charakterisierung neuartiger Mikrothermopaare mit vertikal freistehender Geometrie (3D TP), deren heiße und kalte Kontaktstellen senkrecht übereinander stehen. Als Machbarkeitsnachweis wurden 3D Mikrothermoelement-Array-Detektoren mit unterschiedlich großen 3D TE in einem komplexen Herstellungsprozess realisiert, dessen Schlüsseltechnologie auf dem lichtinduzierten elektrochemischen Ätzen von Silizium basiert. Die 3D TP haben dabei eine Gesamtlänge von 510 µm bei einem Aspektverhältnis von 100:1 und bestehen aus n- und p-Polysilizium Thermoschenkeln. Es konnten Empfindlichkeiten von bis zu 65 V/W, spezifische Detektivitäten von bis zu 2.53e7 cmHz0.5/W und thermische Zeitkonstanten zwischen 5 ms und 9 ms nachgewiesen werden.