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UV-transparente Schicht für Bildsensoren
Archiv | 05.02.2011 | Bildsensoren, wie sie in Handys verbaut werden, sind in manchen Bereichen farbenblind. Das liegt an der Schicht, die UV-Licht nicht durchlässt. Daher eignen sich diese CMOS-Chips bislang nicht für die Spektroskopie. Ein neuer Fertigungsprozess macht die Schicht transparent – und die Sensoren für Spezialanwendungen tauglich.
In der Unterhaltungselektronik sind sie längst Standard – und ihr
Vormarsch in weitere Anwendungsbereiche ist nicht mehr zu stoppen:
CMOS-Bildsensoren werden nicht mehr nur in Handy- und Digitalkameras
verbaut. Die Automobilindustrie etwa hat das Potenzial der optischen
Halbleiterchips entdeckt und setzt sie zunehmend als
Fahrerassistenzsysteme ein; von der Einparkhilfe über die
Fahrspurerkennung bis hin zum Totwinkel-Warner. Doch die Sensoren, die
Lichtsignale in elektrische Impulse verwandeln, müssen bei
Spezialanwendungen jede Menge aushalten können – beispielsweise hohe
Umgebungstemperaturen oder Feuchtigkeit.
Deshalb sind
CMOS-Bauelemente mit einer Siliziumnitrid-Schicht abgedeckt. Diese
chemische Verbindung bildet harte Schichten, die den Sensor vor
mechanischen Einflüssen und dem Eindringen von Feuchtigkeit und Ionen
schützen. Die Schutzschicht erhält der Sensor im letzten Schritt des
CMOS-Halbleiterverfahrens. Experten nennen das Passivierung. Diese ist
seitens der Industrie vorgeschrieben. Doch bisher gibt es mit der
Passivierung ein Problem: Die Siliziumnitrid-Schicht setzt den optischen
Anwendungsbereichen Grenzen, denn sie ist für Licht im UV- und blauen
Spektralbereich nicht durchlässig – CMOS-Sensoren für Industrie- oder
Spezialkameras sind deshalb teilweise farbenblind.
Forscher des
Fraunhofer-Instituts für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMS
in Duisburg haben für dieses Problem jetzt eine Lösung gefunden: »Wir
haben einen neuen Prozessschritt entwickelt«, sagt Werner Brockherde,
Abteilungsleiter am IMS. »Mit diesem kommen wir zu einer Schutzschicht,
die für blaues und UV-Licht durchlässig ist, aber dennoch die gleichen
Eigenschaften besitzt.« Letztendlich besteht der Trick darin, den
Stickstoffanteil in der Schicht zu erhöhen. »Dadurch haben wir die
sogenannte Bandlücke erhöht«, erklärt Brockherde. Das führt vereinfacht
gesagt dazu, dass das Licht eine höhere Energie als die des UV-Lichts
benötigt, um vom Material absorbiert zu werden – der Sensor ist somit
für den blauen und den UV-Bereich transparent geworden. »Die
CMOS-Bildsensoren sind dadurch auch in Wellenlängenbereichen bis
hinunter zu 200 Nanometer einsetzbar«, sagt Brockherde. »Mit der
Standard-Passivierung war bei etwa 450 Nanometer Schluss.« Um die
Struktur des Siliziumnitrids zu verändern, mussten die
Fraunhofer-Forscher die Abscheideparameter wie Druck oder Temperatur bei
der Herstellung der Schicht optimal anpassen.
Dank dieser
Prozessentwicklung haben die Experten das Anwendungsspektrum der
CMOS-Bildtechnologie erweitert: Sie könnte vor allem UV-spektroskopische
Methoden, die aus kaum einem Labor der Welt wegzudenken sind,
revolutionieren und deren Genauigkeit deutlich verbessern. Ebenso können
CMOS-Bildsensoren künftig in der professionellen Mikroskopie wie etwa
in Fluoreszenzmikroskopen zum Einsatz kommen – und Wissenschaftlern auf
diese Weise noch detailreichere Bilder liefern.
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