Mediendienst der Fraunhofer-Gesellschaft vom Februar 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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