Fraunhofer IMS ergänzt das CMOS-Fertigungsverfahren um einen neuen Prozessschritt UV-transparente Schutzschicht für CMOS-Bildsensoren

CMOS-Bildsensoren bekommen künftig eine transparente Schutzschicht, die für Licht im UV- und blauen Spektralbereich durchlässig ist.
CMOS-Bildsensoren bekommen künftig eine transparente Schutzschicht, die für Licht im UV- und blauen Spektralbereich durchlässig ist.

CMOS-Bildsensoren sind in manchen Bereichen farbenblind, was an ihrer Siliziumnitrid-Schicht liegt, die UV-Licht nicht durchlässt, ein neuer Fertigungsprozess macht jetzt die Schutzschicht transparent - und die Sensoren für Spezialanwendungen tauglich.

In der Unterhaltungselektronik sind sie bereits Standard, und in anderen Anwendungsfeldern verbreiten sie sich stetig: CMOS-Bildsensoren werden längst nicht mehr nur in Mobiltelefon-Kameras und Consumer-Digitalkameras verbaut. Die Automobilindustrie etwa hat das Potenzial der Bausteine entdeckt und setzt sie zunehmend in Fahrerassistenzsystemen ein - von der Einparkhilfe über die Fahrspurerkennung bis hin zum Totwinkel-Warner. Auch in der industriellen Bildverarbeitung sind sie auf dem Vormarsch. Doch die Sensoren, die Lichtsignale in elektrische Impulse verwandeln, müssen bei Spezialanwendungen einiges aushalten können - beispielsweise hohe Umgebungstemperaturen oder Feuchtigkeit.

CMOS-Bauelemente sind deshalb 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-Halbleiterfertigungs-Verfahrens, der so genannten Passivierung, die seitens der Industrie vorgeschrieben ist. 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«, verdeutlicht Werner Brockherde, Abteilungsleiter am Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme (IMS). »CMOS-Sensoren für Industrie- oder Spezialkameras sind deshalb teilweise farbenblind.«

Forscher des in Duisburg ansässigen Instituts haben für des Problem jetzt eine Lösung gefunden: »Wir haben einen neuen Prozessschritt entwickelt«, sagt Brockherde. »Er führt uns zu einer Schutzschicht, die für blaues und UV-Licht durchlässig ist, aber dennoch die gleichen Eigenschaften besitzt.« Letztendlich bestehe der Trick darin, den Stickstoffanteil in der Schicht zu erhöhen: »Dadurch haben wir die so genannte Bandlücke vergrößert«, erläutert Brockherde. Vereinfacht gesagt führt dies 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 hat das Institut das Anwendungsspektrum der CMOS-Bildtechnik erweitert: »Sie könnte vor allem UV-spektroskopische Methoden, die aus kaum einem Labor der Welt wegzudenken sind, revolutionieren und deren Genauigkeit deutlich verbessern«, erläutert Brockherde. »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.«