Die vorliegende Erfindung betrifft eine Strahlungsquelle zur Erzeugung einer elektromagnetischen Strahlung. Die Strahlungs quelle besitzt ein Trägersubstrat, eine vom Trägersubstrat getragene Membranschicht und eine auf der Membranschicht auf gebrachte Emitterschicht, die über elektrische Kontaktbereiche an eine Stromversorgungsquelle angeschlossen werden kann, um erhitzt zu werden und dadurch die elektromagnetische Strah lung, bevorzugt im Infrarotbereich zu emittieren. Das Trä gersubstrat ist in einem Membranbereich auf der der Emitter schicht abgewandten Seite der Membranschicht entfernt, was insbesondere für die thermische Isolation der Emitterschicht erforderlich ist.

Derartige Strahler sind grundsätzlich bekannt. Sie dienen ins besondere der Erzeugung einer Strahlung im IR-Bereich, welche beispielsweise in Sensoren zur Untersuchung der Zusammenset zung von Gasgemischen verwendet wird.

Die US 6 163 557 A zeigt eine Struktur, welche ein Substrat und einen Gruppe III-V Nitrid Epitaxialfilm umfasst. Weiterhin umfasst das Substrat eine Saphirmembran und/oder mindestens ein Mesa, welches eine ebene Oberfläche und steile Flanken aufweist .

Aus der US 6 031 970 A ist eine Infrarotstrahlungsquelle bekannt. Die IR-Strahlungsquelle umfasst einen elektrisch leitfähigen Film, der durch eine Gas- oder

Dampfphasenabscheidung gebildet ist und mindestens ein

Netzwerk umfasst. Das mindestens eine Netzwerk besteht aus diamantartigem Kohlenstoff. Der elektrisch leitfähige Film ist als Emitterschicht ausgebildet. Eine Substratschicht der IR- Strahlungsquelle weist eine mikrostrukturierte Oberfläche auf.

Die US 2014/0291704 Al beschreibt eine Infrarotvorrichtung, welche eine dielektrische Membran umfasst. Auf oder in der Membran ist mindestens eine gemusterte bzw. strukturierte Schicht gebildet, welche lateral beabstandete Strukturen umfasst .

Die US 2017/0012199 Al zeigt eine optische Strahlungsquelle, die ein Halbleitersubrat, eine in das Halbleitersubstrat geätzte ungeordnete Halbleiterstruktur und ein Heizelement umfasst. Das Halbleitermaterial kann „black Silicon"

entsprechen .

In der EP 1 779 418 Bl ist eine Vorrichtung zum Emittieren und/oder Absorbieren elektromagnetischer Energie beschrieben. Die Vorrichtung umfasst eine Halbleitermaterialschicht und eine metallische oder metallisch-ähnliche Materialschicht, die regelmäßig verteilte Oberflächenmerkmale aufweist.

Aus der DE 10 2010 045 644 Al ist ein Sensor zur Bestimmung einer in einem Abgas eines Verbrennungsmotors enthaltenen Kohlendioxyd- und/oder Wasserkonzentration bekannt. Der Sensor besitzt eine Strahlungsquelle zur Erzeugung einer

charakteristischen elektromagnetischen Strahlung, die von der Strahlungsquelle durch das Abgas auf einen Strahlungsempfänger zur Auswertung der Intensität gestrahlt wird. Die von dem Strahlungsempfänger gemessene Intensität der Strahlung stellt ein Maß für die Kohlendioxyd- und/oder Wasserkonzentration im Abgas dar. Die Strahlungsquelle besitzt ein Substrat, ein darauf ausgebildetes elektrisch betriebenes Heizelement und eine das Heizelement bedeckende Passivierung. Gemäß einer besonderen Ausführungsform ist auf der Passivierung ein sogenanntes Siliziumgras (Black Silicon) ausgebildet, welches der Strahlungsquelle die Eigenschaften eines nahezu idealen Schwarzkörperstrahlers verleihen soll. Als ein wesentliches Merkmal des Siliziumgrases wird eine erhöhte Absorption von einfallendem Licht angegeben. Als Lichtemitter verhält sich das Siliziumgras demnach ähnlich wie ein idealer Schwarz körperstrahler. Die abgestrahlte thermische Strahlung soll in ihrer spektralen Verteilung beim Siliziumgras weitgehend dem Planckschen Strahlungsgesetz folgen.

Vergleichbare Sensoren werden von verschiedenen Herstellern als Mikro-Elektro-Mechanische-Systeme (MEMS) gefertigt, welche ebenfalls Heizstrukturen (sogenannte Hotplates) als Strah lungsquellen nutzen. Untersuchungen haben gezeigt, dass MEMS Heizstrukturen im abgestrahlten Spektrum relevante Abweichun gen zum idealen Schwarzkörper-Spektrum zeigen. Eine Ursache dafür sind Mehrfachreflexionen der emittierten Strahlung, die innerhalb der Träger- und Deckschichten auftreten. Diese

Reflexionen führen u.a. zu Interferenzerscheinungen, die für bestimmte Wellenlängenbereiche stärkere Emissionseinbußen zur Folge haben als in anderen Bereichen. Außerdem ergeben sich auch unter verschiedenen Abstrahlwinkeln aufgrund der Wegun terschiede unterschiedliche Emissionsspektren. Gerade bei dickeren Schichten (Membran- oder Passivierungsschicht) kommt es zu größeren Abweichungen im Emissionsspektrum. Die

Verwendung besonders dünner Schichten könnte diese

Fehlerquelle zwar minimieren, jedoch ergeben sich dann

besondere Schwierigkeiten in der Fertigung, aufgrund der mechanischen Instabilität der Schichten. Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Verfahren zur Her stellung einer Strahlungsquelle. Dazu wird zunächst das Trä gersubstrat bereitgestellt, auf dessen Oberseite in einem spä teren Schritt die Membranschicht aufgebracht wird. Auf der Membranschicht wird dann die Emitterschicht aufgebracht.

Schließlich wird das Trägersubstrat auf der der Membranschicht abgewandten Unterseite in einem Membranbereich entfernt, um die Membranschicht an der von der Emitterschicht abgewandten Seite freizulegen. Weiterhin müssen elektrische Kontaktberei che zur elektrischen Kontaktierung der Emitterschicht ange bracht werden.

Beispielsweise beschreibt die DE 10 2013 017 018 Al ein Ver fahren zum Herstellen einer Struktur sowie eine nach diesem Verfahren hergestellte Mikro-Nano-Struktur . Die Struktur besitzt einen ersten Strukturteil, vorzugsweise bestehend aus Silicium-Mikro-Strukturen, das zumindest teilweise derart mit einem weiteren Strukturteil, vorzugsweise bestehend aus Sili cium, Aluminium oder Kalzium aufweisenden Beschichtungsmateri alien versehen ist. Damit soll eine Oberfläche erhalten wer den, die neben einer hohen Emissivität, insbesondere im infra roten Strahlungsbereich, eine hohe Stabilität gegen mechani sche und/oder thermische und/oder durch Kontaktmedien hervor gerufene Beanspruchung aufweist.

Das Aufbringen mehrerer Schichten über dem eigentlichen Heiz widerstand erfordert hohen technischen Aufwand. Außerdem erhöht sich bei der Verwendung mehrerer an der Emission betei ligte Schichten die thermische Trägheit des Strahlers, was dem Einsatz für schnelle Anwendungen entgegensteht.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend vom Stand der Technik darin, eine als schwarzen Strahler nutzbare Strahlungsquelle mit verbessertem Emissionsspektrum bereitzu stellen, die gleichzeitig einen geringen Fertigungsaufwand erfordert. Die Erfindung soll außerdem ein Verfahren zur Her stellung einer solchen Strahlungsquelle liefern.

Die Aufgabe wird durch eine Strahlungsquelle gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 5 gelöst.

Die erfindungsgemäße Strahlungsquelle zeichnet sich dadurch aus, dass die Membranschicht im Membranbereich eine Oberflä chenstrukturierung (auch als Textur zu verstehen) aufweist und dass die auf der derart strukturierten Membranschicht aufge brachte Emitterschicht dieser Strukturierung folgt. Die durch schnittliche Amplitude der Strukturierung, d. h. die Höhendif ferenz zwischen einem Wellental und einem Wellenberg der Struktur, ist dabei gleich oder größer als die Dicke der Emit terschicht gewählt. Die durch die Oberflächenstrukturierung ausgebildeten Flanken weisen variierende Winkel zur

Haupterstreckungsebene Oberfläche auf, d. h. es besteht eine unregelmäßige Oberflächenstrukturierung .

Ein wesentlicher Vorteil einer so gestalteten Strahlungsquelle besteht darin, dass das abgegebene Emissionsspektrum sehr gleichförmig ist und Interferenzerscheinungen weitgehend ver mieden werden. Da die Strukturierung bereits in einem frühen Prozessschritt in die Membranschicht eingebracht wird, d. h. vor dem Auftrag der Emitterschicht, können weitere Beschich tungsschritte zur Erzeugung einer zusätzlichen Struktur auf der Emitterschicht entfallen. Vorteilhaft ist außerdem, dass keine Prozessschritte erforderlich werden, die typische Halb leiterbearbeitungsanlagen kontaminieren würden. Es werden somit die Vorteile emissionsverbessernder Texturen nutzbar gemacht, ohne dass zusätzlich zur originären Emitterschicht (Heizschicht) weitere Emissionsschichten erzeugt werden müs sen. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass durch die Oberflächenstrukturierung der Membran im Membranbereich eine verringerte mechanische Spannung entsteht.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform folgt die Oberflächen strukturierung der Membranschicht einer vor dem Aufbringen der Membranschicht auf der Oberfläche des Trägersubstrats ausge bildeten Strukturierung unmittelbar. Die auf der Membran schicht erzeugte Struktur wird von der Emitterschicht unmit telbar übernommen. Die Ausbildung der Oberflächenstrukturie rung auf der Membranschicht erfolgt somit innerhalb herkömmli cher Halbleiterprozessschritte.

Vorzugsweise besitzt die Emitterschicht im Membranbereich, der die Oberflächenstrukturierung aufweist, eine im Wesentlichen gleichbleibende Schichtdicke. Die Struktur der Membranschicht wird also im Wesentlichen identisch, d. h. mit gleicher

Amplitude, auf die Emitterschicht übertragen.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Strahlungsquelle zeich net sich dadurch aus, dass auf der der Membranschicht abge wandten Seite der Emitterschicht eine Passivierungsschicht aufgebracht ist, wobei die Passivierungsschicht an den

elektrischen Kontaktbereichen der Emitterschicht durchbrochen ist, um die elektrische Kontaktierung zu ermöglichen. Die Pas sivierungsschicht ist für das gewünschte Spektrum der Emission transparent. Bei abgewandelten Ausführungsformen kann die Pas sivierungsschicht aus mehreren Teilschichten bestehen.

In einer vorteilhaften Ausführungsform weist die

Emitterschicht Löcher auf, die eine Perforierung der

Emitterschicht bilden. Die Membranschicht ist im Bereich der Löcher an der von der Emitterschicht zugewandten Seite

vorzugsweise freigelegt, d. h. im Bereich der in der

Emitterschicht ausgebildeten Löcher ist keine Emitterschicht mehr vorhanden, sodass Durchgangslöcher vorhanden sind.

Alternativ können die Löcher lediglich als Vertiefungen bzw. Sacklöcher ausgebildet sein.

Besonders bevorzugt sind die Löcher in der Emitterschicht nur im dem Bereich der Membranschicht ausgebildet, der die

Oberflächenstrukturierung aufweist. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass der Wärmeeintrag in Bereiche außerhalb der Oberflächenstrukturierung gesenkt wird und somit der

Wirkungsgrad erhöht wird. Es wird eine höhere Abstrahlleistung bei gleichbleibender Heizleistung erzielt.

Die Abmessung der Löcher wird vorzugsweise in Abhängigkeit von der Wellenlänge, für welche die Emitterschicht ausgebildet ist, gewählt. Bevorzugt weist jedes Loch eine Erstreckung auf, die dem 0,1- bis 3-fachen der Zielwellenlänge entspricht.

Besonders bevorzugt weist jedes Loch eine Erstreckung vom 0,25-fachen bis 1-fachen der Zielwellenlänge auf. Bei einer gewünschten Infrarotstrahlung (IR) kann jedes Loch

beispielsweise eine Erstreckung von 0,5 ym bis 50 ym

aufweisen .

Vorzugsweise ist die auf der Emitterschicht aufgebrachte

Passivierungsschicht in dem Bereich der Löcher auf der

Membranschicht ausgebildet und im Weiteren auf der

Emitterschicht ausgebildet. Bevorzugt ist die

Passivierungsschicht durchgängig ausgebildet, wobei sie der Strukturierung der Membranschicht sowie der Emitterschicht folgt . Ein Vorteil einer perforierten bzw. mit Löchern versehenen Emitterschicht ist, dass der elektrische Widerstand erhöht und über die gewählte Anzahl der Löcher einstellbar ist. Die

Einstellung erfolgt unabhängig vom Flächenwiderstand und der Schichtdicke der Emitterschicht. Somit sind besonders dünne und damit schlecht beherrschbare Schichtdicken vermeidbar. Ein weiterer Vorteil ist, dass das Emissionsspektrum modifizierbar ist. Ebenso besteht ein weiterer Vorteil der perforierten bzw. mit Löchern versehenen Emitterschicht darin, dass die

Emissivität bzw. der Emissionsgrad gegenüber Strahlern nach dem Stand der Technik verbessert ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass das Trägersubstrat vor dem Aufbringen der Membranschicht an seiner Oberseite strukturiert wird, um eine Oberflächenstruk turierung bzw. Textur zu erzeugen, deren durchschnittliche Amplitude gleich oder größer ist als die Dicke der in den nachfolgenden Schritten aufzubringenden Emitterschicht.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Emitterschicht mit im Wesentlichen gleich bleibender Dicke auf die Membranschicht aufgebracht wird, sodass die Emitterschicht auch an ihrer der Membranschicht abgewandten Seite eine Oberflächenstrukturie rung aufweist, deren durchschnittliche Amplitude gleich oder größer ist als die Dicke der Emitterschicht.

In einem bevorzugten Verfahrensschritt werden in die

Emitterschicht zahlreiche Löcher eingebracht, sodass die

Emitterschicht eine Perforierung aufweist. Vorzugweise werden die Löcher in einem halbleitertechnologischem

Abscheideverfahren erzeugt, wobei beispielsweise eine

fotolithografische Strukturierung erfolgt. Der

Herstellungsprozess der Löcher in der Emitterschicht sieht vor, dass ein Lack, insbesondere ein Fotolack oder ein Lift- Lack, entsprechend der zu definierenden Positionen

aufgebracht, belichtet und entwickelt wird. Je nach Prozess erfolgt weiterhin ein Plasmaätzen der Emitterschicht und eine Lackentfernung oder ein Sputtern bzw. ein

Kathodenzerstäubungsschritt und ein Lift-Up-Verfahren.

Gemäß einer bevorzugten Ausführung wird in einem weiteren Ver fahrensschritt auf der Emitterschicht eine Passivierungs schicht aufgebracht, welche für die von der Emitterschicht bei Erhitzung emittierte elektromagnetische Strahlung durchlässig ist. Dabei ist es zweckmäßig, wenn in die Passivierungsschicht Durchgangsöffnungen eingebracht werden und diese mit

elektrisch leitfähigem Material gefüllt werden, um die Kon taktbereiche zur elektrischen Kontaktierung der Emitterschicht zu bilden. Besonders bevorzugt erfolgt das Aufbringen der Passivierungsschicht nach dem Ausbilden der Löcher in der Emitterschicht .

Eine besonders bevorzugte Ausführung des Verfahrens nutzt halbleitertechnologische Abscheideverfahren, um die Membran schicht, die Emitterschicht und ggf. die Passivierungsschicht auszubilden .

Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nach folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen :

Fig. 1 einen schematischen Prozessablauf von fünf Schritten zur Herstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Strahlungsquelle ; Fig . 2 einen schematischen Prozessablauf von sechs Schritten zur Herstellung einer zweiten Ausführungsform der Strahlungsquelle .

Fig. 1 zeigt einen schematischen Prozessablauf von fünf

Schritten zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Strah lungsquelle gemäß einer ersten Ausführungsform.

Die in der Fig. 1 dargestellten Schritte a) bis e) stellen die Hauptschritte bei der Ausführung eines erfindungsgemäßen Ver fahrens zur Herstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Strahlungsquelle dar. Im ersten Schritt a) wird ein Trägersubstrat 101 bereitgestellt, welches bevorzugt aber nicht ausschließlich durch ein Siliziumwafer gebildet ist. Abweichend von der im Stand der Technik üblichen

Vorgehensweise wird nachfolgend im Schritt b) nicht sofort eine weitere Schicht auf dem Trägersubstrat abgeschieden sondern stattdessen die Oberseite des Trägersubstrats 101 mit einer Oberflächenstrukturierung 102 versehen. Insbesondere wird der Bereich des Trägersubstrats 101, auf dem später eine Emitterschicht aufgebracht werden soll, strukturiert. Die Oberflächenstrukturierung 102 kann beispielsweise mittels DRIE Prozess (black / brown Silicon) , Graustufenlithographie und anschließendem Ätzen, oder selbstorganisierenden Strukturen (KOH-IPA oder HF-HN03) erzeugt werden. Die

Oberflächenstrukturierung 102 soll mit möglichst stark

variierenden Winkeln zur Oberfläche erzeugt werden und eine durchschnittliche Amplitude aufweisen, die gleich oder größer ist als die Dicke einer nachfolgend aufzubringenden

Emitterschicht. Anders als im Stand der Technik wird keine regelmäßige Struktur an der Oberfläche erzeugt sondern eine möglichst unregelmäßige Struktur. Im nächsten Schritt c) wird auf das Trägersubstrat 101, insbe sondere auf den mit der Oberflächenstrukturierung 102 versehe nen Bereich eine Membranschicht 103 aufgebracht. Die Memb ranschicht 103 folgt der Struktur, sodass sie ebenfalls eine strukturierte Oberfläche aufweist und bevorzugt eine nahezu gleichbleibende Dicke besitzt. Die Membranschicht kann z. B. aus Si _x N _y oder Si0 ₂ /Si _x N _y gebildet sein oder aus mehreren

Teilschichten stapelförmig aufgebaut sein.

Daraufhin wird im Schritt d) eine Emitterschicht 104 auf die Membranschicht 103 aufgebracht, bevorzugt mit in der Halblei tertechnik üblichen Abscheideverfahren. Auch die Emitter schicht 104, welche unter Betriebsbedingungen die gewünschte Strahlung emittieren soll, folgt der ursprünglich angebrachten Struktur 102, die in der Oberfläche der Membranschicht 103 abgebildet ist, sodass die Emitterschicht 104 selbst eine strukturierte Oberfläche aufweist.

Je nach Anwendungsfall kann in einem nachfolgenden Schritt (ebenfalls in Abbildung d) dargestellt) eine Passivierungs schicht 105 auf der Emitterschicht 104 abgeschieden werden.

Die Passivierungsschicht 105 ist transparent für die zu emit tierende Strahlung und dient vor allem dem Schutz der Emitter schicht 104 vor Umwelteinflüssen. In abgewandelten

Ausführungen können auch mehrere Passivierungsschichten aufgebracht werden. Wird als Emitterschicht eine thermisch stabile und direkt kontaktierbare Schicht, wie beispielsweise Platin eingesetzt, kann auf die Passivierung und eine separate Kontaktmetallisierung verzichtet werden.

Schließlich erfolgt im Schritt e) die elektrische Kontaktie rung der Emitterschicht. Dazu wird oberhalb der Passivierungs- Schicht 105 eine Kontaktmetallisierung 106 angebracht, die über Kontaktöffnungen 107 in der Passivierungsschicht mit der Emitterschicht 104 elektrisch verbunden ist. Über die

voneinander entfernt liegenden Kontakte 106 wird im Betrieb der Strahlungsquelle ein elektrischer Strom in die

Emitterschicht 104 eingespeist, der aufgrund des elektrischen Widerstands zur Erhitzung der Emitterschicht und damit zur Emission elektromagnetischer Strahlung führt.

Erst am Prozessende wird von der Unterseite des

Trägersubstrats 101 eine Ausnehmung 108 eingebracht, um im Bereich der Strukturierung das Trägersubstrat vollständig zu entfernen. Damit wird die Membranschicht 103 auf ihrer der Emitterschicht abgewandten Seite freigelegt, um eine Membran zu definieren. Die damit einseitig offene Membran dient der Wärmeisolation und gleichzeitig der Ermöglichung einer

Längenausdehnung der Membran bei der für die

Strahlungserzeugung erforderlichen Erwärmung. Die Ausnehmung 108 kann beispielsweise mittels nasschemischen anisotropem Ätzens oder mittels eines DRIE Trockenätzprozesses realisiert werden .

Die auf diese Weise fertiggestellte Strahlungsquelle kann nach einem ggf. nötigen Vereinzeln in ein Gehäuse eingebaut oder in einen komplexen Sensor integriert werden.

Fig. 2 zeigt einen schematischen Prozessablauf von sechs Schritten zur Herstellung der Strahlungsquelle gemäß einer zweiten Ausführungsform.

Die in der Fig. 2 dargestellten Schritte a) bis f) stellen die Hauptschritte bei der Ausführung des erfindungsgemäßen Ver fahrens zur Herstellung der erfindungsgemäßen Strahlungsquelle gemäß einer zweiten Ausführungsform dar. Die in Fig. 2

gezeigten Schritte a) bis c) gleichen den in Fig. 1 gezeigten Schritten a) , b) und c) .

Der in Fig. 2 gezeigte Schritt d) gleicht zunächst dem in Fig. 1 gezeigten Schritt d) , wobei die Emitterschicht 104 auf die Membranschicht 103 aufgebracht wird. Abweichend zu Fig. 1 wird nun aber in die Emitterschicht 104 eine aus zahlreichen

Löchern 109 bestehende Perforierung eingebracht, die

vorzugsweise als Durchgangslöcher 109 in die Emitterschicht 104 eingearbeitet sind. Die Membranschicht 103 ist somit im Bereich der Durchgangslöcher 109 freigelegt, d. h. im Bereich der ausgebildeten Durchgangslöcher 109 ist nach Abschluss des Schritts d) keine Emitterschicht vorhanden. Die Perforierung erfolgt mit in der Halbleitertechnik bekannten

fotolithografischen Verfahren zur Erzeugung von Strukturen.

Wie in Fig. 2 gezeigt, ist die Perforierung mit den

Durchgangslöchern 109, insbesondere im Bereich der

rückseitigen Ausnehmung 108 ausgebildet.

Der in Fig. 2 gezeigte Schritt e) gleicht teilweise dem in Fig. 1 gezeigten Schritt d) , wobei je nach Anwendungsfall eine Passivierungsschicht 105 auf der Emitterschicht 104

abgeschieden wird. Die Passivierungsschicht 105 überdeckt bzw. verschließt die Durchgangslöcher 109.

Der Schritt f) der Fig. 2 gleicht zunächst dem in Fig. 1 gezeigten Schritt e) . Abweichend zu Fig. 1 zeigt die

Darstellung von Schritt f) in Fig. 2 aber die in Schritt d) erzeugten Durchgangslöcher 109. BezugsZeichen

101 - Trägersubstrat

102 - Oberflächenstrukturierung

103 - Membranschicht

104 - Emitterschicht

105 - Passivierungsschicht

106 - Kontaktmetallisierung

107 - Kontaktöffnung

108 - Ausnehmung

109 - Löcher / Durchgangslöcher