HITACT - Hochdetektive Infrarot Thermopile Arrays mit CMOS Integration von Telluriden

Thermoelektrische Infrarot (IR)-Sensorarrays sind das technologische Herzstück für die berührungslose Temperaturmessung und die Erstellung hochpräziser Wärmebilder. Ob bei der Temperaturkontrolle in der industriellen Produktion, der kontaktlosen Messung von Vitalfunktionen in der Medizin oder der Personenerkennung in der Sicherheitstechnik – leistungsstarke IR-Sensorik ist gefragter denn je.

Bisherige Thermopile-Arrays stoßen jedoch an ihre Leistungsgrenzen, da die herkömmlich verwendeten Materialien (wie dotiertes Polysilizium) die thermische Auflösung stark limitieren. Hier setzt das sächsische Verbundprojekt HITACT (Hochdetektive Infrarot Thermopile Arrays mit CMOS Integration von Telluriden) an.

Was ist das Ziel des Projekts HITACT?

Das Ziel des Projekts ist es, die technologischen Grundlagen für eine völlig neue Generation von IR-Sensorarrays zu schaffen. Dafür werden erstmals die thermoelektrisch hocheffizienten Materialklassen Wismuttellurid und Antimontellurid direkt in eine System-on-Chip-Technologie (CMOS-Prozess) integriert.

Die angestrebten Zielspezifikationen der neuen Sensoren setzen neue Maßstäbe:

• Höchste Temperaturauflösung (NETD): < 20 mK
• Minimierte Pixelgröße: < 45 µm

Der innovative Ansatz: Monolithische BEoL-Integration

Die Integration von Telluriden galt in der klassischen CMOS-Fertigung aufgrund strenger Reinraum-Kontaminationsvorgaben bislang als nicht umsetzbar. HITACT löst dieses Problem durch ein neuartiges MEMS-Bauelementkonzept: Die Sensorpixel werden auf Vakuumkavitäten platziert, die monolithisch in den BEoL-Schichtstapel (Backend-of-the-Line) des CMOS-Wafers eingebracht werden. Die Bearbeitung der neuen Materialien erfolgt somit erst nach dem eigentlichen CMOS-Hauptprozess. Die Vakuumkavitäten sorgen zudem für einen hohen Wärmewiderstand und damit für die herausragende Temperaturauflösung des Sensors.

Welche Anwendungsbereiche profitieren von der neuen Technologie?

Die prognostizierte Performance-Steigerung eröffnet völlig neue Marktchancen und Einsatzfelder:

• Industrie: Hochpräzise Temperaturkontrolle und optimierte Überwachung von Produktionsprozessen.
• Medizintechnik: Kontaktlose Vitaldatenmessung und Unterstützung bei der Früherkennung von Entzündungen oder Krebs.
• Ambient Assisted Living (AAL): Zuverlässige und datenschutzkonforme Sturzerkennung im Umfeld pflegebedürftiger Personen.
• Sicherheit & Mobilität: Erweiterte Personenerkennung (z. B. an Flughäfen) sowie der Einsatz in autonomen Fahrzeugen und Drohnen (UxVs).
• Umwelttechnik: Präzise Erfassung von Umweltdaten zur Bewertung von Klimaschutzthemen.

Das Projekt wird im Rahmen der EFRE/JTF-Technologieförderung des Freistaates Sachsen gefördert und bündelt die komplementären Expertisen dreier führender Partner am Standort Dresden:

• Fraunhofer IPMS – MEMS-Technologie & Halbleiterintegration: Als Expertisenführer für photonische Mikrosysteme verantworten wir im Projekt HITACT die komplette MEMS-Technologieentwicklung sowie die anspruchsvolle BEoL-Integration auf CMOS-Wafern. Ein zentraler Schwerpunkt unserer Arbeit liegt auf dem Reinraum-Defektmanagement, um Kontaminationen durch die neuartigen Tellurid-Materialklassen verlässlich auszuschließen. Damit schaffen wir die entscheidende technologische Grundlage für den späteren Transfer des Prozesses in unsere industrielle 200-mm-ADMONT-KET-Linie.
• Heimann Sensor GmbH: Weltweit führend auf dem Gebiet der Thermopile-Arrays; verantwortlich für Bauelementkonzeption, Simulation, Sensor-Design und die spätere Charakterisierung der Demonstratoren.
• Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden (IFW): International führend in der Entwicklung mikro-thermoelektrischer Module; zuständig für die Materialsynthese, PVD-Schichtoptimierung und Prozessentwicklung.