CN101861659A - 性能提高的光学镀膜半导体器件及相关生产方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了提高性能的光学镀膜半导体器件以及多种生产该器件方法的多个实施例。其包括在半导体器件表面上沉积低密度、低折射率材料的第一层，在半导体器件的镀膜表面沉积多层光学镀膜，其包括由低密度、低折射率材料和高密度、高折射率材料构成的交替层。可选择地，烧蚀交替多层光学镀膜的一部分，以露出低密度的第一层的至少一部分。同样，可选择地，烧蚀低密度材料的第一层的一部分，以露出半导体器件的至少一部分。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求以2007年12月12日提出、申请号为61/007,494的美国临时专利申请为优先权，其整体内容以引用的方式并入本文。
背景技术
当前，许多重要的应用对具有调整光谱性能的半导体光电器件的需求日益增长。例如，图1示出了典型的硅基光伏探测器的响应度。如图示，在约200nm至约1200nm之间，该硅基光伏探测器具有近似线性的光谱响应度。相比之下，图2示出了相同的光伏探测器的光谱响应度，该探测器调整或以其他方式配置为选择性探测入射光在约720nm到约820nm之间的窄波带。
在另一个示例中，图3示出了发光二极管(LED)的光谱输出示例。相比之下，图4示出了图3中的硅基LED的光谱输出，其可以调整以输出更窄的光谱范围。目前，许多应用需要通过调整光电元件得到精确的光谱，包括那些用于高精度生物医药荧光应用和/或其他关键的测量和控制应用。
许多方法已经尝试生产可调光谱的光电器件。例如，如图5中所示，之前的器件包括光学镀膜玻璃元件5，其安装于半导体器件1外壳3的外部。可选择地，图6示出了器件7的一个示例，其具有位于装置外壳9的内部的探测器装置11。如图示，光学镀膜玻璃过滤装置13位于外壳9的内部且靠近探测器装置11。典型的光学镀膜玻璃装置包括玻璃或与玻璃类似的光学透明基板(例如，Schott Borofloat、BK-7及石英等)，具有至少一个涂覆其上的多层薄膜光学干涉镀膜。例如，多层光学干涉镀膜经常包括由低折射率和高折射率材料构成的交替层。当使用存在的多种方法生产上述的光学薄膜镀膜时，相对而言，几乎没有镀膜方法能满足高精度应用对膜结构和密度能的要求。例如，传统的沉积光学薄膜(例如，热或电子束蒸发氧化物材料，如SiO2、HfO2、Ta2O5等)具有柱状和孔状的微观形态，能够吸收和解吸大气中的水分。同样地，由于带入水分，多层薄膜有效的折射率的可能改变，并使光谱漂移和不稳定。对于许多关键仪器的应用，这极大降低了光学精度。因此现有技术的光学镀膜方法可选择增加薄膜的密度，作为能够阻止水分渗透的方法。同样地，多层光学干涉镀膜包含低系数和高系数材料交替的层，其中低系数和高系数材料均是高密度材料。这样的方法包括反应离子电镀、离子辅助电子束蒸发、离子束溅射、磁控溅射和等离子增强CVD。
然而，当前的光学薄膜多层沉积技术(例如离子电镀、离子束溅射、磁控溅射、离子辅助电子束沉积、CVD等)满足了生成高密度光学镀膜的需要，但也具有许多缺点。例如，这些方法无法提供在半导体表面上直接沉积光学镀膜的理想设置。更具体而言，当前的沉积技术生产具有不良的薄膜应力过大的高密度光学镀膜，可能降低装置的性能。此外，一旦这些镀膜被涂覆，这些高密度光学镀膜很难进行进一步的加工(例如，蚀刻)。
因此，鉴于上述情况，对能够在半导体晶片装置或在环境中稳定的材料上生产光学镀膜的多层光学薄膜镀膜方法的需求是增长的，同时要使有害应力最小并使沉积后的蚀刻工艺简单、非损坏和可制造。
发明内容
本申请公开了提高性能的光学镀膜半导体器件以及多种生产该器件方法的多个实施例。与现有技术中的器件不同，此处公开的器件包括半导体晶片或主体，具有低密度、低折射率的第一层和涂敷在其上的多层光学镀膜。在一个实施例中，多层光学镀膜包括低密度、低折射率光学材料和高密度、高折射率光学材料交替的层。与现有技术的器件不同，其包括低密度、低折射率材料与高密度、高折射率材料，提供的光学镀膜半导体器件在不降低性能特征的情况下能承受进一步的加工。
在一个实施例中，本申请直接涉及生产光学镀膜半导体器件的方法，包括在半导体器件的表面上沉积低密度、低折射率材料的第一层，并在半导体器件的沉积表面沉积多层光学镀膜，该多层光学镀膜包含由低密度、低折射率材料和高密度、高折射率材料构成的交替层，选择性烧蚀该交替多层光学镀膜的一部分，露出低密度第一层的至少一部分，并且选择性烧蚀低密度材料第一层的一部分，露出半导体器件的至少一部分。
在另一个实施例中，本发明直接涉及生产光学镀膜半导体器件的方法，包括在半导体器件表面上沉积低密度、低折射率材料的第一层，并在半导体器件的沉积表面沉积多层光学镀膜，多层光学镀膜包括由低密度、低折射率材料和高密度、高折射率材料构成的交替层，使用物理烧蚀方法选择性地烧蚀该交替多层光学镀膜的一部分，露出低密度第一层的至少一部分，并且使用可控的化学蚀刻方法选择性地烧蚀低密度材料第一层的一部分，露出半导体器件的至少一部分。
在另一个实施例中，本发明直接涉及具有光学镀膜的半导体器件，在其上选择性涂敷镀膜，并且包括至少一个具有至少第一表面的半导体晶片，涂敷在半导体晶片的至少第一表面上的第一层，该第一层是低密度、低折射率的材料，涂敷在由低密度、低折射率材料构成的第一层上的多层光学镀膜，该多层光学镀膜包含由低密度、低折射率材料和高密度、高折射率材料构成的交替层。
此处公开的涉及提高性能的光学镀膜半导体器件的实施例的其他特点和优势，通过下面详细的描述将变得明显。
附图说明
通过随后的附图对多个提高性能的光学镀膜半导体器件进行更详细的解释，其中
图1示出了典型的硅基光伏探测器的波长响应度；
图2示出了图1中光伏探测器的波长响应度，调整或以其他设置选择性地探测入射光波长在约720nm到约820nm的窄波带；
图3示出了典型硅基发光二极管的透射波长；
图4示出了图3中典型硅基发光二极管选择性地调整输出窄波带的光的透射波长；
图5是光电器件实施例的示意图，该器件具有安装在器件主体外部的光学镀膜玻璃组件；
图6是光电器件实施例的示意图，该器件具有安装在器件主体内部的光学镀膜玻璃组件；
图7示出了改进的半导体器件实施例的侧面图，该半导体器件具有器件主体，在器件主体上涂敷由低密度、低折射率材料构成的第一层，和在第一层上涂敷的多层光学镀膜；
图8是半导体器件的另一实施例的透视图，该半导体器件具有在其上形成的多个探测器区域；
图9是半导体器件的其他实施例的透视图，该半导体器件具有在其上形成的多个探测器区域；
图10示出了使用此处公开的工艺生产的实例性半导体器件上涂敷的光学镀膜的反射率特性；
图11示出了使用此处公开的工艺生产的实例性半导体器件上涂敷的光学镀膜的透射率。
具体实施方式
图7示出了提高性能的半导体器件的实施例。如图示，半导体器件40包括至少一个半导体器件主体42，半导体器件主体42具有至少一个涂覆其上的多层光学镀膜48。例如，在一个实施例中，半导体器件40包含单一的探测器芯片或器件，设置为探测所需波长的光学信号。在一个备选实施例中，半导体器件40包含在半导体基板上形成的多个探测器芯片、器件或区域(见图8和9)。在该举例说明的实施例中，在器件主体42的第一表面44上涂敷光学镀膜48。可选择地，该镀膜48可涂敷在器件主体42的多个表面。例如，光学镀膜48可选择涂敷在装置主体42的第一表面44、第二表面46和/或表面44和46。
继续参考图7，在一个实施例中，光学镀膜48包含两个或更多的交替层，交替层由折射率低的材料50(下面称为低系数材料)和折射率高的材料52(下面称为高系数材料)组成。例如，低系数材料层50包含二氧化硅。在另一个实施例中，低系数材料层50包含氧化铝、一氧化硅、氟化镁或氟化钍。类似地，可以使用多种材料形成一个或多个多层镀膜48的高系数层52。例如，在一个实施例中，高系数材料层52包含二氧化铌。可选择地，可以使用任何高系数材料层52，包括但不限于，二氧化钛、五氧化钽、二氧化铪、二氧化锆、氮化铝、硫化锌或硒化锌。使用中，多层镀膜48设置为透射具有所需的光学特性的光。在一个实施例中，镀膜48设置为透射波长在约475nm和约485nm之间的光。可选择地，镀膜48可设置为只透射所需的偏振光。
与现有技术的器件不同，使用涂敷方法(例如电阻源蒸发或传统的电子束沉积)在半导体主体48上沉积低系数层50，得到低应力、低密度、多孔柱状的膜结构。在一个实施例中，通过简单且快速的化学蚀刻得到柱状结构的低系数层50。例如，使用标准的无损氢氟酸方法蚀刻得到低系数材料层50。低系数层50本身无法提供最后光学膜结构所需的真空密封(例如，无水分吸收)特性。此外，随后在器件主体42上通过经过验证过的方法(例如磁控溅射、离子束溅射、阴极弧沉积、离子辅助电子束沉积或离子电镀)沉积涂覆有高系数层材料的层52，提供所需能够提供真空密封的高密度膜。因此，多孔、低密度、低应力低系数材料层50与高密度、高系数材料层52一起封装的交替结构形成最后的光学镀膜48，能够完全阻止有害的水分吸收。此外，使用高能物理去除方法蚀刻高密度高系数材料层52，例如粒子束烧蚀或反应离子蚀刻。而且，低密度低系数材料层50本身具有极低的应力。同样地，分别与基于均为高密度的低系数和高系数材料的现有沉积方法相比，低密度低系数材料层50和高密度高系数材料层52的组合的应力明显更低。在一个实施例中，低系数层50、高系数层52各自的膜厚度均在约10nm和约1000nm范围内。可选择地，高系数膜50或低系数膜52具有交替的高物理密度和低物理密度，目的是使整个光学镀膜的应力降低。
生产中，为了阻止对下面易损半导体表面的典型损伤，在半导体主体42的易损表面上沉积由低密度、低系数材料构成的第一层54。该第一层54的厚度在约150nm到约800nm之间。例如，第一层54的厚度大于约200nm。其后，由低系数材料50和高系数材料52组成的多个交替层选择性的涂敷在其上面。涂敷低系数材料50和高系数材料52组成的多个层之后，光学镀膜器件40可以进一步使用化学方法(例如氢氟酸)和/或物理方法(例如离子束烧蚀)的组合进行处理，直至露出第一层54和/或半导体主体42。如果需要，可以使用无损、温和、可控的化学蚀刻方法进一步处理第一层54。由于第一层54的低密度结构，蚀刻为满足要求的几何精度较容易，且没有任何损害下面半导体易损表面的危险。如果需要，随后的器件处理(在镀膜的所需部分完全去除之后)包括使用附加的过滤层，在多层镀膜(见图9)中形成离散(discrete)的过滤部分，和/或沉积导电器件56(例如，铝、钛/金等)，用于将半导体器件40与能量源(例如LED)电耦合，或者与外部的电路(例如探测器)电耦合。
图8和9示出了图7中的半导体器件的另一实施例。如上所述，半导体器件包含单个探测器装置或多个探测器装置。例如，图8示出了具有多个探测器的半导体器件60，其主体62限定多个探测器区域64a-64n。例如，每个探测器可设置为探测相同波长或不同波长的光辐射。例如，探测器区域64a可设置为探测约400nm到约450nm之间的波长范围的辐射，而探测器区域64b则设置为探测约450nm到约500nm之间的波长范围的辐射。再次参考图8，上面所述的多层光学过滤镀膜66可均一地涂敷在半导体器件60上。多层镀膜66可设置为反射波长超过或小于预定的波长范围的辐射。
图9示出了具有多个探测器的半导体器件的另一实施例。与之前的实施例类似，半导体器件70包括主体72，主体72限定多个探测器区域74a-74n。与之前的实施例对比，前述的多层镀膜76限定多个过滤区域78a-78n。每个过滤区域78a-78n与特定的探测器区域74a-74n对应。这样，每个过滤区域78a-78n设置为在指定的波长范围内选择性地过滤辐射。在一个实施例中，通过改变形成多层光学过滤镀膜的不同层的数量、密度、组成和/或厚度，形成过滤区域78a-78n，这些改变是可控制的。
示例
使用上述方法构造一实例性的器件。在该实施例中，在硅晶片(具有在其表面加工的光伏装置)上直接涂敷多层光学镀膜。该多层光学镀膜设置为通过透射所需的光谱范围和阻止该范围之外的光，实现对入射光能的过滤。这样，只有在光谱带600nm+/-5nm的范围内的光能够透射穿过光学镀膜并由半导体器件随后探测。镀膜的物理特性如下：
硅晶片/220L 49.59H 114.91L(64.18H 209.35 L 64.18H 104.68L)7128.35H 104.68L 64.18H 104.68L 64.18H 104.68L 256.7H 104.68L 64.18H104.68L 64.18H 104.68L 64.18H 104.68L 64.18H 104.68L 385.06H 104.68L64.18H 104.68L 64.18H 104.68L 64.18H 104.68L 64.18H 104.68L 256.7H104.68L 64.18H 104.68L 64.18H 104.68L 112.28H 72.02L/AIR
其中符号L和H表示L(低系数)薄膜的物理厚度(nm)和H(高系数)薄膜的物理厚度(nm)。低系数材料包含二氧化硅，而高系数材料包含二氧化铌。
图10示出了该示例器件光学镀膜后的反射率特性，而图11示出了该示例进行光学镀膜后的透射率特性。
在该示例中，“L”表明的层为低密度、通过传统物理蒸发沉积方法(电子束蒸发二氧化硅或通过电阻源蒸发氧等离子体转化为一氧化硅)沉积的多孔二氧化硅膜。第一层厚度为220nm，其允许之后最终器件使用氢氟酸进行蚀刻步骤处理。封装交替的高密度、高系数H膜，高密度、高系数H膜由等离子体辅助的磁控溅射(二氧化铌)沉积。如图7的说明，使用之前提及的方法在选择的区域进行完全的光学镀膜蚀刻，使其接触镀金属。图11示出了最终的光学镀硅光探测器的光学响应度。
关于上述详细的叙述，其中使用的类似的附图标记指代类似的元件，其具有相同或近似的尺寸、材质和构造。尽管对特定的实施例进行了解释和叙述，但是可以在不偏离本发明实施例精神和范围内进行各种修正，这是显而易见的。因此，本发明不受之前详细叙述的限制。
Claims (31)
1.一种生产光学镀膜半导体器件的方法，包括
在半导体器件表面沉积第一层，第一层是低密度、低折射率材料；
在半导体器件已镀膜表面上沉积多层光学镀膜，多层光学镀膜包括由低密度、低折射率的材料和高密度、高折射率的材料构成的交替层；
选择性地烧蚀交替的多层光学镀膜的一部分，以露出低密度第一层的至少一部分；
选择性地烧蚀低密度材料的第一层的一部分，以露出半导体器件的至少一部分。
2.如权利要求1所述的方法，其中使用电阻源蒸发方法涂敷至少一低密度、低折射率材料。
3.如权利要求1所述的方法，其中使用传统的电子束沉积方法涂敷至少一低密度、低折射率材料。
4.如权利要求1所述的方法，其中使用磁控溅射的方法涂敷至少一高密度、高折射率材料。
5.如权利要求1所述的方法，其中使用离子束溅射的方法涂敷至少一高密度、高折射率材料。
6.如权利要求1所述的方法，其中使用阴极弧沉积的方法涂敷至少一高密度、高折射率材料。
7.如权利要求1所述的方法，其中使用离子辅助电子束沉积的方法涂敷至少一高密度、高折射率材料。
8.如权利要求1所述的方法，其中使用离子电镀的方法涂敷至少一高密度、高折射率材料。
9.如权利要求1所述的方法，其中使用物理烧蚀方法选择性地烧蚀多层光学镀膜。
10.如权利要求9所述的方法，其中物理烧蚀方法包括离子束研磨。
11.如权利要求1所述的方法，其中使用化学烧蚀方法选择性地烧蚀多层光学镀膜。
12.如权利要求11所述的方法，其中化学烧蚀方法包括氢氟酸处理。
13.如权利要求1所述的方法，其中使用可控的化学蚀刻方法烧蚀第一层。
14.一种生产光学镀膜半导体器件的方法，包括
在半导体器件表面沉积第一层，第一层是低密度、低折射率材料；
在半导体器件已镀膜表面上沉积多层光学镀膜，多层光学镀膜包括由低密度、低折射率的材料和高密度、高折射率的材料构成的交替层；
使用物理烧蚀方法选择性地烧蚀交替的多层光学镀膜的一部分，以露出低密度第一层的至少一部分；和
使用可控的化学蚀刻方法选择性地烧蚀低密度材料的第一层的一部分，以露出半导体器件的至少一部分。
15.如权利要求14所述的方法，其中使用电阻源蒸发方法涂敷至少一低密度、低折射率材料。
16.如权利要求14所述的方法，其中使用传统的电子束沉积方法涂敷至少一低密度、低折射率材料。
17.如权利要求14所述的方法，其中使用磁控溅射的方法涂敷至少一高密度、高折射率材料。
18.如权利要求14所述的方法，其中使用离子束溅射的方法涂敷至少一高密度、高折射率材料。
19.如权利要求14所述的方法，其中使用阴极弧沉积的方法涂敷至少一高密度、高折射率材料。
20.如权利要求14所述的方法，其中使用离子辅助电子束沉积的方法涂敷至少一高密度、高折射率材料。
21.如权利要求14所述的方法，其中使用离子电镀的方法涂敷至少一高密度、高折射率材料。
22.如权利要求14所述的方法，其中物理烧蚀方法包括离子束研磨。
23.一种半导体器件，该半导体器件具有在其上选择性涂敷的光学镀膜，该半导体器件包括：
具有至少第一表面的至少一个半导体晶片；
涂敷在半导体晶片的至少第一表面上的第一层，第一层是低密度、低折射率的材料；
涂覆在由低密度、低折射率材料构成的第一层上的多层光学镀膜，该多层光学镀膜包含由低密度、低折射率材料和高密度、高折射率材料构成的交替层。
24.如权利要求23所述的器件，其中低密度、低折射率的材料包括二氧化硅。
25.如权利要求23所述的器件，其中低密度、低折射率的材料包含从由氧化铝、一氧化硅、氟化镁和氟化钍构成的组中选择的至少一种材料。
26.如权利要求23所述的器件，其中高密度、高折射率的材料包括二氧化铌。
27.如权利要求23所述的器件，其中高密度、高折射率的材料包含从由二氧化钛、五氧化钽、二氧化铪、二氧化锆、氮化铝、硫化锌和硒化锌构成的组中选择的至少一种材料。
28.如权利要求23所述的器件，其中半导体晶片确定一个或多个离散的半导体器件。
29.如权利要求28所述的器件，其中半导体器件包含一个或多个光学探测器。
30.如权利要求23所述的器件，其中第一层的厚度在约150nm到约800nm之间。
31.如权利要求23所述的器件，其中形成多层光学镀膜的层的厚度在约10nm到约1000nm之间。
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