CN102918369A

CN102918369A - 辐射热计及其制造方法

Info

Publication number: CN102918369A
Application number: CN2011800250938A
Authority: CN
Inventors: 成田薰
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2010-05-20
Filing date: 2011-05-11
Publication date: 2013-02-06
Also published as: JPWO2011145295A1; US20130002394A1; WO2011145295A1

Abstract

在衬底(101)上形成聚合物膜(102)，在聚合物膜(102)上形成热敏电阻器(106)，并在热敏电阻器(106)与衬底(101)之间形成光反射膜(104)。因此，如果红外线或太赫兹波从上方入射，则一部分被热敏电阻器(106)吸收，并且大部分透过聚合物膜(102)并被光反射膜(104)反射。当热敏电阻器(106)与光反射膜(104)之间的距离是d时，具有用d＝1/4表示且等于或小于1的波长的光分量谐振并变为热量，并且热敏电阻器(106)的温度上升。检测随着热敏电阻器(106)的温度上升的电阻变化，从而检测红外线或太赫兹波的强度。

Description

辐射热计及其制造方法

技术领域

本发明涉及检测红外线或太赫兹波的辐射热计。

背景技术

下面参照图11描述公知辐射热计的单元结构。在此辐射热计中，以腿部42作为支撑将通过间隙7与硅衬底1分离的隔膜型绝热部4设置在硅衬底1上，将红外线检测部3设置在绝热部4上。如果照射了红外线，则红外线检测部3被加热，并且随温度变化的电阻变化被检测到。

通常，如果在绝热部4与硅衬底1之间的间隙7中有空气，则因为热量由于空气的热传导而传到硅衬底1，绝热部4的温度变化减少，并且灵敏度降低，所以该部分处于真空。设置红外线反射膜6，以便将透过绝热部4上的红外线检测部3而未被红外线检测部3吸收的红外线返回，从而增加吸收率(专利文献1)。

现有技术文献

专利文献

[专利文献1]日本特开2007-263769号公报

发明内容

技术问题

当制作图11所示结构时，通常，使用硅微机电系统(MEMS)工艺。下面参照图12描述典型MEMS工艺的制造流程。

首先，如图12(a)所示，利用化学气相沉积(CVD)方法在半导体衬底801(其上制作具有互补金属氧化物半导体(CMOS)晶体管等等的读取电路)上形成绝缘中间层820，并且在绝缘中间层820上形成金属红外线反射膜804并对金属红外线反射膜804进行图案化。

之后，进一步形成绝缘中间层820，并在绝缘中间层820上形成牺牲层830。为了制作隔膜从半导体衬底801浮离的结构，首先，形成牺牲层830，在牺牲层830上形成隔膜或红外线检测部，最后通过蚀刻将牺牲层830去除。

在形成牺牲层830以后，如图12(b)所示，利用CVD方法形成由氮化硅膜831和氧化硅膜832制成的隔膜并对该隔膜进行图案化。在牺牲层830上形成金属电极805并对金属电极805进行图案化。

随后，如图12(c)所示，形成与金属电极805欧姆接触的热敏电阻器806并对热敏电阻器806进行图案化。在热敏电阻器806上形成第二氮化硅膜833，然后形成红外线吸收膜811并对红外线吸收膜811进行图案化。

最后，如图12(d)所示，通过蚀刻将牺牲层830去除，以获得具有隔膜结构的单元。在图中，为了有满意灵敏度的检测，通常将红外线反射膜804与红外线吸收膜811之间的距离设定为波长1的1/4。也就是说，当检测波长1＝10mm时，设定d＝2.5mm。

如上所述，为了产生现有技术的结构，需要复杂的制造方法，并且光刻次数增加。隔膜是由氮化硅膜831、833以及氧化硅膜832形成的薄膜(大约0.5mm)，并通过细梁(1-2mm)连接到半导体衬底801以便保持热量。

因此，在蚀刻牺牲层830时，有可能出现诸如隔膜(831-833)由于表面张力或翘曲而粘贴到半导体衬底801之类的缺陷。

也就是说，制造工艺的困难程度可能很高。因此，因为每个制造工艺需要更严格的条件调节，并且已发现的制造条件的裕度小，所以制造条件的波动大大影响了产率。

热敏电阻器806由电阻根据温度而变化的材料制成。当电阻随温度的变化(TCR：电阻温度系数值)大时，传感器的灵敏度增加。因此，通常使用具有大TCR值的氧化钒等等。

氧化钒是通常硅工艺中没有的材料，并且其TCR值在很大程度上取决于膜形成条件或者随后的热处理条件。也就是说，这意味着关于电阻器形成，需要艰难的条件调节。

在这种方式下，制造隔膜(831-833)结构时的困难和形成电阻器材料方法中的困难影响产率，导致制造成本增加。如上所述，因为隔膜(831-833)与半导体衬底801之间的间隙应当处于真空，所以应当将传感器芯片置于完全真空密封的封装中，导致成本增加。

结果，在现有技术的红外线图像传感器中使用的微型辐射热计在制造工艺中使用硅MEMS工艺，并且因为以真空密封的方式封装传感器，所以存在成本不可避免地增加的问题。

当要由辐射热计检测的波具有像太赫兹波这样的长波长时，必须增加反射膜与吸收膜之间的距离。例如，当检测1THz的波时，因为波长1＝300mm，所以必须使得d＝1/4＝75mm。

在现有技术的结构中，如上所述，隔膜(831-833)与半导体衬底801之间距离的增加对应于牺牲层厚度的增加，并伴随着制造困难。也就是说，在现有技术的结构中，存在如下问题：难以制造对太赫兹波具有高灵敏度的辐射热计。

考虑上述问题而完成了本发明，并且本发明的目的是提供一种能够在不使用昂贵制造设备的情况下简单地制造，并且能够检测现有技术中难以检测的太赫兹波等等的辐射热计及其制造方法。

问题的解决方案

根据本发明的辐射热计包括：衬底；在所述衬底上形成的绝热层；在所述绝热层上形成的热敏电阻器；以及在所述热敏电阻器与所述衬底之间形成的光反射膜。

根据本发明的制造辐射热计的方法包括：在衬底上形成光反射膜；在所述衬底和所述光反射膜上形成绝热层；以及在所述绝热层上形成热敏电阻器。

虽然在根据本发明的制造方法中，按顺序描述了多个制造工艺，但是该顺序并非要限制执行多个制造工艺的顺序。因此，当执行根据本发明的制造方法时，可按照内容没有困难地改变多个制造工艺的顺序。

根据本发明的制造方法不限于在不同定时个体地执行多个制造工艺的情况。因此，当执行某一制造工艺时可进行另一制造工艺，执行某一制造工艺的定时与执行另一制造工艺的定时可部分或全部地相互重叠。

发明的有益效果

根据本发明，实现了能够在不使用昂贵制造设备的情况下简单地制造，并且能够检测现有技术中难以检测的太赫兹波等等的辐射热计及其制造方法。

附图说明

根据以下实施方式及附图，上述及其他目的、特征和优点将显而易见。

图1示出根据本发明实施方式的辐射热计的结构，具体而言，图1(a)是平面图，图1(b)是沿着线A-A′的剖视图。

图2是示出具有辐射热计阵列的图像传感器的结构的平面图。

图3是示出一变形例的辐射热计的结构的纵剖前视图。

图4是示出另一变形例的辐射热计的结构的纵剖前视图。

图5是示出制造辐射热计的方法的纵剖前视图。

图6是示出制造第一实施例的辐射热计的方法的工艺视图。

图7是示出第二实施例的辐射热计阵列的结构的平面图。

图8是示出辐射热计阵列的主要部分的内部结构的纵剖前视图。

图9是示出制造辐射热计阵列的方法的工艺视图。

图10是示出辐射热计阵列的总体结构的平面图。

图11示出现有技术的辐射热计的结构，具体而言，图11(a)是立体图，图11(b)是纵剖前视图。

图12是示出制造辐射热计的方法的工艺视图。

具体实施方式

下面参照图1描述本发明的实施方式。在本实施方式中，用相同的名称表示与上述现有技术相同的部分，并且不重复其详细描述。图1示出其中使用根据本发明实施方式的辐射热计的红外线传感器单元，具体而言，图1(a)是平面图，图1(b)是沿着线A-A′的剖视图。

本实施方式的辐射热计包括衬底101、形成在衬底101上并用作绝热层(低热导率层)的聚合物膜102、形成在聚合物膜102上的热敏电阻器106以及形成在热敏电阻器106与衬底101之间的光反射膜104。

具体而言，在图1(b)中，可使用诸如聚酰亚胺之类的塑料材料以低成本制造衬底101，并且因为热量难以传递，所以衬底101能够提高传感器灵敏度。

衬底101上的聚合物膜102由难以传热的材料形成，例如派瑞林(parylene)。派瑞林是热导率仅为空气的大约3倍并且难以传热的材料。

本实施方式的聚合物膜102的热导率必须低于衬底101的热导率。例如，如上所述，当衬底101由聚酰亚胺制成时，聚合物膜102的热导率必须等于或小于0.3(W/mK)。因为没有热导率比空气低的聚合物膜102，所以本实施方式的聚合物膜102的热导率优选为0.02-0.3(W/mK)。

派瑞林是对二甲苯系聚合物的通称，在其结构中，苯环通过CH₂连接在一起。派瑞林的示例包括派瑞林N、派瑞林C、派瑞林D、派瑞林HT等等。

其中，热导率最低的派瑞林是派瑞林C，其热导率是0.084(W/mK)。因此作为本实施方式的聚合物膜102，优选使用派瑞林C。在这种情况下，热导率大约是空气的热导率0.026(W/mK)的3.2倍。

光反射膜104由金属形成，例如铝膜。在光反射膜104上，第二聚合物膜103由同一种派瑞林形成。该层必须令人满意地透射红外线，并且适当地使用派瑞林，因为派瑞林的红外线透射率高。

在第二聚合物膜103上形成电极105。作为用于电极的材料，希望使用热导率低的钛等等。热敏电阻器106与电极105欧姆接触。

对于热敏电阻器106，使用根据温度变化而经历电阻变化的材料。当电阻变化与单位温度变化的比率(TCR值)大时，传感器的灵敏度增加。作为热敏电阻器106，适当地使用通过在材料上涂覆分散在溶剂中的碳纳米管而形成的涂覆膜。

这是因为由碳纳米管网络形成的膜的TCR值高，为0.5-2.0％，并且形成方法容易进行。之所以将碳纳米管有利地作为热敏电阻器的原因是碳纳米管膜对红外线或太赫兹波具有高吸收率。

如图1(a)所示，电极105通过触点107连接到行配线109和列配线108。作为用于行配线109和列配线108的材料，例如使用诸如铝之类的金属。

利用上述构造，在图1(b)的状态下，如果红外线或太赫兹波从上方入射，虽然一部分被热敏电阻器106吸收，但是因为第二聚合物膜103由很可能透射红外线或太赫兹波的派瑞林形成，所以大部分红外线或太赫兹波透过第二聚合物膜103，到达金属光反射膜104，并被光反射膜104反射。

当热敏电阻器106与光反射膜104之间的距离为d时，具有用d＝1/4表示且等于或小于1的波长的光分量谐振并变为热量，并且热敏电阻器的温度上升。

此时，因为聚合物膜102由具有低热导率的派瑞林形成，所以热量被保持，并且可获得明显的温度上升。从电极105读取随着热敏电阻器温度上升的电阻变化，从而检测红外线的强度。

因为本实施方式的辐射热计不具有现有技术的隔膜结构，所以不需要制造隔膜结构所必须的硅MEMS工艺。因此，容易进行生产。不需要真空密封封装对隔膜与衬底101之间进行真空化，从而促进了低成本。

也就是说，因为在现有技术中的隔膜结构中存在空气的位置被填充有绝热性和低热导率的聚合物膜103，所以容易进行制造，并且根据聚合物膜103的厚度，可以令人满意地检测期望的频率。

本发明不限于该实施方式，在不脱离本发明范围的情况下可做出各种修改。例如，在上述形式中，示出一个单元的辐射热计。但是，如图2所示，热敏电阻器206被以阵列形式布置，并且电极205通过各个列的触点207连接到各个列的多条列配线208，并通过触点207连接到各个行的多条行配线209。这样，可获得二维图像传感器。

图2是示出将图1的传感器单元布置为阵列的图像传感器的平面图。当将热敏电阻器206布置为阵列时，每条列配线208被布置在列方向上的单元共享，并且每条行配线209被布置在行方向上的单元共享。

在这种方式下，在将各自具有辐射热计的传感器单元布置为阵列的结构中，将电信号给予与每个单元相对应的行配线209和列配线208，并且读取该单元的电阻变化。因此，可以顺序地读取所有单元的电阻变化。因此，可以构造红外线图像传感器。

在图3所示的辐射热计中，还在热敏电阻器306上设置由派瑞林形成的第三聚合物膜310，并且在第三聚合物膜310上设置令人满意地吸收红外线或太赫兹波的光吸收层311。在这种情况下，对于光吸收层311，可使用碳纳米管膜或者由氮化钛形成的薄膜。

在图4所示的辐射热计中，在热敏电阻器406上形成光吸收层411。在这种情况下，作为光吸收层411，可使用溶解在有机溶剂中的聚酰亚胺的涂覆膜等等。

如图3或图4所示，如果在辐射热计中设置光吸收层311或411，则因为红外线或太赫兹波的吸收率增加并且可获得基本上100％的吸收率，所以获得更高的温度上升。

作为用于热敏电阻器106(206、306、506、406、606)的材料的另一种候选，考虑硅和锗的混合物。虽然与碳纳米管相比不容易进行硅和锗的混合物的形成，但是已知该混合物具有等于或大于3％的高TCR值，从而提高传感器的灵敏度。

下面参照图5简单描述制造本实施方式的辐射热计的方法的具体实施例。在图5中，衬底501由诸如聚酰亚胺之类的塑料形成。在衬底501上，用铝膜形成光反射膜504。

在光反射膜504上，用派瑞林形成聚合物膜502。在聚合物膜502上设置电极505和热敏电阻器506。与图1的不同是在衬底501上直接形成光反射膜504。

在这种方式下，因为光反射膜504与热敏电阻器506之间的距离d(＝1/4)大，所以可以对具有长波长的光提高灵敏度。例如，如果d＝75mm，则可以检测1＝300mm的波长(1THz的太赫兹波)。

在这种情况下，虽然聚合物膜502应当具有对红外线或太赫兹波的高透射率以及低热导率，但是因为派瑞林满足这两个条件，所以派瑞林可以是合适的材料。

当然，在内容一致的范围内可将前述实施方式与各种变形例组合。虽然在前述实施方式和变形例中，具体描述了每个部分的结构等等，但是在满足本发明的范围内可以以各种形式改变结构等等。

[第一实施例]

作为本发明的第一实施例，下面参照图6详细描述制造辐射热计的方法。在图6(a)中，在由聚酰亚胺制成的塑料衬底601上沉积由铝膜

构成的金属掩膜，以形成列配线608。

接下来，涂覆聚酰亚胺以形成绝缘膜620。类似于列配线，在绝缘膜620上形成行配线609。进一步在行配线609上涂覆聚酰亚胺以形成第二绝缘膜621。

接下来，如图6(b)所示，通过沉积形成厚度大约为20mm的派瑞林膜，作为聚合物膜602。虽然派瑞林通常处于二聚体状态，但是在沉积设备中将派瑞林加热到大约700℃并置于单体状态，并且在沉积于衬底以后置于聚合物状态。

接下来，通过铝

沉积在聚合物膜602上形成光反射膜604，并且通过派瑞林沉积在光反射膜604上形成厚度大约为2.5mm的第二聚合物膜603。

接下来，如图6(c)所示，通过光刻和干蚀刻形成接触孔607。接下来，如图6(d)所示，使用钛膜

通过溅射形成通过接触孔607连接到行配线和列配线的电极605，并通过光刻和剥离对电极605进行图案化。

之后，使用碳纳米管膜形成热敏电阻器606。可使用投放器，通过涂覆以超声波方式将碳纳米管分散在有机溶剂中的溶液来形成碳纳米管膜。

最后，如图6(d)所示，可形成光反射膜604与热敏电阻器606之间的距离d(＝1/4)为d＝2.5mm的传感器，也就是说，对波长为1-10mm的远红外线具有高灵敏度的传感器。

[第二实施例]

接下来，作为本发明的第二实施例，参照图7描述辐射热计阵列。图7是本发明的辐射热计阵列的实施例的平面图。这里，描述布置两行三列共六个辐射热计的示例。

第一电极702和第二电极703连接到每个辐射热计的热敏电阻器701。第一电极702连接到列配线704，第二电极703连接到行配线705。

列配线704与行配线705通过绝缘膜706相互电绝缘。图8是沿着图7的线A-A′的剖视图。如图8所示，在衬底710上设置绝热膜711，在绝热膜711上设置光反射膜712，设置光透射层713，并设置连接到第一电极702和第二电极703的热敏电阻器701。

利用这种结构，可形成触点和辐射热计阵列。虽然为了形成触点通常需要光刻和蚀刻，但是根据本发明，不需要光刻和蚀刻，而是通过印刷等等进行制造，从而实现低成本。

图9(a)到图9(d)是示出制造本发明的辐射热计阵列的示意图。如图9(a)所示，在衬底710上形成绝热层711，并且在绝热层711上形成光反射膜712。

作为衬底，可使用聚酰亚胺树脂等等。希望由具有低热导率的派瑞林形成绝热层。如果派瑞林的厚度约为10-20μm，则足以用作绝热层。

可通过沉积金属(例如铝或金)的方法形成光反射膜。如果光反射膜的厚度大约是100nm，则足以用作反射膜。接下来，如图9(b)所示，形成光透射层713，并在光透射层713上形成第一电极702和列配线704。

在这种情况下，作为光透射层，希望使用可能透射红外线的派瑞林。可同时用相同材料形成第一电极和列配线。作为形成方法，考虑通过沉积诸如铝或金之类的金属来形成第一电极和列配线的方法。通过印刷，第一电极和列配线可由诸如纳米银之类的材料形成。

接下来，为了将列配线704的一部分与在后续工艺中跨过该行列的部分绝缘，形成绝缘膜706。作为形成绝缘膜的方法，使用通过印刷来涂覆和形成聚酰亚胺的方法。

接下来，如图9(c)所示，形成第二电极703和行配线705。在这种情况下，作为形成方法，可使用与形成第一电极和列配线的方法相同的方法。

接下来，如图9(d)所示，形成连接到第一电极和第二电极的热敏电阻器701。作为热敏电阻器，可使用碳纳米管等等的垫形薄片。例如，可涂覆分散在溶剂中的碳纳米管，并将溶剂蒸发，从而形成热敏电阻器。

图10示出将本发明的辐射热计阵列和读取电路连接在一起的装置的示例。也就是说，在图10的第一衬底410上形成辐射热计阵列。在每条列配线的一端形成列端子413，并在每条行配线的一端形成行端子414。

第二衬底412例如是由硅半导体制成的衬底，并通过CMOS工艺(未示出)使用集成电路在该衬底上形成辐射热计的读取电路。在读取电路上形成绝缘层，并将第一衬底接合到第二衬底。

列端子413和行端子414与连接到第二衬底上形成的读取电路中的列选择电路415和行选择电路416的端子电连接。虽然在这种情况下，使用接合线417进行连接，但是可以使用在端子上形成金属球并压制挠性线缆的另一方法。

在这种方式下，使用在树脂衬底上形成辐射热计阵列、由半导体形成读取电路、并使用安装技术将它们连接在一起的方法，从而使得可以降低总制造成本。

也就是说，如上所述，原因是可以通过低成本工艺在树脂衬底上形成辐射热计阵列，并且如果使用通常的硅CMOS工艺，则可以以低成本在半导体衬底上形成读取电路。

本申请要求基于2010年5月20日提交的日本专利申请No.2010-115925以及2010年9月28日提交的日本专利申请No.2010-216422的优先权，其全部公开内容合并于此。

Claims

1.一种辐射热计，包括：

衬底；

在所述衬底上形成的绝热层；

在所述绝热层上形成的热敏电阻器；以及

在所述热敏电阻器与所述衬底之间形成的光反射膜。

2.根据权利要求1所述的辐射热计，

其中所述绝热层由派瑞林制成。

3.根据权利要求1或2所述的辐射热计，

其中所述热敏电阻器与所述光反射膜之间的中间层膜由派瑞林制成。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的辐射热计，

其中所述衬底由树脂制成。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的辐射热计，还包括：

在所述热敏电阻器附近形成且与所述热敏电阻器热耦合的光吸收层。

6.根据权利要求5所述的辐射热计，

其中所述光吸收层包含碳纳米管。

7.根据权利要求5所述的辐射热计，

其中所述光吸收层由有机材料制成。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的辐射热计，

其中所述热敏电阻器包含碳纳米管。

9.根据权利要求1至7中任一项所述的辐射热计，

其中所述热敏电阻器包含硅和锗。

10.一种制造辐射热计的方法，该方法包括：

在衬底上形成光反射膜；

在所述衬底和所述光反射膜上形成绝热层；以及

在所述绝热层上形成热敏电阻器。