CN103033269B - 红外热检测器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种红外热检测器及其制造方法。该红外热检测器包括：基板；检测器，与基板间隔开，经由局域表面等离子体共振吸收入射红外光，并根据由所吸收的红外光引起的温度变化来改变电阻值；以及热支路，将来自检测器的信号传输到基板。
Description
技术领域
本公开涉及红外热检测器及其制造方法，更具体地，涉及用于接收和检测从具有温度的物体发射的红外光的红外热检测器及其制造方法。
背景技术
具有预定温度T的物体根据黑体辐射发出具有宽频带、指示特定波长中的最大值的光。在室温从附近物体发射的光是红外光，其在约10μm的波长带中显示出最大值。当所发射的红外光入射到经由热支线连接到环境的热质量时，温度升高。由于由入射红外光引起的温度变化，电阻变化、极性变化、电动力变化和挠曲变化可以根据材料的特性产生，这样的变化被转变成图像阵列以获得热成像。特别地，辐射热测量计可以用于利用材料的电阻变化实现热成像。
确定像素的温度变化量的主要因素是入射能量的量、像素的热质量以及像素的热传导，该入射能量的量与在给定的波长带中像素的平均光吸收率乘以像素面积的结果成比例。
具有等于或超过视频图形阵列（VGA）水平的格式的阵列通过像素最小化而发展，从而实现具有高分辨率和高温度精度的热照相机。然而，在像素最小化中，入射能量的量由于减小的像素面积而减小，温度变化的量由于由热支路（thermal leg）的减小长度所引起的增大的热传导而减小。因而，温度噪声因子增大，因此，具有大于所用波长的衍射极限的尺寸（高达10μm）的像素被认为是限制。
发明内容
本发明提供红外热检测器及该红外热检测器的制造方法，该红外热检测器通过经由可产生局域表面等离子体共振现象的结构将光聚焦在小的区域上而在相同量的入射能量下获得小的热质量和小的热传导从而具有超小型化和高灵敏度的特性。
额外的方面将在以下的描述中部分地阐述，并将部分地从该描述而变得明显，或者可以通过实践给出的实施例而获知。
根据本发明的一个方面，一种红外热检测器包括：基板；检测器，与基板间隔开，经由局域表面等离子体共振吸收入射红外光，并根据所吸收的红外光引起的温度变化来改变电阻值；以及热支路，将来自检测器的信号传输到基板。
检测器可以包括：金属层，具有图案化的结构使得入射的红外光经由局域表面等离子体共振被吸收；以及热电材料层，形成在金属层的底部以包括将所吸收的红外光引起的温度变化转换为电阻变化的材料。
检测器可以被图案化为具有盘形、环形、条形或与条形结合的形状。
热支路可以通过使用与热电材料层相同的材料与热电材料层一体地形成。热电材料层可以图案化为对应于金属层的结构。
热电材料层可以具有平板形。
热电材料层可以包括非晶硅、钒氧化物和镍氧化物中的至少一种材料，其电阻值根据温度变化而变化。
金属层可以包括从由金、铝、铜、钛、铂和银构成的组中选出的至少一种材料。
检测器还可以包括在金属层与热电材料层之间的电介质层。
热支路可以通过使用能够电连接的材料独立于检测器形成。
在基板与检测器之间可以具有空气间隙。
在基板与检测器之间可以具有阻挡热传导的材料层。
红外热检测器还可以包括在检测器或热支路下面的基板上阻挡光穿透的金属反射层。
根据本发明的另一方面，一种制造红外热检测器的方法，该方法包括：制备基板；在基板上形成具有开口的牺牲层，该开口在基板上的金属线的一部分处，该金属线的该部分电连接到热支路的两端；形成与基板间隔开的热支路，热支路的仅两端通过在开口上堆叠能够电连接的材料和牺牲层并图案化该材料而电连接到金属线；以及形成检测器，该检测器经由局域表面等离子体共振吸收入射红外光并根据所吸收的红外光引起的温度变化而改变电阻值，从而电连接到热支路。
热电材料层可以在形成热支路时通过使用与热支路相同的材料与热支路一体地形成。
该方法还可以包括通过去除牺牲层在基板与热支路之间形成空气间隙。
牺牲层可以由阻挡热传导的材料形成从而阻挡热支路与基板之间的热传导。
该方法还可以包括在检测器或热支路下面的基板上形成阻挡光穿透的金属反射层，其中牺牲层可以在形成金属反射层之后形成。
金属反射层可以在形成金属线时同时地形成。
附图说明
从以下结合附图对实施例的描述，这些和/或其他的方面将变得明显并更易于理解，在附图中：
图1是红外热检测器的示意图；
图2示出正常结构中与热支路的长度加倍的结构中的温度变化的差异的曲线图；
图3是根据本发明实施例的利用局域表面等离子体共振的光吸收技术的红外热检测器的示意图；
图4是根据本发明实施例的红外热检测器的示意截面图；
图5是根据本发明实施例的图3和图4的检测器的放大示意透视图；
图6是根据本发明另一实施例的红外热检测器的放大示意透视图；
图7是根据本发明另一实施例的红外热检测器的示意截面图；
图8至图13是用于描述根据本发明实施例的制造红外热检测器的方法的视图；以及
图14和图15是示意地示出根据本发明实施例的红外热检测器的截面图。
具体实施方式
现在详细参照实施例，其示例在附图中示出，其中相似的附图标记始终指代相似的元件。就此而言，本发明的实施例可以具有不同的形式，而不应被解释为限于这里阐述的描述。因而，以下通过参照附图仅描述了实施例，以解释本说明书的方面。
图1是红外热检测器的示意图。当红外光入射在环境和连接到热支路3的热质量1（也就是，检测器）上时，热质量1的温度升高。这样的温度变化ΔT可以由以下处于平衡态的公式1来表示。
【公式1】
在公式1中，ε表示光吸收率，Φ0表示入射红外光的发射通量，Ad表示热质量1的检测面积，Gth表示热支路3的热传导，ω表示由检测器接收的信号的频率，Cth表示热质量1的热容量。
基于以上公式1，为了增大红外热检测效率，可以减小热支路3的热传导Gth和热质量1的热容量Cth，并且可以增大发射通量Φ0和检测面积Ad。
图2是示出在正常结构中与热支路的长度加倍的结构中温度变化ΔT的差异的曲线图。在图2中，水平轴表示像素尺寸（μm），竖直轴表示温度变化ΔT。这里，图2的水平轴和竖直轴的数值并不限于绝对数值。当热支路的长度对于相同的像素尺寸加倍时，温度变化ΔT可以增大。而且，温度变化ΔT可以随着像素尺寸的增大而增大。
然而，当像素被小型化从而实现具有高分辨率和高温度精度的热照相机时，不仅入射能量的量由于减小的像素面积而减小，而且热传导由于热支路的减小的长度而增加，因此温度变化ΔT的量减小。因而，温度噪声因素增大，因此，在使用的波长中具有大于约10μm的衍射极限的尺寸的像素受到限制，即，像素的尺寸被限制到约17μm。
根据本发明的实施例，通过经由产生局域表面等离子体共振（LSPR）现象的结构将光聚焦在小的区域上以在相同入射能量的量下获得小的热质量和小的热传导，可以实现具有超小型化和高灵敏度特性的红外热检测器。
利用LSPR现象的器件在纳米光学领域中被研究。利用LSPR现象的几乎完美吸收的现象可以通过以下实现：形成图案化金属层、热电材料层和图案化金属层或平坦金属层的堆叠结构并同时通过调节使用金属的材料和形状来调节与入射光的电耦合以及通过调节热电材料层的材料的类型和厚度来调节与入射光的磁耦合，从而尽可能抑制入射光的透射和反射。根据利用LSPR现象的光吸收，由于光学截面面积大，可以吸收小的结构中宽的区域的光，并且热质量可以被显著减小，因为当通过LSPR现象在入射光与金属结构之间产生耦合时光被聚焦在非常小的区域上。例如，热质量可以被减小到一般热质量的约1/5或更小。因而，可以获得对于长的热支路足够大的物理空间，因此，热传导也可以被减小至约1/5或更小。
通过使用这样的利用LSPR现象的吸收技术，相同量的温度变化可以在具有等于或小于现有红外热检测器中最小像素的约50%的尺寸的像素中获得，大约三倍的温度变化量可以在具有与现有红外热检测器相同尺寸的像素中获得。
图3是根据本发明实施例的使用利用LSPR的光吸收技术的红外热检测器10的示意图。图4是根据本发明实施例的红外热检测器10的示意截面图。在图3中，为了清晰没有示出基板20。
参照图3和图4，红外热检测器10包括基板20、检测器30和热支路50。检测器30与基板20间隔开，根据LSPR吸收入射的红外光，并根据吸收的红外光引起的温度变化而改变电阻值。热支路50将经由温度变化获得的信号从检测器30传输到基板20。
读出集成电路（IC）（未示出）可以被包括在基板20中。用于电连接热支路50和基板20的读出IC的金属线21可以形成在基板20上。
图5是根据本发明实施例的图3和图4的检测器30的放大示意透视图。
参照图3至图5，检测器30可以具有层叠结构，该层叠结构包括：金属层31，具有图案化的结构以通过LSPR吸收入射的红外光IR；以及热电材料层35，制备在金属层31下面。当红外光IR在包括金属层31的结构处产生LSPR时红外光IR被吸收。热电材料层35可以将当红外光IR经由LSPR被吸收时所引起的检测器30的温度变化转换为电阻变化。换句话说，热电材料层35可以包括将由吸收的红外光引起的温度变化转变为电阻变化的材料。金属层31可以包括从由金、铝、铜、钛、铂和银组成的组中选出的至少一种材料。金属层31可以具有图案化的结构使得当LSPR由红外光IR产生时红外光IR被吸收。为了通过LSPR吸收红外光IR，产生LSPR的金属层31的结构的长度或宽度可以具有等于或小于关于红外光IR的波长λ的大约λ/2的尺寸。
热电材料层35可以包括将由吸收的红外光所引起的温度变化转换为电阻变化的材料。换句话说，热电材料层35可以包括热敏电阻材料。例如，热电材料层35可以包括其电阻值根据温度变化而变化的材料，诸如非晶硅、钒氧化物或镍氧化物。当热电材料层35包括这样地将温度变化转变为电阻变化的材料时，通过经由LSPR吸收入射在金属层31上的红外光IR而获得的温度变化被示出为热电材料层35的电阻变化。根据电阻变化的信号通过热支路50被传输到包括在基板20中的读出IC。
同时，检测器30可以被图案化为具有盘形、环形、条形或与条形结合的形状。
换句话说，金属层31具有图案化的结构以经由LSPR吸收入射的红外光IR，热电材料层35可以被图案化为对应于金属层的结构。这里，热电材料层35可以具有与金属层31相同的结构，并具有与金属层31相同或不同的尺寸。
例如，如图3至图5所示，检测器30可以具有环形。换句话说，金属层31可以具有环形，热电材料层35也可以具有相应的环形。在图3至图5中，热电材料层35具有比金属层31宽的环形，备选地，热电材料层35可以具有与金属层31相同或比金属层31小的环形。
检测器30可以具有如图6所示的条形或与条形相结合的结构。
检测器30可以具有盘形。备选地，在检测器30中，金属层31可以具有环形、条形或者与条形结合的形状，热电材料层35可以具有平板形，诸如盘形。在图14中，检测器30的金属层31具有环形，检测器30的热电材料层35具有平板形，诸如盘形。
这里，检测器30还可以包括如图15所示在金属层31与热电材料层35之间的电介质层135。如图15所示，当进一步包括电介质层135时，吸收也通过表面等离子体共振在金属层31与电介质层135之间的界面133处产生。图15示出还包括电介质层135的具有环形的检测器30的示例。即使当检测器30还包括电介质层135时，检测器30也可以具有如上所述的各种形状。
热支路50可以形成为将根据电阻变化的信号从检测器30传输到基板20的读出IC，并且同时足够且快速地去除检测器30的热量而不通过热支路50将检测器30的热量传输到基板20。如图3和图4所示，热支路50可以被图案化使得热支路50的长度在预定区域中尽可能增加。
如图3所示，热支路50可以具有一结构，该结构包括：多个半环51，具有距中心不同的距离；以及第一连接器53，连接半环51，从而具有在预定区域内最大的长度，其中每个包括半环51和第一连接器53的成对结构可以设置为跨过检测器30彼此面对。检测器30的热电材料层35和热支路50的最内半环51可以经由第二连接器55彼此电连接。热支路50可以经过图案化形成为包括第一和第二连接器53和55以及半环51。最外半环51可以被图案化为延伸成电连接到接头23的结构。
热支路50的两端与基板20上形成的金属线21电连接的区域可以是接头23从而支撑热支路50从基板20分离。接头23可以在形成热支路50时通过采用与热支路50相同的材料而形成。备选地，接头23可以由与热支路50不同的材料形成。
另外，热支路50可以由与热电材料层35相同的材料一体地形成。换句话说，热支路50和热电材料层35可以在相同的制造工艺步骤期间由相同的材料形成。
备选地，热支路50可以通过使用能够电连接的材料独立于检测器30形成。换句话说，热支路50可以在不同的制造工艺步骤期间通过使用不同于热电材料层35的材料形成为电连接到热电材料层35。例如，热支路50可以堆叠在热电材料层35上。
根据本发明实施例的红外热检测器10可以包括具有上述检测器30和热支路50的二维（2D）阵列，并可以实现为具有2D像素阵列的红外热检测器，诸如红外热照相机。
由于在根据本发明实施例的红外热检测器10中可以减小检测器30的尺寸，与一般红外热检测器相比，可以增大在具有预定尺寸的像素区域中被热支路50占据的区域，因此可以增加热支路50的长度。
因而，由于检测器30根据LSPR吸收入射在包括金属层31的结构上的红外光IR，所以检测器30的尺寸可以比红外光IR的波长至少小几倍，因此，可以在减小像素尺寸的同时增大热支路50的长度。这样，通过减小检测器30的尺寸，可以减小热质量，并且通过增加热支路50的长度，可以减少热传导。因而，具有超小型化和高灵敏度特性的红外热检测器10可以在相同量的入射能量下通过获得小的热质量和小的热传导而实现。这里，与一般红外热检测器相比，像素尺寸可以显著地减小。
根据本发明实施例的红外热检测器10可以如图4所示包括在基板20与检测器30之间的空气间隙60，从而阻挡由检测器30吸收的红外光IR所产生的热被直接传输到基板20。
备选地，根据本发明实施例的红外热检测器10可以包括阻挡基板20与检测器30之间的热传导的材料层70，如图7所示。材料层70可以对应于牺牲层，该牺牲层将在以下参照根据本发明实施例的制造红外热检测器的方法来描述。图4可以对应于牺牲层从其去除的结构，图7可以对应于包括牺牲层的结构。
根据本发明实施例的红外热检测器10还可以包括金属反射层25，金属反射层25阻挡光透射到检测器30或热支路50下面的基板20上。用于电连接热支路50和基板20的读出IC的金属线21形成在基板20上，金属反射层25可以在形成金属线21时由与金属线21相同的材料同时地形成。备选地，金属反射层25可以由与金属线21不同的材料形成。金属反射层25可以被图案化。
图8至图13是用于描述根据本发明实施例制造红外热检测器10的方法的视图。
首先，制备基板20。然后，热支路50形成在基板20上，热支路50与基板20间隔开，仅其两端电连接到基板20。此外，形成检测器30使得检测器30电连接到热支路50，经由LSPR吸收红外光，并具有根据由吸收的红外光引起的温度变化而改变的电阻值。
参照图8，用于电连接基板20的读出IC（未示出）和热支路50的金属线21可以形成在基板20上，金属反射层25可以形成在基板20的对应于检测器30或热支路50下面的区域上。金属线21和金属反射层25可以由相同或不同的材料形成。金属反射层25可以形成在对应于检测器30或热支路50下面的基板20上使得光不从其穿过。金属反射层25可以具有平坦结构或图案化结构。金属反射层25可以与金属线21同时地形成。
为了形成与基板20间隔开并且仅两端电连接到基板20上的金属线21的热支路50，在金属线21与热支路50的连接部分中具有开口100a的牺牲层100可以形成在基板20上，如图9所示。当形成金属反射层25时，牺牲层100在形成金属反射层25之后形成。牺牲层100可以在形成检测器30之后被去除，使得空气间隙（air space）60在基板20与热支路50之间。备选地，牺牲层100可以由阻挡热传导的材料形成从而用作图7的材料层70，其阻挡热支路50与基板20之间的热传导。这里，作为示例，描述牺牲层100被去除的情形。
接着，如图10所示，能够电连接的层200，即用于形成热支路50的层，形成在开口100a和牺牲层100上。
然后，如图11和图12所示，层200被图案化以形成热支路50，仅热支路50的两端电连接到金属线21，其他的区域与基板20间隔开。
在图11和图12中，热电材料层35通过使用与热支路50相同的材料在形成热支路50的相同工艺期间与热支路50一体地形成。此外，在图11和图12中，检测器30的图案化的金属层31首先形成在层200上，在金属层31下面的热电材料层35和热支路50通过使用相同的材料关于检测器30一体地形成。备选地，热电材料层35和热支路50可以首先被图案化和形成，金属层31可以形成在热电材料层35的合适位置上。检测器30包括金属层31和热电材料层35，其中金属层31可以具有图案化的结构以经由LSPR吸收红外光。金属层31可以包括从由金、铝、铜、钛、铂和银组成的组中选出的至少一种材料。热电材料层35可以由将因吸收的红外光引起的温度变化转变为电阻变化的材料形成。例如，热电材料层35可以包括其电阻值根据温度变化而变化的至少一种材料，诸如非晶硅、钒氧化物或镍氧化物。热电材料层35的材料能够电连接，也用于形成热支路50。因而，该材料可以用于在相同的工艺期间一体地形成热电材料层35和热支路50。热电材料层35可以被图案化为对应于金属层31的结构。备选地，热电材料层35可以具有如图14所示的平板形。这里，检测器30具有环形，但是备选地，如上所述，检测器30可以具有盘形、环形、条形或与条形结合的形状。层200的填充牺牲层100的开口100a的部分对应于上述接头23。接头23也包括向上形成在与热支路50相同高度处的厚度部分。
然后，如图13所示，牺牲层100可以被去除以形成基板20与热支路50之间的空气间隙60。如上所述，当牺牲层100由阻挡热传导的材料形成时，牺牲层100可以不被去除以实现具有阻挡热传导的材料层70的红外热检测器10，如图7所示。
根据本发明实施例的红外热检测器及其制造方法，具有超小型化和高灵敏度特性的红外热检测器能够通过经由可产生LSPR现象的结构将光聚集在小的区域上而在相同量的入射能量下获得小的热质量和小的热传导来实现。
应当理解，这里描述的示范性实施例应当仅以描述性的含义来理解，而不是为了限制的目的。对每个实施例内的特征或方面的描述应当通常被认为可用于其他实施例中的其他类似特征或方面。
本申请要求于2011年10月10日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2011-0103049以及于2012年6月27日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2012-0069477的权益，其公开内容通过引用整体结合于此。
Claims (27)
1.一种红外热检测器，包括：
基板；
检测器，与所述基板间隔开，经由局域表面等离子体共振吸收入射的红外光，并根据由所吸收的红外光引起的温度变化来改变电阻值，其中所述检测器包括：
金属层，具有一结构，该结构被图案化使得入射的红外光经由所述局域表面等离子体共振被吸收，该结构的长度或宽度具有等于或小于关于所述红外光的波长λ的λ/2的尺寸，以及
热电材料层，形成在所述金属层的底部以包括将所吸收的红外光引起的温度变化转换为电阻变化的材料；以及
热支路，将来自所述检测器的信号传输到所述基板。
2.如权利要求1所述的红外热检测器，其中所述检测器被图案化为具有盘形、环形、条形或与条形结合的形状。
3.如权利要求1所述的红外热检测器，其中所述热支路通过使用与所述热电材料层相同的材料与所述热电材料层一体地形成或通过使用不同的材料堆叠在所述热电材料层上。
4.如权利要求3所述的红外热检测器，其中所述热电材料层被图案化为对应于所述金属层的结构。
5.如权利要求3所述的红外热检测器，其中所述热电材料层具有平板形。
6.如权利要求1所述的红外热检测器，其中所述热电材料层包括非晶硅、钒氧化物和镍氧化物中的至少一种材料，其电阻值根据温度变化而变化。
7.如权利要求1所述的红外热检测器，其中所述金属层包括从由金、铝、铜、钛、铂和银构成的组中选出的至少一种材料。
8.如权利要求1所述的红外热检测器，其中所述检测器还包括在所述金属层与所述热电材料层之间的电介质层。
9.如权利要求1所述的红外热检测器，其中所述热支路通过使用能够电连接的材料独立于所述检测器形成。
10.如权利要求1所述的红外热检测器，其中所述热支路包括距中心不同距离的多个半环以及连接所述多个半环的第一连接器。
11.如权利要求10所述的红外热检测器，其中所述热支路形成为使得每个包括所述多个半环和所述第一连接器的一对结构跨过所述检测器彼此面对地设置。
12.如权利要求1所述的红外热检测器，其中在所述基板与所述检测器之间具有空气间隙。
13.如权利要求1所述的红外热检测器，其中存在阻挡所述基板与所述检测器之间热传导的材料层。
14.如权利要求1所述的红外热检测器，还包括在所述检测器或所述热支路下面的基板上阻挡光穿透的金属反射层。
15.一种制造红外热检测器的方法，该方法包括：
制备基板；
在所述基板上形成牺牲层，该牺牲层在所述基板上的金属线的一部分处具有开口，该金属线的该部分电连接到热支路的两端；
形成与所述基板间隔开的热支路，通过在所述开口和牺牲层上堆叠能够电连接的材料并图案化该材料，所述热支路的仅两端电连接到所述金属线；以及
形成检测器，该检测器经由局域表面等离子体共振吸收入射的红外光并根据所吸收的红外光引起的温度变化而改变电阻值，从而电连接到所述热支路，其中所述检测器包括：
金属层，具有一结构，该结构被图案化使得入射的红外光经由所述局域表面等离子体共振被吸收，该结构的长度或宽度具有等于或小于关于所述红外光的波长λ的λ/2的尺寸，以及
热电材料层，形成在所述金属层的底部以包括将所吸收的红外光引起的温度变化转换为电阻变化的材料。
16.如权利要求15所述的方法，其中所述检测器形成为具有盘形、环形、条形或与条形结合的形状。
17.如权利要求15所述的方法，其中所述热支路通过使用与所述热电材料层相同的材料而与所述热电材料层一体地形成，或通过使用不同的材料堆叠在所述热电材料层上。
18.如权利要求17所述的方法，其中所述热电材料层被图案化为对应于所述金属层的结构。
19.如权利要求17所述的方法，其中所述热电材料层具有平板结构。
20.如权利要求15所述的方法，其中所述热电材料层包括非晶硅、钒氧化物和镍氧化物中的至少一种材料，其电阻值根据温度变化而变化。
21.如权利要求15所述的方法，其中所述金属层包括从由金、铝、铜、钛、铂和银构成的组中选出的至少一种材料。
22.如权利要求15所述的方法，还包括通过去除所述牺牲层而在所述基板与所述热支路之间形成空气间隙。
23.如权利要求15所述的方法，其中所述牺牲层由阻挡热传导的材料形成从而阻挡所述热支路与所述基板之间的热传导。
24.如权利要求15所述的方法，其中所述热支路包括距中心不同距离的多个半环以及连接所述多个半环的第一连接器。
25.如权利要求24所述的方法，其中所述热支路形成为使得每个包括所述多个半环和所述第一连接器的一对结构被设置为跨过所述检测器彼此面对。
26.如权利要求15所述的方法，还包括在所述检测器或所述热支路下面的所述基板上形成阻挡光穿透的金属反射层，其中所述牺牲层在形成所述金属反射层之后形成。
27.如权利要求26所述的方法，其中所述金属反射层在形成所述金属线时同时地形成。
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