CN109873045B - 红外线感测元件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种红外线感测元件及其制造方法。该红外线感测元件包括基板、红外线吸收层及孔槽。红外线吸收层形成于基板上且具有感测面。孔槽从红外线吸收层的感测面往基板的方向延伸。

Description

红外线感测元件及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种红外线感测元件及其制造方法，且特别是涉及一种具有孔槽的红外线感测元件及其制造方法。
背景技术
传统的红外线感测元件可收集被测物辐射出的红外线能量并将能量聚集于检测器上。检测器把能量转化为电信号，电信号经放大并显示为温度读数。一般来说，检测器包括感热层及红外线吸收层。红外光吸收层整个且完整地覆盖在感热层上。红外线吸收层吸收被测物辐射出的红外线能量。当感热层感测到红外线能量，将红外线能量(热量)转换成电信号。处理器依据此电信号计算被测物的温度值。
然而，这样的层结构已经无法满足现代对更低反应时间及更低讯噪比的要求。因此，本技术领域业者有必要提出一种新的且具有更低反应时间及更低讯噪比的要求的红外线感测元件。
发明内容
因此，本发明的目的在于提出一种红外线感测元件及其制造方法，可改善前述现有问题。
为达上述目的，根据本发明的一实施例，提出一种红外线感测元件。红外线感测元件包括一基板、一红外线吸收层及一孔槽。红外线吸收层形成于基板上且具有一感测面。孔槽从红外线吸收层的感测面往基板的方向延伸。
根据本发明的另一实施例，提出一种红外线感测元件的制造方法。制造方法包括以下步骤。提供一基板及一红外线吸收层，其中红外线吸收层形成在基板上，红外线吸收层具有一感测面；以及形成一孔槽，孔槽从红外线吸收层的感测面往基板的方向延伸。
为了对本发明的上述及其他方面有更佳的了解，下文特举实施例，并配合所附的附图详细说明如下：
附图说明
图1A为本发明一实施例的红外线感测元件的示意图；
图1B为图1A的红外线感测元件的局部俯视图；
图1C为图1B的红外线感测元件沿方向1C-1C’的剖视图；
图2为本发明另一实施例的孔槽的示意图；
图3为本发明另一实施例的孔槽的示意图；
图4A为本发明一实施例的红外线感测元件的示意图；
图4B为图4A的红外线感测元件的局部俯视图；
图4C为图4B的红外线感测元件沿方向4C-4C’的剖视图；
图5A～图5C为图1C的红外线感测元件的制造过程图。
符号说明
100、200：红外线感测元件
110：基板
110a：空腔
110u：上表面
120：红外线吸收层
120a：贯穿部
120u：感测面
130a、230a、330a：孔槽
130a1：第一槽
130a2：第二槽
130b1、130b2：底壁
130w1、130w2、230w：侧壁
140：热导层
141：第一子热导层
142：第二子热导层
150：第一热敏线
151、161：第一端
155’：热电元件
160：第二热敏线
170：半导体结构层
170a：电子元件
171：第一导电孔
172：第一导电层
1721：连接件
173：第二导电孔
174：第二导电层
175：第三导电孔
176：第三导电层
177：第四导电孔
178：第四导电层
179：第五导电孔
180：第五导电层
181：第六导电孔
D1、D2、D3：直径
E1：红外线能量
R1：感测区块
具体实施方式
请参照图1A～图1C，图1A为本发明一实施例的红外线感测元件100的示意图，图1B为图1A的红外线感测元件100的局部俯视图，而图1C为图1B的红外线感测元件100沿方向1C-1C’的剖视图。
红外线感测元件100可收集被测物辐射出的红外线能量E1，并将能量转换成电信号，且依据电信号计算被测物的温度值。
红外线感测元件100包括基板110、红外线吸收层120、至少一孔槽130a、热导层140、至少一热电元件155’、半导体结构层170。
红外线吸收层120形成于基板110的上表面110u上且具有一感测面120u。孔槽130a从红外线吸收层120的感测面120u往基板110的方向延伸。相较于没有孔槽130a的红外线感测元件，本实施例的孔槽130a的内侧壁提供了额外感测面积，因此能有效地增加辐射吸收率，降低红外线感测元件100的反应时间及讯噪比。此外，基板110例如是硅基板，而红外线吸收层120例如是氧化层，如氧化硅层。
如图1C所示，各孔槽130a包括第一槽130a1及第二槽130a2，其中第一槽130a1从感测面120u延伸至第二槽130a2，第一槽130a1的直径D1与第二槽130a2的直径D2相异。例如，第一槽130a1的直径D1大于第二槽130a2的直径D2，使孔槽130a成为一上宽下窄的孔槽。然而在另一实施例中，第二槽130a2的直径D2可大于第一槽130a1的直径D1，使孔槽130a成为一下宽上窄的孔槽。本发明实施例并不限制各孔槽的形状。
此外，孔槽130a具有底壁及侧壁，其中底壁及/或侧壁可以是平面壁、曲面壁或其组合。例如，如图1C所示，第一槽130a1的底壁130b1及侧壁130w1是平面壁，且第二槽130a2的底壁130b2及侧壁130w2也为平面壁。在另一实施例中，底壁130b1、侧壁130w1、底壁130b2及/或侧壁130w2可以是曲面壁、平面壁或其组合。
热导层140形成在孔槽130a的整个壁面的至少一部分上及感测面120u的至少一部分上，以吸收红外线能量E1，进而提高红外线感测元件100对于红外线能量E1的吸收效率。如图1C所示，热导层140包括第一子热导层141及第二子热导层142。第一子热导层141形成在第一槽130a1的底壁130b1及第二槽130a2的底壁130b2，而第二子热导层142形成在感测面120u。底壁130b1、底壁130b2及感测面120u面向红外线能量E1的入射方向，因此可以较大或最大面积吸收红外线能量E1。在另一实施例中，第一子热导层141可更形成在第一槽130a1的侧壁130w1及/或第二槽130a2的侧壁130w2。此外，热导层140可以是金属层，例如是由热导性优良的材料制成，如金属，其中金属可以是铜(Cu)、镍化铬(NiCr)、氮化钛(TiN)、钛(Ti)或金(Au)。热导层140的厚度大致上等于或小于100纳米。
如图1A～图1C所示，红外线吸收层120包括多个感测区块R1(感测区块R1绘示于图1C)。多个孔槽130a及贯穿部120a位于对应的感测区块R1中。此些感测区块R1可以排列成阵列型，然而也可随意排列。位于一个感测区块R1中的多个孔槽130a也可以排列成阵列型，然也可随意排列。
各感测区块R1的温度变化由二组热电元件155’转换成电信号，电信号传输到处理器(未绘示)进行处理，以计算出对应该电信号的温度值。热电元件155’可以是热电堆(thermopile)、晶体管、二极管或热敏电阻(thermistor)。在本实施例中，各热电元件155’包括第一热敏线150及第二热敏线160。第一热敏线150的第一端151(第一端151绘示于图1B)及第二热敏线160的第一端161(第一端161绘示于图1B)位于对应的孔槽130a的下方，以感测红外线吸收层120所吸收的红外线能量E1，并转换成电信号。在一实施例中，第一热敏线150与第二热敏线160的一者为n型多晶硅(n-poly)，而另一者为p型多晶硅(p-poly)，其特性可将热信号转换成电信号，如电压差。
如图1C所示，第一热敏线150的第一端151及第二热敏线160的第一端161位于孔槽130a的正下方，使第一端151及第一端161与孔槽130a之间的热传导路径最短。在另一实施例中，第一热敏线150的第一端151与第二热敏线160的第一端161的一者位于孔槽130a的正下方，而另一者不位于孔槽130a的正下方。或者，第一端151及第一端161都不位于孔槽130a的正下方。换言之，只要第一端151及第一端161邻近孔槽130a即可，本发明实施例不限定第一端151及第一端161的位置。
此外，虽然图未绘示，然而第一热敏线150的第二端及第二热敏线160的第二端可延伸至处理器，以将电信号传输至处理器。
如图1C所示，基板110具有多个空腔110a，各空腔110a从贯穿部120a往基板110内部延伸，如从贯穿部120a的下缘往基板110内部延伸。空腔110a内充满空气，可降低热传导率(如同提供保温效果)，避免红外线吸收层120吸收的红外线能量E1过快地传导至红外线感测元件100外部(若过快地传导至红外线感测元件100外部，将导致温测值低于被测物的实际温度)。也就是说，由于空腔110a的设计，提升了红外线感测元件100的温测准确性。
如图1C所示，红外线吸收层120具有多个贯穿部120a，贯穿部120a从感测面120u延伸至空腔110a，且围绕多个孔槽130a。贯穿部120a大致上沿第一热敏线150与第二热敏线160的延伸方向延伸。贯穿部120a延伸成开放环形，如L型，可避免切断第一热敏线150与第二热敏线160。贯穿部120a提供空气的容纳空间，如此可提供类似空腔110a的降低热传导率的技术效果。
如图1C所示，半导体结构层170包括至少一第一导电孔171、第一导电层172、至少一第二导电孔173及第二导电层174。第一导电孔171可电连接第一导电层172与第一热敏线150及第二热敏线160。举例来说，第一导电层172包括连接件1721，其中一第一导电孔171可连接第一热敏线150与连接件1721，而另一第一导电孔171可连接第二热敏线160与连接件1721，使第一热敏线150及第二热敏线160的电信号可通过第一导电孔171传输至第一导电层172的连接件1721。
第二导电孔173可电连接第二导电层174与第一导电层172，以将第一热敏线150及第二热敏线160的电信号通过第二导电孔173传输至第二导电层174。第二导电层174可延伸至处理器(未绘示)，以将第一热敏线150及第二热敏线160的电信号传输至处理器。处理器据以计算出对应的温度值。
如图1C所示，半导体结构层170包括至少一电子元件170a，如金属氧化物半导体场效晶体管、启动电路及/或其它相关电路结构。电子元件170a整合至红外线感测元件100中，并提供感测红外线能量以外的功能，因此可扩大红外线感测元件100的功能及应用。此外，电子元件170a例如是由第一导电孔171、第一导电层172、第二导电孔173与第二导电层174的部分结构形成。另外，前述的处理器也可以是半导体结构层170的一部分，其可由例如是由第一导电孔171、第一导电层172、第二导电孔173与第二导电层174的部分结构形成。
图2为本发明另一实施例的孔槽230a的示意图。在本实施例中，孔槽230a的侧壁230w为曲面壁，其例如是椭圆形的一部分，然也可为圆形的一部分或弧形。热导层140可顺应孔槽230a的侧壁230w的外形而形成在侧壁230w上。
图3为本发明另一实施例的孔槽330a的示意图。相较于前述孔槽130a，本实施例的孔槽330a非阶梯状孔槽，而是一直孔槽，其具有一致的直径D3。
在其它实施例中，孔槽可以是具有其它几何型态，如三角形锥孔、梯形孔或半圆孔等。只要是可以吸收红外线能量E1的凹部结构，都可以做为本发明实施例的孔槽。
请参照图4A～图4C，图4A为本发明另一实施例的红外线感测元件200的示意图，图4B为图4A的红外线感测元件200的俯视图，而图4C为图4B的红外线感测元件200沿方向4C-4C’的剖视图。
红外线感测元件200包括基板110、红外线吸收层120、至少一孔槽130a、热导层140、至少一热电元件155’及半导体结构层170。本发明实施例的红外线感测元件200具有类似红外线感测元件100的技术特征，不同处在于，红外线感测元件200省略贯穿部120a，且热电元件155’的数量更多。
如图4B及图4C所示，红外线感测元件200包括多组热电元件155’。各热电元件155’的一端邻近对应的孔槽130a。由于省略贯穿部120a，因此多个热电元件155’的多个另一端可辐射状地往外延伸至处理器(未绘示)。
请参照图5A～图5C，其为图1C的红外线感测元件100的制造过程图。
如图5A所示，提供基板110、红外线吸收层120、热电元件155’及半导体结构层170，其中红外线吸收层120形成在基板110的上表面110u上，红外线吸收层120具有感测面120u。半导体结构层170内埋于红外线吸收层120内。热电元件155’形成在基板110的上表面110u上。半导体结构层170包括至少一第一导电孔171、第一导电层172、至少一第二导电孔173、第二导电层174、至少一第三导电孔175、第三导电层176、至少一第四导电孔177、第四导电层178、至少一第五导电孔179、第五导电层180及至少一第六导电孔181，其中二导电层之间可通过其间的导电孔连接。
在制作工艺上，热电元件155’及半导体结构层170可先以半导体制作工艺(如光刻制作工艺)形成在基板110的上表面110u上，然后采用例如是涂布或印刷技术形成红外线吸收层120覆盖半导体结构层170及热电元件155’。
然后，如图5B所示，可采用例如是蚀刻技术，一次形成至少一孔槽130a及至少一贯穿部120a，孔槽130a及贯穿部120a从红外线吸收层120的感测面120u往基板110的方向延伸，且贯穿部120a围绕孔槽130a。如图所示，孔槽130a可不延伸至第一导电层172的连接件1721，以保留连接件1721，使连接件1721保持电连接热电元件155’的状态。
如图5B所示，贯穿部120a经过半导体结构层170的一第一导电孔171、部分第一导电层172、一第二导电孔173、部分第二导电层174、一第三导电孔175、部分第三导电层176、一第四导电孔177、部分第四导电层178、一第五导电孔179、部分第五导电层180及一第六导电孔181，以移除此些部分，而能延伸至基板110的上表面110u。
由于贯穿部120a露出基板110，使后续步骤的蚀刻液体或蚀刻气体可通过贯穿部120a移除基板110的材料。在另一实施例中，孔槽130a及贯穿部120a可在二不同制作工艺分别形成。
然后，如图5C所示，可采用例如是蚀刻技术，通过贯穿部120a形成空腔110a，其中空腔110a从贯穿部120a往基板110内部延伸。贯穿部120a提供一通道，允许蚀刻液体或蚀刻气体通过该通道移除基板110的部分材料，而形成空腔110a。
然后，形成如图1C所示的热导层140于孔槽130a的壁面的至少一部分上及红外线吸收层120的感测面120u的至少一部分上。
图4C的红外线感测元件200的制造过程类似红外线感测元件100，不同之处在于，红外线感测元件200的制造过程不需形成贯穿部120a。
如上所述，由于孔槽的设计，可增加红外线感测元件对红外线能量的吸收率，进而缩短反应时间及降低讯噪比。在另一实施例中，由于孔槽搭配热导层的设计，可更增加红外线感测元件对红外线能量的吸收率，进而大幅缩短反应时间及降低讯噪比。在其它实施例中，基板具有空腔，空腔可降低导热性，避免红外线吸收层的红外线能量(热量)过快传导至外界，进而避免测得温度值低于或过低于被测物的实际温度。
综上所述，虽然结合以上实施例公开了本发明，然而其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围应当以附上的权利要求所界定的为准。

Claims (13)

1.一种红外线感测元件，其特征在于，包括：
基板；
红外线吸收层，形成于该基板上且具有一感测面；以及
孔槽，从该红外线吸收层的该感测面往该基板的方向延伸，该孔槽包括第一槽及第二槽，该第一槽从该感测面延伸至该第二槽，该第二槽从该第一槽往该基板的方向延伸，且该第一槽的直径与该第二槽的直径相异。
2.如权利要求1所述的红外线感测元件，还包括：
热导层，形成在该孔槽的壁面上。
3.如权利要求1所述的红外线感测元件，包括多个该孔槽。
4.如权利要求1所述的红外线感测元件，其中该第一槽的直径大于该第二槽的直径。
5.如权利要求1所述的红外线感测元件，还包括：
热导层，形成在该第一槽的底壁及该第二槽的底壁。
6.如权利要求1所述的红外线感测元件，其中该基板具有空腔，该空腔从该基板的上表面往该基板内部延伸。
7.如权利要求6所述的红外线感测元件，其中该红外线吸收层具有贯穿部，该贯穿部从该感测面延伸至该空腔且围绕该孔槽。
8.如权利要求1所述的红外线感测元件，还包括：
热电元件，形成在该基板上且该热电元件的一端邻近该孔槽。
9.如权利要求8所述的红外线感测元件，其中该热电元件包括：
第一热敏线，形成在该基板上，且该第一热敏线的一端邻近该孔槽；
第二热敏线，形成在该基板上，且该第二热敏线的一端邻近该孔槽；以及
其中，该红外线感测元件包括一连接件，该连接件形成在该红外线吸收层中，且连接该第一热敏线的该端与该第二热敏线的该端。
10.一种红外线感测元件的制造方法，其特征在于，包括：
提供一基板及一红外线吸收层，其中该红外线吸收层形成在该基板上，该红外线吸收层具有一感测面；以及
形成一孔槽，该孔槽从该红外线吸收层的该感测面往该基板的方向延伸，
其中，该孔槽包括第一槽及第二槽，该第一槽从该感测面延伸至该第二槽，该第二槽从该第一槽往该基板的方向延伸，且该第一槽的直径与该第二槽的直径相异。
11.如权利要求10所述的制造方法，还包括：
形成一贯穿部，该贯穿部从该感测面延伸至该基板且围绕该孔槽。
12.如权利要求10所述的制造方法，还包括：
形成一空腔，该空腔从该基板的上表面往该基板内部延伸。
13.如权利要求10所述的制造方法，还包括：
形成一贯穿部，该贯穿部从该感测面延伸至该基板；以及
通过该贯穿部形成一空腔，该空腔从该贯穿部往该基板内部延伸。
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