CN113764145A - 热敏电阻及基于该热敏电阻的微辐射热计 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种热敏电阻及基于该热敏电阻的微辐射热计。所述的热敏电阻，是在基板上依序形成第一氮化铝薄膜、氧化钒薄膜及第二氮化铝薄膜的三层堆栈结构，底层的第一氮化铝薄膜具有高导热系数及优良的均温性，并可为氧化钒薄膜的成长基础，中间层的氧化钒薄膜作为热敏反应层，具有较高的温度电阻系数、较快的反应速度、较低的制程温度和提供广域的温度量测范围，顶层的第二氮化铝薄膜作为钝化层，并提供优良的导热性、均温性及保护作用；进一步地，将此三层堆栈结构制作于微辐射热计的微浮桥结构中，可提升温度均匀性和增加10～17μm远红外波长吸收效率。

Description

热敏电阻及基于该热敏电阻的微辐射热计
技术领域
本发明是属于半导体技术领域，尤其有关于一种热敏电阻及基于该热敏电阻的微辐射热计。
背景技术
热敏电阻(thermistor)是一种对温度变化极为敏感的电阻体，运用其对温度的敏感性，已经广泛应用于温度测量、温度控制、温度补偿、气压测定、气象探测、过载保护等等。
基于热敏电阻的微辐射热计(Microbolometer)是近年发展非常迅速的一种红外线探测器，其主要通过微浮桥结构来完成，基本原理是微浮桥结构的光吸收层吸收外界的红外线辐射能量后导致温度发生变化，从而引起热敏电阻的电阻值产生变化，藉由侦测此变化来获得所需的讯息。在微浮桥结构中，作为核心的热敏电阻对于微辐射热计的灵敏度有非常大的影响。目前最常用的热敏电阻材料为多晶硅薄膜或过渡金属氧化物薄膜。其中，氧化钒为过渡性金属氧化物之一，具有较高的温度电阻系数、较快的反应速度、较低的制程温度和提供广域的温度量测范围的优点，可符合高性能微辐射热计的需求。但氧化钒薄膜成长条件不容易控制，且常出现电阻均匀性及热稳定性不佳，导致输出信号不稳定的问题，从而影响产品性能，不利于高性能微辐射热计的发展。
因此，上述现有技术尚有改进和发展的空间。
发明内容
有鉴于此，针对现有技术存在的缺失，本发明主要目的是提供一种热敏电阻及基于该热敏电阻的微辐射热计，在基板上依序堆栈形成第一氮化铝薄膜、氧化钒薄膜及第二氮化铝薄膜，基于氮化铝具有优良导热性质可有效改善热敏电阻均匀性及热稳定性不佳的缺点，以符合高性能微辐射热计的需求。
为实现上述目的，本发明提供一种热敏电阻，依次堆栈设置有一基板、一第一氮化铝薄膜、一氧化钒薄膜和一第二氮化铝薄膜。其中第一氮化铝薄膜具有高导热系数，并可为氧化钒薄膜的成长基础；氧化钒薄膜作为热敏反应层，具有较高的温度电阻系数、较快的反应速度、较低的制程温度和提供广域的温度量测范围；而第二氮化铝薄膜作为钝化层，并提供导热性、均温性及保护作用。
另外，本发明也提供一种微辐射热计，包括一微浮桥结构，微浮桥结构位于一基板上方，微浮桥结构与基板之间形成一空间隙层，并由上而下依次包括一第二氮化铝薄膜、一氧化钒薄膜和一第一氮化铝薄膜。其中第一氮化铝薄膜作为微浮桥结构的支撑层，具有可承受约440MPa应力的能力、稳定性佳的特性，并可为氧化钒薄膜的成长基础。另外还具有高导热系数，可提升微浮桥结构的均温性；氧化钒薄膜作为热敏反应层，具有较高的温度电阻系数、较快的反应速度、较低的制程温度及提供广域的温度量测范围；而第二氮化铝薄膜作为钝化层，并提供导热性及均温性，还可吸收特定波长的红外线能量。
相较于现有技术，本发明是将氧化钒薄膜设置于第一氮化铝薄膜和第二氮化铝薄膜之间，由于氮化铝薄膜具有高的导热系数，热传效率较高，可提供较佳均温性，有助于改善热敏电阻的电阻均匀性及热稳定性，且用于微浮桥结构中，氮化铝薄膜能同时提高热敏电阻对波长在10～17μm的吸收效率，且根据辐射热韦恩位移定律(Wein’s displacementlaw):λm×T＝2898μm·K，本发明的氮化铝/氧化钒/氮化铝三层薄膜的热敏电阻结构，可以增强高性能微辐射热计在17～-102℃的温度量测效率。
下面藉由具体实施例详加说明，当更容易了解本发明的目的、技术内容、特点及其所达成的功效。
附图说明
图1是本发明的第一实施例所提供的热敏电阻的剖面结构示意图；
图2是本发明的第一实施例所提供的热敏电阻的温度电阻特性曲线；
图3是本发明的第二实施例所提供的热敏电阻的剖面结构示意图；
图4是本发明的第三实施例所提供的微辐射热计的剖面结构示意图；
图5是本发明的第四实施例所提供的微辐射热计的剖面结构示意图。
符号说明
100、200-热敏电阻
10-基板
11-孔洞
20-三层堆栈结构
21-第一氮化铝薄膜
22-氧化钒薄膜
23-第二氮化铝薄膜
30-支撑脚
300、500-微辐射热计
50-微浮桥结构
60-空间隙层
具体实施方式
请参照图1，其绘示本发明的第一实施例所提供热敏电阻100。本实施例的热敏电阻100是在一基板10上方形成一氮化铝薄膜/氧化钒薄膜/氮化铝薄膜的三层堆栈结构20，此三层堆栈结构20包括一第一氮化铝薄膜21、一氧化钒薄膜22和一第二氮化铝薄膜23。
本实施例中，基板10为硅基板；实际应用上，基板10的材料可选自单晶硅、单晶锗、二氧化钛、氮化硅、氮化钛、玻璃、蓝宝石和金属单质中的一种。
三层堆栈结构20的底层为第一氮化铝薄膜21，第一氮化铝薄膜21是作为基板10与氧化钒薄膜22之间的缓冲层(buffer layer)，同时，并可作为氧化钒薄膜22的成长基础，另外由于氮化铝材料具有高导热系数，可增加热敏电阻的反应速度及均温性。
三层堆栈结构20的中间层为氧化钒薄膜22，氧化钒薄膜22是作为热敏反应层，氧化钒薄膜22的结构式为VOx，其中x为1.0～2.5，氧化钒薄膜22具有较高的温度电阻系数(TCR)、较快的反应速度、较低的制程温度及提供广域的温度量测范围。氧化钒薄膜22可为纯相的单斜晶相或四方晶相，且氧化钒薄膜22的厚度较佳为100～300nm，氧化钒薄膜22为纯氧化钒或掺杂其他元素的氧化钒。
三层堆栈结构20的顶层为第二氮化铝薄膜23，第二氮化铝薄膜23是作为钝化层，同时可提供高导热性及均温性，并可达到保护之用。第一氮化铝薄膜21和第二氮化铝薄膜23的厚度较佳为200～500nm。
请参照图2，其显示本发明的第一实施例所提供的热敏电阻100的温度电阻特性曲线。如图所示，热敏电阻的片电阻值随着温度上升而下降(负温度电阻特性)，呈二次多项式关系变化。本实施例中，热敏电阻的温度电阻特性曲线方程式可表示为y＝0.019x2-3.5745x+219.05，R2＝0.9995，y代表热敏电阻的片电阻值，x代表量测温度，R代表温度电阻特性曲线的曲率，热敏电阻在25℃时的片电阻值为141.56KΩ。
本实施例的热敏电阻100的制作可以通过在基板10上依序沉积第一氮化铝薄膜21、氧化钒薄膜22和第二氮化铝薄膜23来达成。
请参照图3，其绘示本发明的第二实施例所提供的热敏电阻200的剖面结构示意图。和第一实施例不同的是，本实施例的热敏电阻200将基板10部分掏空，其制作可以通过在基板10上依序沉积第一氮化铝薄膜21、氧化钒薄膜22和第二氮化铝薄膜23，然后，再对于基板10背面进行蚀刻来形成多个孔洞11，而完成此孔洞式热敏电阻200，可降低基板10热容量，增加热敏电阻200的热敏感性。
请参照图4，其绘示本发明的第三实施例所提供的微辐射热计300的剖面结构示意图。和第一、第二实施例不同的是，本实施例的微辐射热计300将上述三层堆栈结构利用2个支撑脚30来悬空设置于基板10上方，其制作可以通过在基板10上先涂覆高分子材料，再依序沉积第一氮化铝薄膜21、氧化钒薄膜22和第二氮化铝薄膜23，然后去除高分子材料，形成连接于三层堆栈结构20和基板10之间的支撑脚30，而完成浮桥式的微辐射热计300。
请参照图5，其绘示本发明的第四实施例所提供的微辐射热计500的剖面结构示意图。本实施例的微辐射热计500包括一微浮桥结构50，微浮桥结构50悬浮设置于基板10上方，且在微浮桥结构50与基板10之间形成一空间隙层60，微浮桥结构50具有一氮化铝薄膜/氧化钒薄膜/氮化铝薄膜的三层堆栈结构20，此三层堆栈结构20由上而下包括一第二氮化铝薄膜23、一氧化钒薄膜22和一第一氮化铝薄膜21。本实施例的微浮桥结构50的三层堆栈结构20在上述实施例中已经详细说明，为了简洁起见，在此不再赘述。同时，本技术领域的技术人员也能够了解微辐射热计500的具体结构及其变形，在此也不再赘述。
进一步说明，有关本发明的热敏电阻应用于微辐射热计中可达到的功效。在热敏电阻的三层堆栈结构中，底层的第一氮化铝薄膜是作为微浮桥结构的支撑层，具有可承受约400MPa应力的能力、稳定性佳的特性，再者并可作为氧化钒薄膜的成长基础，另外可利用氮化铝材料具有高导热系数，可提升微浮桥结构的均温性。中间层的氧化钒薄膜是作为热敏反应层，具有较高的温度电阻系数、较快的反应速度、较低的制程温度及提供广域的温度量测范围。而顶层的第二氮化铝薄膜是作为钝化层，并可提供导热性及均温性，以及可提高波长在10～17μm红外线的吸收效率。
本发明中，氮化铝薄膜能同时提高微辐射热计在波长10～17μm红外线的吸收效率，且根据辐射热韦恩位移定律(Wein’s displacement law):λm×T＝2898μm·K，本发明的氮化铝/氧化钒/氮化铝三层薄膜的热敏电阻结构，可以增强高性能微辐射热计在17～-102℃的温度量测效率。
表1氮化铝、氮化硅、硅的光及热特性
Figure BDA0002525881720000051
再进一步说明，已知氮化硅薄膜也可作为热敏薄膜的基底材料，本发明的热敏电阻则是将氧化钒薄膜设置于两层氮化铝薄膜之间，由上面表1可得知氮化铝薄膜相较于氮化硅薄膜所具备的优异性能如下：
1、氮化铝薄膜有较高的导热系数，其热传效率较高。
2、氮化铝薄膜与硅基板的热膨胀系数较氮化硅薄膜与硅基板的热膨胀系数较为接近，氮化铝薄膜较不易因热应力造成脱落现象。
3、氮化硅薄膜于波长在6～12μm区间的色散现象较氮化铝薄膜高，且在波长在11μm出现明显色散现象，不利频谱侦测。
4、对热侦测器而言，使用氮化铝薄膜的导热效率(反应速度)及提供氧化钒薄膜在波长10～17μm的光吸收效率上均优于氮化硅薄膜。
必须注意的是，本发明的热敏电阻的三层堆栈结构中，底层的第一氮化铝薄膜必须以不影响其他膜层的最低温度及氧化钒的电性条件为限，而顶层的第二氮化铝薄膜的制程温度必须以不影响氧化钒薄膜特性为限。氧化钒薄膜为热反应层，可呈现较高的温度电阻系数。
综上所述，根据本发明所提供的热敏电阻及基于该热敏电阻的微辐射热计，热敏电阻是在基板上方形成有氮化铝薄膜/氧化钒薄膜/氮化铝薄膜的三层堆栈结构，有助于改善热敏电阻的辐射热侦测度、电阻均匀性及热稳定性，此三层堆栈结构进一步可应用于微辐射热计的微浮桥结构中，可提升温度均匀性和特定波长的光吸收效率，能够满足高性能微辐射热计的需求，进而可提高产品价值和产业竞争力。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到其各种变化或替换，这些都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (12)

1.一种热敏电阻，其特征在于，包括：
一基板；
一第一氮化铝薄膜，设置于该基板上方；
一氧化钒薄膜，设置于该第一氮化铝薄膜上；以及
一第二氮化铝薄膜，设置于该氧化钒薄膜上。
2.如权利要求1所述的热敏电阻，其特征在于，该基板为单晶硅、单晶锗、二氧化钛、氮化硅、氮化钛、玻璃、蓝宝石和金属单质中的一种。
3.如权利要求1所述的热敏电阻，其特征在于，该氧化钒薄膜的结构式为VOx，其中x为1.0～2.5。
4.如权利要求1所述的热敏电阻，其特征在于，该氧化钒薄膜为纯相的单斜晶相或四方晶相。
5.如权利要求1所述的热敏电阻，其特征在于，该氧化钒薄膜的厚度为100～300nm。
6.如权利要求1所述的热敏电阻，其特征在于，该第一氮化铝薄膜和该第二氮化铝薄膜的厚度为200～500nm。
7.一种微辐射热计，其特征在于，包括一微浮桥结构，该微浮桥结构与一基板之间形成一空间隙层，该微浮桥结构包括：
一第一氮化铝薄膜，设置于该基板上方；
一氧化钒薄膜，设置于该第一氮化铝薄膜上；以及
一第二氮化铝薄膜，设置于该氧化钒薄膜上。
8.如权利要求7所述的微辐射热计，其特征在于，该基板为单晶硅、单晶锗、二氧化钛、氮化硅、氮化钛、玻璃、蓝宝石和金属单质中的一种。
9.如权利要求7所述的微辐射热计，其特征在于，该氧化钒薄膜的结构式为VOx，其中x为1.0～2.5。
10.如权利要求7所述的微辐射热计，其特征在于，该氧化钒薄膜为纯相的单斜晶相或四方晶相。
11.如权利要求7所述的微辐射热计，其特征在于，该氧化钒薄膜的厚度为100～300nm。
12.如权利要求7所述的微辐射热计，其特征在于，该第一氮化铝薄膜和该第二氮化铝薄膜的厚度为200～500nm。
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