CN114485949A - 微测辐射热计和其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本公开提供一种微测辐射热计，包括基板、配置于基板上方的读取电路层、配置于读取电路层上方的第一氧化钒层、配置于第一氧化钒层上的第二氧化钒层以及配置于第二氧化钒层上方的红外线吸收层，其中第二氧化钒层的含氧量高于第一氧化钒层的含氧量。高含氧量的第二氧化钒层保护第一氧化钒层免受环境影响，从而提高第一氧化钒层的稳定性并且改善微测辐射热计的感测表现。
Description
技术领域
本公开内容是关于微测辐射热计和其制造方法，且特别是关于包括热敏层的微测辐射热计。
背景技术
微测辐射热计(microbolometer)是将待测物体所发出的红外线转换成电子信号，从而判读并显示待测物体的温度。举例而言，当待测物体发出红外线后，微测辐射热计中的热敏层(thermistor)可以吸收红外线而改变自身的电阻值，使得微测辐射热计中的电流产生变化并通过电路元件判读对应的待测物体温度。然而，热敏层在制造工艺中容易受到影响，使得热敏层对红外线的敏感度难以维持稳定。因此，如何增加热敏层的稳定性以提升其对红外线的敏感度，是改善微测辐射热计表现的重要课题。
发明内容
根据本公开的一些实施方式，一种微测辐射热计包括基板、配置于基板上方的读取电路层、配置于读取电路层上方的第一氧化钒层、配置于第一氧化钒层上的第二氧化钒层以及配置于第二氧化钒层上方的红外线吸收层，其中第二氧化钒层的含氧量高于第一氧化钒层的含氧量。
在一些实施方式中，第一氧化钒层包括VO、V2O3、VO2、VaO2a-1、VbO2b+1或其组合，a为介于4至9间的整数，b为3、4或6。
在一些实施方式中，第二氧化钒层包括V2O5、V2Oc或其组合，c为大于5的整数。
在一些实施方式中，第二氧化钒层的含氧量介于70％至90％间。
在一些实施方式中，第二氧化钒层的厚度介于1nm至10nm间，第一氧化钒层的厚度介于50nm至250nm间。
在一些实施方式中，第二氧化钒层的含氧量朝远离第一氧化钒层的方向递增。
在一些实施方式中，第二氧化钒层和第一氧化钒层之间形成介面，介面两侧的晶格态不相同。
在一些实施方式中，微测辐射热计进一步包括配置于第二氧化钒层上的第三氧化钒层，第三氧化钒层的含氧量高于第二氧化钒层的含氧量，第二氧化钒层和第三氧化钒层的总厚度介于1nm至10nm间。
根据本公开的一些实施方式，一种制造微测辐射热计的方法包括以下步骤。形成第一氧化钒层于基板上方，其中在形成第一氧化钒层时加热基板，基板的温度介于300℃至400℃间。形成第二氧化钒层于第一氧化钒层上，其中第二氧化钒层的含氧量高于第一氧化钒层的含氧量。形成红外线吸收层于第二氧化钒层上方。
在一些实施方式中，形成第一氧化钒层包括使用射频电源或脉冲直流电电源轰击金属靶材以产生金属前驱物，以及在含氧环境中沉积金属前驱物于基板上方，其中脉冲直流电电源的占空比介于50％至98％间，含氧环境的含氧量介于10％至50％间。
附图说明
当结合附图阅读时，从以下详细描述中可以最好地理解本公开的各方面。应注意，根据工业中的标准方法，各种特征未按比例绘制。实际上，为了清楚地讨论，可任意增加或减少各种特征的尺寸。
图1依据本公开的一实施方式绘示微测辐射热计的立体示意图。
图2绘示图1的微测辐射热计沿着截线A-A′的截面图。
图3A依据本公开的一实施方式绘示微测辐射热计的感测区的截面图。
图3B依据本公开的另一实施方式绘示微测辐射热计的感测区的截面图。
图3C依据本公开的另一实施方式绘示微测辐射热计的感测区的截面图。
图4依据本公开的一实施方式绘示制造微测辐射热计的方法流程图。
具体实施方式
为了实现提及主题的不同特征，以下公开内容提供了许多不同的实施例或示例。以下描述组件、操作、配置等的具体示例以简化本公开。当然，这些仅仅是示例，而不是限制性的。例如，在以下的描述中，在第二特征之上或上方形成第一特征可以包括第一特征和第二特征以直接接触形成的实施例，并且还可以包括在第一特征和第二特征之间形成附加特征，使得第一特征和第二特征可以不直接接触的实施例。另外，本公开可以在各种示例中重复参考数字和/或字母。此重复是为了简单和清楚的目的，并且本身并不表示所讨论的各种实施例和/或配置之间的关系。
此外，本文可以使用空间相对术语，诸如“在…下面”、“在…下方”、“下部”、“在…上面”、“上部”等，以便于描述一个元件或特征与如图所示的另一个元件或特征的关系。除了图中所示的取向之外，空间相对术语旨在包括使用或操作中的装置的不同取向。装置可以以其他方式定向(旋转90度或在其他方向上)，并且同样可以相应地解释在此使用的空间相对描述符号。
本公开内容提供一种微测辐射热计和其制造方法。微测辐射热计包括第一氧化钒层和配置于第一氧化钒层上的第二氧化钒层，其中第二氧化钒层的含氧量高于第一氧化钒层的含氧量。由于第二氧化钒层保护其下方的第一氧化钒层免受环境影响，使得第一氧化钒层的稳定性上升，从而改善微测辐射热计的感测表现。
依据本公开的一些实施方式，图1绘示微测辐射热计10的立体示意图。图2则绘示图1的微测辐射热计10沿着截线A-A′的截面图。参考图1和图2，微测辐射热计10包括基板100、配置于基板100上方的读取电路层(readout circuit layer)110，以及配置于读取电路层110上方的感测区200。在感测区200接收到外界的红外线300之后，感测区200会将红外线300转换成电子信号，并经由读取电路层110传递电子信号至微测辐射热计10的其他电路元件(未示出)。
具体而言，感测区200包括第一氧化钒层210、配置于第一氧化钒层210上的第二氧化钒层220，以及配置于第二氧化钒层220上方的红外线吸收层230。红外线吸收层230吸收红外线300之后，会将能量传递至下方的第一氧化钒层210。第一氧化钒层210吸收能量之后会改变其电阻值，使得流经第一氧化钒层210的电流产生变化，进而产生传递至读取电路层110的电子信号。在一些示例中，第一氧化钒层210可以称为热敏层(thermistor)。第二氧化钒层220作为钝化层覆盖于第一氧化钒层210上，使得第一氧化钒层210受到保护而维持其组成和特性。更具体而言，第二氧化钒层220的含氧量高于第一氧化钒层210的含氧量，使得第一氧化钒层210不易受到氧化而改变其组成或特性，例如电阻温度系数(temperaturecoefficient of resistance，TCR)。换而言之，第二氧化钒层220可以增加第一氧化钒层210的稳定性，从而改善微测辐射热计10的感测表现。
在一些实施方式中，第一氧化钒层210可以包括适当的氧与金属比，使得第一氧化钒层210具有适合作为热敏层的电阻值和电阻温度系数。举例而言，第一氧化钒层210可以包括VO、V2O3、VO2、VaO2a-1、VbO2b+1或其组合，其中a为介于4至9间的整数，b为3、4或6。在一些实施方式中，第一氧化钒层210的含氧量可以介于50％至70％间，使得第一氧化钒层210具有适合的电阻值和电阻温度系数。举例而言，第一氧化钒层210可以具有均匀的含氧量，且其含氧量约等于65％。在一些实施方式中，第一氧化钒层210的电阻温度系数的绝对值可以大于2％，使得第一氧化钒层210对红外线具有高敏感度。举例而言，第一氧化钒层210的电阻温度系数的绝对值可以介于2％至4％间。若第一氧化钒层210的电阻温度系数的绝对值小于2％，第一氧化钒层210对红外线的敏感度可能太低而无法准确感测外界温度变化。在一些实施方式中，举例而言，第一氧化钒层210的表面电阻可以介于十万欧姆/平方(ohmsper square，ohm/sq)至三百万欧姆/平方间。若第一氧化钒层210的表面电阻小于十万欧姆/平方，第一氧化钒层210的表面电阻可能太小而容易产生噪声；而若第一氧化钒层210的表面电阻大于三百万欧姆/平方，第一氧化钒层210可能具有太低的信噪比(S/N ratio)而无法准确传递电子信号。
在一些实施方式中，第二氧化钒层220可以具有高的氧与金属比，从而保护第一氧化钒层210免于氧化。举例而言，第二氧化钒层220可以包括V2O5、V2Oc或其组合，其中c为大于5的整数。在一些实施方式中，第二氧化钒层220的含氧量可以不低于70％，使得第二氧化钒层220可以避免外界氧气进入第一氧化钒层210。举例而言，第二氧化钒层220的含氧量可以介于70％至90％间。在一些实施方式中，第一氧化钒层210和第二氧化钒层220可以包括不同晶格态的氧化钒。具体而言，当第一氧化钒层210和第二氧化钒层220具有不同的含氧量时，第一氧化钒层210和第二氧化钒层220可以根据个别的含氧量而呈现不同的晶格态。例如，具有相对高含氧量的第二氧化钒层220可以包括非晶态(amorphous)氧化钒，而具有相对低含氧量的第一氧化钒层210可以包括晶格态(crystalline)氧化钒。在一些第一氧化钒层210和第二氧化钒层220包括不同晶格态的实施方式中，第一氧化钒层210和第二氧化钒层220之间可以形成介面。举例而言，当第一氧化钒层210包括晶格态氧化钒，而第二氧化钒层220包括非晶态氧化钒时，第一氧化钒层210和第二氧化钒层220之间可以形成介面，其中介面两侧具有不同的晶格态。
在一些实施方式中，根据微测辐射热计10的设计需求，第二氧化钒层220可以具有不同的结构或组成。依据本公开的一些实施方式，图3A至图3C分别绘示不同微测辐射热计的感测区200、感测区200a和感测区200b的截面图。为了清楚绘示其特征，图3A至图3C仅呈现微测辐射热计的感测区的截面图，然而应理解图3A至图3C的微测辐射热计可以包括其他元件。在一些实施方式中，如图3A所示，第二氧化钒层220可以是直接接触第一氧化钒层210的单层结构，其中第二氧化钒层220具有均匀的组成分布，使得第二氧化钒层220的上部的含氧量等于第二氧化钒层220的下部的含氧量。在一些其他实施方式中，如图3B所示，第二氧化钒层220a可以具有非均匀的含氧量分布。举例而言，第二氧化钒层220a可以具有渐进变化的含氧量，其中第二氧化钒层220a的上部的含氧量大于第二氧化钒层220a的下部的含氧量。换而言之，第二氧化钒层220a的含氧量可以朝远离第一氧化钒层210的方向递增。在一些其他实施方式中，如图3C中所示，第二氧化钒层220b可以是多层结构。举例而言，第二氧化钒层220b可以包括直接接触第一氧化钒层210的第二氧化钒下层222和位于第二氧化钒下层222上的第二氧化钒上层224，其中第二氧化钒上层224的含氧量高于第二氧化钒下层222的含氧量。换而言之，在第二氧化钒层220b是多层结构的实施方式中，第二氧化钒层220b的上部的含氧量可以高于第二氧化钒层220b的下部的含氧量。
在一些实施方式中，第二氧化钒层220的厚度可以小于第一氧化钒层210的厚度，从而避免第二氧化钒层220影响第一氧化钒层210的电性表现。举例而言，参考图3A，第一氧化钒层210的厚度H1可以介于50nm至250nm间，而第二氧化钒层220的厚度H2则可以介于1nm至10nm间。若第二氧化钒层220的厚度H2小于1nm，第二氧化钒层220可能太薄而对其底下的第一氧化钒层210不具有保护效果；而若第二氧化钒层220的厚度H2大于10nm，第二氧化钒层220的电阻值可能太高，从而影响第一氧化钒层210的电性表现。值得说明的是，在一些第二氧化钒层是多层结构的实施方式中，第二氧化钒层的总厚度可以介于1nm至10nm间。举例而言，参考图3C，第二氧化钒下层222和第二氧化钒上层224的总厚度H3可以介于1nm至10nm间，使得第二氧化钒层220b的总厚度H3足以提供对第一氧化钒层210的保护效果，且避免第二氧化钒层220b影响第一氧化钒层210的电性表现。
参考回图1和图2，在一些实施方式中，微测辐射热计10可以还包括连接至读取电路层110的地址线路(address line)112以及连接至感测区200的信号线路114，使得读取电路层110产生的电子信号可以经由地址线路112和信号线路114传递至其他元件(例如系统晶片)。在一些实施方式中，微测辐射热计10可以还包括感测区200下方的支撑结构130，使得第一氧化钒层210不直接接触读取电路层110。举例而言，支撑结构130可以包括支撑平台和一对支撑脚(support leg)，其中第一氧化钒层210形成在支撑平台上并且通过支撑脚电性连接至读取电路层110。在一些实施方式中，支撑结构130的支撑脚可以具有弯折形状，使得支撑结构130的支撑平台不直接接触读取电路层110。在一些实施方式中，微测辐射热计10可以还包括读取电路层110和感测区200之间的热绝缘层120，从而避免第一氧化钒层210或红外线吸收层230的温度变化影响下方的读取电路层110。
根据本公开的一些实施方式，图4绘示制造微测辐射热计的方法1000的流程图。具体而言，方法1000可以用于制造微测辐射热计的感测区(例如图2所示的感测区200)，并且通过方法1000中各步骤的工艺参数调整，从而形成具有适当电阻温度系数的第一氧化钒层以及具有高含氧量的第二氧化钒层。方法1000包括形成第一氧化钒层于基板上方、形成第二氧化钒层于第一氧化钒层上，以及形成红外线吸收层于第二氧化钒层上方。在以下叙述中，将进一步说明上述各步骤。值得理解的是，可以在方法1000之前、期间或之后增加额外的步骤，并且在其他的方法实施方式中可以取代、删减或逻辑性地移动所述的步骤。
在步骤1010，形成第一氧化钒层于基板上方。具体而言，沉积第一氧化钒层在基板上方，并且在沉积第一氧化钒层的期间加热基板，使得基板的温度介于300℃至400℃间。在沉积工艺期间加热基板可以增加第一氧化钒层的电阻温度系数，从而增加第一氧化钒层的敏感度。举例而言，和在沉积工艺期间未加热基板的结果相比，将基板加热至360℃时所形成的第一氧化钒层的电阻温度系数可以增加10％以上。此外，在沉积第一氧化钒层期间加热基板可以提高沉积效率，从而降低方法1000所需的工艺时间与成本。另一方面，第一氧化钒层在高温基板上可以形成稳定的键结，使得第一氧化钒层具有期望的晶格结构，例如晶格态的VO2。
在一些实施方式中，可以使用气相沉积在基板上形成第一氧化钒层，例如物理气相沉积(physical vapor deposition，PVD)、化学气相沉积(chemical vapor deposition，CVD)等。在一些较佳的实施方式中，可以使用物理气相沉积形成第一氧化钒层，从而避免第一氧化钒层具有杂质而影响第一氧化钒层的电性表现。在一些实施方式中，形成第一氧化钒层可以包括使用电源轰击金属靶材，使得金属原子或离子脱离金属靶材而产生金属前驱物。接着，在含氧环境中沉积金属前驱物于基板上方，使得金属前驱物形成第一氧化钒层。在一些实施方式中，轰击金属靶材的电源可以是功率介于1000W至2500W间的射频电源，从而提供第一氧化钒层适当的电阻值。举例而言，在一些较佳的实施方式中，轰击金属靶材的电源可以是功率介于1000W至2500W间的脉冲直流电电源，使得第一氧化钒层的电阻值降低到适当的数值范围内，并且增加第一氧化钒层的电阻温度系数。在一些实施方式中，脉冲直流电电源的占空比(duty cycle)可以介于50％至98％间，使得所形成的第一氧化钒层具有足够低的电阻值。在一些实施方式中，沉积金属前驱物的含氧环境可以具有介于10％至50％间的含氧量，使得第一氧化钒层具有期望的含氧量和晶格结构，并且增加第一氧化钒层的电阻温度系数。举例而言，含氧环境的氧气和氩气的比例可以介于10％至50％间，而含氧环境的气压可以介于3mtorr至10mtorr间，使得第一氧化钒层包括晶格态的VO2并且具有高于2％的电阻温度系数。
在一些实施方式中，在形成第一氧化钒层之前，可以对基板进行预清洗(pre-clean)，使得基板具有平整的表面，从而在基板上形成厚度均匀的第一氧化钒层。在一些实施方式中，在形成第一氧化钒层的期间可以对基板施加50W至200W间的偏压，从而增加第一氧化钒层的致密度，以及降低第一氧化钒层中的应力。在一些实施方式中，在形成第一氧化钒层期间可以旋转基板，使得第一氧化钒层均匀形成在基板上方。例如，在沉积第一氧化钒层的同时，基板的转速可以介于3rpm至25rpm间。
在步骤1020，形成第二氧化钒层于第一氧化钒层上。具体而言，形成第二氧化钒层在第一氧化钒层上，使得第二氧化钒层覆盖第一氧化钒层的上表面。在形成第二氧化钒层之后，第二氧化钒层的含氧量高于第一氧化钒层的含氧量，使得外界的氧气不易扩散进第一氧化钒层。因此，第二氧化钒层保护第一氧化钒层在工艺中免于氧化，从而增加第一氧化钒层的稳定性。更详细而言，第二氧化钒层可以和第一氧化钒层在相同的工艺腔体中形成，或者在形成第一氧化钒层后可以将基板在真空中传送至形成第二氧化钒层的工艺腔体，使得第一氧化钒层免于接触外界的氧气。
在一些实施方式中，可以使用气相沉积在第一氧化钒层上形成第二氧化钒层，例如物理气相沉积、化学气相沉积等。在一些实施方式中，形成第二氧化钒层可以包括在富氧环境中沉积第二氧化钒层，其中富氧环境的含氧量大于50％，使得第二氧化钒层的含氧量高于第一氧化钒层的含氧量。举例而言，富氧环境可以包括氧气和氩气，其中氧气的比例可以介于50％至70％间，使得第二氧化钒层包括非晶态的V2O5。在一些实施方式中，可以借由相同的工艺步骤和变化的环境含氧量，将第二氧化钒层沉积成多层结构，使得远离第一氧化钒层的第二氧化钒层的含氧量高于邻近第一氧化钒层的第二氧化钒层的含氧量。
在一些其他实施方式中，形成第二氧化钒层可以包括将第一氧化钒层的上部氧化成第二氧化钒层，使得具有高含氧量的第二氧化钒层覆盖第一氧化钒层。举例而言，在形成第一氧化钒层之后，可以在相同的工艺腔体中通入高浓度氧气(例如在工艺气体中的氧气比例大于50％)，并且将工艺腔体内部加热至300℃至500℃间，使得第一氧化钒层的上部经历氧化反应而形成第二氧化钒层。在一些其他示例中，可以使用氧等离子体氧化第一氧化钒层的上部，从而形成具有高含氧量的第二氧化钒层。值得说明的是，经历氧化的第一氧化钒层的上部可以薄于未经历氧化的第一氧化钒层的下部，使得第二氧化钒层的厚度小于剩余的第一氧化钒层的厚度。
在步骤1030，形成红外线吸收层于第二氧化钒层上方。具体而言，形成红外线吸收层在第二氧化钒层上方，使得红外线吸收层在第一氧化钒层上的投影覆盖第一氧化钒层。由于红外线吸收层的投影覆盖第一氧化钒层，微测辐射热计可以先通过红外线吸收层吸收外界的红外线，接着借由红外线吸收层将能量完整传递至第一氧化钒层，从而增加微测辐射热计对红外线的敏感度。在一些实施方式中，形成红外线吸收层可以包括沉积对红外线具有高吸收率的金属，例如钨、铬、镍、上述化合物或相似者。在一些实施方式中，形成红外线吸收层可以包括将红外线吸收层沉积成多层结构，使得红外线吸收层具有良好的吸收率。举例而言，红外线吸收层可以是金属-介电质-金属的复合结构，其中介电质可以包括氮化硅、氧化硅或相似者。
根据本公开上述实施方式，本公开的微测辐射热计包括第一氧化钒层和第一氧化钒层上的第二氧化钒层。第一氧化钒层和第二氧化钒层具有不同的组成，使得第二氧化钒层的含氧量高于第一氧化钒层的含氧量。由于第二氧化钒层保护第一氧化钒层免于氧化，从而增加第一氧化钒层的稳定性并改善微测辐射热计的感测表现。另一方面，本公开的微测辐射热计的制造方法包括在形成第一氧化钒层时加热基板以及调整各步骤的工艺参数，使得第一氧化钒层的电阻温度系数上升，从而提升微测辐射热计对红外线的敏感度。
前面概述一些实施例的特征，使得本领域技术人员可更好地理解本公开的观点。本领域技术人员应该理解，他们可以容易地使用本公开作为设计或修改其他工艺和结构的基础，以实现相同的目的和/或实现与本文介绍的实施例相同的优点。本领域技术人员还应该理解，这样的等同构造不脱离本公开的精神和范围，并且在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以进行各种改变、替换和变更。
【符号说明】
10:微测辐射热计
100:基板
110:读取电路层
112:地址线路
114:信号线路
120:热绝缘层
130:支撑结构
200,200a,200b:感测区
210:第一氧化钒层
220,220a,220b:第二氧化钒层
222:第二氧化钒下层
224:第二氧化钒上层
230:红外线吸收层
300:红外线
1000:方法
1010,1020,1030:步骤
A-A′:截线
H1,H2,H3:厚度。
Claims (10)
1.一种微测辐射热计，其特征在于，包括：
基板；
读取电路层，配置于该基板上方；
第一氧化钒层，配置于该读取电路层上方；
第二氧化钒层，配置于该第一氧化钒层上，其中该第二氧化钒层的含氧量高于该第一氧化钒层的含氧量；以及
红外线吸收层，配置于该第二氧化钒层上方。
2.根据权利要求1所述的微测辐射热计，其中该第一氧化钒层包括VO、V2O3、VO2、VaO2a-1、VbO2b+1或其组合，a为介于4至9间的整数，b为3、4或6。
3.根据权利要求1所述的微测辐射热计，其中该第二氧化钒层包括V2O5、V2Oc或其组合，c为大于5的整数。
4.根据权利要求1所述的微测辐射热计，其中该第二氧化钒层的含氧量介于70％至90％间。
5.根据权利要求1所述的微测辐射热计，其中该第二氧化钒层的厚度介于1nm至10nm间，该第一氧化钒层的厚度介于50nm至250nm间。
6.根据权利要求1所述的微测辐射热计，其中该第二氧化钒层的含氧量朝远离该第一氧化钒层的方向递增。
7.根据权利要求1所述的微测辐射热计，其中该第二氧化钒层和该第一氧化钒层之间形成介面，该介面两侧的晶格态不相同。
8.根据权利要求1所述的微测辐射热计，进一步包括第三氧化钒层配置于该第二氧化钒层上，其中该第三氧化钒层的含氧量高于该第二氧化钒层的含氧量，该第二氧化钒层和该第三氧化钒层的总厚度介于1nm至10nm间。
9.一种制造微测辐射热计的方法，其特征在于，包括：
形成第一氧化钒层于基板上方，其中在形成该第一氧化钒层时加热该基板，该基板的温度介于300℃至400℃间；
形成第二氧化钒层于该第一氧化钒层上，其中该第二氧化钒层的含氧量高于该第一氧化钒层的含氧量；以及
形成红外线吸收层于该第二氧化钒层上方。
10.根据权利要求9所述的方法，其中形成该第一氧化钒层包括：
使用射频电源或脉冲直流电电源轰击金属靶材，以产生金属前驱物，其中该脉冲直流电电源的占空比介于50％至98％间；以及
在含氧环境中沉积该金属前驱物于该基板上方，其中该含氧环境的含氧量介于10％至50％间。
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