CN1177203C - 红外辐射热测量计 - Google Patents
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Abstract
本发明的三层红外辐射热测量计包括一有源矩阵层(210)，一支撑层(220)，接线柱(270)以及一个吸收层(230)。有源矩阵层(210)包括一具有集成电路的衬底(212)，连接端子(214)和一覆盖住衬底(212)的保护层(216)。支撑层(220)包括若干桥(240)，每个桥(240)具有形成于其顶部的导线。其中导线(265)的一端电连接至相应的连接端子(214)。吸收层(230)包括一吸收器(295)，一被所述吸收器(295)包围的辐射热测量元件(285)，一形成于该吸收器(295)顶部的钛薄膜297，以及一形成于所述钛薄膜297的顶部并由氮氧化硅制成的红外吸收器涂层299。由于钛薄膜表面不能提供足够的晶核形成点供该涂层稳定生长，其结果是该红外吸收器涂层(299)具有多个孔和粗糙上表面。每个接线柱(270)包括一由绝缘材料所包围的电导管(272)并且位于吸收层(230)和桥(240)之间，这样，螺旋形辐射热测量元件(285)通过电导管(272)，导线(265)和连接端子(214)而被电连接至所述集成电路。
Description
本发明的技术领域
本发明涉及一种红外辐射热测量计，而更特别地，本发明涉及一种三层红外辐射热测量计。
背景技术
辐射热测量计是一种基于材料(称为辐射热测量元件)处于辐射通量的条件下其电阻发生变化的能量检测器。该辐射热测量计元件由金属或半导体材料制成。对于金属材料，其电阻的变化基本上是由于载流子的迁移率的变化，该电阻通常随着温度的升高而降低。在高电阻率的半导体辐射热测量元件中能获得较高的灵敏度，在这种元件中，自由载流子的密度是温度的指数函数，但是，制造辐射热测量计中的半导体薄膜却是一个难题。
图1和图2是公开于美国专利No.5300915、名称为“热传感器”的两层辐射热测量计10的横截面图和透视图，该辐射热测量计10包括一个提升起的微桥检测层11和一个底层12。其底层12具有一平面半导体衬底13，例如一单晶硅衬底。该硅衬底13的表面14上已经制造有集成电路15的一些元件，包括二极管、X和Y总线、连线及位于X和Y总线端部的接触焊盘，其制造工艺采用常规的硅集成电路(IC)技术。集成电路15被氮化硅的保护层16覆盖。凹条17是没有被提升的探器所覆盖的区域。
提升起的检测层11包括氮化硅层20、螺旋形的金属电阻通路21、在层20和21上面的氮化硅层22、以及在氮化硅层22上面的红外吸热涂层23(此后称为“IR吸收涂层”)。氮化硅层20′和22′向下延伸并且同时在制造过程中淀积，该氮化硅层20′和22′构成用于提升的检测层11的四个倾斜的支撑腿。该支撑腿的数量可以多或少于四个。在这两层之间的空腔26是环境大气。但是，在制造工艺过程中，空腔26最初填充有预先淀积的一层易于溶化的玻璃或其它可溶化的材料，直至层20、20′和22、22′被淀积为止。接着，在该工艺中，玻璃被溶化流出而留下该空腔。
图3是描述了示于图1的提升起的检测层11的顶视图。该图被制作得似乎所述覆盖的吸收涂层23和上部的氮化硅层22是透明的，以便能够示出螺旋形的电阻层通路21。电阻通路21的端部21a、21b向下延伸到倾斜区域30，以便与较低层12上的焊盘31和32电连接。图3还示出氮化物窗式切口35、36和37，它们通过氮化硅层20和22开出，以便提供到达其下方荧光玻璃的通道，从而从所述检测平面下方溶化上述玻璃。提供该通道的氮化物窗式切口35、36、37很窄并且由侧面的相邻象素共享，因此使检测器可获得区域最大化，并且占使空因数也最大化。所述四个支撑桥可以缩短或其长度能满足提供足够的支撑和热隔离的需要。上述辐射热测量计的缺点之一是由于在与提升的微桥检测层相同的层上出现若干桥，因此达不到最优占空因数，这样，就减少了用于IR吸收的总面积，即占空因数。
本发明的概述
因此，本发明的一个目的是提供一种具有增加的占空因数和改进的吸收率的三层红外辐射热测量计。
根据本发明的一个方面，提供了一种三层红外辐射热测量计，该辐射热测量计包括：一有源矩阵层，该有源矩阵层包括一衬底和至少一对连接端子，其中，该对连接端子形成于所述衬底的顶部；一设有至少一对桥的支撑层，其中每个桥包括一导线，该导线的一端电连接至相应的连接端子；一个吸收层，该吸收层包括一吸收器，一由该吸收器包围的辐射热测量元件，一位于该吸收器顶部的薄膜，以及一在该薄膜顶部形成的红外吸收器涂层，该红外吸收器涂层具有多个孔和粗糙的上表面；以及至少一对接线柱，每个接线柱位于所述吸收层和支撑层之间并且包括一由绝缘材料包围的电导管，所述吸收层的辐射热测量元件的每一端通过相应的电导管和相应的导线而电连接到相应的连接端子。
附图简述
结合附图，从下面给出的最佳实施例的描述中，本发明的上述和其它目的和性能得到清楚的描述，其中：
图1是一示意性的横截面图，描述了在先公开的两层微桥辐射热测量计；
图2示出了上述图1的两层微桥辐射热测量计的透视图；
图3是一顶视图，描述了图1中的提升起的检测层；
图4是根据本发明的三层红外辐射热测量计的透视图；
图5是描述沿图4的I-I方向所截取的所述三层红外辐射热测量计的示意性横截面图；以及
图6A-6L是描述图5中三层红外辐射热测量计的制造方法的示意性横截面图。
本发明的实施例
图4和5中分别提供了根据本发明的三层红外辐射热测量计201的透视图及沿图4的I-I方向的横截面图。应该注意的是，在图4和5中出现的相同部分由相同的标号表示。
示于图4和5中的本发明辐射热测量计201包括一有源矩阵层210，一支撑层220，以及至少一对接线柱270以及一个吸收层230。
有源矩阵层210具有一包括集成电路(未示出)的衬底212，一对连接端子214和一保护层216。每个由金属制成的连接端子214位于衬底212的顶部。由例如氮化硅构成的保护层216覆盖住衬底212。所述的一对连接端子214电连接至所述集成电路。
支撑层220包括一对由氮化硅(SiNx)构成的桥240，每个桥240具有形成于其顶部的导线265。每个桥240设有一个簧片部分242，腿部分244和提升部分246，所述簧片部分242包括一通孔252，通过该孔，导线265的一端电连接至所述连接端子214和支撑所述提升部分246的腿部分244。
所述吸收层230具有一由吸热材料例如氧化硅(SiO2)制成的吸收器295，一螺旋形的辐射热测量元件285，该元件由例如钛(Ti)制成并且被所述吸收器295包围，一形成于该吸收器295的顶部并由例如钛(Ti)制成的薄膜297，以及一形成于所述钛薄膜297的顶部的IR吸收器涂层299。
每个接线柱270位于所述吸收层230和支撑层220之间。每个接线柱270包括一由例如钛(Ti)等金属制成并且由绝缘材料所包围的电导管272。该电导管272的顶端被电连接至所述螺旋形辐射热测量元件285的一端，而其底端被电连接至桥240上的导线265，这样，通过所述电导管272，导线265和连接端子214，吸收层230中所述螺旋形辐射热测量元件285的两端都被电连接至所述有源矩阵层210的集成电路。
当红外线能量被吸收时，螺旋形辐射热测量元件285的电阻率发生变化，其中电阻率的变化引起了电流和电压的变化。变化的电流和电压被所述集成电路以如下方式被放大，即放大后的电流和电压可由一检测电路(未示出)读出。
现在，将参照附图6A-6L描述制造本发明红外辐射热测量计的方法。
用于制造辐射热测量计201的工艺开始是准备包含所述集成电路和连接端子对214的衬底212。然后，由例如氮化硅(Si3N4)制成的保护层216通过采用等离子化学汽相淀积(PECVD)方法而淀积在衬底212的顶部，由此形成有源矩阵层210，具体如图6A所示。
在下一步骤中，通过采用低压化学汽相淀积(LPCVD)方法，由包括例如多晶硅等的第一牺牲材料(未示出)被淀积在所述保护层216的顶部，以便具有一个平的上表面。然后，通过采用蚀刻方法选择性地除去该第一牺牲材料，以便形成包括一对空腔305的第一牺牲层300，具体如图6B所示。
接下来，由例如氮化硅(SiNx)制成的支撑层250通过采用PECVD方法而淀积在包括空腔305的第一牺牲层300的顶部。
然后，在支撑层250中形成一对通孔252，以便暴露出连接端子214，如图6C所示。
然后，通过采用溅射方法，使由例如Ti等金属构成的导电层260淀积在包括通孔252的支撑层250的顶部，其中通孔252由构成导电层260的金属填充，由此使导电层260电连接至连接端子214，具体如图6D所示。
接着，通过分别采用金属蚀刻方法和氮蚀刻方法，使导电层260和支撑层250构图成所述的一对导线265和所述的一对桥240，由此形成支撑层220，如图6E所示。
在接下来的步骤中，通过采用LPCVD方法，使由例如多晶硅等制成的第二牺牲材料(未示出)淀积在所述桥240和第一牺牲层300的顶部，以便具有一个平的上表面。然后，通过采用蚀刻方法选择性地除去该第二牺牲材料，以便形成包括一对孔315的第二牺牲层310，如图6F所示。
在随后的步骤中，通过采用PECVD方法，使例如SiO2等的第一吸收材料292淀积在包括一对孔315的第二牺牲层310的顶部。
然后，第一吸收材料292被部分地蚀刻，以便获得一对窗孔296，由此部分地暴露出导线265，如图6G所示。
然后，通过采用溅射方法，使由例如钛(Ti)构成的辐射热测量元件层(未示出)淀积在包括窗孔296的第一吸收材料292的顶部，其中，窗孔296被所述辐射热测量元件层所填充，由此形成一对电导管272。然后，通过采用金属蚀刻方法，将该辐射热测量元件层构图为一个螺旋式的辐射热测量元件285，如图6H所示。
接下来，由与第一吸收材料292相同的材料构成的第二吸收材料294被淀积在螺旋式辐射热测量元件285的顶部，由此形成吸收器295，如图6I所示，其中该吸收层295包围住螺旋式辐射热测量元件285。然后，通过采用溅射方法，使由例如钛等制成的薄膜297淀积在吸收层295的顶部，以便获得例如在10-10000nm范围内的厚度。
然后，参照图6J，由例如氮氧化硅(SiOxNy，这里x＝0.1-2.5，y＝0.0-2.0)等构成的IR吸收器涂层299被形成于钛薄膜297的顶部。众所周知的是，当氮氧化硅层生长在钛薄膜上时，由于钛薄膜表面不能提供足够的成晶核形点供该层稳定生长，结果导致该氮氧化硅层长成一具有多孔(未示出)和粗糙上表面的层。因此，根据本发明的IR吸收器涂层299具有多孔和粗糙的上表面。应该注意的是，IR吸收器涂层299的粗糙上表面允许IR吸收器涂层299充分地吸收红外线能量。更具体地，具有粗糙上表面的IR吸收器涂层299比具有平的上表面的涂层能够吸收更多的红外线能量，因为粗糙上表面允许IR吸收器涂层299再吸收部分反射的红外线能量。
另外，IR吸收器涂层299被采用局部蚀刻方法构图，以便暴露一部分钛薄膜297，如图6K所示。
然后，所述暴露出的钛薄膜297和吸收器295被蚀刻，以便形成吸收层230，如图6L所示。
最后，第二和第一牺牲层310，300被采用蚀刻方法除走，由此形成三层红外辐射热测量计201，如图5所示。
在本发明的三层红外辐射热测量计中，所述的桥位于吸收层的下方，以便允许吸收层完全用于IR的吸收，这样将增加其占空因数，并且红外吸收器涂层具有粗糙的上表面，从而增进了对红外能量的吸收效率。
虽然本发明仅仅参照一些最佳实施例进行了描述，但是，在不脱离如权利要求中所述的本发明的范围的情况下，可以作出其它的修改和变型。
Claims (7)
1.一种三层红外辐射热测量计，该辐射热测量计包括：
一有源矩阵层，该有源矩阵层包括一衬底和至少一对连接端子，其中该对连接端子形成于所述衬底的顶部；
一提供至少一对桥的支撑层，其中每个桥包括一导线，该导线的一端电连接至相应的连接端子；
一个吸收层，该吸收层位于所述至少一对桥的上方并包括一吸收器，一由该吸收器包围的辐射热测量元件，一位于该吸收器顶部的薄膜，以及一在该薄膜顶部形成的红外吸收器涂层，该红外吸收器涂层具有多个孔和粗糙的上表面；以及至少一对接线柱，每个接线柱位于所述吸收层和支撑层之间并且包括一由绝缘材料包围的电导管，所述吸收层的辐射热测量元件的每一端通过相应的电导管和相应的导线而电连接至相应的连接端子。
2.根据权利要求1的辐射热测量计，其中所述薄膜由钛制成，并且所述红外吸收器涂层由氮氧化硅制成。
3.根据权利要求1的辐射热测量计，其中每个桥设有一个簧片部分，腿部分和提升部分，所述簧片部分包括一通孔，通过该孔，所述导线的一端电连接至所述连接端子。
4.根据权利要求1的辐射热测量计，其中所述导线位于所述桥的顶部。
5.根据权利要求1的辐射热测量计，其中所述电导管的顶端被电连接至所述辐射热测量元件的一端，而该电导管的底端被电连接至所述导线的另一端。
6.根据权利要求1的辐射热测量计，其中所述导线、电导管和辐射热测量元件由相同的金属制成。
7.根据权利要求6的辐射热测量计，其中所述导线、电导管和辐射热测量元件由钛制成。
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