CN1327535A - 红外辐射热测量计及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的红外辐射热测量计具有降低的噪音等效温度差和提高的响应度及探测敏感度,该包括:一活性基体层(110),其包括一基片(112)和一对连接端子(114);一支持层(120),其设有一对电桥(122)和一对导线(124);一吸收层(130),其包括一被吸收体(131)包围的辐射热测量元件(132),其中辐射热测量元件(132)在垂直方向上呈波纹状而在水平方向上呈螺旋状;以及一对端子(140),每个端子(140)包括一电线导管(142),其中辐射热测量元件(132)的每端通过相应的电线导管(142)和相应的导线(124)而与相应的连接端子(114)电连接。辐射热测量元件(132)在水平方向上呈螺旋状而在垂直方向上呈波纹状,从而在一定的空间和区域内使辐射热计元件的总长最大化,因此红外辐射热测量计的噪音等效温度差降低,而响应度和探测敏感度得到提高。
Description
发明的技术领域
本发明涉及红外辐射热测量计，尤其涉及一种具有降低的噪音等效温度差(NETD)和增强的响应度和探测敏感度的红外辐射热测量计。
背景技术
辐射热探测器是一种能够产生输出信号的装置，输出信号是投射到该探测器的一个活性区域上的辐射热量的函数。红外线探测器是一种对电磁波谱中的红外线辐射敏感的探测器。有两种红外线探测器，即热敏式探测器和光子探测器，热敏式探测器包括辐射热测量计。
光子探测器根据投射到探测器的传感器区域并与该区域中的电子相互作用的光子的数量而进行工作。因为光子探测器是以电子和光子之间的直接交互作用为基础进行工作，因此光子探测器相比辐射热测量计具有高的灵敏度，并具有更快的响应速度。但是，光子探测器有一个缺点，即它仅仅在低温下才能运作良好，从而需要增加一个附加的制冷系统。
另一方面，辐射热探测器的作用是以探测器的传感器区域因吸收辐射而发生的温度变化为基础。辐射热探测器提供输出信号，即材料(称作辐射热测量元件)中电阻率的变化，该信号的变化与传感器区域的温度成比例。辐射热计元件已由金属和半导体制造。金属中电阻率的变化基本上是由于载流子迁移率的变化，而载流子迁移率通常随温度降低而降低。在自由载流子密度为温度的指数函数的高电阻率的半导体辐射热测量元件中，可得到高的敏感度。
图1和2示出了三层辐射热测量计100的透视图和剖面图，其公开于美国专利系列申请号No.09/102,364中，名称为“具有增加的占空系数的辐射热测量计”。辐射热测量计100包括一个活性基体层10、一个支持层20、一对端子40和一个吸收层30。活性基体层10具有包括一集成电路(未示出)的基片12、一对连接端子14和一保护层16。由金属制成的每一连接端子14均位于基片12的顶端。由例如氮化硅(SiNx)制造的保护层16覆盖着基片12。一对连接端子14与集成电路电连接。支持层20包括一对由氮化硅(SiNx)制成的电桥22，每一电桥22具有一形成于其顶端的导线24。每个电桥22设有一锚定部分22a、一支路部分22b以及一递升部分22c，其中锚定部分22a包括一通孔26，导线24的一端通过该孔与连接端子14电连接，支路部分22b支撑着递升部分22c。
吸收层30设有一被吸收体31包围的辐射热测量元件32以及形成于吸收体31顶端的红外线吸收体涂层33。吸收体31是在辐射热计元件32形成之前和之后通过沉积氮化硅并包围辐射热测量元件32而制成的。选择钛(Ti)作为辐射热测量元件32的材料，因为它易于成形。螺旋形的结构使得辐射热计元件32具有高的电阻率。
每个端子40均位于吸收层30和支持层20之间。每个端子40包括一个由金属，例如钛制成的电线导管42，该导管被由氮化硅等制造的绝缘材料44包围着。电线导管42的顶端与螺旋形的辐射热计测量件32的一端电连接，电线导管42的底端与电桥22上的导线24电连接，通过这样的方式，吸收层30上的螺旋形辐射热测量元件32的每一端通过电线导管42、导线24以及连接端子14而与活性基体层10的集成电路电连接。
当遭受红外线辐射时，螺旋形辐射热测量元件32的电阻率增加，导致电流和电压相应地发生变化。变化的电流或电压被集成电路放大，从而被检测电路(未示出)读出。
决定红外辐射热测量计性能的最重要的三个因素是：噪音等效温度差、响应度和探测灵敏度，它们均与辐射热测量元件的电阻率成正比或反比。电阻率愈大，噪音等效温度差愈低，而响应度和探测灵敏度愈高。因此，需要在一定的空间或区域内提高辐射热测量元件的电阻率。
本发明揭示
因此，本发明的一个主要目的是提供一种红外辐射热测量计，其具有降低的噪音等效温度差以及增强的响应度和探测灵敏度。
本发明的另一个目的是提供一种制造这种红外辐射热测量计的方法。
根据本发明的一个方面，提供了一种红外辐射热测量计，其具有降低的噪音等效温度差以及增强的响应度和探测灵敏度。该红外辐射热测量计设有：包括一个基片和一对连接端子的一活性基体层；具有一对电桥和一对导线的一支持层；包括一被吸收体包围的辐射热测量元件的吸收层，其中辐射热测量元件具有垂直向的波纹；以及一对端子，每个端子包括一个电线导管，辐射热测量元件的每一端通过相应的导管和相应的导线而与相应的连接端子电连接。
根据本发明的另一方面，提供了一种制造这种红外辐射热测量计的方法，该红外辐射热测量计具有降低的噪音等效温度差及增强的响应度和探测灵敏度。该方法包括以下步骤：制备包括一对连接端子的一活性基体层；制成包括一对空腔的第一牺牲层；制成包括一对电桥和一对导线的支持层；制成包括一对空槽的第二牺牲层；在上述对空槽中制成一对端子；沉积一下部吸收体层；部分地蚀刻下部吸收体层；形成辐射热测量元件；形成一上部吸收体层；去除第一和第二牺牲层，从而形成红外辐射热测量计。
附图的简单说明
上述目的和其他目的以及本发明的特征将从下面结合附图所作的优选实施例的描述中而变得更加清楚。
图1示出了一种现有技术中的红外辐射热测量计的透视图；
图2示出了沿图1中A-A线的红外辐射热测量计的示意性剖面图；
图3示出了根据本发明的红外辐射热测量计的示意性横截面图；
图4A和图4B分别示出了沿红外辐射热测量计的横向和纵向的吸收层的剖面图；
图5A-5G为描述了根据本发明的制造红外辐射热测量计方法的示意性横截面图。
本发明的实施例
图3、图4A-4B及图5A-5G为红外辐射热测量计200的示意性剖面图、沿红外辐射热测量计的横向及纵向示出吸收层130的示意性横截面图以及制造根据本发明的红外辐射热测量计200的方法的示意性横截面图。应当注意：图3、图4A-4B及图5A-5G中相同的元件用相同的符号表示。
图3中示出的本发明辐射热测量计200包括：活性基体层110、支持层120、一对端子140以及吸收层130。
活性基体层110具有一包括一集成电路(未示出)的基片112、、一对连接端子114和一个保护层116。由金属制成的每个连接端子114均位于基片112的顶端并与集成电路保持电连接。由例如氮化硅制成的保护层116覆盖着基片112以防止连接端子114和集成电路在红外辐射热测量计的制造过程中受到物理和化学的破坏。
支持层120包括：一对电桥122，其由例如氮化硅(SiNx)、氧化硅(SiO2)或氮氧化硅(SiO2Nx)等绝缘材料制成；和一对导线124，其由例如钛(Ti)等金属制造，其中每个导线124位于相应的电桥122的顶端。每个电桥122设有一锚定部分122a、一支路部分122b以及一递升部分122c，其中锚定部分122a包括一通孔126，每个导线124的一端通过该孔与相应的连接端子114电连接，支路部分122b支撑着递升部分122c。
吸收层130设有一被吸收体131包围的辐射热测量元件132、一形成于吸收体131底端的反射层133以及一形成于吸收体131顶端的红外线吸收体涂层134，如图4A和图4B所示。吸收体131由具有低导热性的绝缘材料制成，例如氮化硅(SiNx)、氧化硅(SiO2)或氮氧化硅(SiO2Nx)，吸收体131是在辐射热计元件132形成之前和之后通过沉积绝缘材料以环绕辐射热计元件132而形成。辐射热测量元件132由例如钛等金属制造，并在水平方向具有螺旋形以及在垂直方向为波纹形，从而通过增加辐射热测量元件132的总长而使红外辐射热测量计200具有降低的噪音等效温度差和提高的响应度及探测灵敏度。在沉积辐射热测量元件132之前，通过部分蚀刻吸收体131的绝缘材料而获得辐射热测量元件132的垂直波纹形状；而其水平螺旋形状是在沉积辐射热计测量件132之后通过对辐射热计元件132进行成形而获得。反射层133由铝或铂等金属制造，它使被传输的红外线返回到吸收体131。红外线吸收体涂层134由例如黑金等制造，它用于加强对入射红外线的吸收效率。
重新参考图3，每个端子140均位于吸收层130和支持层120之间。每个端子140包括一个由金属，例如钛(Ti)制成的电线导管142，该导管被由氮化硅(SiNx)、氧化硅(SiO2)或氮氧化硅(SiO2Nx)等制造的绝缘材料144包围着。每个电线导管142的顶端与辐射热测量元件132的一端电连接，电线导管142的底端与电桥122上的导线124电连接，通过这样的方式，吸收层130上的辐射热计元件132的每一端通过相应的电线导管142、导线124以及连接端子114而与活性基体层110的集成电路电连接。
图5A-5G以示意性剖面图的形式描述了根据本发明的制造红外辐射热测量计200的方法。
制造红外辐射热测量计200的方法首先是制备一活性基体层110，其包括一具有集成电路(未示出)的基片112、一对连接端子114和一个保护层116，如图5A所示。每个连接端子与集成电路电气连接。保护层116覆盖着基片112和连接端子114。
随后，如图5B所示，通过沉积第一牺牲层150的多晶硅层并部分蚀刻它，从而在活性基体层110的顶端形成具有一对空腔155的第一牺牲层150。
之后，如图5C所示，在第一牺牲层150的顶端形成一支持层120，其包括一对由氧化硅、氮化硅或氮氧化硅等绝缘材料制成的电桥122，以及由例如钛等金属制成的一对导线124，其中，每个导线124通过一通孔126而与相应的连接端子114电气连接。该步骤通过分别沉积并成型电桥122的绝缘材料以及导线124的金属而实现。
其后，如图5D所示，通过沉积并部分蚀刻第二牺牲层160的多晶硅层而在支持层120的顶端形成包括一对空槽165的第二牺牲层160。
接着，如图5E所示，在一对空槽165中形成一对端子140，每个端子140包括一被绝缘材料144包围的电线导管142。每个电线导管142的底端与相应的导线124相连。
在随后的步骤中，如图5F所示，在第二牺牲层160和端子140的顶端形成一吸收层130，该吸收层130包括：由氧化硅、氮化硅或氮氧化硅等绝缘材料制成吸收体131；由钛制造的辐射热测量元件132；由铝或铂等金属制造的反射层133；由黑金等制造的红外线吸收体涂层134。该步骤通过下面描述的过程而实现。首先，应用溅蚀方法沉积反射层133的金属。接着，应用化学汽相淀积法沉积下部吸收体层(未示出)并应用光蚀法对它进行部分蚀刻。随后，在下部吸收体层的顶端沉积一辐射热测量元件材料(未示出)，其中对下部吸收体层的部分蚀刻使得辐射热测量元件材料具有垂直的波纹形状，然后将辐射热测量元件材料成型为水平螺纹状，从而形成辐射热测量元件132。之后，沉积一上部吸收体层(未示出)以环绕着辐射热成型元件132，从而形成吸收体131。接着，在吸收体131的顶端形成红外线吸收体涂层134，这样，就形成了吸收层130。
最后，如图5G所示，使用蚀刻剂，例如二氟化氙(XeF2)并应用迷向蚀刻法而完全去除第一和第二牺牲层150和160，从而形成红外辐射热测量计200。
或者，根据本发明的其他实施例，使辐射热计元件132具有垂直波纹形状的部分蚀刻步骤可以在第二牺牲层160上或反射层133上进行，而不是在下部吸收体层上进行。
当受到红外线辐射时，辐射热计元件132的电阻率改变，导致电流和电压相应地发生变化。变化的电流或电压被集成电路放大，从而被检测电路(未示出)读出。
在本发明的红外辐射热测量计中，辐射热计元件具有水平螺旋状和垂直波纹状，从而在一定的空间或区域内使辐射热计元件的总长最大化，因此降低了红外辐射热测量计的噪音等效温度差，并增加了它的响应度和探测敏感度。
虽然本发明仅参考一特定的优选实施例进行了描述，但应当理解，可以进行其他的改变和变型，而不脱离如下面权利要求所确定的本发明的保护范围。
Claims (14)
1、一种红外辐射热测量计，包括：
一活性基体层，其包括一基片和一对连接端子；
一支持层，其设有一对电桥和一对导线；
一吸收层，其包括一被吸收体包围的辐射热计元件，所述辐射热计件在垂直方向上呈波纹状；以及
一对端子，每个所述端子包括一电线导管，其中吸收层的辐射热测量元件的每端通过相应的电线导管和相应的导线而与相应的连接端子电连接。
2、根据权利要求1所述的辐射热测量计，其特征在于，所述辐射热测量元件具有水平波纹状。
3、根据权利要求1所述的辐射热测量计，其特征在于，所述活性基体层还包括一形成在其顶端的保护层。
4、根据权利要求1所述的辐射热测量计，其特征在于，所述吸收层还包括一形成于吸收体底端的反射层。
5、根据权利要求4所述的辐射热测量计，其特征在于，所述吸收层还包括一形成在吸收体顶端的红外线吸收体涂层。
6、一种制造红外辐射热测量计的方法，其包括如下步骤：
制备一个包括一基片和一对连接端子的活性基体层；
形成包括一对空腔的第一牺牲层；
形成包括一对电桥和一对导线的支持层；
形成包括一对空槽的第二牺牲层；
在所述对空槽中形成一对端子；
沉积一下部吸收体层；
部分蚀刻所述下部吸收体层；
形成一辐射热测量元件；
沉积一上部吸收体层，从而形成一吸收层；以及
去除第一和第二牺牲层，从而形成红外辐射热测量计。
7、如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述部分蚀刻下部吸收体层的步骤使得辐射热计元件具有垂直波纹形状。
8、如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述形成辐射热测量元件的步骤包括沉积辐射热测量元件的金属以及将辐射热测量元件的金属成形为水平螺旋形。
9、如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述下部吸收体层与上部吸收体层的材料相同。
10、如权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括在活性基体层的顶端形成一保护层的步骤。
11、如权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括在沉积下部吸收体层之前形成一反射层的步骤。
12、如权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括在沉积上部吸收体层之后形成一红外线吸收体涂层的步骤。
13、如权利要求6所述的方法，其特征在于，包括一部分蚀刻第二牺牲层的步骤，其而不是部分蚀刻下部吸收体层的步骤。
14、如权利要求10所述的方法，其特征在于，包括一部分蚀刻反射层的步骤而不是部分蚀刻下部吸收体层的步骤。
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