TWI248513B - Infrared sensor - Google Patents

Description

1248513 五、發明説明（2 ) 指摘採用鋁時塞貝克效應小，因降低熱電阻而招致降低 靈敏度。 [發明之啓示] 本發明人等發現了由聚矽氧膜和鋁膜所成熱電堆，適 於實用有充分優越性者。 因此本發明係提供利用由聚矽氧膜和鋁膜所成的熱 電堆，可以高靈敏度的配置熱電偶，可有效率地將熱吸 收層產生的熱傳至熱電偶，高機械強度的紅外線感測器 爲目的。 爲了解決上述課題，本發明之紅外線感測器具備：包 含具有由絕緣材料所成支撐膜及中空部分用來支持支 撐膜的基板所構成支持構件；從中空部分上部遍及於基 板上部所形成，具有規定之導電型的聚矽氧配線層；形 成於聚矽氧配線層上，具有形成在中空部分上部的第一 接觸孔及形成於基板上部的第二接觸孔之絕緣膜；藉由 第一接觸孔與聚矽氧配線層連接，藉由第二接觸孔與鄰 接的聚矽氧配線層連接的鋁配線層；以及覆蓋第一接觸 孔之上部而形成於中空部分上部的紅外線吸收層，其特 徵爲與藉由第一接觸孔所對應的聚矽氧配線層連接的 鋁配線層，於中空部分之上部藉由絕緣部形成使該對應 的聚砂氧配線層之上層疊層者。 如此，因疊層聚矽氧配線層與鋁配線層來構成熱電偶， 故熱電偶之配置區域狹小，可提配置密度。又，從中空 部分之上部遍及基板之上部形成有聚矽氧配線層與鋁 -4- 1248513 五、發明説明（3 ) 配線層之疊層構造，故可提高薄壁的中空部分之機械強 度。又，因以覆蓋形成於熱電偶的第一接觸孔來形成紅 外線吸收層，故可將產生於紅外線吸收層的熱有效率地 傳至熱電偶。 又，本發明之紅外線感測器，由矽形成共板，以蝕刻形 成中空部分爲特徵也可以。因依蝕刻形成中空部分，故 可精密地實現中空部分之形狀。 又，本發明之紅外線感測器，係鋁配線層至少於中空 部分之上部，形成爲比聚矽氧配線層細的特徵亦可。而 形成爲細的良好熱傳導率配線層，故熱不易逃逸。又， 由形成紅外線吸收層的中空部分上部之鋁配線層，可減 少紅外線之反射。 又，本發明之紅外線感測器，形成複數之藉由絕緣膜 疊層鋁配線層於聚矽氧配線層上部的疊層構造體，其特 徵亦可爲，覆蓋於一體形成複數第一接觸孔的紅外線吸 收層。因其複數支之疊層構造體作爲與紅外線吸收層 一體之支持構造功能，故可更提高薄壁的中空部分之機 械強度。 [圖式之簡單說明] 第1A圖及第1B圖，分別表示第1實施形態的紅外 線感測器之剖面圖及熱電堆圖型圖。 第2圖表示第2實施形態的紅外線感測器之熱電堆 圖型圖。 第3A圖及第3B圖，分別表示第3實施形態的紅外 1248513 五、發明説明（4 ) 線感測器之剖面圖及熱電堆圖型圖。 第4A圖及第4B圖，表示第4實施形態的紅外線感 測器之剖面圖及熱電堆圖型圖。 第5圖表不第5實施形態的紅外線感測器之熱電堆 圖型圖。 第6圖表示第6實施形態的紅外線感測器之熱電堆 圖型圖。 第7圖表示習知紅外線感測器之熱電堆圖型圖。 第8 A圖及第8 B圖，分別表示習知紅外線感測器之 剖面圖及熱電熱圖型圖。 [用以實施發明的較佳形態] 以下，參照圖式說明本發明的實施形態。但是，同一 要素附與同一符號，省略重複說明。 第1實施形態的紅外線感測器之剖面圖及熱電堆圖 型表示於第1A圖及第1B圖。 第1A圖係表示於第1B圖的A-A’剖面圖，如圖示隔 膜構造之支持構件，具備具中空部分2的矽基板1及支 持其的支撐膜3。在支撐膜3上疊層有摻雜1018〜102Q cm ^的η型或p型不純物的聚矽氧膜4,與藉由成爲絕 緣膜的Si02之鋁膜6。而且，以Si02膜5之開口部連 接聚矽氧膜4與鋁膜6,形成熱電偶。支撐膜3及熱電 偶之露出表面，係由SiN所成的鈍化膜7被覆，在中空 部分2上部之鈍化膜7上形成熱吸收膜8。 尙，鈍化膜7亦可爲Si02或聚醯亞氨膜等之絕緣 -6- 1248513 五、發明説明（5 ) 膜。又，熱吸收膜8係使用黑化樹脂，此黑化樹脂亦可 使用混合碳塡充物等黑色塡料的樹脂（環氧系、矽系、 丙烯酸系、氨酯系、聚醯亞氨系等），或黑色光阻等。 如第1B圖所示，聚矽氧膜4與鋁膜6之長尺寸疊層 構造，係從矽基板1上部遍及中空部分2上部，形成爲 於矩形（正方形或長方形）之中空部分2之四邊，自垂直 的4方向朝中空部分2之中央延伸。 又，聚矽氧膜4與鋁膜6係疊層於中空部分2上，銘 膜6之寬度係形成比聚矽氧膜4之寬細。而且，在形成 於熱吸收膜8區域的Si02膜之開口孔部，連接所疊層 的聚矽氧膜4及鋁膜，形成爲熱接點1 1。又，在矽基板 1上部之Si02膜5之開口孔部，連接鄰接的聚矽氧膜4 及鋁膜6,形成冷接點1 2。此等熱電偶連接爲排成一歹IJ， 由塞貝克效應產生的電動勢係由取出電極1〇取出。在 此，於形成取出電極1 〇的區域，鈍化膜7乃作開口。 說明中空部分之形成方法，係對未形成中空部分的矽 基板1之表面形成支撐膜3、熱電堆圖型、鈍化膜7、 熱吸收膜8之後，在與形成有矽基板1的支撐膜3相反 側之面（背面），予以形成由具耐性的SiN等所成掩蔽9 於矽蝕刻液。然後，開口欲形成中空部分2的區域之掩 蔽9，一邊保護矽基板1之表面一邊進行蝕刻。並由此， 自背面之掩蔽9開口部開始蝕刻，到達有耐性餓刻液的 支撐膜3時就中止蝕刻。例如蝕刻液採用氫氧化鉀溶 液等，砂基板1採用（1〇〇)面時，可進行各向異性触刻，可 1248513 五、發明説明（6 ) 形成第1A圖所示具有中空部分2的隔膜構造。尙，在 支撐膜9,亦可爲由包含SiN單層、Si02單層、或 SiN、Si02、PSG、BPSG中任一的多層膜所成者，膜厚 爲 0 · 5 〜5 // m 〇 如此依第1實施形態的紅外線感測器，由於疊層形成 聚矽氧膜4及鋁膜6,與第7圖所示並排配置聚矽氧膜 4及鋁膜6的習知例比較，因對於1個熱電偶的配置區 域變成狹小，故以高密度地可配置熱電偶。又，藉由 Si02膜5疊層聚矽氧膜4及鋁膜6的熱電堆圖型，係作 成3層構造故提高了機械性的支持強度，而此因從中空 部分2上部遍及矽基板1上部形成爲高台狀，故可提高 中空部分2之機械性強度·再者，於中空部分2上部以 具黏接力的材料所成單一塊之熱吸收膜8,乃固定全部 之支撐膜3與熱電堆圖型，可更加提高在中空部分之成 爲薄壁區域之機械性強度。又，熱吸收膜8形成爲覆蓋 熱電堆圖型之熱接點1 1全部，故由吸收紅外線在熱吸 收膜8產生的熱可有效率地傳至熱接點11。 又，鋁膜6的熱傳導率良好將在熱接點得到的熱傳到 矽基板1而放定，雖有招來紅外線應感測器的降低靈敏 度之可能性，但於第1實施形態，銘膜6係藉由Si02膜 5細薄地疊層於聚矽氧膜4上，故與矽基板1作熱絕緣， 並不致於降低紅外線感測器之靈敏度。又，Si02膜不僅 是聚矽氧膜4與鋁膜6的電氣絕緣，亦具有用以不傳聚 矽氧膜4之熱於鋁膜6的熱絕緣功能。又，入射於熱吸 1248513 五、發明説明（7 ) 收膜8的紅外線，由形成在熱吸收膜8下的鋁膜6所反 射雖有招致降低紅外線感測器靈敏度之可能性，但因銘 膜6形成爲細可使反射在最小限度，更由熱吸收膜8吸 收反射的紅外線，故不致於降低紅外線感測器之靈敏 度。 尙，第1實施形態並不限定於此者。中空部分2之形 狀亦不限定於矩形，也可爲圓形等，可配合其形狀來形 成熱電堆圖型。 將第2實施形態的紅外線感測器之熱電堆圖型表示 於第2圖。第2實施形態之紅外線感測器，係使第1 B 圖所示第1實施形態之紅外線感測器之聚矽氧膜4之 寬度廣寬，將中空部分2上部的聚矽氧膜4之前端形狀 形成槍型者。 使用聚矽氧等之半導體材料於熱電材料時，由於其此 電阻高所以熱電堆之電阻變大，伴隨於其有增加雜音的 問題。可是，使第2實施形態的紅外線感測器，由於疊 層聚矽氧膜4及鋁膜6來形成，與第7圖所示習知例比 較在同樣或其以上的熱電偶數，亦可擴廣聚矽氧膜4之 寬度，故可使熱電偶之電阻小，並由此不以抑制熱雜音 可提高S/N比。又雖未予圖示其熱電偶數比第7圖之 習知例增加，亦可使熱電偶之電阻値仍在原來値作設計， 由此靈敏度上升而雜音仍保持原樣，故可提高S/N比。 又，使在中空部分2上部的聚矽氧膜4前端形狀爲槍型， 由將聚矽氧膜4前端勒進去於中空部分2之中央方向， -9- 1248513

五、發明説明（8 ) 可使熱接點11靠近中央部分2之中央。並由此，在熱 接點的溫度上升變大而提高靈敏度。再於依此形狀在 中空部分2上部的聚矽氧膜4之面積變大，形成薄壁的 中空部分2區域更能提高機械性強度。 又，第2實施形態之紅外線感測器，係擴廣第1實施 开夕％3、之紅外線感測器之聚砂氧膜4寬度，將在中空部分 2上部的聚矽氧膜4之前端形狀作爲槍型者，因熱電偶 等構成係同樣，故作爲紅外線感測器可獲得與第1實施 形態同樣效果。又，在第2實施形態之中空部分2上部 的聚矽氧膜4前端作爲槍型的形狀，不僅是本實施形態 以適應於其他所示的實施形態而能獲得同樣效果。 將第3實施形態的紅外線感測器之剖面圖及熱電堆 圖型表示於第3 A圖及第3 B圖。第3實施形態之紅外 線感測器，係第1 A圖所示加以改變第1實施形態之紅 外線感測器之中空部分2形狀者。更詳細說明之，如第 3B圖之B-B’剖面圖的第3A圖所示，對於在第1實施形 態其開放中空部分2之背側，第3實施形態係形成背側 以矽基板1封鎖，在表面鈍化膜7之4處具有飩刻孔1 3 的構造，而中空部分2形成於支撐膜3之下部。 說明於第3實施形態之紅外線感測器的中空部分2 之形成方法，首先，在矽基板1之支撐膜3側形成與中 空部分2同樣尺寸之聚矽氧犧牲層（未圖示）。然後，形 成支撐膜3、熱電堆圖型、鈍化膜7之後，如第3B圖 所示予開口支撐膜3及鈍化膜7，形成餓刻孔1 3。又，於 -10- 1248513 五、發明説明（9 ) 矽基板1之背面雖形成掩蔽9,但是與第1實施形態不 同掩蔽9並不開口。而且，鈾刻液採用伸乙二胺和鄰苯 二酚與水之熱混合液者，對矽基板1用（100)面進行鈾 刻。此時蝕刻液自蝕刻孔1 3浸透於聚矽氧犧牲層，將 聚矽氧犧牲層全部作蝕刻，其後開始矽基板1之各向異 性蝕刻。並由此可形成第3 A圖所示具有中空部分2 的隔膜構造。尙，蝕刻進行2〜10 # m左右深度。 第3實施形態之紅外線感測器，係僅與第1實施形態 之紅外線感測器中空部分2不同形狀，而因熱電堆圖型 爲相同，故成爲紅外線感測器能獲得與第1實施形態同 樣的效果。加上此，在第3實施形態之紅外線感測器的 背側，因背側成爲由矽基板1所閉鎖的構造，故作模接 合於引入框架等之支持構件變成容易，有增高機械性強 度的效果。尙，第3實施形態並不限定於此者。中空部 分2之形狀不限定於矩形，亦可爲圓型等，可配合其形 狀來形成熱電堆圖型。又，蝕刻孔形狀，地方並不限定 於第3圖所示者，可由熱電堆圖型來變更。又，爲了形 成隔膜構造就僅蝕刻聚矽氧犧牲層亦可。在此情況，使 聚砂氧犧牲層之厚度爲0.3/zm〜1.5//m。 有關第4實施形態的紅外線感測器之剖面圖及熱電 堆圖型表示於第4A圖及第4B圖。第4實施形態之紅 外線感測器，係爲改變第1 B圖所示的第1實施形態之 紅外線感測器之熱電堆圖型者。在第1 B圖，熱電偶於 長方形中空部分2之四邊分別形成爲垂直，可是在第4 11- 1248513 五、發明説明（10) 實施形態之紅外線感測器則如第4B圖所示，熱電偶僅 在相對的矩形中空部分2的2邊從垂直的方向，形成延 伸於中央部2之中央。從此2方向延伸於中空部分2 中央所相對的熱電堆圖型之距離，爲2 // m〜40 # m，並由 於儘量縮小距離提高在熱接點之溫度上升而可提高靈 敏度。 第4實施形態之紅外線感測器，僅與第1實施形態之 紅外線感測器之熱電堆圖型不同，及同樣的熱電偶等之 構成，故在第1〜第3實施形態能獲得與第i實施形態同 樣的效果。加上此，在第1〜第3實施形態之紅外線感測 器，雖然特別適於紅外線之照射光點形成同心圓狀時之 用途，但於第4實施形態則適於紅外線之照射光點成爲 線狀或長尺寸形狀時之用途。尙，第4實施形態並不限 定於此，亦可爲與第3實施形態同樣的中空部分2之形 狀、形成方法。 有關第5實施形態的紅外線感測器之熱電堆圖型表 示於第5圖。第5實施形態之紅外線感測器，係以第 3 B圖所示第3實施形態之紅外線爲1單元2 〇，並將此 以1次元陣列排列於同一矽基板1上者。於此在第5 實施形％之紅外線感測益，係第3 B圖所示將取出電極 10之一方作爲各單元之共同電極連接，用來設置共同取 出電極1 5。 依第5實施形態之紅外線感測器，自各單元的輸出， 可測定依位置的紅外線之照射量的差異。再者，丨單元 -12- 1248513 五、發明説明（11) 的紅外線感測器之構造因與第3實施形態同樣，故獲得 與第3實施形態同樣效果。 尙，第5實施形態並不限定於此者。在第5實施形態 係將1單元排列於1次元陣列，但亦可排列爲2次元陣 列。並由此，可測定依2次元的位置的紅外線照射量之 差異。 有關第6實施形態的紅外線感測器之熱電性圖型表 示於第6圖。第6實施形態之紅外線感測器，係以第 4 B圖所示之第4實施形態之紅外線感測器作爲1單元 3 0,將在此以1次元陣列狀排列於同一矽基板上者。在 此於第6實施形態之紅外線感測器，如第4B圖所示將 取出電極10之一方作爲各單元之共同電極連接，設置 共同取出電極1 5。 依第6實施形態之紅外線感測器，自各單元的輸出， 可依位置測定紅外線之照射量差異。再者，1單元之紅 外線感測器之構造與第4實施形態同樣，能獲得與第4 實施形態同樣的效果。 尙，第6實施形態並不限定於此者，在第6實施形態 以1單元排列爲1次元陣列，但亦可排列爲2次元陣 列。並由此，依2次元的位置可測定紅外線之照射量差 異。 [產業上之利用可能性] 如以上的詳細說明，係本發明的紅外線感測器，係以 疊層聚砂氧配線層與錫層配線層來構成熱電偶，故熱電 -13- 1248513 五、發明説明（12) 偶之配置區域狹小，可提高配置密度。又，從中空部分 之上部遍及基板之上部形成聚矽氧配線層與鋁配線層 之疊層構造，故能提高薄壁的中空部分之機械強度。又， 藉由絕緣膜形成複數聚矽氧配線層與鋁配線層之疊層 構造體，而疊層構造體之複數支作與紅外線吸收層一體 之支持構造功能，故更可提高薄壁的中空部分之機械強 度。又，以覆蓋形成於熱電偶的第一接觸孔來形成紅外 線吸收層，故在經外線吸收層產生的熱可有效率地傳至 熱電偶。 並由此，能獲得機械強度強，高靈敏度之紅外線感測 器。 符號說明 1.. .矽基板 2.. .中空部分 3.. .支撐膜 4…聚矽氧膜 5".Si02 膜 6…鋁膜 7.. .鈍化膜 8.. .熱吸收膜 1〇··.取出電極 13···蝕刻孔 2 0，3 0 ... 1 單元 -14-

Claims (1)

1248513 六、申請專利範圍 第90 1 085 89號「紅外線感測器」專利案 (2005年10月13日修正） 六申請專利範圍： 1 · 一種紅外線感測器，其特徵爲，具備：支持構件，包 含由絕緣材料所成支撐膜，與具有中空部分用來支 持支撐膜的基板所構成； 聚矽氧配線層，具有規定之導電型且自中空部分 之上部形成遍及於基板之上部，且位在中空部分上 之聚矽氧配線層之前端部分形成朝向前端逐漸變細 的形狀； 絕緣膜，形成於聚矽氧配線層上，具有形成在中 空部分上部的第一接觸孔及形成於基板上部的第二 接觸孔； 鋁配線層，藉由第一接觸孔與聚矽氧配線層連 接，藉由第二接觸孔與鄰接的聚矽氧配線層連接；以 及 紅外線吸收層，以如覆蓋第一接觸孔之上部形成 於中空部分之上部， 藉由第一接觸孔與對應的聚矽氧配線連接的鋁配 線層，係以於中空部分之上部形成爲該對應的聚矽 氧配線層之上層的方式而隔著絕緣膜被疊層者。 2 .如申請專利範圍第1項之紅外線感測器，其中由矽 形成基板，且利用蝕刻形成中空部分。 1248513 六、申請專利範圍 3 .如申請專利範圍第1項之紅外線感測器，其中鋁配 線層，至少於中空部分之上部形成爲比聚矽氧配線 層還細。 4 .如申請專利範圍第1項之紅外線感測器，其中隔著 絕緣膜而形成有複數個將鋁配線層疊層於聚矽氧配 線層上部的疊層構造體，且以一體形成的紅外線吸 收層覆蓋複數個第一接觸孔。 5 .如申請專利範圍第1項之紅外線感測器，其中鋁配 線層至少於中空部分之上部形成爲比聚矽氧配線層 還細，絕緣性的鈍化膜被設置於支撐膜的露出部分 及聚矽氧配線層和鋁配線層之連接部的露出部分 上。 6 .如申請專利範圍第1項之紅外線感測器，其中紅外 線吸收層係由黑化樹脂材料所構成之一塊紅外線吸 收層。