TWI259901B - Diamond sensor - Google Patents

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TWI259901B
TWI259901B TW094121246A TW94121246A TWI259901B TW I259901 B TWI259901 B TW I259901B TW 094121246 A TW094121246 A TW 094121246A TW 94121246 A TW94121246 A TW 94121246A TW I259901 B TWI259901 B TW I259901B
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Kazushi Hayashi
Takeshi Tachibana
Yoshihiro Yokota
Nobuyuki Kawakami
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Kobe Steel Ltd
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Description

1259901 (1) 九、發明說明 【發明所屬之技術領域】 本發明關於一種用來測量短波長輻射如真空紫外線轄 射的金剛石感測器及其製造方法。特別是，本發明關於〜 種適用於在空氣中進行紫外線照射的清潔裝置的低矮外形 (low pro file)的平面型金剛石感測器及其製造方法。 【先前技術】 一般而言，在觀察波長比可見光更短的紫外線輻射等 的時候，日光或其他光經常會成爲不確定的因素。因此， 需要對日光不敏感的性能。另外，由於紫外線區內的輻射 能量比較高，因此需要較高的耐久性來進行穩定的觀察， 同時在較長一段時間內具有良好的再現性。 因此，近年來已經提出了 一種包括金剛石薄膜的紫外 線感測器（例如，參見“用於下一代157奈米（nm)的深紫 外線光刻工具的金剛石光檢測器” ，Diamond and Related Materials，第10卷693-697頁，2001年，以及“採用高 度取向金剛石膜的紫外線感測器的進展” ，R&D KOBE STEEL ENGINEERING REPORTS，第 52 卷第 2 期，第 2 2 3 -2 6頁）。金剛石薄膜可在高溫下使用並展示出優越的 耐久性，並且具有寬頻隙半導體的性能。因此，可以較低 的成本來實現非常可靠的感測器。與其中結合有窄帶隙的 矽等與波長濾波器的已知感測器元件相比，包括這種金剛 石薄膜的半導體感測器展示出優越的耐久性。另外’與包 (2) 1259901 括光電陰極管等的已知感測器相比，它具有可以實現微型 化和減輕重量並且不需要複雜電路配置的優點。 ~ 在已知的金剛石感測器中，通過氣相合成法生產的金 ^ 剛石薄膜用作檢測層，例如，在該金剛石薄膜的表面上制 出一對電極。在具有這種共面結構的金剛石感測器中，當 施加光時就在金剛石薄膜中產生了電子空穴對。這些電子 空穴對通過在一對電極之間施加偏壓而在各電極處收集起 φ 來，並且作爲電信號而被檢測到。具有這種構造的金剛石 感測器通常被稱爲光電導體，並且在未施加輻射時具有絕 緣性能。然而，光電導體在施加輻射時會改變成具有導電 性能。 如現有技術文獻中所介紹的那樣，金剛石感測器通常 被封裝在工業氣密密封如TO-5中，使得感測器表面不會 被測量氣氛中的灰塵和有機材料污染。感測器元件被密 封，並且其內部用惰性氣體如氮進行清洗，因而降低了受 ® 氣體類型的影響。 以前採用高強度低壓汞燈來除去玻璃襯底等的表面上 的有機材料並進行清潔，而這種燈發出2 5 4奈米的紫外線 輻射或者1 8 5和2 5 4奈米的紫外線輻射，因此會高效率地 產生臭氧。金剛石感測最適用於測重追種裝置所施加的 輻射的強度，並且可用來進行品質控制，等等。例如，金 剛石感測器設在用來運送玻璃的傳送帶上，紫外線輻射的 強度可通過緊接在燈的下方處攜帶金剛石感測器來進行測 -6 - (3) 1259901 然而，上述已知技術包括以下問題。近年來，用於液 晶顯示的襯底的尺寸增大。當除了紫外線輸射外還可發出 ~ 光如可見光的低壓汞燈應用於該較大的玻璃襯底上時，就 — 在玻璃襯底中產生了熱應力。因此，產生了因應變和/或 翹曲所造成的損壞，從而降低了產量。爲了保護玻璃襯底 免受損壞，已經開始硏究使用其中心波長在1 7 2奈米處的 準分子燈。這種準分子燈只在紫外線區內具有發射光譜， # 因此不會出現上述問題。然而，由於輻射被空氣中的氧吸 收，因此射的強度在大氣中快速地衰減。因此，在使用 準分子燈時，燈罩與襯底之間的距離必須盡可能地接近。 圖9是顯示了波長爲172奈米或185奈米的紫外線輻 射的透射率與照射距離之間的關係的圖，其中水準軸線表 示距燈的距離，垂直軸線表示紫外線輻射在空氣中的透射 率。當使用波長爲172奈米的準分子燈時，除非燈罩與玻 璃襯底之間的距離爲5毫米或更小、最好爲2毫米或更 ^ 小，否則無法得到足夠的輻射強度。因此，問題在於，上 述已知的金剛石感測器因其厚度而無法應用於這種測量 中。另外’在其中隨著照射距離的增加而發生急劇衰減的 這種測量中，必須在盡可能接近玻璃表面的位置處測量照 射的量和強度。然而，構造成可被封閉于封裝如已知的金 - 剛石感測器中的感測器存在著問題，即難於在這種位置處 進行測量。 【發明內容] (4) 1259901 考慮到上述問題而硏製了本發明。因此，本發明旨在 供一種金剛石感測器’其即使在燈與照射目標之間的距 離較小時也能夠穩定地檢測紫外線輻射，還提供了 一種製 造這種金剛石感測器的方法。 根據本發明的金剛石感測器包括：厚度不超過3毫米 的絕緣基底材料；選擇性地沉積或製備於該絕緣基底材料 上的至少一對金屬互連件；以及金剛石元件，其包括用作 ® 檢測層的金剛石層以及沉積或製備於金剛石層上的至少一 對表面電極，其中該表面電極對中的表面電極連接在金屬 互連件對中的其相應金屬互連件上。 在本發明中，金剛石元件安裝在設有金屬互連件的極 薄絕緣基底材料如玻璃或石英襯底上，上述金屬互連件連 接在金剛石元件的其相應表面電極上。因此，即使在燈與 照射目標之間的距離較短、即感測器從中穿過的間隙較窄 時，也可以穩定地檢測測量目標輻射，例如紫外線輻射。 ^ 尤其在本發明中，由於絕緣基底材料的厚度不超過3 毫米，因此可以容易地實現能檢測波長爲1 72奈米的紫外 線輻射的感測器。絕緣基底材料的厚度更優選爲不超過1 毫米。 ’金剛石感測器還可包括元件襯底，金剛石層可沉積在 該元件襯底上。在這種構造中，絕緣基底材料可透射測量 目標輻射，而金剛石層可面向絕緣基底材料以檢測該輻 射。 在根據本發明的金剛石感測器中，金剛石層可直接設 (5) 1259901 在絕緣基底材料上。 作爲備選，表面電極可面向絕緣基底材料，並且金剛 ''石層可設在表面電極的外側上。 ^ 在金剛石感測器未設元件襯底的情況下，低矮外形的 金剛石元件安裝在設有金屬互連件的絕緣基底材料如玻璃 襯底上，上述金屬互連件連接在金剛石元件的其相應表面 電極上。因此，與已知的金剛石感測器相比，在矽襯底的 • 情況下，厚度可被元件襯底的厚度減小了例如約0 · 5毫 米。因此，即使在感測器從中穿過的間隙較窄時，也可以 穩定地檢測測量目標輻射如紫外線輻射，而這是難於用已 知金剛石元件來檢測的。 上述絕緣基底材料可由可透射測量目標輻射的材料形 成，上述金剛石元件可在設有上述表面電極的表面設置成 面向上述絕緣基底材料側時制出，測量目標輻射可從上述 絕緣基底材料側來施加。這樣，金剛石元件和金屬互連件 # 未被測量輻射直接照射，因此可以防止因意外接觸等而引 起的損壞。 在金剛石感測器未設元件襯底的的情況下，上述絕緣 基底材料可由可透射測量目標輻射的材料形成，該測量目 標輻射可從上述絕緣基底材料側來施加。作爲備選，上述 金剛石元件可在設有上述表面電極的表面設置成面向上述 絕緣基底材料側時制出，上述測量目標輻射可穿過上述絕 緣基底材料並入射在上述金剛石感測器中的設有上述表面 電極的表面上。作爲備選，上述金剛石元件可在與設有上 (6) 1259901 述表面電極的表面相反的表面設置成面向上述絕緣基底材 料側時制出，並且上述測量目標輻射可穿過上述絕緣基底 材料並入射在上述金剛石感測器中的與設有上述表面電極 ^ 的表面相反的表面上。這樣，金剛石元件和金屬互連件未 被測量輻射直接照射，因此可以防止因意外接觸等而引起 的損壞，從而提高了耐久性。另外，當測量目標輻射設置 成入射在與設有表面電極的表面相反的表面上時，測量目 • 標輻射未受表面電極的阻礙，從而改善了入射角特性。 作爲備選，上述金剛石元件可在設有上述表面電極的 表面設置成面向上述絕緣基底材料側時制出，上述測量目 標輻射可從金剛石元件側施加。這樣，測量目標輻射未受 表面電極的阻礙，從而改善了入射角特性。 可在絕緣基底材料的表面上的待設置金剛石元件的區 域內預先形成下凹部分，金剛石元件可制出於該下凹部分 中。因此，金剛石元件的表面和基底材料的表面相互間齊 β 平，從而可防止意外接觸。 本發明中的金剛石層例如可由氣相合成法所生產的多 晶金剛石形成。上述金剛石層例如可爲高度取向的金剛石 層，其中表面由（100)晶面構成，生長晶粒相對於上述襯底 表面單軸地取向，並且晶面也在面內取向。高度取向的金 剛石層指這樣的層，其中多晶金剛石中的晶粒的生長方向 和面內方向均相對於襯底表面而在一個方向上取向。其表 面呈特定的表面幾何形狀，其中平面的（0 0 1 )面對齊。因 此，該膜表面附近中的晶體缺陷密度比一般多晶膜中的更 -10- (7) (7)1259901 小，而載流子遷移率呈數量級地增大。因此與已知的金剛 石感測器相比，檢測性能得以改進。 根據本發明的金剛石感測器例如可檢測紫外線輻射。 在根據本發明的金剛石感測器中，絕緣基底材料優選 口]*透射波長爲1 7 2奈米的紫外線輻射。 一種用於製造根據本發明的金剛石感測器的方法的特 徵在於，其包括步驟：在絕緣基底材料上選擇性地形成至 少一對金屬互連件；在元件襯底上形成用作檢測層的金剛 石層，並在該金剛石層上形成至少一對表面電極，從而形 成金剛石元件；以及在上述絕緣襯底上製造上述金剛石元 件’並將上述表面電極對中的表面電極連接在上述金屬互 連件對中的其相應金屬互連件上。 在本發明的這一方面中，金屬互連件形成於絕緣基底 材料如玻璃襯底上，另外，金剛石元件安裝在該絕緣基底 材料上，上述金屬互連件連接在金剛石元件的其相應表面 電極上。因此，可以容易地生產出即使在感測器從中穿過 的間隙較窄時也可使用的金剛石感測器。 上述絕緣基底材料可由可透射測量目標輻射的材料如 漫射的二氧化矽、石英和藍寶石形成，上述金剛石元件可 在設有上述表面電極的表面設置成面向上述絕緣基底材料 側時制出。 上述金剛石元件可在設有上述表面電極的表面設置成 面向上述絕緣基底材料側時制出，上述表面電極對中的表 面電極可連接在上述金屬互連件對中的其相應金屬互連件 -11 - (8) 1259901 上，之後，上述元件襯底可通過溶解來除去。這樣便可進 一步減小感測器的厚度。由於元件襯底在金剛石元件安裝 ~ 在絕緣基底材料上之後被除去，因此可減小厚度，同時不 • 會損壞用作檢測層的金剛石層。 用於製造根據本發明的金剛石感測器的另一方法的特 徵在於，其包括步驟：在絕緣基底材料上選擇性地形成至 少一對金屬互連件；在元件襯底上形成用作檢測層的金剛 • 石層以及在該金剛石層上形成至少一對表面電極之後，通 過溶解來除去上述元件襯底，從而產生了金剛石元件；在 上述絕緣基底材料上設置上述金剛石元件，並將上述表面 電極對中的表面電極連接在上述金屬互連件對中的其相應 金屬互連件上。 在本發明的這一方面中，由於已經從其上除去了元件 襯底的金剛石元件安裝在該絕緣基底材料上，因此可進一 步減小感測器的厚度。另外，由於元件襯底在安裝於絕緣 • 基底材料之前被除去，因此絕緣基底材料不會與任何化學 溶液接觸。結果就擴大了絕緣基底材料的選擇範圍。 上述絕緣基底材料可由可透射測量目標輻射的材料形 成。這樣’測量目標輻射可從絕緣基底材料側施加，從而 提高了耐久性。上述金剛石元件可在設有上述表面電極的 表面設置成面向上述絕緣基底材料側時制出。作爲備選， 上述金剛石元件可在與設有上述表面電極的表面相反的表 面設置成面向上述絕緣基底材料側時制出。 另外，上述金剛石層可通過氣相合成法形成。這樣， -12- (9) 1259901 與已知的金剛石感測器相比，檢測性能得以改進。在用於 製造金剛石感測器的上述方法中，深度與金剛石元件的厚 度相當的下凹部分可被預先形成於上述絕緣基底材料表面 上的待設金剛石元件的區域內，金剛石元件可制出於該區 域內。因此，金剛石元件的表面和基底材料的表面相互間 齊平，從而可防止意外接觸。 根據本發明’設有檢測層的金剛石元件沉積在設有金 屬電極的絕緣基底材料上，金剛石元件的表面電極連接在 絕緣基底材料上的其相應互連件上。因此，即使在無法利 用已知感測器進行任何測量的狹窄間隙中，也可穩定地檢 測紫外線輻射。 【實施方式】 爲了實現上述目的，本發明的發明人進行了廣泛的硏 究。結果發現，當金屬互連件選擇性地形成于極薄絕緣基 • 底材料如最常用作處理目標的玻璃襯底的表面上、設有檢 測層的金剛石元件連接在該玻璃襯底上，並且元件的電極 連接在絕緣基底材料上的其相應電極上時，即使在以前無 法進行任何測量的狹窄間隙中，都能夠穩定地檢測紫外線 輻射。 根據本發明實施例的金剛石感測器將參考附圖在下文 中具體介紹。現在介紹根據本發明第一實施例的金剛石感 測器。圖1是根據本發明第一實施例的金剛石感測器的平 面圖。圖2是示意性顯示了該金剛石感測器的側視圖。如 -13- (10) 1259901 圖1和圖2所示’本實施例的金剛石感測器1 〇在平板狀 絕緣基底材料2 0上選擇性地設有一對金屬互連件2 i a和 2 1 b °金剛石元件3安裝在該絕緣基底材料2 0上。在金剛 石元件3中’用作檢測層的絕緣金剛石層3 1沉積在襯底 3 〇上’一對指叉型電極3 2 a和3 2b沉積在該絕緣金剛石層 3 1的表面上。金剛石元件3的指叉型電極32a和32b通過 引線接合等而分別電連接在沉積於絕緣基底材料20上的 ® 金屬互連件2 1 a和2 1 b上。例如，可採用金引線等作爲將 指叉型電極32a和32b與金屬互連件21a和21b相互連接 起來的引線6 a和6 b。 本實施例的金剛石感測器1 〇中的絕緣基底材料2 0並 不受特定的限制’只要基底材料是例如由玻璃、藍賓石或 塑膠製成的平板狀材料，並且具有考慮到紫外線燈等應用 所需的一定強度水準即可。絕緣金剛石層3 1可通過已知 的方法來形成。特別是，通過化學氣相沉積（CVD)法合成 ® 的多晶金剛石膜在工業上是優選的，其中在CVD法中採 用了等離子體，從而利用了優越的可控性，並且可以低成 本來穩定地生產金剛石膜。更優選的是，絕緣金剛石層3 1 是高度取向的金剛石膜，其中表面由金剛石的（100)晶面構 成，並且晶粒取向在恒定的方向上。這種高度取向的金剛 石膜在廣義上被分類爲多晶膜。然而，晶粒的生長方向和 面內方向均取向在恒定的方向上’並且其表面呈特定的表 面幾何形狀’其中平坦的（001)面是對齊的，使得該表面附 近的晶體缺陷密度比一般多晶膜中的更小。因此，載流子 -14 - (11) 1259901 遷移率呈數量級地增大，從而展示出優越的檢測特性 金屬電極21a和21b以及指叉型電極32a和32b Λ吊見的金屬如金、鉑或鋁形成。已知的方法如真空 法、濺射法、離子鍍法或C V D法均可用作其形成方 已知的方法可應用在用於在絕緣基底材料20上選擇 形成金屬互連件的方法中。然而，採用光刻的成形方 是合適的。在這種情況下，適用方法的實例包括這樣 法’其中金屬膜形成於整個絕緣基底材料2 0上，通 刻法在該金屬膜上的與互連件圖案相對應的區域中形 致抗蝕圖案，然後在採用該光致抗蝕圖案作爲掩膜的 來蝕刻該金屬膜；或者，適用方法的實例包括剝離法 off method)，其中在絕緣基底材料20上預先形成光 蝕欄案’同時在光致抗蝕圖案中的將形成互連件的區 設置開口，在採用該光致抗蝕圖案作爲掩膜的同時對 膜進行成形，之後通過溶解來除去該光致抗蝕圖案， 去不需要的金屬膜。 在本實施例的金剛石感測器1 0中，指叉型電極 和3 2b沉積在絕緣金剛石層3 1的表面上。然而本發 不限於此。本質上只需要至少一對電極沉積在絕緣金 層3 1的表面上即可。其形狀可隨意地確定。當相互 的部分的長度在形狀上增大時，受到紫外線輻射檢測 域也增大，因此可以得到很高的靈敏度。特別是，在 紫外線輻射時，更優選採用指叉型結構，其中例如寬 1至5 0微米，電極之間的間隔爲1至5 0微米。 可由 蒸發 法。 性地 法也 的方 過光 成光 同時 (lift- 致抗 域中 金屬 以除 32a 明並 剛石 面對 的區 測量 度爲 ~ 15- (12) 1259901 襯底3 0並不受到特定的限制。例如，當絕緣金剛石 層3 1由高度取向的金剛石膜形成時，希望使用具有由 (00 1)晶面構成的表面的矽襯底。另外，根據用途可在金剛 石元件的表面上施加各種塗層。金剛石元件3和絕緣基底 材料2 0例如可通過使用銀膏或粘合劑的粘合、或者使用 金-錫等的低溫釺焊而結合在一起。另外，也可通過使用 凸點的壓力結合來進行固定，或者，通過施加極少量的 S OG (自旋玻璃；水玻璃）、放置金剛石元件且之後進行 燒結來進行固定。 下面將介紹根據本實施例如上所述地構造的金剛石感 測器1 0的操作。在本實施例的金剛石感測器1 0中，絕緣 金剛石層3 1用作檢測層，在指叉型電極3 2 a和指叉型電 極3 2 b之間施加偏壓。當含有紫外線、X射線、軟X射線 等並且具有高於金剛石帶隙的能量水準的輻射從指叉型電 極3 2a和3 2b側上的表面入射在絕緣金剛石層31上時， 在絕緣金剛石層3 1中產生了載流子（電子和空穴）。這 些載流子被施加於指叉型電極3 2 a和指叉型電極3 2 b之間 的偏壓所產生的電場移動。載流子集聚在指叉型電極3 2 a 或指叉型電極32b處，並作爲電信號通過金屬電極21a和 21b輸出。 在本實施例的金剛石感測器中，由於金剛石元件安裝 在設有互連件的絕緣基底材料上，因此即使在離照射燈的 距離較短時也能穩定地檢測紫外線輻射。因此就擴大了包 括低成本的高取向金剛石膜和多晶金剛石膜的紫外線感測 -16- (13) 1259901 器的實用範圍。因此就可發展出新的應用領域，另外，對 其中使用紫外線輻射、真空紫外線輻射和深紫外線輻射的 工業領域的發展也作出了重要的貢獻。 下面將介紹根據本發明第二實施例的金剛石感測器。 圖3是示意性顯示了本實施例的金剛石感測器4 〇的側視 圖。圖4是從絕緣基底材料側看去的該金剛石感測器的平 面圖。在圖3和圖4中，與圖1和圖2中所示第一實施例 ® 的金剛石感測器】〇中相同的構件由相同的標號表示，並 且不提供對其的詳細說明。如圖3所示，本實施例的金剛 石感測器4 0在可透射測量目標輻射1的絕緣基底材料2 〇 〇 上選擇性地設有一對金屬互連件21a和21b。在金剛石元 件中，用作檢測層的絕緣金剛石層3 1沉積在襯底3 0上， 在平面圖中爲梯形的一對梯形電極332a和332b沉積在該 絕緣金剛石層3 1的表面上。金剛石元件安裝在絕緣基底 材料200上’使得設有梯形電極3 3 2a和3 3 2b的表面面向 ® 絕緣基底材料2 0 0 —側。在該金剛石感測器4 〇中，梯形 電極332a和332b分別沉積在金屬互連件2。和2ib上， 梯形電極和金屬互連件例如通過其中將金凸點7 a和7 b壓 力結合在一起的方法而相互間連接在一起。 本質上只需要本實施例的金剛石感測器中的絕緣基底 材料2 0 0爲由可透射目標紫外線輻射的材料製成的平板狀 材料即可。例如，可使用合成石英玻璃、藍寶石、氟化鎂 和氟化鈣。 在本實施例的金剛石感測器4 0中，測量目標福射1 - 17- (14) 1259901 從絕緣基底材料2 0 0 一側入射。因此’由於金剛石元件以 及金屬互連件2 1 a和2 1 b並不直接暴露於紫外線輻射下’ 因此可保護金剛石元件免受灰塵、臭氧和怠外接觸等等’ • 從而提高了耐久性。本實施例的金剛石感測器4 0的除上 述以外的結構、操作和效果與上述第一實施例的金剛石感 測器1 〇中的相類似。 下面將介紹根據本發明的第三實施例的金剛石感測 φ 器。圖5是示意性顯示了根據本發明的第三實施例的金剛 石感測器5 0的側視圖。在圖5中’與上述第一實施例的 金剛石感測器1 〇中相同的構件由相同的標號表示，並且 不提供對其的詳細說明。如圖5所示，本實施例的金剛石 感測器5 0在平板狀絕緣基底材料2 0上選擇性地設有至少 一對金屬互連件2 1 a和2 1 b。金剛石元件安裝在該絕緣基 底材料2 0上。在金剛石元件中沉積了用作檢測層的絕緣 金剛石層31，一對指叉型電極32a和32b沉積在該絕緣金 ® 剛石層3 1的表面上。金剛石元件的指叉型電極3 2 a和3 2 b 通過引線接合等而分別電連接在沉積於絕緣基底材料20 上的金屬互連件2 1 a和2 1 b上。 在本實施例的金剛石感測器5 0中，測量目標輻射1 從指叉型電極3 2a和3 2b —側施加。 安裝在本實施例的金剛石感測器5 0上的金剛石元件 通過在襯底上形成絕緣金剛石層3 1、然後除去襯底來產 生。例如，在其中採用矽襯底作爲金剛石元件的襯底的情 況下’可通過使用氟代酸-硝酸來容易地除去襯底。 -18- (15) 1259901 另外，測量目標輻射1還可通過由可透射測量目標轄 射1的材料形成絕緣基底材料2 0而從絕緣基底材料側來 入射。圖6是示意性顯示了本實施例的一個修改例的金剛 _ 石感測器的側視圖。如圖6所示，本修改例的金剛石感測 器5 1類似於上述第三實施例的金剛石感測器5 〇，不同之 處在於’使用由可透射測量目標輻射1的材料製成的絕緣 基底材料2 0 0取代了絕緣基底材料2〇。在本修改例的金剛 • 石感測器5 1中，儘管因電子空穴對在更遠離指叉型電極 3 2 a和3 2 b的位置處產生而降低了靈敏度，然而因電極部 分未被入射光遮蓋，因此可在更寬的區域內收集輻射。 由於在本發明第三實施例的金剛石感測器5 0中以及 在其修改例的金剛石感測器5 1中金剛石元件均未設襯 底，因此可產生低矮外形的金剛石元件。金剛石感測器5 〇 和金剛石感測器5 1的除上述以外的結構、操作和效果與 上述弟一貫施例的金剛石感測器1 〇中的相類似。 • 下面將介紹本發明的第四實施例的金剛石感測器。圖 7是示意性顯示了本實施例的金剛石感測器的側視圖。如 圖7所示，本實施例的金剛石感測器60在可透射測量目 標輻射1的絕緣基底材料2 0 0上選擇性地設有金屬互連件 2 1 a和2 1 b。在金剛石元件中，一對梯形電極3 3 2 a和3 3 2 b 沉積在絕緣金剛石層3 1的表面上以用作檢測層。金剛石 元件安裝在該絕緣基底材料200上，使得設有梯形電極 3 3 2 a和3 3 2 b的表面面向絕緣基底材料2 00 —側。在該金 剛石感測器6 0中，梯形電極3 3 2 a和3 3 2 b通過金凸點7 a -19- (16) 1259901 和7b等而分別連接在金屬互連件2丨a和2〗b上。 在本實施例的金剛石感測器60中，用於形成絕緣基 底材料的材料優選爲能夠耐受化學溶液的材料，例如藍寶 ^ 石。因此，在其中絕緣金剛石層3 1沉積在矽襯底上的狀 態下’金剛石元件安裝在絕緣基底材料2〇〇上，然後通過 用氟代酸-硝酸等來除去矽襯底，使得可產生低矮外形的 金剛石感測器’同時不損壞具有減小厚度的金剛石層3 i。 φ 在本實施例的金剛石感測器60中，測量目標輻射1 可從金剛石層3 1 —側或從絕緣基底材料2〇〇 一側施加。 可在借鑒了上述第三實施例中的描述的情況下來確定測量 目標輻射1從哪一側入射。在測量目標輻射1從金剛石層 3 1 —側施加的情況下，絕緣基底材料不可透射測量目標輻 射1。本貫施例的金剛石感測器的除上述以外的結構、操 作和效果與上述第二和第三實施例的金剛石感測器中的相 類似。 實例1 本發明實例的效果將在下面詳細地介紹。在本發明的 實例1中，具有與圖1和圖2所示第一實施例的金剛石感 測器1 0類似結構的金剛石感測器在下述生產程式中製 備。採用具有由（0 0 1)晶面構成的表面的高阻5夕襯底作爲襯 底3 0。該高阻矽襯底暴露於甲烷和氫的混合等離子體中， 因此其表面被碳化。隨後施加偏壓，使得形成了與襯底具 有外延關係的金剛石晶核。之後停止施加偏壓，在其中 -20- (17) 1259901 (1 00)晶面擇優生長的條件下，通過使用甲烷和氫的混合氣 來進行金剛石的成膜達1 5小時。這樣，其中表面由（1 0 0) 晶面構成且晶粒取向于恒定方向上的約1 0微米的高度取 ’ 向的金剛石膜被形成爲襯底3 0上的絕緣金剛石層3 1。該 高度取向的金剛石膜的（1 0 0)晶面的粒徑爲3至2 0微米。 粘附在表面上的非金剛石的碳成分通過用重鉻酸清 洗、用硫酸漂洗然後用去離子水清洗而被除去。指叉型電 • 極的形狀通過光刻法而成形於該高度取向的金剛石膜上， 通過磁控管濺射法來濺射鉑，並且進行剝離，從而形成了 一對指叉型電極32a和32b。 採用玻璃板（厚度爲1毫米）作爲絕緣基底材料20， 金屬互連件21a和21b形成於其上。具體而言，通過磁控 管濺射來在整個玻璃板上形成鋁膜，之後通過光刻法在金 屬互連件2 1 a和2 1 b的形狀中形成光致抗蝕圖案。鋁膜通 過浸入在磷酸中而被飩刻掉，然後除去抗蝕劑，從而形成 Φ 了具有預定圖案的金屬互連件21a和2lb。 矽襯底被切成晶片的形狀以便切成元件。表面設有指 叉型電極32a和32b的各個所得元件被固定在絕緣基底材 料20上。指叉型電極32a和32b通過金引線而分別被引 線接合在金屬互連件2 1 a和2 1 b上，從而製備了實例1的 金剛石感測器。 通過上述方法生產的實例1的金剛石感測器被置於可 防止外部光線進入的測量箱中’施加偏壓’並且通過皮可 安培計來測量此時的暗電流。結果’暗電流爲2 0 P A ’因 -21 - (18) 1259901 此洩漏電流實際上處於令人滿意的低水準。 下面來評價實例1的金剛石感測器對紫外線輻射的回 應特性。圖 8是顯示了該評價方法的框圖。採用 Hamamatsu Photonics K.K·公司生產的気（L2D2)燈（型 號：L7 2 93 )作爲輻射源 12，並且採用 Hamamatsu Photonics K.K·公司生產的M-4518作爲輻射源12的電源 1 1。對於在空氣中進行的測量而言，在各金剛石感測器i 4 的兩個電極之間施加1 5 V的偏壓，源於施加光而產生的電 流被放大器1 5放大，所得電壓値由數位萬用表1 6測量。 將該電壓値輸入到電腦1 7中。爲了進行評價，在輻射強 度保持恒定時打開光閘1 8，金剛石感測器1 4被紫外線輻 射13照射3 00分鐘，測量該特性的變化。結果，得到了 根據輻射強度的輸出電壓，從而可以確定感測器對紫外線 輻射的回應。 實例2 在本發明的實例2中，具有與圖7所示第四實施例的 金剛石感測器6 0類似結構的金剛石感測器在下述生產程 式中製備。採用具有由（001)晶面構成的表面的矽襯底作爲 金剛石元件的襯底。該矽襯底暴露於甲烷和氫的混合等離 子體中，因此其表面被碳化。隨後施加偏壓，從而形成了 與襯底3 0具有外延關係的金剛石晶核。之後停止施加偏 壓，在其中（100)晶面擇優生長的條件下通過使用甲烷和氫 的混合氣來進行金剛石的成膜達1 5小時。這樣’其中表 -22- (19) 1259901 面由（1 0 0 )晶面構成且晶粒取向于恒定方向上的約1 0 的高度取向的金剛石膜被形成爲矽襯底上的絕緣金剛 31。該高度取向的金剛石膜的（100)晶面的粒徑爲3三 微米。 粘附在該表面上的非金剛石的碳成分通過用重鉻 洗、用硫酸漂洗然後用純水清洗而被除去。在平面圖 梯形的電極3 3 2 a和3 3 2b的形狀通過光刻法而成形於 # 度取向的金剛石膜上，通過磁控管濺射法來在該高度 的金剛石膜上濺射鉑，並且進行剝離，從而形成了一 形電極332a和332b。 採用藍寶石襯底（厚度爲1毫米）作爲絕緣基底 2 00，金屬互連件21a和21b形成於其上。具體而言 過光刻法在除了金屬互連件2 1 a和2 1 b形狀以外的部 形成光致抗蝕圖案。通過磁控管濺射法來形成鉑膜。 除去光致抗蝕圖案，另外，將不需要的圖案除去，從 ^ 成了具有預定圖案的金屬互連件21a和21b。 在金屬互連件2 1 a和2 1 b的將連接在金剛石元件 部分處形成金凸點。砂襯底被切成晶片的形狀以便切 件。各所得元件的表面、設有梯形電極3 3 2 a和3 3 2b 面面向藍寶石襯底側’金凸點7 a和7 b與梯形電極 和3 3 2b對準，金剛石元件被壓在藍寶石襯底上，使 凸點7a和7b分別連接在梯形電極332a和3 3 2 b上。 用氟代酸-硝酸溶解來除去矽襯底，從而製備了實例 金剛石感測器。 微米 石層 5 1 0 酸清 中爲 該高 取向 對梯 材料 ，通 分上 之後 而形 上的 成元 的表 3 3 2 a 得金 之後 2的 -23- (20) 1259901 通過上述方法產生的實例2的金剛石感測器被置於可 防止外部光線進入的測量箱中，施加偏壓，通過皮可安培 ^ 計來測量此時的暗電流。結果，暗電流爲5PA，因此，浅 ^ 漏電流實際上處於令人滿意的低水準。 以與上述實例1中類似的方式來評價實例2的金剛石 感測器對紫外線輻射的回應特性。紫外線輻射從藍寶石襯 底側入射，確定得到根據幅射強度的輸出電壓。由於藍寶 # 石襯底能夠阻斷所產生的臭氧等的影響，因此與實例1的 金剛石感測器相比，實例2的金剛石感測器的回應特性可 在長時間內更加穩定。在同一電極長度的基礎上，實例2 的金剛石感測器能夠展示出實例1的金剛石感測器的靈敏 度的·一半左右的靈敏度，因此，即使通過穿透藍寶石襯底 的照射也能實現實際上令人滿意的靈敏度。 另外，可通過來自背面的照射來檢查操作。在這種情 況下，由於靈敏度變成實例1的金剛石感測器的靈敏度的 ® 十分之一左右，因此調整了放大器的增益以便得到令人滿 意的輸出。在本測量實例中，能夠以較寬範圍的角度來測 量紫外線輻射，這是因爲檢測區域未受到金屬電極的阻 礙。 實例3 在本發明的實例3中，具有與圖5所示第三實施例的 金剛石感測器5 0類似結構的金剛石感測器在下述生產程 式中製備。採用合成石英板（厚度爲1毫米）作爲絕緣基 -24- (21) 1259901 底材料2 0。在該合成石英板表面上的待設置金剛石元件的 位置處預先形成3毫米長、3毫米寬和10微米深的下凹部 分，設有由多晶金剛石形成的絕緣金剛石層的金剛石元件 * 沉積在該下凹部分中。本實例的除上述以外的特徵類似於 上述實例2的金剛石感測器中的相關特徵。如實例2所述 地來評價該金剛石感測器，並且採用與實例2的金剛石感 測器類似的操作。就本實例的金剛石感測器而言，由於金 Φ 剛石層的表面和絕緣基底材料的表面設置成相互間幾乎齊 平，因此即使在重複測量時也不會損壞感測器，從而提高 了耐久性。 【圖式簡單說明】 圖1是根據本發明的第~實施例的金剛石感測器的平 面圖。 圖2是示意性顯示了根據本發明的第一實施例的金剛 ® 石感測器的側視圖。 圖3是示意性顯示了根據本發明的第二實施例的金剛 石感測器的側視圖。 圖4是從絕緣基底材料側看去的根據本發明的第二實 施例的金剛石感測器的平面圖。 • 圖5是不意性顯不了根據本發明的第三實施例的金剛 石感測器的側視圖。 圖ό是示意性顯示了根據本發明的第三實施例的修改 例的金剛石感測器的側視圖。 - 25- (22) 1259901 圖7是示意性顯示了根據 石感測器的側視圖。 本發明的第 Ώ實施例的金剛 圖8疋頒示了根據本發明的實例1的紫外線感測器的 評價方法的框圖。 圖9是顯示了波長爲1 7 2奈米或1 8 5奈米的輻射的透 射率與照射距離之間的關係的圖，其中水準軸線表示照射 距離，垂直軸線表示在空氣中的透射率。
[-主要元件符號說明】 1 :測量目標輻射 3 :金剛石元件 6a 、 6b :引線 、7b :金凸點 1 〇 :金剛石感測器 1 1 :電源 1 2 :輻射源 1 4 :金剛石感測器 1 5 :放大器 1 6 :數位萬用表 1 7 :電腦 1 8 :光閘 2 〇 :絕緣基底材料 2 1 a、2 1 b :互連件 3〇 :襯底 -26, (23) 1259901 3 1 :絕緣金剛石層 32a、32b:指叉型電極 4 0 :金剛石感測器 ^ 5 0 :金剛石感測器 6 〇 :金剛石感測器 2 0 0 :絕緣基底材料 3 3 2 a > 3 3 2b ：梯形電極
-27

Claims (1)

  1. (1) 1259901 十、申請專利範圍 1. 一種金剛石感測器，包括： 絕緣基底材料，其厚度不超過3毫米（mm); " 至少一對金屬互連件，其選擇性地沉積於該絕緣基底 材料上；及 金剛石元件，該金剛石元件包括用作檢測層的金剛石 層以及沉積於該金剛石層上的至少一對表面電極，其中該 • 表面電極對中的表面電極連接在該金屬互連件對中的其相 應金屬互連件上。 2. 如申請專利範圍第1項的金剛石感測器，其中，該 金剛石感測器還包括元件襯底，其中該金剛石層沉積在該 元件襯底上。 3 ·如申請專利範圍第2項的金剛石感測器，其中，該 絕緣基底材料的厚度不超過1毫米。 4 ·如申請專利範圍第2項的金剛石感測器，其中，該 Ο 金剛石層爲高度取向的金剛石層，其中表面由（100)晶面構 成’生長晶粒相對於該元件襯底表面單軸地取向，該晶面 也取向在面內（in-plane)。 5 ·如申請專利範圍第2項的金剛石感測器，其中，該 絕緣基底材料可透射測量目標輻射，該金剛石層面向該絕 緣基底材料。 6 ·如申請專利範圍第5項的金剛石感測器，其中，該 絕緣基底材料的厚度不超過1毫米。 7.如申請專利範圍第5項的金剛石感測器，其中，該 -28- (2) 1259901 絕緣基底材料由選自合成石英玻璃、藍寶石、氟化鎂和氟 化I弓的材料製成。 8 ·如申請專利範圍第5項的金剛石感測器，其中，該 金剛石層爲高度取向的金剛石層，其中表面由（100)晶面構 成’生長晶粒相對於該元件襯底表面單軸地取向，該晶面 也取向在面內。 9 ·如申請專利範圍第5項的金剛石感測器，其中，該 絕緣基底材料可透射波長爲172奈米（nm)的紫外線輻射。 1 0·如申請專利範圍第1項的金剛石感測器，其中， 該金剛石層直接設在該絕緣基底材料上。 1 1 ·如申請專利範圍第1 0項的金剛石感測器，其中， 該金剛石元件被製造在形成於該絕緣基底材料表面上的下 凹部分中，使得該金剛石元件的表面和該基底材料的表面 相互間齊平。 1 2 .如申請專利範圍第1 〇項的金剛石感測器，其中， 該絕緣基底材料的厚度不超過1毫米。 1 3 .如申請專利範圍第1 〇項的金剛石感測器，其中， 該絕緣基底材料由選自玻璃、合成石英玻璃、藍寶石、氟 化鎂和氟化鈣的材料製成。 1 4 ·如申請專利範圍第1 0項的金剛石感測器，其中， 該金剛石層爲高度取向的金剛石層，其中表面由（100)晶面 構成，生長晶粒相對於該表面單軸地取向，該晶面也取向 在面內。 1 5 ·如申請專利範圍第1 0項的金剛石感測器，其中， -29- (3) 1259901 該絕緣基底材料可透射波長爲1 72奈米的紫外線輻射。 1 6 ·如申請專利範圍第1項的金剛石感測器，其中， 該表面電極面向該絕緣基底材料，該金剛石層設在該表面 ' 電極的外側上。 1 7 ·如申請專利範圍第1 6項的金剛石感測器，其中， 該絕緣基底材料的厚度不超過1毫米。 1 8 ·如申請專利範圍第1 6項的金剛石感測器，其中， ® 該絕緣基底材料由選自玻璃、合成石英玻璃、藍寶石、氟 化鎂和氟化鈣的材料製成。 1 9 ·如申請專利範圍第1 6項的金剛石感測器，其中， 該金剛石層爲高度取向的金剛石層，其中表面由（1()〇)晶面 構成’生長晶粒相對於該表面單軸地取向，該晶面也取向 在面內。 2 0 ·如申請專利範圍第i 6項的金剛石感測器，其中， 該絕緣基底材料可透射波長爲1 72奈米的紫外線輻射。 -30-
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