TWI782347B - 溫度感測裝置及其製造方法 - Google Patents
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本案係提供一種感測裝置，包含一基板，具有一第一側及
相對於該第一側之一第二側，其中該第一側具有一溝槽；一紅外線能量吸收單元，設置於該溝槽上，且包含彼此交錯堆疊之複數金屬層及複數介電層、以及一熱電耦，其中最上層之金屬層包含一陣列金屬幾何圖案組合，且該陣列金屬幾何圖案組合包含複數具有特定尺寸及形狀之陣列金屬幾何圖案；以及一溫度感測單元，設置於該第一側之周圍，其中該熱電耦耦接於該溫度感測單元。
Description
本發明係關於一種感測裝置及其製造方法，尤指一種溫度感測裝置及其製造方法。
紅外線感測器的應用在日常生活中相當普及，早期技術多半是使用光子型元件作為紅外線感測器，而光子型感測器包含了光導式及光敏電阻式，光子型感測器具有高響應度和元件反應迅速等優點，但無法做大波段的吸收。此外，光子型感測器之磊晶製程繁複，故製造成本相當高。
另一種利用紅外線吸收轉為熱以作為感測的熱型紅外線感測器，和光子型感應器相較，紅外線吸收波段較廣，且隨著半導體製程與微機電技術的成熟，熱型紅外線感測器的性能提升、尺寸縮小、大批次製造、及成本下降等
因素，熱型紅外線感測器為近期紅外線感測器發展的主要方向。
熱型紅外線感測器依據感測原理可分為焦電型(Pyroelectric type)、熱電型(Thermoelectric type)、及熱敏阻型(Bolometer)。焦電型紅外線感測器的響應度與溫度變化速率相關，而材料內部的電偶極矩平衡後就不會有訊號輸出，僅能量測交流訊號。熱電型紅外線感測器是利用熱電材料兩端存在的溫度差，使材料兩端之電子濃度產生差異，形成電位差。傳統上，熱電型紅外線感測器尺寸較大、響應度也較差。熱敏阻型紅外線感測器是利用高溫度電阻係數的材料來感測溫度，但運作時需要供給工作電壓或電流，且元件本身會產生焦耳熱，容易產生誤差。
無論是光子型或熱型紅外線感測器，各有其優劣。對於紅外線感測器的開發，不外乎微型化、低功率消耗、成本降低、及性能提升等需求。目前，微機電製程和半導體製程整合並加以改良，期改善熱電式紅外線感測器響應度較低的問題。
爰是之故，申請人有鑑於習知技術之缺失，發明出本案「溫度感測裝置及其製造方法」，用以改善上述缺
失。
本案之一面向係提供一種感測裝置，包含一基板，具有一第一側及相對於該第一側之一第二側，其中該第一側具有一溝槽；一紅外線能量吸收單元，設置於該溝槽上，且包含彼此交錯堆疊之複數金屬層及複數介電層、以及一熱電耦，其中最上層之金屬層包含一陣列金屬幾何圖案組合，且該陣列金屬幾何圖案組合包含複數具有特定尺寸及形狀之陣列金屬幾何圖案；以及一溫度感測單元，設置於該第一側之周圍，其中該熱電耦耦接於該溫度感測單元。
本案之另一面向係提供一種製造一感測裝置之方法，包含下列步驟：提供一基板，該基板具有一第一側及相對於該第一側之一第二側，且該第一側具有一溝槽；形成一紅外線能量吸收單元於該溝槽上，其中該紅外線能量吸收單元包含彼此交錯堆疊之複數金屬層及複數介電層、以及一熱電耦，最上層之金屬層包含一陣列金屬幾何圖案組合，且該陣列金屬幾何圖案組合包含複數具有特定尺寸及形狀之陣列金屬幾何圖案；以及形成一溫度感測單元於該第一側
之周圍，其中該熱電耦耦接於該溫度感測單元。
本案之又一面向係提供一種感測裝置，包含一基板；一紅外線能量吸收單元，具一上部，其中該上部包含一上金屬層；一下金屬層；一介電層，設置於該上及下金屬層間；以及複數電偶極矩共振媒介，設置於該上及下金屬層間，俾各該電偶極矩共振媒介分別使該介電層能在吾人所欲之光譜範圍吸收光能；以及一熱電耦，設置於該基板與該紅外線能量吸收單元之間。
10:感測裝置
11:基板
13:金屬層
14:外接金屬走線
15:上金屬層
16:介電層
17:下金屬層
19:連通金屬
20:紅外線吸收單元
21:紅外線吸收單元上部
22:電漿子超材料吸收層
30:溫度感測單元
31:熱電耦
32:熱傳結構
33:繞折熱電阻
35:溝槽
圖1為本發明之一實施例的溫度感測裝置之立體示意圖。
圖2為圖1之剖面示意圖。
圖3顯示圖1之熱電耦。
圖4為陣列金屬幾何圖案組合之示意圖。
圖5為陣列金屬幾何圖案組合之剖面示意圖。
圖6A-6B顯示上金屬層為十字形圖案。
圖7A-7B顯示上金屬層為圓形圖案。
圖8A-8D顯示熱電式紅外線溫度感測裝置之製
程。
圖9A顯示陣列金屬十字形圖案之模擬光譜
圖9B顯示陣列金屬圓形圖案之模擬光譜
圖10顯示超材料吸收層的波段設計在8至14微米
本案之構想是使用現有的CMOS製程平台。CMOS製程平台具有多層金屬層與多層多晶矽層交錯堆疊的結構，以製作微機電熱電式溫度感測單元，其中CMOS製程平台的金屬層、介電層、金屬層堆疊成一三明治結構，利用微機電結構特性，製作出電漿子超材料吸收層，仿造介電材料中的電耦極矩共振，可藉由調整微機電結構的幾何尺寸大小，來改變吸收波段或吸收度，進而增進元件吸收紅外線的能力，並提升溫度感測單元的靈敏度。原本結構中的介電層，可以是SíO2、Sí3N4等，介電層本身也可藉本身分子鍵共振的性質來吸收紅外光。
請參閱圖1，其為本發明之一實施例的溫度感測裝置(10)之立體示意圖。溫度感測裝置(10)包含一基板(11)、一溫度感測單元(30)、及一紅外線吸收單元(20)。
請參閱圖2及圖3，圖2為圖1之剖面示意圖，而圖3顯示圖1之熱電耦。溫度感測裝置(10)包含一基板(11)及一紅外線能量吸收單元(20)。該基板(11)的其中一側具有一溝槽(35)，該紅外線能量吸收單元(20)設置在溝槽(35)上，溝槽(35)是用來隔絕基板(11)和該紅外線能量吸收單元(20)，使紅外線能量吸收單元(20)所吸收的熱能集中，減少從基板(11)散出。該紅外線能量吸收單元(20)包含彼此交錯堆疊之複數金屬層(13)及複數介電層(16)、以及一熱電耦(31)，且該紅外線能量吸收單元的上部(21)具有由上金屬層(15)、介電層(16)、及下金屬層(17)所堆疊成的三明治結構，稱為電漿子超材料吸收層(22)。最上層之上金屬層(15)包含一陣列金屬幾何圖案組合(40)，如第4圖所示。該陣列金屬幾何圖案組合(40)包含複數具有特定尺寸及形狀之陣列金屬幾何圖案(41)、(42)，陣列金屬幾何圖案(41)、(42)係作為電偶極矩共振媒介，以增進元件吸收紅外線的能力，並提升感測裝置的靈敏度。
當紅外線能量吸收單元(20)吸收紅外線後，其溫度會上升，因熱電效應，其內部的載子濃度亦會隨之上升而產生電流，並藉由溫度感測單元(30)來進行溫度量測。該溫度感測單元(30)具有一熱電耦結構(31)及一熱傳結構(32)，其中該熱傳結構(32)係為一多晶矽層。該熱電耦結構(31)包含一鋁銅金屬、一N型多晶矽、或一P型多晶
矽，且為一長條狀熱電阻或一繞折熱電阻(33)。該熱傳結構(32)將電流藉由連通金屬(19)接通多層金屬層(13)，並藉由外接金屬走線(14)將訊號傳送至該溫度感測裝置(10)之外部。
該紅外線能量吸收單元(20)的上部(21)如第2圖所示，其具有由上金屬層(15)、介電層(16)、及下金屬層(17)所堆疊成的三明治結構，如第5圖所示，稱為電漿子超材料吸收層(22)。電漿子超材料是藉由陣列化的次波長結構所建構的人工材料，可以藉由改變幾何尺寸或材料選用來改變光學性質。本案的電漿子超材料吸收層(22)是由上層次波長金屬天線、中層介電層與下層金屬反射層所組成。上層次波長金屬天線內的電子變化朝電場反方向運動，形成電漿子共振，並與下層金屬反射層產生電耦極矩共振，可依據吸收波段需求，設計上金屬層(15)、介電層(16)、及下金屬層(17)的幾何圖形和尺寸。
而電漿子超材料吸收層(22)設計在偶合區時，即電漿子超材料吸收層(22)和中層介電層的電偶極矩同時產生，兩者有庫倫作用力而產生耦合現象，其吸收波長不會隨天線幾何尺寸線性增加，而是由兩電偶極矩耦合後，產生兩個特徵頻率所決定。可利用以下公式推算調整電漿子超材料吸收層(22)的吸收峰值和峰值間距。
最上層之上金屬層(15)包含一陣列金屬幾何圖案組合(40)，如第4圖所示。該陣列金屬幾何圖案組合(40)包含複數具有特定尺寸及形狀之陣列金屬幾何圖案(41)、(42)，其圖案可以是十字形圖案(41)或圓形圖案(42)，但不已此為限。該十字形圖案(41)為一對垂直軸線，該軸線的線寬d在0.5~1.5微米之間，而線長l為1.5~4微米之間；而該圓形圖案(42)之直徑D為1.5~4微米之間，其模擬光譜顯示有三個吸收峰值，如圖9A-9B所示。
當該軸線的線寬d在0.5~1.5微米之間，而線長l為1.5~4微米之間，或該圓形圖案之直徑D為1.5~4微米之間時，且位於上金屬層(15)和下金屬層(17)之間的介電層(16)為二氧化矽時(如圖5所示)，產生的偶合吸收峰值介於12至19微米之間，而二氧化矽介電層(16)利用分子鍵共振特性吸收紅外光，在波長8.14微米與9.51微米的位置具有吸收現象。由此可知，若將超材料吸收層(22)的波段設計在8至14微米波段(如圖10所示)，位於上金屬層(15)與下金屬層(17)中間的介電層(16)本身也會有吸收現象，因此製作電漿子超材料吸收層(22)時，可以將偶合效應納入考量。
因此，十字形圖案(41)(如圖6A-6B所示)是選用軸線線寬d在0.5~1.5微米之間，線長l在2.5微米，並搭配直徑D在1.5微米的圓形圖案(42)(如圖7A-7B所示)，透過光譜線性疊加，達到波長在8到14微米波段內有較平坦的吸收光譜。8到14微米波段為人體感測相關所需的波段，而軸線線寬d在1微米，線長l在2.5微米，並搭配直徑D在1.5微米的圓形圖案(42)，為最佳值。透過不同圖形陣列的電漿子超材料吸收層(22)，可在目標波段8到14微米之間，提升紅外線吸收率，和沒有電漿子超材料吸收層(22)的設計相比，能提升20%以上的元件響度，且和沒有電漿子超材料吸收層(22)的設計相比，其檢出能力進步21%。
該紅外線能量吸收單元(20)中的上金屬層(15)及上金屬層(17)可以是鋁銅合金，但不以此為限。介電層(16)可以是二氧化矽SiO2或氮化矽Si3N4，但不以此為限，且常用二氧化矽SiO2作為介電層(16)之材料，二氧化矽SiO2的吸收波長介於8.14微米到9.51微米之間。為了增加吸收波長的範圍，利用紅外線能量吸收單元(20)中的電漿子超材料吸收層(22)，使入射光在吸收層(22)內反覆共振來達到特定波段的吸收。而本發明正是利用最上層之上金屬層(15)，蝕刻成具有特定尺寸及形狀之金屬幾何圖案(41)、(42)，並調整金屬幾何圖案(41)、(42)的尺寸及形狀，來達到特定波段的吸收。
熱電式紅外線溫度感測單元(30)之製程如圖
8A-8D所示。如圖8A所示，對一CMOS晶片使用硫酸蝕刻液與雙氧水，在攝氏150度下進行金屬濕蝕刻，將晶片中的金屬犧牲層移除以定義出熱電式紅外線感測器的區域，如圖8B所示。接著，對前一道製程所定義出的區域作氟化氙(XeF2)等向性乾蝕刻，將紅外線吸收單元(20)下方的矽基材藉由乾蝕刻而掏空，使紅外線吸收單元(20)懸浮，達到薄膜絕熱的效果，如圖8C所示，如此可使溫度感測單元(30)的靈敏度提升。最後，再用反應離子蝕刻將紅外線吸收單元(20)上方的二氧化矽移除，以形成上金屬層(15)，並讓具有特殊形狀和尺寸的金屬幾何圖案(41)、(42)露出，如圖8D所示，之後接上外接金屬走線(14)，以進行訊號量測。
實施例：
1.一種感測裝置，包含：
一基板，具有一第一側及相對於該第一側之一第二側，其中該第一側具有一溝槽；
一紅外線能量吸收單元，設置於該溝槽上，且包含彼此交錯堆疊之複數金屬層及複數介電層、以及一熱電耦，其中最上層之金屬層包含一陣列金屬幾何圖案組合，且該陣列金屬幾何圖案組合包含複數具
有特定尺寸及形狀之陣列金屬幾何圖案；以及
一溫度感測單元，設置於該第一側之周圍，其中該熱電耦耦接於該溫度感測單元。
2.如實施例1所述的感測裝置，其中：
該溫度感測單元具有一熱電耦結構及一熱傳結構；
該熱電耦結構包含一鋁銅金屬、一N型多晶矽、或一P型多晶矽，且為一長條狀熱電阻或一繞折熱電阻；以及
該熱傳結構將電流傳導至該感測裝置之外部。
3.如實施例1~2所述的感測裝置，其中該介電層的材料為SiO2或Si3N4。
4.如實施例1~3所述的感測裝置，其中該陣列金屬幾何圖案為一十字形圖案或一圓形圖案。
5.如實施例1~4所述的感測裝置，其中：
該十字形圖案之大小為1.5~4微米；
該十字形圖案之線寬為0.5~1.5微米；以及
該圓形圖案之直徑為1.5~4微米。
6.如實施例1~5所述的感測裝置，其中該紅外線能量吸收單元經由使用該陣列金屬幾何圖案陣列而使該介電層吸收波長介於7~15微米的紅外線的能量。
7.一種製造一感測裝置之方法，包含下列步驟：
提供一基板，該基板具有一第一側及相對於該第一側之一第二側，且該第一側具有一溝槽；
形成一紅外線能量吸收單元於該溝槽上，其中該紅外線能量吸收單元包含彼此交錯堆疊之複數金屬層及複數介電層、以及一熱電耦，最上層之金屬層包含一陣列金屬幾何圖案組合，且該陣列金屬幾何圖案組合包含複數具有特定尺寸及形狀之陣列金屬幾何圖案；以及
形成一溫度感測單元於該第一側之周圍，其中該熱電耦耦接於該溫度感測單元。
8.如實施例7所述的方法，其中：
該溫度感測單元具有一熱電耦結構及一熱傳結構；
該熱電耦結構包含一鋁銅金屬、一N型多晶矽、或一P型多晶矽，且為一長條狀熱電阻或一繞折熱電阻；
該熱傳結構將電流傳導至該感測裝置之外部；
該介電層的材料為SiO2或Si3N4；
該陣列金屬幾何圖案為一十字形圖案或一圓形圖案；
該紅外線能量吸收單元經由使用該陣列金屬幾何圖案陣列而使該介電層吸收波長介於7~15微米的紅外線的能量；
該十字形圖案之大小為1.5~4微米；
該十字形圖案之線寬為0.5~1.5微米；以及
該圓形圖案之直徑為1.5~4微米。
9.一種感測裝置，包含：
一基板；
一紅外線能量吸收單元，具一上部，其中該上部包含：
一上金屬層；
一下金屬層；
一介電層，設置於該上及下金屬層間；以及
複數電偶極矩共振媒介，設置於該上及下金屬層間，俾各該電偶極矩共振媒介分別使該介電層能在吾人所欲之光譜範圍吸收光能；以及
一熱電耦，設置於該基板與該紅外線能量吸收單元之間。
10.如實施例9所述的感測裝置，其中各該電偶極矩共振媒介為在該上金屬層上之一圖案化胞元。
11:基板
13:金屬層
14:外接金屬走線
15:上金屬層
16:介電層
17:下金屬層
19:連通金屬
20:紅外線吸收單元
21:紅外線吸收單元上部
22:電漿子超材料吸收層
35:溝槽
Claims (9)
- 一種感測裝置，包含：一基板，具有一第一側及相對於該第一側之一第二側，其中該第一側具有一溝槽；一紅外線能量吸收單元，設置於該溝槽上，且包含彼此交錯堆疊之複數金屬層及複數介電層、以及一熱電耦，其中最上層之金屬層包含一陣列金屬幾何圖案組合，且該陣列金屬幾何圖案組合包含複數具有特定尺寸及形狀之陣列金屬幾何圖案，其中該紅外線能量吸收單元經由使用該陣列金屬幾何圖案組合而使該介電層吸收波長介於7~15微米的紅外線的能量；以及一溫度感測單元，設置於該第一側之周圍，其中該熱電耦耦接於該溫度感測單元。
- 如請求項1所述的感測裝置，其中：該溫度感測單元具有一熱電耦結構及一熱傳結構；該熱電耦結構包含一鋁銅金屬、一N型多晶矽、或一P型多晶矽，且為一長條狀熱電阻或一繞折熱電阻；以及該熱傳結構將電流傳導至該感測裝置之外部。
- 如請求項1所述的感測裝置，其中該介電層的材料為SiO2或Si3N4。
- 如請求項1所述的感測裝置，其中該陣列金屬幾何圖案為一十字形 圖案或一圓形圖案。
- 如請求項4所述的感測裝置，其中：該十字形圖案之大小為1.5~4微米；該十字形圖案之線寬為0.5~1.5微米；以及該圓形圖案之直徑為1.5~4微米。
- 一種製造一感測裝置之方法，包含下列步驟：提供一基板，該基板具有一第一側及相對於該第一側之一第二側，且該第一側具有一溝槽；形成一紅外線能量吸收單元於該溝槽上，其中該紅外線能量吸收單元包含彼此交錯堆疊之複數金屬層及複數介電層、以及一熱電耦，最上層之金屬層包含一陣列金屬幾何圖案組合，且該陣列金屬幾何圖案組合包含複數具有特定尺寸及形狀之陣列金屬幾何圖案，其中該紅外線能量吸收單元經由使用該陣列金屬幾何圖案組合而使該介電層吸收波長介於7~15微米的紅外線的能量；以及形成一溫度感測單元於該第一側之周圍，其中該熱電耦耦接於該溫度感測單元。
- 如請求項6所述的方法，其中：該溫度感測單元具有一熱電耦結構及一熱傳結構；該熱電耦結構包含一鋁銅金屬、一N型多晶矽、或一P型多晶矽， 且為一長條狀熱電阻或一繞折熱電阻；該熱傳結構將電流傳導至該感測裝置之外部；該介電層的材料為SiO2或Si3N4；該陣列金屬幾何圖案為一十字形圖案或一圓形圖案；該十字形圖案之大小為1.5~4微米；該十字形圖案之線寬為0.5~1.5微米；以及該圓形圖案之直徑為1.5~4微米。
- 一種感測裝置，包含：一基板；一紅外線能量吸收單元，具一上部，其中該上部包含：一上金屬層；一下金屬層；一介電層，設置於該上及下金屬層間；以及複數電偶極矩共振媒介，設置於該上及下金屬層間，俾各該電偶極矩共振媒介分別使該介電層能在吾人所欲之光譜範圍吸收光能；以及一熱電耦，設置於該基板與該紅外線能量吸收單元之間。
- 如請求項8所述的感測裝置，其中各該電偶極矩共振媒介為在該上金屬層上之一圖案化胞元。
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| TW109137960A TWI782347B (zh) | 2020-10-30 | 2020-10-30 | 溫度感測裝置及其製造方法 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| TW202218197A TW202218197A (zh) | 2022-05-01 |
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| TW (1) | TWI782347B (zh) |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TW201213781A (en) * | 2010-06-30 | 2012-04-01 | Panasonic Elec Works Co Ltd | Temperature sensor |
-
2020
- 2020-10-30 TW TW109137960A patent/TWI782347B/zh active
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| TW201213781A (en) * | 2010-06-30 | 2012-04-01 | Panasonic Elec Works Co Ltd | Temperature sensor |
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