TWI816360B - 非制冷型紅外線感測器 - Google Patents
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Abstract
一種非制冷型紅外線感測器，包含基板及懸浮結構。懸浮結構形成於基板上方，且與基板之間形成空穴。懸浮結構包含有由下而上依序堆疊的第一介電質層、第二介電質層及第三介電質層。第一介電質層內設有溫度感測單元。第二介電質層內設有紅外線反射層。本發明非制冷型紅外線感測器可利用晶圓代工廠大量生產，且懸浮結構具有複數孔洞、雙材料介電質層與紅外線反射層的設計，雙材料的設計可增加紅外線吸收的波長範圍，孔洞及紅外線反射層的設計可增加紅外線在非制冷型紅外線感測器中的吸收路徑，故可藉由提高紅外線的吸收率來大幅提升非制冷型紅外線感測器之靈敏度。
Description
本發明是有關一種紅外線感測器，特別是指非制冷型紅外線感測器(uncooled infrared sensor)。
紅外線感測器可區分成光子型及熱型兩大類，在諸如額溫槍、熱像儀之非接觸溫度感測的應用上，感測的主要波長範圍為8微米(μm)~14微米(μm)。然而，在8微米(μm)~14微米(μm)波長感測範圍之光子型紅外線感測器於室溫下操作會產生大量熱載子，難以偵測出紅外線訊號，因此8微米(μm)~14微米(μm)光子型紅外線感測器需要搭配制冷器在低溫下操作，故此類被稱為致冷型紅外線感測器(Cooled infrared sensor)，而此類紅外線感測器需要一組冷卻裝置，故其造價高、維護成本高，且難以進行微小化，故此類紅外線感測器通常應用於國防及研究領域，難以進入民生市場。而熱型紅外線感測器可以在室溫下操作，又稱為非制冷型紅外線感測器(Uncooled infrared sensor)，無須冷卻裝置，具有低成本、易微小化及易維護等優勢，近年來已大量應用於額溫槍及熱像儀。
非制冷型紅外線感測器的典型結構包含一個基板以及一個隔熱良好的懸浮結構，懸浮結構內部有一個溫度感測單元，懸浮結構上表面具有一層紅外線吸收層，紅外線吸收層吸收由目標物所輻射的入射紅外線能量並轉換成熱能，使懸浮結構溫度上升，藉由懸浮結構內的溫度感測單元量測懸浮結構之溫度或其與室溫的溫差，即可推算出入射紅外線的能量，進而估算出目標物的溫度。因此，紅外線吸收層的吸收率是非制冷型紅外線感測器特性的關鍵。
而習知非制冷型紅外線感測器技術所採用的紅外線吸收層技術係利用入射紅外線穿透特殊薄膜材料來進行紅外線能量的吸收，此特殊薄膜材料並不屬於互補金屬氧化物半導體積體電路(Complementary Metal Oxide Semiconductor Integrated Circuit；CMOS IC)製程的相容材料，必須仰賴額外的薄膜設備與製程製作，因此無法透過晶圓代工廠來進行大量生產及品質控制，導致生產成本增加。例如美國專利第6,348,650號公告案的說明書中記載，其非制冷型紅外線感測器之紅外線吸收層技術係採用硼矽玻璃(borosilicate glass)、聚醯亞胺樹脂(polyimide resin)、乙烯樹脂(vinyl resin)以及丙烯酸樹脂(acrylic resin)等特殊材料，並非CMOS IC製程的氧化矽或氮化矽等介電質材料，故無法利用晶圓代工廠之產能來大量生產。
此外，CMOS IC製程中常用的氧化矽及氮化矽等介電質材料對紅外線的吸收率並不高，如圖7A所示，當紅外線穿透1微米(μm)厚度之氧化矽薄膜50時，該氧化矽薄膜50對8微米(μm)~14微米(μm)波長之紅外線吸收率頻譜如圖7B所示，其平均吸收率僅為23.1%。
也就是說，CMOS IC製程中所用的氧化矽或氮化矽等介電質材料對於紅外線的吸收率並不高，故而難以應用於非制冷型紅外線感測器。
有鑒於此，本發明之主要目的是提供一種可與CMOS IC製程相容且具有高吸收率之非制冷型紅外線感測器，期以克服習知非制冷型紅外線感測器的缺點。
本發明非制冷型紅外線感測器包含一基板及一懸浮結構。該懸浮結構係形成於該基板的上方，且該懸浮結構與該基板之間形成一空穴。該懸浮結構包含有一第一介電質層、一溫度感測單元、一第二介電質層、一紅外線反射層、一第三介電質層及複數孔洞。
該第一介電質層係設置於該基板的上方，與該基板間存在該空穴。該溫度感測單元係設置於該第一介電質層內。該第二介電質層係設置於該第一介電質層的上方。該紅外線反射層係設置於該第二介電質層內。該第三介電質層係由至少一介電質薄膜所組成，且設置於該第二介電質層的上方。該第三介電質層至少有一薄膜與第二介電質層之材料成分不同。該孔洞係由該第三介電質層之上表面向下蝕刻而形成。
相較於習知非制冷型紅外線感測器，本發明的功效如下：
1、該懸浮結構具有該紅外線反射層，使進入該懸浮結構的紅外線能夠被該紅外線反射層反射，藉此增加在該紅外線反射層上方的紅外線吸收路徑，來增加紅外線的吸收率，故可提高本發明非制冷型紅外線感測器的靈敏度。
2、由於不同的介電質材料具有不同的紅外線吸收頻譜，例如氧化矽所吸收的紅外線波長峰值約為9.6微米(μm)，而氮化矽的紅外線吸收峰值約為10.1微米(μm)，因此本發明係採用雙材料薄膜堆疊的方式來加寬紅外線吸收的波長範圍。
3、本發明除了具有反射層及不同材料堆疊的特色，在該懸浮結構具有複數孔洞形成的孔洞陣列，做為紅外線干涉結構。紅外線干涉結構可使紅外線產生互相干涉的吸收效果，並增加紅外線的吸收路徑，來提升紅外線的吸收率，故可提高本發明非制冷型紅外線感測器的靈敏度。
4、該第一介電質層、該第二介電質層及該第三介電質層的材料與反射層材料可與CMOS製程材料相容，孔洞的形成亦可使用CMOS製程中的蝕刻製程來製作，因此本發明可由互補金屬氧化物半導體(Complementary Metal Oxide Semiconductor；CMOS)的晶圓代工廠進行大量生產。
綜上，本發明非制冷型紅外線感測器可利用晶圓代工廠大量生產，且該懸浮結構具有該些孔洞、雙材料介電質層與該紅外線反射層的設計，雙材料的設計即為該第三介電質層的該至少一薄膜與該第二介電質層的材料不同的設計，此設計可增加紅外線吸收的波長範圍。而該些孔洞及該紅外線反射層的設計可增加紅外線在非制冷型紅外線感測器中的吸收路徑，故可藉由提高紅外線的吸收率來更進一步大幅提升非制冷型紅外線感測器之靈敏度。
10:基板
20:懸浮結構
21:第一介電質層
22:第二介電質層
23:第三介電質層
231:上表面
24:溫度感測單元
25:紅外線反射層
26:孔洞
30:空穴
W:孔徑大小
D:間距大小
H:深度
50:氧化矽薄膜
圖1：本發明非制冷型紅外線感測器的俯視示意圖。
圖2：本發明非制冷型紅外線感測器的剖面示意圖。
圖3A：氧化矽薄膜與紅外線反射層的紅外線吸收路徑示意圖。
圖3B：氧化矽薄膜與紅外線反射層在對於不同紅外線波長之吸收率的特性曲線圖。
圖4A：氮化矽薄膜與氧化矽薄膜的紅外線吸收路徑示意圖。
圖4B：氮化矽薄膜與氧化矽薄膜在對於不同紅外線波長之吸收率的特性曲線圖。
圖5A：本發明非制冷型紅外線感測器的紅外線吸收路徑示意圖。
圖5B：本發明非制冷型紅外線感測器在對於不同紅外線波長之吸收率的特性曲線圖。
圖6：本發明非制冷型紅外線感測器在不同孔洞深度之吸收率的特性曲線圖。
圖7A：氧化矽薄膜的紅外線吸收路徑示意圖。
圖7B：氧化矽薄膜在對於不同紅外線波長之吸收率的特性曲線圖。
本發明非制冷型紅外線感測器的實施例包含一基板10及一懸浮結構20，請參考圖1與圖2，係本發明非制冷型紅外線感測器的實施例的俯視示意圖與剖面示意圖。該懸浮結構20係形成於該基板10的上方，且該懸浮結構20與該基板10之間形成一空穴30。該懸浮結構20包含有一第一介電質層21、一第二介電質層22、一第三介電質層23、一溫度感測單元24、一紅外線反射層25及複數孔洞26。
該第一介電質層21係設置於該基板10的上方，且該第一介電質層21與該基板10之間存在該空穴30，該第一介電質層21係由至少一層CMOS製程相容的介電質薄膜所組成。該溫度感測單元24係設置於該第一介電質層21內，且具有感測該懸浮結構20之溫度或該懸浮結構20與室溫的溫度差之功能。該第二介電質層22係設置於該第一介電質層21的上方，該第二介電質層22係由至少一層CMOS製程相容的介電質薄膜所組成。該紅外線反射層25係設置於該第二介電質層22內，具有讓大部份8微米(μm)~14微米(μm)波長之紅外線反射之功能。該第三介電質層23係由至少一層與CMOS製程相容的介電質薄膜組成，且設置於該第二介電質層22的上方。該第三介電質層23的該至少一介電質薄膜與第二介電質層22之材料成分不同。該些孔洞26係由該第三介電質層23之一上表面231向下蝕刻而形成。
在本實施例中，該些孔洞26係排列成一陣列。該基板10之材料為單晶矽。而該第一介電質層21與該第二介電質層22的材質可為相同，例如其可分別包含有至少一氧化矽薄膜。且該第三介電質層23與該第一、第二介電質層21、22的材質可為不同，例如該第三介電質層23可包含至少一氮化矽薄膜。該紅外線反射層25之材料則可為金屬、合金、金屬氧化物或金屬矽化物之中任一或其組合。再者，該溫度感測單元24為一熱敏阻單元(bolometer element)、一
熱電堆單元(thermopile element)或一焦電單元(pyroelectric element)之中任一或其組合。
請參閱圖3A及圖3B所示，藉由該紅外線反射層25的設置，使進入該懸浮結構20的紅外線能夠被該紅外線反射層25反射，藉此增加該懸浮結構對該紅外線的吸收路徑，以提高紅外線的吸收率。舉例來說，1微米(μm)厚度之氧化矽薄膜的該第二介電質層22中加上該紅外線反射層25，其對8微米(μm)~14微米(μm)波長之紅外線吸收率頻譜如圖3B所示，其平均吸收率由未設置該紅外線反射層25時的23.1%增加到28.9%，係提升了25%。
此外，由於不同的非導體材料具有不同的紅外線吸收頻率，例如1微米(μm)厚的氧化矽所吸收的紅外線波長峰值約為9.6微米(μm)，而1微米(μm)厚的氮化矽的紅外線吸收峰值約為10.1微米(μm)，因此本發明非制冷型紅外線感測器係採用雙材料薄膜堆疊的方式來加寬紅外線吸收的波長範圍，故而更能提高整體紅外線的吸收效果。例如圖4A及圖4B所示，在該第三介電層23與該第二介電質層22的總厚度維持1微米(μm)不變的狀況下，在0.5微米(μm)氧化矽薄膜的第二介電質層22上製作0.5微米(μm)氮化矽薄膜的第三介電質層23，其對8微米(μm)~14微米(μm)紅外線的平均吸收率可由單一氧化矽薄膜的23.1%提升到40.3%，在總厚度相同下係增加了70%的吸收率。
此外，當紅外線進入本發明非制冷型紅外線感測器時，係由該第三介電質層23上方進入，並由該第三介電質層23及該第二介電質層22吸收進入的紅外線，需說明的是，因為該第一、第二、第三介電質層21、22、23形成一隔熱良好的懸浮結構20，故該懸浮結構20之溫度可視為相同。而當紅外線經過該第三介電質層23及該第二介電質層22後，尚未被該第三介電質層23及該第二介電質層22吸收的紅外線會被該紅外線反射層25反射，再次經過該第三介電質層23及該第二介電質層22。如此一來，更能增加紅外線在該第三介電質層23
及該第二介電質層22中行徑的路線長度，故而可再增加該第二介電質層22與該第三介電質層23的整體紅外線吸收率。
進一步而言，如圖5A所示，本發明非制冷型紅外線感測器的該懸浮結構20的該複數孔洞26係形成孔洞陣列，可做為紅外線干涉結構，藉此讓進入的紅外線光波互相干涉吸收，產生干涉吸收效果並可增加吸收路徑，以大幅提升紅外線的吸收率。此外，本發明係通過結合該紅外線反射層25、不同材料的介電質層堆疊，以及該些孔洞26形成的孔洞陣列設計，在適當的幾何尺寸與介電質層厚度的設計下，對8微米(μm)至14微米(μm)紅外線的平均吸收率可達70%以上，甚至可達90%以上。舉例來說，如圖2所示，該些孔洞26的大小W為10微米，孔洞26與孔洞26之間的間距D為2微米(μm)，該些孔洞26的深度H為4.5微米，而在此結構設計下的非制冷型紅外線感測器之紅外線吸收頻譜，如圖5B所示，其8微米(μm)至14微米(μm)紅外線的平均吸收率可達91%。
綜上，本發明藉由提升該第二介電質層22與該第三介電質層23的整體紅外線吸收率，能有效提升該溫度感測單元24所感測到溫度的準確度。
也就是說，本發明非制冷型紅外線感測器係通過結合雙吸收材料層、紅外線反射層及吸收層的孔洞結構等設計，可達成高吸收率紅外線吸收層的目標，而此設計所使用的薄膜材料及製程皆可與CMOS製程相容，亦即可完全委託CMOS代工廠製作，具有大量生產、低廉成本及高IC整合度的優勢。
如圖2所示，舉例來說，該些孔洞26的孔徑大小W為1微米(μm)至30微米(μm)之間，該些孔洞26之間的間距大小D為1微米(μm)至30微米(μm)之間。該些孔洞26的深度H至少為0.5微米(μm)。
在本實施例中，該些孔洞26係由該第三介電質層23之該上表面231向下蝕刻，並可貫穿該第三介電質層23，且繼續向下蝕刻該第二介電質層
22，至多到接觸該紅外線反射層25為止，並不會貫穿該紅外線反射層25及該第二介電質層22。
請參考圖5A與圖5B，舉例來說，紅外線係由該第三介電質層23上方進入本發明非制冷型紅外線感測器，而本發明藉由非制冷型紅外線感測器該些孔洞26的設計，能讓進入的紅外線在該第三介電質層23及該第二介電質22與該些孔洞26之間經過多次的折射與反射，更進一步地提升紅外線在該第三介電質層23及該第二介電質22中的吸收路徑，且加強了紅外線之干涉吸收效果。圖5B為經過適當的薄膜厚度及孔洞深度H的設計下所模擬之紅外線吸收頻譜，模擬結果顯示波長為8微米(μm)至14微米(μm)之紅外線的平均吸收率可達91.1%。
進一步而言，請參閱圖6所示，係在孔洞大小W為10微米、孔洞與孔洞間距D為2微米下，針對不同孔洞深度H所模擬之8微米(μm)至14微米(μm)之紅外線平均吸收率，模擬結果顯示，孔洞深度H在0.5微米以上，其8微米(μm)至14微米(μm)之紅外線平均吸收率可達70%以上。
綜上所述，本發明非制冷型紅外線感測器可應用於額溫槍額溫槍、耳溫槍、紅外線輻射槍、紅外線氣體感測器、智慧感溫家電、無人汽車影像感測系統、熱像儀、物聯網、工業4.0之感測等相關產品。且本發明非制冷型紅外線感測器使用之材料可完全藉由CMOS代工廠進行大量生產，並可使8微米(μm)至14微米(μm)整體波長之紅外線吸收率皆達到70%以上，徹底解決過去整體吸收率不佳及難以大量生產的問題。
10:基板
20:懸浮結構
21:第一介電質層
22:第二介電質層
23:第三介電質層
231:上表面
24:溫度感測單元
25:紅外線反射層
26:孔洞
30:空穴
W:孔徑大小
D:間距大小
H:深度
Claims (11)
- 一種非制冷型紅外線感測器，包含： 一基板； 一懸浮結構，形成於該基板的上方；其中該懸浮結構與該基板之間形成一空穴，且該懸浮結構包含： 一第一介電質層，設置於該基板的上方； 一溫度感測單元，設置於該第一介電質層內； 一第二介電質層，設置於該第一介電質層的上方； 一紅外線反射層，設置於該第二介電質層內； 一第三介電質層，係由至少一薄膜組成，且設置於該第二介電質層的上方；其中該第三介電質層的該至少一薄膜與第二介電質層之材料成分不同； 複數孔洞，係由該第三介電質層之上表面向下蝕刻而形成。
- 如請求項1所述之非制冷型紅外線感測器，其中該基板之材料為單晶矽。
- 如請求項1所述之非制冷型紅外線感測器，其中該第一介電質層包含至少一氧化矽薄膜。
- 如請求項1所述之非制冷型紅外線感測器，其中該第二介電質層包含至少一氧化矽薄膜。
- 如請求項1所述之非制冷型紅外線感測器，其中該第三介電質層包含至少一氮化矽薄膜。
- 如請求項1所述之非制冷型紅外線感測器，其中該紅外線反射層之材料為金屬、合金、金屬氧化物或金屬矽化物。
- 如請求項1所述之非制冷型紅外線感測器，其中該些孔洞的孔徑大小為1微米至30微米之間； 其中該些孔洞之間的間距大小為1微米至30微米之間； 其中該些孔洞的深度至少為0.5微米。
- 如請求項7所述之非制冷型紅外線感測器，其中該些孔洞的形狀為任意形狀。
- 如請求項1所述之非制冷型紅外線感測器，其中該溫度感測單元為一熱敏阻單元(bolometer element)。
- 如請求項1所述之非制冷型紅外線感測器，其中該溫度感測單元為一熱電堆單元(thermopile element)。
- 如請求項1所述之非制冷型紅外線感測器，其中該溫度感測單元為一焦電單元(pyroelectric element)。
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2022
- 2022-04-11 TW TW111113743A patent/TWI816360B/zh active
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