CN108885137A - 一种ir检测器阵列设备 - Google Patents

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R·H·霍普尔
J·加德纳
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Abstract

我们公开了一种红外(IR)检测器阵列，包括在包含蚀刻部分的半导体基底上形成的至少一个介电膜(2，3)；至少两个IR检测器(4，5)，以及在所述介电膜的一个或所有两个侧面的内部或是其上形成的至少一个图案化层(7)，用于控制所述IR检测器中的至少一个的IR吸收。所述图案化层包括横向间隔结构。

Description

一种IR检测器阵列设备
发明领域
本发明涉及用于光谱气体传感应用的红外(IR)等离子体设备。特别地，本发明涉及具有定制的光学属性的IR等离子体检测器阵列，但是并不局限于此。
背景技术
众所周知，在包含薄膜层(用电绝缘层制成)的硅基底上可以制造热IR检测器，所述薄膜层可以通过所述基底的一部分的蚀刻来形成。入射的IR辐射会提升膜的温度-而这可以通过热电堆、电阻器或二极管来测量。
例如，Schneeberger等人发表于Proc IEEE Tencon 1995的“Optimized CMOSInfrared Detector Microsystems”一文报告了基于热电堆来制造CMOS IR检测器的方式。该热电堆包括若干个串联连接的热电偶。KOH被用于蚀刻膜以及提升热绝缘度。每一个热电偶包括两种不同材料的条带，所述条带在其一端上被电连接并且形成了一个热电偶接点(thermal junction)(名为热接点)，而所述材料的另一端则以串联的方式电连接到其他热电偶，由此形成热电偶冷接点。所述热电偶的热接点位于膜上，而冷接点则位于膜的外部。在该论文中给出了关于热电偶的三种不同的设计，这些设计具有不同的材料成分：铝和p掺杂多晶硅，铝和n掺杂多晶硅，或是p掺杂多晶硅和n掺杂多晶硅。入射的IR辐射会导致膜的温度略微升高。塞贝克效应会导致每一个热电偶上产生微小的电压差——由此导致热电堆上的电压差大幅增加，而该电压差则是每一个热电偶上的电压的总和。
先前，Nieveld发表于Sensors and Actuators 3(1982/83)179-183的“Thermopiles Fabricated using Silicon Planar Technology”一文显示了将铝和单晶硅P+作为热电偶中的材料并且据此在微芯片上制造热电堆的处理。应该指出的是，这种热电堆是一种通用的热电堆设备——其并非用于IR检测，并且所述热电堆并不是在膜上。
Allison等人发表于Sensors and Actuators A 104 2003 32-39的“A bulkmicromachined silicon thermopile with high sensitivity”一文描述了一种基于单晶硅P掺杂和N掺杂材料的热电堆。然而，这些热电堆是通过P型晶片和N型晶片的晶片键合形成的，并且不是专门被用作IR检测器的。此外，这种制造方法的成本也很高。
Lahiji等人发表于IEEE Transactions on Electron Devices 1992的“A Batch-fabricated Silicon Thermopile Infrared Detector”一文描述了两种热电堆IR检测器，其中一种以铋-锑热电偶为基础，而另一种则以多晶硅和金元素的热电偶为基础。
美国专利7,785,002描述了一种具有基于P和N掺杂多晶硅的热电堆的IR检测器。Langgenhager等人发表于IEEE EDL 1992的“Thermoelectric Infrared Sensors by CMOSTechnology”一文对包含热电堆的IR检测器进行了描述，其中所述热电堆位于包含了铝和多晶硅的悬浮结构上。
在Graf等人发表于Meas.Sci.Technol.2007的“Review of micromachinedthermopiles for infrared detection”一文中还描述了其他若干种热电堆设备。
另一种测量IR辐射的方法是使用热电二极管。例如，Kim和Chan发表于S&A A 89,2001的“A new uncooled thermal infrared detector using silicon diode”一文中描述了一种通过微机械加工制造且被用作IR检测器的二极管。
Eminoglu等人发表于S&A A 109(2003)的“Low-cost uncooled infrareddetectors in CMOS process”一文描述了使用CMOS工艺制造且具有处于悬浮膜上的二极管的IR检测器。
同样，基于热电堆的IR检测器也可以使用SOI工艺来制造。然而，热电二极管的缺点是其需要偏置电压或电流——由此需要电源。此外，它还具有很高的基极电压，由此更难测量输出电压中的微小变化。
在文献中已经有若干份报告建议通过使用等离子体结构来改变设备在特定波长上的发射率/吸收率，其中所述等离子体结构是在表面上创建的周期性结构。作为示例，在Shklover等人发表于Journal of Computational and Theoretical Nanoscience,Vol 5,2008第862-893页的“High-Temperature Photonic Structures,Thermal BarrierCoatings,Infrared Sources and Other Applications”一文中对此进行了描述。
Masuda等人发表于Sens.Mater,vol.26,pp.215-223,2014的“Optimization oftwo-dimensional plasmonic absorbers based on a metamaterial and cylindricalcavity model approach for high-responsivity wavelength-selective uncooledinfrared sensors”一文提出了一种将Cr/Au等离子体吸收层用于光谱选择性的CMOS热电堆IR检测器。然而，为了增强活动区域的热绝缘度，该区域仅仅是通过很细的横梁物理连接到基底的。这种布置不但影响了设备的机械强度，而且还对可以集成在设备中的热电偶的最大数量构成了限制，由此限制了总的热电转换效率。在Ogawa等人发表于OpticalEngineering,vol.52,pp.127104-127104,2013的“Wavelength selective widebanduncooled infrared sensor using a two-dimensional plasmonic absorber”一文中同样提出了一种此类热电堆阵列，其中对每一个具有不同等离子体结构的热电堆进行了研究，以便用于多色IR成像应用。
Fujisawa等人发表于Micro Electro Mechanical Systems(MEMS),201528thIEEE International Conference on,2015第905-908页的“Multi-color imaging withsilicon-on-insulator diode uncooled infrared focal plane array using through-hole plasmonic metamaterial absorbers”一文报告了一种具有通孔等离子体吸收器的硅-绝缘体二极管非制冷IR焦点平面阵列。与先前的示例一样，通孔被认为会损害设备的机械强度。
在Pisano等人提交的US20150035110A1中报告了一种MEMS热电AIN IR检测器，其中波长选择性是通过将顶部电极图案化以形成等离子体结构来实现的。与热电堆、二极管以及辐射热测量计相比，热电检测器的一个缺点是其仅仅对照明变化敏感。
Ali等人提交的US20140291704A1描述了一种可被配置成发射器或源的红外设备，其中等离子体结构被置于膜的内部，以便提升特定波长上的放射或吸收。该专利既没有涵盖具有不同等离子体结构图案的检测器阵列的概念，也没有涵盖任何用于分析若干个具有不同等离子体结构的IR检测器的响应和/或将其与不具有等离子体图案特征的结构相比较的差分(或处理)方法或转换技术。
发明内容
根据本发明的一个方面，所提供的是一种红外(IR)检测器阵列设备，包括：在包含蚀刻部分的半导体基底上形成的至少一个介电膜；包含了至少两个IR检测器的IR检测器阵列，其中所述IR检测器阵列形成在所述至少一个介电膜之上或是其内部；以及在所述介电膜内部或是其上形成的至少一个图案化层，用于控制所述IR检测器中的至少一个的IR吸收，以及其中所述至少一个图案化层包括横向间隔结构。
在这里还提供了一个红外(IR)检测器阵列，包括：在包含蚀刻部分的半导体基底上形成的至少一个介电膜；至少两个IR检测器，以及在所述介电膜的一侧或两侧的内部或之上形成的至少一个图案化层，用于控制所述IR检测器中的至少一个的IR吸收，其中所述图案化层包括横向间隔结构。
所述IR检测器可以是二极管、电阻器或热电堆、或是其组合。
在关于热电堆的示例中，其包括一个或多个串联连接的热电偶。每一个热电偶都包括两种不同的材料，所述材料在所述膜的内部形成接点，而所述材料的另一端则位于膜的边缘或是膜的外部，在那里其通过电连接到相邻热电偶来形成冷接点。
热电偶材料可以包括金属(例如铝、铜、镍、钨、钛或是其组合)、掺杂多晶硅(n或p型)或掺杂单晶硅(n或p型)。在所有的两种材料都是多晶硅和/或单晶硅的示例中，其间的接点可以用金属链路来形成。
在使用了二极管检测器的示例中，一个或多个二极管可以在膜的中心或是其中心附近串联连接。所述二极管可以由多晶硅或单晶硅制成。用于测量基底/壳体/环境温度的参考二极管可被置于膜区域外部。如果IR检测器是用热电堆或电阻器制成的，那么参考二极管可以充当参考温度传感器。
在使用电阻器的示例中，电阻器可被置于膜的中心或是其中心附近。该电阻器可以由金属(例如铝、铜、钨、铂)或多晶硅(n或p型)或单晶硅(n或p型)制成。此类电阻器的电阻会随温度的变化而改变。用于测量基底/壳体/环境温度的参考电阻器可被置于膜区域外部。如果IR检测器是由热电堆或二极管制成的，那么参考电阻器可以充当参考温度传感器。
作为替换，IR检测可以通过不同传感器类型的组合来完成。例如，在热电堆中会同时使用塞贝克效应和电阻变化效应来确定IR辐射。另一种选择是热电堆会使用参考二极管来执行冷接点温度估计，以便确定热接点中的绝对温度。
等离子体图案化层可以用金属(例如钨、铝、钛、钼、金或铂)、硅化物、或是多晶硅或单晶硅来制造，并且会在横向方向上周期性重复。该图案可以由圆形、椭圆形、矩形结构、梯形结构或是任何其他形状来产生。重复图案可以是六边形或正方形。所述结构可以位于一个以上的层中。所述等离子体图案化层可以是周期性重复的形状的点，或者可以是在层结构内部的重复形状的孔洞。
所述图案化等离子体层在阵列内部的所有IR设备中都可以是相同的。作为替换，所述一个或多个图案化等离子体层在每一个设备上可以是不同的，或者可以在一些设备上是相同的，但在其他设备上是不同的。该阵列中的一些设备还可以具有一个或多个图案化等离子体层，另一些设备不具有任何图案化等离子体层。
介电膜可以包括二氧化硅和/或氮化硅。整个IR检测器阵列可以位于单个膜上，或者所述阵列可以包括若干个膜，其中每一个膜上都具有一个IR检测器，或者所述阵列还可以包括若干个膜，其中每一个膜都具有若干个IR检测器。所述一个或多个膜还可以具有由多晶硅、单晶硅或金属制成的其他结构，以便分离IR检测器。这些结构可被嵌入到膜的内部，或者可以位于所述膜的上方或下方。
所述一个或多个膜可以通过对基底使用深反应离子蚀刻(DRIE)的背面蚀刻处理来形成，由此会导致产生垂直侧壁。此外，背面蚀刻也可以通过使用各向异性蚀刻(例如KOH(氢氧化钾)或TMAH(四甲基氢氧化铵))来完成，由此会导致产生倾斜侧壁。所述膜还可以通过正面蚀刻或正面与背面蚀刻的组合来形成，由此产生仅仅由两个或更多的横梁支撑的悬浮膜结构。所述膜可以是圆形、矩形或是具有圆角的矩形，以便减小拐角处的应力，但是其他的形状也是可能的。
所述IR等离子体阵列优选可以用CMOS或CMOS兼容工艺来制造。电路可以与所述IR检测器阵列一起集成在相同芯片上。所述电路可以包括开关、复用器、解码器、模拟或数字滤波器、放大器、模数转换器以及数字处理器。该电路通常位于膜区域外部。该电路可以包括用于IR检测器的驱动电路，用于环境温度监视和补偿的温度传感器，用于所述温度传感器的驱动和读出电路，以及用于IR检测器的读出电路。此外，该电路可以包括通过处理来自根据本发明的实施例的IR检测器阵列内部的每一个单独检测器的输出来增强光谱选择性的专用模拟块。举例来说，通过使用差分或仪表放大器，可以确定两个检测器之间的差分信号，由此提取光谱响应差异。作为示例，如果两个检测器在IR光谱上具有相同响应，只不过其中一个在一个波段上具有高峰值，那么可以使用差分或仪表放大器来提取仅仅位于该波段的信号。作为替换，数字接口和处理可被集成在芯片上或是相同的封装中，以便允许更高程度的处理和光谱选择性。
作为替换，IR检测器阵列还可以用一些或所有非CMOS材料来制造。所使用的金属可包括铂或金。IR检测材料和等离子体层可以包括其他材料，例如氧化钒或是各种硅化物，这其中包括硅化镁。
起始基底可以是硅、绝缘体上硅(SOI)或是除了硅以外的任何半导体，例如碳化硅、砷化镓或氮化镓、或是其与硅的组合。
所述设备可被封装在金属TO型封装之中。所述设备还可以用陶瓷、金属或塑料SMD(表面安装设备)封装方式来封装。所述封装可以具有一个或多个IR滤波器或窗口，或者具有特性在空间上会发生变化的滤波器。所述封装可以用空气、干燥空气、氩气、氮气、氙气或是任何其他惰性气体来密封或半密封。所述设备也可以在真空中被封装。所述设备可以与透镜或反射器封装在一起。所述封装还可以是芯片或晶片级封装，例如通过在顶部对蚀刻晶片/芯片执行晶片键合来形成，其中蚀刻晶片/芯片具有一个相对于IR的至少一些波长透明的部分。所述设备还可以直接封装在PCB上，或是用倒装芯片方式来封装。
所述设备还可以具有在相同芯片上制造的IR发射器。所述IR发射器可以位于单独的膜上，并且可以包括用钨、铝、多晶硅、单晶硅、钛、铂或金制成的加热器。所述IR发射器还可以具有位于所述膜的内部或是一侧的一个或多个等离子体图案化层。
在本发明的另一个实施例中，所提供的是一种NDIR传感器/***或是使用了红外(IR)检测器阵列的IR光谱传感器/***，包括：在包含蚀刻部分的半导体基底上形成的至少一个介电膜；至少两个IR检测器，以及在所述介电膜的一侧或两侧的内部或其上形成的至少一个图案化层，用于控制至少一个所述IR检测器的IR吸收，其中所述图案化层包括横向间隔结构。
该传感器/***可以具有一个或多个IR滤波器。作为替换并且非常有利的是，该***可以不使用光学滤波器(或是使用精度较低且更为廉价的光学滤波器)，由此从成本的角度来看是非常有利的，且具有更高的信噪比以及对环境或壳体温度的依赖性更低。此外，在不需要光学滤波器的示例中，NDIR传感器的形状因子可以减小，并且可以简化整个NDIR传感器组装过程。
根据本发明的实施例，该阵列可以包括位于相同的膜或不同的膜上的两个IR检测器，由此其中一个IR检测器可以不具有等离子体图案化层，而另一个则可以具有可增强特定波长或波长范围或波段的等离子体图案化层。通过从一个IR检测器的输出信号中减去另一个IR检测器的输出信号，或者通过使用用于处理两个输出信号的其他方法，可以移除非预期的波长或波段，由此减少对于复杂和/或精确的光学滤波器的需要，或是在将该检测器用于NDIR传感器之类的***的时候完全消除对于光学滤波器的需要。
根据本发明的实施例，阵列可以包括位于相同的膜或不同的膜上的两个IR检测器，由此，其中一个IR检测器具有可以增强特定波长或波长范围或波段的等离子体图案化层，而另一个则会具有可以增强不同波长或不同波长范围或波段的不同的等离子体图案化层。通过从一个IR检测器的输出信号中减去另一个IR检测器的输出信号，或者通过使用用于处理两个输出信号的其他方法，可以去除非预期的波长或波长带，由此减少对于复杂和/或精确光学滤波器的需要，或是在将该检测器用于NDIR传感器之类的***的时候完全消除对于光学滤波器的需要。
根据本发明的实施例，该阵列可以包括位于相同的膜或不同的膜上的若干个IR检测器(两个以上)，其中所述IR检测器具有不同的等离子体图案化层，和/或其中一个没有等离子体图案化层。通过智能处理输出信号，可以提取关于在何种波长上进行IR吸收的信息，由此提供关于光谱选择性的均值。
举例来说，在NDIR传感器/***中可以使用该技术来有选择地识别气体以及提取其浓度，由此减少对于复杂和/或精确的光学滤波器的需要，或者完全不再需要光学传感器。作为替换，在NDIR传感器/***中，以不同浓度存在的每一种气体都具有来自根据本发明的实施例的检测器阵列内部的每一个检测器的组合输出给出的不同的总体特征。通过分组和处理来自每一个传感器的数据，可以提取关于气体特性(和/或对于气体混合物而言是其组成成分)及其浓度的信息。
本发明的实施例还可以扩展到其他应用，以便检测来自其他IR源的放射，例如来自人体或火焰的放射。
所述IR检测器阵列或NDIR/光谱***可以在便携式电子设备、建筑物或汽车中使用。一些或所有的信号处理既可以由片上电路来执行，也可以在与检测器共同封装的芯片上、或在位于相同PCB的芯片上或者在设备内部执行，还可以在远端设备或***上被处理。
根据本发明的另一个方面，所提供的是一种制造红外(IR)检测器阵列设备的方法，所述方法包括：
形成半导体基底；
涂覆一个或多个多晶硅层和/或金属和介电层，以便形成IR检测器阵列以及至少一个图案化层；
对半导体基底执行体蚀刻，以便形成一个或多个介电膜；
其中在所述介电膜内部或其上形成所述至少一个图案化层，以便控制所述IR检测器中的至少一个的IR吸收，以及其中所述至少一个图案化层包括横向间隔结构。
附图说明
现在将参考附图来举例描述本发明的一些优选实施例，其中：
图1显示了双热电堆IR检测器芯片的示意性顶视图，其中一个IR检测器具有用于控制IR吸收的图案化层；
图2显示了双二极管IR检测器芯片的示意性顶视图，其中一个IR检测器具有用于控制IR吸收的图案化层。在膜区域外部还放置了用于测量基底/壳体/环境温度的参考二极管；
图3显示了图1所示的双热电堆IR检测器芯片的示意性剖面图；
图4显示了图1所示的双二极管IR检测器芯片的示意性剖面图；
图5显示了包含四个热电堆IR检测器的热电堆IR检测器芯片的示意性顶视图。所述四个热电堆IR检测器中的三个具有用于控制IR吸收的图案化层。每一个设备上的图案化等离子体层都是不同的；
图6显示了双二极管IR检测器芯片的示意性顶视图，其中一个IR检测器具有用于控制IR吸收的图案化层。这些二极管被嵌入到相同的介电膜内部，并且连同多个金属轨迹一起充当了隔离物；
图7显示了图6所示的双二极管IR检测器芯片的示意性剖面图，其中所述膜的沟槽具有倾斜侧壁；
图8显示了双热电堆IR检测器芯片的示意性剖面图，其中电路处于相同的芯片上；
图9显示了具有在相同芯片上制造的IR发射器的双热电堆IR检测器芯片的示意性剖面图；
图10显示了面朝IR发射器且用于无滤波器二氧化碳NDIR检测的双热电堆IR检测器芯片的示意图；
图11显示了用于无滤波器的二氧化碳NDIR检测且具有在相同芯片上制造的IR发射器的双热电堆IR检测器芯片的示意图；
图12显示了双热电堆IR检测器芯片的示意性顶视图，其中电路处于相同的芯片上；
图13显示了位于图10描述的NDIR结构中的图12所示的芯片的二氧化碳检测能力；以及
图14示出了一个用于概述IR检测器阵列设备的制造方法的例示流程图。
具体实施方式
图1显示了一个关于双热电堆IR检测器芯片1的示意性顶视图，所述芯片具有两个膜2和3。所述膜是介电膜，并且可以包括一个或多个二氧化硅和/或氮化硅层。在每一个膜的内部都嵌入了包含一个或多个串联连接的热电偶的热电堆，以便形成两个不同的热电堆IR检测器。每一个热电偶都包括两种不同的材料4和5，这些材料在所述膜的内部形成接点，而这些材料的另一端则处于所述膜的外部，由此它们电连接到相邻的热电偶，以便形成冷接点。热电偶材料可以包括金属(例如铝、钨、钛或是其组合)、掺杂多晶硅(n或p型)或掺杂单晶硅(n或p型)。在所有这两种材料都是多晶硅和/或单晶硅的示例中，其间的接点可以用金属链路6来形成。等离子体图案化层7同样被嵌入到膜3的内部，以便为热电堆IR检测器提供定制的光学属性。所述等离子体图案化层可以由金属(例如钨、铝、钛、钼、金或铂)、硅化物或多晶硅或单晶硅制成，并且会在横向方向上周期性重复。所述图案可以由圆形、椭圆形、矩形结构、梯形结构或其他任何形状的点或孔洞产生。所述重复图案可以是六边形或正方形。所述结构可以处于膜的内部或是膜的顶面上的一个以上的层中。
图2显示了具有两个膜2和3的双二极管IR检测器芯片1的示意性顶视图。所述膜是介电膜，并且可以包括一个或多个二氧化硅和/或氮化硅层。二极管8和轨迹9被嵌入到每一个膜的内部，以便形成不同的二极管IR检测器。所述二极管可以是用多晶硅或单晶硅制成的。用于增强灵敏度的一个或若干个二极管可以在膜的中心或是其中心附近串联连接。在膜3的内部还嵌入了等离子体图案化层7，以便为二极管IR检测器提供定制的光学属性。所述等离子体图案化层可以由金属(例如钨、铝、钛、钼、金或铂)、硅化物或是多晶硅或单晶硅制成。所述图案可以由圆形、椭圆形、矩形结构、梯形结构或是在横向方向上周期性重复的其他任何形状产生。所述重复图案可以是六边形或正方形。所述结构可以处于膜的内部或是膜的顶面上的一个以上的层中。在膜区域外部还放置了用于测量基底/壳体/环境温度的参考二极管10。
图3显示了图1所示的双热电堆IR检测器芯片的示意性剖面图。膜2和3被支撑在蚀刻基底11上，其包括介电层12，并且可以包括一个或多个二氧化硅和/或氮化硅层。该热电堆包括p掺杂硅4和n掺杂硅5，并且其间的接点是用金属6形成的。这些热电堆材料可以包括其他众多的配置，例如n掺杂硅和金属或p掺杂硅和金属。用于热电堆的硅可以是多晶硅或单晶硅。在膜3的内部还嵌入了等离子体图案化层7，以便为热电堆IR检测器提供定制的光学属性。该实施例中的基底是通过深反应离子蚀刻(DRIE)蚀刻的，由此导致产生了垂直侧壁。
图4显示了图2所示的双二极管IR检测器芯片的示意性剖面图。膜2和3被支撑在蚀刻基底11上，其包括介电层12，并且可以包括一个或多个二氧化硅和/或氮化硅层。二极管8由单晶硅制成，并且经由金属轨迹9相接触。作为替换，所述二极管也可以用多晶硅制成。在膜3内部还嵌入了由多个金属层制成的等离子体图案化层7，以便为二极管IR检测器提供定制的光学属性。在膜区域的外部还放置了用于测量基底/壳体/环境温度的参考二极管10。
图5显示了具有四个膜2、3、13和14的热电堆IR检测器芯片1的示意性顶视图。所述膜是介电膜，并且可以包括一个或多个二氧化硅和/或氮化硅层。在每一个膜的内部都嵌入了包含一个或多个串联连接的热电偶的热电堆，以便形成四个不同的热电堆IR检测器。每一个热电偶都包括两种不同的材料4和5，这些材料在膜的内部形成接点，而这些材料的另一端则位于膜的外部，其与相邻的热电偶进行电连接，以便形成冷接点。热电偶材料可包括金属(例如铝、钨、钛或是其组合)、掺杂多晶硅(n或p型)或掺杂单晶硅(n或p型)。在所有的两种材料都是多晶硅和/或单晶硅的示例中，其间的接点可以用金属链路6来形成。在膜3的内部还嵌入了等离子体图案化层7，以便为热电堆IR检测器提供定制的光学属性。在膜13和14内部还嵌入了等离子体图案化层15和16，以便为热电堆IR检测器提供互不相同且与层7提供的光学属性不同的光学属性。作为替换，所述图案化等离子体层在阵列内部的所有IR设备中都可以是相同的。作为替换，所述一个或多个图案化等离子体层在每一个设备上可以是不同的，或者可以在一些设备上是相同的，但在其他设备上是不同的。所述阵列的一些设备还可以具有相同的一个或多个图案化等离子体层，并且一些设备没有任何图案化等离子体层。
图6显示了具有单个膜2的双二极管IR检测器芯片1的示意性顶视图。所述膜是介电膜，并且可以包括一个或多个二氧化硅和/或氮化硅层。两个二极管8和轨迹9连同隔离物17一起被嵌入到膜的内部，以便形成二极管IR检测器。所述二极管可以由多晶硅或单晶硅制成。用于增强灵敏度的一个或若干个二极管可以在膜的中心或是其中心附近串联连接。在膜2的内部还嵌入了等离子体图案化层7，由此仅仅为其中一个二极管IR检测器提供定制的光学属性。
图7显示了图6所示的双二极管IR检测器芯片的示意性剖面图。膜2被支撑在蚀刻基底11上，其包括介电层12，并且可以包括一个或多个二氧化硅和/或氮化硅层。二极管8由单晶硅制成，并且经由金属轨迹9相接触。作为替换，所述二极管也可以由多晶硅制成。在膜2的内部还嵌入了由多个金属层制成的等离子体图案化层7，由此仅仅为其中一个二极管IR检测器提供定制的光学属性。二极管之间的隔离物是用金属层17形成的。该隔离区域还充当了散热器。虽然在该图中，隔离物17是用金属制成的，但其也可以由单晶硅或多晶硅制成，或者可以包括金属以及多晶硅和/或单晶硅。该示例中的基底是通过KOH蚀刻的，由此导致产生了倾斜侧壁。
图8显示了图1所示的双热电堆IR检测器芯片的示意性剖面图，其中电路都处于相同的芯片上。膜2和3被支撑在蚀刻基底11上，其包括介电层12，并且可以包括一个或多个二氧化硅和/或氮化硅层。所述热电堆包括p掺杂硅4和n掺杂硅5，并且其间的接点是用金属6形成的。这些热电堆材料可以包括其他众多的配置，例如n掺杂硅和金属或p掺杂硅和金属。用于热电堆的硅可以是多晶硅或单晶硅。在膜3的内部还嵌入了等离子体图案化层7，以便为热电堆IR检测器提供定制的光学属性。该实施例中的基底是通过深反应离子蚀刻处理(DRIE)蚀刻的，由此导致产生了垂直侧壁。作为示例，在膜区域的外部显示了一个包含了注入区域19、多晶硅栅极和互连金属的MOSFET 18。
图9显示了图1所示的双热电堆IR检测器芯片的示意性剖面图，其中IR发射器位于相同的芯片上。膜2和3被支撑在蚀刻基底11上，其包括介电层12，并且可以包括一个或多个二氧化硅和/或氮化硅层。热电堆包括p掺杂硅4和n掺杂硅5，并且其间的接点是用金属6形成的。热电堆材料可以包括其他众多的配置，例如n掺杂硅和金属或是p掺杂硅和金属。用于热电堆的硅可以是多晶硅或单晶硅。在膜3的内部还嵌入了等离子体图案化层7，以便为热电堆IR检测器提供定制的光学属性。该实施例中的基底是通过深反应离子蚀刻处理(DRIE)蚀刻的，由此导致产生了垂直侧壁。采用微加热器20的形式的IR发射器通过轨迹21连接并嵌入到附加的膜中。等离子体图案化层22同样被嵌入到IR发射器膜内部，以便为IR发射器提供定制的光学属性。
图10显示了面朝IR发射器且用于无滤波器的二氧化碳NDIR检测的双热电堆IR检测器芯片的示意图。所述芯片被安装在封装23上。该设备可被封装在金属TO型封装之中。该设备还可以用陶瓷、金属或塑料SMD(表面安装设备)封装方式来封装。该封装可以具有一个或多个IR滤波器或窗口，或者具有特性在空间上会发生变化的滤波器。该封装可以用空气、干燥空气、氩气、氮气、氙气或是任何其他惰性气体来密封或半密封。该设备还可以在真空中被封装。该设备可以与透镜或反射器封装在一起。该封装还可以是芯片或晶片级封装，例如通过在顶部对蚀刻晶片/芯片执行晶片键合来形成，其中蚀刻晶片/芯片具有一个相对于IR的至少一些波长透明的部分。该设备还可以直接封装在PCB上，或是用倒装芯片方式来封装。虽然本示例中的NDIR***针对的是二氧化碳检测，但其也可用于检测其他气体(例如一氧化碳、湿度、甲烷等等)。
图11显示了用于无滤波器的二氧化碳NDIR检测且具有在相同芯片上制造的IR发射器的双热电堆IR检测器芯片的示意图。该设备可被封装在金属晶体管输出(TO)型封装之中。该设备还可以用陶瓷、金属或塑料SMD(表面安装设备)封装方式来封装。该封装可以具有一个或多个IR滤波器或窗口，或者具有特性在空间上发生变化的滤波器。该封装可以用空气、干燥空气、氩气、氮气、氙气或是任何其他惰性气体来密封或半密封。该设备还可以在真空中被封装。该设备可以与透镜或反射器封装在一起。该封装还可以是芯片或晶片级封装，例如通过在顶部对蚀刻晶片/芯片执行晶片键合来形成，其中蚀刻晶片/芯片具有一个相对于IR的至少一些波长透明的部分。该设备还可以直接封装在PCB上，或是用倒装芯片方式来封装。虽然本示例中的NDIR***针对的是二氧化碳检测，但其也可用于检测其他气体(例如一氧化碳、湿度、甲烷等等)。IR辐射通过反光镜24而被从IR发射器引导到IR检测器。用于将IR辐射从IR发射器引导到IR检测器的其他方法也是可以使用的。
图12示出了具有两个膜2和3的双热电堆IR检测器芯片1的示意性顶视图。所述膜是介电膜，并且可以包括一个或多个二氧化硅和/或氮化硅层。在每一个膜的内部都嵌入了包含一个或多个串联连接的热电偶的热电堆，以便形成两个不同的热电堆IR检测器。每一个热电偶都包括两种不同的材料4和5，其在膜的内部形成接点，而所述材料的另一端则处于膜的外部，其与相邻的热电偶进行电连接，以便形成冷接点。热电偶材料可以包括金属(例如铝、钨、钛或是其组合)、掺杂多晶硅(n或p型)或掺杂单晶硅(n或p型)。在所有的两种材料都是多晶硅和/或单晶硅的示例中，其间的接点可以用金属链路6来形成。在膜3的内部还嵌入了等离子体图案化层7，以便为热电堆IR检测器提供定制的光学属性。作为示例，差分放大器25和用于信号处理的电路26被共同集成在相同的芯片上，以便为双热电堆IR检测器芯片提供单个输出27，由此便于将芯片集成在***中，以及通过减少在单独的芯片或PCB上实施此类电路所产生的寄生器件来提升芯片性能。
图13显示了处于与图10所示的NDIR配置相类似的NDIR配置中的与图12中描述的芯片相类似的芯片的二氧化碳检测能力。
图14示出了一个用于概述IR检测器阵列设备的制造方法的例示流程图。
本领域技术人员将会理解，在先前的描述以及附加权利要求中，诸如“上方”、“重叠”、“下方”、“横向”等等的位置术语是对照装置(例如显示了标准的剖面透视图的图示的装置以及附图中显示的装置)的概念性图示来引用的。使用这些术语是为了便于参考，但是其并不具有限制性。由此，这些术语应被理解成是指处于附图所示的方位的设备。
应该了解的是，以上的所有掺杂极性都是可以反转的，由此得到的设备仍旧依据的是本发明的实施例。
虽然已经依照如上所述的优选实施例对本发明进行了描述，但是应该理解，这些实施例仅仅是说明性的，并且权利要求并不局限于这些实施例。有鉴于本公开，本领域技术人员将能够做出修改和替换，并且这些修改和替换亦被认为落入附加权利要求的范围以内。本说明书中公开或例证的每一个特征既可以被单独引入本发明，也可以以与这里公开或例证的其他任何特征采用任何恰当组合的方式引入到本发明中。

Claims (62)

1.一种红外(IR)检测器阵列设备，包括：
在包含蚀刻部分的半导体基底上形成的至少一个介电膜；
包含了至少两个IR检测器的IR检测器阵列，其中所述IR检测器阵列是在所述至少一个介电膜上或是其内部形成的；以及
在所述介电膜内部或是其上形成的至少一个图案化层，用于控制所述IR检测器中的至少一个的IR吸收，以及
其中所述至少一个图案化层包括横向间隔结构。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述至少一个图案化层位于所述至少两个IR检测器中的一个上方，以使所述至少一个图案化层与所述至少两个IR检测器中的一个相关联。
3.根据权利要求1所述的设备，其中所述至少一个图案化层位于所述介电膜内部的所有IR检测器的上方，以使所述至少一个图案化层与所述至少两个IR检测器中的所有IR检测器相关联。
4.根据权利要求1所述的设备，其中所述具有横向间隔结构的至少一个图案化层在所述IR检测器中的至少一些IR检测器的上方具有相同的图案。
5.根据权利要求1所述的设备，其中所述具有横向间隔结构的至少一个图案化层在所述IR检测器中的至少一些IR检测器的上方具有不同的图案。
6.根据权利要求1所述的设备，其中所述至少一个图案化层包括位于所述IR检测器中的一个IR检测器的上方的第一组横向间隔结构，以及位于所述IR检测器中的另一个IR检测器的上方的第二组横向间隔结构，其中所述第一和第二组横向间隔结构具有相同的图案。
7.根据权利要求1所述的设备，其中所述至少一个图案化层包括位于所述IR检测器中的一个IR检测器的上方的第一组横向间隔结构，以及位于所述IR检测器中的另一个IR检测器的上方的第二组横向间隔结构，其中所述第一和第二组横向间隔结构具有不同的图案。
8.根据权利要求1所述的设备，其中每一个横向间隔结构都包括包含了金或铂的金属或是基于CMOS的金属，例如铝、铜、钛、钼或钨。
9.根据权利要求1所述的设备，其中所述结构在横向方向上周期性重复，由此形成重复图案。
10.根据权利要求9所述的设备，其中所述重复图案包括六边形或正方形。
11.根据权利要求1所述的设备，其中所述结构包括圆形、椭圆形、矩形、梯形或是不同形状的组合，或者处于层的内部的这些形状的孔洞。
12.根据权利要求1所述的设备，其中所述图案化层包括单晶硅或多晶硅。
13.根据权利要求1所述的设备，其中所述IR检测器包括热电堆、电阻器、晶体管和二极管中的任何的一个或多个。
14.根据权利要求1所述的设备，其中每一个IR检测器包括热电堆，所述热电堆包括一个或多个热电偶，其中每一个热电偶都是串联耦合的。
15.根据权利要求14所述的设备，其中每一个热电偶进一步包括第一热电偶接点，其连接到相邻热电偶以形成第二热电偶接点，所述第一热电偶接点是热接点，所述第二热电偶接点是冷接点。
16.根据权利要求15所述的设备，其中所述热接点位于所述介电膜内部，并且所述冷接点位于所述介电膜外部。
17.根据权利要求1所述的设备，其中每一个IR检测器都包括至少一个二极管，其中所述至少一个二极管包括包含了多晶硅或单晶硅的材料。
18.根据权利要求17所述的设备，进一步包括处于冷接点区域中以测量基底或环境温度的参考二极管。
19.根据权利要求1所述的设备，其中每一个IR检测器包括至少一个电阻器，其中所述至少一个电阻器位于所述介电膜的中心。
20.根据权利要求19所述的设备，其中所述至少一个电阻器包括以下材料：
包含铝、钨、铜、钛和/或铂的金属；
n型或p型多晶硅；以及
n或p型单晶硅。
21.根据权利要求20所述的设备，进一步包括位于所述冷接点区域中以测量基底或环境温度的参考电阻器。
22.根据权利要求1所述的设备，其中每一个IR检测器包括热电堆，其中在所述热电堆中使用了塞贝克效应和电阻变化效应来确定IR辐射。
23.根据权利要求1所述的设备，其中每一个IR检测器都包含了在冷接点区域中与参考二极管耦合以确定冷接点温度估计的热电堆，所述冷接点温度估计被用于确定绝对热接点温度。
24.根据权利要求1所述的设备，其中所述介电膜包括二氧化硅和/或氮化硅。
25.根据权利要求1所述的设备，其中所述阵列的所有IR检测器都是在单个膜的内部或是其上形成的。
26.根据权利要求1所述的设备，其中所述阵列的每一个IR检测器都是在不同的介电膜内部或是其上形成的。
27.根据权利要求1所述的设备，进一步包括多个介电膜，其中每一个介电膜都包括多个IR检测器。
28.根据权利要求1所述的设备，其中所述至少一个介电膜进一步包括包含了多晶硅、单晶硅或金属的其他结构，所述其他结构分离所述IR检测器。
29.根据权利要求28所述的设备，其中所述其他结构被嵌入在所述介电膜内部、上方和/或下方。
30.根据权利要求1所述的设备，其中所述至少一个介电膜是由以下的任何一个形成的：
对所述基底执行使用了深反应离子蚀刻(DRIE)的背面蚀刻处理，由此产生垂直侧壁；以及
使用各向异性蚀刻处理，例如KOH(氢氧化钾)或TMAH(四甲基氢氧化铵)，由此导致产生倾斜侧壁。
31.根据权利要求1所述的设备，其中所述至少一个介电膜是通过正面蚀刻或是正面与背面蚀刻的组合形成的，由此产生仅仅由两个或更多横梁支撑的悬浮膜结构。
32.根据权利要求1所述的设备，其中所述至少一个介电膜是圆形的。
33.根据权利要求1所述的设备，其中所述至少一个介电膜是矩形的，或是具有圆角的矩形形状，由此减小拐角处的应力。
34.根据权利要求1所述的设备，进一步包括与所述IR检测器阵列在相同芯片上形成的电路。
35.根据权利要求1所述的设备，其与电路是在相同封装中形成的。
36.根据权利要求34所述的设备，其中所述电路包括开关、复用器、解码器、滤波器、放大器、模数转换器和/或其他电路中的任何一个。
37.根据权利要求34所述的设备，其中所述电路被置于所述至少一个介电膜区域的区域外部。
38.根据权利要求34所述的设备，其中所述电路包括以下的一个或多个：
红外检测器；
用于寻址所述阵列中的每一个检测器的复用器和解码器；
用于实施环境温度监视和补偿的温度传感器；
用于所述温度传感器的驱动和读出电路；以及
用于所述IR检测器的驱动和读出电路。
39.根据权利要求34所述的设备，其中所述电路包括模拟电路，用于通过处理来自所述阵列内部的每一个单独IR检测器的输出来改善光谱选择性。
40.根据权利要求39所述的设备，其中所述电路包括差分或仪表放大器，用于确定两个IR检测器之间的差分信号，以便提取光谱响应差异。
41.根据权利要求39所述的设备，进一步包括在相同芯片上或相同封装中形成以允许改进的处理和光谱选择性的数字接口和处理设备。
42.根据权利要求1所述的设备，其中所述基底包括以下的任何一种：
硅；
绝缘体上硅；
碳化硅；
砷化镓；
氮化镓；和/或
碳化硅、砷化镓、氮化镓与硅的组合。
43.根据权利要求1所述的设备，其中所述设备是用从包含钨、铝、钛和钼的群组中选择的CMOS可用金属制造的。
44.根据权利要求1所述的设备，其中所述IR检测器是用从包含硅、多晶硅和硅化物的群组中选择的CMOS可用材料形成的。
45.根据权利要求1所述的设备，其中所述设备是用非CMOS材料制造的。
46.根据权利要求1所述的设备，其中所述设备是用以下的一项或多项封装的：
金属晶体管输出(TO)型封装；
陶瓷、金属或塑料表面安装封装；
红外滤波器；
反射器；
倒装芯片方法；
芯片或晶片级封装；
透镜；
印刷电路板(PCB)。
47.根据权利要求46所述的设备，其中所述封装是用空气、干燥空气、氩气、氮气、氙气或其他任何惰性气体密封或半密封的；和/或所述设备是在真空中被封装的。
48.根据权利要求1所述的设备，进一步包括在相同芯片上制造的IR发射器。
49.根据权利要求48所述的设备，其中所述IR发射器是在单独的膜上或是其内部形成的。
50.根据权利要求48所述的设备，其中所述IR发射器包括加热器，所述加热器包括钨、铝、铜、多晶硅、单晶硅、钛、铂和金中的任何一种或多种。
51.根据权利要求48所述的设备，其中所述IR发射器包括位于介电膜的一侧内部或是其上的一个或多个等离子体图案化层。
52.一种非分散红外(NDIR)传感器***或光谱传感器***，包括根据权利要求1所述的IR检测器阵列设备以及IR发射器。
53.根据权利要求52所述的传感器***，其中所述IR检测器阵列设备和所述IR发射器是在相同芯片上形成的。
54.根据权利要求52所述的传感器***，其中所述IR检测器阵列设备和所述IR发射器是在不同芯片上形成的，或者所述IR发射器包括微型灯泡或是基于二极管的IR发射器。
55.根据权利要求52所述的传感器***，进一步包括至少一个IR滤波器。
56.根据权利要求52所述的传感器***，进一步包括反射设备。
57.根据权利要求52所述的传感器***，其中与每一个IR检测器相关联的所述至少一个图案化层被配置成产生至少一个波长。
58.根据权利要求57所述的传感器***，其中每一个IR检测器被配置成产生一种从来自一个IR检测器的输出信号中提取出来自另一个IR检测器的输出信号，以便提供至少一个IR吸收波长的技术。
59.根据权利要求58所述的传感器***，其中所述技术从所述IR检测器接收的信号中识别出气体。
60.根据权利要求58所述的传感器***，其中所述技术根据所述检测器阵列接收的信号来确定气体浓度。
61.根据权利要求60所述的传感器***，其被配置成致使来自每一个IR检测器的输出都被分组或处理，以便提取所述气体的特性。
62.一种制造红外(IR)检测器阵列设备的方法，所述方法包括：
形成半导体基底；
沉积一个或多个多晶硅层和/或金属和介电层，以便形成IR检测器阵列以及至少一个图案化层；
对所述半导体基底执行体蚀刻，以便形成一个或多个介电膜；
其中所述至少一个图案化层形成在所述介电膜内部或其上，以便控制所述IR检测器中的至少一个的IR吸收，以及其中所述至少一个图案化层包括横向间隔结构。
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