TWI646672B - 紅外線感測元件及其製造方法 - Google Patents

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Abstract

紅外線感測元件包括基板、紅外線吸收層及孔槽。紅外線吸收層形成於基板上且具有感測面。孔槽從紅外線吸收層之感測面往基板的方向延伸。

Description

紅外線感測元件及其製造方法
本發明是有關於一種紅外線感測元件及其製造方法，且特別是有關於一種具有孔槽的紅外線感測元件及其製造方法。
傳統的紅外線感測元件可收集被測物輻射出的紅外線能量並將能量聚集於檢測器上。檢測器把能量轉化為電信號，電信號經放大並顯示為溫度讀數。一般來說，檢測器包括感熱層及紅外線吸收層。紅外光吸收層整個且完整地覆蓋在感熱層上。紅外線吸收層吸收被測物輻射出的紅外線能量。當感熱層感測到紅外線能量，將紅外線能量(熱量)轉換成電信號。處理器依據此電信號計算被測物的溫度值。
然而，這樣的層結構已經無法滿足現代對更低反應時間及更低訊噪比的要求。因此，本技術領域業者有必要提出一種新的且具有更低反應時間及更低訊噪比的要求的紅外線感測元件。
因此，本發明提出一種紅外線感測元件及其製造方法，可改善前述習知問題。
根據本發明之一實施例，提出一種紅外線感測元件。紅外線感測元件包括一基板、一紅外線吸收層及一孔槽。紅外線吸收層形成於基板上且具有一感測面。孔槽從紅外線吸收層之感測面往基板的方向延伸。
根據本發明之另一實施例，提出一種紅外線感測元件的製造方法。製造方法包括以下步驟。提供一基板及一紅外線吸收層，其中紅外線吸收層形成在基板上，紅外線吸收層具有一感測面；以及形成一孔槽，孔槽從紅外線吸收層之感測面往基板的方向延伸。
為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉實施例，並配合所附圖式詳細說明如下：
請參照第1A~1C圖，第1A圖繪示依照本發明一實施例之紅外線感測元件100的示意圖，第1B圖繪示第1A圖之紅外線感測元件100的局部俯視圖，而第1C圖繪示第1B圖之紅外線感測元件100沿方向1C-1C’的剖視圖。
紅外線感測元件100可收集被測物輻射出的紅外線能量E1，並將能量轉換成電信號，且依據電信號計算被測物的溫度值。
紅外線感測元件100包括基板110、紅外線吸收層120、至少一孔槽130a、熱導層140、至少一熱電元件155’、半導體結構層170。
紅外線吸收層120形成於基板110的上表面110u上且具有一感測面120u。孔槽130a從紅外線吸收層120之感測面120u往基板110的方向延伸。相較於沒有孔槽130a的紅外線感測元件，本實施例之孔槽130a的內側壁提供了額外感測面積，因此能有效地增加輻射吸收率，降低紅外線感測元件100的反應時間及訊噪比。此外，基板110例如是矽基板，而紅外線吸收層120例如是氧化層，如氧化矽層。
如第1C圖所示，各孔槽130a包括第一槽130a1及第二槽130a2，其中第一槽130a1從感測面120u延伸至第二槽130a2，第一槽130a1的直徑D1與第二槽130a2的直徑D2係相異。例如，第一槽130a1的直徑D1大於第二槽130a2的直徑D2，使孔槽130a成為一上寬下窄的孔槽。然在另一實施例中，第二槽130a2的直徑D2可大於第一槽130a1的直徑D1，使孔槽130a成為一下寬上窄的孔槽。本發明實施例並不限制各孔槽的形狀。
此外，孔槽130a具有底壁及側壁，其中底壁及/或側壁可以是平面壁、曲面壁或其組合。例如，如第1C圖所示，第一槽130a1的底壁130b1及側壁130w1係平面壁，且第二槽130a2的底壁130b2及側壁130w2亦為平面壁。在另一實施例中，底壁130b1、側壁130w1、底壁130b2及/或側壁130w2可以是曲面壁、平面壁或其組合。
熱導層140形成在孔槽130a的整個壁面的至少一部分上及感測面120u的至少一部分上，以吸收紅外線能量E1，進而提高紅外線感測元件100對於紅外線能量E1的吸收效率。如第1C圖所示，熱導層140包括第一子熱導層141及第二子熱導層142。第一子熱導層141形成在第一槽130a1的底壁130b1及第二槽130a2的底壁130b2，而第二子熱導層142形成在感測面120u。底壁130b1、底壁130b2及感測面120u面向紅外線能量E1的入射方向，因此可以較大或最大面積吸收紅外線能量E1。在另一實施例中，第一子熱導層141可更形成在第一槽130a1的側壁130w1及/或第二槽130a2的側壁130w2。此外，熱導層140可以是金屬層，例如是由熱導性優良的材料製成，如金屬，其中金屬可以是銅(Cu)、鎳化鉻(NiCr)、氮化鈦(TiN)、鈦(Ti)或金(Au)。熱導層140的厚度大致上等於或小於100奈米。
如第1A~1C圖所示，紅外線吸收層120包括數個感測區塊R1(感測區塊R1繪示於第1C圖)。數個孔槽130a及貫穿部120a位於對應的感測區塊R1中。此些感測區塊R1可以排列成陣列型，然亦可隨意排列。位於一個感測區塊R1中的數個孔槽130a也可以排列成陣列型，然亦可隨意排列。
各感測區塊R1的溫度變化由二組熱電元件155’轉換成電信號，電信號傳輸到處理器(未繪示)進行處理，以計算出對應該電信號的溫度值。熱電元件155’可以是熱電堆(thermopile)、電晶體、二極體或熱敏電阻(thermistor)。在本實施例中，各熱電元件155’包括第一熱敏線150及第二熱敏線160。第一熱敏線150的第一端151(第一端151繪示於第1B圖)及第二熱敏線160的第一端161(第一端161繪示於第1B圖)位於對應之孔槽130a的下方，以感測紅外線吸收層120所吸收的紅外線能量E1，並轉換成電信號。在一實施例中，第一熱敏線150與第二熱敏線160之一者為n型多晶矽(n-poly)，而另一者為p型多晶矽(p-poly)，其特性可將熱信號轉換成電信號，如電壓差。
如第1C圖所示，第一熱敏線150的第一端151及第二熱敏線160的第一端161位於孔槽130a的正下方，使第一端151及第一端161與孔槽130a之間的熱傳導路徑最短。在另一實施例中，第一熱敏線150的第一端151與第二熱敏線160的第一端161之一者位在孔槽130a的正下方，而另一者不位在孔槽130a的正下方。或者，第一端151及第一端161皆不位於孔槽130a的正下方。換言之，只要第一端151及第一端161鄰近孔槽130a即可，本發明實施例不限定第一端151及第一端161的位置。
此外，雖然圖未繪示，然第一熱敏線150的第二端及第二熱敏線160的第二端可延伸至處理器，以將電信號傳輸至處理器。
如第1C圖所示，基板110具有數個空腔110a，各空腔110a從貫穿部120a往基板110內部延伸，如從貫穿部120a的下緣往基板110內部延伸。空腔110a內充滿空氣，可降低熱傳導率(如同提供保溫效果)，避免紅外線吸收層120吸收的紅外線能量E1過快地傳導至紅外線感測元件100外部(若過快地傳導至紅外線感測元件100外部，將導致溫測值低於被測物的實際溫度)。也就是說，由於空腔110a的設計，提升了紅外線感測元件100的溫測準確性。
如第1C圖所示，紅外線吸收層120具有數個貫穿部120a，貫穿部120a從感測面120u延伸至空腔110a，且圍繞數個孔槽130a。貫穿部120a大致上沿第一熱敏線150與第二熱敏線160的延伸方向延伸。貫穿部120a延伸成開放環形，如L型，可避免切斷第一熱敏線150與第二熱敏線160。貫穿部120a提供空氣的容納空間，如此可提供類似空腔110a的降低熱傳導率的技術效果。
如第1C圖所示，半導體結構層170包括至少一第一導電孔171、第一導電層172、至少一第二導電孔173及第二導電層174。第一導電孔171可電性連接第一導電層172與第一熱敏線150及第二熱敏線160。舉例來說，第一導電層172包括連接件1721，其中一第一導電孔171可連接第一熱敏線150與連接件1721，而另一第一導電孔171可連接第二熱敏線160與連接件1721，使第一熱敏線150及第二熱敏線160的電信號可透過第一導電孔171傳輸至第一導電層172的連接件1721。
第二導電孔173可電性連接第二導電層174與第一導電層172，以將第一熱敏線150及第二熱敏線160的電信號透過第二導電孔173傳輸至第二導電層174。第二導電層174可延伸至處理器(未繪示)，以將第一熱敏線150及第二熱敏線160的電信號傳輸至處理器。處理器據以計算出對應的溫度值。
如第1C圖所示，半導體結構層170包括至少一電子元件170a，如金屬氧化物半導體場效電晶體、啟動電路及/或其它相關電路結構。電子元件170a整合至紅外線感測元件100中，並提供感測紅外線能量以外的功能，因此可擴大紅外線感測元件100的功能及應用。此外，電子元件170a例如是由第一導電孔171、第一導電層172、第二導電孔173與第二導電層174的部分結構形成。另外，前述的處理器也可以是半導體結構層170的一部分，其可由例如是由第一導電孔171、第一導電層172、第二導電孔173與第二導電層174的部分結構形成。
第2圖繪示依照本發明另一實施例的孔槽230a的示意圖。在本實施例中，孔槽230a的側壁230w為曲面壁，其例如是橢圓形的一部分，然亦可為圓形的一部分或弧形。熱導層140可順應孔槽230a的側壁230w的外形而形成在側壁230w上。
第3圖繪示依照本發明另一實施例的孔槽330a的示意圖。相較於前述孔槽130a，本實施例的孔槽330a非階梯狀孔槽，而是一直孔槽，其具有一致的直徑D3。
在其它實施例中，孔槽可以是具有其它幾何型態，如三角形錐孔、梯形孔或半圓孔等。只要是可以吸收紅外線能量E1的凹部結構，都可以做為本發明實施例的孔槽。
請參照第4A~4C圖，第4A圖繪示依照本發明另一實施例之紅外線感測元件200的示意圖，第4B圖繪示第4A圖之紅外線感測元件200的俯視圖，而第4C圖繪示第4B圖之紅外線感測元件200沿方向4C-4C’的剖視圖。
紅外線感測元件200包括基板110、紅外線吸收層120、至少一孔槽130a、熱導層140、至少一熱電元件155’及半導體結構層170。本發明實施例之紅外線感測元件200具有類似紅外線感測元件100的技術特徵，不同處在於，紅外線感測元件200省略貫穿部120a，且熱電元件155’的數量更多。
如第4B及4C圖所示，紅外線感測元件200包括多組熱電元件155’。各熱電元件155’的一端鄰近對應的孔槽130a。由於省略貫穿部120a，因此數個熱電元件155’的數個另一端可輻射狀地往外延伸至處理器(未繪示)。
請參照第5A~5C圖，其繪示第1C圖之紅外線感測元件100的製造過程圖。
如第5A圖所示，提供基板110、紅外線吸收層120、熱電元件155’及半導體結構層170，其中紅外線吸收層120形成在基板110的上表面110u上，紅外線吸收層120具有感測面120u。半導體結構層170內埋於紅外線吸收層120內。熱電元件155’形成在基板110的上表面110u上。半導體結構層170包括至少一第一導電孔171、第一導電層172、至少一第二導電孔173、第二導電層174、至少一第三導電孔175、第三導電層176、至少一第四導電孔177、第四導電層178、至少一第五導電孔179、第五導電層180及至少一第六導電孔181，其中二導電層之間可透過其間的導電孔連接。
在製程上，熱電元件155’及半導體結構層170可先以半導體製程(如微影製程)形成在基板110的上表面110u上，然後採用例如是塗佈或印刷技術形成紅外線吸收層120覆蓋半導體結構層170及熱電元件155’。
然後，如第5B圖所示，可採用例如是蝕刻技術，一次形成至少一孔槽130a及至少一貫穿部120a，孔槽130a及貫穿部120a從紅外線吸收層120之感測面120u往基板110的方向延伸，且貫穿部120a圍繞孔槽130a。如圖所示，孔槽130a可不延伸至第一導電層172之連接件1721，以保留連接件1721，使連接件1721保持電性連接熱電元件155’的狀態。
如第5B圖所示，貫穿部120a經過半導體結構層170的一第一導電孔171、部分第一導電層172、一第二導電孔173、部分第二導電層174、一第三導電孔175、部分第三導電層176、一第四導電孔177、部分第四導電層178、一第五導電孔179、部分第五導電層180及一第六導電孔181，以移除此些部分，而能延伸至基板110的上表面110u。
由於貫穿部120a露出基板110，使後續步驟的蝕刻液體或蝕刻氣體可通過貫穿部120a移除基板110的材料。在另一實施例中，孔槽130a及貫穿部120a可在二不同製程分別形成。
然後，如第5C圖所示，可採用例如是蝕刻技術，透過貫穿部120a形成空腔110a，其中空腔110a從貫穿部120a往基板110內部延伸。貫穿部120a提供一通道，允許蝕刻液體或蝕刻氣體通過該通道移除基板110的部分材料，而形成空腔110a。
然後，形成如第1C圖所示之熱導層140於孔槽130a的壁面的至少一部分上及紅外線吸收層120的感測面120u的至少一部分上。
第4C圖的紅外線感測元件200的製造過程類似紅外線感測元件100，不同之處在於，紅外線感測元件200的製造過程不需形成貫穿部120a。
如上所述，由於孔槽的設計，可增加紅外線感測元件對紅外線能量的吸收率，進而縮短反應時間及降低訊噪比。在另一實施例中，由於孔槽搭配熱導層的設計，可更增加紅外線感測元件對紅外線能量的吸收率，進而大幅縮短反應時間及降低訊噪比。在其它實施例中，基板具有空腔，空腔可降低導熱性，避免紅外線吸收層的紅外線能量(熱量)過快傳導至外界，進而避免測得溫度值低於或過低於被測物的實際溫度。
綜上所述，雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100、200‧‧‧紅外線感測元件
110‧‧‧基板
110a‧‧‧空腔
110u‧‧‧上表面
120‧‧‧紅外線吸收層
120a‧‧‧貫穿部
120u‧‧‧感測面
130a、230a、330a‧‧‧孔槽
130a1‧‧‧第一槽
130a2‧‧‧第二槽
130b1、130b2‧‧‧底壁
130w1、130w2、230w‧‧‧側壁
140‧‧‧熱導層
141‧‧‧第一子熱導層
142‧‧‧第二子熱導層
150‧‧‧第一熱敏線
151、161‧‧‧第一端
155’‧‧‧熱電元件
160‧‧‧第二熱敏線
170‧‧‧半導體結構層
170a‧‧‧電子元件
171‧‧‧第一導電孔
172‧‧‧第一導電層
1721‧‧‧連接件
173‧‧‧第二導電孔
174‧‧‧第二導電層
175‧‧‧第三導電孔
176‧‧‧第三導電層
177‧‧‧第四導電孔
178‧‧‧第四導電層
179‧‧‧第五導電孔
180‧‧‧第五導電層
181‧‧‧第六導電孔
D1、D2、D3‧‧‧直徑
E1‧‧‧紅外線能量
R1‧‧‧感測區塊
第1A圖繪示依照本發明一實施例之紅外線感測元件的示意圖。 第1B圖繪示第1A圖之紅外線感測元件的局部俯視圖。 第1C圖繪示第1B圖之紅外線感測元件沿方向1C-1C’的剖視圖。 第2圖繪示依照本發明另一實施例的孔槽的示意圖。 第3圖繪示依照本發明另一實施例的孔槽的示意圖。 第4A圖繪示依照本發明一實施例之紅外線感測元件的示意圖。 第4B圖繪示第4A圖之紅外線感測元件的局部俯視圖。 第4C圖繪示第4B圖之紅外線感測元件沿方向4C-4C’的剖視圖。 第5A~5C圖繪示第1C圖之紅外線感測元件的製造過程圖。

Claims (13)

  1. 一種紅外線感測元件，包括：一基板；一紅外線吸收層，形成於該基板上且具有一感測面；以及一孔槽，包括一第一槽及一第二槽，該第一槽從該感測面延伸至該第二槽，該第二槽從該第一槽往該基板的方向延伸，且該第一槽的直徑與該第二槽的直徑係相異。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之紅外線感測元件，更包括：一熱導層，形成在該孔槽的壁面上。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之紅外線感測元件，包括複數個該孔槽。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之紅外線感測元件，其中該第一槽的直徑大於該第二槽的直徑。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之紅外線感測元件，更包括：一熱導層，形成在該第一槽的底壁及該第二槽的底壁。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之紅外線感測元件，其中該基板具有一空腔，該空腔從該基板的上表面往該基板內部延伸。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之紅外線感測元件，其中該紅外線吸收層具有一貫穿部，該貫穿部從該感測面延伸至該空腔且圍繞該孔槽。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之紅外線感測元件，更包括：一熱電元件，形成在該基板上且該熱電元件的一端鄰近該孔槽。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之紅外線感測元件，其中該熱電元件包括：一第一熱敏線，形成在該基板上，且該第一熱敏線的一端鄰近該孔槽；一第二熱敏線，形成在該基板上，且該第二熱敏線的一端鄰近該孔槽；以及其中，該紅外線感測元件包括一連接件，該連接件形成在該紅外線吸收層中，且連接該第一熱敏線的該端與該第二熱敏線的該端。
  10. 一種紅外線感測元件的製造方法，包括：提供一基板及一紅外線吸收層，其中該紅外線吸收層形成在該基板上，該紅外線吸收層具有一感測面；以及形成一孔槽，該孔槽包括一第一槽及一第二槽，該第一槽從該感測面延伸至該第二槽，該第二槽從該第一槽往該基板的方向延伸，且該第一槽的直徑與該第二槽的直徑係相異。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之製造方法，更包括：形成一貫穿部，該貫穿部從該感測面延伸至該基板且圍繞該孔槽。
  12. 如申請專利範圍第10項所述之製造方法，更包括：形成一空腔，該空腔從該基板的上表面往該基板內部延伸。
  13. 如申請專利範圍第10項所述之製造方法，更包括：形成一貫穿部，該貫穿部從該感測面延伸至該基板；以及透過該貫穿部形成一空腔，該空腔從該貫穿部往該基板內部延伸。
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