光子傳感器以及制造該傳感器的方法
【專利摘要】本申請涉及光子傳感器以及制造該傳感器的方法。一種光子傳感器，包括：平臺、平臺上的溫度傳感器、以及形成在平臺上或者作為平臺一部分的結(jié)構(gòu)。
【專利說明】光子傳感器以及制造該傳感器的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種光子傳感器，例如紅外傳感器，而且涉及一種制造該傳感器的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]基于熱電偶的傳感器是已知的，其中將熱電偶結(jié)形成為非?？拷t外接收區(qū)域。從紅外(IR)輻射傳遞的到達(dá)熱電偶處和/或與熱電偶相關(guān)的IR采集器處的每單位面積的熱能可能非常小，而且期望能夠很好地對其進(jìn)行利用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種光子傳感器，包括:
[0004]由至少一個修長元件支撐的平臺；
[0005]平臺上的溫度傳感器；以及
[0006]形成在平臺上或者作為平臺一部分的結(jié)構(gòu)。
[0007]由此，可以提供一種傳感器(例如，紅外傳感器)，其中平臺的適當(dāng)壓型可減小質(zhì)量，并因此減小平臺的熱容量?？梢酝ㄟ^平臺的微加工來完成壓型。該微加工可以在形成平臺期間執(zhí)行，并使得能夠形成改進(jìn)的平臺，而且與形成具有平坦表面的平臺相比基本上不增加成本。
[0008]通過使用可將平臺懸于襯底上方的修長支撐件，可以減少作為紅外輻射捕獲元件的平臺以及支撐襯底之間的熱傳遞。
[0009]根據(jù)本發(fā)明另一方面，提供了一種形成光子傳感器的方法，包括處理半導(dǎo)體襯底的一部分從而形成被至少一個支腳保持至支撐結(jié)構(gòu)的平臺，而且進(jìn)一步包括在平臺的上表面形成子波長結(jié)構(gòu)，所述結(jié)構(gòu)包括多個隔離的或互連的直立區(qū)域。
[0010]溫度傳感器可以是熱電偶、熱電堆、測輻射熱儀或任意其他適當(dāng)?shù)母袦y技術(shù)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]將僅僅通過非限制性示例的方式并參考附圖來描述本發(fā)明的實施例，其中:
[0012]圖1是紅外傳感器的第一實施例的透視圖；
[0013]圖2是紅外檢測器平臺中具有開孔陣列的實施例的透視圖；
[0014]圖3是在紅外檢測平臺中形成開孔陣列的實施例的平面圖；
[0015]圖4是圖3所示的平臺與圖1所示的不具有開孔的平臺的綜合損耗比較示圖；
[0016]圖5是具有從紅外檢測平臺的基層向上延伸的吸收組件的陣列的實施例的平面圖；
[0017]圖6是圖5所示的平臺與類似于圖1所示的具有平坦表面的平臺的綜合損耗比較示圖；
[0018]圖7是示出了作為入射在圖5所示類型的紅外檢測平臺上的光的波長的函數(shù)的損耗的示圖；
[0019]圖8是構(gòu)成本發(fā)明的另一實施例的紅外檢測器中的金屬層的平面圖；
[0020]圖9是圖7的具有金屬層的實施例與直立支柱相關(guān)的性能與圖1所示類型的平臺的比較示圖；
[0021]圖1Oa和IOb示出了紅外光子檢測器的實施例中的金屬層上的支柱和其它紅外采集結(jié)構(gòu)的輪廓；以及
[0022]圖11示出了平臺的一個角落處的熱電偶的定位。
【具體實施方式】
[0023]圖1中以透視圖示意性地示出了第一實施例。通過半導(dǎo)體制造工藝中常用的掩模和刻蝕步驟形成的平臺2被保持為附接至支撐結(jié)構(gòu)，例如從襯底8崛起的壁4和6。平臺2通過修長支撐支腳10和12被保持為附接至壁4和6，修長支撐支腳10和12提供了平臺2與壁4和6之間的長條形的薄的連接，從而將其保持在襯底8上方。這個長條形的薄的路徑在平臺2和襯底8之間提供了高的熱阻抗。由于入射在平臺2上的紅外(IR)輻射將平臺溫度提升至襯底溫度之上，以便輻射強度被傳感器測量，因此是這有利的。
[0024]圖1所示的實施例中的支腳被附接在與平臺2的相對的角落。這就給出了良好的結(jié)構(gòu)可靠性，同時形成了長條形熱路徑。可按照其它方式連接平臺。(多個)連接可中途沿著桌面，而且連接或每個連接可變成單個壁。但是，修長連接變成使得與平臺結(jié)合處的每個連接的寬度之和小于平臺周長的四分之一。在平臺是矩形的情況下，支腳的與平臺2的邊緣相鄰的界面區(qū)域的寬度之和小于矩形平臺的最短邊的長度。優(yōu)選地，支腳的寬度之和遠(yuǎn)小于最短邊的長度,利用小10%。
[0025]平臺無需是正方形或矩形，可以采用諸如三角形、多邊形(例如六邊形或八邊形)或圓形平臺形狀之類的其他形狀。支腳10可被布置成曲折形并且其中可具有多個轉(zhuǎn)折，和/或可盤旋或圍繞平臺的一部分，但是出于與平臺2的表面平行的平面中。
[0026]修長或長條形的支腳表現(xiàn)出是其寬度幾倍(例如>3倍)的長度，從而在平臺2和壁4和6和襯底之間提供良好的熱傳導(dǎo)的隔離。
[0027]通過將襯底或襯底的一部分布置成負(fù)載平臺2或每個平臺2以處于真空區(qū)域內(nèi)，使得對流最小化。這種真空區(qū)域可以這樣形成，即，將整個襯底放置在具有紅外窗口的真空腔體以允許光入射至平臺2上，和/或可利用適當(dāng)?shù)母綦x組件將蓋直接接合至襯底。
[0028]在基于第一實施例的第二實施例中，平臺2進(jìn)一步被加工，從而使其具有不均勻表面。這可以通過選擇性刻蝕條平臺的一部分來實現(xiàn)。在圖2所示的實施例中，平臺2可刻蝕成形成穿透平臺2的孔20的陣列。這就使得平臺2具有網(wǎng)格類的結(jié)構(gòu)。
[0029]從平臺去除材料降低了平臺的質(zhì)量，從而降低了平臺2的熱容量。但是， 申請人:已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，假設(shè)孔的寬度相當(dāng)于或者小于將被檢測到的入射的光學(xué)輻射的波長，則到來的光學(xué)輻射不會通過開孔，而且其攜帶的能量會留給熱平臺。因此，孔形成了平臺2上的子波長結(jié)構(gòu)。所以，平臺的質(zhì)量顯著減小，而平臺紅外輻射的光子的能力基本上未受影響。因此，平臺可響應(yīng)于入射的輻射流量而快速升溫，從而比未處理成減小其質(zhì)量的平臺更快地達(dá)到新的平衡溫度。
[0030]圖3以平面圖示出了其中在平臺2中形成了正方形開孔的陣列的實施例，其中平臺2的尺寸大致為100微米X 100微米，厚度大致5微米。開孔被布置并設(shè)置尺寸為使得能夠具有大致50%的填充系數(shù)。因此，例如，開孔可具有大約6.3 μ m的邊長，可以在具有大約9 μ m的周期的矩陣中布置開孔。
[0031]在圖2和3中，孔或開孔被示出為具有規(guī)則形狀并被規(guī)則地布置。這僅僅出于示意的方便，而平臺可形成有規(guī)則布置的孔，但是這不是限制。實際上，可刻意改變孔和/或其尺寸之間的間隔以便修整平臺對入射的輻射的響應(yīng)。
[0032]圖4比較了構(gòu)成本發(fā)明實施例的其中形成有開孔陣列的IR傳感器與圖1所示的類似的但是其中未形成有開孔的傳感器的仿真結(jié)果。對于具有8至15 μ m的波長的入射IR，從光子損失的給予開孔平臺的能量由線40表示，而其中未形成有孔的平臺的響應(yīng)由線42表示?？梢钥闯?，結(jié)果非常類似于能量損耗(即，理論上能夠轉(zhuǎn)化成熱的入射能量中有多少被轉(zhuǎn)化成熱)對于其中不具有孔的平臺2，一些波長更好，而且在另一些波長處，具有平坦表面的平臺，平臺中的孔降低了其性能。
[0033]在另一實施例中，平臺的表面可被刻蝕成形成佇立在平臺的上表面上的多個支柱或凸起?？赏ㄟ^利用抗蝕劑掩蓋平臺的一些塊、并隨后在刻蝕期間曝光平臺的剩余部分來提供支柱。例如，如果支柱被形成為規(guī)律陣列，例如矩形矩陣，則平臺可被刻蝕成形成多個交叉的溝槽，并且被溝槽圍繞的區(qū)域形成了支柱?？梢岳斫獾氖牵涛g工藝(例如，各向同性刻蝕)可用于在平臺的材料(例如二氧化硅)中形成“V”形溝槽，因此通過溝槽的適當(dāng)定位以及寬度選擇，支柱可被形成為金字塔似的形狀。該刻蝕工藝還可用來降低支柱的高度，進(jìn)一步減小了平臺的質(zhì)量。該表面結(jié)構(gòu)還傾向于使得從表面反射的而不是被其吸收的任意IR輻射向另一支柱反射，從而給予從光吸收能量的第二次機會。已經(jīng)針對在具有大約10 μ m的周期性的矩陣中名義上6.0 μ m的正方形輪廓的支柱的陣列，建模支柱的性能。
[0034]圖5中以平面圖圖示了陣列，而且8至5 μ m的波長范圍內(nèi)的綜合損耗，其中在圖6所示的5至13 μ m的周期性上建模支柱及圍繞的溝槽?？梢钥闯?，相比于未形成輪廓的(平坦的)二氧化硅，吸收性能8至15 μ m帶寬內(nèi)稍微下降，但是平臺的質(zhì)量可減小大約64%。由此，利用該方案形成的平臺可顯著改進(jìn)對紅外流量的改變的響應(yīng)時間。
[0035]圖7示出了作為入射在支柱的二維陣列上的和平坦的二氧化硅上的6至18 μ m的范圍內(nèi)的光的IR波長的函數(shù)的損耗的仿真。可以看出，對于一些波長(例如大約10 μ m)，支柱陣列優(yōu)于平坦的表面。
[0036]此處呈現(xiàn)的仿真使用單個材料(二氧化硅)，但是可以預(yù)期的是，作為標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的一部分的結(jié)合了諸如氮化硅之類的材料的多層疊層不會實質(zhì)地影響結(jié)果。
[0037]具有開孔陣列的實施例可自支撐，而支柱的陣列不是自支撐的，除非采取步驟來限制限制刻蝕的垂直延伸。但是，在另一實施例中，提供了一個支撐層。自支撐層可被布置成金屬層，這是集成電路制造工藝中的標(biāo)準(zhǔn)配置。金屬層的使用是有利的，這是因為起到了有一個反射器的作用，由此達(dá)到金屬層的輻射被反射回平臺的吸收材料。
[0038]金屬層還呈現(xiàn)為一個熱傳導(dǎo)層，其有助于熱從形成支柱的吸收材料(例如，二氧化硅)傳導(dǎo)至溫度測量組件，例如熱電偶結(jié)或結(jié)。
[0039]優(yōu)選地，金屬層可被穿孔。穿孔用于少量地減小金屬層的質(zhì)量，而不實質(zhì)地影響層內(nèi)的傳導(dǎo)率。它們還具有允許刻蝕劑達(dá)到下面的平臺并改進(jìn)平臺的底部與下面的襯底之間的空腔的刻蝕的優(yōu)勢。這具有雙倍的優(yōu)勢。首先，其降低了平臺從襯底的不完整釋放的危險-因此在暴露至IR時減小了平臺的加熱。其次，其還去除了附接在金屬層的下側(cè)的二氧化硅或其它材料，由此實現(xiàn)了進(jìn)一步控制平臺的厚度，并進(jìn)一步對其減薄。
[0040]圖8圖示了其上形成有吸收支柱陣列的襯有金屬的平臺的平面圖。金屬層被示出為具有從層70延伸的直立支柱72的陣列的項目70。金屬層70中還形成有多個孔74，并且在該示例中多個孔74被形成為具有與支柱72相同的周期性。這是方便的，因為其實現(xiàn)了可一再復(fù)制的可重復(fù)單位單元的定義，但是一般不要求金屬層中的孔74與每個單獨支柱相關(guān)聯(lián)。
[0041]性能的仿真結(jié)果(在當(dāng)前情況下為從電子向其前表面被刻蝕以在其上留下支柱陣列的襯有金屬的平臺2損失的能量)，以波長為變量，與僅僅通過二氧化硅膜制造的等效IR檢測平臺的性能進(jìn)行了比較。支柱陣列的響應(yīng)特征在圖9中被標(biāo)記為80。固態(tài)(平坦的)氧化物膜的響應(yīng)被標(biāo)記為82。支柱的陣列從電子采集了比固態(tài)氧化物平臺2更多的能量，而且其上形成了支柱的該平臺形成的像素具有顯著減小的熱質(zhì)量，由此呈現(xiàn)了改進(jìn)的響應(yīng)性，如以減小的時間常量所展示的那樣，響應(yīng)于入射的輻射的改變(例如，由于平臺2的視野內(nèi)的更熱的主體)而從第一均衡溫度移動至第二均衡溫度。
[0042]平臺內(nèi)金屬層的形成還有利于圖2的實施例，因為其孔20的面積與平臺面積之比增大，同時能夠確保平臺2的結(jié)構(gòu)剛度且提供熱傳輸層來將熱傳導(dǎo)至熱電偶結(jié)。金屬層提供的附加的結(jié)構(gòu)整體性可用來進(jìn)一步減小平臺的質(zhì)量，例如通過壓型支柱以使得它們成為楔形，如圖1Oa和IOb所示。圖1Oa是類似于圖5的穿過平臺的截面圖。此處，通過在CMOS工藝中的傳感器的制造期間，穿過用于形成平臺的二氧化硅和諸如氮化硅之類的其它材料刻蝕開孔，形成了支柱。此處，支柱100被示出為具有6 μ m的名義寬度、以及金屬層102上方的9μπι的周期性。但是，可以使用其它寬度和周期性。
[0043]如果利用各向 同性刻蝕劑刻蝕陣列，則刻蝕劑可能會鉆蝕抗蝕劑，可能使得抗蝕劑變得完全被鉆蝕并與晶圓脫離?？商鎿Q地，在形成圖1Oa的支柱之后，晶圓的圍繞表面可被掩模掩蓋，隨后對圖1Oa的未保護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行各向同性刻蝕，以減小支柱100的高度并產(chǎn)生圖1Ob所示的金字塔形狀的特性。
[0044]雖然“支柱”已經(jīng)被描述為被形成為規(guī)則陣列，但是實施例并不限于使用這樣的規(guī)則幾何形狀和支柱尺寸，支柱間間隔和形狀可改變以修改傳感器的響應(yīng)狀況。因此，支柱間的空隙也無需是均勻的，而是可以在尺寸或深度方面是不均勻的。
[0045]而且，在形成多層傳感器的情況下，它們中的一個或多個可不同于形成在同一集成電路或裸片上的其它傳感器，從而調(diào)整傳感器整體的響應(yīng)。
[0046]圖11示出了圖1、2、3或5的平臺2的角落以及單個支腳12。支腳具有兩個多晶硅軌跡，它們具有不同的摻雜類型或濃度，并且分別以120和122標(biāo)識。軌跡形成了在形成熱電偶的“熱”結(jié)的結(jié)124處相遇的不相似導(dǎo)體。可以在襯底2或壁4和6中或上的多晶硅軌跡120和122和金屬導(dǎo)體之間的界面處形成“冷”結(jié)(參見圖1或2)。熱電偶可形成為鄰接另一支腳，而且熱電偶可串聯(lián)以形成熱電堆。諸如娃錯(SiGe)、Bi2Te3^ Sb2Te3等的其它適當(dāng)材料可用來替代多晶硅。例如，可以在兩個摻雜不同的SiGe導(dǎo)體的界面處形成熱結(jié)。
[0047]與熱電偶相關(guān)的多個這樣的平臺2可布置成陣列以形成成像器件。少量像素至幾千個像素的陣列尺寸都是可行的。[0048]此處描述的平臺并不限于利用特定感測技術(shù)的應(yīng)用。因此，除了在平臺上形成熱電偶，可形成諸如測輻射熱儀之類的傳感器。測輻射熱儀的操作對于本領(lǐng)域技術(shù)人員是已知的。從適當(dāng)已知材料，一個或多個隨溫度變化的電阻器可形成在平臺上或平臺中，并且例如通過將隨溫度變化的電阻器連接在惠斯登電橋電路中，可檢測電阻的改變。
[0049]雖然所描述的示例限于最大15微米的紅外范圍，但是利用適當(dāng)配置的結(jié)構(gòu)，最大大約50微米的更長波長的檢測是可行的。由此，以小于λ的內(nèi)部結(jié)構(gòu)規(guī)模形成多個特性(例如，圓柱或山丘狀結(jié)構(gòu))，其中λ是將被檢測的最大波。λ對于非常長的波(THz)的紅外可以為大約50 X l(T6m,而且對于近紅外可以為大約15Xl(T6m。
[0050]本發(fā)明的實施例的形成對于本領(lǐng)域技術(shù)人員是明顯的。但是，僅僅出于完整的緣故，在此將簡要回顧一下?？刹捎弥敝菱g化的標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝，期間形成熱電偶或熱電堆，以及與平臺或每個平臺相關(guān)的任意金屬層被適當(dāng)?shù)匦纬蓤D案。標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝允許多個金屬層(通常6個)形成在襯底上方，其中以二氧化硅作為隔離物。在臺面中，不需要或者僅僅需要提供一個層。隨后，鈍化被選擇性地打開，而且下面的硅被刻蝕以定義臺面或每個臺面及其支腳的限制。臺面可被構(gòu)造成具有此處討論的子波長特征(開孔和/或支柱)。因此，這些特征實際上是自由的，因為用于形成它們的處理步驟反正是要被執(zhí)行的。最后，各向同性刻蝕(例如，利用XeF2)被用來去除臺面下的硅，從而將其釋放。其它制造選擇包括微加工半導(dǎo)體晶圓。
[0051 ] 隨后，制成的晶圓可封裝在真空封裝中，其可包括用于形成孔來控制視野的特征。
[0052]平臺2還可包括平臺上的或與平臺鄰接的導(dǎo)電軌跡，以使得可以出于測試或校準(zhǔn)目的而對平臺進(jìn)行歐姆加熱。
[0053]因此，可以提供改進(jìn)的光子檢測器。
[0054]雖然已經(jīng)在具體優(yōu)選實施例和示例的環(huán)境中公開了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將能理解的是，本發(fā)明將具體公開的實施例延伸至其它替換實施例和/或本發(fā)明的應(yīng)用及其各種修改和等效。此外，雖然詳細(xì)示出并描述了本發(fā)明的多種變型，但是根據(jù)此處的公開，本發(fā)明范圍內(nèi)的其它修改對于本領(lǐng)域技術(shù)人員是明顯的。還能理解的是，實施例的具體特征和方面的各種組合和次級組合都落入本發(fā)明的范圍內(nèi)。應(yīng)該理解的是，公開的實施例的各種特征和方面可彼此組合或替換，從而形成所公開的方面的變化模式。因此，此處公開的本發(fā)明的范圍不應(yīng)由上述公開的具體實施例限定，而是僅僅由所附權(quán)利要求的完全解讀來確定。
【權(quán)利要求】
1.一種光子傳感器，包括: 由至少一個修長元件支撐的平臺； 平臺上的溫度傳感器；以及 形成在平臺上或者作為平臺一部分的結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其中該結(jié)構(gòu)被刻蝕至平臺內(nèi)以減少平臺的質(zhì)量。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的傳感器，其中該結(jié)構(gòu)包括多個空隙。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的傳感器，其中空隙形成了多個交叉的溝槽。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的傳感器，其中空隙在平臺內(nèi)不具有統(tǒng)一深度。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的傳感器，其中一些空隙的一部分延伸穿過平臺的深度。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其中平臺包括金屬層。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的傳感器，其中平臺進(jìn)一步包括與金屬層相關(guān)的半導(dǎo)體層。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的傳感器，其中平臺進(jìn)一步包括氮化物層。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的傳感器，具有從金屬層的第一側(cè)延伸的多個圓柱或山丘形結(jié)構(gòu)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的傳感器，其中以小于λ的內(nèi)部結(jié)構(gòu)規(guī)模形成多個圓柱或山丘形結(jié)構(gòu)，其中λ是將被檢·測的最大波長并且不大于50Χ10_6。
12.根據(jù)權(quán)利要求7所述的傳感器，其中多個孔延伸通過第一金屬層，并且通過與金屬層的第二側(cè)鄰接布置的任何層。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，包括真空腔體內(nèi)布置成矩陣的通過窗口在第一側(cè)交界的多個平臺。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其中平臺由兩個或者更多修長支腳支撐，所述修長支腳在與平臺的界面具有小于平臺外周的四分之一的組合寬度。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其中溫度傳感器是熱電偶結(jié)。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的溫度傳感器，其中熱電偶結(jié)包括下述之一: a)多晶硅-多晶硅結(jié)，其中摻雜濃度在結(jié)中變化；
b)SiGe-SiGe 結(jié)。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，進(jìn)一步包括平臺上的或者與鄰接平臺的導(dǎo)體，用于向平臺提供歐姆加熱。
18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其中溫度傳感器是隨溫度變化的電阻器。
19.一種形成光子傳感器的方法，包括處理半導(dǎo)體襯底的一部分從而形成被至少一個支腳保持至支撐結(jié)構(gòu)的平臺，而且進(jìn)一步包括在平臺的上表面形成子波長結(jié)構(gòu)，所述結(jié)構(gòu)包括多個隔離的或互連的直立區(qū)域。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中該處理包括掩模和刻蝕襯底以形成平臺。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中平臺被進(jìn)一步刻蝕以形成穿過平臺以處于刻蝕平臺之下的多個孔，從而將其從與下面的襯底的接觸釋放。
22.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中支腳或每個支腳是修長的。
【文檔編號】G01J1/42GK103852161SQ201310624774
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2013年11月28日 優(yōu)先權(quán)日:2012年12月3日
【發(fā)明者】P·M·拉姆伯金, W·A·拉尼 申請人:美國亞德諾半導(dǎo)體公司