微机电红外光感测装置及其制造方法与流程

1.本发明涉及一种微机电红外光感测装置以及此微机电红外光感测装置的制造方法。


背景技术：

2.近年来，微机电红外光感测装置已被应用于各种不同的领域。而在未来，微机电红外光感测装置在工业生产、环境监控、居家照护及温度测量等领域的需求将大幅增加。一般而言，微机电红外光感测装置主要包含红外光吸收层以及红外光感测层。红外光吸收层吸收红外光辐射能量并将辐射能量转化为热能。吸收红外光所转化出的热能造成红外光感测层或是与红外光感测层接触的电极升温，此温度变化使得红外光感测层或电极的电阻值改变，而由于电阻值改变可以观察到电压值或电流大小的改变，进而推算出待测物的温度。
3.可作为红外光感测层的材料需要具备高电阻温度系数(temperature coefficient of resistance，tcr)，因此选择材料方面受到限制。目前，业界普遍使用作为红外光感测层的材料主要是吸收波长为10～14微米(μm)的红外光波段，无法有效利用波长小于10微米的红外光波段的能量，例如业界广泛使用作为红外光感测层的氮化硅对于波长为10～14微米的红外光波段可以有高达85％的吸收率，但对于波长小于10微米的红外光波段仅有55％的吸收率。


技术实现要素：

4.鉴于上述问题，本发明提供一种对于宽广红外光波段具有高吸收率的微机电红外光感测装置，同时提供此微机电红外光感测装置的制造方法。
5.本发明一实施例所揭露的微机电红外光感测装置包含一基板以及设置于基板上方的一红外光感测元件。红外光感测元件包含一感应板以及至少一支撑元件。感应板包含至少一红外光吸收层、一红外光感测层、一感测电极以及多个金属元件。感应板具有多个开孔，这些金属元件各自围绕这些开孔，感测电极与红外光感测层连接，且这些金属元件彼此间隔设置。支撑元件连接感应板与基板。
6.本发明一实施例所揭露的微机电红外光感测装置的制造方法包含：在一基板上形成一牺牲层；在牺牲层中形成至少一支撑元件；在牺牲层上形成一感应板；于感应板形成多个开孔分别贯穿该些金属元件；以及移除该牺牲层。其中感应板包含至少一红外光吸收层、一红外光感测层、一感测电极以及多个金属元件，感测电极与红外光感测层和支撑元件连接，且这些金属元件彼此间隔设置。
7.根据本发明揭露的微机电红外光感测装置及其制造方法，红外光感测元件的感应板除了设置有红外光吸收层之外还额外包含相间隔的多个金属元件以及被这些金属元件围绕的多个开孔。金属元件有助于提升感应板对于波长在8～10微米的红外光波段的吸收率，尤其显著提升对于波长在8～9微米的红外光波段的吸收率。配合红外光吸收层本身对于波长10～12微米的红外光波段具有高吸收率，能满足红外光感测元件对于宽广红外光波
段具备高吸收率的需求。
8.以上关于本发明内容的说明及以下实施方式的说明用以示范与解释本发明的原理，并提供本发明的权利要求更进一步的解释。
附图说明
9.图1为本发明一实施例的微机电红外光感测装置的立体示意图；
10.图2为图1的微机电红外光感测装置的俯视示意图；
11.图3为图1的微机电红外光感测装置中红外光感测元件的分解示意图；
12.图4为图1的微机电红外光感测装置的剖面示意图；
13.图5为图4的微机电红外光感测装置的局部放大示意图；
14.图6至图13为图1的微机电红外光感测装置的制造流程图；
15.图14为图1的微机电红外光感测装置对于不同红外光波段的吸收率图；
16.图15为本发明另一实施例的微机电红外光感测装置的立体示意图。
17.符号说明
18.1、2 微机电红外光感测装置
19.10基板
20.20红外光反射层
21.30、30
”ꢀ
红外光感测元件
22.310 支撑元件
23.320、320
”ꢀ
感应板
24.321 下红外光吸收层
25.321a 第一下红外光吸收子层
26.321b 第二下红外光吸收子层
27.321
”ꢀ
红外光吸收层
28.322 上红外光吸收层
29.322a 第一上红外光吸收子层
30.322b 第二上红外光吸收子层
31.323、323
”ꢀ
红外光感测层
32.324、324
”ꢀ
感测电极
33.324a 指叉电极结构
34.324b 连接臂结构
35.325、325
”ꢀ
金属元件
36.326、326
”ꢀ
开孔
37.327 弹性支臂
38.3251 中心孔
39.3252 内环面
40.50 牺牲层
41.510 贯通孔
42.a1 感测区域
43.a2 光吸收区域
44.a3 工作区域
45.d 金属环的最外围直径
46.w 金属环的宽度
47.t 金属环的厚度
48.dint 相邻两金属环彼此的中心间距
具体实施方式
49.在以下实施方式中详细叙述本发明的详细特征及优点，其内容足以使任何熟悉相关技术人员了解本发明的技术内容并据以实施，且根据本说明书所揭露的内容、权利要求及附图，任何熟悉相关技术人员可轻易理解本发明相关的目的及优点。以下实施例进一步详细说明本发明的观点，但非以任何观点限制本发明的范畴。
50.请参阅图1和图2，其中图1为根据本发明一实施例的微机电红外光感测装置的立体示意图，图2为图1的微机电红外光感测装置的俯视示意图。在本实施例中，微机电红外光感测装置1包含基板10、红外光反射层20以及红外光感测元件30。
51.基板10例如但不限于是具有读取电路的硅基板。红外光反射层20例如但不限于是金属膜，其设置于基板10上。
52.红外光感测元件30设置于基板10上方，且红外光反射层20介于基板10和红外光感测元件30之间。红外光感测元件30包含至少一支撑元件310以及感应板320。支撑元件310例如但不限于是金属柱，其设置于基板10上，并且支撑元件310与基板10的读取电路电连接。感应板320通过支撑元件310悬浮于基板10和红外光反射层20上方。图1绘示有多个支撑元件310设置于基板10上，但支撑元件310的数量并非用以限制本发明。
53.感应板320具有互不重叠的感测区域a1以及光吸收区域a2，且光吸收区域a2围绕感测区域a1。感应板320包含多个红外光吸收层、红外光感测层323、感测电极324以及多个金属元件325。请一并参照图3和图4，其中图3为图1的微机电红外光感测装置中红外光感测元件的分解示意图，图4为图1的微机电红外光感测装置的剖面示意图。在本实施例中，感应板320包含靠近红外光反射层20的下红外光吸收层321以及远离红外光反射层20的上红外光吸收层322。
54.下红外光吸收层321遍布于感测区域a1及光吸收区域a2，并且下红外光吸收层321包含多个红外光吸收子层。更具体来说，下红外光吸收层321包含第一下红外光吸收子层321a以及介于红外光感测层323和第一下红外光吸收子层321a之间的第二下红外光吸收子层321b，并且第一下红外光吸收子层321a和第二下红外光吸收子层321b可具有不同材质以分别对应不同的吸收红外光波段。例如，第一下红外光吸收子层321a材质为氧化硅，第二下红外光吸收子层321b材质为氮化硅，且这两个红外光吸收子层的吸收波长范围具有不同峰值。
55.上红外光吸收层322遍布于感测区域a1及光吸收区域a2，并且上红外光吸收层322包含多个红外光吸收层。更具体来说，上红外光吸收层322包含一第一上红外光吸收子层322a以及介于红外光感测层323和第一上红外光吸收子层322a之间的一第二上红外光吸收子层322b，并且第一上红外光吸收子层322a和第二上红外光吸收子层322b可具有不同材质
以分别对应不同的吸收红外光波段。例如，第一上红外光吸收子层322a材质为氧化硅，第二上红外光吸收子层322b材质为氮化硅，且这两个红外光吸收子层的吸收波长范围具有不同峰值。
56.也就是说，下红外光吸收层321与上红外光吸收层322可具有相对于红外光感测层323呈对称配置的叠层结构，且各个红外光吸收叠层结构中的多个红外光吸收层对应不同的吸收红外光波段。在本实施例中，下红外光吸收层321的第一下红外光吸收子层321a和上红外光吸收层322的第一上红外光吸收子层322a具有相同材质(氧化硅)，并且第二下红外光吸收子层321b和第二上红外光吸收子层322b具有相同材质(氮化硅)。本实施例以红外光吸收层的材质为氧化硅或氮化硅作为举例说明，其并非用以限制本发明。在其他实施例中，红外光吸收层可以是其他材质(如含氮氧化硅)或是复合材质，且各个红外光吸收叠层结构可包含多于两层的红外光吸收层。
57.在本实施例中，下红外光吸收层321以及上红外光吸收层322还具有相同厚度，更进一步来说是第一下红外光吸收子层321a和第一上红外光吸收子层322a具有相同厚度，且第二下红外光吸收子层321b和第二上红外光吸收子层322b具有相同厚度。
58.本实施例的下红外光吸收层321与上红外光吸收层322各自具有由多个子层所组成的叠层结构，但本发明并不以此为限。在其他实施例中，两个红外光吸收层可都为单一材料层，或是仅有其一个红外光吸收层具有叠层结构。此外，本实施例的感应板320包含多个红外光吸收层，但本发明并不以此为限。在其他实施例中，可以只在红外光感测层上方或是感测电极下方形成红外光吸收层。
59.红外光感测层323例如但不限于是非晶硅(a-si)或具有高电阻温度系数的复合材料，其介于下红外光吸收层321及上红外光吸收层322之间。进一步来说，红外光感测层323位于感测区域a1且未延伸至光吸收区域a2。
60.感测电极324与红外光感测层323热接触。详细来说，感测电极324介于下红外光吸收层321与上红外光吸收层322之间，并且感测电极324包含位于感测区域a1的指叉电极结构324a以及位于光吸收区域a2的连接臂结构324b。指叉电极结构324a与红外光感测层323热接触，并且指叉电极结构324a经由连接臂结构324b与支撑元件310电性接触。
61.多个金属元件325设置于下红外光吸收层321与上红外光吸收层322之间，并且这些金属元件325彼此间隔设置。请一并参照图5，为图4的微机电红外光感测装置的局部放大示意图。这些金属元件325都位于光吸收区域a2，并且至少部分金属元件325呈周期性排列。感测电极324与这些金属元件325位于同一层，并且金属元件325与感测电极324电性绝缘。感应板320在对应这些金属元件325的中心孔3251的位置还形成有多个开孔326，使得金属元件325围绕对应的开孔326。开孔326延伸通过下红外光吸收层321、中心孔3251和上红外光吸收层322而贯通感应板320。金属元件325例如但不限于是金属环，并且开孔326的内壁面有一部分是显露出来的金属环的内环面3252，也就是说金属环的内环面3252形成开孔326的部分孔壁面。本实施例的各个金属元件325为正方形的单一金属环，而在其他实施例的金属元件可以是金属圆环或其他多边形环状。
62.此处提及的「金属元件围绕开孔」，包含金属元件的中心孔形成为开孔的一部分，以及金属元件的中心孔的边缘与开孔相间隔。前者的例子如图4、图5的中心孔3251作为开孔326的一部分孔壁面，后者的例子如其他实施例的红外光吸收层填充于中心孔边缘与开
孔间的间隙。
63.以下说明微机电红外光感测装置1的制造方法。请一并参照图6至图13，为图1的微机电红外光感测装置的制造流程图。以下描述制造微机电红外光感测装置1的详细步骤，但所述各步骤的具体实施方式并非用以限制本发明。
64.如图6所示，提供具有读取电路的基板10，并且于基板10上依序形成红外光反射层20和牺牲层50。具体来说，在基板10上沉积金属层(例如厚度约300纳米的铝层)，并且蚀刻进行图案化以形成红外光反射层20。于形成红外光反射层20后，在基板10和红外光反射层20上沉积介电层(例如厚度1000～1500纳米非晶硅来作为牺牲层50。可选择性地在形成介电层之前于红外光反射层20上形成保护层(如sio
x
材质)。
65.如图7和图8所示，在牺牲层50中形成支撑元件310。具体来说，通过蚀刻移除部分牺牲层50以形成贯通孔510，接着在贯通孔510中形成支撑元件310。可以在牺牲层50的上表面和贯通孔510中填充导电材料(如钨)，并且移除位于牺牲层50上表面的部分导电材料而形成支撑元件310。更具体来说，可以采用化学机械平坦化制作工艺(chemical-mechanical planarization，cmp)移除部分导电材料和部分牺牲层50而形成支撑元件310，由此确保牺牲层50上表面足够平坦。
66.接着在牺牲层50上形成感应板320。如图9所示，在牺牲层50上形成感应板320的下红外光吸收层321。具体来说，先沉积厚度约40～100纳米的氧化硅层覆盖支撑元件310和牺牲层50，其中氧化硅层和氮化硅层分别作为下红外光吸收层321的第一下红外光吸收子层321a和第二下红外光吸收子层321b。
67.如图10所示，在下红外光吸收层321上形成感应板320的感测电极324和金属元件325。具体来说，在前述沉积氧化硅层和氮化硅层形成下红外光吸收层321的步骤后，通过蚀刻移除部分氧化硅层和氮化硅层而显露出支撑元件310；或者，在前述沉积氧化硅层和氮化硅层的步骤前，以掩模(mask)遮盖支撑元件310后再进行沉积制作工艺，而让支撑元件310在沉积完成后能显露出来。接着，在下红外光吸收层321的上表面及支撑元件310上沉积导电层(如厚度约50～100纳米的氮化钛)，再接着蚀刻对导电层进行图案化以形成感测电极324和金属元件325。所述图案化可以是执行光刻制作工艺和/或蚀刻制作工艺。
68.参照图5和图10，金属元件325规格与配置举例如下：各个金属环的最外围直径d(即从金属环中心到金属环边缘的径向长度的两倍)为1.3～1.5微米，金属环的宽度w为0.1～0.15微米，金属环的厚度t为50～70纳米，且相邻两金属环彼此的中心间距dint为金属环最外围直径d的三倍。
69.如图11所示，在感测电极324上形成感应板320的红外光感测层323。具体来说，在感测电极324上沉积具有高电阻温度系数的材料层(如厚度约50～100纳米的非晶硅)，接着蚀刻对材料层进行图案化，以在感测电极324的指叉电极结构324a的上方形成红外光感测层323。通过蚀刻被移除的材料层的区域即可定义为感应板320的光吸收区域a2，红外光感测层323和指叉电极结构324a所在位置则可定义为感测区域a1。图10和图11绘示依序先形成感测电极324再形成红外光感测层323，但本发明并不以此为限，在其他实施例中，可以先形成红外光感测层再形成感测电极。此外，所述图案化可以是执行光刻制作工艺和/或蚀刻制作工艺。
70.如图12所示，在红外光感测层323上形成感应板320的上红外光吸收层322。具体来
说，先沉积厚度约100～170纳米的氮化硅层覆盖红外光感测层323和感测电极324，接着于此氮化硅层上沉积厚度约40～100纳米的氧化硅层，再接着通过蚀刻对氧化硅层和氮化硅层进行图案化，以形成上红外光吸收层322的第一上红外光吸收子层322a和第二上红外光吸收子层322b。所述图案化可以是执行光刻制作工艺和/或蚀刻制作工艺。
71.如图13所示，移除部分下红外光吸收层321、部分上红外光吸收层322和每一金属元件325的部分，以形成感应板320的开孔326和弹性支臂327。接着，通过蚀刻移除牺牲层50，而在下红外光吸收层321与红外光反射层20之间形成间隙。
72.当红外光自外部入射至微机电红外光感测装置1时，经过感应板320的红外光的辐射能量能被下红外光吸收层321和上红外光吸收层322吸收，而使红外光感测层323的温度上升，进而与红外光感测层323热接触的感测电极324温度也跟着上升。感测电极324温度上升导致其电阻值改变，因而基板10的读取电路可以获得电信号(如电压值变化或电流值变化)。
73.在本实施例中，位于光吸收区域a2的金属元件325以及与金属元件325对应的开孔326有助于提升感应板320对于波长在8～10微米的红外光波段的吸收率，尤其显著提升对于波长在8～9微米的红外光波段的吸收率。图14为图1的微机电红外光感测装置对于不同红外光波段的吸收率图。其中，感应板中没有设置金属元件和开孔的微机电红外光感测装置作为比较例，其对于波长8微米的红外光波段的吸收率仅有55％。相较于感应板中没有设置金属元件和开孔的比较例，设置包含多个氮化钛金属环以及开孔的感应板能有效提升对于波长在8～10微米的红外光波段的吸收率，尤其对于波长8微米的红外光波段吸收率至少提升25％(图14中，波长8微米的红外光波段吸收率从55％上升至82.5％，足足提升27.5％)。在本发明其他实施例中，使用不同金属材质形成的同规格感应板也证实能提升吸收率，例如包含多个由金制成的金属环以及开孔的感应板对于波长8微米的红外光波段吸收率从55％上升至89％，包含多个由铜制成的金属环以及开孔的感应板对于波长8微米的红外光波段吸收率从55％上升至91％。
74.在本实施例中，各个红外光吸收叠层结构(下红外光吸收层321、上红外光吸收层322)包含多个红外光吸收层用于吸收不同波段的红外光能量。红外光吸收叠层结构有助于提升吸收率以使微机电红外光感测装置1的填充因子(fill factor)数值上升。此外，对称配置的下红外光吸收层321和上红外光吸收层322可具有相同或近似的材料性质(如热膨胀系数或杨氏系数)、结构及尺寸，因此在制造红外光感测装置1的过程中能避免感应板320翘曲(warpage)或产生过多热应力，有助于提升微机电红外光感测装置1的制造良率。
75.此外，在本实施例中，感测电极324包含指叉电极结构324a，并且指叉电极结构324a相较于传统电极结构具有电极间距短和电阻值低的优点，因此指叉电极结构324a提供比传统电极结构还要小的工作面积就能够具有足够小的噪声等效温度差(netd)来满足微机电红外光感测装置1的热灵敏度需求，符合小型化发展趋势。同时，由于指叉电极结构324a的小尺寸工作面积，需要跟指叉电极结构324a重叠的红外光感测层323的尺寸也能跟着缩减，这意味着用于吸收红外光能量的红外光吸收层的工作面积随着增加，而更进一步增大微机电红外光感测装置1的填充因子。
76.再者，在本实施例揭露的制造方法中，由于感应板320的下红外光吸收层321形成于牺牲层50上，并且牺牲层50的上表面以化学机械平坦化制作工艺处理，因此在移除牺牲
层50后，下红外光吸收层321于朝向红外光反射层20的一侧具有平坦表面。具有平坦下表面的下红外光吸收层321能确保感应板320和红外光反射层20之间的间隙大小保持一致，使微机电红外光感测装置1能达到最佳的感测效能，并且搭配对称配置的红外光吸收叠层结构设计能进一步提升微机电红外光感测装置1的制造良率。
77.在图1至图5的实施例中绘示感应板320中红外光感测层323的面积小于上、下红外光吸收层322、321的面积，并且感应板320的开孔326延伸经过上、下红外光吸收层322、321且未延伸经过红外光感测层323，但本发明并不以此为限。
78.图15为根据本发明另一实施例之微机电红外光感测装置的立体示意图。在本实施例中，微机电红外光感测装置2包含基板10、红外光反射层20以及红外光感测元件30”。红外光感测元件30”包含支撑元件310以及感应板320”，且感应板320”包含至少一红外光吸收层321”、红外光感测层323”、感测电极324”以及金属元件325”。红外光感测层323”设置于红外光吸收层321”上并且遍布红外光吸收层321”的所有区域。感测电极324”包含多个指状电极。感应板320”的开孔326”延伸经过红外光感测层323”与红外光吸收层321”。各个金属元件325”为单一金属环围绕对应的开孔326”，并且金属环的内环面形成开孔326”的部分孔壁面。
79.在本实施例中，这些金属元件325”与这些开孔326”均是间隔设置于感应板320”上的所有区域。进一步来说，对于由感测电极324”的部分指状电极所定义出的一个工作区域a3，感应板320”的红外光吸收层321”与红外光感测层323”遍布整个工作区域a3。在形成红外光吸收层321”、红外光感测层323”和金属元件325”之后，可以移除部分红外光感测层323”、部分红外光吸收层321”与金属元件325”的部分而形成开孔326”。于任一个工作区域a3中，金属元件325”与开孔326”均是呈周期性排列。另外如图15所示，在不同工作区域a3的两个金属元件325”彼此的间隔距离可取决于感测电极324”的指状电极的宽度。
80.综上所述，根据本发明揭露的微机电红外光感测装置及其制造方法，红外光感测元件的感应板除了设置有红外光吸收层之外还额外包含相间隔的多个金属元件以及被这些金属元件围绕的多个开孔。金属元件有助于提升感应板对于波长在8～10微米的红外光波段的吸收率，尤其显著提升对于波长在8～9微米的红外光波段的吸收率。配合红外光吸收层本身对于波长10～12微米的红外光波段具有高吸收率，能满足红外光感测元件对于宽广红外光波段具备高吸收率的需求。