專利名稱：紅外傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種帶有安裝在基板上的熱紅外感測(cè)(thermal infrared sensing)元件的紅外傳感器。
背景技術(shù)：
美國(guó)專利No.6， 359, 276披露了一種紅外傳感器，該紅外傳感器包括以 并行(side-by-side)方式排布在半導(dǎo)體基板頂部上的熱紅外感測(cè)元件和半導(dǎo) 體器件。該熱紅外感測(cè)元件保持在形成于基板頂面中的傳感器支座(mount) 上，同時(shí)由從傳感器支座延伸到基板其余部分的梁所支撐。傳感器支座和梁 是由基板的一部分頂面限定的，該部分頂面轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗫捉Y(jié)構(gòu)，用以使紅外感 測(cè)元件與基板其余部分熱絕緣。亦即，傳感器支座和梁是通過將形成在半導(dǎo) 體基板表面中的摻雜區(qū)的頂部陽極化為多孔體而形成的。由此，現(xiàn)有技術(shù)盡 可能地利用半導(dǎo)體基板以便在基板的頂面內(nèi)形成傳感器支座。然而，由于傳 感器支座局限于基板的頂面內(nèi)，所以實(shí)際上不可能在直接位于傳感器支座或 傳感器元件下方的半導(dǎo)體基板中形成半導(dǎo)體器件。更具體地，由于多孔梁只 在基板的頂面內(nèi)延伸，所以傳感器支座不可能升高到基板的總體頂部平面的 上方。
日本專利公開No.2000-97765披露了另一種現(xiàn)有技術(shù)，其中，為使感測(cè) 元件與基板充分熱絕緣，傳感器支座以與用以安裝紅外感測(cè)元件的基板隔開 的方式被支撐。在此情況下，傳感器支座通過從傳感器支座向下及向外傾斜 并終結(jié)于基板上的梁來支撐。所述梁及傳感器支座是由氧化硅或氮化硅制 成，這些材料被認(rèn)為具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，用于以與基板頂面隔開的方式支 撐傳感器支座和紅外感測(cè)元件。然而，人們發(fā)現(xiàn)這種使用傾斜梁的支撐結(jié)構(gòu) 并不適合于使紅外感測(cè)元件精確地保持在期望的高度。當(dāng)多個(gè)感測(cè)元件排布 成二維陣列時(shí)，關(guān)于高度的精確定位尤其重要。然而，如上文的美國(guó)專利中
所述，當(dāng)為增強(qiáng)熱絕緣而要求使用多孔材料制成的梁和傳感器支座時(shí)，傳感
5器支座的支撐結(jié)構(gòu)使用傾斜梁并不足以穩(wěn)定地支撐紅外傳感器，因此需要一 種不能夠從上述的任一公開內(nèi)容獲得的特定的設(shè)計(jì)。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于以上問題，本發(fā)明旨在實(shí)現(xiàn)一種具有有利結(jié)構(gòu)的紅外傳感器，該紅 外傳感器能夠使用多孔材料以與基板頂面隔開的方式支撐紅外傳感器元件， 并確保穩(wěn)固地使紅外感測(cè)元件精確地保持在期望的高度。
根據(jù)本發(fā)明的紅外傳感器包括基板；傳感器單元，其承載在該基板上； 以及密封罩，其固定到該基板上，以在兩者之間提供用于容納傳感器單元的 氣密性密封空間(hermetically sealed space)。該傳感器單元包括熱紅外感 測(cè)元件；傳感器支座，其上承載該紅外傳感器； 一對(duì)梁，其從該傳感器支座 整體地延伸到該基板，用于以從基板頂面向上隔開的方式來支撐該傳感器支 座；以及一對(duì)端子焊盤(terminal land)，其形成在該基板的頂面上。傳感器 支座和梁由多孔材料制成，用以使紅外感測(cè)元件與基板充分地?zé)峤^緣。密封 罩具有窗口，入射的紅外線經(jīng)過該窗口投射到該熱紅外感測(cè)元件上；紅外感 測(cè)元件具有一對(duì)引線，各引線支撐在各梁的頂面上，以沿著所述梁延伸，用 于與各對(duì)應(yīng)的端子焊盤電連接。
所述弓I線分別承載在所述梁上，所述梁在與傳感器支座相同的平面內(nèi)延 伸，并與基板的上表面隔開。傳感器單元還包括一對(duì)錨固柱(anchor stud)， 各錨固柱從各端子焊盤中豎立起來，并且各錨固柱的上端連接到該感測(cè)元件 的各對(duì)應(yīng)引線的末端。由此，感測(cè)元件通過錨固柱與基板上的傳感器支座支 撐在一起，并保持與基板的頂面隔開，同時(shí)所述感測(cè)元件通過所述錨固柱電 連接到基板上的端子焊盤。通過這種設(shè)置，錨固柱承載引線，從而承載紅外 感測(cè)元件，由此將紅外感測(cè)元件保持在基板頂面上方的固定高度上。此外， 各錨固柱的上端嵌入各對(duì)應(yīng)的梁中，以使各錨固柱的周邊被各對(duì)應(yīng)的梁完全 包圍。由此，多孔材料的梁能夠與所述錨固柱分別良好地接合，以使傳感器 支座能夠固定到支持紅外感測(cè)元件的錨固柱上。由此，由于紅外感測(cè)元件被 用于增強(qiáng)與基板頂面的熱絕緣的多孔材料的傳感器支座及梁良好地支撐，所 以紅外感測(cè)元件能夠精確地保持在期望的高度上。
優(yōu)選地，各引線通過沉積而形成在各對(duì)應(yīng)的梁上。在此情況下，各所述錨固柱的上端部裝配到形成于各對(duì)應(yīng)的梁的端部中的孔內(nèi)，且各所述錨固柱
的上端形成有翼緣(flange)，所述翼緣圍繞所述孔疊合在所述梁上，并連 接到各對(duì)應(yīng)的引線。翼緣在錨固柱和梁之間提供了增大的接觸區(qū)域，以增強(qiáng) 多孔材料的梁對(duì)錨固柱的分子間附著作用(intermolecular adhesion)，從而 將梁和傳感器支座保持在基板頂面上方的固定高度。
各引線和相關(guān)聯(lián)的錨固柱可以共同地(commonly)由導(dǎo)電材料制成，以 便彼此連續(xù)(continuous)，從而可以通過單獨(dú)的一個(gè)步驟來形成引線和錨固 柱。
或者，引線和錨固柱可由分開的步驟形成，以使各錨固柱的翼緣具有與 相關(guān)聯(lián)引線的端部疊合的部分，從而使兩者在疊合部分處結(jié)合(bond)在一 起。在此情況下，錨固柱優(yōu)選為具有均勻的厚度，該厚度大于引線的厚度。 通過這種設(shè)置，錨固柱具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，用以支撐紅外感測(cè)元件和傳感 器支座，同時(shí)減小了引線的厚度以提高紅外感測(cè)元件的靈敏度。
各所述錨固柱被各多孔材料的襯套(sleeve)沿著各所述錨固柱的豎直 長(zhǎng)度包圍，以同樣圍繞錨固柱進(jìn)行熱絕緣。襯套還能夠用于附加支撐梁的端 部。在這種連接中，襯套可以作為梁的組成部分而與梁一體地形成。
多孔材料可以是氧化硅、硅氧烷基有機(jī)聚合物以及硅氧垸基無機(jī)聚合物 中的一種。
優(yōu)選地，使氣密性密封空間減壓，用以增強(qiáng)紅外感測(cè)元件和基板之間的 熱絕緣。
在優(yōu)選實(shí)施例中，多個(gè)傳感器單元以陣列形式共同地排布在基板上。在 此情況下，所述多個(gè)傳感器單元的感測(cè)元件能夠保持在距離基板頂面固定高 度的位置處，以確保各傳感器單元的輸出保持一致。
密封罩的窗口可設(shè)置有透鏡陣列，在該透鏡陣列中，多個(gè)光學(xué)透鏡排布 成陣列，以便將入射的紅外線會(huì)聚在所述傳感器單元中的任一個(gè)紅外傳感器 上。在這種連接中，透鏡陣列可與密封罩一體地形成，從而形成該密封罩的 一部分。
或者，可以將透鏡陣列疊置(superimposed)在窗口上并位于密封罩的 與傳感器單元相對(duì)的表面上。在此情況下，透鏡陣列構(gòu)造為具有比該窗口的 折射率更小的折射率。因此，可以使紅外線穿過折射率更小的介質(zhì)而射向感
7測(cè)元件，以便減小窗口與外界環(huán)境之間、窗口與透鏡之間、以及透鏡與氣密 性密封空間內(nèi)的介質(zhì)之間的各界面處的總的反射損失，從而增大紅外感測(cè)元 件處的紅外線接收量，用以改善響應(yīng)。


圖1是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的紅外傳感器的立體圖2是上述紅外傳感器的剖視圖3是上述紅外傳感器的分解立體圖4是上述傳感器中包含的傳感器單元的立體圖5是沿圖4的線5-5的剖視圖6是上述傳感器單元的電路圖7是上述傳感器單元的一部分的局部放大立體圖； 圖8是沿圖7的線8-8的剖視圖9包括(A)至(H)，其均為示出制造上述傳感器單元的步驟的剖 視圖IO是上述傳感器單元的變型的一部分的局部立體圖； 圖11是沿圖10的線11-11的剖視圖12包括(A)至(H)，其均為示出制造上述傳感器單元的變型的步 驟的剖視圖13是根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的傳感器單元的放大立體圖14是沿圖13的線14-14的剖視圖15是上述傳感器單元的一部分的剖視圖16包括(A)至(K)，其均為示出制造圖13的傳感器單元的步驟 的剖視圖17是示出上述紅外傳感器的變型的立體圖18是示出上述紅外傳感器的變型的立體圖19是示出上述紅外傳感器的變型的立體圖；以及
圖20是示出上述紅外傳感器的另一個(gè)變型的剖視圖。
具體實(shí)施例方式
8現(xiàn)在參閱圖1至圖3，其示出根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的紅外傳感器。該
紅外傳感器包括多個(gè)傳感器單元100，所述多個(gè)傳感器單元100排列為二維 陣列以構(gòu)成熱圖像傳感器(thermal image sensor)，盡管本發(fā)明并不以此為 限。所述多個(gè)傳感器單元100共同地形成在單個(gè)半導(dǎo)體基板10上，并容納 在基板10和固定在基板10上的密封罩200之間所限定的氣密性密封空間內(nèi)。 將該密封空間減壓，以使其與外界環(huán)境熱絕緣。密封罩200由硅制成，以便 提供可透過紅外線的窗口 202，用以將紅外線導(dǎo)向傳感器單元100。窗口 202 一體地形成有具有多個(gè)凸透鏡204的透鏡陣列，各凸透鏡204對(duì)應(yīng)于各傳感 器單元IOO，用以將紅外線聚焦到各傳感器單元IOO。
如圖4和圖5中所示，各傳感器單元100包括形成在半導(dǎo)體基板10 的頂面上的半導(dǎo)體器件20;以及支撐在基板10上的、與半導(dǎo)體器件20相間 隔的熱紅外感測(cè)元件30。半導(dǎo)體器件20與紅外感測(cè)元件30電耦合，以將傳 感器輸出提供給外部處理電路，該外部處理電路根據(jù)紅外感測(cè)元件30上的 紅外線接收量來分析傳感器輸出，用以測(cè)量溫度或確定發(fā)射紅外線的物體的 存在。
半導(dǎo)體器件20例如是MOSFET晶體管，該晶體管導(dǎo)通和斷開以響應(yīng)于 施加在該晶體管上的觸發(fā)信號(hào)而提供傳感器輸出。晶體管是利用公知技術(shù)制 作在基板10的頂面上，并包括摻雜阱區(qū)域21，其具有漏極22、源極23、 柵極24、漏電極25、源電極26以及柵電極28。所述電極分別電連接到露出 于傳感器單元頂面上的端子墊。以下，用術(shù)語"晶體管"代表半導(dǎo)體器件20， 盡管本發(fā)明并不局限于使用所示出的單個(gè)晶體管。在基板10的大致整個(gè)頂 面上例如形成由Si02或SiN制成的介電層12，以遮蔽其下面的晶體管20。 當(dāng)晶體管20與基板頂部上的電極聯(lián)接時(shí)，介電層12形成為覆蓋基板的除電 極之外的整個(gè)頂面。
各傳感器單元100均包括傳感器支座40，用以在其上承載感測(cè)元件 30; —對(duì)水平梁42，其從傳感器支座40的相對(duì)側(cè)在與傳感器支座40相同的 平面上延伸，以將傳感器支座支撐在基板IO上；以及形成在基板10的頂面 上的一對(duì)端子焊盤50。熱紅外感測(cè)元件30由沉積在傳感器支座40上的金屬 氮化物(諸如氮化鈦)制成，以形成圖案化的條帶(patterned strip)，該條 帶具有與紅外線的入射量或強(qiáng)度成比例的變化的電阻，并且該條帶包括一對(duì)導(dǎo)體或引線32，所述導(dǎo)體或引線32在梁42上沿著梁42延伸，以分別與端 子焊盤50電連接。傳感器支座40和梁42由多孔材料制成，以使紅外感測(cè) 元件30有效地與基板10和晶體管20熱絕緣。本實(shí)施例中使用的多孔材料 是多孔硅(Si02)，并且可以是硅氧烷基(siloxane-based)有機(jī)聚合物或硅 氧烷基無機(jī)聚合物。
各端子焊盤50均設(shè)置有向上凸出以保持各相關(guān)聯(lián)的梁42的末端的錨固 柱52，以使傳感器支座40定位在基板10的頂面上方的一定高度上，從而將 感測(cè)元件保持為向上離開基板10的頂面，即直接位于晶體管20的上方。錨 固柱52由與感測(cè)元件30相同的材料制成，并且該錨固柱的上端與引線32 結(jié)合。如圖7和圖8所明確顯示，錨固柱52呈中空?qǐng)A柱體形，其上端裝配 到形成于相關(guān)聯(lián)的梁42的端部中的孔44內(nèi)。錨固柱52的上端形成有翼緣 54，該翼緣54圍繞孔44疊合在梁42上，并且該翼緣的一部分周邊與延伸 在梁42上的引線32的端部結(jié)合。由于各引線32分別與基板10上豎立的各 錨固柱52 —體地制造，因此紅外感測(cè)元件30通過引線32和錨固柱52支撐 在基板10上，以便保持在離開基板10的頂面的、恰好對(duì)應(yīng)錨固柱52長(zhǎng)度 的高度處。如下所述，感測(cè)元件30和引線32分別沉積在傳感器支座40及 梁42上，以形成分子間附著力，使傳感器支座40和梁42分別固定到感測(cè) 元件30和引線32。由此，傳感器支座40和梁42被感測(cè)元件30和固定在錨 固柱52上的引線32承載，從而也通過錨固柱52支撐到基板10上。由于錨 固柱52裝配在梁42端部的孔44內(nèi)，所以梁42的端部包圍錨固柱52的上 端的整個(gè)周邊，從而也通過圍繞孔44的分子間附著作用而固定到錨固柱52 的上端，以將梁42或傳感器支座40良好地支撐在錨固柱52或基板10上。 此外，翼緣54提供圍繞孔44的整個(gè)周邊的、增大的與梁42的接觸表面積， 以提供額外的分子間附著力，用以將梁42穩(wěn)固地支撐在錨固柱52上。
如圖6中所示，端子焊盤50分別設(shè)置有墊55和57，用以分別連接參考 電壓源Vref及晶體管20的源電極26。柵電極(圖5中未示出)經(jīng)由埋設(shè)線 路(buried line) 27連接到對(duì)應(yīng)的端子墊28，以連接控制晶體管20導(dǎo)通和斷 開的外部電路。漏電極25經(jīng)由埋設(shè)線路29連接到端子墊16，以將傳感器輸 出提供到用于探測(cè)目標(biāo)物體發(fā)出的紅外線的外部電路。
在介電頂層12的頂部上形成由例如鋁的金屬制成的紅外反射體(reflector) 17,使穿過紅外感測(cè)元件30的紅外線反射回該紅外感測(cè)元件上 以增強(qiáng)靈敏度。紅外感測(cè)元件30和紅外反射體17之間的距離(d)設(shè)定為d =V4，其中X為從目標(biāo)物體發(fā)出的紅外線的波長(zhǎng)。當(dāng)用紅外傳感器檢測(cè)人體 時(shí)，由于人體發(fā)出的紅外線波長(zhǎng)a)為10 因此該距離被設(shè)定為2.5 pm。
多孔材料的孔隙率優(yōu)選為介于40%至80%的范圍內(nèi)，以確保足夠的機(jī) 械強(qiáng)度，并同時(shí)確保良好的熱絕緣效果。
在這種連接中應(yīng)注意的是，多孔硅(Si02)具有優(yōu)異的隔熱效果，用以 確保經(jīng)由梁42到基板10的熱傳導(dǎo)最小，并且還要確保傳感器支座40的熱 容量最小，從而提高紅外傳感器的靈敏度。
具有上述構(gòu)造的傳感器單元通過圖9A至圖9H中所示的步驟制作。在晶 體管20形成于半導(dǎo)體基板10的頂部上之后，利用熱氧化形成Si02介電頂層 12，以覆蓋基板10的整個(gè)頂面，如圖9A中所示?；蛘?，利用化學(xué)氣相沉積 形成SiN介電頂層12。接著，在介電頂層12上利用濺射來沉積鋁層，隨后 進(jìn)行選擇性地蝕刻，以在介電頂層12上剩余形成(leave)端子焊盤50和紅 外反射體17，如圖9B中所示。之后，在介電頂層12的整個(gè)頂面上利用旋涂 技術(shù)(spin coating technique)涂覆由合適的抗蝕材料(resist material)形成 的犧牲層60，如圖9C中所示。犧牲層60也可通過旋涂技術(shù)由聚酰亞胺形成， 或通過沉積由礦物粉(meal)形成，或甚至通過化學(xué)氣相沉積由多晶硅形成。
隨后，在犧牲層60上利用旋涂技術(shù)涂覆多孔硅(Si02)溶液以形成多孔 層70，如圖9D中所示。其后，利用合適的抗蝕劑(resist)來掩蓋多孔層70， 并進(jìn)行選擇性地蝕刻，以形成傳感器支座40和各個(gè)梁42，并同時(shí)形成在多 孔層70和犧牲層60中延伸并通向端子焊盤50的通孔72，如圖9E中所示。 通孔72可利用光刻、干蝕刻或濕蝕刻來形成。接著，利用濺射在傳感器支 座40上、梁42上及通孔72內(nèi)沉積鈦導(dǎo)電層80，隨后利用濺射來涂布氮化 鈦保護(hù)層，如圖9F中所示。其后，選擇性地蝕刻導(dǎo)電層80和該保護(hù)層，以 在傳感器支座40上剩余形成紅外感測(cè)元件30的圖案化條帶，并在對(duì)應(yīng)的梁 42上剩余形成引線32，同時(shí)在各通孔72內(nèi)分別剩余形成帶有翼緣54的錨 固柱52，以完成從感測(cè)元件30到端子焊盤50的電連接，如圖9G中所示。 由此，錨固柱52與引線32、進(jìn)而與感測(cè)元件30制作為一體并且是連續(xù)的， 以使這些部件結(jié)合成單一結(jié)構(gòu)(unitary structure)。最后，蝕刻犧牲層60以獲得傳感器單元，如圖9H中所示。
形成感測(cè)元件30、引線32和錨固柱52的導(dǎo)電材料可以為覆蓋有氮化鈦 或金的鈦或鉻。該單一結(jié)構(gòu)的感測(cè)元件30、引線32和錨固柱52優(yōu)選具有 0.2pm或更大的均勻厚度。
圖IO至圖11示出上述實(shí)施例的一個(gè)變型，該變型與上述實(shí)施例的不同 之處僅在于錨固柱52與引線32獨(dú)立地形成，但固定在引線32上。當(dāng)引線 32和感測(cè)元件30的厚度減小以提高對(duì)入射的紅外線的敏感度、同時(shí)感測(cè)元 件30以及傳感器支座40穩(wěn)固地支撐到錨固柱52上時(shí)，該變型尤其是有利 的。例如，感測(cè)元件30和引線32選擇為具有小于0.2(im的厚度，同時(shí)錨固 柱52設(shè)計(jì)為具有0.2nm或更大的厚度。在該變型中，引線32的端部結(jié)合到 與其疊合的翼緣54的一部分上，以便將感測(cè)元件30固定地支撐在錨固柱52 上。
圖12A至圖12H示出了制造根據(jù)該變型的傳感器單元的步驟。在頂面 上形成有晶體管20的基板10的介電頂層12上形成端子焊盤50和紅外反射 體17之后(圖12A)，在介電頂層12的整個(gè)頂面上利用旋涂技術(shù)涂覆由合 適的抗蝕材料形成的犧牲層60，如圖12B中所示。隨后，在犧牲層60上利 用旋涂技術(shù)涂覆多孔硅(Si02)溶液以形成多孔層70，如圖12C中所示。其 后，利用合適的抗蝕劑來遮蔽多孔層70，并進(jìn)行選擇性地蝕刻，以形成傳感 器支座40和各個(gè)梁42，并同時(shí)形成在多孔層70和犧牲層60中延伸并通向 端子焊盤50的通孔72，如圖12D中所示。隨后，利用濺射在傳感器支座40 上和梁42上沉積鈦或鉻導(dǎo)電層，隨后利用濺射來涂布氮化鈦或金保護(hù)層， 如圖12E中所示。其后，選擇性地蝕刻導(dǎo)電層80和該保護(hù)層，以在傳感器 支座40上剩余形成紅外感測(cè)元件30的圖案化條帶，并在對(duì)應(yīng)的梁42上剩 余形成引線32，如圖12F中所示。在進(jìn)行濺射以將鈦或鉻的另一種導(dǎo)電材料 沉積到通孔72中以及部分沉積在引線32的端部上、且沉積厚度大于感測(cè)元 件30和引線32的厚度之后，選擇性地蝕刻該材料以形成錨固柱52，如圖 12G中所示。在此步驟中，各錨固柱52的翼緣54分別與引線32結(jié)合，從 而將感測(cè)元件30、引線32、傳感器支座40和梁42支撐在錨固柱52上。最 后，蝕刻犧牲層60以獲得傳感器單元，如圖12H中所示。
圖13至圖15示出了根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的傳感器單元，該實(shí)施例與第一實(shí)施例的不同之處僅在于熱紅外感測(cè)元件30A的結(jié)構(gòu)。相同的部件以相 同的附圖標(biāo)記加上后綴"A"表示，并且為簡(jiǎn)化起見，這里不做重復(fù)性說明。
熱紅外感測(cè)元件30A包括保持在下電極131和上電極132之間的非晶硅 電阻層130，所述下電極和上電極分別通過引線32A連接到端子焊盤50A。 電阻層130響應(yīng)于紅外線入射量的變化而在上電極和下電極之間表現(xiàn)出不同 的電阻。如此構(gòu)造的紅外感測(cè)元件30A承載在傳感器支座40A上，并與該 傳感器支座40A —起支撐在錨固柱52A上。錨固柱52A沉積在端子焊盤50A 上以從該端子焊盤向上凸出，并且各錨固柱的上端分別形成有翼緣54A，所 述翼緣與分別從下電極131和上電極132延伸的引線32結(jié)合。因此，包括 引線32A的整個(gè)感測(cè)元件30A與錨固柱52A —體制成，并間隔地支撐在基 板10A上。 一對(duì)梁42從多孔材料的傳感器支座40A整體地延伸，以在所述 梁上承載引線32A，從而使感測(cè)元件30A和引線32A與基板10A熱絕緣。 各錨固柱52A由一襯套46包圍，該襯套46與相關(guān)聯(lián)的梁42A —體制成， 如圖15中所示。梁42A和襯套46通過分子間作用力分別附著到引線32A 和錨固柱52A，從而也通過錨固柱52A支撐在基板10A上。在上電極132 上沉積紅外吸收體(absorber) 134，以有效地收集紅外線。紅外吸收體134 可由SiON、 Si3N4、 Si02或金黑(goldblack)形成。
現(xiàn)在參照?qǐng)D16A至圖16K說明制造上述傳感器單元的過程。在單晶硅 基板10A的頂部上形成了晶體管20A之后，利用熱氧化形成Si02介電頂層 12A，以覆蓋基板10A的整個(gè)頂面，如圖16A中所示。其后，在介電頂層12A 上利用濺射沉積鋁層，隨后進(jìn)行選擇性地蝕刻，以在介電頂層12A上剩余形 成端子焊盤50A和紅外反射體17A，如圖16B中所示。之后，在介電頂層 12A的整個(gè)頂面上利用旋涂技術(shù)涂覆由合適的抗蝕材料形成的犧牲層60A， 如圖16C中所示。其后，蝕刻部分犧牲層60A，以剩余形成一對(duì)通孔62A， 各通孔62A均露出端子焊盤50A，如圖16D中所示。隨后，在犧牲層60A 上利用旋涂技術(shù)涂覆多孔硅(Si02)溶液，以在犧牲層60A上及通孔62A內(nèi) 形成多孔層70A，此后，局部蝕刻其中一個(gè)通孔62A內(nèi)的多孔材料，以形成 露出端子焊盤50A的導(dǎo)通孔(via-hole) 72A，如圖16E中所示。
接著，利用濺射在多孔層70A上以及導(dǎo)通孔72A內(nèi)沉積鉻，隨后進(jìn)行 '選擇性蝕刻，以在多孔層70A上形成下電極131和相關(guān)聯(lián)的引線32A，并同
13時(shí)形成由多孔材料的襯套46包圍的錨固柱52A，如圖16F中所示。然后， 利用化學(xué)氣相沉積(CVD)方法在多孔層70A上、下電極131的上方沉積形 成非晶硅，隨后進(jìn)行選擇性地蝕刻以在下電極131上形成電阻層130，如圖 16G中所示。其后，選擇性地蝕刻延伸到其余的通孔62A內(nèi)的多孔層70A， 以剩余形成露出相關(guān)聯(lián)的端子焊盤50A的另一個(gè)導(dǎo)通孔72A，如圖16H中所 示。然后，在多孔層70A和電阻層130上沉積鉻層，并進(jìn)行選擇性地蝕刻以 形成上電極132和從該上電極延伸的相光聯(lián)的引線32A，如圖161中所示。 在此步驟中，還將鉻沉積在導(dǎo)通孔72A內(nèi)以形成將引線32A連接到相關(guān)聯(lián) 的端子焊盤50A的錨固柱52A。因此，感測(cè)元件30A的引線32A是與錨固 柱52A —體地制成，從而通過錨固柱52A將感測(cè)元件30A支撐在基板10A 上。其后，在多孔層70A上、上電極132的上方沉積SiON層，隨后進(jìn)行蝕 刻以在上電極132的頂部形成紅外吸收體134，如圖16J中所示。在用合適 的抗蝕劑遮蔽多孔層70A并進(jìn)行選擇性地蝕刻以剩余形成傳感器支座40A 和各個(gè)梁42A之后，蝕刻犧牲層60A,以獲得傳感器單元，如圖16K中所示。
在上述的實(shí)施例中，多孔層或相應(yīng)形成的部分是由多孔硅制成。然而， 本發(fā)明可使用其他多孔材料，例如其包括硅氧垸基有機(jī)聚合物(諸如含甲 基的聚硅氧烷)、硅氧烷基無機(jī)聚合物(諸如含SiH的硅氧垸)、以及二氧 化硅氣凝膠。
此外，多孔材料可以是包括中空微粒和基體形成材料(matrix-forming material)的多孔基體復(fù)合物(porous matrix composite)。中空微粒被定義為 具有由殼體包圍的空腔，該殼體優(yōu)選為由金屬氧化物或硅石(silica)制成。 中空微粒可選自專利申請(qǐng)JP 2001-233611中所披露的或可購(gòu)得的材料。特別 地，該殼體可由選自以下的材料之一或其組合制成Si02、 SiOx、 Ti02、 TiOx、 Sn02、 Ce02、 Sb205、 ITO、 AT0W&A1203。多孔基體復(fù)合物在涂布到基板 上并干燥之后，可使多孔層具有低的導(dǎo)熱率和低的比熱。在多孔層內(nèi)，中空 微粒作為填充物散布并結(jié)合(bound)在基體內(nèi)。基體形成材料可以是包含 硅氧烷鍵(siloxane bond)的第一類硅化合物，或者是在形成薄膜或?qū)訒r(shí)形 成硅氧垸鍵的第二類硅化合物。第二類硅化合物可以包含硅氧烷鍵。第一類 和第二類硅化合物包括有機(jī)硅化合物、硅鹵化物(例如氯化硅和氟化硅)， 以及包括有機(jī)基團(tuán)(organic group)和鹵素的有機(jī)硅鹵化物。
14圖17至圖19示出了可在本發(fā)明中等同地使用的透鏡陣列的多種透鏡構(gòu) 造。各傳感器單元100均設(shè)置在一個(gè)限定紅外傳感器的圖塊(picture segment) 的單位正方形(unit square)內(nèi)。在這種連接中，可以定制透鏡陣列的各透 鏡204的尺寸使其成為具有直徑小于該單位正方形的側(cè)邊(圖17)或等于該 正方形的側(cè)邊(圖18)的圓形凸透鏡；或者甚至是具有方形平面構(gòu)造以覆蓋 整個(gè)單位正方形的凸透鏡(圖19)。
圖20示出了上述實(shí)施例的一個(gè)變型，在該變型中，密封罩200的窗口 202在其與傳感器單元100相對(duì)的內(nèi)表面上額外地形成有由獨(dú)立凸透鏡204 組成的陣列，該凸透鏡204的折射率小于窗口 202或密封罩200的折射率。 例如，密封罩200由折射率為3.4的Si制成，而透鏡204由折射率為1.5的 Si02制成。當(dāng)紅外線穿過該窗口和透鏡投射到感測(cè)元件30時(shí)，這種設(shè)置有 效地減少發(fā)生在不同介質(zhì)之間的各界面上的各反射的總量，從而提高紅外線 穿過密封罩200的透射率。密封罩200可以由其他材料制成，諸如Ge、 InP、 ZnSe、 ZnS、 A1203以及CdSe，而透鏡可由折射率小于密封罩的適當(dāng)材料制 成。此外，在窗口 202的遠(yuǎn)離透鏡的外表面上可涂布有折射率小于密封罩的 透射層，以進(jìn)一步提高紅外線的透射率。
盡管上述實(shí)施例示出了紅外感測(cè)元件的使用，該紅外感測(cè)元件響應(yīng)于紅 外線的入射量或其變化率而表現(xiàn)出電阻的變化，但同樣能夠利用表現(xiàn)出介電 常數(shù)變化的另一種類型的感測(cè)元件，諸如響應(yīng)于紅外線的量的變化率而產(chǎn)生 熱電動(dòng)勢(shì)的熱電堆類型或產(chǎn)生電壓差的焦熱電類型。
另外，上述實(shí)施例中示出的本發(fā)明的紅外傳感器包括多個(gè)傳感器單元。 然而，本發(fā)明不應(yīng)以這種特定的設(shè)置為限，而應(yīng)包括使用單個(gè)傳感器單元的 情況。雖然所示的實(shí)施例被描述為包括基板中的半導(dǎo)體器件，但本發(fā)明應(yīng)被 解釋為包含不帶有半導(dǎo)體器件的可能的變型。
權(quán)利要求
1. 一種紅外傳感器，包括基板(10；10A)；傳感器單元(100；100A)，該傳感器單元包括熱紅外感測(cè)元件(30；30A)；傳感器支座(40；40A)，其由多孔材料制成，并且在該傳感器支座上承載所述熱紅外傳感器；一對(duì)梁(42；42A)，其由多孔材料制成，并從所述傳感器支座整體地延伸到所述基板，用以將所述傳感器支座支撐為向上離開所述基板的頂面；和一對(duì)端子焊盤(50；50A)，其形成在所述基板的頂面上；以及密封罩(200)，其固定到所述基板，以在所述密封罩與所述基板之間提供用于容置所述傳感器單元的氣密性密封空間，所述密封罩具有窗口，入射的紅外線經(jīng)過該窗口投射到所述傳感器單元的所述熱紅外感測(cè)元件上；所述熱紅外感測(cè)元件具有一對(duì)引線(32；32A)，各所述引線支撐在各所述梁的頂部上以沿著所述梁延伸，從而與各對(duì)應(yīng)的所述端子焊盤電連接；其中，所述梁(42；42A)在與所述傳感器支座相同的平面上延伸，并離開所述基板的上表面，以在所述梁上承載各自的引線(32；32A)；所述傳感器單元還包括一對(duì)錨固柱(52；52A)，各所述錨固柱從各所述端子焊盤(50；50A)上豎立，并且各所述錨固柱的上端固定到各對(duì)應(yīng)的所述引線(32；32A)的末端，以使所述感測(cè)元件(30；30A)與所述傳感器支座(40；40A)一起以離開所述基板的頂面的方式支撐在所述基板上，并使所述感測(cè)元件經(jīng)由所述錨固柱電連接到所述端子焊盤(50；50A)；各所述錨固柱(52；52A)的上端嵌入各對(duì)應(yīng)的所述梁中，以使各所述錨固柱的周邊被各對(duì)應(yīng)的所述梁(42；42A)完全包圍。
2. 如權(quán)利要求1所述的紅外傳感器，其中各所述引線(32; 32A)沉積在各對(duì)應(yīng)的所述梁(42; 42A)上； 各所述錨固柱(52; 52A)的上端裝配在形成于各對(duì)應(yīng)的所述梁的端部 中的孔(44)內(nèi)；各所述錨固柱的上端均形成有翼緣(54; 54A)，所述翼緣疊合在圍繞 所述孔的所述梁上，并連接到各對(duì)應(yīng)的所述引線上。
3. 如權(quán)利要求2所述的紅外傳感器，其中各所述引線(32; 32A)和相關(guān)聯(lián)的錨固柱(52; 52A)共同地由導(dǎo)電 材料制成，以便彼此連續(xù)。
4. 如權(quán)利要求2所述的紅外傳感器，其中各所述錨固柱的所述翼緣(54)具有與各所述引線(32)的端部疊合的 部分，各所述引線在該部分處與各所述錨固柱結(jié)合。
5. 如權(quán)利要求4所述的紅外傳感器，其中各所述錨固柱(52)呈具有均勻厚度的中空?qǐng)A柱體形，該厚度大于各所 述引線的厚度。
6. 如權(quán)利要求1所述的紅外傳感器，其中各所述錨固柱(52A)均由多孔材料制成的襯套(46)沿著各所述錨固 柱的豎直長(zhǎng)度包圍。
7. 如權(quán)利要求6所述的紅外傳感器，其中所述襯套(46)與所述梁一體形成，以作為所述梁的一個(gè)組成部分。
8. 如權(quán)利要求1所述的紅外傳感器，其中所述傳感器支座由多孔材料形成，所述多孔材料選自由氧化硅、硅氧烷 基有機(jī)聚合物以及硅氧烷基無機(jī)聚合物構(gòu)成的群組。
9. 如權(quán)利要求1所述的紅外傳感器，其中 所述氣密性密封空間被減壓。
10. 如權(quán)利要求1所述的紅外傳感器，其中 所述傳感器單元(100)的陣列共同地排布在所述基板上。
11. 如權(quán)利要求10所述的紅外傳感器，其中所述窗口 (202)設(shè)置有透鏡陣列，在所述透鏡陣列中，多個(gè)光學(xué)透鏡 (204)排布成陣列，以便將入射的紅外線聚焦在任一所述傳感器單元的所 述紅外傳感器上。
12. 如權(quán)利要求ll所述的紅外傳感器，其中所述透鏡陣列與所述密封罩一體地形成，以形成為所述密封罩的一部
13.如權(quán)利要求ll所述的紅外傳感器，其中所述透鏡陣列疊置在所述窗口上并位于所述密封罩的與所述傳感器單 元相對(duì)的表面上，所述透鏡陣列的折射率小于所述窗口的折射率。
全文摘要
為提高熱絕緣性，將熱紅外感測(cè)元件(30)承載在多孔材料制成的傳感器支座(40)上，并通過在基板上凸出的錨固柱(52)使該熱紅外感測(cè)元件向上離開基板(10)。傳感器支座形成有一對(duì)共面的梁(42)，所述梁上承載有從感測(cè)元件(30)延伸出的引線(32)。引線(32)和梁(42)固定到錨固柱(52)的上端，以將感測(cè)元件(30)保持在基板(10)上方的預(yù)定高度。梁(42)和引線(32)通過分子間附著作用而彼此結(jié)合，以使感測(cè)元件(30)以及傳感器支座(40)能夠一起支撐到錨固柱(52)上。
文檔編號(hào)G01J5/10GK101460816SQ20078002077
公開日2009年6月17日 申請(qǐng)日期2007年5月23日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月25日
發(fā)明者內(nèi)田雄一, 吉原孝明, 山中浩, 桐原昌男, 西島洋一, 辻幸司 申請(qǐng)人:松下電工株式會(huì)社