红外线发射器与ndir传感器的制造方法

红外线发射器与ndir传感器的制造方法
【专利摘要】以微热板设备的形式提供一种红外线源。所述微热板设备包括CMOS金属层，所述CMOS金属层由至少一层嵌入由硅基板所支撑的电介质膜所构成。所述设备以接着进行背刻蚀步骤的CMOS工艺形成。所述设备对本领域设备的发展是有利的，因为它提供微机械红外线源，能够实现高温度(从而实现更高辐射)，而且同时能够被商业的CMOS工艺所制造，从而具有低制造成本、高再现性与高可靠性以及提供单片集成电路的可能性。所述设备也能够与红外线检测器集成在相同的芯片上并被封装以形成完整的NDIR传感器。
【专利说明】红外线发射器与ND IR传感器

【技术领域】
[0001]本发明涉及使用在微芯片上制造的微热板的热红外线(IR)源。本发明还涉及将红外线源与红外线检测器集成以构成NDIR传感器。

【背景技术】
[0002]在包含微加热器的硅基板上制造热效应红外线源是公知的，其中微加热器在通过刻蚀部分基板形成的薄膜层(由电绝缘层构成)内部形成。这种设备可以被用于以低功耗(典型地从几毫瓦到数百毫瓦)提供热量(例如，600°C )以用作红外线源/发射器。
[0003]例如，Parameswaran 等人的 ^Micro-machined thermal emitter from acommercial CMOS process, "IEEE EDL 1991报道以CMOS技术制造的用于IR应用的多晶硅加热器，用正面刻蚀来使加热器悬浮，从而减少功耗。
[0004]相似地，D.Bauer 等人的."Design and fabricat1n of a thermal infraredemitter'Sens&Act A 1996也描述了使用悬浮多晶硅加热器的红外线源，尽管该设备没有被设想以CMOS工艺制造。此外，晶片键合被用来在真空中将加热器封装(这添加了额外的制造步骤并增加了制造成本)。
[0005]Muller等人的专利US5285131与Rogne等人的专利US2008/0272389两者都描述了使用多晶硅加热器的类似设备。
[0006]San 等人的 〃A silicon micromachined infrared emitter based on SOIwafer" (Proc of SPIE 2007)描述了从使用多晶硅的SOI基板制造的红外线发射器作为加热器以及通过DRIE来形成膜。
[0007]由于多晶硅阻抗性在高于400°C的高温中适时地漂移，在所有这些设计中多晶硅的使用降低了设备的稳定性。
[0008]Yuasa等人的〃Single Crystal Silicon Micromachined Pulsed Infrared LightSource^Transducers 1997,描述了使用悬浮掺硼单晶娃加热器的红外线发射器。这篇论文没有设想在CMOS工艺中制造设备。
[0009]Watanabe在专利EP2056337中描述了作为红外线源的悬浮娃灯丝(filament)。通过粘合第二基板使设备真空密封。没有设想以CMOS工艺制造设备，并且设备的结构不适合于以CMOS工艺制造。
[0010]Cole 等人的"Monolithic Two-Dimens1nal Arrays of MicromachinedMicrostructures for Infrared Applicat1ns" (proc of IEEE 1998)描述了经CMOS加工的设备上面的红外线源。这些红外线源由在经过大量CMOS加工之后被制造的悬浮微加热器构成。这些额外的加工步骤增加了设备的制造成本。
[0011]Hildenbrand 等人的"Micromachined Mid-1nfrared Emitter for FastTransient Temperature Operat1n for Optical Gas Sensing Systems",IEEESensor2008 Conference (IEEE传感器2008会议)报告了用于红外线应用的悬浮膜上的钼加热器。然而，钼不与CMOS兼容，而且其被禁止在CMOS铸造厂中使用，因为它充当深掺杂物，并且能沾染其它的CMOS工艺步骤。
[0012]相似地，Ji等人的"A MEMS IR Thermal Source For NDIR GasSensors" (IEEE 2006)以及 Barritault 等人的"Mid-1R source based on afree-standing microhotplate for autonomous C02 sensing in indoorapplicat1ns" (Sensors&Actuators A 2011)描述了基于钼加热器的微机械红外线源。Weber等人的〃Improved design for fast modulating IR sources〃描述了用于红外线源的悬浮和封闭式膜设计。两者都使用钼加热器以及包含二氧化硅层与氮化硅层的膜。
[0013]Spannhake 等人的 〃High_temperature MEMS Heater Platforms: Long-termPerformance of Metal and Semiconductor Heater Materials" (Sensors 2006)描述了基于掺杂氧化锡的钼或锑的加热器的微热板。
[0014]根据已经提到的内容，钼与CMOS工艺不兼容。因此，这些设备不能以CMOS工艺制造。这增加了制造成本，并且意味着电路不能用该设备装备。
[0015]Tu 等人的 〃Micromachined, si I icon f ilament light source forspectrophotometric microsystems〃Applied Optics (应用光学)，2002,介绍了利用在SOI膜上的单晶硅加热器的光源设计。然而，悬浮的灯丝比全膜的机械稳定性差。
[0016]Sylla1s等人的美国专利6297511描述了在具有电阻式加热器的悬浮膜上制造红外线发射器，其中电阻加热器可以具有各种各样的材料，比如钛、钨、镍、单晶硅或多晶硅。Btoomberg等人的美国专利5500569、5644676及5827438报告了具有多晶硅加热器或金属(例如，钨、钽、钛钨合金及钥)加热器的红外线源。然而，这些设备没有被设想使用CMOS工艺制造。
[0017]Poltien等人的WO 02/080620 Al建议使用金属硅化物作为微热板中的加热器材料。硅化物被提及具有来自钽、锆、钨、钥、铌以及铪的硅化物多晶结构。这些设备作为红外线源的可能使用被提及。然而，金属硅化物不是在商业CMOS工艺中被使用的标准材料。给出了通过标准CMOS工艺制造微热板的优势，然而，没有提及怎样实现使得金属硅化物不是CMOS工艺中能找到的材料。另外，在本专利的权利要求书中未提及CMOS工艺。
[0018]使用娃技术制造红外线检测器也是公知的。Kim等人的〃A new uncooled thermalinfrared detector using silicon d1de〃Sens&Act A 89 (2001) 22-27 描述了用作红外线检测器的二极管。美国专利6597051描述了通过精密加工制造的热电堆用作红外线检测器。Eminoglu 等人的 〃Low_cost uncooled infrared detectors in CMOS process〃Sens&ActA 109(2003) 102-113，描述了使用在微桥膜上二极管的红外线检测器，其中微桥膜以CMOS工艺制造° A.Graf 等人的〃Re view of micromachined thermopilers for infrareddetect1n, 〃Meas.Sc1.Technol.18 (2007) R59-R75,描述了在文献中提到的各种各样基于微机械的红外线检测器的电热堆。制造NDIR传感器也是公知的。例如，Fordl和Tille的〃A High-Precis1n NDIR CO2 gas sensor for automotive applicat1ns^IEEE SensorsJournal vol 6 N0.62006 与 Cutler 等人的专利US2007/0102639描述了具有代表性的NDIR传感器，包括作为红外线源的白炽灯泡与基于红外线检测器的热电堆。这两者被放置在小腔的两端，其中气体能够通过半透膜(阻止了来自外面的灰尘与红外辐射)进入。根据目标气体的浓度，确定在光路内吸收特定波长红外辐射量，并使用来自红外线检测器的测量，红外线检测器可以被用来确定气体的浓度。大部分NDIR传感器也有滤光器，以只允许小范围的波长到达红外线检测器以便使其特定于吸收特定的波长的气体。
[0019]其它专利，比如Hodgkinson 等人的 US2008/0239322、由 Stuttard 等人的US7244939,Doncaster 等人的 US2008/0308733 以及 Cutler 等人的 US7541587 描述了类似的设备。
[0020]几乎在每个案例中，红外线发射器与红外检测器是两个不同的却封装在一起的部件。Wong的美国专利5834777是一个例外，其中发射器与检测器两者都在相同芯片上，该芯片具有在芯片上形成的光路。然而，在本案中，由于光路在芯片上，红外辐射传播距离是非常小的，因此，传感器具有低灵敏度。


【发明内容】

[0021]在随附的权利要求书中陈述了本发明的各个方面。
[0022]在一个实施方式中，提供了包括电阻加热器的红外线源。优选地，电阻加热器由CMOS可用金属在电介质膜上制成。优选地，电介质膜以接着进行背刻蚀的CMOS工艺制造。CMOS金属可以包括至少一层钨。
[0023]在一个实施方式中，提供了包括在芯片上形成的基于CMOS的电介质膜上的电阻加热器的红外线源，其中至少一层钨在芯片上的CMOS电路中形成电阻加热器与互连金属两者。可以理解的是，术语“基于CMOS的电介质膜”指的是使用本领域现有技术的CMOS工艺步骤制造的电介质膜。
[0024]根据本发明的一个实施方式，提供了使用CMOS工艺制造的微热板。所述工艺以简单的硅片或SOI晶片开始。所述SOI晶片使用标准商业CMOS或SOI工艺进行处理。标准商业CMOS或SOI工艺使用钨作为电子设备的互连材料。钨互连金属被使用以形成设备的微加热器。Ti/TiN衬层被使用以提高金属的稳定性。CMOS工艺步骤之后进行背刻蚀步骤形成膜。该步骤可以是通过DRIE干式刻蚀或诸如KOH或TMAH的湿式各向异性刻蚀。
[0025]所述膜或所述加热器可以是圆形形状或矩形形状，圆形形状具有减少机械应力的额外优势。所述加热器可以具有比如曲形、螺旋形、环形、复合环形等等的任何形状。设备也可以包括在加热器上面的一个或多个金属热扩散板。设备也可以具有在顶部金属层上形成的金属热扩散板。然后，顶部金属层通过除去钝化(passivat1n)而被暴露。娃热扩散板也可以在加热器下面被制造以改善温度的均匀性。这种硅热扩散板可以在SOI工艺中使用活性硅层来形成，或在整体(bulk)刻蚀留下背刻蚀过程中未被刻蚀的硅岛之前的过程中通过掺杂硅区的整体工艺中形成。可供选择地，二极管(例如，热二极管)，或热晶体管(具有短路结点的NPN或PNP)，或硅的电阻式路径可以在加热器的下面形成(或邻接加热器)而不是在热扩散板的下面形成，并且可以用作温度传感器。设备也可以具有由一层金属层形成的电阻温度传感器。加热器本身也可以用作温度传感器。在这种情况下，两条额外路径可被选择地连接到加热器以改善使用4线(4-wire)测量的电阻测量。
[0026]在本发明的另一种实施方式中，红外线源包括多张膜的阵列。多张膜通过DRIE刻蚀被封装在一起，每张膜具有由钨制成的微加热器。这样改善了冗余以防设备中的一个出现故障。阵列的另一种使用是补偿漂移。例如，在两个的阵列中，仅有一个可能被定期地使用，而另一个仅不定期地开启以校正主加热器的漂移。可供选择地，两个或多个微热板被周期性地驱动使得仅有一个微热板在任何给定的时间开启，从而增加了设备的总体使用寿命O
[0027]阵列的另一种使用是使用较小的膜的阵列而不是一大张膜。与小膜相比，大膜的机械稳定较低，但是小膜设备会具有更低的红外线辐射。通过使用小膜阵列，能够实现小膜的机械稳定性同时具有高等级的红外线辐射。使用DRIE刻蚀膜意味着当与单张大膜比较时，多张膜相互被压缩得很紧并且要求在芯片上留下很小的额外空间。微加热器也可以被电连接使得它们在一起同时被驱动，或单个被驱动。
[0028]阵列中的微加热板也可以以不同的温度被单独地驱动。这会导致红外线发射器具有更宽的频谱，而且在NDIR气体传感器系统中使用时，如果使用多个检测器，还能够帮助增强选择性。可供选择地，可以设计NDIR系统中的光学器件使得穿过阵列中每个发射器的辐射经过不同的红外线滤波器到不同的检测器。这允许比使用单个NDIR传感器感测一种气体感测更多的性能。
[0029]在本发明的另一种实施方式中，微热板被涂层所覆盖以增强红外线辐射。这种涂层可以具有任何类型，比如二氧化硅、氮化硅或聚合物(例如，聚酰亚胺)的精细可控层。可供选择地，诸如碳黑、碳纳米管、金属氧化物或石墨烯的材料可以在微热板上生长或沉积。这些材料具有高辐射率，因此提高了红外线发射的量。具有高辐射率的其它材料也可以被使用。这些材料可以通过类似于喷墨或纳米沉积的技术在后CMOS被沉积到微热板的加热区域上，或者能够通过横跨整个晶元的CVD生长或在生长过程中仅局部使用微热板作为热源。多个微热板可以横跨硅晶片被连接在一起以便于局部生长。
[0030]在本发明的另一种实施方式中，红外线滤波器与红外线源结合。这通过使用背刻蚀以形成薄膜，薄膜包括在硅芯片或SOI芯片或晶片上的二氧化硅和/或氮化硅。这种膜可以用作红外线滤波器。这种芯片/晶片则通过晶片粘合的使用与红外线源结合。用作滤波器的膜的组成可以被改变。其它材料可以被沉积在膜上以按照期望改变滤波属性。
[0031]可供选择地，滤波器可以通过选择性地将硅材料上面的CMOS金属层以网格形状或点刻蚀来制造。网格的大小或点的大小以及点与点之间的距离被调整以在特定的波长过滤期望的辐射和/或在特定的波长增加辐射。在CMOS工序中可以完成硅材料上面的金属层的刻蚀,因此不会带来额外的成本。
[0032]这种方法可以通过使用粘合到红外线源阵列的滤波器晶片阵列与多个阵列相结合。每个滤波器可以具有相同的属性或不同的属性以允许不同频谱的波长。
[0033]另一方面是微热板的封装。任何诸如T0-5、T0-39或T0-46的标准封装可以被使用，或者它们可以被直接地放置到PCB板。无论如何盖子应该是开着的以形成允许红外线辐射空腔。另外，封装可以完成使得红外线反射面在芯片的下面并且在芯片的侧边以改进辐射的方向。封装也可以包括滤波器，附加地或取代晶片键合到红外线源的滤波器或由CMOS金属层构成。
[0034]也可以在NDIR腔中直接封装。另一种可能的封装方法是翻转芯片，其中隆起(bump)结合被应用到结合焊盘，而且芯片在PCB或封装上被倒置封装。这种方法的优势是红外线通过沟槽发射，而且沟槽的边墙用作反射器。这使得波束更加定向。反射材料或许可以沉积至沟槽边墙以提高其反射率。可供选择地，可以使用各种湿式及干式技术来控制背刻蚀以使沟槽墙成形以提高反射率。在膜内的附加金属层与封装表面的背板也可用作反射器。
[0035]根据本发明，由于红外线源可优选地以CMOS工艺制造，电路可以与红外线源集成至相同芯片上。这种电路可以包括用于加热器的驱动电路、用于温度传感器的电路、温度控制器电路以及其它的复杂电路。驱动电路可以被构建以调节红外线源以及以各种频率驱动红外线源。例如，非常简单的电路可以由只有一个与加热器串联连接的MOSFET来构成。通过在MOSFET的门上施加可控电势，加热器可以被打开或关闭。门上的脉冲宽度与脉冲幅度控制微热板的温度。
[0036]在本发明的另一种实施方式中，红外线检测器被集成至与红外线源相同的芯片。红外线检测器包括热电堆或膜上的热二极管或热晶体管阵列。如果检测器是热电堆，它可以包括与膜内的一个结点和膜外的一个结点串联连接的一个或多个热电偶。两种热电偶材料可以包括P或η掺杂的单晶硅，η或P掺杂的多晶硅或金属(例如，钨)。如果热二极管被使用，它们可以包括Ρ+/Ν+结点，或可以具有P类型或η类型势阱或在区域间漂移。二极管可以被连接为阵列以提高灵敏度。尤其，热二极管具有的优势是对于直到500°C的高温它们的温度系数是固定不变的。电路被集成至芯片上以处理检测器信号。相似地，热晶体管以CMOS技术使用具有至少一个短路结点的双极性npn或pnp结构制造。由于在诸如二极管与晶体管的CMOS中有源元件的过程控制比诸如电阻的无源元件的过程控制更好，基于这些的热二极管或热晶体管或电路是更优选的。
[0037]为了改善性能，红外线检测器也可以具有诸如碳纳米管、碳黑、石墨烯、聚酰亚胺、聚合物、金属膜层、金属黑、薄膜层堆叠或其它沉积于膜顶部具有高红外线吸收率的材料的红外线吸收材料。红外线吸收层应该在后CMOS实施，可以通过CVD技术、局部生长技术或喷墨沉积技术来形成。
[0038]可供选择地，集成的红外线检测器的红外线吸收率可以通过选择性地将硅上面的CMOS金属层刻蚀为网格状或点来增加。网格的大小与点的大小以及点与点之间的距离被调整以在特定的波长增强光信号和/或在其它的波长滤除信号。硅上面的金属层的刻蚀在CMOS工序中完成，因此不会带来额外的成本。
[0039]芯片可以被封装以在封包内用作NDIR传感器使得两个设备之间存在分区(partit1n)，而且红外线辐射不能直接地从源传播到检测器。作为替代，红外线辐射不得不传播更长的路线经由滤波器到达源。这可以实现在芯片与封包两者设计的过程中。在设计芯片时，发射器与检测器之间的电介质氧化物被通孔与金属层填满以阻止电介质氧化物内红外线的传输。此后，分区在芯片上面形成，这可以在封装的过程中完成或较早地通过晶片与顶部的图案基板结合来完成。复杂电路可以集成在芯片上用于芯片上红外线源与检测器两者的驱动与信号处理。
[0040]形成这种传感器的封装可以具有不同的类型。本发明的一种实施方式是在具有墙体的圆柱封包中封装芯片，其中墙体由具有填充中心的反射面构成，使得红外线辐射以圆形路线(从封包墙体反射)从发射器传播到芯片的检测器部分。光路也具有滤光器以仅允许感兴趣的波长到达红外线检测器。封包覆盖有颗粒过滤器以阻止空气传播颗粒进入光路。
[0041]另一种实施方式是针对矩形封包，在一边具有芯片以及在封包另一边具有反射面，允许被反射的红外线从源传播到检测器。

【专利附图】

【附图说明】
[0042]为了可以更完全地理解本发明，现在参考附图通过举例对本发明的多个实施方式进行描述，其中:
[0043]图1到图8是不同设计的CMOS红外线发射器的截面示意图；
[0044]图9到图12是红外线源的平面图；
[0045]图13与图14是包括2x2阵列的膜的红外线源的平面图；
[0046]图15示出了阵列设备的截面示意图；
[0047]图16与图17是具有图案的顶部金属以提高针对特定波长辐射的红外线源的平面图；
[0048]图18到图20是具有图案的顶部金属以提高针对特定波长辐射的红外线源的截面示意图；
[0049]图21示出了具有与红外线滤波器结合的晶片的红外线源的截面示意图；
[0050]图22示出了以翻转芯片方法封装的具有红外线源的芯片的截面示意图；
[0051]图23示出了具有集成在相同芯片上红外线源与红外线检测器的芯片的截面示意图，红外线源与红外线检测器之间分区以阻止在两个设备之间直接红外线辐射；
[0052]图24示出了具有集成在相同芯片上的红外线源与红外线检测器的芯片的截面示意图；
[0053]图25示出了具有集成在相同芯片上的红外线源、红外线检测器的芯片的截面示意图，红外线源与红外线检测器之间分区以阻止在两个设备之间直接红外线辐射，并且芯片具有薄背面膜阻止红外线辐射；
[0054]图26示出了具有集成在相同芯片上的红外线源与热电堆红外线检测器的芯片的俯视图；
[0055]图27示出了具有红外线发射器与检测器两者的芯片的3D示意图，并且还示出了晶片键合到芯片的有图案的基板；
[0056]图28示出了具有红外线发射器与检测器晶片两者的芯片的3D示意图，侦测器晶片具有结合到其上以阻止红外线辐射直接从发射器传播到检测器的基板晶片；
[0057]图29与图30示出了被封装为NDIR传感器的芯片。

【具体实施方式】
[0058]本发明的实施方式通过使用具有钨的CMOS层作为发射红外辐射的加热器的一部分以及作为用于电子设备的互连金属力图促进本领域设备的发展。红外线发射器被嵌入到通过刻蚀硅基板形成的电解质膜。刻蚀可以通过深层反应离子蚀刻(DRIE)技术来完成。由于钨加热器的使用，这种设备能够在高温(在600°C以上良好)可靠运行。此外，在CMOS工艺中，钨层的使用确保高稳定性、长期的可靠性以及高再现性。CMOS与通过诸如丝网印刷的其它技术制造的加热器大不相同。为了进一步提高可靠性，钨加热器可以具有钛/氮化钛衬层。此外，使用CMOS技术制造设备会导致更低的制造成本，而且允许电路集成至与设备相同的芯片上。
[0059]在本发明的另一种实施方式中，设备可以被制作为微热板的阵列，包括相同大小的膜或更小的膜，这些膜被紧紧地压缩在一起，每张膜具有属于自己的加热器。使用数张小膜代替一大张膜对于每张膜而言会在不妨碍红外线辐射的情况下导致更好的机械稳定性。阵列也将冗余增加到设计中以防止设备故障。通过使用允许膜间垂直边墙存在的DRIE，可以实现将这些膜紧紧地压缩在一起。
[0060]本发明的另一种实施方式是将红外线检测器集成到与红外线源相同芯片上，以在NDIR(非色散红外)气体传感器中使用芯片。在相同芯片上制造红外线发射器与检测器可以确保红外线发射器与检测器具有类似的热质量，从而具有类似的速度。此外，系统的噪声得到减少。另外，由于集成以及CMOS工艺的使用，NDIR芯片可以被以更低的价格制造。
[0061]红外线源与检测器可以在相同的芯片上，并且两者之间存在分区。红外线源与检测器这样被封装是为了使红外线辐射以相对长的光路从发射器传播到检测器。红外线滤波器可以被封装在路间从而仅使得感兴趣的波长到达检测器。这种波长被目标气体所吸收，因此，检测器处的信号可以被用来确定气体的浓度。
[0062]在所有实施方式中的CMOS工艺可以被应用到绝缘体上硅结构(SOI)基板。SOI工艺在高压、高温以及高频电子设备中得到广泛地使用。SOI可以被使用于以下三个目的:
[0063]I)为了提供加热器下面的硅区域以将热二极管或热晶体管集成为温度传感器。可以在加热器正下方或与加热器毗邻。热二极管或热晶体管在区域中可以很小以保持低漏电，通常是期望将热二极管或热晶体管用于在高温^ocrc )进行操作。通过使用热二极管或热晶体管，能够使红外线发射器的温度以高准确度被监控。
[0064]2)为了允许周围的温度达到225 °C。这是导致低漏电流与无封闭的SOI工艺和钨金属的结果。
[0065]3)为了在背刻蚀的过程中，将存在于SOI基板中的隐埋氧化物用作有效的刻蚀中断。
[0066]图1示出了以SO1-CMOS工艺制造的红外线源的截面示意图。提供了由硅基板I所支持的膜层4、5、6。膜层包括隐埋氧化物层4、电介质层5以及钝化层6。钨电阻加热器2在膜层内形成，并且通过轨道(track) 3连接到芯片的剩余部分。电阻加热器2可以具有任何形状，例如，曲折形(meander)、螺旋状或环形，或可以包括复合环形。钨层具有薄钛/钛衬层7以提高加热器的可靠性。
[0067]整个微热板通过使用商业SOI工艺被生产。可选择地，在该实例中，膜层通过使用深层反应离子蚀刻(DRIE)技术的背刻蚀的使用来形成。微热板可以在相同的芯片上有或没有电路的情况下被制造。
[0068]图2示出了用作红外线发射器的微热板的另一个截面，其中，微热板以整体CMOS工艺制造。除了缺少隐埋氧化层4，设备与图1中的红外线源是相同的。
[0069]图3示出了红外线发射器的截面，其中，膜层也包括薄硅层8以提高膜的坚固性。
[0070]图4示出了红外线发射器的截面，其中，红外线发射器具有在加热器正下方的薄硅板9以及在加热器正上方的薄金属板10是以便散热。这些做法的目的是提高温度的均匀性。虽然这幅图示出这些板的一个特定的布置，然而可以很容易地看出可以实现不同的布置。例如，在加热器的上方可以存在两块金属板，或者在加热器的上方或下方存在金属板，或者硅板可以在膜(例如以整体CMOS工艺)的下面而不是嵌入到膜内。
[0071]图5示出了具有在加热器下方的单晶硅板与多晶硅板11的红外线发射器的截面。两块板与加热器一样宽，以及目的是将红外线辐射从加热器反射到前边，否则，在芯片的背面上红外线辐射会被浪费。通过这种方法，提高了红外线发射器的效率。
[0072]图6示出了具有嵌入到膜内的二极管温度传感器12的红外线发射器的截面。二极管与加热器一样宽，而且它不仅用作二极管，还趋向于将红外线辐射从加热器反射到芯片的前面。注意到二极管也可以制造得比加热器还小，但是在这种情况下，它主要用作温度传感器，而在对红外线辐射进行反射过程中不会同样的效率。
[0073]图7示出了具有在加热器下方的二极管温度传感器与多晶硅板11的红外线发射器的截面，其中二极管温度传感器与多晶硅板11两者都具有与加热器相同的宽度。两者用作红外线辐射的反射器，而二极管也用作温度传感器时。
[0074]图8示出了红外线发射器的另一截面。其中，膜已经通过湿式刻蚀(可选择地，通过各向异性的KOH或TMAH背蚀刻)形成。
[0075]图9示出了矩形(在该实例中可以为正方形)形状的微热板红外线发射器的平面图。微热板红外线发射器具有正方形膜13上的曲折形加热器2以及金属轨道3。图10是圆形膜13上的圆形微热板2的平面图。
[0076]图11示出了圆形红外线发射器，其中，该圆形红外线发射器具有加固硅条14以提高从在起始SOI基板中的薄硅层形成的膜的机械稳定性。图12示出了为了提高了膜的稳定性的硅条15的另一样式。当这些以示例给出时，可以很容易地看到硅层内的其它布置与结构可以被使用以提高稳定性。另外，加热器上方的金属层也可以被制造为这种结构以提高膜的稳定性。
[0077]图13示出了被用作红外线源的微热板的阵列的平面图。对于相同的输出功率，小的微热板的阵列将比单张大的微热板有更好的机械稳定性。这种阵列的膜通过DRIE来形成，以允许膜被紧紧地压缩在一起。图14是圆形微热板阵列的平面图。
[0078]图15示出了阵列中两个彼此接近的微热板的截面示意图。归因于DRIE刻蚀而获得的近垂直边墙允许膜的紧密压缩。
[0079]图16示出了具有网格图案的顶部金属16的红外线源的平面图，其中制作为网格图案以用作滤波器或提高对于特定波长的辐射。
[0080]图17示出了具有点阵图案的顶部金属16的红外线源的设计图，其中制作为点阵图案以提高对于特定波长的辐射。
[0081]图18示出了具有图案的顶部金属16的红外线源的截面图。具有图案的顶部金属16用作滤波器或提高对于特定波长的辐射。
[0082]图19示出了具有两种图案的顶部金属16的红外线源的截面。
[0083]图20示出了具有有图案的顶部金属16的红外线源的截面。有图案的顶部金属16仅在加热器区域内用于提高红外线辐射而不是在整张膜内提高红外线辐射。
[0084]为了提高辐射针对有图案的金属16在图16-图20中示出的图示的都是作为实例给出的。显而易见，可以使用其它可能的图案与方案，例如，六边形形状或圆形形状。
[0085]图21示出了具有晶片结合红外线滤波器的红外线源的截面示意图。芯片/晶片结合包括硅基板17与膜18。膜可以包括二氧化硅、氮化硅和/或其它按照要求的改变滤波器属性的材料。
[0086]图22示出了以翻转芯片的方法封装的红外线源的截面示意图。翻转芯片在封包基20上倒置安装，而且通过隆起结合19电连接。
[0087]图23示出了具有红外线源与基于二极管的红外线检测器的芯片的截面示意图。红外线检测器包括二极管21和二极管21的连接轨道22。二极管在与红外线源的膜类似的膜上。芯片被设计使得来自红外线源辐射不能直接传播到红外线检测器。这通过一些金属层与通孔23在红外线源与红外线检测器两者之间创建隔离来实现。金属层与通孔23通过CMOS工艺参数来形成，并且阻止红外线经由内电介质层进行传播。
[0088]图24示出了具有红外线源与热电堆红外线检测器的芯片的截面示意图。在该实例中示出的热电堆是包括掺杂P的硅轨道24与钨路轨道25的热电偶。然而，应当注意的是这两种材料是作为一个示例给出的。工艺中诸如多晶硅与掺杂η的硅的其它可用材料也可以被使用。
[0089]图25示出了在在芯片的背面具有薄膜涂层26的相同芯片上的二极管红外线检测器与红外线发射器。涂层由阻止红外线的材料制成，从而阻止红外线辐射经由背面从源传播到检测器。
[0090]图26示出了具有红外线源与热电堆红外线检测器的芯片的俯视图。在该实例中，热电堆包括多个由掺杂P的硅与钨串联连接制成的热电偶。尽管单晶硅或多晶硅有可能性，但是连接体27由工艺中的任何一层制成，典型地，由金属层中的一层制成。热电偶的布置作为一个示例被示出，可以使用许多不同布置或数量的热电偶。
[0091]图27与图28示出了晶片键合技术以确保没有红外线辐射以短路径在源与检测器之间传播。出于这种目的，基板28被图案化，并且晶片被结合到芯片上以便在源与检测器之间创建分区。图27示出了具有并排的红外线发射器与检测器的芯片，以及基板被图案化以将晶片结合到芯片。图28示出了具有红外线发射器与检测器两者的芯片。红外线发射器与检测器通过使用晶片键合被分离。
[0092]图29示出了具有集成的发射器与检测器的芯片的平面示意图，其中发射器与检测器集成在圆形封包29中用作NDIR传感器。NDIR传感器包括从芯片上的红外线源到红外线检测器的圆形光路。光路的边墙由反射材料制成允许红外线辐射经过它反射到检测器。滤光器30被封装至检测器附近以只允许感兴趣的波长通过。
[0093]图30示出了在矩形封包中的芯片的示意平面图。芯片具有在远端具有反射面31以将辐射反射到检测器。
【权利要求】
1.一种红外线源，该红外线源包括电阻加热器，所述电阻加热器由电介质膜上的CMOS金属制成，所述电解质膜以接着进行背刻蚀的CMOS工艺制造。
2.根据权利要求1所述的红外线源，其中所述CMOS金属在CMOS电路中形成互连金属，所述CMOS电路形成在与所述电介质膜相同的芯片上。
3.根据权利要求1或2所述的红外线源，其中所述CMOS金属包括至少一层钨。
4.根据权利要求1、2或3中任一项权利要求所述的红外线源，其中所述电介质膜在包括绝缘体上硅结构SOI或硅片的起始基板上被制造。
5.根据前述任一项权利要求所述的红外线源，其中所述加热器包括金属层，所述金属层下面具有钛/钛氮化物衬层。
6.一种红外线源，该红外线源包括在芯片上形成的基于CMOS的电介质膜上的电阻加热器，其中至少一层钨在所述芯片上的CMOS电路中形成所述电阻加热器与互连金属两者。
7.根据前述任一项权利要求所述的红外线源，所述红外线源还包括在所述加热器正下方或正上方的一个或多个金属热扩散板。
8.根据前述任一项权利要求所述的红外线源，其中在所述加热器正下方具有单晶硅热扩散板和/或多晶硅板，所述单晶硅热扩散板和/或多晶硅板被配置成反射来自所述加热器红外线辐射。
9.根据前述任一项权利要求所述的红外线源，该红外线源被集成到包括控制电路的芯片。
10.根据前述任一项权利要求所述的红外线源，所述红外线源还包括与所述加热器串联的金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET以控制所述加热器的温度。
11.根据前述任一项权利要求所述的红外线源，其中所述膜通过从以下中选择的一种工艺形成:DRIE、各向异性湿式刻蚀、KOH以及TMAH。
12.根据前述任一项权利要求所述的红外线源，所述红外线源被构成为微热板的阵列，每个微热板包括所述电阻加热器，所述电阻加热器由电介质膜上的CMOS金属制成，所述电解质膜以接着进行背刻蚀的CMOS工艺制造。
13.根据权利要求12所述的红外线源，所述红外线源被配置以便在阵列中的所有的所述微热板被同时操作或被单个操作。
14.根据权利要求3到12中任一项权利要求所述的红外线源，其中用于所述加热器的所述钨层接近于所述膜上的零应力轴。
15.根据权利要求7到13中任一项权利要求所述的红外线源，其中所述金属热扩散板通过刻蚀钝化层而被暴露。
16.根据前述任一项权利要求所述的红外线源，所述红外线源还包括嵌入所述膜内并安置于所述加热器的下方或与所述加热器毗邻的温度传感器，所述温度传感器包括以下中任一者:二极管温度传感器(热二极管)、双极型晶体管温度传感器(热晶体管)、电阻式硅温度传感器以及电阻式金属温度传感器。
17.根据权利要求16所述的红外线源，其中所述温度传感器与所述加热器一样宽，或者比所述加热器小，或者比所述加热器大。
18.根据权利要求16或17所述的红外线源，其中所述温度传感器被配置成反射来自所述加热器红外线辐射。
19.根据前述任一项权利要求所述的红外线源，其中所述膜的上表面被配置有二氧化硅钝化层与氮化硅钝化层中的任一者。
20.根据前述任一项权利要求所述的红外线源，其中所述膜上的上表面被配置有涂层，所述涂层包括从包括聚合物、碳黑、碳纳米管、石墨烯以及具有高红外线辐射率的材料的组中选择的材料。
21.根据权利要求20所述的红外线源，所述涂层兼容后CMOS过程，并通过以下中的一者或多者来形成:CVD技术、局部生长技术与喷墨沉积技术。
22.根据前述任一项权利要求所述的红外线源，所述红外线源还包括由安置于由所述电阻加热器的顶部的CMOS金属层构成的网格以增加辐射率，以及其中所述网格的大小被选择以在特定的波长过滤期望的信号和/或在特定的波长增加所述辐射。
23.根据前述任一项权利要求所述的红外线源，所述红外线源还包括安置于所述电阻加热器顶部的CMOS金属点以增加辐射率，以及其中所述点的大小以及点与点之间的距离被选择以在特定的波长过滤所述期望的信号和/或在特定的波长增加所述辐射。
24.根据前述任一项权利要求所述的红外线源，所述红外线源还包括通过晶片键合的方式附着的红外线滤波器。
25.根据权利要求24所述的红外线源，其中，所述红外线源包括芯片或晶片，所述芯片或所述晶片通过DRIE刻蚀以形成一个或多个包括二氧化硅与氮化硅中的一者或多者的膜。
26.根据前述任一项权利要求所述的红外线源，所述红外线源与反射器一起被封装。
27.根据前述任一项权利要求所述的红外线源，所述红外线源以翻转芯片的方法被封装。
28.一种非色散红外线NDIR传感器，该NDIR在芯片上包括前述任一项权利要求所述的红外线源与在相同芯片的第二张膜上的红外线检测器。
29.根据权利要求28所述的NDIR传感器，其中所述红外线检测器包括热电堆，所述热电堆包括一个或多个热电偶。
30.根据权利要求28或29所述的NDIR传感器，其中所述红外线检测器包括一个或多个热二极管或一个或多个热晶体管。
31.根据权利要求28、29或30中任一项所述的NDIR传感器，所述NDIR传感器还包括通过所述红外线源与所述红外线检测器之间的通孔和金属层结构创建的分区。
32.根据权利要求28到31中的任一项权利要求所述的NDIR传感器，所述NDIR传感器还包括通过有图案的基板的晶片键合在所述芯片上创建的分区。
33.根据权利要求28到32中的任一项权利要求所述的NDIR传感器，所述NDIR传感器还包括在所述芯片的封装的过程中在所述芯片上创建的分区。
34.根据权利要求29到33中的任一项权利要求所述的NDIR传感器，其中所述红外线检测器包括由安置于由所述热电堆顶部的CMOS金属层构成的网格以增加灵敏度，以及其中所述网格大小被选择以在特定的波长过滤期望的信号和/或在特定的波长增加所述信号。
35.根据权利要求29到34中的任一项权利要求所述的NDIR传感器，其中所述红外线检测器包括安置于所述热电堆顶部的CMOS金属层点以增加灵敏度，以及其中所述点的大小以及点与点之间的距离被选择以在特定的波长过滤所述期望信号和/或在特定的波长增加所述信号。
36.根据权利要求29到35中的任一项权利要求所述的NDIR传感器，其中所述NDIR芯片被封装至圆柱封包使得存在从所述源到所述检测器的圆形光路。
37.根据权利要求28到36中的任一项权利要求所述的NDIR传感器，所述NDIR传感器还包括红外线滤波器，所述红外线滤波器在包含所述芯片的封包的光路中。
38.根据权利要求28到37中的任一项权利要求所述的NDIR传感器，所述NDIR传感器还包括颗粒过滤器。
39.根据权利要求28到38中的任一项权利要求所述的NDIR传感器，所述NDIR传感器还包括从包括聚合物、碳纳米管、石墨烯、金属膜层、金属黑以及薄膜叠层的组中选择的红外线吸收层。
40.根据权利要求39所述的NDIR传感器，其中所述红外线吸收层兼容后CMOS过程，并且通过选择自以下的任一技术形成:CVD、局部生长以及喷墨沉积。
41.一种使用CMOS工艺制造红外线IR源的方法，所述方法包括: 形成基板； 在所述基板上形成电介质层，以及 通过背刻蚀所述基板的一部分来形成电介质膜； 使用CMOS可用金属在所述电介质膜上或在所述电介质中形成电阻加热器。
42.一种使用CMOS工艺制造红外线IR源的方法，所述方法包括: 形成基板； 在所述基板上形成电介质层，以及 通过背刻蚀所述基板的一部分来形成电介质膜，其中所述电介质膜包括形成在与所述电介质膜相同的芯片上的作为CMOS电路的互连金属的至少一层钨； 使用至少一层钨在所述电介质膜上或在所述电介质中形成电阻加热器。
【文档编号】H05B3/14GK104285500SQ201380024495
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2013年5月2日 优先权日:2012年5月8日
【发明者】S·Z·阿里, F·乌德雷亚, J·加德纳, M·F·乔杜里, I·波埃纳鲁 申请人:剑桥Cmos传感器有限公司