专利名称：适合于批量生产红外传感器的制造方法
技术领域：
本发明涉及一种制造测辐射热仪型非冷却红外传感器的方法，该方法通过吸收入射的红外线光来改变其入射光部分的温度以便通过温度的改变来改变电阻器的电阻值，由此输出表示红外辐射强度的信号。
背景技术：
测辐射热仪利用了金属或与半导体材料热绝缘的半导体薄膜的电阻值的温度变化。通常，随着测辐射热仪材料(即金属或半导体薄膜材料)的电阻的温度系数(以下称为“TCR”)升高，测试灵敏度得到改进，且代表红外传感器的温度分辨率的噪声等效温差(以下称为“NETD”)得到降低。
例如镍-铁合金薄膜的合金薄膜具有大约0.5％/K的小TCR。由此考虑的是，优选将例如氧化钒薄膜、钙钛矿型Mn氧化物薄膜或YBa2Cu3Ox薄膜之类的导电氧化物薄膜作为用于高灵敏性红外传感器的测辐射热仪电阻膜。
例如在专利文献1(日本未审专利申请公开(JP-A)No.2002-289931)中描述了具有该导电氧化物薄膜的红外传感器的制造方法。
在依照专利文献1的制造方法中，通过在溶剂中溶解金属有机化合物来制造溶液，然后进行涂覆和烘干，接着用小于等于400nm波长的激光照射以由此切割和分解碳-氧键，把通过空隙形成在Si衬底上的桥结构、形成在桥结构上的测辐射热仪电阻膜和在包括测辐射热仪电阻膜的桥结构表面上形成的保护膜均被形成为氧化物薄膜。
已经确认，依照该制造方法，与需要几小时到几十小时热退火的热处理方法相比，通过几分钟的激光退火便得到了具有预定薄膜电阻和TCR的测辐射热仪电阻薄膜。
在上述制造方法中，尽管通过以涂覆方法来分别形成桥结构、测辐射热仪电阻薄膜和保护层而获得了能够降低工艺量的效果，但是存在涂覆方法不适合批量生产的问题。
此外，对于氧化钒制成的测辐射热仪电阻薄膜，在TCR方面存在改进空间。
发明内容
本发明具体地致力于前述导电氧化物薄膜中的氧化钒薄膜，目的是提供适合于批量生产红外传感器的制造方法并且能够改进TCR。
依照本发明，提供制造测辐射热仪型红外传感器的方法。该测辐射热仪型红外传感器通过吸收入射红外光改变入射光部分的温度，以便通过温度变化改变电阻器的电阻值，由此输出表示入射红外光辐射强度的信号。依照发明的一个方面，制造方法包括以下步骤在绝缘衬底上形成绝缘材料的桥结构、通过干膜形成方法在桥结构上形成氧化钒薄膜以及照射激光到氧化钒薄膜上以由此改变其材料性能。该制造方法还包括以下步骤将改变了材料性能的氧化钒薄膜形成为作为电阻器的预定图形，以及形成绝缘材料的保护层以便覆盖形成为预定图形的氧化钒薄膜和桥结构。
依照本发明的制造方法，干膜形成方法可以是溅射法、真空沉积法和CVD法之一。桥结构和保护层均可以是通过CVD法形成的SiN薄膜和SiON薄膜之一。可以使用激光，具有157至550nm波长的激光，优选具有222至360nm波长的激光。优选激光的辐射能量设置为10-150mJ/cm2，并优选30-60mJ/cm2。优选在小于等于350℃的衬底温度下执行激光的辐射，优选在室温下。优选激光的辐射在真空或混合的还原气体气氛下执行。
依照本发明的另一个方面，提供依照上述方面的方法制造的红外传感器。
依照本发明的制造方法，能够提供适合于批量生产的红外传感器并能够改进TCR。
图1A-1E是解释依照发明的红外传感器制造工艺的实施例的图；图2是示出在图1C所示的红外传感器制造工艺中，辐射到测辐射热仪电阻器上的激光的辐射能量改变时测量测辐射热仪电阻器的TCR的温度关系的结果的特性图；图3是示出在图1C所示的红外传感器制造工艺中，辐射到测辐射热仪电阻器上的激光的辐射能量改变时测量测辐射热仪电阻器的电阻率和辐射时间之间的关系的结果的特性图；图4是示出在图1C所示的红外传感器制造工艺中，辐射到测辐射热仪电阻器上的激光的辐射能量改变时测量测辐射热仪电阻器的电阻率的温度关系的结果的特性图。
具体实施例方式
下文中，将详细描述依照本发明的红外传感器制造方法。
本发明涉及一种测辐射热仪型非冷却红外传感器，该传感器通过吸收入射红外光来改变其入射光部分的温度，并且使用由于温度变化而引起的电阻器的电阻值的改变来输出表示入射红外强度的信号。
本发明的特征在于，通过干法形成工艺，通过间隙在绝缘衬底上形成的桥结构上形成测辐射热仪电阻膜，然后在预定条件下在电阻膜上照射激光以改变其材料特性，由此将其形成为金属氧化物膜。这里，“以改变其材料特性”表示切割形成金属氧化物膜的金属和氧原子之间的键以分离氧，由此改进金属氧化物膜中电子的传输，即降低了电阻率。
对于干膜形成工艺，可以使用溅射法、真空沉积法或CVD法(化学气相沉积法)。
使用氧化钒薄膜作为测辐射热仪电阻膜。由于形成氧化钒薄膜的温度低，即500℃或更低，因此在制造工艺中几乎不存在问题。
另一方面，由于如果桥结构和保护层导电的话，将影响测试灵敏度而在测辐射热仪电阻膜的电阻率中发生变化，因而桥结构和保护层都是使用由SiN或SiON制成的无机绝缘薄膜来制造的，该SiN或SiON作为具有大电阻率和高红外吸收率的绝缘体。
为此，该无机绝缘薄膜的厚度设置为大约0.01-1μm。
具有在桥结构上形成的氧化钒薄膜的绝缘衬底被放置在真空容器中，或放置在能够以混合的还原气体控制其气压的容器中，并以预定的波长、强度和重复频率，将激光照射在氧化钒薄膜上达预定时间。则，如上所述，氧化钒薄膜的材料性能改变。
作为混合的还原气体，可以使用H2、NH3、N2O等。
作为激光，可以使用具有小的热效应的紫外激光，例如具有157至550nm波长的激光，其通过例如XeF(波长351nm)、XeCl(波长308nm)、KrF(波长248nm)、ArF(波长193nm)或F2(波长157nm)、Ar离子激光(二次谐波257nm)等的准分子激光器来产生。其中，在激光的稳定性和最大输出能量强度方面，优选具有222-360nm波长的激光，因为能够它均匀地改变材料性能。
对于激光的辐射能量(强度)，尽管通过改变波长能够以低或高能量照射且能够有效地在10至150mJ/cm2范围内进行，但是优选的范围是30至60mJ/cm2。
激光的辐射频率为1Hz到2000kHz，优选1至100Hz。这是因为，虽然工业用高输出激光的脉冲频率通常为1至100Hz，但是近年来已经提供了具有低输出的高频率激光器，随着重复频率增加，能够相应地进行高速处理。
激光的脉冲宽度为10至200nsec，优选10至40nsec。这也是因为尽管商用激光的脉冲宽度通常为10至40nsec，但是可以改变该脉冲宽度。
激光照射的时间为1秒到2小时，优选1秒到30分钟。这是因为尽管对于当前的激光器将是10到30分钟，但是对于低输出激光器预计大约2小时的照射最佳。
如果激光的照射能量太小，材料的性能不发生改变，反之，如果太大，薄膜材料发生消融以汽化。
优选在激光照射时加热绝缘衬底到350℃的温度或更低，但是可以在室温下进行照射。
下文中，将参照附图1A-1E描述依照本发明的红外传感器制造方法的优选实施例，但是本发明不限于此。
(实施例)
如图1A所示，通过溅射法，在形成有信号输出电路(未示出)的衬底1上把具有高红外反射比的例如WSi的金属形成为膜，由此获得红外反射膜8。使用了常规技术，因为它用于形成红外反射膜8。接着，光敏聚酰亚胺被涂覆在包括红外反射膜8的区域中，并通过光刻进行构图，由此形成具有所示形状的牺牲层9。可替代的，也可通过CVD法将多晶硅膜形成在红外反射膜8上并进行构图，由此形成具有所示形状的牺牲层9。
接着，如图1B所示，通过等离子体CVD法在牺牲层9上形成SiON的无机绝缘膜。该SiON薄膜用作桥结构2。
接着，参照图1C，通过溅射法，例如Ti的具有小的热导率的金属在桥结构2上形成为膜，然后进行常规曝光、显影和蚀刻工艺，由此形成布线5。接着，在通过溅射法在桥结构2上形成氧化钒膜4之后，具有308nm波长的XeCl准分子激光10在真空中室温下以50mJ/cm2和10Hz照射到薄膜4的整个表面上达5分钟。接着，通过曝光、显影和蚀刻工艺，具有预定图形的适于作为测辐射热仪电阻器4’(图1D)的部分氧化钒薄膜4被继续遗留在桥结构2上，该部分相应于红外反射膜8。结果，用激光照射后的测辐射热仪电阻器4’在电阻率和TCR上发生改变。
接着，如图1D所示，通过等离子体CVD法在包括测辐射热仪电阻器4’的桥结构2上形成SiON无机绝缘薄膜。该SiON薄膜用作保护层6，该保护层用来使测辐射热仪电阻器4’与外界屏蔽。
此后，通过曝光和显影形成具有图形的保护层6，通过干法蚀刻使用气体形成到达牺牲层9的狭缝状沟槽。接着，进行处理以从狭缝状沟槽去除牺牲层9，由此在曾经存在牺牲层9的部分形成缝隙3(图1E)。
通过上述形成方法，形成了具有以下结构的隔膜测辐射热仪电阻器4’漂浮在空气中。
通过上述制造方法获得用作红外传感器单元的原理如下当红外光入射到单元(入射光部分)上时，通过具有高红外吸收率的每个保护层6和桥结构2来吸收红外光，同时，一部分红外光透过保护层6和桥结构2并被红外反射膜8被反射，再被桥结构2和保护层6吸收。吸收的红外光用来加热隔膜以由此改变测辐射热仪电阻器4’的电阻率。测辐射热仪电阻器4’的电阻的变化通过布线5和信号输出电路被输出，以作为指示红外辐射强度的信号。
图2是当照射到测辐射热仪电阻器4’上的激光照射能量分别为40mJ/cm2、50mJ/cm2和60mJ/cm2时，示出红外传感器(测辐射热仪电阻器4’)的TCR温度关系的测量结果的特性图。当照射能量为50mJ/cm2时，大约在室温下(300K)获得超过常规2％/K的大约3％/K的良好的TCR。
图3是当照射到测辐射热仪电阻器4’上的激光照射能量分别为40mJ/cm2、50mJ/cm2和60mJ/cm2时，示出红外传感器(测辐射热仪电阻器4’)的电阻率和照射时间之间的关系的测量结果的特性图。在任何辐射能量下，当照射时间超过2分钟时，电阻率变为1Ω·cm或更小，由此落入测辐射热仪电阻器材料所需的电阻率范围。
图4是当照射到测辐射热仪电阻器4’上的激光照射能量分别为40mJ/cm2、50mJ/cm2和60mJ/cm2时，示出红外传感器(测辐射热仪电阻器4’)的电阻率的温度关系的测量结果的特性图。
从上述测量结果，能够理解依照本发明的制造方法，优选照射能量范围为30至60mJ/cm2。
依照本实施例的红外传感器在以下几点优于专利文献1公开的红外传感器1.与SiO2、TiO2、Al2O3等相比，使用具有更好的红外吸收率的SiN或SiON作为桥结构和保护层材料的每一个，能够改进TCR。
2.通过溅射法，即不采用涂覆法，来形成用于形成测辐射热仪电阻器的氧化钒薄膜。涂覆法能够减少工艺量，但是不能在衬底的粗糙表面上均匀地形成膜，由此不适合于批量生产。相反，溅射法能够均匀地形成膜，而不论衬底表面的粗糙度，由此适合于批量生产。
3.与常规400至500℃或更小相比，通过设置衬底温度为350℃或更低而实现了温度的降低。
已经理解，本发明不限于前述实施例，不脱离本发明的整个技术范围能够进行各种修改和改变。
权利要求
1.一种制造测辐射热仪型红外传感器的方法，通过吸收入射红外光来改变其入射光部分的温度，以便通过温度变化改变电阻器的电阻值，由此输出表示入射红外光照射强度的信号，所述方法包括以下步骤在绝缘衬底上形成绝缘材料的桥结构；通过干膜形成方法在所述桥结构上形成氧化钒薄膜；在所述氧化钒薄膜上照射激光以由此改变其材料性能；把改变了材料性能的所述氧化钒薄膜形成为作为所述电阻器的预定图形；和形成绝缘材料的保护层以便覆盖形成为预定图形的所述氧化钒薄膜和所述桥结构。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述干膜形成方法是溅射法、真空沉积法和CVD法之一。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述桥结构和所述保护层均是通过CVD法形成的SiN薄膜和SiON薄膜之一。
4.如权利要求1所述的方法，其中使用所述激光，该激光具有157至550nm的波长，优选是具有222至360nm波长的激光。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述激光的照射能量设置为10至150mJ/cm2并且优选为30至60mJ/cm2。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述激光的照射在350℃或更低的衬底温度下进行，优选在室温下进行。
7.如权利要求1所述的方法，其中所述激光的照射在真空或混合的还原气体气氛中进行。
8.通过依照权利要求1所述的方法制造的红外传感器。
全文摘要
依照本发明的红外传感器制造方法包括在Si衬底上形成绝缘材料的桥结构的步骤，在桥结构上通过干膜形成方法形成氧化钒薄膜的步骤，在氧化钒薄膜上照射激光以由此改变其材料性能的步骤，把改变了材料性能的氧化钒薄膜形成为具有预定图形的测辐射热仪电阻器的步骤，和形成绝缘材料的保护层以便覆盖具有预定图形的测辐射热仪电阻器和桥结构的步骤。
文档编号G01D5/26GK101034011SQ20071008431
公开日2007年9月12日 申请日期2007年2月27日 优先权日2006年2月27日
发明者土屋哲男, 水田进, 熊谷俊弥, 佐佐木得人, 仓科晴次 申请人:独立行政法人产业技术综合研究所, 日本电气株式会社