微小化紅外線氣體感測元件及模組製作技術之研究

行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

微小化紅外線氣體感測元件及模組製作技術之研究

研究成果報告(精簡版)

計 畫 類 別 ： 個別型 計 畫 編 號 ： NSC 95-2221-E-151-002- 執 行 期 間 ： 95 年 01 月 01 日至 96 年 01 月 31 日 執 行 單 位 ： 國立高雄應用科技大學光電與通訊工程研究所 計 畫 主 持 人 ： 陳忠男 計畫參與人員： 碩士班研究生-兼任助理：唐英泰、康沐楷 處 理 方 式 ： 本計畫可公開查詢

中 華 民 國 96 年 04 月 25 日

目錄

報告內容 ……… 2 前言 ……… 2 研究目的 ……… 2 文獻探討 ……… 2 研究方法 ……… 3 結果與討論 ……… 3 參考文獻 ……… 12 計畫成果自評 ……… 13

報告內容

前言 紅外線氣體感測的方法除具有高靈敏度的優勢外，由於紅外線感測原理是利用每種氣體獨有 的紅外線吸收頻譜來作辨別，因此不會因任何氣體混合而產生誤判，其具備的優異選擇性是其他 氣體感測方法所無法相比擬的，而且其感測方式為非接觸式，較不會有老化等長期可靠度問題。 研究目的 本計劃為三年期計劃之第一年計劃，研究目的是建立紅外線微發射元件及微感測器之半導體 製程及建立紅外線元件量測系統。 文獻探討 紅外線微發射元件及微感測器一般是利用矽之表面微加工技術或<100>晶向矽之體微加工技術來 實現，如M. Parameswaran在IEEE Electron Device Letters發表之” Micromachined thermal radiation emitter from a commercial CMOSprocess”論文中，其紅外線微發射元件是以<100>晶向矽之體微加 工技術來製作；Pavel Neuzil在IEEE Electron Device Letters發表之” Micromachined Bolometer With Single-Crystal Silicon Diode as Temperature Sensor”及Deniz Sabuncuoglu Tezcan在IEEE

TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES發表之” A Low-Cost Uncooled Infrared

Microbolometer Detector in Standard CMOS Technology”皆是利用<100>晶向矽之體微加工技術來 製作紅外線微感測元件；Akio Tanaka在IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES發表之” Infrared Focal Plane Array Incorporating Silicon IC Process Compatible Bolometer”則是採用矽表面 微加工技術來製作紅外線微感測元件。下圖為以矽表面微加工技術或<100>晶向矽之體微加工技術製 作之紅外線微發射元件及微感測器。

研究方法 本計劃中微發射元件及微感測器的製作方式是利用<111>晶向矽晶片之體微加工技術來設 計，並以單晶矽來製作元件之主要結構。計劃執行步驟如下： 1. 研究生光學模擬軟體及元件佈局與模擬軟體訓練。 2. 研究生微機電技術與半導體製程能力訓練。 3. TMAH 微機電製程技術研究。 4. 紅外線測試系統的建立。 5. 熱型紅外線發射源元件製程設計及元件設計與佈局。 6. 熱型紅外線感測元件製程設計及元件設計與佈局。 結果與討論 本計劃為三年期計劃，本年度(第一年度)在國科會及本校的補助下，已購買及建置計劃相關設 備，如下表所示，並陸續完成計畫預定目標。 設備名稱 規格 國科會補助 學校配合款 學校設備費 總金額 黑體 BB704 76,000 0 0 76,000 光源遮斷器 SR-530 51,170 0 0 51,170 鎖相放大器 SR-830 0 63,200 88,000 151,200

Mycad 佈局軟體 MyLayEd Pro 2005 38,466 0 0 38,466

光學模擬軟體 LightTools 90,000 0 0 90,000

恆溫水槽 G-10 0 0 25,500 25,500

紅外線溫度計 PT-3S 0 0 14,700 14,700

金像偏光顯微鏡組 Finder XMB-100B 0 0 55,200 55,200

多功能電表 ELVIS +PCI-6251 Bundle 0 0 58,800 58,800

電源電表 Keithley 2400 GPIB 卡 國科會小產學計畫通過項目 相關設備與本計畫的關聯性及執行成果詳述如下： 1. 光學模擬系統建立： 本實驗室已購置 LightTools 光學模擬軟體，此軟體可針對計畫內容之光學模組、紅外線發射器 輻射能量之分佈、氣體擴散腔及紅外線氣體感測系統之光學特性作模擬與設計。本年度已完成研 究生在光學與軟體之專業訓練，並建立紅外線光學模擬系統架構及完成紅外線光學元件特性模擬

訓練，下圖分別為一紅外線熱源經紅外線光學元件後成像於紅外線感測器上之能量分佈，及感測 器位置對光學視角影響之研究。 2. 半導體元件佈局軟體： 本實驗室已建立 Mycad 半導體元件佈局系統，作為本計畫紅外線發射器及紅外線感測元件設 計及佈局軟體。本年度已完成研究生在半導體製程及微機電技術等相關專業知識培養以及國家奈 米元件實驗室半導體設備操作訓練，研究生結業證書如圖所示，並完成紅外線發射器及紅外線感 測元件製程設計與製程測試光罩佈局，如下頁圖示。

Process flow of infrared micro-sensors

1. Wafer preparing 2. Pad oxide and nitride deposition

3. Define sensor region 4. Thermal oxidation and strip all films

5. Ion implantation 6. Stucture layer deposition

9. Black coating 10. ICP

11. Anisotropic etching

Mask layes of infrared micro-sensors 1. Mask 1: LOCOS

3. Mask 3: Contact hole

4. Mask 4: Bonding pad

5. Black coating

Process flow of infrared micro-emitter 1. Wafer preparing

2. Ion implantation

3. Pad oxide and nitride films

4. Thermal oxidation and strip all films

6. Metallization

7. Black coating

8. ICP

3. 光學顯微鏡系統： 本實驗室已購置光學顯微鏡組，包含三眼可攝影型金像偏光顯微鏡、高畫質彩色数位式彩色攝影 機、高畫質彩色 CCD 攝影機專接管與影像擷取器及軟體，可協助檢測元件製程外觀問題。目前正進 行元件製程試作及確認製程參數，圖為測試光罩黃光微影製程照片。 4. 紅外線感測材料溫度係數量測系統： 本實驗室已建立一恆溫系統，可在室溫到 100℃溫度範圍內量測紅外線感測材料溫度係數，下圖 為此系統量測白金熱敏阻材料溫度係數圖，在未來計畫年度中將針對半導體材料溫度係數特性繼續作 探討。 5. 紅外線元件特性量測系統： 本實驗室在國科會及學校設備費補助下已於本年度建置基本的紅外線元件特性量測系統，包含鎖 相放大器、光截波器、多功能電表以及黑體等，如圖所示。目前系統可量測熱電堆型紅外線感測元件 靈敏度及響應時間，下圖為本系統量測熱電堆型紅外線感測元件輸出訊號與響應頻率關係圖。此系統 擴充及計畫進度規劃說明如下：

本計劃在元件 TMAH 製程的研究成果如下，我們分別針對不同濃度及操作溫度的 TMAH 蝕刻 特性做探討，最後成功地在<111>矽晶片上製作出單晶矽懸浮微結構，如下面照片所示。

Silicon(100) Etching of TMAH Solution 2~25wt.%

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 70 80 90 Temperature [。C] Etch r ate [ A /m in] 2wt.%_5wt.% 10wt.% 15wt.% 20wt.% 25wt.%

Thermal SiO2 Etching of TMAH Solution 2~25wt.%

0 1 2 3 4 5 6 70 80 90 Temperature [。C] E tch r ate [ A /mi n] 2wt.% 5wt.% 10wt.% 15wt.% 20wt.% 25wt.%

Silicon(110) Etching of TMAH Solution 2~25wt.%

0 5000 10000 15000 20000 25000 70 80 90 Temperature [。C] Etch r ate [ A /m in] 2wt.% 5wt.% 10wt.% 15wt.% 20wt.% 25wt.%

PEVCD basic SiO2 Etching of TMAH Solution 2~25wt.%

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 70 80 90 Temperature [。C] E tch r ate [ A /mi n] 2wt.% 5wt.% 10wt.% 15wt.% 20wt.% 25wt.%

Silicon(111) Etching of TMAH Solution 2~25wt.%

0 50 100 150 200 250 300 350 400 70 80 90 Temperature [。C] Et ch r ate [A /m in ] 2wt.% 5wt.% 10wt.% 15wt.% 20wt.% 25wt.%

PECVD Si3N4 Etching of TMAH Solution 2~25wt.%

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 70 80 90 Temperature [。C] E tch r ate [ A /m in ] 2wt.% 5wt.% 10wt.% 15wt.% 20wt.% 25wt.%

參考文獻

1. B. E. Cole, R. E. Higashi, and R. A. Wood, Monolithic Two-Dimensional Arrays of Micromachined Microstructures for Infrared Applications, PROCEEDINGS OF THE IEEE, VOL. 86, NO. 8, AUGUST 1998.

2. X. He, G. Karunasiri, T. Mei, W. J. Zeng, P. Neuzil, and U. Sridhar, Member, Performance of Microbolometer Focal Plane Arrays Under Varying Pressure, IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS, VOL. 21, NO. 5, MAY 2000. 3. Mahmoud Almasri, Zeynep Çelik-Butler, Donald P. Butler, Alparslan Yaradanakul, and Ali Yildiz, Uncooled

Multimirror Broad-Band Infrared Microbolometers, JOURNAL OF MICROELECTROMECHANICAL SYSTEMS, VOL. 11, NO. 5, OCTOBER 2002.

4. Deniz Sabuncuoglu Tezcan, Selim Eminoglu, and Tayfun Akin, A Low-Cost Uncooled Infrared Microbolometer Detector in Standard CMOS Technology, IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, VOL. 50, NO. 2, FEBRUARY 203.

5. Eran Socher, Yehuda Sinai and Yael Nemirovslq, A LOW-COST CMOS COMPATIBLE SERPENTINE-STRUCTURED POLYSILICON-BASED MICROBOLOMETER ARRAY, The 12th International Conference on Solid Slate Sensors, Actuators and Microsystems. Boston June 8-12. 2003.

6. A. H. Z. Ahmed and R. Niall Tait, Characterization of an Amorphous GexSi1-xOy Microbolometer for Thermal Imaging Applications, IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, VOL. 52, NO. 8, AUGUST 2005.

7. Johan Leijtens, Andrew Court, Jan Hoegee, Microbolometer Spectrometer, Applications and Technology, Proceedings of the 2004 International Conference on MEMS, NANO and Smart Systems (ICMENS’04).

8. Marc C. Foote, Eric W. Jones, and Thierry Caillat, Uncooled Thermopile Infrared Detector Linear Arrays with Detectivity Greater than 109 cmHz1/2/W, IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, VOL. 45, NO. 9, SEPTEMBER 1998.

9. Grigoris Kaltsas, Athanase A. Nassiopoulos, and Androula G. Nassiopoulou, Characterization of a Silicon Thermal Gas-Flow Sensor With Porous Silicon Thermal Isolation, IEEE SENSORS JOURNAL, VOL. 2, NO. 5, OCTOBER 2002 463.

10. Seiji Oda, Mitsuyoshi Anzai, Shoichi Uematsu, and Kenzo Watanabe, A Silicon Micromachined Flow Sensor Using Thermopiles for Heat Transfer Measurements, IEEE TRANSACTIONS ON INSTRUMENTATION AND MEASUREMENT, VOL. 52, NO. 4, AUGUST 2003 1155.

11. S.C. Allison, R.L. Smith, D.W. Howard, C.Gonzalez, S.D. Collins, A bulk micromachined silicon thermopile with high sensitivity, Sensors and actuators A 104 (2003) 32-39.

計畫成果自評

研究內容與原計畫相符程度及達成預期目標情況 本計劃年度目標為： 1. 研究生光學模擬軟體及元件佈局與模擬軟體訓練。 2. 研究生微機電技術與半導體製程能力訓練。 3. 紅外線測試系統的建立。 4. 熱型紅外線發射源元件製程設計、功能模擬及元件設計與佈局。 5. 熱型紅外線感測元件製程設計、功能模擬及元件設計與佈局。 計畫目標皆順利達成，研究內容與原計畫相符。 研究成果之學術或應用價值 本計劃成果內容已整理並投稿國家奈米元件實驗室舉辦的「奈米元件技術研討會」，我們提出的＂ 可精準控制單晶矽懸浮結構厚度＂的新觀念具有相當的學術價值，如下圖右，未來將持續此研究方 向，待元件完成後將投稿SCI國際期刊。