單晶矽熱敏阻型紅外線感測元件設計與製作之研究

行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

單晶矽熱敏阻型紅外線感測元件設計與製作之研究

研究成果報告(精簡版)

計 畫 類 別 ： 個別型 計 畫 編 號 ： NSC 98-2622-E-151-022-CC3 執 行 期 間 ： 98 年 11 月 01 日至 100 年 04 月 30 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-兼任助理人員：吳彥澤 碩士班研究生-兼任助理人員：謝水源 處 理 方 式 ： 本計畫涉及專利或其他智慧財產權，研究成果報告(精簡版)2 年後可公開查詢

中 華 民 國 100 年 06 月 23 日

中文摘要：

本研究主旨在利用<111>矽晶圓製作成熱型單晶矽紅外線微感測器，感 測器的設計有矽浮板式與矽浮橋式微感測器兩種類型。感測元件包含感測 區域、電極區域以及鋁墊區域。在製程設計中，利用懸浮結構的方式降低 感測區域的熱導，以提高靈敏度，並使用具有較高 TCR 的未摻雜單晶矽作 為感測材料。然而為了區分感測區域與電極區域，使用硼擴散製程來大幅 降低電極區域電阻率。其中懸浮結構包含了二氧化矽、未摻雜單晶矽與硼 摻雜之單晶矽，二氧化矽為保護層，未摻雜單晶矽為感測材料，硼摻雜之 單晶矽為電極。為保護元件的鋁墊區域在浸泡濕式蝕刻時不被 TMAH 溶液 蝕刻掉，本論文使用 5％的雙摻雜 TMAH 溶液，溶液配方為 5％ TMAH 加 入矽酸 30.4 gm/l 與過硫酸銨 7 gm/l，蝕刻溫度 80℃，在此配方下，雙摻雜 TMAH 溶液對鋁的蝕刻率非常低。 本研究成功製作出矽浮橋感測器，並且在量測後得到 TCR 值為 0.84 %/K，符合文獻合理範圍 0.8~0.88 %/K。理論計算出在室溫(295K)常壓 (760torr)下，感測器固體熱導 5.28×10-4 W/K、氣體熱導 3.57×10-3 W/K、輻 射熱導 2.97×10-7 W/K，總熱導為 4.09×10-3 W/K。提供固定電流 10 mA，量 測出感測器在室溫的阻值為 270Ω，代入條件之後計算出等效熱導為 3.87×10-3 W/K。由感測器尺寸得知熱容為 3.70×10-3 J/K，將熱容除以等效熱 導後，得熱時間常數約為 0.9 秒。室溫下，等效熱導為 3.87×10-3 W/K，靈 敏度為 412.7 V/W；在真空封裝下，等效熱導降低為 3.02×10-4 W/K，靈敏 度提升為 5304.8 V/W。分析頻率對靈敏度之影響，發現在常壓下截止頻率 0.1Hz，真空封裝後截止頻率 0.01Hz。 關鍵字:熱型紅外線微感測器、矽浮板、矽浮橋、異向性蝕刻、雙摻雜 TMAH。

英文摘要：

This study focuses on the fabrication and measurement of a single crystalline silicon infrared microbolometer. The structures of the microbolometer include sensing elements, electrodes and aluminum pads. A bridge-type structure and a plate-type structure were adopted in the design of the microbolometer. In the design, the solid conductance of the microbolometer was reduced by using suspended structure for increasing the sensitivity. The suspended structures consist of undoped single crystalline silicon, boron diffused single crystalline silicon, and oxide. In order to protect aluminum pads from damage during etching process, a dual doped 5％ TMAH solution with 30.4 gm/l silicic acid and 7 gm/l AP was used in sensor fabrication.

A single crystalline silicon microbolometer for infrared (IR) detection was successfully fabricated and characterized. According to the measurement and calculation results, TCR, thermal conductance, heat capacitance and thermal time constant are 0.84 %/K, 4.09×10-3 W/K, 3.70×10-3 J/K and 0.9 s respectively. From theoretical calculation, the cut-off frequency is 0.1Hz and the sensitivity is 412.7 V/W as voltage is 2.7 V at normal atmosphere (about 760 torr). As the pressure is less than 10-4torr, the cut-off frequency is 0.01 Hz and the sensitivity is 5304.8 V/W. as voltage is 2.7 V.

Keyword: Thermal Infrared Microbolometer, Suspended Membrane, Silicon Microbridge, Anisotropic etching, Dual Doped TMAH.

報告內容

前言 紅外線熱像感測元件依其感測機制可分為光子型及熱型兩大類，下表為此兩 類型之特性比較。光子型感測元件具有高靈敏度及較快反應時間等優勢，過去以 來一直應用於太空研究及國防科技等相關領域，惟其必須於低溫環境下操作，以 致系統成本昂貴且不易微小化。70 年代後，微機電技術不斷創新精進，以微機電 技術製作之熱型感測元件也隨之被開發出來，其功能特性已可符合產品使用需 求，微機電技術賦與了熱型感測元件進入生醫、工業及民生用途的新契機。

Parameter Thermal detectors Photon detectors

Sensitivity Low High

Response time Slow Rapid

Spectral responsivity Wide flat band

(Wavelength independent)

Cutoff limited

(Wavelength dependent)

Operating temperature Room temperature Cryogenic temperature

Cost Economical Expensive

一 般 熱 型 紅 外 線 感 測 技 術 可 區 分 成 三 種 ： 焦 電 式 (pyroelectric) 、 熱 電 式 (thermoelectric)或熱電堆(thermopile)以及熱敏阻型(bolometer)，其中熱敏阻型紅外 線感測器的感測原理係利用電阻隨溫度變化的特性，可藉由材料的電阻值推算目 標物的紅外線輻射能量，進而得知目標物的溫度值，電阻隨溫度變化的程度是由 電阻溫度係數 TCR (Temperature Coefficient of Resistance)來規範，熱敏阻型紅外線 感測器的靈敏度正比於感測材料的 TCR 值。熱敏阻型紅外線感測器具有高度 IC 製程匹配的優點，亦即其與 IC 電路較易整合於單一晶片上，可達成微小化及可大 量生產的商業目的，加上熱敏阻型紅外線感測器具有較高的靈敏度，故非常適合 於高像素熱影像焦平面晶片技術的應用，目前全世界僅有兩家公司開發出 IC 整合 型熱敏阻型紅外線熱影像焦平面晶片。 三種不同熱型紅外線感測器各有優缺點(整理如下表)，亦有其獨特的應用面。 其中熱電堆及熱敏阻型紅外線感測器具有較高的 IC 製程匹配性，具有可微小化及 可大量製造的成本優勢，是友麗系統製造股份有限公司未來發展的重點，本計畫 將協助友麗系統製造股份有限公司進行熱敏阻型紅外線感測元件製作技術的開 發。

Parameter Bolometer Pyroelectric Thermopile

Detection mechanism Resistive,

proportional Polarization change, differential Thermal emf, proportional Responsivity (V/W) 103~106 103~105 10~102 Noise Johnson, flicker, temperature Johnson, preamplifier, temperature Johnson, temperature

Bias power requirement Yes Yes No

Chopper requirement No Yes No

Process compatibility High Low High

Offset compensation Difficult Easy Easy

研究目的 熱敏阻型紅外線感測元件的感測機制包含熱反應、材料反應及電訊號反應三 部份，當紅外線進入感測元件時，紅外線會被紅外線吸收層吸收，由於熱型紅外 線感測器的高熱阻結構設計，被吸收的紅外線能量將使感測材料溫度上升近而改 變感測材料的特性，最後感測材料特性的改變可藉由讀出電路轉換成電訊號。熱 型紅外線感測器之結構包含紅外線吸收層、紅外線感測層、結構層及基材等四部 份。熱型紅外線感測器的熱反應是由紅外線吸收層及結構層的導熱特性所決定， 良好的紅外線吸收層設計將可有效率地吸收目標物體所發射的紅外線入射能量， 再藉由良好的隔熱結構層設計將紅外線入射能量轉換成與基材的溫度差，進而改 變感測材料的電阻特性。一般半導體材料具有較高之 TCR，但其雜訊也較大，本 計畫使用的感測材料亦不同於以往其他研究文獻所使用之材料，我們是採用<111> 矽晶片本身之單晶矽材料，可以避免不同材料間產生的應力問題而提升元件懸浮 結構之良率，且由於單晶矽材料相較於多晶矽材料具有小於二到三個數量級之低 頻 1/f 雜訊，單晶矽材料非常適合作為熱敏阻式紅外線感測元件材料。。

文獻探討 國內有不少對於熱型紅外線感測元件的相關研究，研究範圍包含焦電、熱電及熱 敏阻式三類型，本實驗室是國內首先針對單晶矽材料在熱敏阻式紅外線感測元件 的應用進行相關的研究，目前的研究成果是已完成紅外線吸收層、單晶矽材料特 性量測及單晶矽懸浮結構的相關研究。 國外對於熱敏阻式紅外線感測元件的相關研究相當多，研究的材料包含金 屬、合金、金屬氧化物、半導體及半導體化合物等，下表整理出參考文獻中感測 材料的相關資料，包含與元件特性及規格相關的材料特性：電阻溫度係數與電阻 率。 Authors Sensing Material TCR (%/K) Resistivity (ohm-cm)

R. A. Wood et al. Ni-Fe 0.23 -

K. C. Liddiard Pt 0.07 ~ 0.1 - K. C. Liddiard -silicon - 1.9 ~ - 2.0 500 ~ 1000 K. C. Liddiard Ge - 1.9 ~ - 2.0 30 ~ 50 S. M. Wentworth et al. Bi - 0.32 9 X 10-4 S. M. Wentworth et al. Te - 0.98 0.27 W. Lang et al. Ni - - J. S. Shie et al. Pt 0.22 - R. A. Wood et al. VOx - 2 - T. Mori et al. Ge - 3.9 ~ - 4.8 - W. Lang et al. Au 0.15 -

M. Ueno et al. Polysilicon - 0.1 ~ - 1.6 0.03 ~ 4

H. Jerominek et al. VO2 - 3 - W. Radford et al. VOx - 2 0.11 A. Tanaka et al. Ti 0.25 1.2 X 10-4 H. Wada et al. VOx - 2 0.1 ~ 0.2 T. Ichihara et al. Si1-xCx : H - 4.5 ~ - 6.6 - P. Eriksson et al. Pt 0.2 - H. K. Lee et al. Ti 0.26 -

J. L. Tissot et al. α-silicon - 2.5 -

S. Sedky et al. SiGe -2 25

研究方法 本計畫採用的<111>單晶矽熱敏阻型紅外線感測元件的設計及製作方法是一 種新穎的設計概念，根據本實驗室過去在單晶矽特性、懸浮隔熱結構及紅外線發 射器等的相關研究，可以證明此種方法是可行的且極具發展潛力。單晶矽熱敏阻 型紅外線感測元件的製程流程由六道黃光製程定義相關元件圖形，如下圖所示。 本計畫採用的設計及製作方式有兩種：NDL 製程及 CMOS 製程，前者是利用國家 奈米元件實驗室 NDL 的實驗設施，後者是使用 CMOS IC 代工廠的標準製程。我 們嘗試利用 CMOS 製程的主要原因是 CMOS 製程可以達到大量生產降低成本及具 有整合 IC 元件的優勢，合作企業亦無需投資貴重的半導體生產設備，量產產品極 具競爭優勢。

1. Define active area

2. Define electrodes

3. Contact opening & Metallization

4. Blackbody coating

結果與討論 1. 完成單晶矽熱敏阻紅外線感測元件的製作，如下圖： 2. 完成感測材料 TCR 量測，量測設備及點測結果如下圖，在本計畫所使用的<111> 晶圓為 P 型矽(摻雜硼)，電阻率為 7~13 ohm-㎝ ，預估 TCR 應為 0.80 ~ 0.88 %/K，本計畫 TCR 值為 0.84 %/K 吻合文獻的合理範圍之中。 y = 1.6589x - 256.38 220 240 260 280 300 320 340 360 300 320 340 360 380 絕對溫度(K) 電 阻(o h m ) 阻值 線性 (阻值)

3. 完成溫度響應量測，量測設備及點測結果如下圖， 2.7 2.75 2.8 2.85 2.9 2.95 300 310 320 330 340 350 360 絕對溫度(K) 電 壓 (V ) 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 輻 射 通 量 (W /c m ^ 2 ) 10mA σ[T^4-(Ta)^4] 結論： P 型單晶矽當作感測材料雖有不錯的 TCR 值 0.84%/K 與靈敏度值 412.7 V/W，但是由於熱容太大導致熱時間常數太大，截止頻率僅 0.1Hz。故在考量 元件設計時，儘可能的降低元件的體積，來避免熱容太大的問題。大面積矽浮 板的阻值依不同設計大約在 300～400Ω 之間，矽微橋依不同結構阻值大約在 200～270Ω 之間。相較於參考文獻其他材料的紅外線微感測器較低，故可以再 嘗試擴大矽浮板與矽浮橋中的感測區域，增加整體電阻值，以利於量測。

計畫成果自評

1. 本計畫已提出國內外專利之申請，有 3 件獲學校全額補助，其中一件之送件日 期：2011.5.24，申請案號：100118100

2. 共有四篇論文發表於國家奈米元件實驗室所舉辦的 Symposium on Nano Device Technology 2011 研討

3. 2011 年四位碩士班畢業學生已成功製作出紅外線感測元件，並完成量測與分 析，預計發表 1-3 篇 SCI 期刊論文 。

參考文獻：

1. 陳忠男, “單晶矽熱感測器及其製法,” 台灣發明專利, 獲學校全額補助, 申請日: 2011/5/24, 申請案號：100118100

2. 陳忠男, “單晶矽微加熱器,” 台灣發明專利, 獲學校全額補助, 2011 3. 陳忠男, “Silicon Microheater,” 美國發明專利, 獲學校全額補助, 2011, 4. Chien-Hua Hsiao, Chung-Nan Chen*, “Study of Titanium-Silicide for

Microbolometers,” Symposium on Nano Device Technology 2011 (NSC 98-2622-E-151-022-CC3)

5. Hao-Yu Tang, Chung-Nan Chen*, “BF2 -implantation effect on the etch rates of <100> and <111> single-crystal silicon in TMAH solutions,”

Symposium on Nano Device Technology 2011 (NSC

98-2622-E-151-022-CC3)

6. Shuiyuan Xie, Chung-Nan Chen*, “Evaluation of Electrical Properties of Ni/Cr-Film for Microbolometer Applications,” Symposium on Nano Device Technology 2011 (NSC 98-2622-E-151-022-CC3)

7. Yen-Tse Wu, Chung-Nan Chen*, “The Effect of RTA Annealing on TCR Properties and Stress of Ta-Si-N Film,” Symposium on Nano Device Technology 2011 (NSC 98-2622-E-151-022-CC3)

國科會補助計畫衍生研發成果推廣資料表

日期:2009/12/22

國科會補助計畫

計畫名稱: 單晶矽熱敏阻型紅外線感測元件設計與製作之研究 計畫主持人: 陳忠男 計畫編號: 98-2622-E-151-022-CC3 學門領域: 光電子材料元件與模組

研發成果名稱

(中文) 單晶矽熱敏阻型紅外線感測元件設計與製作之研究 (英文)

成果歸屬機構

國立高雄應用科技大學

發明人

(創作人)

陳忠男

技術說明

(中文) 本計畫的相關技術包含：單晶矽材料特性評估、單晶矽隔熱懸浮結構的製作、紅 外線黑體吸收層製作及元件模擬與設計。其中前三項技術已於過去所執行的產學 計畫期間順利完成，分別量測單晶矽材料的電阻溫度係數特性，完成Dual-doped TMAH異向蝕刻特性研究，製作出各種單晶矽隔熱懸浮結構及製作與量測紅外線黑 體吸收層。除此之外，我們亦利用相同的製程設計概念成功製作出單晶矽紅外線 發射器元件，證明整個製程整合是可行的。本研究計畫之重點為元件的模擬與設 計以及製程參數的控制，元件設計的目標是減少固體熱導以提高元件靈敏度；製 程參數的控制主要是降低元件的熱容以提升元件反應速度及控制元件適當的阻值 範圍。 本計畫除了延續過去的研究成果，完成單晶矽熱敏阻型紅外線感測元件的設計、 製作與特性量測外，並嘗試利用業界現有的標準CMOS製程進行感測元件的設計與 製作，充分評估元件大量生產及整合IC元件的可行性。 (英文)

產業別

光學及精密器械製造業

技術/產品應用範圍

技術移轉可行性及

預期效益

註：本項研發成果若尚未申請專利，請勿揭露可申請專利之主要內容。

98 年度專題研究計畫研究成果彙整表

計畫主持人：陳忠男 計畫編號：98-2622-E-151-022-CC3 計畫名稱：單晶矽熱敏阻型紅外線感測元件設計與製作之研究 量化 成果項目 實際已達成 數（被接受 或已發表） 預期總達成 數(含實際已 達成數) 本計畫實 際貢獻百 分比 單位 備 註 （ 質 化 說 明：如 數 個 計 畫 共 同 成 果、成 果 列 為 該 期 刊 之 封 面 故 事 ... 等） 期刊論文 0 0 100% 研究報告/技術報告 0 0 100% 研討會論文 4 2 100% 篇 共 有 四 篇 論 文 發 表 於 國 家 奈 米 元 件 實 驗 室 所 舉 辦 的 Symposium on Nano Device Technology 2011 研討會 論文著作 專書 0 0 100% 申請中件數 1 1 100% 本 計 畫 已 提 出 國 內專利之申請，並 獲 學 校 全 額 補 助 ， 送 件 日 期 ： 2011.5.24 ， 申 請 案號：100118100 專利 已獲得件數 0 0 100% 件 件數 0 0 100% 件 技術移轉 權利金 0 0 100% 千元 碩士生 4 2 100% 博士生 0 0 100% 博士後研究員 0 0 100% 國內 參與計畫人力 （本國籍） 專任助理 0 0 100% 人次 期刊論文 0 1 100% 2011 年碩士班畢 業 學 生 已 成 功 製 作 出 紅 外 線 感 測 元件，並完成量測 與分析，預計發表 1-3 篇 SCI 期刊論 文 。 篇 論文著作 國外

件數 0 0 100% 件 技術移轉 權利金 0 0 100% 千元 碩士生 2 2 100% 博士生 0 0 100% 博士後研究員 0 0 100% 參與計畫人力 （外國籍） 專任助理 0 0 100% 人次 其他成果

(

無法以量化表達之成 果如辦理學術活動、獲 得獎項、重要國際合 作、研究成果國際影響 力及其他協助產業技 術發展之具體效益事 項等，請以文字敘述填 列。) 1. 本計畫已提出國內專利之申請，並獲學校全額補助，送件日期：2011.5.24， 申請 案號：100118100 2. 共有四篇論文發表於國家奈米元件實驗室所舉辦的 Symposium on Nano Device Technology 2011 研討會 3. 2011 年四位碩士班畢業學生已成功製作出紅外線感測元件，並完成量測與 分析，預計 發表 1-3 篇 SCI 期刊論文 。 成果項目 量化 名稱或內容性質簡述 測驗工具(含質性與量性) 0 課程/模組 0 電腦及網路系統或工具 0 教材 0 舉辦之活動/競賽 0 研討會/工作坊 0 電子報、網站 0 科 教 處 計 畫 加 填 項 目 計畫成果推廣之參與（閱聽）人數 0

本產學合作計畫研發成 果 及 績 效 達 成 情 形 自 評 表

成果項目

本產學合作計畫預估研究成果及績效指標_{（作為本計畫後續管考之參據）} 計畫達成情形 技術移轉 預計技轉授權 1 項 完成技轉授權 1 項 國內 預估 1 件 提出申請 2 件，獲得 0 件 專利 國外 預估 1 件 提出申請 1 件，獲得 0 件 博士 1人，畢業任職於業界0人 博士 1人，畢業任職於業界0人 碩士 2人，畢業任職於業界0人 碩士 4人，畢業任職於業界0人 人才培育 其他 0人，畢業任職於業界0人 其他 0人，畢業任職於業界0人 期刊論文 0 件 發表期刊論文 0 件 研討會論文 3 件 發表研討會論文 4 件 SCI論文 0 件 發表SCI論文 0 件 專書 0 件 完成專書 0 件 國內 技術報告 0 件 完成技術報告 0 件 期刊論文 0 件 發表期刊論文 0 件 學術論文 0 件 發表學術論文 0 件 研討會論文 1 件 發表研討會論文 0 件 SCI/SSCI論文 1 件 發表SCI/SSCI論文 0 件 專書 0 件 完成專書 0 件 論文著作 國外 技術報告 0 件 完成技術報告 0 件 其他協助產業發展 之具體績效 新公司或衍生公司 0 家 設立新公司或衍生公司(名稱)：0 計畫產出成果簡 述：請以文字敘述 計畫非量化產出之 技術應用具體效 益。（限 600 字以 內） 1. 本計畫已提出國內外專利之申請，有 3 件獲學校全額補助，其中一件之送件日期： 2011.5.24，申請案號：100118100

2. 共有四篇論文發表於國家奈米元件實驗室所舉辦的 Symposium on Nano Device Technology 2011 研討會

3. 2011 年四位碩士班畢業學生已成功製作出紅外線感測元件，並完成量測與分析， 預計發表 1-3 篇 SCI 期刊論文 。