CN1189948C - 采用碳化硅进行红外辐射检测的方法和电路 - Google Patents
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Abstract
将最好为单晶形式的碳化硅(6)用作具有高温和高功率性能的红外辐射探测器。其应用包括探测来自获取辐射源(2)的功率或能量。
Description
发明背景
发明领域
本发明涉及采用SiC(碳化硅)检测红外(IR)辐射和控制电阻。
相关技术的描述
目前，红外辐射是采用热电检测仪、辐射热测量仪以及热量检测仪来检测的，其应用领域，如测量红外激光器的功率或能量输出。一般说来，热电检测仪和辐射热测量仪使用直接吸收IR的材料；而热电材料包括铌酸锂和银酸钽；辐射热测量仪材料包括硅、锗、砷化镓、金属氧化物陶瓷热敏电阻以及各种玻璃。通常，热量检测仪使用的材料必须涂上对红外线敏感的吸收涂层。红外探测仪的性能受制于红外探测仪材料吸收能量而不致遭受损害的能力；这就限制了检测仪的最大能量/功率密度、最大曝露时间以及最小体积和面积。所有热电仪、辐射热测量仪和热量仪所使用的材料，其热冲击承受能力都是有限的。
目前的红外辐射直接吸收所使用的材料在过热(大于约200℃)时，或者检测仪温度增加过快时易损坏。为了检测介质和高功率红外激光器的功率或能量输出，使目前使用的材料仅曝露在一部分红外能量输出中，方法是在激光器和检测仪之间插入一个分光器或一分散介质(disbursing medium)。然而，这会使功率或能量测量值降低至一估计值。再者，目前用于介质和高功率红外源的检测仪均需风扇或水冷却，且会受到校准漂移的影响。
红外辐射敏感材料的相关应用是测量其他受红外辐射加热的材料温度。例如，半导体工业上广泛采用的快速热退火(RTA)工艺所使用的高强度红外灯以每秒几百度摄氏度的速度使半导体晶片(主要为硅)的温度成一斜坡状。目前，晶片温度是使用光学高温计或者红外高温计进行遥感，或直接用接触热耦加以监测的。
高温计通过吸收晶片表面通过在RTA工艺中腔体壁上的透明观察窗口发射的辐射来测量晶片温度。这种类型的温度探测受到以下诸因素的限止：即，需要知道所观察晶片表面精确的发射率，需要防止晶片表面和观察窗口之间的微粒或弥散气体或者观察窗口或晶片表面上的沉积物，以及需要避免晶片表面上诸如沾污或化学反应或质地变化等任何改变。
热耦通过接触晶片表面来测量其温度。该法的关键问题在于：热耦必须被封闭起来，以防其与晶片之间发生反应，热耦与晶片之间的接触难于保证，因为晶片以大于每分钟1200转的高速旋转以确保均匀的工艺过程，而使晶片同热耦接触实际上改变了局部温度。
从理论上讲，目前用于红外辐射功率或能量检测的材料均能用作为温度传感器，但它们都将无法忍受通常所需的环境或温度，特别是在温度可达1300℃的RTA工艺过程的时候。
发明综述
本发明提供一对红外辐射进行检测的独特方法，它可应用于进行红外功率和能量检测、热检测以及红外控制变阻器。新的红外辐射传感器由最好为单晶结构的碳化硅(SiC)制成。一块碳化硅接收红外辐射，而一电路施加电信号至该碳化硅，后者通过改变其对电信号的响应而对该辐射作出响应。当用作红外能量和/或功率探测器时，对接收红外辐射的碳化硅施加恒定电流或恒定电压，而输出电路提供一入射到碳化硅上作为其电阻之函数的红外能量和/或功率指示。
本发明也可用来探测受试者(如RTA工艺腔体中晶片)的温度。在此应用中，碳化硅的位置，使得由其所吸收的红外辐射强度相对于受试者来说是已知的。与红外能量/功率传感器中一样，在碳化硅上施加恒定的电流或电压，并对输出电路进行校准，以获得作为碳化硅电阻之函数的受试者的温度指示。
本发明也可用作可变电阻器。其中，激光器将受控红外光束投向包含在更大电路内的碳化硅上；该激光器配合碳化硅用作受控可变电阻器。
纯碳化硅的电阻通常具有正的温度系数，这是由于晶格直接吸收红外能量所致。其温度系数(TC)可通过加进杂质加以“调节”。可采用杂质来增加晶格的红外能量吸收带。红外能量可由电激活的杂质原子(掺杂剂)吸收，室温下(不存储红外辐射时)杂质原子不是完全电离的。由晶格或杂质原子直接吸收的红外能量产生正的Tc，而由掺杂离子吸收的能量则产生负的Tc。由于在不同的红外波长下发生不同的吸收机理，故可调节碳化硅以获得作为红外辐射波长之函数的所希望的响应。
在有些应用中(如温度探测和某些可变电阻器)，将碳化硅固定在具有氮化铝(AlN)衬底的安装结构中。包括W、WC或W2C在内的导电安装层通过碳化硅上的电极把碳化硅机电连接至衬底。安装层本身可具有粘附在衬底上的W、WC或W2C粘结层，和粘附在粘结层上与碳化硅相连的一个或多个金属层，金属层的热膨胀系数在感兴趣的温度范围内不大于衬底的热膨胀系数的3.5倍。安装层可以是不连续的，由多个相互分开的安装元件组成，后者与碳化硅上各彼此分开的电极相连。
本发明具有十分稳定而可重复的电阻对温度的关系特性，能承受至少1400℃的绝对温度和十分快速的升温而无需风扇或水冷，坚固而又不易损坏，维护校准良好，并且提高了忍受高红外能量/功率强度、曝露时间及热冲击的能力。可以使用较小的碳化硅器件，因为其有利的高功率密度之运作能力而不必承受因把激光脉冲聚焦到其他材料上而引起的大的压电信号。
本领域中的普通技术人员通过参照附图阅读了本发明的详细描述以后，将会更清楚地了解部分袋囊各种特征和优点。
附图简述
图1是本发明用来检测红外激光束能量的简化示意图；
图2是本发明用来检测红外激光束功率的简化示意图；
图3是按本发明悬空红外传感器的简化透视图；
图4是本发明用作RTA工艺中温度传感器的简化示意图；
图5是用于新红外传感器的支承结构透视图；
图6是图5中所示支承结构上带有红外传感器和引线的透视图；
图7是图6中露出红外传感器之包封结构的透视图；
图8是图6中带有另一种保护结构之红外传感器的透视图；
图9是本发明所用的可变电阻器的方框图。
本发明的详细描述
本发明使用碳化硅作为红外辐射传感器，其应用包括：探测从红外辐射源(如激光器)发射的红外功率或能量，无接触地检测由红外辐射装置加热的其它物体的温度，以及用于电路的受控变阻器。人们知道，碳化硅的电阻是随温度的变化而变化的。例如，可参见Spitzer等人的“Infrared Properties ofHexagonal Silicon Cabide”，Physical Review，Vol.113，No.1(1959)；和W.J.Choyke在“The Physics and Chemistry of Carbides，Nitrides andBorides”中的“Optical and Electrical Properties of SiC”，NATO ASI Series，September 18-22，1989。然而，人们以前并未提出采用碳化硅来检测红外辐射；其温度性能通过直接接触或者通之以电流使之加热而测量过。
用碳化硅进行红外探测是通过晶格原子或对电不活跃的杂质原子、或通过不完全电离、对电活跃的杂质(掺杂)的直接吸收而完成的。占主导地位的特定机理取决于红外辐射波长。晶格或对电不活跃的杂质所吸收的红外辐射被直接转换为热能；这种类型的吸收使传感器材料的电阻增大。由不完全电离并且对电不活跃的杂质电离所吸收的红外线使碳化硅的电阻下降。因此，碳化硅响应就可作为红外辐射波长的函数加以“调节”，以达到所希望的电阻温度系数(RTC)。虽然本发明可以多晶碳化硅的方式来实现，但最好采用单晶结构，因为它不存在能引起之温度响应发生漂移的晶粒边界。存在于多晶碳化硅中的晶粒边界能随时间而集聚杂质并改变材料的RTC。
在对碳化硅的IR辐射应用中，包括有分别示于图1和图2中对光束能量和功率的检测。这种应用可被用于，例如，探测红外激光束或来自红外线灯之聚焦辐射的能量或功率。碳化硅特别适合于这些应用场合，这是因它能在十分短的时间周期内吸收十分高的能剂量而不会被损坏。因此，可用它来探测发射中等功率(功率范围在10W-300W)和许多高功率(功率超过300W)能量之红外激光器的能量/功率，其碳化硅探测表面曝露于全部的输出能量中而无需使用风扇或水冷，能承受的温度大于1300℃。SiC的这种优越的高功率密度工作能力，使得对于给定的功率，可使用比目前所用的更小体积的碳化硅传感器元件；再者，较小尺寸的碳化硅传感器元件便于在吸收激光脉冲之后的自冷却比用来探测红外辐射的其它材料更加快速。此外，碳化硅的高热导率便于使所吸收的能量快速分布于传感器的整个体积，这使得因热冲击引起传感器元件损坏(由于小面积的传感器件元件曝露于高能量激光束时可能引起的大的横向温度梯度)的可能性明显降低。碳化硅的低压电系数(相对于热电材料)，以及其高的热导率(室温下高于Cu的热导率)，使因聚焦激光脉冲而在传感器中产生大的压电信号得以抑制。总之，碳化硅有利的热冲击承受能力使得其能够吸收高能量的激光脉冲，并在小体积和小面积的传感器中，用来长时间地曝露于高能量/功率强度的红外辐射中。
SiC可掺杂，而获得高度稳定性和可重复的RTC，这点尤其对于单晶碳化硅更是这样，这将使校准没有漂移。多次暴露于大剂量红外辐射中不会改变传感器的性能。另外，由于其声谱能量和杂质电离能，碳化硅会直接吸收许多重要的红外波长，波长可达25μm。这使它不必采用几乎所有红外辐射检测仪在检测波长大于2.5微米时所使用的红外吸收涂层。
采用碳化硅作为红外辐射能量传感器示于图1。红外辐射源(如激光器2)发射位于特定波段(此处规定包括单个波长)内的红外光束4。将碳化硅传感器6；置于光路内，最好能接收全部光束。一恒压源向碳化硅施加恒定的电压，而电流检测仪10则读出通过碳化硅的电流。
碳化硅的温度随红外辐射而变，其电阻变化取决于辐射波长、强度和曝光时间。对给定的掺杂水平，由于碳化硅温度及其电阻之间存在固定的关系，故碳化硅温度可作为流经它并由电流计10所读出的电流之函数来检测。同样，在碳化硅所吸收的红外辐射能量及其温度之间也存在直接的对应关系。因此，碳化硅的电流响应将随红外线能量以一对一的关系而变化。将电流计10校正到碳化硅的RTC，并消除所有电流的热效应，这样就可直接读出红外线的能量。
现在我们不采用如图1所示那样施加恒定电压以及读出所产生的碳化硅电流的方法，而是用输出电路施加恒定电流，检测碳化硅的电压响应而非其电流响应。如图2所示，设计成探测红外线的功率而非其能量。恒流源12向碳化硅施加恒定电流，并将微分电压传感器14跨接在碳化硅上。微分电压传感器14检测碳化硅电阻因而其温度发生变化的瞬时速率。直接给出红外线4中的瞬时功率。
最好将红外传感器挂在罩子内，使其尽可能地热隔离。如图3所示，罩壁以标号16表示。碳化硅芯片18在其相对的两端具有导电接触电极压头20a和20b，并通过相应的夹头24a和24b把引线22a和22b机电地连接至碳化硅芯片组件，夹头24a和24b可以是诸如鳄鱼夹一类的夹头，或者是上面可将夹头安装上去的焊接或电接触脚。引线22a和22b接连至罩壁，使碳化硅芯片悬挂起来，并提供对芯片的电连接，并有效地使之同罩室外界保持热隔离。用接触夹头悬挂尤其适用于诸如那些以中功率激光器运行的较低温度范围，其温度一般不超过500℃左右。根据需要，可以不用夹头电极压头20a和20b，这样夹头就直接连接至芯片相对的两端。
图4示出一种系统，其中的碳化硅再次曝露于红外辐射，但此时目的在于探测附近的受试者的温度。该图代表一简化的并且没有按比例画出的RTA室26。采用本发明来探测半导体(通常为硅)晶片28的温度，该晶片在红外线灯30的辐射影响下进行快速热处理。将在其相对两端带有金属接头34a、34b的碳化硅芯片置于与晶片28相同的工作台36上，或者置于它所接收的红外辐射强度是晶片所接收的一部分已知强度的其它的位置上。
将从电压源40得到的恒定电压跨接施加至接头34a和34b，在碳化硅32上产生电流，该电流随碳化硅电阻而变，转而反应出碳化硅的温度。电流因而也是碳化硅的温度通过电流计42读出。另一可供选择的方法是，采用恒流源并检测碳化硅的电压。
一旦碳化硅对红外辐射的温度响应已被校准到半导体晶片28温度响应，那么，碳化硅就可以非接触方式通过把它曝露于同一红外源而被用来探测晶片的温度，只要它与红外线源的距离相对于晶片的距离保持不变即可。校准可包括所有消除因从红外线源至晶片以及碳化硅芯片之距离间的任何差别所引起的碳化硅芯片与晶片间红外辐射强度之差异的影响而进行的必要调整。于是，可用碳化硅来探测置于同一支承台36上类似晶片的温度，并校准电流计42，来给出晶片温度读数。这使得能够控制红外线灯30的供电，以确保晶片温度具有所希望的曲线分布。图4示出其控制机理，即，通过电流计42的输出，向控制电路44提供晶片温度指示，而电路44控制红外线灯30的供电信号，从而所发射的红外辐射使晶片保持所希望的温度分布。
图5示出碳化硅芯片32的一种可取的安装结构，它使芯片在通常为1300℃或以上十分宽的温度范围内可靠保持在原位。氮化铝片46用作安装机构的衬底。碳化硅芯片的导电安装层在衬底46上形成一对安装元件图案48a和48b，每一个元件用作碳化硅芯片接头。安装元件可由钨(W)、WC或W2C制成的厚膜或者薄膜组成。它们向层叠的碳化硅芯片和衬底电极压头50a、50b之间提供电流通路。衬底电极压头50a、50b的侧面与安装元件48a和48b偏移，并分别与安装元件48a、48b接触。安装元件粘结至氮化铝片46，并向碳化硅芯片接头提供连接接触。W、Wc和W2C通过粘结至氮化铝衬底46而满足这一要求。它们可以正确的化学计量比施加至氮化铝片表面，方法是通过以下若干不同汽相沉积技术的任何一种：如RF/DC溅射，RF/DC共溅射，电子束蒸发，以及化学汽相沉积。经采用这些技术的氮化铝衬底表面应是粗糙的，从而通过物理连接而不是化学连接而粘接在一起。可以在800℃～1400℃范围内，在真空或在如Ar或N2的隋性气体中进行热退火来增加膜密度和减少晶粒边界，而密度和晶粒增长则取决于特定温度下所消耗的时间。
若需要，则可在W，WC或W2C膜上沉积金属层52a、52b，以增大安装元件的横截面，防止基础层54a、54b被腐蚀，和/或增强对碳化硅芯片接头的结合。可使用一层或多层金属层。对于高达约800℃的温度，实际上可以采用任何一种金属。在氧化气氛下，铂可适应高至1400℃左右的温度，而金-铂合金则可适应高至大约1300℃的温度；真空、随性气体或还原环境下，镍、钯、铂及其合金和金属互化物以及镍-铬合金可用在高至1400℃左右的温度下。
电极压头50a、50b包含安装元件48a，48b的侧面延伸部分，并具有相同的基本结构。然而，如图5所示，电极压头上的过度金属(over metallzation)层可具有大于安装元件的厚度，以便引线的安装。通常，电极压头50a、50b上的金属层总厚度应至少是引线直径的0.05倍，而金属层和引线的温度膨胀系数应紧密地匹配。另外，在所要求的温度范围内，金属层的热温度膨胀系数应不大于衬底的大约3.5倍。
图6示出在将碳化硅芯片18接连至安装元件、引线56a、56b连接至电极压头50a和引线56c、56d接连至电极压头50b之后，图5的安装结构。碳化硅芯片18可含有由其它半导体材料和成分组成的薄膜，只要至少90％的芯片厚度是碳化硅即可。其接头20a、20b分别连接至安装元件48a、48b。最好借助平行隙焊技术(parallel gap welding)把引线连接至电极压头，每条引线中两个扁平的区域代表焊接头接触该引线的位置。
为了得到特别的保护，可使采用如图7所示的封装结构。该结构与图6所示的相同，但在氮化铝衬底46的上面部分加有反应过的硼硅酸混合物(RBM)封装结构58，其上带有窗口60，它使下面的碳化硅芯片18曝露于所施加的红外辐射中。当硼硅酸混合物反应时，经反应的硼硅酸混合物就通过同它起化学反应，形成氧化物介面层而粘结至下面的材料。如果在施加至该结构的热循环温度范围内，硼硅酸混合物的热膨胀系数与其所封闭的材料非常匹配，或者硼硅酸混合物的粘度比其Littleton软化点(约为10厘米-克-秒)要小，则硼硅酸混合物在其所封闭的表面上形成一环境壁垒。
图8示出安装结构的变化形式。其中，除了下面的氮化铝片46之外，一对较小并且彼此分开的氮化铝片罩盖62a、62b置于图6所示结构上面，并通过硼硅酸混合物与基础衬底46结合在一起，留出曝露于红外辐射的碳化硅芯片18之上表面部分。
和温度探测相关的本发明的应用已在快速热退火中叙述过。温度探测能力同样具有诸多其它的应用。如：加热、通风和空调(HVAC)、空间加热、干燥和固化、食品加工和制备、炉子、隧道窑、封装机械、纺织机械、真空成型以及薄板金属加工。
如上所述，可以在碳化硅中掺杂，以调节其对不同红外波长的温度响应。由于碳化硅是IV族化合物，故任何IIIA或IIIB元素均可用作p-型掺杂剂，而任何V族元件均可用作N-型掺杂剂。每种不同的掺杂元素均具有不同的激励能量，后者与其激励波长成反比。特定的激励波长不仅取决于所用的掺杂剂，而且也取决于碳化硅的多型(polytype)，如2H，4H，6H，8H，15R等等；每种多型具有不同的禁带和电活性杂质的电离能。
图9中示出本发明用作红外辐射控制的可变电阻器。用作可变电阻器的碳化硅66形成整个电路一部分，在图中，该电路是以子电路68和70由变阻器66连接起来的。激光器72在可变电阻器66所敏感的波长下，把红外线束74投射到碳化硅上，并受控制电路76的控制。采用被可变电阻器中晶格原子和/或杂质原子直接吸收的红外辐射波长(或波长范围)，在激光器工作时，该可变电阻器的电阻以指数形式增加。例如，这一特性可用来在紧急情况下切断电流，或者根据作用于控制电路76的某些其他参数，用作使电子电路接通或关断的开关。这样，可变电阻器对来自电路68和70之电信号的响应，会根据入射的红外辐射，在导通和不导通之间变化。
在该可变电阻器应用中碳化硅的优点在于，它能用作整个电路的低电阻部分，由于其固有的高功率性能，该电路可以承受很大的电流。变阻器66并非仅限于用作接通/关断开关，它还可以其它工作方式控制整个电路的功能，从而在精确控制的获取激光器的影响下，提供中间电阻水平。
虽然上文中已经描述了本发明的若干实施例，但本领域中的普通技术人员还可以作出各种变异形式和其他的实施例方式。因此，本发明仅以权利要求书来限定其范围。
Claims (14)
1.一种红外辐射检测电路，其特征在于，它包含：
曝露用以接收红外辐射(4)的碳化硅红外吸收材料(6)，以及
连接用以向所述碳化硅材料施加电信号的电路(8，12)，
所述碳化硅材料通过改变其对所述电信号的响应，对入射的红外辐射作出响应，并且，所述碳化硅材料被固定在安装结构中，所述安装结构包含氮化铝衬底(46)，和包括W、WC或W2C的导电安装层(48a，48b)，用以将所述碳化硅材料与所述结构机电相连。
2.如权利要求1所述的红外辐射检测电路，其特征在于，所述安装层包含粘结于所述衬底上的W，Wc或W2C粘结层(54a，54b)，和粘结至所述粘结层并连接至所述碳化硅材料的电极(20a，20b)的金属层(52a，52b)，所述金属层具有的热膨胀系数在要求的温度范围内不大于所述衬底的大约3.5倍。
3.如权利要求1所述的红外辐射检测电路，其特征在于，还包含多个具有与所述安装层相同成分的电极压头(50a，50b)，所述电极压头与所述衬底机电连接，并与所述安装层电连接。
4.如权利要求1所述的红外辐射检测电路，其特征在于，对所述碳化硅材料进行掺杂，使得通过以由掺杂水平确定的方式改变所述碳化硅材料的电极，来响应所述要求的波段范围内的红外辐射。
5.一种用于红外辐射功率或能量的探测器，其特征在于，它包含：
曝露用以接收红外辐射(4)的碳化硅材料(6)，
配置的激励电路(8，12)，以便向所述碳化硅材料施加受控电压或者受控电流，以及
输出电路，在从所述激励电路得到的是受控电压的时候，所述输出电路包括一个用于所述碳化硅材料的电流检测器(10)，而当从所述激励电路得到的是受控电流的时候，所述输出电路包括一个用于所述碳化硅材料的电压检测器(14)，所述输出电路在要求的波段范围内提供入射到所述碳化硅材料上红外辐射的功率或能量指示，
其中，所述碳化硅材料被固定在安装结构中，所述安装结构包含氮化铝衬底(46)，和包括W、WC或W2C的导电安装层(48a，48b)，用以将所述碳化硅材料与所述结构机电相连。
6.如权利要求5所述的探测器，其特征在于，所述安装层包含粘结于所述衬底上的W，Wc或W2C粘结层(54a，54b)，和粘结至所述粘结层并连接至所述碳化硅材料的电极(20a，20b)的金属层(52a，52b)，所述金属层具有的热膨胀系数在要求的温度范围内不大于所述衬底的大约3.5倍。
7.如权利要求5所述的探测器，其特征在于，还包含多个具有与所述安装层相同成分的电极压头(50a，50b)，所述电极压头与所述衬底机电连接，并与所述安装层电连接。
8.如权利要求5所述的探测器，其特征在于，对所述碳化硅材料进行掺杂，使得通过以由掺杂水平确定的方式改变所述碳化硅材料的电极，来响应所述要求的波段范围内的红外辐射。
9.如权利要求5所述的探测器，其特征在于，所述碳化硅材料的位置使其对红外辐射(38)的曝露相对于由欲测其温度的试验材料(28)所接收的红外辐射之水平是已知的，并且所述输出电路提供作为所述碳化硅材料电阻的函数的所述试验材料的温度指示。
10.一种红外辐射控制的可变电阻器电路，其特征在于，它包含：
操作电路(68，70)，
包括在所述操作电路内的碳化硅材料(66)，以及
可控的红外辐射源(72)，配置成把红外辐射(74)投射到所述碳化硅材料上，并配置成控制所述碳化硅材料的电阻，从而使所述操作电路的操作随所述红外辐射的特性而变，
其中，所述碳化硅材料被固定在安装结构中，所述安装结构包含氮化铝衬底(46)，和包括W、WC或W2C的导电安装层(48a，48b)，用以将所述碳化硅材料与所述结构机电相连。
11.如权利要求10所述的可变电阻器电路，其特征在于，对所述碳化硅材料进行掺杂，使得通过以由掺杂水平确定的方式改变所述碳化硅材料的电极，来响应所述要求的波段范围内的红外辐射。
12.一种红外辐射检测方法，其特征在于，它包括：
向一碳化硅材料(6)施加一个电信号，以及
向所述碳化硅材料施加红外辐射(4)以对所述碳化硅材料加热，从而引起所述材料中的电阻变化，该电阻变化控制所述材料对所述电信号的响应，
其中，所述碳化硅材料被固定在安装结构(46)中，所述安装结构包含氮化铝衬底，和包括W、WC或W2C在内的导电安装层(48a，48b)，用以将所述碳化硅材料与所述结构机电相连。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述施加的电信号包含一个电压信号(8)或电流信号(12)，还包含在施加电压的情况下检测通过所述碳化硅材料的电流(10)而在施加电流的情况下检测跨接于所述碳化硅材料上的电压(14)的步骤，从而获得所述红外辐射的功率或能量指示。
14.如权利要求12或13所述的方法，其特征在于，它还包含以下步骤，即，曝露所述碳化硅材料和试验材料(28)，所欲测量的试验材料的温度与红外辐射的水平直接相关；以及检测作为所述试验材料的温度指示的碳化硅材料对所述电信号的响应。
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