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金刚石传感器

阅读:605发布:2022-09-28

专利汇可以提供金刚石传感器专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且金刚石元件安装在设有一对金属互连件的、厚度不超过3毫米的绝缘基底材料上。在金刚石元件中,用作检测层的绝缘金刚石层沉积在衬底上,一对叉指型 电极 沉积在该绝缘金刚石层的表面上。金刚石元件的叉指型电极通过引线连接在沉积于绝缘基底材料上的金属互连件上。绝缘基底材料可透射待检测的紫外线 辐射 。即使在灯与照射目标之间的距离较短时,金刚石 传感器 也能够稳定地检测紫外线辐射。,下面是金刚石传感器专利的具体信息内容。

1.一种金刚石传感器,包括:
厚度不超过3毫米的绝缘基底材料;
选择性地沉积于所述绝缘基底材料上的至少一对金属互连件;和
金刚石元件,所述金刚石元件包括用作检测层的金刚石层以及沉 积于所述金刚石层上的至少一对表面电极,其中所述表面电极对中的 表面电极连接在所述金属互连件对中的其相应金属互连件上。
2.根据权利要求1所述的金刚石传感器,其特征在于,所述金 刚石传感器还包括元件衬底,其中所述金刚石层沉积在所述元件衬底 上。
3.根据权利要求2所述的金刚石传感器,其特征在于,所述绝 缘基底材料的厚度不超过1毫米。
4.根据权利要求2所述的金刚石传感器,其特征在于,所述金 刚石层为高度取向的金刚石层,其中表面由(100)晶面构成,生长晶 粒相对于所述元件衬底表面单轴地取向,所述晶面也取向在面内。
5.根据权利要求2所述的金刚石传感器,其特征在于,所述绝 缘基底材料可透射测量目标辐射,所述金刚石层面向所述绝缘基底材 料。
6.根据权利要求5所述的金刚石传感器,其特征在于,所述绝 缘基底材料的厚度不超过1毫米。
7.根据权利要求5所述的金刚石传感器,其特征在于,所述绝 缘基底材料由选自合成石英玻璃、蓝宝石、氟化镁和氟化的材料制 成。
8.根据权利要求5所述的金刚石传感器,其特征在于,所述金 刚石层为高度取向的金刚石层,其中表面由(100)晶面构成,生长晶 粒相对于所述元件衬底表面单轴地取向,所述晶面也取向在面内。
9.根据权利要求5所述的金刚石传感器,其特征在于,所述绝 缘基底材料可透射波长为172纳米的紫外线辐射。
10.根据权利要求1所述的金刚石传感器,其特征在于,所述金 刚石层直接设在所述绝缘基底材料上。
11.根据权利要求10所述的金刚石传感器,其特征在于,所述 金刚石元件被制造在形成于所述绝缘基底材料表面上的下凹部分 中,使得所述金刚石元件的表面和所述基底材料的表面相互间齐平。
12.根据权利要求10所述的金刚石传感器,其特征在于,所述 绝缘基底材料的厚度不超过1毫米。
13.根据权利要求10所述的金刚石传感器,其特征在于,所述 绝缘基底材料由选自玻璃、合成石英玻璃、蓝宝石、氟化镁和氟化钙 的材料制成。
14.根据权利要求10所述的金刚石传感器,其特征在于,所述 金刚石层为高度取向的金刚石层,其中表面由(100)晶面构成,生长 晶粒相对于所述表面单轴地取向,所述晶面也取向在面内。
15.根据权利要求10所述的金刚石传感器,其特征在于,所述 绝缘基底材料可透射波长为172纳米的紫外线辐射。
16.根据权利要求1所述的金刚石传感器,其特征在于,所述表 面电极面向所述绝缘基底材料,所述金刚石层设在所述表面电极的外 侧上。
17.根据权利要求16所述的金刚石传感器,其特征在于,所述 绝缘基底材料的厚度不超过1毫米。
18.根据权利要求16所述的金刚石传感器,其特征在于,所述 绝缘基底材料由选自玻璃、合成石英玻璃、蓝宝石、氟化镁和氟化钙 的材料制成。
19.根据权利要求16所述的金刚石传感器,其特征在于,所述 金刚石层为高度取向的金刚石层,其中表面由(100)晶面构成,生长 晶粒相对于所述表面单轴地取向,所述晶面也取向在面内。
20.根据权利要求16所述的金刚石传感器,其特征在于,所述 绝缘基底材料可透射波长为172纳米的紫外线辐射。

说明书全文

技术领域

发明涉及一种用来测量短波长辐射真空紫外线辐射的金刚 石传感器及其制造方法。特别是,本发明涉及一种适用于在空气中 进行紫外线照射的清洁装置的低矮外形(low profile)的平面型金刚石 传感器及其制造方法。

背景技术

一般而言,在观察波长比可见光更短的紫外线辐射等的时候, 日光或其它光经常会成为不确定的因素。因此,需要对日光不敏感 的性能。另外,由于紫外线区内的辐射能量比较高,因此需要较高 的耐久性来进行稳定的观察,同时在较长一段时间内具有良好的再 现性。
因此,近年来已经提出了一种包括金刚石薄膜的紫外线传感器 (例如,参见“用于下一代157纳米的深紫外线光刻工具的金刚石 光检测器”,Diamond and Related Materials,第10卷693-697页,2001 年,以及“采用高度取向金刚石膜的紫外线传感器的进展”,R&D KOBE STEEL ENGINEERING REPORTS,第52卷第2期,No.223-26 页)。金刚石薄膜可在高温下使用并展示出优越的耐久性,并且具 有宽带隙半导体的性能。因此,可以较低的成本来实现非常可靠的 传感器。与其中结合有窄带隙的等与波长滤波器的已知传感器元 件相比,包括这种金刚石薄膜的半导体传感器展示出优越的耐久性。 另外,与包括光电阴极管等的已知传感器相比,它具有可以实现微 型化和减轻重量并且不需要复杂电路配置的优点。
在已知的金刚石传感器中,通过气相合成法生产的金刚石薄膜 用作检测层,例如,在该金刚石薄膜的表面上制出一对电极。在具 有这种共面结构的金刚石传感器中,当施加光时就在金刚石薄膜中 产生了电子空穴对。这些电子空穴对通过在一对电极之间施加偏压 而在各电极处收集起来,并且作为电信号而被检测到。具有这种构 造的金刚石传感器通常被称为光电导体,并且在未施加辐射时具有 绝缘性能。然而,光电导体在施加辐射时会改变成具有导电性能。
现有技术文献中所介绍的那样,金刚石传感器通常被封装在 工业气密密封如TO-5中,使得传感器表面不会被测量气氛中的灰尘 和有机材料污染。传感器组件被密封,并且其内部用惰性气体如氮 进行清洗,因而降低了受气体类型的影响。
以前采用高强度低压汞灯来除去玻璃衬底等的表面上的有机材 料并进行清洁,而这种灯发出254纳米的紫外线辐射或者185和254 纳米的紫外线辐射,因此会高效率地产生臭。金刚石传感器最适 用于测量这种装置所施加的辐射的强度,并且可用来进行质量控制, 等等。例如,金刚石传感器设在用来运送玻璃的传送带上,紫外线 辐射的强度可通过紧接在灯的下方处携带金刚石传感器来进行测 量。
然而,上述已知技术包括以下问题。近年来,用于液晶显示的 衬底的尺寸增大。当除了紫外线辐射外还可发出光如可见光的低压 汞灯应用于该较大的玻璃衬底上时,就在玻璃衬底中产生了热应。 因此,产生了因应变和/或翘曲所造成的损坏,从而降低了产量。为 了保护玻璃衬底免受损坏,已经开始研究使用其中心波长在172纳 米处的准分子灯。这种准分子灯只在紫外线区内具有发射光谱,因 此不会出现上述问题。然而,由于辐射被空气中的氧吸收,因此辐 射的强度在大气中快速地衰减。因此,在使用准分子灯时,灯罩与 衬底之间的距离必须尽可能地接近。
图9是显示了波长为172纳米或185纳米的紫外线辐射的透射 比与照射距离之间的关系的图,其中平轴线表示距灯的距离,垂 直轴线表示紫外线辐射在空气中的透射比。当使用波长为172纳米 的准分子灯时,除非灯罩与玻璃衬底之间的距离为5毫米或更小、 最好为2毫米或更小,否则无法得到足够的辐射强度。因此,问题 在于,上述已知的金刚石传感器因其厚度而无法应用于这种测量中。 另外,在其中随着照射距离的增加而发生急剧衰减的这种测量中, 必须在尽可能接近玻璃表面的位置处测量照射的量和强度。然而, 构造成可被封闭于封装如已知的金刚石传感器中的传感器存在着问 题,即难于在这种位置处进行测量。

发明内容

考虑到上述问题而研制了本发明。因此,本发明旨在提供一种 金刚石传感器,其即使在灯与照射目标之间的距离较小时也能够稳 定地检测紫外线辐射,还提供了一种制造这种金刚石传感器的方法。
根据本发明的金刚石传感器包括:厚度不超过3毫米的绝缘基 底材料;选择性地沉积或制备于该绝缘基底材料上的至少一对金属 互连件;以及金刚石元件,其包括用作检测层的金刚石层以及沉积 或制备于金刚石层上的至少一对表面电极,其中该表面电极对中的 表面电极连接在金属互连件对中的其相应金属互连件上。
在本发明中,金刚石元件安装在设有金属互连件的极薄绝缘基 底材料如玻璃或石英衬底上,上述金属互连件连接在金刚石元件的 其相应表面电极上。因此,即使在灯与照射目标之间的距离较短、 即传感器从中穿过的间隙较窄时,也可以稳定地检测测量目标辐射, 例如紫外线辐射。
尤其在本发明中,由于绝缘基底材料的厚度不超过3毫米,因 此可以容易地实现能检测波长为172纳米的紫外线辐射的传感器。 绝缘基底材料的厚度更优选为不超过1毫米。
金刚石传感器还可包括元件衬底,金刚石层可沉积在该元件衬 底上。在这种构造中,绝缘基底材料可透射测量目标辐射,而金刚 石层可面向绝缘基底材料以检测该辐射。
在根据本发明的金刚石传感器中,金刚石层可直接设在绝缘基 底材料上。
作为备选,表面电极可面向绝缘基底材料,并且金刚石层可设 在表面电极的外侧上。
在金刚石传感器未设元件衬底的情况下,低矮外形的金刚石元 件安装在设有金属互连件的绝缘基底材料如玻璃衬底上,上述金属 互连件连接在金刚石元件的其相应表面电极上。因此,与已知的金 刚石传感器相比,在硅衬底的情况下,厚度可被元件衬底的厚度减 小了例如约0.5毫米。因此,即使在传感器从中穿过的间隙较窄时, 也可以稳定地检测测量目标辐射如紫外线辐射,而这是难于用已知 金刚石元件来检测的。
上述绝缘基底材料可由可透射测量目标辐射的材料形成,上述 金刚石元件可在设有上述表面电极的表面设置成面向上述绝缘基底 材料侧时制出,测量目标辐射可从上述绝缘基底材料侧来施加。这 样,金刚石元件和金属互连件未被测量辐射直接照射,因此可以防 止因意外接触等而引起的损坏。
在金刚石传感器未设元件衬底的的情况下,上述绝缘基底材料 可由可透射测量目标辐射的材料形成,该测量目标辐射可从上述绝 缘基底材料侧来施加。作为备选,上述金刚石元件可在设有上述表 面电极的表面设置成面向上述绝缘基底材料侧时制出,上述测量目 标辐射可穿过上述绝缘基底材料并入射在上述金刚石传感器中的设 有上述表面电极的表面上。作为备选,上述金刚石元件可在与设有 上述表面电极的表面相反的表面设置成面向上述绝缘基底材料侧时 制出,并且上述测量目标辐射可穿过上述绝缘基底材料并入射在上 述金刚石传感器中的与设有上述表面电极的表面相反的表面上。这 样,金刚石元件和金属互连件未被测量辐射直接照射,因此可以防 止因意外接触等而引起的损坏,从而提高了耐久性。另外,当测量 目标辐射设置成入射在与设有表面电极的表面相反的表面上时,测 量目标辐射未受表面电极的阻碍,从而改善了入射特性。
作为备选,上述金刚石元件可在设有上述表面电极的表面设置 成面向上述绝缘基底材料侧时制出,上述测量目标辐射可从金刚石 元件侧施加。这样,测量目标辐射未受表面电极的阻碍,从而改善 了入射角特性。
可在绝缘基底材料的表面上的待设置金刚石元件的区域内预先 形成下凹部分,金刚石元件可制出于该下凹部分中。因此,金刚石 元件的表面和基底材料的表面相互间齐平,从而可防止意外接触。
本发明中的金刚石层例如可由气相合成法所生产的多晶金刚石 形成。上述金刚石层例如可为高度取向的金刚石层,其中表面由(100) 晶面构成,生长晶粒相对于上述衬底表面单轴地取向,并且晶面也 在面内取向。高度取向的金刚石层指这样的层,其中多晶金刚石中 的晶粒的生长方向和面内方向均相对于衬底表面而在一个方向上取 向。其表面呈特定的表面几何形状,其中平面的(001)面对齐。因此, 该膜表面附近中的晶体缺陷密度比一般多晶膜中的更小,而载流子 迁移率呈数量级地增大。因此与已知的金刚石传感器相比,检测性 能得以改进。
根据本发明的金刚石传感器例如可检测紫外线辐射。
在根据本发明的金刚石传感器中,绝缘基底材料优选可透射波 长为172纳米的紫外线辐射。
一种用于制造根据本发明的金刚石传感器的方法的特征在于, 其包括步骤:在绝缘基底材料上选择性地形成至少一对金属互连件; 在元件衬底上形成用作检测层的金刚石层,并在该金刚石层上形成 至少一对表面电极,从而形成金刚石元件;以及在上述绝缘衬底上 制造上述金刚石元件,并将上述表面电极对中的表面电极连接在上 述金属互连件对中的其相应金属互连件上。
在本发明的这一方面中,金属互连件形成于绝缘基底材料如玻 璃衬底上,另外,金刚石元件安装在该绝缘基底材料上,上述金属 互连件连接在金刚石元件的其相应表面电极上。因此,可以容易地 生产出即使在传感器从中穿过的间隙较窄时也可使用的金刚石传感 器。
上述绝缘基底材料可由可透射测量目标辐射的材料如漫射的二 氧化硅、石英和蓝宝石形成,上述金刚石元件可在设有上述表面电 极的表面设置成面向上述绝缘基底材料侧时制出。
上述金刚石元件可在设有上述表面电极的表面设置成面向上述 绝缘基底材料侧时制出,上述表面电极对中的表面电极可连接在上 述金属互连件对中的其相应金属互连件上,之后,上述元件衬底可 通过溶解来除去。这样便可进一步减小传感器的厚度。由于元件衬 底在金刚石元件安装在绝缘基底材料上之后被除去,因此可减小厚 度,同时不会损坏用作检测层的金刚石层。
用于制造根据本发明的金刚石传感器的另一方法的特征在于, 其包括步骤:在绝缘基底材料上选择性地形成至少一对金属互连件; 在元件衬底上形成用作检测层的金刚石层以及在该金刚石层上形成 至少一对表面电极之后,通过溶解来除去上述元件衬底,从而产生 了金刚石元件;在上述绝缘基底材料上设置上述金刚石元件,并将 上述表面电极对中的表面电极连接在上述金属互连件对中的其相应 金属互连件上。
在本发明的这一方面中,由于已经从其上除去了元件衬底的金 刚石元件安装在该绝缘基底材料上,因此可进一步减小传感器的厚 度。另外,由于元件衬底在安装于绝缘基底材料之前被除去,因此 绝缘基底材料不会与任何化学溶液接触。结果就扩大了绝缘基底材 料的选择范围。
上述绝缘基底材料可由可透射测量目标辐射的材料形成。这样, 测量目标辐射可从绝缘基底材料侧施加,从而提高了耐久性。上述 金刚石元件可在设有上述表面电极的表面设置成面向上述绝缘基底 材料侧时制出。作为备选,上述金刚石元件可在与设有上述表面电 极的表面相反的表面设置成面向上述绝缘基底材料侧时制出。
另外,上述金刚石层可通过气相合成法形成。这样,与已知的 金刚石传感器相比,检测性能得以改进。在用于制造金刚石传感器 的上述方法中,深度与金刚石元件的厚度相当的下凹部分可被预先 形成于上述绝缘基底材料表面上的待设金刚石元件的区域内,金刚 石元件可制出于该区域内。因此,金刚石元件的表面和基底材料的 表面相互间齐平,从而可防止意外接触。
根据本发明,设有检测层的金刚石元件沉积在设有金属电极的 绝缘基底材料上,金刚石元件的表面电极连接在绝缘基底材料上的 其相应互连件上。因此,即使在无法利用已知传感器进行任何测量 的狭窄间隙中,也可稳定地检测紫外线辐射。
附图说明
图1是根据本发明的第一实施例的金刚石传感器的平面图。
图2是示意性显示了根据本发明的第一实施例的金刚石传感器 的侧视图。
图3是示意性显示了根据本发明的第二实施例的金刚石传感器 的侧视图。
图4是从绝缘基底材料侧看去的根据本发明的第二实施例的金 刚石传感器的平面图。
图5是示意性显示了根据本发明的第三实施例的金刚石传感器 的侧视图。
图6是示意性显示了根据本发明的第三实施例的修改例的金刚 石传感器的侧视图。
图7是示意性显示了根据本发明的第四实施例的金刚石传感器 的侧视图。
图8是显示了根据本发明的示例1的紫外线传感器的评价方法 的框图
图9是显示了波长为172纳米或185纳米的辐射的透射比与照 射距离之间的关系的图,其中水平轴线表示照射距离,垂直轴线表 示在空气中的透射比。

具体实施方式

为了实现上述目的,本发明的发明人进行了广泛的研究。结果 发现,当金属互连件选择性地形成于极薄绝缘基底材料如最常用作 处理目标的玻璃衬底的表面上、设有检测层的金刚石元件连接在该 玻璃衬底上,并且元件的电极连接在绝缘基底材料上的其相应电极 上时,即使在以前无法进行任何测量的狭窄间隙中,都能够稳定地 检测紫外线辐射。
根据本发明实施例的金刚石传感器将参考附图在下文中具体介 绍。现在介绍根据本发明第一实施例的金刚石传感器。图1是根据 本发明第一实施例的金刚石传感器的平面图。图2是示意性显示了 该金刚石传感器的侧视图。如图1和图2所示,本实施例的金刚石 传感器10在平板状绝缘基底材料20上选择性地设有一对金属互连 件21a和21b。金刚石元件3安装在该绝缘基底材料20上。在金刚 石元件3中,用作检测层的绝缘金刚石层31沉积在衬底30上,一 对叉指型电极32a和32b沉积在该绝缘金刚石层31的表面上。金刚 石元件3的叉指型电极32a和32b通过引线接合等而分别电连接在沉 积于绝缘基底材料20上的金属互连件21a和21b上。例如,可采用 金引线等作为将叉指型电极32a和32b与金属互连件21a和21b相互 连接起来的引线6a和6b。
本实施例的金刚石传感器10中的绝缘基底材料20并不受特定 的限制,只要基底材料是例如由玻璃、蓝宝石或塑料制成的平板状 材料,并且具有考虑到紫外线灯等应用所需的一定强度水平即可。 绝缘金刚石层31可通过已知的方法来形成。特别是,通过化学气相 沉积(CVD)法合成的多晶金刚石膜在工业上是优选的,其中在CVD 法中采用了等离子体,从而利用了优越的可控性,并且可以低成本 来稳定地生产金刚石膜。更优选的是,绝缘金刚石层31是高度取向 的金刚石膜,其中表面由金刚石的(100)晶面构成,并且晶粒取向在 恒定的方向上。这种高度取向的金刚石膜在广义上被分类为多晶膜。 然而,晶粒的生长方向和面内方向均取向在恒定的方向上,并且其 表面呈特定的表面几何形状,其中平坦的(001)面是对齐的,使得该 表面附近的晶体缺陷密度比一般多晶膜中的更小。因此,载流子迁 移率呈数量级地增大,从而展示出优越的检测特性。
金属电极21a和21b以及叉指型电极32a和32b可由常见的金 属如金、铂或形成。已知的方法如真空蒸发法、溅射法、离子 法或CVD法均可用作其形成方法。已知的方法可应用在用于在绝缘 基底材料20上选择性地形成金属互连件的方法中。然而,采用光刻 的成形方法也是合适的。在这种情况下,适用方法的示例包括这样 的方法,其中金属膜形成于整个绝缘基底材料20上,通过光刻法在 该金属膜上的与互连件图案相对应的区域中形成光致抗蚀图案,然 后在采用该光致抗蚀图案作为掩膜的同时来蚀刻该金属膜;或者, 适用方法的示例包括剥离法(lift-off method),其中在绝缘基底材料20 上预先形成光致抗蚀图案,同时在光致抗蚀图案中的将形成互连件 的区域中设置开口,在采用该光致抗蚀图案作为掩膜的同时对金属 膜进行成形,之后通过溶解来除去该光致抗蚀图案,以除去不需要 的金属膜。
在本实施例的金刚石传感器10中,叉指型电极32a和32b沉积 在绝缘金刚石层31的表面上。然而本发明并不限于此。本质上只需 要至少一对电极沉积在绝缘金刚石层31的表面上即可。其形状可随 意地确定。当相互面对的部分的长度在形状上增大时,受到紫外线 辐射检测的区域也增大,因此可以得到很高的灵敏度。特别是,在 测量紫外线辐射时,更优选采用叉指型结构,其中例如宽度为1至50 微米,电极之间的间隔为1至50微米。
衬底30并不受到特定的限制。例如,当绝缘金刚石层31由高 度取向的金刚石膜形成时,希望使用具有由(001)晶面构成的表面的 硅衬底。另外,根据用途可在金刚石元件的表面上施加各种涂层。 金刚石元件3和绝缘基底材料20例如可通过使用膏或粘合剂的粘 合、或者使用金-等的低温钎焊而结合在一起。另外,也可通过使 用凸点的压力结合来进行固定,或者,通过施加极少量的SOG(自 旋玻璃;水玻璃)、放置金刚石元件且之后进行烧结来进行固定。
下面将介绍根据本实施例如上所述地构造的金刚石传感器10的 操作。在本实施例的金刚石传感器10中,绝缘金刚石层31用作检 测层,在叉指型电极32a和叉指型电极32b之间施加偏压。当含有紫 外线、X射线软X射线等并且具有高于金刚石带隙的能量水平的 辐射从叉指型电极32a和32b侧上的表面入射在绝缘金刚石层31上 时,在绝缘金刚石层31中产生了载流子(电子和空穴)。这些载流 子被施加于叉指型电极32a和叉指型电极32b之间的偏压所产生的电 场移动。载流子集聚在叉指型电极32a或叉指型电极32b处,并作为 电信号通过金属电极21a和21b输出。
在本实施例的金刚石传感器中,由于金刚石元件安装在设有互 连件的绝缘基底材料上,因此即使在离照射灯的距离较短时也能稳 定地检测紫外线辐射。因此就扩大了包括低成本的高取向金刚石膜 和多晶金刚石膜的紫外线传感器的实用范围。因此就可发展出新的 应用领域,另外,对其中使用紫外线辐射、真空紫外线辐射和深紫 外线辐射的工业领域的发展也作出了重要的贡献。
下面将介绍根据本发明第二实施例的金刚石传感器。图3是示 意性显示了本实施例的金刚石传感器40的侧视图。图4是从绝缘基 底材料侧看去的该金刚石传感器的平面图。在图3和图4中,与图1 和图2中所示第一实施例的金刚石传感器10中相同的构件由相同的 标号表示,并且不提供对其的详细说明。如图3所示,本实施例的 金刚石传感器40在可透射测量目标辐射1的绝缘基底材料200上选 择性地设有一对金属互连件21a和21b。在金刚石元件中,用作检测 层的绝缘金刚石层31沉积在衬底30上,在平面图中为梯形的一对 梯形电极332a和332b沉积在该绝缘金刚石层31的表面上。金刚石 元件安装在绝缘基底材料200上,使得设有梯形电极332a和332b的 表面面向绝缘基底材料200一侧。在该金刚石传感器40中,梯形电 极332a和332b分别沉积在金属互连件21a和21b上,梯形电极和金 属互连件例如通过其中将金凸点7a和7b压力结合在一起的方法而相 互间连接在一起。
本质上只需要本实施例的金刚石传感器中的绝缘基底材料200 为由可透射目标紫外线辐射的材料制成的平板状材料即可。例如, 可使用合成石英玻璃、蓝宝石、氟化镁和氟化
在本实施例的金刚石传感器40中,测量目标辐射1从绝缘基底 材料200一侧入射。因此,由于金刚石元件以及金属互连件21a和21b 并不直接暴露于紫外线辐射下,因此可保护金刚石元件免受灰尘、 臭氧和意外接触等等,从而提高了耐久性。本实施例的金刚石传感 器40的除上述以外的结构、操作和效果与上述第一实施例的金刚石 传感器10中的相类似。
下面将介绍根据本发明的第三实施例的金刚石传感器。图5是 示意性显示了根据本发明的第三实施例的金刚石传感器50的侧视 图。在图5中,与上述第一实施例的金刚石传感器10中相同的构件 由相同的标号表示,并且不提供对其的详细说明。如图5所示,本 实施例的金刚石传感器50在平板状绝缘基底材料20上选择性地设 有至少一对金属互连件21a和21b。金刚石元件安装在该绝缘基底材 料20上。在金刚石元件中沉积了用作检测层的绝缘金刚石层31,一 对叉指型电极32a和32b沉积在该绝缘金刚石层31的表面上。金刚 石元件的叉指型电极32a和32b通过引线接合等而分别电连接在沉积 于绝缘基底材料20上的金属互连件21a和21b上。
在本实施例的金刚石传感器50中,测量目标辐射1从叉指型电 极32a和32b一侧施加。
安装在本实施例的金刚石传感器50上的金刚石元件通过在衬底 上形成绝缘金刚石层31、然后除去衬底来产生。例如,在其中采用 硅衬底作为金刚石元件的衬底的情况下,可通过使用氟代酸-硝酸来 容易地除去衬底。
另外,测量目标辐射1还可通过由可透射测量目标辐射1的材 料形成绝缘基底材料20而从绝缘基底材料侧来入射。图6是示意性 显示了本实施例的一个修改例的金刚石传感器的侧视图。如图6所 示,本修改例的金刚石传感器51类似于上述第三实施例的金刚石传 感器50,不同之处在于,使用由可透射测量目标辐射1的材料制成 的绝缘基底材料200取代了绝缘基底材料20。在本修改例的金刚石 传感器51中,尽管因电子空穴对在更远离叉指型电极32a和32b的 位置处产生而降低了灵敏度,然而因电极部分未被入射光遮盖,因 此可在更宽的区域内收集辐射。
由于在本发明第三实施例的金刚石传感器50中以及在其修改例 的金刚石传感器51中金刚石元件均未设衬底,因此可产生低矮外形 的金刚石元件。金刚石传感器50和金刚石传感器51的除上述以外 的结构、操作和效果与上述第一实施例的金刚石传感器10中的相类 似。
下面将介绍本发明的第四实施例的金刚石传感器。图7是示意 性显示了本实施例的金刚石传感器的侧视图。如图7所示,本实施 例的金刚石传感器60在可透射测量目标辐射1的绝缘基底材料200 上选择性地设有金属互连件21a和21b。在金刚石元件中,一对梯形 电极332a和332b沉积在绝缘金刚石层31的表面上以用作检测层。 金刚石元件安装在该绝缘基底材料200上,使得设有梯形电极332a 和332b的表面面向绝缘基底材料200一侧。在该金刚石传感器60 中,梯形电极332a和332b通过金凸点7a和7b等而分别连接在金属 互连件21a和21b上。
在本实施例的金刚石传感器60中,用于形成绝缘基底材料的材 料优选为能够耐受化学溶液的材料,例如蓝宝石。因此,在其中绝 缘金刚石层31沉积在硅衬底上的状态下,金刚石元件安装在绝缘基 底材料200上,然后通过用氟代酸-硝酸等来除去硅衬底,使得可产 生低矮外形的金刚石传感器,同时不损坏具有减小厚度的金刚石层 31。
在本实施例的金刚石传感器60中,测量目标辐射1可从金刚石 层31一侧或从绝缘基底材料200一侧施加。可在借鉴了上述第三实 施例中的描述的情况下来确定测量目标辐射1从哪一侧入射。在测 量目标辐射1从金刚石层31一侧施加的情况下,绝缘基底材料不可 透射测量目标辐射1。本实施例的金刚石传感器的除上述以外的结 构、操作和效果与上述第二和第三实施例的金刚石传感器中的相类 似。
示例1
本发明示例的效果将在下面详细地介绍。在本发明的示例1中, 具有与图1和图2所示第一实施例的金刚石传感器10类似结构的金 刚石传感器在下述生产程序中制备。采用具有由(001)晶面构成的表 面的高阻硅衬底作为衬底30。该高阻硅衬底暴露于甲烷和氢的混合 等离子体中,因此其表面被化。随后施加偏压,使得形成了与衬 底具有外延关系的金刚石晶核。之后停止施加偏压,在其中(100)晶 面择优生长的条件下,通过使用甲烷和氢的混合气来进行金刚石的 成膜达15小时。这样,其中表面由(100)晶面构成且晶粒取向于恒定 方向上的约10微米的高度取向的金刚石膜被形成为衬底30上的绝 缘金刚石层31。该高度取向的金刚石膜的(100)晶面的粒径为3至20 微米。
粘附在表面上的非金刚石的碳成分通过用重铬酸清洗、用硫酸 漂洗然后用去离子水清洗而被除去。叉指型电极的形状通过光刻法 而成形于该高度取向的金刚石膜上,通过磁控管溅射法来溅射铂, 并且进行剥离,从而形成了一对叉指型电极32a和32b。
采用玻璃板(厚度为1毫米)作为绝缘基底材料20,金属互连 件21a和21b形成于其上。具体而言,通过磁控管溅射来在整个玻璃 板上形成铝膜,之后通过光刻法在金属互连件21a和21b的形状中形 成光致抗蚀图案。铝膜通过浸入在磷酸中而被蚀刻掉,然后除去抗 蚀剂,从而形成了具有预定图案的金属互连件21a和21b。
硅衬底被切成芯片的形状以便切成元件。表面设有叉指型电极 32a和32b的各个所得元件被固定在绝缘基底材料20上。叉指型电 极32a和32b通过金引线而分别被引线接合在金属互连件21a和21b 上,从而制备了示例1的金刚石传感器。
通过上述方法生产的示例1的金刚石传感器被置于可防止外部 光线进入的测量箱中,施加偏压,并且通过皮可安培计来测量此时 的暗电流。结果,暗电流为20pA,因此泄漏电流实际上处于令人满 意的低水平。
下面来评价示例1的金刚石传感器对紫外线辐射的响应特性。 图8是显示了该评价方法的框图。采用Hamamatsu Photonics K.K.公 司生产的氘(L2D2)灯(型号:L7293)作为辐射源12,并且采用 Hamamatsu Photonics K.K.公司生产的M-4518作为辐射源12的电源 11。对于在空气中进行的测量而言,在各金刚石传感器14的两个电 极之间施加15V的偏压,源于施加光而产生的电流被放大器15放大, 所得电压值由数字万用表16测量。将该电压值输入到计算机17中。 为了进行评价,在辐射强度保持恒定时打开光闸18,金刚石传感器 14被紫外线辐射13照射300分钟,测量该特性的变化。结果,得到 了根据辐射强度的输出电压,从而可以确定传感器对紫外线辐射的 响应。
示例2
在本发明的示例2中,具有与图7所示第四实施例的金刚石传 感器60类似结构的金刚石传感器在下述生产程序中制备。采用具有 由(001)晶面构成的表面的硅衬底作为金刚石元件的衬底。该硅衬底 暴露于甲烷和氢的混合等离子体中,因此其表面被碳化。随后施加 偏压,从而形成了与衬底30具有外延关系的金刚石晶核。之后停止 施加偏压,在其中(100)晶面择优生长的条件下通过使用甲烷和氢的 混合气来进行金刚石的成膜达15小时。这样,其中表面由(100)晶面 构成且晶粒取向于恒定方向上的约10微米的高度取向的金刚石膜被 形成为硅衬底上的绝缘金刚石层31。该高度取向的金刚石膜的(100) 晶面的粒径为3至10微米。
粘附在该表面上的非金刚石的碳成分通过用重铬酸清洗、用硫 酸漂洗然后用纯水清洗而被除去。在平面图中为梯形的电极332a和 332b的形状通过光刻法而成形于该高度取向的金刚石膜上,通过磁 控管溅射法来在该高度取向的金刚石膜上溅射铂,并且进行剥离, 从而形成了一对梯形电极332a和332b。
采用蓝宝石衬底(厚度为1毫米)作为绝缘基底材料200,金属 互连件21a和21b形成于其上。具体而言,通过光刻法在除了金属互 连件21a和21b形状以外的部分上形成光致抗蚀图案。通过磁控管溅 射法来形成铂膜。之后除去光致抗蚀图案,另外,将不需要的图案 除去,从而形成了具有预定图案的金属互连件21a和21b。
在金属互连件21a和21b的将连接在金刚石元件上的部分处形 成金凸点。硅衬底被切成芯片的形状以便切成元件。各所得元件的 表面、设有梯形电极332a和332b的表面面向蓝宝石衬底侧,金凸点 7a和7b与梯形电极332a和332b对准,金刚石元件被压在蓝宝石衬 底上,使得金凸点7a和7b分别连接在梯形电极332a和332b上。之 后用氟代酸-硝酸溶解来除去硅衬底,从而制备了示例2的金刚石传 感器。
通过上述方法产生的示例2的金刚石传感器被置于可防止外部 光线进入的测量箱中,施加偏压,通过皮可安培计来测量此时的暗 电流。结果,暗电流为5pA,因此,泄漏电流实际上处于令人满意 的低水平。
以与上述示例1中类似的方式来评价示例2的金刚石传感器对 紫外线辐射的响应特性。紫外线辐射从蓝宝石衬底侧入射,确定得 到根据辐射强度的输出电压。由于蓝宝石衬底能够阻断所产生的臭 氧等的影响,因此与示例1的金刚石传感器相比,示例2的金刚石 传感器的响应特性可在长时间内更加稳定。在同一电极长度的基础 上,示例2的金刚石传感器能够展示出示例1的金刚石传感器的灵 敏度的一半左右的灵敏度,因此,即使通过穿透蓝宝石衬底的照射 也能实现实际上令人满意的灵敏度。
另外,可通过来自背面的照射来检查操作。在这种情况下,由 于灵敏度变成示例1的金刚石传感器的灵敏度的十分之一左右,因 此调整了放大器的增益以便得到令人满意的输出。在本测量示例中, 能够以较宽范围的角度来测量紫外线辐射,这是因为检测区域未受 到金属电极的阻碍。
示例3
在本发明的示例3中,具有与图5所示第三实施例的金刚石传 感器50类似结构的金刚石传感器在下述生产程序中制备。采用合成 石英板(厚度为1毫米)作为绝缘基底材料20。在该合成石英板表 面上的待设置金刚石元件的位置处预先形成3毫米长、3毫米宽和10 微米深的下凹部分,设有由多晶金刚石形成的绝缘金刚石层的金刚 石元件沉积在该下凹部分中。本示例的除上述以外的特征类似于上 述示例2的金刚石传感器中的相关特征。如示例2所述地来评价该 金刚石传感器,并且采用与示例2的金刚石传感器类似的操作。就 本示例的金刚石传感器而言,由于金刚石层的表面和绝缘基底材料 的表面设置成相互间几乎齐平,因此即使在重复测量时也不会损坏 传感器,从而提高了耐久性。
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