專利名稱：一種新結構薄膜熱電堆的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種采用半導體集成電路工藝和微機械工藝制造的，熱電堆中熱電偶熱端(熱結)暴露，冷端(冷結)及熱電偶條上面覆蓋低熱導絕緣隔離層，并在隔離層上面涂覆一層或多層高反射散熱層的熱電堆，屬半導體傳感器件。
熱電堆紅外輻射探測器可在室溫下工作，環境工作溫度范圍寬，且對很寬波長范圍的紅外輻射都能響應，器件制作成本也低，是光子型紅外輻射探測器所無法取代的器件，近年來越來越受到世界各國重視。隨著微電子和微機械技術的發展，薄膜熱電堆進展很快，熱電堆器件已商品化，并已研制成線陣和面陣器件。目前，紅外輻射熱電堆探測器主要是由單元熱電偶串聯，采用集成電路工藝和微機械工藝制成。其中，單元熱電偶可以用半導體、金屬或半導體和金屬材料配對或混合配對組成，且根據需要熱電堆設計成各式各樣。顯然，單元熱電偶的材料配對構成以及性能好壞直接影響著熱電堆的設計。1974年日本人公開了一種用鉍銻、碲硒塊體材料組成設計的輻射熱電偶[Radiation Thermocouples With(Bi,Sb)2(Te,Se)3Eiich Ando JapaneseJournal of Applied Physics]。熱電偶設計成豎立式，其中接收熱輻射的熱端面采用金屬箔焊接在熱電偶的熱端，冷端分別連接在二塊銅塊上，且銅塊分開，外接信號輸出連線。此外，這種熱電偶的接收熱輻射金屬箔面設計成與冷端的銅塊分隔開，且遮住冷端。這樣設計的熱電偶有利于增大冷、熱端的溫差，提高熱電偶的輸出電信號，是一種很好的設計。然而，要將這種熱電偶串聯，采用半導體集成電路工藝集成為輻射熱電堆，非常困難。為了能利用半導體集成電路工藝制造輻射熱電堆以及熱電堆線陣和面陣器件，各國都在研究，并取得了很大進展。1995年J.Schieferdecker等人公開了一種利用半導體集成電路工藝和微機械工藝制造的多層膜結構紅外熱電堆傳感器[Infrared thermopile sensors with high sensitivity and very low temperaturecoefficient J.Schieferdecker et al.Sensors and Actuators A]。傳感器芯片以半導體硅片為襯底，利用半導體集成電路工藝和微機械工藝進行制造，芯片中心部分的背面，硅片被腐蝕成凹坑；傳感器芯片中組成熱電偶的二種不同熱電材料薄膜條分別沉積在由二氧化硅、氮化硅構成的三明治結構支撐膜上，并形成熱電偶的熱端和冷端。其中，熱端位于芯片中心部分的支撐膜上；冷端位于芯片四周硅片襯底框架上。此外，作為接收紅外輻射的熱端輻射接收表面上還涂覆有紅外輻射吸收層，形成熱電堆的紅外輻射接收區，以增加紅外輻射吸收，提高熱端、冷端的溫差，加大熱電堆傳感器的信號輸出。制造成的傳感器芯片安裝在晶體管管座上，配置，蓋上有紅外濾光片的管帽，就可以適應不同紅外濾光片透過波長范圍的應用。這種利用半導體集成電路工藝和微機械工藝進行制造的紅外輻射熱電堆探測器，不但可將熱電偶集成在半導體硅片上成為芯片熱電堆，而且可進一步將熱電堆集成為線陣和面陣芯片器件。是一種制造方便，應用廣泛的傳感器件。在這一設計中，盡管設計者在紅外輻射接收區上增加涂覆了紅外吸收層，提高了紅外輻射接收區的接收效率，然而也僅僅只是對傳感器的熱端作了改進。傳感器冷端的熱沉部分主要還是由傳感器芯片熱電偶下面的半導體硅片框架承擔。因此，當紅外輻射到達傳感器芯片表面時，實際上傳感器芯片上處在同一探測接收面上的熱電偶熱端、冷端，將同時接收紅外輻射，直到半導體襯底硅片框架將冷端接收的紅外輻射散發后，才建立起熱電偶熱端、冷端的溫差，輸出信號。這樣，既不利于提高器件性能，也會影響器件的靈敏度。為了進一步提高器件性能，本實用新型改進設計成一種在熱電堆中熱電偶冷端(冷結)及熱電偶條上面增加覆蓋一層或多層高反射散熱層，以減少熱電偶冷端受到的紅外輻照，從而加快了熱電偶熱端、冷端溫差的形成。這樣設計的紅外輻射熱電堆探測器既提高了器件性能，又可利用半導體集成電路工藝和微機械工藝進行制造。
本實用新型的目的是，在半導體集成電路工藝和微機械工藝制造的紅外輻射熱電堆傳感器芯片上，熱電堆中熱電偶冷端(冷結)及熱電偶條上面覆蓋低熱導隔離絕緣膜，并在低熱導隔離絕緣膜上面增加涂覆一層或多層高反射散熱層，以使熱電堆中熱電偶冷端(冷結)避免與熱端(熱結)同時接收輻照，從而拉開熱電偶冷端與熱端的溫差，提高熱電堆傳感器總體性能。
本實用新型的構造詳細說明如下，采用半導體集成電路工藝和微機械工藝設計制造的紅外輻射熱電堆探測器的結構組成，包括雙面拋光半導體硅片襯底；襯底硅片上的雙面二氧化硅(或氮化硅)薄膜層；襯底硅片一面二氧化硅(或氮化硅)層上的氮化硅(或二氧化硅)薄膜層；氮化硅(或二氧化硅)薄膜層上組成熱電偶的半導體或金屬或合金熱電材料薄膜條；熱電材料薄膜條上的二氧化硅(或氮化硅)薄膜絕緣隔離層；二氧化硅(或氮化硅)薄膜絕緣隔離層上的另一種組成熱電偶的半導體或金屬或合金熱電材料薄膜條；以及另一種組成熱電偶的半導體或金屬或合金熱電材料薄膜條上面，使熱電偶熱端(熱結)暴露接收輻照，而掩蓋住熱電堆中熱電偶冷端(冷結)及熱電偶條的二氧化硅(或氮化硅或氧化鋁)薄膜絕緣隔熱層和涂覆在掩蓋住熱電堆中熱電偶冷端(冷結)及熱電偶條的絕緣隔熱層上的一層或多層高反射散熱層。此外，襯底硅片的另一面還有以二氧化硅(或氮化硅)作掩膜腐蝕成的，熱電堆芯片中心部分背面，熱端紅外輻射接收區下面的凹坑，凹坑四周襯底硅片形成的熱電偶冷端(冷結)熱沉框架以及凹坑頂部由二氧化硅和氮化硅多層膜自然形成的熱電堆熱端的電介質支撐膜。其中，組成熱電偶的二種不同熱電材料薄膜條的熱端、冷端連接點和外接引線腳分別通過半導體工藝在二氧化硅(或氮化硅)薄膜絕緣隔離層上開引線孔，蒸涂金屬，連接成熱電偶并串聯成熱電堆。沉積制備的絕緣隔熱膜掩蓋住熱電堆中熱電偶冷端(冷結)及熱電偶條，絕緣隔熱膜上面的高反射散熱層可以由單層金屬或單層金屬和保護膜構成，也可以由在金屬膜上涂覆多層(偶數層)介質膜形成金屬電介質膜系高反射層。高反射散熱層中的金屬層一方面能對紅外輻射進行反射，另一方面還具有良好的導熱、散熱作用，如銀、金或鉑等金屬層。當然，在多層高反射散熱層中，由于金屬層上涂覆介質膜，故金屬層可采用鋁或銅等賤金屬作金屬反射散熱層。此外，由于光波在金屬內傳播隨金屬膜厚度增加很快衰減，所以，高反射金屬層膜厚至少要大于500埃。本實用新型熱電堆中的高反射散熱層膜系，均可采用半導體集成電路蒸發、沉積成膜工藝制造。
本實用新型熱電堆與已有熱電堆的主要區別和優點是，不但吸取了已有熱電堆在熱電偶熱端紅外輻射接收區上增加涂覆紅外吸收層，提高紅外輻射接收區效率，對熱電堆傳感器熱端作的改進；而且對熱電堆傳感器冷端作了實質性改進，在熱電堆傳感器的冷端(冷結)和熱電偶條上增設了高反射散熱層，從而提高了熱電堆傳感器的整體性能，是一種既實用、可靠、簡單、性能良好，又可利用半導體集成電路工藝和微機械工藝制造的多層膜結構紅外熱電堆傳感器。
圖1是本實用新型新結構薄膜紅外熱電堆構造剖面示意圖。其中，1是熱電堆傳感器冷端(冷結)和熱電偶條上的高反射散熱層，2是熱電偶串聯成熱電堆的引線孔連接接觸點，3是組成熱電偶的熱電薄膜條，4是熱電堆傳感器熱端紅外輻射接收區上的吸收層，5是熱電堆電信號輸出腳，6是氮化硅和二氧化硅組成的熱電堆熱端支撐介質膜，7是高反射金屬散熱層，8是電絕緣隔熱層，9是腐蝕凹坑形成的芯片熱電堆襯底硅片框架，10是芯片中心輻射接收區背面，支撐介質膜下面框架圍成的凹坑，11是雙面拋光襯底硅片背面的二氧化硅(或氮化硅)掩膜。
圖2是本實用新型高反射散熱層為單層金屬和保護膜的薄膜紅外熱電堆構造剖面示意圖。其中，12是高反射散熱金屬層上的保護膜圖3是本實用新型有金屬和電介質膜系高反射散熱層的薄膜紅外熱電堆構造剖面示意圖。13是多層介質膜高反射層。
以下結合附圖詳細敘述本實用新型實施例實施例1本實施例薄膜紅外熱電堆采用半導體集成電路工藝和微機械工藝制造，并在薄膜紅外熱電堆芯片上的絕緣隔熱薄膜層上涂覆一層金屬構成高反射散熱層。實施時，采用雙面拋光半導體硅片為襯底9，襯底硅片9雙面氧化后，先在硅片9的一面上，制備由氮化硅和二氧化硅組成的熱電偶熱端支撐介質膜6，然后在支撐介質膜6上沉積、刻蝕出熱電偶中的一支半導體或金屬或合金熱電材料薄膜條3。刻蝕出的一支熱電材料薄膜條3上覆蓋二氧化硅(或氮化硅)電絕緣層，并在絕緣層上開出聯線引線孔(包括紅外輻射接收區吸收層下的熱端串聯聯線引線孔)2和輸出引線腳孔5后，在引線孔2和輸出引線腳孔5中沉積焊接接觸金屬，便可在二氧化硅(或氮化硅)絕緣層上制備熱電偶中的另一支半導體或金屬或合金熱電材料薄膜條3。這樣由二氧化硅(或氮化硅)絕緣層隔開的二種熱電材料薄膜條3合金化后便通過引線孔連接接觸點連接成熱電偶，并串聯成熱電堆。完成以上熱電堆基本制造工藝后，本發明實施還需在二種熱電材料薄膜條3上沉積二氧化硅(或氮化硅或氧化鋁)絕緣隔熱薄膜層8，并刻蝕絕緣隔熱薄膜8，暴露出熱電堆傳感器熱端紅外輻射接收區4和輸出引線腳5。其次，為了在絕緣隔熱薄膜上構成金屬高反射散熱層1，本實施還要在二氧化硅(或氮化硅或氧化鋁)絕緣隔熱薄膜層8上沉積800埃金薄膜層7，并刻蝕金薄膜7，暴露出熱電堆傳感器熱端紅外輻射接收區4和輸出引線腳5，以形成金屬高反射散熱層1。此外，為了在熱電堆芯片上熱端紅外輻射接收區涂覆紅外吸收層4，本實施例還要采用半導體集成電路和微電子機械的蒸發、剝離工藝，制備出紅外輻射接收區吸收層4。至此，芯片熱電堆的一面工藝完成后，再光刻半導體硅襯底片9的背面，并以襯底硅片背面的二氧化硅作掩膜11，腐蝕出芯片中心輻射接收區4下面，熱電堆熱端支撐介質膜6背面的凹坑10，凹坑10頂部則由二氧化硅和氮化硅多層膜自然形成熱電堆熱端電介質支撐膜6。襯底硅片9上腐蝕成的凹坑10四周則構成芯片熱電堆熱電偶冷端(冷結)熱沉框架9。制備成的本實施例涂覆單層金屬構成高反射散熱層1的薄膜紅外熱電堆芯片安裝在晶體管管座上，配置，蓋上有紅外濾光片的管帽，就可以適應紅外濾光片透過波長范圍的應用。
實施例2本實施例是一種在二氧化硅(或氮化硅或氧化鋁)絕緣隔熱薄膜層8上涂覆單層金屬7及其保護膜12構成高反射散熱層1的薄膜紅外熱電堆。制造時，除在實施例1中的單層金屬高反射散熱層7上增涂(沉積)一層二氧化硅或三氧化二鋁或氮化硅保護膜12，并刻蝕暴露出熱電堆傳感器熱端紅外輻射接收區4和輸出引線腳5，制備成金屬高反射散熱層外，其他同實施例1。
實施例3本實施例是一種在金屬反射散熱層7上增涂(沉積)偶數層電介質膜系13的高反射散熱層1的薄膜紅外熱電堆。制造時，除在實施例1中的單層金屬高反射散熱層7上增涂(沉積)偶數層電介質膜系13，并分別刻蝕暴露出熱電堆熱端紅外輻射接收區4和輸出引線腳5，制備成金屬電介質膜系高反射散熱層外，其他同實施例1。
權利要求1.一種采用半導體集成電路工藝和微機械工藝制造的薄膜紅外輻射熱電堆，包括雙面拋光襯底硅片；硅片上的雙面二氧化硅(或氮化硅)薄膜層；硅片一面二氧化硅(或氮化硅)層上的氮化硅(或二氧化硅)薄膜層；氮化硅(或二氧化硅)薄膜層上組成熱電偶的熱電薄膜條；熱電薄膜條上的絕緣膜；絕緣膜上的另一種組成熱電偶的熱電薄膜條；熱電薄膜條連接成熱電偶并串聯成熱電堆的引線孔和外引線連接點；芯片熱電堆襯底硅片上的凹坑，凹坑四周熱電偶冷端襯底硅片框架，凹坑頂部熱電偶熱端的電介質支撐膜以及紅外輻射接收區上的輻射吸收層，其特征在于熱電堆中組成熱電偶的熱電薄膜條上面，有使熱電偶熱端(熱結)暴露，冷端(冷結)及熱電偶條被掩蓋住的絕緣隔熱薄膜層以及絕緣隔熱層上的一層或多層高反射散熱層。
2.根據權利要求1所述的薄膜紅外輻射熱電堆，其特征在于掩蓋住熱電堆中熱電偶冷端(冷結)及熱電偶條的絕緣隔熱薄膜層為二氧化硅或氮化硅或氧化鋁薄膜。
3.根據權利要求1所述的薄膜紅外輻射熱電堆，其特征在于絕緣隔熱層上的一層高反射散熱層為金或鉑或銀金屬膜。
4.根據權利要求1所述的薄膜紅外輻射熱電堆，其特征在于絕緣隔熱層上的多層高反射散熱層為金屬和保護膜或金屬上涂覆多層高反射介質膜形成的金屬電介質膜系高反射層。
5.根據權利要求1或4所述的薄膜紅外輻射熱電堆，其特征在于金屬電介質膜系高反射層中的高反射介質膜層數為偶數層。
6.根據權利要求1或4所述的薄膜紅外輻射熱電堆，其特征在于多層高反射散熱層中的金屬反射散熱層也可以是鋁或銅等賤金屬層。
7.根據權利要求1或3或4或6所述的薄膜紅外輻射熱電堆，其特征在于金屬反射散熱層的膜厚大于500埃。
8.根據權利要求1所述的薄膜紅外輻射熱電堆，其特征在于熱電堆中組成熱電偶的熱電薄膜條為半導體或金屬或合金熱電材料薄膜條。
9.根據權利要求1所述的薄膜紅外輻射熱電堆，其特征在于高反射散熱層中膜系均為可采用半導體集成電路蒸發、沉積成膜工藝制造的薄膜。
專利摘要本實用新型是一種用半導體集成電路工藝和微機械工藝制造的薄膜熱電堆。以硅片為襯底,熱電堆中的熱電偶由二種熱電薄膜條夾在二氧化硅和氮化硅膜隔離層中,并通過引線孔串聯成熱電堆。熱電堆中心為熱端輻射吸收接收區,下面是凹坑和冷端硅片框架,凹坑頂部為電介質支撐膜。芯片上還設計有使熱端暴露接收輻照,冷端和熱電偶條被蓋住的絕緣隔熱膜以及膜上的一層或多層高反射散熱層。是一種性能優良,作了實質性改進的薄膜熱電堆。
文檔編號H01L35/00GK2446663SQ0021807
公開日2001年9月5日 申請日期2000年6月16日 優先權日2000年6月16日
發明者沈德新, 盧建國 申請人:中國科學院上海冶金研究所