CN103715348B - 一种mems热电堆结构及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多个热电偶串联成的MEMS热电堆结构，包括：半导体衬底；第一导热层；第二导热层；由第一热偶材料形成的第一热偶层，部分置于所述第二导热层中，另一部分悬空于述衬底上；形成于第一热偶层上的热偶垂直部，其包括由第一热偶材料形成的第一垂直部和由第二热偶材料形成的位于所述第一导热层中的第二垂直部；由第二热偶材料形成的第二热偶层，形成于热偶垂直部上连接第一垂直部和第二垂直部；吸热层，置于第一垂直部上的第二热偶层的上方。第二热偶层与第一垂直部相连处形成热电偶的热端，第二垂直部与第一热偶层相连处形成热电偶的冷端。本发明可提高热电堆探测器的温度分辨率和稳定性。

Description

一种MEMS热电堆结构及其制造方法
技术领域
本发明涉及微电子机械系统技术领域，特别涉及一种MEMS热电堆结构及其制造方法。
背景技术
热电偶是一种广泛应用的温度传感器，也被用来将热势差转换为电势差。它的工作原理是基于Thomas Seebeck于1821年发现的热电效应或者Seebeck效应：两种不同金属材料A和B构成的回路中，如果两种金属的结点处温度T1和T2不同，该回路中就会产生一个温差电动势。
由Seebeck效应产生的电压可表示为：
其中SA和SB分别为两种金属材料的Seebeck系数，它取决于温度和材料的分子结构，通常近似为与温度无关的材料特性。
热电堆是将多个热电偶串联而成，在相同的温差时，热电堆的开路输出电压是所有串联热电偶的温差电动势之和。在相同的电信号检测条件下，热电堆能检测到的最小温差是单个热电偶的1/n，从而增强了对温度的分辨能力。MEMS热电堆可以实现热电堆的微缩，能够应用到便携设备中，并且由于可以集成大量的热电偶，因而可以进一步提高温度的分辨率。
MEMS热电堆红外探测器是一种基于Seebeck效应的非制冷红外探测器，其可以在常温工作，并对较大范围内的红外光响应均匀，由于成本较低，可以大批量生产，因此在安全监视、医学治疗、生命探测等方面有广泛应用。其基本上都是利用CMOS工艺将热偶对做成平面结构，热电堆的冷端与热端一样直接置于器件的表层，如此一来，较易受到器件所处环境温度的影响，导致热电堆探测器的温度分辨率和稳定性下降。
发明内容
本发明的目的在于提供一种MEMS热电堆结构及其制造方法，该热电堆结构中两种热偶材料接触的热结位于吸热的顶端，而冷结埋在导热材料底部，冷结不容易受环境温度的影响，而热结热量也不易散失，从而提高热电堆探测器的温度分辨率和稳定性。
为达成上述目的，本发明提供一种具有多个串联的热电偶的MEMS热电堆结构，包括：半导体衬底；第一导热层，置于所述半导体衬底上；第二导热层，置于所述第一导热层上；由第一热偶材料形成的第一热偶层，部分置于所述第二导热层中，另一部分悬空于所述衬底上；热偶垂直部，形成于所述第一热偶层上，其包括由所述第一热偶材料形成的第一垂直部和由第二热偶材料形成的位于所述第一导热层中的第二垂直部；由所述第二热偶材料形成的第二热偶层，形成于所述热偶垂直部上，连接所述第一垂直部和第二垂直部；吸热层，置于位于所述第一垂直部上的第二热偶层的上方；其中所述第二热偶层与所述第一垂直部相连处形成所述热电偶的热端，所述第二垂直部与所述第一热偶层相连处形成所述热电偶的冷端。
优选地，所述吸热层包覆于绝缘保护层中。
优选地，所述第一导热层和第二导热层为相同或不同种类的介质薄膜导热材料；所述介质薄膜导热材料为SiO2薄膜、BN薄膜、AlN薄膜或无掺杂的单晶硅薄膜；所述第一热偶层和第二热偶层为硅薄膜或金属薄膜；所述吸热层为氮化硅薄膜或Ti/TiN薄膜或Ta/TaN薄膜。
本发明还提供了一种形成MEMS热电堆结构的制造方法，所述MEMS热电堆结构包括多个串联的热电偶，所述制造方法包括以下步骤：在半导体衬底上形成第一导热层；在所述第一导热层上沉积第一热偶材料并图形化，以形成第一热偶层；在所述第一热偶层上形成第二导热层以及热偶垂直部，所述热偶垂直部包括所述第一热偶材料形成的第一垂直部和第二热偶材料形成的第二垂直部；在所述热偶垂直部上形成连接所述第一垂直部和第二垂直部的第二热偶层，其中所述第二热偶层与所述第一垂直部相连处为所述热电偶的热端，所述第二垂直部与所述第一热偶层相连处为热电偶的冷端；在所述热端上形成吸热层；进行释放工艺，去除所述第一垂直部周围的所述第二导热层及其下方的所述第一导热曾，形成所述MEMS热电堆结构。
优选地，所述热偶垂直部通过两次单大马士革工艺形成，在所述第一热偶层上形成第二导热层以及热偶垂直部的步骤包括：在所述第一热偶层上沉积所述第二导热层；通过光刻刻蚀工艺在所述第二导热层中刻蚀出底部延伸至所述第一热偶层的第一热偶通孔；在所述第一热偶通孔中填充所述第一热偶材料并平坦化，使得所述第一热偶材料的上表面与所述第二导热层的上表面平齐；通过光刻刻蚀工艺在所述第二导热层中刻蚀出底部延伸至所述第一热偶层的第二热偶通孔；在所述第二热偶通孔中填充所述第二热偶材料并平坦化，使所述第二热偶材料的上表面与所述第二导热层的上表面平齐。
优选地，所热第二热偶层通过单大马士革工艺形成，其包括：沉积第三导热材料层；通过光刻刻蚀工艺在所述第三导热材料层中刻蚀出第二热偶层图形，所述第二热偶图形底部与所述第一垂直部和第二垂直部接触；在所述第二热偶层图形中填充所述第二热偶材料并平坦化，以形成第二热偶层且所述第二热偶层的上表面与所述第三导热层的上表面平齐。
优选地，在所述热端上形成吸热层的步骤包括：在所述第三导热层及第二热偶层上沉积第一绝缘保护层；在所述第一绝缘保护层上形成所述吸热层并图形化，使得所述吸热层位于所述热端上方；在所述吸热层上沉积第二绝缘保护层；以及形成贯穿所述第一绝缘层和第二绝缘层的释放窗口，其中所述吸热层包覆于所述第一绝缘层和第二绝缘层中。
优选地，所述释放工艺为通过所述释放窗口进行湿法工艺，以去除所述热端下方的所述第二导热层和第一导热层，使所述第一垂直部及其下方的第一热偶层悬空于所述半导体衬底上。
优选地，所述第一导热层和第二导热层为相同或不同种类的介质薄膜导热材料；所述介质薄膜导热材料为SiO2薄膜、BN薄膜、AlN薄膜或无掺杂的单晶硅薄膜；所述第一热偶层和第二热偶层为硅薄膜或金属薄膜；所述吸热层为氮化硅薄膜或Ti/TiN薄膜或Ta/TaN薄膜。
优选地，所述第一热偶层为导热性较差的多晶硅薄膜或非晶硅薄膜，厚度为0.3微米～10微米；所述第二热偶层为导热性较好的Al薄膜、Cu薄膜或W薄膜，厚度为0.3微米～10微米。
本发明的有益效果在于，通过将热电堆结构中两种热偶材料接触的热端置于吸热层下方，而将冷端埋在导热材料底部，冷端不容易受环境温度的影响，从而提高热电堆探测器的温度分辨率和稳定性。
附图说明
图1是本发明较佳实施例的MEMS热电堆三维结构示意图；
图2是本发明较佳实施例的MEMS热电堆平面结构示意图；
图3A～3O图是本发明较佳实施例的MEMS热电堆结构的制造方法的示意图。
具体实施方式
为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。
其次，本发明利用示意图进行了详细的表述，在详述本发明实例时，为了便于说明，示意图不依照一般比例局部放大，不应以此作为对本发明的限定。
实施例一
请参照图1和图2，其所示为本发明的MEMS热电堆结构的三维结构示意图和平面示意图。MEMS热电堆结构包括多个串联的热电偶，每个热电偶由第一热偶材料11和第二热偶材料12组成，第一热偶材料11和第二热偶材料12连接处形成热电偶的冷端和热端。如图所示，本实施例中热电偶的热端21位于吸热层10的下方靠近吸热层10，冷端22则远离吸热层，埋入在导热材料的底部，由此可避免受环境温度的影响。
实施例二
为了进一步详细说明MEMS热电堆结构及其制造方法，请参考图3A～3O，其为本发明一实施例的MEMS热电堆结构的制造方法的剖面示意图。
首先，请参考图3A，在半导体衬底201上沉积第一导热层202。衬底201的材质可以是硅、锗或锗硅。第一导热层可以为热氧生长的氧化硅、等离子体增强化学气相沉积（PECVD）方法沉积的无掺杂氧化硅（USG）、掺磷的氧化硅（PSG）或掺有硼磷的氧化硅（BPSG）。较佳的，在本实施例中衬底201为单晶硅衬底，第一导热层202为氮化硼薄膜。
请参考图3B，在第一导热层202上沉积第一热偶材料并图形化，以形成第一热偶层203。第一热偶材料可为导热性较差的多晶硅薄膜或非晶硅薄膜，厚度为0.3微米～10微米。较佳的，在本实施例中，采用多晶硅薄膜。
请参考图3C～3G，在本实施例中，通过两次单大马士革工艺在第一热偶层上制作热偶垂直部。
具体来说，首先如图3C所示，在第一导热层202及第一热偶层上沉积第二导热层204。第二导热层204可以为热氧生长的氧化硅、等离子体增强化学气相沉积（PECVD）方法沉积的无掺杂氧化硅（USG）、掺磷的氧化硅（PSG）或掺有硼磷的氧化硅（BPSG）。较佳的，在本实施例中第二导热层204与第一导热层202同为氮化硼薄膜。
接着，对第二导热层204进行图形化，形成底部延伸至第一热偶层的第一热偶通孔。根据第二导热层204材料的不同，可以选择对第一热偶层203具有较高选择比的不同刻蚀方法。在本实施例中，对氮化硼薄膜的图形化采用湿法刻蚀，所用药液为浓硫酸和双氧水的混合溶液。
再请参考图3E，在第一热偶通孔中填充第一热偶材料并通过CMP（化学机械抛光）工艺进行平坦化，使得第一热偶通孔中的第一热偶材料的上表面与第二导热层的上表面平齐。第一热偶通孔中的第一热偶材料形成第一垂直部205。
请继续参考图3F，与图3D所示步骤类似，再一次对第二导热层204进行图形化，形成底部延伸至第一热偶层的第二热偶通孔。同样的，对第二导热层204氮化硼薄膜的图形化采用湿法刻蚀，所用药液为浓硫酸和双氧水的混合溶液。
最后请参考图3G，与图3E所示步骤类似，在第二热偶通孔中填充第二热偶材料并通过CMP（化学机械抛光）工艺进行平坦化，使得第二热偶通孔中的第二热偶材料的上表面与第二导热层的上表面平齐。第二热偶通孔中的第二热偶材料形成第二垂直部206。其中，第二热偶材料可为导热性较好的Al薄膜、Cu薄膜或W薄膜。
接下来，在第一垂直部205和第二垂直部206上形成第二热偶层，具体请参考图3H～3J。
首先，在上表面平齐的第一垂直部、第二垂直部及第二导热层上再沉积第三导热层；本实施例中，第三导热层的材料与第二导热层相同。之后，通过光刻刻蚀工艺在第三导热层中刻蚀出第二热偶层的图形；第二热偶层的图形于热偶垂直部一一对应，其底部与热偶垂直部上表面接触。然后，沉积第二热偶材料，并通过CMP（化学机械抛光）工艺进行平坦化，形成第二热偶层207，第二热偶层207的上表面与所述第三导热层204的上表面平齐，与第一垂直部和第二垂直部相连。如此完成了第一热偶层203、热偶垂直部205,206、第二热偶层207所形成的热电偶主体结构。其中，第二热偶层207与第一垂直部205相连处为热电偶的热端，第二垂直部206与第一热偶层207相连处为热电偶的冷端。由于冷端埋设于第二导热层底部，不容易受环境温度的影响。
接下来，进行形成吸热层的步骤。本实施例中，吸热层由绝缘保护层所包覆，以更好地防止热端热量散失。请参考图3K，在第三导热层204及第二热偶层207上沉积第一绝缘保护层208。绝缘保护层材料为氧化硅薄膜或氮化硅薄膜，较佳的，在本实施中，绝缘保护层208为PECVD方法沉积的氧化硅薄膜。
接着，如图3L所示，在绝缘保护层208上生长吸热层209并图形化，使得吸热层209位于热端上方。吸热层为红外吸收特性较佳的薄膜材料，如氮化硅薄膜、Ti或TiN薄膜、Ta或TaN薄膜，在本发明的较佳实施例中，吸热层209为方块电阻接近自由空间阻抗（约377ohms/square）的TiN薄膜。
紧接着，在图形化的吸热层209上再沉积一层绝缘保护层208a，将吸热层完全包裹起来，如图3M所示。
然后请参考图3N，对绝缘保护层进行图形化，将晶圆上的大量热电堆结构分隔开并形成贯穿绝缘保护层的释放窗口。此时，吸热层仍然被完全包裹在绝缘保护层中，从而热端的热量也不易散失。
最后请参考图3O，通过释放窗口进行释放工艺形成最终的MEMS热电堆结构。在本发明的较佳实施例中，为采用浓硫酸和双氧水的混合溶液湿法去除热端下方的导热层204和202的牺牲材料氮化硼。湿法释放工艺采用时间控制，使得释放之后第一垂直部周围的第二导热层（和第三导热层）及第一垂直部下方的第一导热层都被去除，而第二垂直部周围的导热层仍然保留。可选的，当导热层材料为SiO2薄膜时，湿法工艺采用BOE药液。当导热层材料为BN薄膜时，湿法工艺采用浓硫酸和双氧水的混合溶液。当导热层材料为AlN薄膜时，湿法工艺采用浓磷酸，温度为120～200摄氏度。
综上所述，本发明的MEMS热电堆结构及其制造方法，通过将热电堆结构中两种热偶材料接触的热端设置于吸热的顶端，而冷端埋在导热材料底部，使得冷端不容易受环境温度的影响，而热端热量也不易散失，从而提高热电堆探测器的温度分辨率和稳定性。
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然所述诸多实施例仅为了便于说明而举例而已，并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明精神和范围的前提下可作若干的更动与润饰，本发明所主张的保护范围应以权利要求书所述为准。

Claims (9)

1.一种MEMS热电堆结构，具有多个串联的热电偶，其特征在于，包括：
半导体衬底；
第一导热层，置于所述半导体衬底上；
第二导热层，置于所述第一导热层上；
由第一热偶材料形成的第一热偶层，部分置于所述第二导热层中，另一部分悬空于所述衬底上；
热偶垂直部，形成于所述第一热偶层上，其包括由所述第一热偶材料形成的第一垂直部和由第二热偶材料形成的位于所述第一导热层中的第二垂直部；
由所述第二热偶材料形成的第二热偶层，形成于所述热偶垂直部上，连接所述第一垂直部和第二垂直部；
吸热层，置于位于所述第一垂直部上的第二热偶层的上方；
其中所述第二热偶层与所述第一垂直部相连处形成所述热电偶的热端，所述第二垂直部与所述第一热偶层相连处形成所述热电偶的冷端。
2.根据权利要求1所述的MEMS热电堆结构，其特征在于，所述吸热层包覆于绝缘保护层中。
3.根据权利要求1所述的MEMS热电堆结构，其特征在于，所述第一导热层和第二导热层为相同或不同种类的介质薄膜导热材料；所述介质薄膜导热材料为SiO2薄膜、BN薄膜、AlN薄膜或无掺杂的单晶硅薄膜；所述第一热偶层和第二热偶层为硅薄膜或金属薄膜；所述吸热层为氮化硅薄膜或Ti/TiN薄膜或Ta/TaN薄膜。
4.一种MEMS热电堆结构的制造方法，所述MEMS热电堆结构包括多个串联的热电偶，其特征在于，所述制造方法包括以下步骤：
在半导体衬底上形成第一导热层；
在所述第一导热层上沉积第一热偶材料并图形化，以形成第一热偶层；
在所述第一热偶层上形成第二导热层以及热偶垂直部，所述热偶垂直部包括所述第一热偶材料形成的第一垂直部和第二热偶材料形成的第二垂直部；在所述热偶垂直部上形成连接所述第一垂直部和第二垂直部的第二热偶层，其中所述第二热偶层与所述第一垂直部相连处为所述热电偶的热端，所述第二垂直部与所述第一热偶层相连处为热电偶的冷端；
在所述热端上形成吸热层；
进行释放工艺，去除所述第一垂直部周围的所述第二导热层及所述第一垂直部下方的所述第一导热层，形成所述MEMS热电堆结构。
5.根据权利要求4所述的MEMS热电堆结构的制造方法，其特征在于，所述热偶垂直部通过两次单大马士革工艺形成，在所述第一热偶层上形成第二导热层以及热偶垂直部的步骤包括：
在所述第一热偶层上沉积所述第二导热层；
通过光刻刻蚀工艺在所述第二导热层中刻蚀出底部延伸至所述第一热偶层的第一热偶通孔；
在所述第一热偶通孔中填充所述第一热偶材料并平坦化，使得所述第一热偶材料的上表面与所述第二导热层的上表面平齐；
通过光刻刻蚀工艺在所述第二导热层中刻蚀出底部延伸至所述第一热偶层的第二热偶通孔；
在所述第二热偶通孔中填充所述第二热偶材料并平坦化，使所述第二热偶材料的上表面与所述第二导热层的上表面平齐。
6.根据权利要求5所述的MEMS热电堆结构的制造方法，其特征在于，所述第二热偶层通过单大马士革工艺形成，其包括：
沉积第三导热材料层；
通过光刻刻蚀工艺在所述第三导热材料层中刻蚀出第二热偶层图形，所述第二热偶图形底部与所述第一垂直部和第二垂直部接触；
在所述第二热偶层图形中填充所述第二热偶材料并平坦化，以形成第二热偶层且所述第二热偶层的上表面与所述第三导热层的上表面平齐。
7.根据权利要求6所述的MEMS热电堆结构的制造方法，其特征在于，在所述热端上形成吸热层的步骤包括：
在所述第三导热层及第二热偶层上沉积第一绝缘保护层；
在所述第一绝缘保护层上形成所述吸热层并图形化，使得所述吸热层位于所述热端上方；
在所述吸热层上沉积第二绝缘保护层；以及
形成贯穿所述第一绝缘层和第二绝缘层的释放窗口，其中所述吸热层包覆于所述第一绝缘层和第二绝缘层中。
8.根据权利要求7所述的MEMS热电堆结构的制造方法，其特征在于，所述释放工艺为通过所述释放窗口进行湿法工艺，以去除所述热端下方的所述第二导热层和第一导热层，使所述第一垂直部及其下方的第一热偶层悬空于所述半导体衬底上。
9.根据权利要求4所述的MEMS热电堆结构的制造方法，其特征在于，所述第一导热层和第二导热层为相同或不同种类的介质薄膜导热材料；所述介质薄膜导热材料为SiO2薄膜、BN薄膜、AlN薄膜或无掺杂的单晶硅薄膜；所述第一热偶层和第二热偶层为硅薄膜或金属薄膜；所述吸热层为氮化硅薄膜或Ti/TiN薄膜或Ta/TaN薄膜。
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