CN104501983B - 一种褶皱膜温度传感器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种褶皱膜温度传感器及其制作方法，该褶皱膜温度传感器包括：具有凹槽和台阶部的基片；在台阶部2a表面和第一凹槽2上方具有多层膜结构，其中，第一介质层5、第二介质层结构8、第三介质层结构12、以及第一凹槽2围成空腔15；多层膜结构的位于第一凹槽2上方的部分形成为褶皱结构，其具有至少两个凹部和至少一个凸部，并且，褶皱结构还具有释放孔14a；位于释放孔14a外侧的第四凹槽10，并且，第二层热电堆材料结构8通过第四凹槽10与第一层热电堆材料结构6连接。根据本申请，能够增加褶皱膜温度传感器的热偶对和隔热膜的长度，使其热导率降低，提高传感器灵敏度，并且，在其制造工艺中，可以提高工艺稳定性和器件性能。

Description

一种褶皱膜温度传感器及其制作方法

技术领域

本申请涉及半导体技术领域，尤其涉及一种褶皱膜温度传感器及其制作方法。

背景技术

温度探测一直以来是传感器行业热门的话题，其中红外探测技术由其非接触式测温更受广大设计、制造和使用者欢迎。热电堆温度传感器作为红外探测器的一种，以其制造工艺简单、成本低、使用方便、无1/f噪声等特点被广泛研究。

热电堆温度传感器的主要工作原理为塞贝克Seebeck效应。该效应可以简述为：两种具有不同塞贝克系数α1、α2的材料一端相连一端开路，若两端存在温度差ΔT＝T1-T2，则会在开路端会产生一开路电势ΔV，即赛贝克效应。该结构构成一个热电偶，若将N个热电偶串联起来就形成热电堆，与单个热电偶相比可以产生更大的热电势，即ΔV＝N*(α1-α2)*ΔT。

通常，热电堆温度传感器主要采用隔热膜式结构，其具体形式为在一硅片衬底上制作具有高塞贝克系数的两种热偶材料，一般呈长条状以减少热偶的热导，将N对热偶对串联起来形成热电堆结构。两种热偶材料的一端布置在传感器中心位置，作为热电堆温度传感器的热结，用于接受红外吸收层吸收测量物体发出的红外辐射而产生的温度变化；另一端布置在远离传感器中心的硅衬底上，与环境温度一致，作为热电堆温度传感器的冷结。在传感器中心区域背面刻蚀硅衬底或者正面开释放孔刻蚀硅衬底，并在热电堆的热偶对上形成一层薄膜，以使该热电堆与硅衬底的热隔离，二者之间热阻越大，热隔离效果越好，则热电堆温度传感器的灵敏度越高。

应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本申请的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本申请的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。

发明内容

本申请的发明人发现，传统的热电堆温度传感器由于尺寸效应的限制，在有限区域内很难有效地调制和优化热电堆与硅衬底之间的热阻，从而这种热电堆温度传感器的灵敏度也不会太高。

本申请提出一种褶皱膜温度传感器及其制作方法，通过微加工技术，使隔热膜形成一种褶皱结构，从而增加隔热膜的尺寸，使得隔热膜以及热偶对的热阻大大增加，由此，本申请的褶皱膜温度传感器与现有技术中的热电堆温度传感器相比，在不增加传感器面积的情况下，提高灵敏度；此外，本申请的制作方法相比于传统的背面刻蚀硅衬底或者正面开释放孔刻蚀硅衬底的方法更便捷和高效。

根据本申请实施例的一个方面，提供一种褶皱膜温度传感器的制作方法，该方法包括：

在基片1上形成第一凹槽2，并且，所述基片在所述第一凹槽2周边的部分形成为台阶部2a；

形成至少覆盖所述第一凹槽2底部的牺牲层褶皱结构4，所述牺牲层褶皱结构4具有至少两个凹部4a和至少一个凸部4b；

在所述台阶部2a的表面以及所述牺牲层褶皱结构4的表面形成第一层介质层5；

形成第一层热电堆材料结构6以覆盖所述第一介质层5的表面，并且，所述第一层热电堆材料结构6具有使所述第一层介质层5的上表面的一部分露出的第二凹槽7；

形成第二层介质层结构8以覆盖所述第一层热电堆材料结构6以及所述第二凹槽7，并且，所述第二层介质层结构8具有使所述第一层热电堆材料结构6部分露出的第三凹槽9和第四凹槽10，所述第三凹槽9位于所述台阶部2a上方，所述第四凹槽10位于所述第二凹槽7的外侧；

形成第二层热电堆材料结构11以覆盖所述第二层介质层结构8和所述第四凹槽10，所述第二层热电堆材料结构11通过所述第四凹槽10与下方的所述第一层热电堆材料结构6连接，所述第二层热电堆材料结构11具有对应于所述第二凹槽7的第五凹槽11b，以露出所述第二凹槽7内的所述第二层介质层结构8；

形成第三层介质层结构12以覆盖所述第二层热电堆材料结构11和所述第五凹槽11b，所述第三层介质层结构12具有第六凹槽13和第七凹槽14，其中，所述第六凹槽13位于所述台阶部2a上方，且比所述第三凹槽9更远离所述第一凹槽2，所述第二层热电堆材料结构11从所述第六凹槽13露出，所述第七凹槽14位于所述第二凹槽7的上方，且所述第二凹槽7内的所述第二层介质层结构8的一部分通过所述第七凹槽14露出；

通过所述第七凹槽14刻蚀所述第二层介质层结构8和所述第一层介质层5，形成释放孔14a；

经由所述释放孔14a去除所述牺牲层褶皱结构4，形成空腔15。

根据本申请实施例的另一个方面，其中，所述第一层热电堆材料结构6具有相邻的至少两个，所述第二层热电堆材料结构11具有相邻的至少两个，并且，所述第二层热电堆材料结构11与相邻的所述第一层热电堆材料结构6经由所述第三凹槽9连接，以形成串联的热偶对。

根据本申请实施例的另一个方面，其中，所述凹部4a在垂直于所述基片1表面的方向上的深度彼此相同或不同，所述凹部4a在平行于所述基片1表面的方向上的宽度彼此相同或不同。

根据本申请实施例的另一个方面，其中，在形成所述释放孔14a之前，在所述第三层介质层结构12表面形成位于所述第七凹槽14周围的红外吸收层结构16。

根据本申请实施例的另一个方面，其中，所述第一层热电堆材料结构和所述第二层热电堆材料结构分别是掺杂多晶硅、锑(Sb)及其化合物、铋(Bi)及其化合物、钛(Ti)及其化合物、钽(Ta)及其化合物、铝(Al)和金(Au)中的一种，并且，所述第一层热电堆材料结构和所述第二层热电堆材料结构具有不同的塞贝克系数。

根据本申请实施例的再一个方面，提供一种褶皱膜温度传感器，包括：

基片1，其具有第一凹槽2和位于所述第一凹槽2周边的台阶部2a；

在所述台阶部2a表面和所述第一凹槽2上方具有多层膜结构，所述多层膜结构自下而上依次为第一层介质层5、第一层热电堆材料结构6、第二介质层结构8、第二层热电堆材料结构11、以及第三介质层结构12，并且，所述第一介质层5、所述第二介质层结构8、所述第三介质层结构12、以及所述第一凹槽2围成空腔15；

所述多层膜结构的位于所述第一凹槽2上方的部分形成为褶皱结构，所述褶皱结构具有至少两个凹部和至少一个凸部，并且，所述褶皱结构还具有使所述空腔与外界连通的释放孔14a；

所述第二介质层结构8具有位于所述释放孔14a的外侧的第四凹槽10，并且，所述第二层热电堆材料结构8通过所述第四凹槽10与所述第一层热电堆材料结构6连接。

本申请的有益效果在于：采用微加工牺牲层技术，形成褶皱式隔热膜结构，通过增加热隔膜和分布于其上的热偶对的垂直高度，提高的温度探测器的灵敏度，且该方法与传统工艺相比，其形成空腔结构的工艺难度也相应降低，适合大批量制造和生产。

参照后文的说明和附图，详细公开了本申请的特定实施方式，指明了本申请的原理可以被采用的方式。应该理解，本申请的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内，本申请的实施方式包括许多改变、修改和等同。

针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。

附图说明

所包括的附图用来提供对本申请实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本申请的实施方式，并与文字描述一起来阐释本申请的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：

图1是本申请实施例的褶皱膜温度传感器制作方法的一个流程示意图；

图2A-图2N是本申请实施例的褶皱膜温度传感器制作方法的每一步对应的器件结构剖示图；

图3是本实施例中具有红外吸收层结构的褶皱膜温度传感器结构剖视图；

图4和图5是本实施例中不具备红外吸收层结构且凹部深度不同的褶皱膜温度传感器结构剖视图；

图6和图7是本实施例中具备红外吸收层结构且凹部深度不同的褶皱膜温度传感器结构剖视图。

具体实施方式

参照附图，通过下面的说明书，本申请的前述以及其它特征将变得明显。在说明书和附图中，具体公开了本申请的特定实施方式，其表明了其中可以采用本申请的原则的部分实施方式，应了解的是，本申请不限于所描述的实施方式，相反，本申请包括落入所附权利要求的范围内的全部修改、变型以及等同物。

在本申请中，为了说明方便，将基片的设置各介质层的面称为“上表面”，将基片的与该“上表面”相对的面称为“下表面”，由此，“上”方向是指从“下表面”指向“上表面”的方向，“下”方向与“上”方向相反，并且，将“上”方向与“下”方向统称为“纵向”，将与所述半导体的“上表面”平行的方向称为“横向”。需要说明的是，在本申请中，“上”和“下”的设定是相对而言，仅是为了说明方便，并不代表具体使用或制造该褶皱膜温度传感器的方位。

实施例1

本申请实施例1提供一种褶皱膜温度传感器的制作方法。图1是该褶皱膜温度传感器的制作方法的一个流程示意图，图2是该褶皱膜温度传感器的制作方法的每一步对应的器件结构的纵剖面示意图。下面，结合图1和图2，对本实施例的褶皱膜温度传感器的制作方法进行说明。

步骤S101：在基片1上形成第一凹槽2，如图2A所示。

在本实施例中，该基片可以是半导体制造领域中常用的晶圆，例如硅晶圆、绝缘体上的硅Silicon-On-Insulator，SOI晶圆、锗硅晶圆、锗晶圆或氮化镓Gallium Nitride，GaN晶圆等，本实施例对此并不限制。

在本实施例中，可以在基片1上通过掩模版光刻形成深刻蚀图形Deep EtchingPattern，用深刻蚀技术刻蚀该图形，以在基片1上形成第一凹槽2，并且，该基片1在该第一凹槽2周边的部分形成为台阶部2a。

步骤S102：形成至少覆盖所述第一凹槽2底部的牺牲层褶皱结构4。

在本实施例中，该步骤S102可以包括以下步骤：

S1：旋涂牺牲层。

通过旋涂和高温固化等方法在该第一凹槽2中形成一层牺牲层3，该牺牲层3用于制作褶皱膜温度传感器的空腔，如图2B所示。

S2：形成牺牲层褶皱结构。

通过掩模版光刻形成牺牲层图形3，并刻蚀该图形，形成牺牲层褶皱结构4，所述牺牲层褶皱结构4具有至少两个凹部4a和至少一个凸部4b，如图2C所示。牺牲层褶皱结构4的总宽度和传统方法形成的热电堆凹槽类似，决定了空腔即隔热膜的宽度；牺牲层褶皱结构的各凹部4a的深度总和，即褶皱总垂直高度，决定了热电堆结构的灵敏度增益，该总垂直高度越高，增益越大。

步骤S103：在所述台阶部2a的表面以及所述牺牲层褶皱结构4的表面形成第一层介质层5，该第一层介质层5用于基片1与热电堆结构的电绝缘。

步骤S104：形成第一层热电堆材料结构6。

在本实施例中，该步骤S104可以包括以下步骤：

S1：沉积热电堆材料第一层。

在第一介质层5的表面沉积热电堆材料第一层6a，其覆盖整个牺牲层褶皱结构4以及台阶部2a，如图2E所示。该热电堆材料第一层6a的材料可以具有较大的塞贝克系数以增加温度探测器整体的灵敏度。

S2：形成第一层热电堆材料结构。

通过掩模版光刻形成热电堆材料第一层图形，刻蚀该图形，形成第一层热电堆材料结构6，并且，所述第一层热电堆材料结构6具有使所述第一层介质层5的上表面的一部分露出的第二凹槽7，如图2F所示。

在本实施例中，该第二凹槽7可以位于一个凹部4b上，并且，该去凹部4b可以位于该牺牲层褶皱结构4的中心。当然，本实施例并不限于此，该第二凹槽还可以位于其它的位置。

S105：形成第二层介质层结构8以覆盖所述第一层热电堆材料结构6以及所述第二凹槽7。

在本实施例中，该步骤S105可以包括以下步骤：

S1：沉积第二层介质层。

沉积第二层介质层8a，以覆盖第一层热电堆材料结构6并填充第二凹槽7，如图2G所示。该第二层介质层8a用于第一层热电堆材料结构和第二层热电堆材料结构的电绝缘。

S2：形成第二层介质层结构。

通过掩模版光刻形成第二层介质层图形，刻蚀该图形，形成第二层介质层结构8，并且，该第二层介质层结构8具有使所述第一层热电堆材料结构6部分露出的第三凹槽9和第四凹槽10，所述第三凹槽9位于所述台阶部2a上方，所述第四凹槽10位于所述第二凹槽7的外侧，如图2H所示。在一个具体的实施方式中，该第三凹槽9可以位于台阶部2a上方靠近所述第一凹槽2的边缘，该第四凹槽10可以形成于位于该牺牲层褶皱结构4的中心的凸部4b上方，从而形成于该牺牲层褶皱结构4的中心附近。

在本实施例中，该第三凹槽9和第四凹槽10可以分别是第一层热电堆材料结构和第二层热电堆材料结构所形成的热偶对的冷结和热结凹槽。

S106：形成第二层热电堆材料结构11以覆盖所述第二层介质层结构8和所述第四凹槽10。

在本实施例中，该步骤S106可以包括以下步骤：

S1：沉积热电堆材料第二层。

沉积热电堆材料第二层11a，以覆盖所述第二层介质层结构8和所述第四凹槽10，如图2I所示。在本实施例中，该热电堆材料第二层11a还可以被用来制作热电堆的电极，用于后续封装引线及测试。

S2：形成第二层热电堆材料结构。

通过掩模版光刻形成热电堆材料第二层图形，刻蚀该图形，形成第二层热电堆材料结构11，所述第二层热电堆材料结构11通过所述第四凹槽10与下方的所述第一层热电堆材料结构6连接，所述第二层热电堆材料结构11具有对应于所述第二凹槽7的第五凹槽11b，以露出所述第二凹槽7内的所述第二层介质层结构8，如图2J所示。

在本实施例中，该第二层热电堆材料结构11与该第一层热电堆材料结构6一起构成热电堆的热偶对，并且，在第四凹槽10处可以形成该热偶对的热结，在该热偶对的另一端可以形成冷结。其中，在冷结处，该热偶对可以是开路，由此，可以由一个第二层热电堆材料结构11与一个第一层热电堆材料结构6形成单立的热偶对。

此外，在本实施例中，第一层热电堆材料结构6可以具有相邻的至少两个，第二层热电堆材料结构11具有相邻的至少两个，并且，该第二层热电堆材料结构11与相邻的该第一层热电堆材料结构6经由该第三凹槽9连接，以形成串联的热偶对。

S107：形成第三层介质层结构12以覆盖所述第二层热电堆材料结构11和所述第五凹槽11b。

在本实施例中，该步骤S107可以包括以下步骤：

S1：沉积介质层第三层。

沉积介质层第三层12a，以覆盖所述第二层热电堆材料结构11和所述第五凹槽11b，如图2K。该介质层第三层12a用于该温度传感器的钝化层和保护层。

S2：形成第三层介质层结构。

通过掩模版光刻形成介质层第三层图形，刻蚀该图形，形成第三层介质层结构12，该第三层介质层结构12具有第六凹槽13和第七凹槽14，其中，所述第六凹槽13位于所述台阶部2a上方，且比所述第三凹槽9更远离所述第一凹槽2，所述第二层热电堆材料结构11从所述第六凹槽13露出，所述第七凹槽14位于所述第二凹槽7的上方，且所述第二凹槽7内的所述第二层介质层结构8的一部分通过所述第七凹槽14露出，如图2L所示。在本实施例中，所述第六凹槽13可以作为该温度传感器电极露出凹槽。

S108：通过所述第七凹槽14刻蚀所述第二层介质层结构8和所述第一层介质层5，形成释放孔14a，如图2M所示。

S109：经由所述释放孔14a去除所述牺牲层褶皱结构4，形成空腔15，如图2N所示。其中，所述空腔15由第一介质层5、所述第二介质层结构8、所述第三介质层结构12、以及所述第一凹槽2围成，并且，第一介质层5、所述第二介质层结构8、以及所述第三介质层结构12所形成的多层膜结构的位于所述第一凹槽2上方的部分形成为褶皱结构，所述褶皱结构的凹部和凸部分别与所述牺牲层褶皱结构的凹部4a和凸部4b对应。

此外，在本实施例中，如图1，在步骤S107和S108之间，还可以具有步骤S110，在步骤S110中，在所述第三层介质层结构12表面形成红外吸收层结构16。

在本实施例中，该步骤S110可以通过如下步骤来实现：

S1：沉积红外吸收层；

S2：形成红外吸收层图形结构16，即，通过掩模版光刻形成红外吸收层图形，刻蚀该图形，形成红外吸收层结构16。在本实施例中，该红外吸收层结构16可以位于所述第七凹槽14的周围，不覆盖所述第七凹槽14。图3示出了在设置红外吸收层结构16的情况下形成空腔后的温度传感器结构剖视图。通过设置红外吸收层，能够增加红外吸收效率，以提高温度传感器的灵敏度。

在本实施例中，红外吸收层结构16还可以覆盖所述第四凹槽10上方的区域，以便于所述红外吸收层结构16的热量快速地传输到热偶对的热结。

在本实施例中，所述凹部4a在垂直于所述基片1表面的方向上的深度彼此相同或不同，所述凹部4a在平行于所述基片1表面的方向上的宽度彼此相同或不同。图4和图5是不具备红外吸收层结构且凹部深度不同的温度传感器结构剖视图，图6和图7是具备红外吸收层结构且凹部深度不同的温度传感器结构剖视图。在本实施例中，通过调整凹部的深度和宽度，能够调制隔热膜的应力大小，以使得隔热膜的上表面保持平直。

在本实施例中，所述牺牲层褶皱结构的材料可以是半导体制造工艺中常用的牺牲层材料，例如聚酰亚胺、非晶硅、多晶硅、氧化硅和光刻胶等材料中的一种或两种以上。并且，随着牺牲层褶皱结构的材料的不同，在步骤S109中所使用的去除该牺牲层褶皱结构的方法也不同，具体的方法可参考现有技术，本实施例不再赘述。

在本实施例中，该红外吸收层的材料可以是钛(Ti)、氮化钛(TiN)、钽(Ta)、氮化钽(TaN)、金黑(Gold black)、硅黑(Silicon black)和介质层复合膜等中的一种或两种以上，例如可以是如氮化硅/非晶硅/氧化硅(Si3N4/a-Si/SiO2)等复合膜系。

在本实施例中，第一层介质层、第二层介质层结构、第三层介质层结构可分别选用氮化硅(Si3N4)、氧化硅(SiO2)、非晶硅(a-Si)等非导电性介质膜，三层介质膜可以是不同材料。

在本实施例中，该第一层热电堆材料结构和所述第二层热电堆材料结构可以分别是掺杂多晶硅、锑(Sb)及其化合物、铋(Bi)及其化合物、钛(Ti)及其化合物、钽(Ta)及其化合物、铝(Al)和金(Au)等材料中的一种；并且，所述第一层热电堆材料结构和所述第二层热电堆材料结构具有不同的塞贝克系数，由此，二者能够形成热偶对，以进行温度检测。

根据上述说明可知，本申请由于采用微加工牺牲层技术，形成褶皱式隔热膜结构，通过增加热隔膜和分布于其上的热偶对的垂直高度，提高的温度探测器的灵敏度，且该方法与传统工艺相比，其形成空腔结构的工艺难度也相应降低，适合大批量制造和生产。

下面，结合具体实例和图2，详细说明本实施例的制作方法的一个具体实施方式，在本具体实施方式中，牺牲层褶皱结构4采用聚酰亚胺(PI)，第一介质层5和第三介质层结构12采用氮化硅(Si₃N₄)，第二介质层结构8采用氧化硅(SiO₂)，红外吸收层结构16采用氮化钛(TiN)，第一层热电堆材料结构6用掺杂硼的多晶硅(PolySi:B)，第二层热电堆材料结构11采用铝(Al)，并且，该基片1可以是硅片晶圆。

具体步骤如下：

1)如图2A所示，在硅片晶圆1上通过掩模版光刻涂覆在硅片晶圆1上的光刻胶图形，用深反应离子刻蚀(Deep RIE)的方法刻蚀该图形，形成一凹槽，作为第一凹槽2。

2)如图2B、2C所示，在硅片晶圆1上滴胶、甩胶、高温固化一层聚酰亚胺3，作为温度传感器的牺牲层。通过掩模版光刻涂覆在牺牲层3上的光刻胶，形成图形，用反应离子刻蚀(RIE)或粒子束刻蚀(IBE)或感应耦合等离子体刻蚀(ICP)方法刻蚀该图形，形成牺牲层褶皱图形4。

3)如图2D所示，在硅片晶圆1及牺牲层褶皱图形4上用液相化学气相沉积(LPCVD)或等离子体增强化学气相沉积(PECVD)的方法沉积一层氮化硅薄膜，作为温度传感器的第一层介质层5，该薄膜覆盖整个褶皱图形4。

4)如图2E、2F所示，在已形成的介质层第一层介质层5的基础上用LPCVD或PECVD的方法沉积一层多晶硅薄膜，并掺杂一定浓度的硼，使其形成掺硼的多晶硅薄膜6a，该薄膜覆盖整个介质层第一层褶皱图形5。通过掩模版光刻涂覆在掺硼的多晶硅薄膜6a上的光刻胶，形成图形，用RIE或IBE刻蚀该图形，形成第一层热电堆材料结构6，该结构6在传感器中心第一层介质层上表面暴露出一凹槽图形，作为第二凹槽7。在本实施例中，该第一层热电堆材料结构6可以具有相邻的至少两个。

5)如图2G、2H所示，继续用LPCVD或PECVD的方法沉积一层氧化硅薄膜8a，使其覆盖第一层热电堆材料结构6并填充露出的第一凹槽7。通过掩模版光刻涂覆在氧化硅薄膜8上的光刻胶，形成图形，用RIE或IBE刻蚀该图形，形成第二层介质层结构8，该结构8在硅衬底至牺牲层结构边缘处与传感器中心位置边缘分别形成第三凹槽9和第四凹槽10。

6)如图2I、2J所示，用蒸发或溅射的方法沉积一层铝薄膜11a，使其覆盖上述两个个凹槽9，10。通过掩模版光刻涂覆在铝薄膜上的光刻胶，形成图形，用RIE或IBE或湿法腐蚀的方法刻蚀该图形，形成第二层热电堆材料结构11，并且，该第二层热电堆材料结构11可以具有相邻的至少两个。

该第二层热电堆材料结构11与位于其下方的第一层热电堆材料结构6共同形成热偶对，并通过第4凹槽连接，并且，该第二层热电堆材料结构11与相邻的该第一层热电堆材料结构6经由该第三凹槽9连接，以形成串联的热偶对。

此外，所述第二层热电堆材料结构11具有对应于所述第二凹槽7的第五凹槽11b，以露出所述第二凹槽7内的所述第二层介质层结构8。

7)如图2K、2L所示，用LPCVD或PECVD的方法沉积一层氮化硅薄膜12a，使其覆盖整个温度传感器的器件结构，该氮化硅薄膜12a用于温度传感器的钝化层和保护层。通过掩模版光刻涂覆在氮化硅薄膜12a上的光刻胶，形成图形，用RIE或IBE刻蚀该图形，形成第三层介质层结构12，该结构12在硅衬底两侧露出第六凹槽13，作为电极凹槽，并在传感器中心区域形成第七凹槽14。

8)如图2M所示，用IBE的方法刻蚀位于传感器中心的第七凹槽14下方的第二层介质层结构8和第一层介质层结构5，形成释放孔14a。

9)如图2N所示，用氧等离子灰化的方法射频或微波释放牺牲层褶皱结构4，形成空腔15。

10)切割晶圆，褶皱膜温度传感器制作完成。

此外，在实施上述步骤8以前，可以引入以下工艺步骤：在原先作为红外吸收膜系的三层介质膜Si3N4/SiO2/Si3N4的基础上再形成一层红外吸收层16，以增强褶皱膜温度传感器的红外吸收效率，具体步骤如下：

在第三层介质层12上通过磁控溅射仪沉积金属Ti，并同时通入工艺气体氮气(N2)，并使硅片晶圆1加热至350℃以上，由此，在第三层介质层12上形成一层氮化钛(TiN)薄膜，调制其电阻率接近377Ω·cm，该氮化钛薄膜用于吸收红外辐射；通过掩模版光刻涂覆在氮化钛薄膜16上的光刻胶，形成图形，用湿法或RIE或IBE的方法刻蚀该图形，形成红外吸收层结构16，该红外吸收层16形成于三层介质层结构5、8、12的顶部，并且，该红外吸收层16围绕该第七凹槽14。图3示出了在设置红外吸收层结构16的情况下形成空腔后的温度传感器结构剖视图。

实施例2

本申请实施例2提供一种褶皱膜温度传感器。图2N是该褶皱膜温度传感器纵剖面结构示意图。如图2N所示，该褶皱膜温度传感器可以包括：

基片1，其具有第一凹槽2和位于所述第一凹槽2周边的台阶部2a；

在所述台阶部2a表面和所述第一凹槽2上方具有多层膜结构，所述多层膜结构自下而上依次为第一层介质层5、第一层热电堆材料结构6、第二介质层结构8、第二层热电堆材料结构11、以及第三介质层结构12，并且，所述第一介质层5、所述第二介质层结构8、所述第三介质层结构12、以及所述第一凹槽2围成空腔15；

所述多层膜结构的位于所述第一凹槽2上方的部分形成为褶皱结构，所述褶皱结构具有至少两个凹部和至少一个凸部，并且，所述褶皱结构还具有使所述空腔与外界连通的释放孔14a；

所述第二介质层结构8具有位于所述释放孔14a的外侧的第四凹槽10，并且，所述第二层热电堆材料结构8通过所述第四凹槽10与所述第一层热电堆材料结构6连接。

在本实施例中，第一层介质层5负责热电堆与基片1的电绝缘；第二层介质层结构8负责形成热电堆的热偶对的第一层热电堆材料结构6和第二层热电堆材料结构11之间的电绝缘，第三层介质层结构12负责对温度传感器起其钝化和保护的作用；三层介质膜5、8、12形成的红外膜系可以用来吸收被测物体的红外辐射，此外，还可以在第三介质层结构12上覆盖一层专门的红外吸收层结构16；空腔15负责形成热电堆隔热膜，以形成与基片1的热隔离。此外，该温度传感器有使第二层热电堆材料结构11露出的第六凹槽13，该第六凹槽13作为电极凹槽，用于打线和测试；释放孔14a用于在温度传感器的制作过程中释放牺牲层结构，该释放孔的尺寸较小，所以，其对红外吸收的影响可以被忽略。

在本实施例中，所述第二介质层结构8还具有位于所述台阶部2a上方的第三凹槽9，并且，所述第一层热电堆材料结构6具有相邻的至少两个，所述第二层热电堆材料结构11具有相邻的至少两个，并且，所述第二层热电堆材料结构11与相邻的所述第一层热电堆材料结构6经由所述第三凹槽9连接，以形成串联的热偶对。

关于实施例2中褶皱膜温度传感器各部分的具体说明，可以参考实施例1，本实施例不再赘述。

灵敏度或响应率Rv是评价温度探测器性能的重要指标，其定义为输出电压ΔV与入射辐射功率P的比值，单位V/W，即Rv＝ΔV/P。ΔV即Seebeck效应产生的电势差，入射辐射功率P可以表示为P＝G_total*ΔT/(η*t)，两式联立，可以得到响应率和热导的关系式Rv＝η*t*N*(α1-α2)/G_total。由于热导减少，热电堆产生的温差增大，其探测器的灵敏度或响应率也相应增加。

对于热偶双材料构成的热偶对而言，一般为长条形并有一定的厚度，其热导表达式为G＝λS/L，其中，λ为热导率，S为横截面积，L是物体的长度。因此，热偶对的热导G_tc为G_tc＝N(λ₁S₁/L₁+λ₂S₂/L₂)，可以看出，在材料、热偶对对数、材料横截面积确定的情况下，增加热偶对的长度可以减少热导。

除了热偶对的热导外，隔热膜也有其自身热导。不同形状的热隔膜其热导表达式也不同。在本申请中，可以采用正方形的红外吸收区结构，设a和b分别为隔热膜中心到热结区和冷结区的距离，λ_mem为支撑层的热导率，t_mem为其厚度，则有G_men＝8λ_mem*t_mem/Ln(b/a)，对于褶皱膜结构的热电堆温度传感器，隔热膜中心到热结区的距离与传统方法的热电堆一样，都为a，而到冷结区的距离由于其褶皱结构，增加为b+t_crease，其中t_crease指所有隔热膜垂直方向的高度总和，即褶皱结构所有凹部的深度的总和。由上述公式可以看出，其隔热膜的热导值随着隔热膜的长度变长而降低。

由上述分析可以看出，相比较传统的热电堆隔热膜结构，本申请的褶皱膜温度传感器中，隔热膜及其热偶条形成为褶皱结构，因此，相比较传统的平面隔热膜，本申请的褶皱膜温度传感器在相同空腔尺寸条件下，其隔热膜和热偶条的长度由于褶皱的原因得到了加长，从而降低了隔热膜和热偶条的热导，提高了热电堆热结和冷结的温度差，增加了温度探测器探测温度的灵敏度。

以上结合具体的实施方式对本申请进行了描述，但本领域技术人员应该清楚，这些描述都是示例性的，并不是对本申请保护范围的限制。本领域技术人员可以根据本申请的精神和原理对本申请做出各种变型和修改，这些变型和修改也在本申请的范围内。

Claims (10)

1.一种褶皱膜温度传感器的制作方法，该方法包括：

在基片(1)上形成第一凹槽(2)，并且，所述基片在所述第一凹槽(2)周边的部分形成为台阶部(2a)；

形成至少覆盖所述第一凹槽(2)底部的牺牲层褶皱结构(4)，所述牺牲层褶皱结构(4)具有至少两个凹部(4a)和至少一个凸部(4b)；

在所述台阶部(2a)的表面以及所述牺牲层褶皱结构(4)的表面形成第一层介质层(5)；

形成第一层热电堆材料结构(6)以覆盖所述第一层介质层(5)的表面，并且，所述第一层热电堆材料结构(6)具有使所述第一层介质层(5)的上表面的一部分露出的第二凹槽(7)；

形成第二层介质层结构(8)以覆盖所述第一层热电堆材料结构(6)以及所述第二凹槽(7)，并且，所述第二层介质层结构(8)具有使所述第一层热电堆材料结构(6)部分露出的第三凹槽(9)和第四凹槽(10)，所述第三凹槽(9)位于所述台阶部(2a)上方，所述第四凹槽(10)位于所述第二凹槽(7)的外侧；

形成第二层热电堆材料结构(11)以覆盖所述第二层介质层结构(8)和所述第四凹槽(10)，所述第二层热电堆材料结构(11)通过所述第四凹槽(10)与下方的所述第一层热电堆材料结构(6)连接，所述第二层热电堆材料结构(11)具有对应于所述第二凹槽(7)的第五凹槽(11b)，以露出所述第二凹槽(7)内的所述第二层介质层结构(8)；

形成第三层介质层结构(12)以覆盖所述第二层热电堆材料结构(11)和所述第五凹槽(11b)，所述第三层介质层结构(12)具有第六凹槽(13)和第七凹槽(14)，其中，所述第六凹槽(13)位于所述台阶部(2a)上方，且比所述第三凹槽(9)更远离所述第一凹槽(2)，所述第二层热电堆材料结构(11)从所述第六凹槽(13)露出，所述第七凹槽(14)位于所述第二凹槽(7)的上方，且所述第二凹槽(7)内的所述第二层介质层结构(8)的一部分通过所述第七凹槽(14)露出；

通过所述第七凹槽(14)刻蚀所述第二层介质层结构(8)和所述第一层介质层(5)，形成释放孔(14a)；

经由所述释放孔(14a)去除所述牺牲层褶皱结构(4)，形成空腔(15)。

2.如权利要求1所述的褶皱膜温度传感器的制作方法，其中，

所述第一层热电堆材料结构(6)具有相邻的至少两个，所述第二层热电堆材料结构(11)具有相邻的至少两个，并且，所述第二层热电堆材料结构(11)与相邻的所述第一层热电堆材料结构(6)经由所述第三凹槽(9)连接，以形成串联的热偶对。

3.如权利要求1所述的褶皱膜温度传感器的制作方法，其中，

所述凹部(4a)在垂直于所述基片(1)表面的方向上的深度彼此相同或不同，

所述凹部(4a)在平行于所述基片(1)表面的方向上的宽度彼此相同或不同。

4.如权利要求1所述的褶皱膜温度传感器的制作方法，其中，

在形成所述释放孔(14a)之前，在所述第三层介质层结构(12)表面形成位于所述第七凹槽(14)周围的红外吸收层结构(16)。

5.如权利要求1所述的褶皱膜温度传感器的制作方法，其中，

所述第一层热电堆材料结构和所述第二层热电堆材料结构分别是掺杂多晶硅、锑(Sb)及其化合物、铋(Bi)及其化合物、钛(Ti)及其化合物、钽(Ta)及其化合物、铝(Al)和金(Au)中的一种；

并且，所述第一层热电堆材料结构和所述第二层热电堆材料结构具有不同的塞贝克系数。

6.一种褶皱膜温度传感器，包括：

基片(1)，其具有第一凹槽(2)和位于所述第一凹槽(2)周边的台阶部(2a)；

在所述台阶部(2a)表面和所述第一凹槽(2)上方具有多层膜结构，所述多层膜结构自下而上依次为第一层介质层(5)、第一层热电堆材料结构(6)、第二层介质层结构(8)、第二层热电堆材料结构(11)、以及第三层介质层结构(12)，并且，所述第一层介质层(5)、所述第二层介质层结构(8)、所述第三层介质层结构(12)、以及所述第一凹槽(2)围成空腔(15)；

所述多层膜结构的位于所述第一凹槽(2)上方的部分形成为褶皱结构，所述褶皱结构具有至少两个凹部和至少一个凸部，并且，所述褶皱结构还具有使所述空腔与外界连通的释放孔(14a)；

所述第二层介质层结构(8)具有位于所述释放孔(14a)的外侧的第四凹槽(10)，并且，所述第二层热电堆材料结构(11)通过所述第四凹槽(10)与所述第一层热电堆材料结构(6)连接。

7.如权利要求6所述的褶皱膜温度传感器，其中，

所述第二层介质层结构(8)还具有位于所述台阶部(2a)上方的第三凹槽(9)，

并且，所述第一层热电堆材料结构(6)具有相邻的至少两个，所述第二层热电堆材料结构(11)具有相邻的至少两个，并且，所述第二层热电堆材料结构(11)与相邻的所述第一层热电堆材料结构(6)经由所述第三凹槽(9)连接，以形成串联的热偶对。

8.如权利要求6所述的褶皱膜温度传感器，其中，

所述凹部(4a)在垂直于所述基片(1)表面的方向上的深度彼此相同或不同，

所述凹部(4a)在平行于所述基片(1)表面的方向上的宽度彼此相同或不同。

9.如权利要求6所述的褶皱膜温度传感器，其中，

所述第三层介质层结构(12)表面形成有位于所述释放孔(14a)周围的红外吸收层结构(16)。

10.如权利要求6所述的褶皱膜温度传感器，其中，

所述第一层热电堆材料结构和所述第二层热电堆材料结构分别是掺杂多晶硅、锑(Sb)及其化合物、铋(Bi)及其化合物、钛(Ti)及其化合物、钽(Ta)及其化合物、铝(Al)和金(Au)中的一种；

并且，所述第一层热电堆材料结构和所述第二层热电堆材料结构具有不同的塞贝克系数。