CN112736185B - 一种红外热电堆传感器的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种红外热电堆传感器的制造方法，包括基板以及形成在所述基板上的热敏电阻，其中在所述基板上形成所述热敏电阻的方法包括：提供基板；通过沉积工艺在所述基板上形成热敏电阻薄膜层；图形化所述热敏电阻薄膜层，形成所述热敏电阻；在所述热敏电阻的两端通过沉积工艺形成电极，以实现对所述热敏电阻的电性连接。本发明在基板上通过半导体工艺形成热敏电阻，热电堆也形成在同一基板上，可以在形成热敏电阻之后或之前或形成热敏电阻时形成热电堆，可以实现热敏电阻与热电堆的更好集成。

Description

一种红外热电堆传感器的制造方法

技术领域

本发明涉及红外测温领域，尤其涉及一种红外热电堆传感器的制造方法。

背景技术

在门类繁多的传感器当中，温度传感器在应用领域和数量方面都是首屈一指的。随着现代电子技术的发展，温度传感器在工业技术、科学研究及日常生活中得到了日益广泛的应用，以热电堆为感温元件的温度传感器被广泛应用于温度测量、控制等领域。由于各行业对温度控制的需求越来越严格和精密，对产品的可靠性要求更加苛刻，体积要求更小，灵敏度要求更高，安装和使用要求更方便。

目前制造的红外热电堆传感器通常集成有热敏电阻，在制造红外热电堆传感器时分别制造热电堆结构和热敏电阻，之后将热敏电阻和热电堆分别焊接在封装壳内。这样的制造方法使热电堆结构和热敏电阻集成性不好，红外热电堆传感器的体积无法进一步缩小。

因此，期待一种新的红外热电堆传感器的制造方法。能够在制造热敏电阻时更好的与热电堆结构实现集成，以简化工艺、满足小型化及批量化生产的要求。

发明内容

本发明揭示了一种红外热电堆传感器的制造方法，能够解决热电堆结构和热敏电阻集成度不好的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种红外热电堆传感器的制造方法，包括基板以及形成在所述基板上的热敏电阻，其中在所述基板上形成所述热敏电阻的方法包括：

提供基板；

通过沉积工艺在所述基板上形成热敏电阻薄膜层；

图形化所述热敏电阻薄膜层，形成所述热敏电阻；

在所述热敏电阻的两端通过沉积工艺形成电极，以实现对所述热敏电阻的电性连接。

本发明的有益效果在于：本发明在基板上通过半导体工艺形成热敏电阻，热电堆也形成在同一基板上，可以在形成热敏电阻之后或之前或形成热敏电阻时形成热电堆，可以实现热敏电阻与热电堆的更好集成。

附图说明

通过结合附图对本发明示例性实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，在本发明示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1至图5示出了本发明一实施例的一种红外热电堆传感器的制造方法中不同步骤对应的结构示意图。

附图标记说明：

10-基板；11-隔热空腔；20-热敏电阻薄膜层；21-热敏电阻；30-电极；40-热电堆结构，13-下盖板；14-导电凸块；22-第一电连接部；23-第二电连接部；24-吸收层；25-钝化层；220-第一焊球；230-第二焊球；300-顶盖；31-第一空腔。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。根据下面的说明和附图，本发明的优点和特征将更清楚，然而，需说明的是，本发明技术方案的构思可按照多种不同的形式实施，并不局限于在此阐述的特定实施例。附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

应当明白，当元件或层被称为“在...上”、“与...相邻”、“连接到”或“耦合到”其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、与之相邻、连接或耦合到其它元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在...上”、“与...直接相邻”、“直接连接到”或“直接耦合到”其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。应当明白，尽管可使用术语第一、第二、第三等描述各种元件、部件、区、层和/或部分，这些元件、部件、区、层和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分。因此，在不脱离本发明教导之下，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可表示为第二元件、部件、区、层或部分。

空间关系术语例如“在...下”、“在...下面”、“下面的”、“在...之下”、“在...之上”、“上面的”等，在这里可为了方便描述而被使用从而描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语意图还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，然后，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在...下面”和“在...下”可包括上和下两个取向。器件可以另外地取向(旋转90度或其它取向)并且在此使用的空间描述语相应地被解释。

在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本发明的限制。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应明白术语“组成”和/或“包括”，当在该说明书中使用时，确定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。在此使用时，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。

如果本文的方法包括一系列步骤，且本文所呈现的这些步骤的顺序并非必须是可执行这些步骤的唯一顺序，且一些的步骤可被省略和/或一些本文未描述的其他步骤可被添加到该方法。若某附图中的构件与其他附图中的构件相同，虽然在所有附图中都可轻易辨认出这些构件，但为了使附图的说明更为清楚，本说明书不会将所有相同构件的标号标于每一图中。

随着现代电子技术的发展，红外热电堆传感器被广泛应用，由于各行业对温度控制的需求越来越严格和精密，对产品的体积要求更小，灵敏度要求更高，红外热电堆传感器主要通过半导体工艺制作。目前制造的红外热电堆传感器通常集成有热敏电阻，传统的热敏电阻的制备工艺，主要包括以下几个工艺过程:制粉(配料)、造粒、成型、烧结、上电极、稳定化处理、封装、性能测试。热敏电阻制造工艺相对复杂，一致性差，另外制造的热敏电阻体积大，无法与半导体工艺兼容。因此，在制造红外热电堆传感器时需要分别制造热电堆结构和热敏电阻，之后将热敏电阻和热电堆分别焊接在封装壳内。这样的制造方法使热电堆结构和热敏电阻集成性不好，红外热电堆传感器的体积无法进一步缩小。

目前，红外热电堆传感器通常包括，封装底座和封装外壳，封装底座和封装外壳之间形成密封空腔，密封空腔中设有热堆芯片和热敏电阻芯片，两者分别形成，然后安装至封装底座上，再通过导线将热堆芯片和热敏电阻芯片与信号处理芯片电连接。由于，热电堆芯片和热敏电阻芯片分别形成，工艺步骤较长，且二者分开安装至封装底座，体积较大，同时通过外接导线连接，可靠性较差。

为了解决上述问题，本发明提出了一种红外热电堆传感器的制造方法，一个实施例中，红外热电堆传感器从下至上包括：基板，基板中设有隔热空腔；基板的上方为热电堆结构，热电堆结构遮盖隔热空腔，基板的上方设置有封盖，封盖与基板之间形成密封的腔体，热电堆结构至少部分位于密封的腔体内部。热敏电阻可以位于基板中或者基板的一侧表面(即热敏电阻先于或后于热电堆结构形成)，热敏电阻也可以和热电堆结构的某一(几)功能层位于同一平面，(即热敏电阻和热电堆结构同时制造形成)。热敏电阻通过半导体工艺制作，并且用于形成热敏电阻的基板也用于制作热电堆结构，即热敏电阻和热电堆结构均通过半导体工艺形成在同一基板上，这样制造的红外热电堆传感器能够更好的实现热敏电阻与热电堆结构的集成，以简化工艺、满足小型化及批量化生产的要求。

本实施例提供了一种红外热电堆传感器的制造方法，包括基板以及形成在所述基板上的热敏电阻，其中在所述基板上形成所述热敏电阻的方法包括以下步骤：

S01:提供基板；

S02:通过沉积工艺在所述基板上形成热敏电阻薄膜层；

S03:图形化所述热敏电阻薄膜层，形成所述热敏电阻；

S04:在所述热敏电阻的两端通过沉积工艺形成电极，以实现对所述热敏电阻的电性连接。

需要说明的是，步骤S0N不代表先后顺序。

图1至图5示出了根据本发明实施例的红外热电堆传感器的制造方法中不同阶段的结构示意图，请参考图1至图5，详细说明各步骤。

参考图1，提供基板10。所述基板10可以是本领域技术人员熟知的任意合适的衬底材料，例如硅(Si)、锗(Ge)、锗硅(SiGe)、碳硅(SiC)、碳锗硅(SiGeC)、砷化铟(InAs)、砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)或者其它III/V化合物半导体，也可为氧化铝等的陶瓷基底、石英或玻璃基底等。通过沉积工艺在所述基板10上形成热敏电阻薄膜层20，在可选方案中通过原子层沉积或溅射工艺形成热敏电阻薄膜层20，热敏电阻薄膜层20的材料可以选择金属材料或金属氧化物材料或半导体材料，金属材料如铝、铜、镍、铬、铁、钛、金、银、铂、锰、钴、锌等一种、两种或两种以上的金属材料，金属氧化物材料可以为上述金属材料的氧化物。半导体材料可以为本征半导体也可以为掺杂的半导体，半导体材料包括Si、Ge、SiGe、SiC、SiGeC等半导体材料，所述半导体材料可以为单晶态、多晶态或者非晶态。掺杂的半导体中，掺杂的离子可以为：铝、铜、金、铂、银、镍、铁、锰、钼、钨、钛、锌、汞、镉、铬及钒中的一个或多个。

制备热敏电阻的过程包括如下步骤：步骤1，通过涂胶、曝光、显影步骤在基板上形成与期望形成的热敏电阻薄膜图形相反的光刻胶图形；步骤2，将基板10放入等离子清洗机中用氧等离子体进行表面处理；步骤3，将基板10取出后用去离子水处理并吹干或甩干；步骤4，将基板10放入电子束蒸发设备中蒸镀热敏电阻薄膜；步骤5，将基板10放入去胶液中进行剥离，得到所需的热敏电阻薄膜图形。可选方案中，步骤1中所述的曝光采用真空接触方式。步骤3中所述的去离子水的处理方式包括浸泡、冲洗或用显影机喷淋，处理时间在10秒以上。步骤4中蒸镀热敏电阻薄膜为钛薄膜，蒸镀过程中不对基板10进行加热。铝在集成电路制造中经常用作金属布线，加工技术很成熟。铝膜的形成采用溅射技术，在一个实施例中，铝膜的形成膜厚小于5000纳米，方块电阻约20-100Ω/□，如40Ω/□，80Ω/□。在一个具体的实施例中，制备热敏电阻的方法为：首先在基板上旋涂一层正性光刻胶，光刻胶的厚度控制在热敏电阻薄膜厚度的5倍以上，通常厚度在1.5um以上；光刻胶经前烘后与光刻掩模版对准并进行紫外曝光，曝光过程中需要对基板和掩模版进行抽真空以确保二者紧密结合；显影后，基板放入氧等离子体清洗机中进行清洗，清洗的时间应确保光刻胶被去除50nm以上，典型氧等离子体的参数为，频率2.45GHz，放电功率300W-600W，氧气流量100sccm-500sccm，处理时间为10s-30s；氧等离子清洗后基板取出后还需要用去离子水进行冲洗，然后进行干燥。干燥后的基板放入电子束蒸发设备中进行真空镀膜，镀的薄膜为Ti/Pt或Cr/Ni薄膜，其中Ti或Cr为粘附层，厚度为20nm-40nm；Pt或Ni层为有效热敏电阻层，厚度为150nm-350nm；具体厚度与所设计的图形结构及设计的阻值有关。生长金属薄膜的基板放入丙酮或专用去胶液中，进行剥离，实现所需的图形结构，参考图2和图3，其中图3为图2的俯视图，热敏电阻21的形状包括S形排布或螺旋状排布的线状条。参考图3，本实施例中热敏电阻21的折弯处为直线型，在其他实施例中，热敏电阻21的折弯处也可以为弧线型。利用沉积、蚀刻等半导体工艺形成热敏电阻，可以精确控制热敏电阻的厚度、形状，使热敏电阻的方块阻值最大程度上的接近理论值，提高测温的精确度。半导体工艺制造的热敏电阻工艺制作简单、一致性好，CD尺寸精确，可以更加微型化，并适于批量生产。

参考图4，本实施例中，基板10上还形成有热电堆结构40，热电堆结构40包括至少由一组热电偶对构成的热堆主体，热电偶对包括相互电连接的两种热电偶材料，可以设置多个热电偶对串联从而实现红外传感器的高灵敏度化，提高传感器的品质和可靠性。两种热电偶材料可以在同一水平面上并列设置，也可以在垂直于基板10的方向上叠置。本实施例中，基板10中还形成有隔热空腔11，热堆主体位于隔热空腔11上方，热电堆结构40包括冷结和热结，所述热结位于所述隔热空腔11上方，所述冷结远离所述隔热空腔11，本实施例中，所述热敏电阻21形成于所述隔热空腔11外，所述热敏电阻21靠近所述冷结。隔热空腔11用于阻止热堆主体吸收的热量传递给基板10，以增大热结与冷结的的温差，提高灵敏度。热敏电阻21距离热电堆结构40的冷端较近，获得的冷端温度更为精确，能提高传感器的测量精度。

图4中示出的结构为先在基板10上形成热敏电阻21，再形成热电堆结构40，在其他实施例中，也可以先在基板10上形成热电堆结构40，后形成热敏电阻21。热敏电阻21和热电堆结构40也可以同时形成，如热敏电阻21和热电堆结构40的某一层材料相同(如和其中一种热电偶材料相同)，沉积形成完相应材料层后，图形化材料层，同时形成热敏电阻和热电偶材料。热敏电阻21也可以是多层结构，每层结构与热电堆结构40的相应结构层相对应，形成热电堆结构40时形成所述热敏电阻21。

参考图5，在一个实施例中，红外热堆传感器还包括顶盖300，所述顶盖300设置于所述热电堆结构的上方，并与所述热电堆结构的上表面形成第一空腔31。第一空腔31为密封的空腔，顶盖300可以选择硅晶圆，硅材料能够透红外线，也可以在顶盖300上开窗，用于透红外线。

在一实施例中，热敏电阻可以和顶盖集成在一起，顶盖包括位于四周的侧壁，和侧壁上方的盖板，热敏电阻可以形成在的侧壁上或者盖板上、且位于第一空腔31内部。在一个实施例中，在将顶盖键合在基板上之前，先在盖板上形成热敏电阻，键合顶盖时，热敏电阻被密封在第一空腔中31。

热电堆结构还包括钝化层25，钝化层25覆盖吸收层24的上表面，但未覆盖隔热空腔11上方的吸收层24，暴露出的吸收层24用于吸收红外线。热电堆结构还包括第一电连接部22和第二电连接部23，下盖板13的下表面设有第一焊球220和第二焊球230，第一电连接部22电连接第一焊球220；第二电连接部23电连接第二焊球230，第一焊球220和第二焊球230其中一个作为红外热堆传感器的输入端，另一个作为红外热堆传感器的输出端。热敏电阻11的的电连接为导电凸块14，也位于下盖板13的下表面，与第一焊球220、第二焊球230位于同一平面上，方便后续工艺中将红外热堆传感器电连接到电路板上。

继续参考图2和图3，在所述热敏电阻21的两端通过沉积工艺形成电极30，以实现对所述热敏电阻21的电性连接。本实施例中热敏电阻21的材料与所述电极30的材料相同，形成所述热敏电阻21和所述电极30包括：在所述基板10上沉积薄膜层，图形化所述薄膜层形成所述热敏电阻21和所述电极30。具体地，热敏电阻21和电极30的材料均为金属材料，具体为，在基板10上通过沉积工艺形成金属薄膜，图形化金属薄膜同时形成热敏电阻21和所述电极30。热敏电阻和电极在同一工艺步骤中形成，通过一次薄膜沉积，一次蚀刻形成，减少了工艺步骤，简化了工艺流程，降低了制造掩膜版等耗材的成本，热敏电阻还可以与热电堆结构40的其他某一膜层同时形成。

在另一个实施例中，所述热敏电阻21的材料和所述电极30的材料不同，形成所述热敏电阻21后，在所述热敏电阻21的两端通过金属剥离工艺形成所述电极30。热敏电阻21的材料和电极30的材料不同，可以先形成热敏电阻21，再形成位于热敏电阻21两个端部的电极30。也可以先在设定区域形成电极30，之后再形成热敏电阻21，可以采用常规的成膜-涂胶-曝光-显影等一系列金属剥离工艺形成电极30。

本发明在基板上通过半导体工艺形成热敏电阻，热电堆结构也形成在同一基板上，可以在形成热敏电阻之后或之前或形成热敏电阻时形成热电堆结构，热敏电阻也可以和红外热堆传感器的顶盖集成在一起，即，红外热堆传感器整体(热堆结构、热敏电阻、顶盖、电性连接等)都可以通过半导体工艺形成。应用半导体工艺实现热敏电阻的制作，工艺兼容性佳，产量大，减小所形成的红外热堆传感器的体积的同时，适于批量生产。

相对于传统的制造方法，能够更好的实现热敏电阻与红外热堆传感器的集成，简化工艺、满足小型化及批量化生产的要求。用半导体工艺形成热敏电阻结合用半导体工艺形成红外热堆传感器，两者结合实现了应用半导体工艺全制程制造红外热堆传感器。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (15)

1.一种红外热电堆传感器的制造方法，包括基板以及形成在所述基板上的热敏电阻，其中在所述基板上形成所述热敏电阻的方法包括：

提供基板，所述基板内形成有热电堆结构；

提供顶盖，顶盖包括位于四周的侧壁，和侧壁上方的盖板；

通过沉积工艺在所述侧壁上或者盖板上形成热敏电阻薄膜层；

图形化所述热敏电阻薄膜层，形成所述热敏电阻；

在所述热敏电阻的两端通过沉积工艺形成电极，以实现对所述热敏电阻的电性连接；

将所述顶盖键合在所述基板上，所述顶盖与所述热电堆结构的上表面形成第一空腔，所述热敏电阻被密封在所述第一空腔内部。

2.如权利要求1所述的红外热电堆传感器的制造方法，其特征在于，所述热敏电阻形成于所述热电堆结构前或形成于所述热电堆结构后。

3.如权利要求1所述的红外热电堆传感器的制造方法，其特征在于，所述热电堆结构包括多种膜层，所述热敏电阻的材料与其中一种膜层的材料相同。

4.如权利要求2或3所述的红外热电堆传感器的制造方法，其特征在于，所述热电堆结构包括冷结和热结，所述热敏电阻靠近所述冷结设置。

5.如权利要求1所述的红外热电堆传感器的制造方法，其特征在于，所述热敏电阻的材料包括金属或金属氧化物或半导体。

6.如权利要求5所述的红外热电堆传感器的制造方法，其特征在于，所述金属包括铝、铜、镍、铬、铁、钛、金、银、铂、锰、钴、锌等一种、两种或两种以上的金属材料。

7.如权利要求5所述的红外热电堆传感器的制造方法，其特征在于，所述半导体包括：本征半导体或含重金属掺杂的半导体，所述重金属掺杂的离子为：铝、铜、金、铂、银、镍、铁、锰、钼、钨、钛、锌、汞、镉、铬及钒中的一个或多个。

8.如权利要求1所述的红外热电堆传感器的制造方法，其特征在于，所述热敏电阻薄膜层通过原子层沉积或溅射工艺形成。

9.如权利要求1所述的红外热电堆传感器的制造方法，其特征在于，所述热敏电阻的厚度小于5000纳米。

10.如权利要求1所述的红外热电堆传感器的制造方法，其特征在于，所述热敏电阻方块电阻为20-100Ω/□。

11.如权利要求1所述的红外热电堆传感器的制造方法，其特征在于，所述热敏电阻的形状包括S形排布或者螺旋状排布的线条状。

12.如权利要求1所述的红外热电堆传感器的制造方法，其特征在于，所述基板的材料为半导体。

13.如权利要求1所述的红外热电堆传感器的制造方法，其特征在于，所述红外热电堆传感器包括多个所述热敏电阻。

14.如权利要求1所述的红外热电堆传感器的制造方法，其特征在于，所述热敏电阻的材料与所述电极的材料相同，形成所述热敏电阻和所述电极包括：

在所述顶盖上沉积薄膜层，图形化所述薄膜层形成所述热敏电阻和所述电极。

15.如权利要求1所述的红外热电堆传感器的制造方法，其特征在于，所述热敏电阻的材料和所述电极的材料不同，形成所述热敏电阻前或形成所述热敏电阻后，在所述热敏电阻的两端通过金属剥离工艺形成所述电极。