CN113495059A - 红外气体传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种红外气体传感器及其制备方法。红外气体传感器包括：电连接层、红外探测器、第一衬底和第二衬底，第二衬底位于第一衬底的第一方向上；第二衬底的朝向第二方向的表面开设有腔槽，且第二衬底和第一衬底通过第一键合金属层进行键合，以将腔槽的开口闭合，使腔槽形成腔室；红外气体传感器开设有通气孔，用于将腔室与外界连通；第一衬底设置有红外光源和光学天线；红外光源用于向腔室提供红外光线，光学天线用于将腔室内的红外光线聚集至红外探测器，红外探测器用于吸收聚集的红外光线并根据吸收的红外光线生成相应电信号，电连接层用于连接外部电源以进行供电。本发明能够实现红外气体传感器的微型化。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种红外气体传感器及其制备方法。
背景技术
随着物联网的发展，室内环境、大气污染及尾气的检测给气体传感器带来了广泛需求。而在各类气体传感器中，低功耗、微型化、低成本以及多参数多功能的红外气体传感器，由于其探测原理的优势，尤为广泛需求。
但由于传统的红外气体传感器大都是由单一光源与分立的敏感元集成外加气室光路的模式构成，无法实现微型化，致使得不到广泛的推广应用。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供的红外气体传感器及其制备方法，能够实现晶圆级的红外气体传感器，从而实现红外气体传感器的微型化。
第一方面，本发明提供一种红外气体传感器，所述红外气体传感器包括：电连接层、红外探测器、第一衬底和第二衬底，所述第二衬底位于所述第一衬底的第一方向上；
所述第二衬底的朝向第二方向的表面开设有腔槽，且所述第二衬底和所述第一衬底通过第一键合金属层进行键合，以将所述腔槽的开口闭合，使所述腔槽形成腔室，其中，所述第二方向为所述第一方向的相反方向；
所述红外气体传感器开设有通气孔，用于将所述腔室与外界连通；
所述第一衬底设置有红外光源和光学天线；
所述红外光源用于向所述腔室提供红外光线，所述光学天线用于将所述腔室内的红外光线聚集至所述红外探测器，所述红外探测器用于吸收聚集的红外光线并根据吸收的红外光线生成相应电信号，所述电连接层用于连接外部电源以进行供电。
可选地，所述红外光源和光学天线位于所述腔室内。
可选地，所述红外气体传感器还包括：第三衬底，所述第三衬底和所述第一衬底通过第二键合金属层进行键合；
所述第三衬底位于所述第一衬底朝向第二方向的一侧，所述第三衬底朝向第二方向的表面开设有空槽，所述电连接层和所述红外探测器均位于所述第三衬底朝向第二方向的一侧，且所述红外探测器与所述第三衬底通过所述空槽形成悬臂梁结构。
可选地，所述第一衬底开设有第一通孔，所述第一通孔贯穿所述第一衬底，所述第一通孔的一端与所述红外探测器连通，所述第一通孔的另一端与所述光学天线连通。
可选地，所述第一衬底开设有第二通孔，所述第二通孔的一端与所述红外光源连通。
可选地，所述腔室的内壁为不规则面。
可选地，所述腔室的内壁设置有反光材料。
可选地，所述红外光源的材料包括：铂或钨；
所述光学天线为菲涅尔透镜；
所述红外探测器的材料包括：n型poly和p型poly；
所述第一键合金属层的材料包括：金。
第二方面，本发明提供一种红外气体传感器的制备方法，所述方法包括：
在第一衬底朝向第一方向的表面淀积第一保护层；
在第一衬底朝向第二方向的表面淀积第二保护层，所述第二方向为所述第一方向的相反方向；
在第一保护层朝向第一方向的表面溅射金属，以形成光源金属层；
刻蚀所述光源金属层，以形成红外光源；
在所述光源金属层朝向第一方向的表面淀积介质层；
对所述介质层进行图形化处理，以得到光学天线；
在所述介质层朝向第一方向的表面淀积第一种子层，并在所述第二保护层朝向第二方向的表面淀积第二种子层；
对所述第一种子层进行图形化处理，以露出所述光学天线和所述红外光源；
对所述第二种子层和所述第二保护层进行图形化处理，以得到刻蚀窗口；
根据所述刻蚀窗口对所述第一衬底进行湿法腐蚀，以得到第一通孔和第二通孔，所述第一通孔与所述光学天线连通，所述第二通孔与所述红外光源连通；
沿第一方向刻蚀第二衬底，以形成贯穿所述第二衬底的通气孔；
对所述第二衬底朝向第一方向的表面进行刻蚀，以形成腔槽，所述腔槽连通所述通气孔；
对所述腔槽的内壁进行刻蚀，以形成插指型图形；
沿第二方向向所述第二衬底淀积反光层；
在第三衬底朝向第一方向的表面淀积多晶硅，以形成Poly-Si层；
对所述Poly-Si层进行掺杂处理和光刻处理，以在所述Poly-Si层形成红外探测器；
对所述Poly-Si层进行图形化处理，并淀积金属，以形成电连接层；
在所述红外探测器朝向第二方向的一侧刻蚀出空槽，以使所述红外探测器与所述第三衬底形成悬浮结构；
在所述Poly-Si层朝向第一方向的一侧淀积第三种子层；
在所述第一种子层朝向第一方向的一侧淀积第一键合金属层；
所述第一种子层通过所述第一键合金属层与所述反光层进行键合，以使所述红外光源和所述光学天线均与所述腔槽连通；
在所述第三种子层朝向第一方向的一侧淀积第二键合金属层；
所述第三种子层通过所述第二键合金属层与所述第二种子层进行键合，以使所述红外探测器与所述第一通孔连通。
可选地，所述方法还包括：对所述红外气体传感器进行减薄处理，并对所述红外气体传感器进行晶圆级的封装；
所述红外光源的材料包括：铂或钨；
所述光学天线为菲涅尔透镜；
所述红外探测器的材料包括：n型poly和p型poly；
所述第一键合金属层、第二键合金属层、第一种子层、第二种子层、反光层和第三种子层的材料均包括：金。
本发明实施例提供的红外气体传感器及其制备方法，所述红外气体传感器能够将红外光源和红外探测器通过晶圆级的第一衬底和第二衬底进行集成，实现了多参数综合测量以及多气体参数同片检测的红外气体传感器的微型化，其中，由第一衬底和第二衬底构成的腔室能够在保证红外光线与空气接触的同时，能够限定红外光线吸收气体的空间范围，从而能够减小红外关系在被红外探测器吸收时的衰减程度，还能够避免产生含有红矮光线的光源的干扰。
附图说明
图1为本申请一实施例的晶圆级非色散红外吸收光谱红外气体传感器的结构图；
图2a至图2h为本申请一实施例的晶圆级非色散红外吸收光谱红外气体传感器中芯片一制作方法的工艺步骤示意图；
图3a至图3d为本申请一实施例的晶圆级非色散红外吸收光谱红外气体传感器中芯片二制作方法的工艺步骤示意图；
图4a至图4e为本申请一实施例的晶圆级非色散红外吸收光谱红外气体传感器中芯片三制作方法的工艺步骤示意图；
图5和图6为本申请一实施例的晶圆级非色散红外吸收光谱红外气体传感器中芯片一、芯片二和芯片三进行键合的工艺步骤示意图；
图7为本申请一实施例的晶圆级非色散红外吸收光谱红外气体传感器进行减薄封装后的结构图；
图8为图1至图7中晶圆级非色散红外吸收光谱红外气体传感器各层物质所对应材料的指示图。
附图标记
100、第一衬底；111、第一保护层；112、第二保护层；120、光源金属层；121、红外光源；130、介质层；131、光学天线；141、第一种子层；142、第二种子层；151、第一通孔；152、第二通孔；200、第二衬底；210、通气孔；211、进气孔；212、出气孔；220、腔槽；221、腔室；230、反光层；300、第三衬底；310、Poly-Si层；320、红外探测器；330、电连接层；340、空槽；350、第三种子层；410、第一键合金属层；420、第二键合金属层。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
第一方面，本发明提供一种晶圆级非色散红外吸收光谱(NDIR)红外气体传感器，结合图1和图8，晶圆级非色散红外吸收光谱(NDIR)红外气体传感器包括：电连接层330、红外探测器320、第一衬底100和第二衬底200，第二衬底200位于第一衬底100的第一方向上。
第二衬底200的朝向第二方向的表面开设有腔槽220，且第二衬底200和第一衬底100通过第一键合金属层410进行键合，以将腔槽220的开口闭合，使腔槽220形成腔室221。其中，第二方向为第一方向的相反方向。具体的，在第二衬底200和第一衬底100相对的一侧均淀积有种子层，再在两个种子层之间淀积第一键合金属层410，以使第一衬底100与第二衬底200键合。其中，种子层能够使第一键合金属层410淀积的厚度更加均匀，从而能够提高键合的效果。
晶圆级非色散红外吸收光谱(NDIR)红外气体传感器开设有通气孔210，用于将腔室221与外界连通。在本实施例中，所述通气孔210包括：进气孔211和出气孔212。进气孔211和出气孔212的设置能够使外界的气体进入所述腔室221内，从而使腔室221内的气体与外界的气体成分相同。
第一衬底100设置有红外光源121和光学天线131。红外光源121用于向腔室221提供红外光线，光学天线131用于将腔室221内的红外光线聚集至红外探测器320，红外探测器320用于吸收聚集的红外光线并根据吸收的红外光线生成相应电信号，电连接层330用于连接外部电源以进行供电。在本实施例中，所述光学天线131为菲涅尔透镜。
晶圆级非色散红外吸收光谱(NDIR)红外气体传感器能够将红外光源121和红外探测器320通过晶圆级的第一衬底100和第二衬底200进行集成，实现了多参数综合测量以及多气体参数同片检测的晶圆级非色散红外吸收光谱(NDIR)红外气体传感器的微型化，其中，由第一衬底100和第二衬底200构成的腔室221能够在保证红外光线与空气接触的同时，能够限定红外光线吸收气体的空间范围，从而能够减小红外关系在被红外探测器320吸收时的衰减程度，还能够避免产生含有红矮光线的光源的干扰。
在一种可选的实施例中，红外光源121和光学天线131位于腔室221内，如此能够缩短红外光线的光路，从而减少红外光线的衰减程度。
在一种可选的实施例中，晶圆级非色散红外吸收光谱(NDIR)红外气体传感器还包括：第三衬底300。第三衬底300和第一衬底100通过第二键合金属层进行键合。具体的，在第三衬底300和第一衬底100相对的一侧均淀积有种子层，再在两个种子层之间淀积第二键合金属层，以使第一衬底100与第三衬底300键合。其中，种子层能够使第二键合金属层淀积的厚度更加均匀，并提高第二键合金属层与所述第三衬底300和第一衬底100的粘附性，从而能够提高键合的效果。
在实施例中，第三衬底300位于第一衬底100朝向第二方向的一侧，第三衬底300朝向第二方向的表面开设有空槽340，电连接层330和红外探测器320均位于第三衬底300朝向第二方向的一侧，且红外探测器320与第三衬底300通过空槽340形成悬臂梁结构。所述空槽340的设置能够减少第三衬底300的热容热导，增加红外探测器320的发热温度，以提高红外探测器320的吸收红外光线的效果。
在一种可选的实施例中，第一衬底100开设有第一通孔151，第一通孔151贯穿第一衬底100，第一通孔151的一端与红外探测器320连通，第一通孔151的另一端与光学天线131连通。所述第一通孔151的设置能够便于将讲过光线天线聚集的红外线投射到红外探测器320，以被红外探测器320吸收。
在一种可选的实施例中，第一衬底100开设有第二通孔152，第二通孔152的一端与红外光源121连通。在本实施例中，第二通孔152贯穿第一衬底100。第二通孔152的设置能够减少第三衬底300的热容热导，增加红外光源121的发热温度，以使红外光源121更有效的产生红外光线。
在一种可选的实施例中，腔室221的内壁为不规则面。在本实施例中，将所述腔室221的底壁设置为插指型图形。将腔室221的内壁设置为不规则面，能够增加红外光线在腔室221内的光路，从而能够使红外光线与腔室221内的气体成分接触，进而提高测试的精准度。
在一种可选的实施例中，腔室221的内壁设置有反光材料。反光材料的设置能够在红外光线经过腔室221的内壁反射时，减小红外光线的衰减，从而进一步提高测试的精准度。
在一种可选的实施例中，红外光源121的材料包括：铂或钨。红外探测器320的材料包括：n型poly和p型poly，即N型多晶硅和P型多晶硅。
第一键合金属层410、第二键合金属层和种子层的材料相同，且均为金。
晶圆级非色散红外吸收光谱(NDIR)红外气体传感器的工作原理如下：
在电连接层330接通外界电源的情况下，红外光源121受热向腔室221发射红外光线；当红外线波长与腔室221内的被测气体的吸收谱线相吻合时，红外光线的红外能量被被测气体中的分子吸收；同时在红外光线穿过被测气体后，红外光线的光强衰减满足郎伯-比尔(Lambert-Beer)定律；衰减后的红外光线被光学天线131聚集后投射红外探测器320，红外探测器320将吸收到的红外辐射能转换为易测的电性能。
第二方面，本发明提供一种晶圆级非色散红外吸收光谱(NDIR)红外气体传感器的制备方法，该制备方法包括步骤S101至步骤S124：
结合图2a至图2h和图8：
步骤S101：在第一衬底100朝向第一方向的表面淀积第一保护层111。
步骤S102：在第一衬底100朝向第二方向的表面淀积第二保护层112，第二方向为第一方向的相反方向。
在本实施例中，第一保护层111和第二保护层112通过LPSiN工艺，即氮化硅薄膜制作工艺完成制作。
步骤S103：在第一保护层111朝向第一方向的表面溅射金属，以形成光源金属层120。
光源金属层120的材料包括：铂或钨。
步骤S104：刻蚀光源金属层120，以形成红外光源121。
步骤S105：在光源金属层120朝向第一方向的表面淀积介质层130。
步骤S106：对介质层130进行图形化处理，以得到光学天线131。
步骤S107：在介质层130朝向第一方向的表面淀积第一种子层141，并在第二保护层112朝向第二方向的表面淀积第二种子层142。
步骤S108：对第一种子层141进行图形化处理，以露出光学天线131和红外光源121。
步骤S109：对第二种子层142和第二保护层112进行图形化处理，以得到刻蚀窗口。
步骤S110：根据刻蚀窗口对第一衬底100进行湿法腐蚀，以得到第一通孔151和第二通孔152，第一通孔151与光学天线131连通，第二通孔152与红外光源121连通。
结合图3a至图3d和图8：
步骤S111：沿第一方向刻蚀第二衬底200，以形成贯穿第二衬底200的通气孔210。
步骤S112：对第二衬底200朝向第一方向的表面进行刻蚀，以形成腔槽220，腔槽220连通通气孔210。
步骤S113：对腔槽220的内壁进行刻蚀，以形成插指型图形。
在本实施例中，通过两侧对腔槽220的底壁所对应的第二衬底200进行光刻，以形成插指型图形。
步骤S114：沿第二方向向第二衬底200淀积反光层230。
图4a至图4e和图8：
步骤S115：在第三衬底300朝向第一方向的表面淀积多晶硅，以形成Poly-Si层310。
步骤S116：对Poly-Si层310进行掺杂处理和光刻处理，以在Poly-Si层310形成红外探测器320。
红外探测器320的材料包括：n型poly和p型poly。步骤S116具体为对Poly-Si层310进行两次光刻和掺杂处理以形成相互间隔的：n型poly层和p型poly层。其中，n型poly层的材料为n型poly；p型poly层的材料为p型poly。
步骤S117：对Poly-Si层310进行图形化处理，并淀积金属，以形成电连接层330。
步骤S118：在红外探测器320朝向第二方向的一侧刻蚀出空槽340，以使红外探测器320与第三衬底300形成悬浮结构。
步骤S119：在Poly-Si层310朝向第一方向的一侧淀积第三种子层350。
结合图5和图8，步骤S120：在第一种子层141朝向第一方向的一侧淀积第一键合金属层410。
步骤S121：第一种子层141通过第一键合金属层410与反光层230进行键合，以使红外光源121和光学天线131均与腔槽220连通。
结合图6和图8，步骤S122：在第三种子层350朝向第一方向的一侧淀积第二键合金属层。420
步骤S123：第三种子层350通过第二键合金属层与第二种子层142进行键合，以使红外探测器320与第一通孔151连通。
结合图7和图8，步骤S124：对所述红外气体传感器进行减薄处理，并对所述红外气体传感器进行晶圆级的封装。
在本实施例中，采用TSV工艺，即硅通孔工艺对所述红外气体传感器进行晶圆级的封装。
通过第一种子层141和反光层230的键合能够将腔槽220的开口进行闭合，以使腔槽220构成一个闭合的腔室221。由于第一种子层141和反光层230的材料都金，因此位于腔室221内的第一种子层141和腔室221内的反光层230均作为反光镜，用于对红外光线进行反射；而位于腔室221外的第一种子层141和腔室221外的反光层230均作为种子层，与所述第一键合金属进行键合。
在本实施例中，光学天线131为菲涅尔透镜。第一键合金属层410、第二键合金属层、第一种子层141、第二种子层142、反光层230和第三种子层350的材料均包括：金。
该制备方法操作简单，并通过利用微机电系统(MEMS)及集成电路制作工艺形成的晶圆级非色散红外吸收光谱(NDIR)红外气体传感器。其中，步骤S101至步骤S110用于形成芯片一；步骤S111至步骤S114用于形成芯片二；步骤S115至步骤S119用于形成芯片三。在形成芯片一、芯片二和芯片三后，通过在相应的种子层之间淀积键合金属层，以完成晶圆级非色散红外吸收光谱(NDIR)红外气体传感器的制备。
本实施例仅是本发明一种具体的实施方式，对于该制备方法的先后顺序本发明不作限定，本领域技术人员可以进行调整。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种红外气体传感器，其特征在于，包括：电连接层、红外探测器、第一衬底和第二衬底，所述第二衬底位于所述第一衬底的第一方向上；
所述第二衬底的朝向第二方向的表面开设有腔槽，且所述第二衬底和所述第一衬底通过第一键合金属层进行键合，以将所述腔槽的开口闭合，使所述腔槽形成腔室，其中，所述第二方向为所述第一方向的相反方向；
所述红外气体传感器开设有通气孔，用于将所述腔室与外界连通；
所述第一衬底设置有红外光源和光学天线；
所述红外光源用于向所述腔室提供红外光线，所述光学天线用于将所述腔室内的红外光线聚集至所述红外探测器，所述红外探测器用于吸收聚集的红外光线并根据吸收的红外光线生成相应电信号，所述电连接层用于连接外部电源以进行供电。
2.根据权利要求1所述的红外气体传感器，其特征在于，所述红外光源和光学天线位于所述腔室内。
3.根据权利要求1所述的红外气体传感器，其特征在于，所述红外气体传感器还包括：第三衬底，所述第三衬底和所述第一衬底通过第二键合金属层进行键合；
所述第三衬底位于所述第一衬底朝向第二方向的一侧，所述第三衬底朝向第二方向的表面开设有空槽，所述电连接层和所述红外探测器均位于所述第三衬底朝向第二方向的一侧，且所述红外探测器与所述第三衬底通过所述空槽形成悬臂梁结构。
4.根据权利要求3所述的红外气体传感器，其特征在于，所述第一衬底开设有第一通孔，所述第一通孔贯穿所述第一衬底，所述第一通孔的一端与所述红外探测器连通，所述第一通孔的另一端与所述光学天线连通。
5.根据权利要求1所述的红外气体传感器，其特征在于，所述第一衬底开设有第二通孔，所述第二通孔的一端与所述红外光源连通。
6.根据权利要求1所述的红外气体传感器，其特征在于，所述腔室的内壁为不规则面。
7.根据权利要求1所述的红外气体传感器，其特征在于，所述腔室的内壁设置有反光材料。
8.根据权利要求1所述的红外气体传感器，其特征在于，所述红外光源的材料包括：铂或钨；
所述光学天线为菲涅尔透镜；
所述红外探测器的材料包括：n型poly和p型poly；
所述第一键合金属层的材料包括：金。
9.一种红外气体传感器的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
在第一衬底朝向第一方向的表面淀积第一保护层；
在第一衬底朝向第二方向的表面淀积第二保护层，所述第二方向为所述第一方向的相反方向；
在第一保护层朝向第一方向的表面溅射金属，以形成光源金属层；
刻蚀所述光源金属层，以形成红外光源；
在所述光源金属层朝向第一方向的表面淀积介质层；
对所述介质层进行图形化处理，以得到光学天线；
在所述介质层朝向第一方向的表面淀积第一种子层，并在所述第二保护层朝向第二方向的表面淀积第二种子层；
对所述第一种子层进行图形化处理，以露出所述光学天线和所述红外光源；
对所述第二种子层和所述第二保护层进行图形化处理，以得到刻蚀窗口；
根据所述刻蚀窗口对所述第一衬底进行湿法腐蚀，以得到第一通孔和第二通孔，所述第一通孔与所述光学天线连通，所述第二通孔与所述红外光源连通；
沿第一方向刻蚀第二衬底，以形成贯穿所述第二衬底的通气孔；
对所述第二衬底朝向第一方向的表面进行刻蚀，以形成腔槽，所述腔槽连通所述通气孔；
对所述腔槽的内壁进行刻蚀，以形成插指型图形；
沿第二方向向所述第二衬底淀积反光层；
在第三衬底朝向第一方向的表面淀积多晶硅，以形成Poly-Si层；
对所述Poly-Si层进行掺杂处理和光刻处理，以在所述Poly-Si层形成红外探测器；
对所述Poly-Si层进行图形化处理，并淀积金属，以形成电连接层；
在所述红外探测器朝向第二方向的一侧刻蚀出空槽，以使所述红外探测器与所述第三衬底形成悬浮结构；
在所述Poly-Si层朝向第一方向的一侧淀积第三种子层；
在所述第一种子层朝向第一方向的一侧淀积第一键合金属层；
所述第一种子层通过所述第一键合金属层与所述反光层进行键合，以使所述红外光源和所述光学天线均与所述腔槽连通；
在所述第三种子层朝向第一方向的一侧淀积第二键合金属层；
所述第三种子层通过所述第二键合金属层与所述第二种子层进行键合，以使所述红外探测器与所述第一通孔连通。
10.根据权利要求9所述的红外气体传感器的制作方法，其特征在于，所述方法还包括：对所述红外气体传感器进行减薄处理，并对所述红外气体传感器进行晶圆级的封装；
所述红外光源的材料包括：铂或钨；
所述光学天线为菲涅尔透镜；
所述红外探测器的材料包括：n型poly和p型poly；
所述第一键合金属层、第二键合金属层、第一种子层、第二种子层、反光层和第三种子层的材料均包括：金。
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