CN115248080A - 具有垂直排列热电偶的mems热电堆结构及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了具有垂直排列热电偶的MEMS热电堆结构，包括硅基底，所述硅基底上设有第一绝缘膜层，本发明还提出了一种具有垂直排列热电偶的MEMS热电堆结构的制作方法，包括以下步骤：步骤S100,在硅基底上沉积第一绝缘膜层；步骤S200；步骤S400；步骤S500；步骤S600；步骤S700；步骤S800。本发明，通过设置第二绝缘膜层、第三绝缘膜层，并在二者上对应设置通孔将热电偶直柱与相应的金属电极电性连接起来，可以通过通孔精确控制热电偶直柱与第一、第二金属电极的欧姆接触，可以严格控制先后沉积的热电偶材料完全按照设计形成顶部‑底部首尾串联，通过调节通孔的面积和形状，能提升串联电路的总电阻阻值的一致性，为更密集的行列布置提供了实施条件。
Description
技术领域
本发明涉及微电子机械系统技术领域，尤其涉及具有垂直排列热电偶的MEMS热电堆结构及其制作方法。
背景技术
传统的热电堆使用悬浮薄膜结构，如申号为200610118474.1的中国发明专利中，该悬浮薄膜结构大多采用湿法蚀刻或干法刻蚀从基底正面或者背面刻蚀出空腔的方法来获得，热电偶在薄膜平面上基本平行于薄膜表面设置呈二维排布。受获得悬浮薄膜的工艺限制，如正面蚀刻技术的蚀刻通孔要在薄膜上占用面积，如背面湿法蚀刻技术制得的薄膜面积较小，同时受热电偶材料本身的塞贝克系数和电阻率限制，热电偶几何形状不可能无限缩小，有最小尺寸，这就限制了一个热电堆结构上热电偶对的总数，使热电堆结构的灵敏度和响应率不能进一步提高。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的具有垂直排列热电偶的MEMS热电堆结构及其制作方法。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
具有垂直排列热电偶的MEMS热电堆结构，包括硅基底，所述硅基底上设有第一绝缘膜层，所述第一绝缘膜层上设有两个电极焊盘以及多个第一金属电极，多个所述第一金属电极呈行列排布；
所述第一金属电极上方设置有串联连接的多个热电偶对，两个所述电极焊盘分别连接于串联连接的热电偶对的两端；
所述热电偶对上方设有呈行列排布的多个第二金属电极；
其中，所述热电偶对包括垂直于所述硅基底的第一热电偶直柱和第二热电偶直柱，多个所述热电偶直柱呈行列排布，且每一行中的所述第一热电偶直柱与第二热电偶直柱交替布置，每一列中的所述第一热电偶直柱与第二热电偶直柱交替布置，同一行中相邻的所述第一热电偶直柱与第二热电偶直柱之间通过位于二者下方的第一金属电极或者通过位于二者上方的第二金属电极串联，相邻行中位于前一行末位的所述热电偶直柱与后一行首位的热电偶直柱之间通过位于二者下方的所述第一金属电极或者通过位于二者上方的第二金属电极串联；
所述第二金属电极上方设有吸收层，所述吸收层上方设有红外吸收层。
优选地，所述第一热电偶直柱和所述第二热电偶直柱的周围为空隙。
优选地，每一行中的所述第一热电偶直柱与第二热电偶直柱的总数为偶数个；
两个所述电极焊盘分别位于第一金属电极阵列的同一侧；
位于两个所述电极焊盘之间的首列第一金属电极以及位于末列的所述第一金属电极在列方向延伸跨接两行；
多个所述第二金属电极呈矩阵排布。
优选地，每一行中的所述第一热电偶直柱与第二热电偶直柱的总数为奇数个。
优选地，所述第一绝缘膜层上方还设置有第二绝缘膜层，所述第二绝缘膜层上在所述第一金属电极位置对应各热电偶直柱设置有多个通孔，所述第一热电偶直柱以及所述第二热电偶直柱的下端穿过所述第二绝缘膜层上的通孔与所述第一金属电极电性连接；所述第一热电偶直柱以及所述第二热电偶直柱的上方、所述吸收层的下方还设置有第三绝缘膜层，所述第二金属电极穿过所述第三绝缘膜层上设置的通孔与所述第一热电偶直柱以及所述第二热电偶直柱的上端电性连接。
一种具有垂直排列热电偶的MEMS热电堆结构的制作方法，包括以下步骤：
步骤S100,在硅基底上沉积第一绝缘膜层；
步骤S200,在所述第一绝缘膜层上沉积第一金属膜层并图形化，以形成两个电极焊盘以及呈行列排布的多个第一金属电极；
步骤S400,在所述第一金属电极上方通过化学气相沉积和离子注入掺杂工艺制得第一热电偶厚膜层，并对第一热电偶厚膜层进行图形化以形成垂直于所述硅基底的多个第一热电偶直柱，以及在第一热电偶直柱周围以同样方式制得垂直于所述硅基底的多个第二热电偶直柱，第一热电偶直柱、第二热电偶直柱的底部与对应的第一金属电极连接；
步骤S500,在所述第一热电偶直柱以及所述第二热电偶直柱的周围通过化学气相沉积或者溶胶凝胶工艺制得牺牲层，所述牺牲层的厚度与热电偶直柱的高度相同；
步骤S700，在牺牲层上方沉积第二金属膜层并图形化，以形成呈行列排布的多个第二金属电极，所述第一热电偶直柱、第二热电偶直柱的顶部与对应的第二金属电极连接；
步骤S800，在所述第二金属电极上方，沉积吸收层，并在吸收层上方设置红外吸收层；
步骤S900，蚀刻去除全部牺牲层，制得所述具有垂直排列热电偶的MEMS热电堆结构。
优选地，在所述步骤S200和所述步骤S400之间还包括：
步骤S300,在所述第一金属电极上方沉积第二绝缘膜层并图形化，以在第二绝缘膜层上蚀刻出多个通孔，通孔的位置对应于第一金属电极及电极焊盘分别连通第一热电偶直柱底部、第二热电偶直柱底部的位置；
在所述步骤S500和所述步骤S700之间还包括：
步骤S600，在牺牲层上沉积第三绝缘膜层并图形化，在第三绝缘膜层上蚀刻出多个通孔，通孔的位置对应于第二金属电极分别连通第一热电偶直柱底部、第二热电偶直柱顶部的位置。
优选地，所述步骤S400包括：
在图形化后的第二绝缘膜层上，通过化学气相沉积和离子注入掺杂工艺采用N型多晶硅和P型多晶硅中的一种制得第一热电偶厚膜层；
通过光刻图形化所述第一热电偶厚膜层，通过深反应离子干法蚀刻工艺制得多晶硅直柱作为第一热电偶直柱；
在制得的第一热电偶直柱周围，通过化学气相沉积和离子注入掺杂工艺采用N型多晶硅和P型多晶硅中的另一种制得第二热电偶厚膜层，或者通过溶胶凝胶工艺采用Zn或Al材料制得第二热电偶厚膜层，所述第二热电偶厚膜层的厚度与第一热电偶直柱高度相同；
通过光刻图形化第二热电偶厚膜层，通过深反应离子干法蚀刻工艺制得多晶硅直柱作为第二热电偶直柱。
优选地，所述电极焊盘、所述第一金属电极和所述第二金属电极均采用以下方法制得：
采用真空蒸镀或真空磁控溅射工艺沉积金属膜层，所述金属膜层选自Al、Cu、Ti、Mo、Cr、Au、Ag中的至少一种金属材料；
通过光刻图形化所述金属膜层，通过干法或湿法蚀刻出所述电极焊盘、所述第一金属电极和所述第二金属电极。
优选地，所述牺牲层为多孔硅或者PDMS或者PI材料制成。
本发明与现有技术相比，其有益效果为：
取代传统悬浮薄膜的垂直热电偶结构，直接在硅基底上制造垂直排列的热电偶直柱，相邻热电偶直柱通过金属电极串联起来形成热电堆，这种结构中，热电偶直柱具有一定高度，可以进一步增加热阻，有利于热量在热电偶直柱顶部积累，从而在热电偶直柱上下端之间形成更大的温度差；垂直热电偶结构不需要悬浮薄膜结构，简化了热电堆器件的加工工艺，一方面节省了蚀刻工序的耗时，提高生产效率，另一方面完全消除了薄膜结构容易发生应力聚集而形成的裂纹缺陷，能大幅度提高生产良率；更重要的是，在相同面积内布置相同宽度尺寸的热电偶，本发明的垂直结构能布置的热电偶数量是传统悬浮薄膜平面结构的4～7倍，热电偶对数量的增多能显著提高热电堆的灵敏度和响应率。采用本发明的具有垂直排列热电偶的MEMS热电堆结构可以进一步缩小热电偶器件的面积，降低成本。
附图说明
图1为本发明具有垂直排列热电偶的MEMS热电堆结构的第一实施例的剖视图；
图2至图21为本发明第一实施例的MEMS热电堆结构的制备方法的示意图；
图22为本发明第二实施例中第一金属电极排布的示意图；
图23为本发明第二实施例中第二金属电极排布的示意图。
图中：1、硅基底；2、第一绝缘膜层；3、第一金属电极；30、电极焊盘；31、第一金属膜层；4、第二绝缘膜层；40、通孔；5、第一热电偶直柱；50、第一热电偶厚膜层；6、第二热电偶直柱；60、第二热电偶厚膜层；7、牺牲层；8、第三绝缘膜层；80、通孔；9、第二金属电极；90、第二金属膜层；10、吸收层；11、红外吸收层。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
参照图1-23，具有垂直排列热电偶的MEMS热电堆结构及其制作方法，包括硅基底1，硅基底1上设有第一绝缘膜层2，第一绝缘膜层2上设有两个电极焊盘30以及多个第一金属电极3，多个第一金属电极3呈行列排布；
第一金属电极3上方设置有串联连接的多个热电偶对，两个电极焊盘30分别连接于串联连接的热电偶对的两端；
热电偶对上方设有呈行列排布的多个第二金属电极9；
其中，热电偶对包括垂直于硅基底1的第一热电偶直柱5和第二热电偶直柱6，多个热电偶直柱呈行列排布，且每一行中第一热电偶直柱5与第二热电偶直柱6交替布置，每一列中第一热电偶直柱5与第二热电偶直柱6交替布置，同一行中相邻的第一热电偶直柱5与第二热电偶直柱6之间通过位于二者下方的第一金属电极3或者通过位于二者上方的第二金属电极9串联，相邻行中位于前一行末位的热电偶直柱与后一行首位的热电偶直柱之间通过位于二者下方的第一金属电极3或者通过位于二者上方的第二金属电极9串联；
第一热电偶直柱5和第二热电偶直柱6的周围为空隙，每一行中第一热电偶直柱5与第二热电偶直柱6的总数为奇数个。
第二金属电极9上方设有吸收层10，吸收层10上方设有红外吸收层11。
每一行中第一热电偶直柱5与第二热电偶直柱6的总数为偶数个；
两个电极焊盘30分别位于第一金属电极3阵列的同一侧；
位于两个电极焊盘30之间的首列第一金属电极3以及位于末列的第一金属电极3在列方向延伸跨接两行；
多个第二金属电极9呈矩阵排布。
第一绝缘膜层2上方还设置有第二绝缘膜层4，第二绝缘膜层4上在第一金属电极3位置对应各热电偶直柱设置有多个通孔，第一热电偶直柱5以及第二热电偶直柱6的下端穿过第二绝缘膜层4上的通孔与第一金属电极3电性连接；第一热电偶直柱5以及第二热电偶直柱6的上方、吸收层10的下方还设置有第三绝缘膜层8，第二金属电极9穿过第三绝缘膜层8上设置的通孔与第一热电偶直柱5以及第二热电偶直柱6的上端电性连接。
一种具有垂直排列热电偶的MEMS热电堆结构的制作方法，包括以下步骤：
步骤S100,在硅基底1上沉积第一绝缘膜层2；
步骤S200,在第一绝缘膜层2上沉积第一金属膜层31并图形化，以形成两个电极焊盘30以及呈行列排布的多个第一金属电极3；
步骤S400,在第一金属电极3上方通过化学气相沉积和离子注入掺杂工艺制得第一热电偶厚膜层50，并对第一热电偶厚膜层50进行图形化以形成垂直于硅基底1的多个第一热电偶直柱5，以及在第一热电偶直柱5周围以同样方式制得垂直于硅基底1的多个第二热电偶直柱6，第一热电偶直柱5、第二热电偶直柱6的底部与对应的第一金属电极3连接；
步骤S500,在第一热电偶直柱5以及第二热电偶直柱6的周围通过化学气相沉积或者溶胶凝胶工艺制得牺牲层7，牺牲层7的厚度与热电偶直柱的高度相同；
步骤S700，在牺牲层7上方沉积第二金属膜层90并图形化，以形成呈行列排布的多个第二金属电极9，第一热电偶直柱5、第二热电偶直柱6的顶部与对应的第二金属电极9连接；
步骤S800，在第二金属电极9上方，沉积吸收层10，并在吸收层10上方设置红外吸收层11；
步骤S900，蚀刻去除全部牺牲层7，制得具有垂直排列热电偶的MEMS热电堆结构，牺牲层7为多孔硅或者PDMS或者PI材料制成。
在步骤S200和步骤S400之间还包括：
步骤S300,在第一金属电极3上方沉积第二绝缘膜层4并图形化，以在第二绝缘膜层4上蚀刻出多个通孔，通孔的位置对应于第一金属电极3及电极焊盘30分别连通第一热电偶直柱5底部、第二热电偶直柱6底部的位置；
在步骤S500和步骤S700之间还包括：
步骤S600，在牺牲层7上沉积第三绝缘膜层8并图形化，在第三绝缘膜层8上蚀刻出多个通孔，通孔的位置对应于第二金属电极9分别连通第一热电偶直柱5底部、第二热电偶直柱6顶部的位置。
步骤S400包括：
在图形化后的第二绝缘膜层4上，通过化学气相沉积和离子注入掺杂工艺采用N型多晶硅和P型多晶硅中的一种制得第一热电偶厚膜层50；
通过光刻图形化第一热电偶厚膜层50，通过深反应离子干法蚀刻工艺制得多晶硅直柱作为第一热电偶直柱5；
在制得的第一热电偶直柱5周围，通过化学气相沉积和离子注入掺杂工艺采用N型多晶硅和P型多晶硅中的另一种制得第二热电偶厚膜层60，或者通过溶胶凝胶工艺采用Zn或Al材料制得第二热电偶厚膜层60，第二热电偶厚膜层60的厚度与第一热电偶直柱5高度相同；
通过光刻图形化第二热电偶厚膜层60，通过深反应离子干法蚀刻工艺制得多晶硅直柱作为第二热电偶直柱6。
电极焊盘30、第一金属电极3和第二金属电极9均采用以下方法制得：
采用真空蒸镀或真空磁控溅射工艺沉积金属膜层，金属膜层选自Al、Cu、Ti、Mo、Cr、Au、Ag中的至少一种金属材料；
通过光刻图形化金属膜层，通过干法或湿法蚀刻出电极焊盘30、第一金属电极3和第二金属电极9。
本实施例可通过以下操作方式阐述其功能原理：本发明中，第一热电偶直柱5和第二热电偶直柱6的周围为空隙。封装芯片时空隙中由空气或者氮气填充或者再抽真空，由于空气或者氮气的导热系数远低于热电偶材料和牺牲层7(其最终被去除，参考图12)的导热系数，可近似为不导热；而真空也不导热。红外吸收层11以及吸收层10吸收的能量全部都通过热电偶直柱产生温差热电势，能够最大效率的转化被测物体发出的红外辐射能量。吸收层10还气道保护第二金属电极9的作用。
位于同一行的第一金属电极3与第二金属电极9中，第二金属电极9在行方向上与第一金属电极3部分错开，且二者在硅基底1所在平面上的垂直投影部分重叠。各热电偶直柱在基底所在平面上的垂直投影位于其所对应的第一金属电极3及第二金属电极9在基底所在平面上的垂直投影内。本发明中，金属电极的投影面积与热电偶直柱上下端最大限度重合，不占用有限的硅基底1(芯片)面积，从而使得硅基底1上能够布置比平面型热电堆的多倍的热电偶对，以进一步提高热电堆的灵敏度和响应率。
在图1至图21所示的第一实施例中，在硅基底1所在平面上，以两个电极焊盘30之间连线为列方向、垂直该列方向则为行方向，以图5中左侧为第一行，两个电极焊盘30之间为第一列。每一行中第一热电偶直柱5与第二热电偶直柱6的总数为奇数个。两个电极焊盘30分别位于第一金属电极3阵列的同一侧，可尽量减少电极焊盘30在硅基底1上所占面积，以最大化利用硅基底1表面面积来设置尽可能多的第一金属电极3以及热电偶直柱。参考图5和图17，本优选实施例中，位于两个电极焊盘30之间的首列第一金属电极3在列方向延伸跨接两行。位于末列的第二金属电极9在列方向延伸跨接两行。如此设计，第一行末个热电偶直柱(即第一热电偶直柱5)与第二行中相邻的热电偶直柱(即第二热电偶直柱6)通过其顶部位于末列的首个第二金属电极9串联，第三行首个热电偶直柱(即第一热电偶直柱5)与第二行中相邻的热电偶直柱(即第二热电偶直柱6)通过其底部位于首列的首个第一金属电极3串联，以此类推，硅基底1上的全部热电偶直柱实现串联形成多个热电偶对。
在图22和图23所示的第二实施例中，每一行中第一热电偶直柱5与第二热电偶直柱6的总数为偶数个。两个电极焊盘30分别位于第一金属电极3阵列的同一侧。位于两个电极焊盘30之间的首列第一金属电极3以及位于末列的第一金属电极3在列方向延伸跨接两行。而多个第二金属电极9则呈矩阵排布。此种排布方式同样可实现硅基底1上的全部热电偶直柱实现串联，形成多个热电偶对。
参考图1和图21，第一绝缘膜层2上方还设置有第二绝缘膜层4。第二绝缘膜层4上在第一金属电极3位置对应各热电偶直柱设置有多个通孔40。第一热电偶直柱5以及所述第二热电偶直柱6的下端穿过第二绝缘膜层4上对应位置的通孔40与第一金属电极3形成电性连接。第一绝缘膜层2为二氧化硅薄膜，第二绝缘膜层4为二氧化硅薄膜或者氮化硅薄膜。
本优选实施例中，各热电偶直柱的上方、吸收层10的下方还设置有第三绝缘膜层8。第三绝缘膜层8上也在对应各热电偶直柱顶部的位置设置有多个通孔80。通孔80同样可为圆形、椭圆形、矩形等形状。第二金属电极9穿过通孔80与第一热电偶直柱5及第二热电偶直柱6的上端形成电性连接。吸收层10为氮化硅薄膜。第三绝缘膜层8为二氧化硅薄膜或者氮化硅薄膜。
本发明中通过设置第二绝缘膜层4、第三绝缘膜层8，并在二者上对应设置通孔将热电偶直柱与相应的金属电极电性连接起来，可以通过通孔精确控制热电偶直柱与第一、第二金属电极的欧姆接触，可以严格控制先后沉积的热电偶材料完全按照设计形成顶部-底部首尾串联，通过调节通孔的面积和形状，能提升串联电路的总电阻阻值的一致性，为更密集的行列布置提供了实施条件。
可选地，第一热电偶直柱5为N型多晶硅直柱和P型多晶硅直柱中的一种，第二热电偶直柱6为N型多晶硅直柱和P型多晶硅直柱中的另一种。或者，第一热电偶直柱5为N型多晶硅直柱和P型多晶硅直柱中的一种，第二热电偶直柱6为Zn直柱或Al直柱。或者，第一热电偶直柱5和第二热电偶直柱6还可以为氮化钛和碳化硅等塞贝克系数相差大、同时热导率不高的材料。本发明并不局限于此。
本发明的具有垂直排列热电偶的MEMS热电堆结构，取代传统悬浮薄膜的垂直热电偶结构，直接在硅基底1上制造垂直排列的热电偶直柱，相邻热电偶直柱通过金属电极形成顶部-底部首尾串联从而形成热电堆，这种结构中，热电偶直柱具有一定高度，可以进一步增加热阻，有利于热量在热电偶直柱顶部积累，从而在热电偶直柱上下端之间形成更大的温度差；垂直热电偶结构不需要悬浮薄膜结构，简化了热电堆器件的加工工艺，一方面节省了蚀刻工序的耗时，提高生产效率，另一方面完全消除了薄膜结构容易发生应力聚集而形成的裂纹缺陷，能大幅度提高生产良率；更重要的是，在相同面积内布置相同宽度尺寸的热电偶，本发明的垂直结构能布置的的热电偶数量是悬浮薄膜平面结构的n/4倍(n是硅基底1面积边长上能排列的热电偶数量，常见的热电堆器件n为15～30对)，由此推算，本发明垂直结构能布置的的热电偶数量是悬浮薄膜平面结构的4～7倍，串联起来的热电偶对数量越多，制造得到的热电堆结构输出信号越强，越有利于微弱信号的探测以及分辨更细微的红外温度能量变化。因此，本发明有利于实现热电偶对数量的增多，从而能显著提高热电堆的灵敏度和响应率。采用本发明的具有垂直排列热电偶的MEMS热电堆结构可以进一步缩小热电偶器件的面积，降低成本。
为进一步详细说明本发明的具有垂直排列热电偶的MEMS热电堆结构及其制作方法，参考图2至图22，其为本发明第一实施例具有垂直排列热电偶的MEMS热电堆结构的制造方法的剖视图及部分俯视图。其中，图5为图4的俯视图；图17为图16的俯视图。
参考图2，步骤S100,在硅基底1上沉积第一绝缘膜层2。具体地，步骤S100包括：使用单面抛光的硅片或者单面抛光的SOI基片作为硅基底1；在所硅基底1上，采用LPCVD或PECVD或热氧化工艺沉积二氧化硅薄膜作为第一绝缘膜层2。
参考图3至图4，并结合图5，步骤S200,在第一绝缘膜层2上沉积第一金属膜层31并图形化，以形成两个电极焊盘30以及呈行列排布的多个第一金属电极3。具体地，步骤S200包括：在第一绝缘膜层2上，采用真空蒸镀或真空磁控溅射工艺沉积第一金属膜层31，第一金属膜层31选自Al、Cu、Ti、Mo、Cr、Au、Ag中的至少一种金属材料；接着，通过光刻图形化第一金属膜层31，通过干法或湿法蚀刻出电极焊盘30、第一金属电极3。第一金属电极30的具体排布方式如图5所示以及上文所述，此处不再赘述。
根据塞贝克效应观测得到的温差电动势基本性质：一、中间温度规律，即温差电动势仅与两结点的温度有关，与两结点之间导线的温度无关；二、中间金属规律，即由A、B导体接触形成的温差电动势与两结点间是否接入第三种金属C无关。本发明合理利用塞贝克效应的两条规律，水平方向上的导电结构选择半导体工艺容易加工图形化的金属材料，厚度薄，加工时间缩短；金属电极的投影面积与热电偶直柱上下端最大限度重合，不占用有限的芯片面积。
参考图6和图7，步骤S300,在第一金属电极3上方沉积第二绝缘膜层4并图形化，在第二绝缘膜层4上蚀刻出多个通孔40，通孔40的位置对应于第一金属电极3及电极焊盘30分别连通第一热电偶直柱5底部、第二热电偶直柱6底部的位置。通孔40可为圆形、椭圆形、矩形等形状。具体地，在第一金属电极3上，通过LPCVD或PECVD工艺沉积二氧化硅或者氮化硅绝缘薄膜作为第二绝缘膜层4；接着，通过光刻图形化第二绝缘膜层4，在对应连通热电偶直柱底部的第一金属电极3和外接邦线的电极焊盘30位置，经过干法或者湿法蚀刻出特定尺寸、形状和排列的通孔40。
参考图8至图11，步骤S400,在第一金属电极3上方通过化学气相沉积和离子注入掺杂工艺制得第一热电偶厚膜层50，并对第一热电偶厚膜层50进行图形化以形成垂直于硅基底1的多个第一热电偶直柱5，以及在第一热电偶直柱5周围以同样方式制得垂直于硅基底1的多个第二热电偶直柱6，第一热电偶直柱5、第二热电偶直柱6的底部与对应的第一金属电极3连接。
具体地，步骤S400包括：在图形化后蚀刻出通孔的第二绝缘膜层4上，通过化学气相沉积和离子注入掺杂工艺采用N型多晶硅和P型多晶硅中的一种制得第一热电偶厚膜层50，如图8中所示；
通过光刻图形化第一热电偶厚膜层50，通过深反应离子干法蚀刻工艺制得多晶硅直柱作为第一热电偶直柱5，如图9中所示；
在制得的第一热电偶直柱5周围，通过化学气相沉积和离子注入掺杂工艺采用N型多晶硅和P型多晶硅中的另一种制得第二热电偶厚膜层60，或者通过溶胶凝胶工艺采用Zn或Al材料制得第二热电偶厚膜层60，第二热电偶厚膜层60的厚度与第一热电偶直柱5高度相同，如图10中所示；
通过光刻图形化第二热电偶厚膜层60，通过深反应离子干法蚀刻工艺制得多晶硅直柱作为第二热电偶直柱6，如图11中所示。
参考图12，步骤S500,在第一热电偶直柱5以及第二热电偶直柱6的周围通过化学气相沉积或者溶胶凝胶工艺制得牺牲层7，牺牲层7的厚度与热电偶直柱的高度相同。热电偶直柱能以很小的底部面积制造出较厚的高度，而且排列密集，需要在工艺流程中利用牺牲层7提供临时保护和临时成膜平面，以方便制造复杂的平面金属电极图形来串联全部热电偶。因此本发明采用多孔硅或者聚二甲基硅氧烷(PDMS,Poly(dimethylsiloxane))或者聚酰亚胺(PI,Polyimide)材料制成牺牲层7。牺牲层7的作用一是在制备过程中平坦化热电偶直柱顶部，为后续的第三绝缘膜层8、第二金属电极9和吸收层10的成膜和光刻图形化提供平面，避免第三绝缘膜层8等因基底不平整产生塌陷甚至膜破、造成光刻工序中曝光光线在塌陷区域照射错误形成图形失真。牺牲层7的作用二是在顶部各膜层成膜、蚀刻过程中保护热电偶直柱本身不受损伤，同时使又细又长的热电偶直柱保持直立，避免发生倾斜错位。直到热电偶直柱顶部各膜层完成加工后，热电偶直柱上下端都被固定好，也就不会发生倾斜错位。
参考图13和图14，步骤S600，在牺牲层7上沉积第三绝缘膜层8并图形化，在第三绝缘膜层8上蚀刻出多个通孔80，通孔80的位置对应于第二金属电极9分别连通第一热电偶直柱5顶部、第二热电偶直柱6顶部的位置。具体地，在牺牲层7上通过LPCVD或PECVD工艺沉积二氧化硅薄膜或者氮化硅薄膜作为第三绝缘膜层8。接着，通过光刻图形化第三绝缘膜层8，在对应连通热电偶直柱顶部的第二金属电极9位置，进过干法或者湿法蚀刻出特定尺寸、形状和排列的通孔80。
本发明中通过设置第二绝缘膜层4、第三绝缘膜层8，并在二者上对应设置通孔将热电偶直柱与相应的金属电极电性连接起来，可以通过通孔精确控制热电偶直柱与第一、第二金属电极的欧姆接触，可以严格控制先后沉积的热电偶材料完全按照设计形成顶部-底部首尾串联，通过调节通孔的面积和形状，能提升串联电路的总电阻阻值的一致性，为更密集的行列布置提供了实施条件。
参考图15和图16，步骤S700，在牺牲层7上方沉积第二金属膜层90并图形化，以形成呈行列排布的多个第二金属电极9，第一热电偶直柱5、第二热电偶直柱6的顶部与对应的第二金属电极9连接。具体地，在图形化后蚀刻出通孔80的第三绝缘膜层8上，用真空蒸镀或真空磁控溅射工艺沉积沉积第二金属膜层90，第二金属膜层90选自Al、Cu、Ti、Mo、Cr、Au、Ag中的至少一种金属材料；接着，通过光刻图形化第二金属膜层90，通过干法或湿法蚀刻出第二金属电极9。
参考图18至图20，步骤S800，在第二金属电极9上方，沉积吸收层10，并在吸收层10上方设置红外吸收层11。具体地，在图形化后的第二金属电极9上，通过LPCVD或PECVD工艺沉积氮化硅薄膜作为吸收热量的吸收层10。吸收层10还气道保护第二金属电极9的作用。然后，在吸收层10上通过旋涂黑色光刻胶或者真空蒸镀或磁控溅射沉积碳黑或者铂黑或者钼黑等红外吸收效应强的材料作为红外吸收层11。接着，通过光刻和干法或者湿法蚀刻图形化红外吸收层11、吸收层10以及第三绝缘膜层8，通过干法或者湿法蚀刻覆盖热电偶直柱顶部的吸光区域。红外吸光层11作为一整面能最大效率地吸收红外能量，有助于提高全部热电偶对顶部热结的温度，有利于增强本发明热电堆结构的探测率和灵敏度。
参考图21，步骤S900，蚀刻去除全部牺牲层7，制得具有垂直排列热电偶的MEMS热电堆结构。具体地，通过干法蚀刻或者湿法蚀刻的方法蚀刻去除牺牲层7，制得无悬浮薄膜的具有垂直排列热电偶的热电堆结构。传统的悬浮薄膜平面排列型热电堆结构中，热端吸收得到的热量也会有一部分通过悬浮薄膜传导到硅基底1边框被浪费掉。而本发明的制备方法，最终将牺牲层7全部蚀刻去除，完全消除了这种能量的浪费，(不考虑空气传热的情况下)吸收层10吸收的能量全部都通过热电偶做功产生温差热电势，能够最大效率的转化被测物体发出的红外辐射能量。去除热电偶直柱之间的牺牲层7能够尽可能减小热电堆结构顶部与底部间的热传导，避免顶部吸收得到的热量浪费，能保持顶部和底部较大的温度差，增强器件的探测率和灵敏度。
本发明的制备方法无需通过长时间的湿法蚀刻或干法蚀刻工艺来蚀刻穿透硅基底1形成空腔，避免了悬浮薄膜结构，可与常规CMOS工艺兼容，能通过批量化生产来提高效率。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种具有垂直排列热电偶的MEMS热电堆结构，包括硅基底(1)，所述硅基底(1)上设有第一绝缘膜层(2)，其特征在于，
所述第一绝缘膜层(2)上设有两个电极焊盘(30)以及多个第一金属电极(3)，多个所述第一金属电极(3)呈行列排布；
所述第一金属电极(3)上方设置有串联连接的多个热电偶对，两个所述电极焊盘(30)分别连接于串联连接的热电偶对的两端；
所述热电偶对上方设有呈行列排布的多个第二金属电极(9)；
其中，所述热电偶对包括垂直于所述硅基底(1)的第一热电偶直柱(5)和第二热电偶直柱(6)，多个热电偶直柱呈行列排布，且每一行中的所述第一热电偶直柱(5)与第二热电偶直柱(6)交替布置，每一列中的所述第一热电偶直柱(5)与第二热电偶直柱(6)交替布置，同一行中相邻的所述第一热电偶直柱(5)与第二热电偶直柱(6)之间通过位于二者下方的第一金属电极(3)或者通过位于二者上方的所述第二金属电极(9)串联，相邻行中位于前一行末位的所述热电偶直柱与后一行首位的所述热电偶直柱之间通过位于二者下方的第一金属电极(3)或者通过位于二者上方的所述第二金属电极(9)串联；
所述第二金属电极(9)上方设有吸收层(10)，所述吸收层(10)上方设有红外吸收层(11)。
2.根据权利要求1所述的具有垂直排列热电偶的MEMS热电堆结构，其特征在于，所述第一热电偶直柱(5)和所述第二热电偶直柱(6)的周围为空隙。
3.根据权利要求1所述的具有垂直排列热电偶的MEMS热电堆结构，其特征在于，
每一行中的所述第一热电偶直柱(5)与第二热电偶直柱(6)的总数为偶数个；
两个所述电极焊盘(30)分别位于第一金属电极(3)阵列的同一侧；
位于两个的所述电极焊盘(30)之间的首列第一金属电极(3)以及位于末列的所述第一金属电极(3)在列方向延伸跨接两行；
多个所述第二金属电极(9)呈矩阵排布。
4.根据权利要求1所述的具有垂直排列热电偶的MEMS热电堆结构，其特征在于，每一行中的所述第一热电偶直柱(5)与第二热电偶直柱(6)的总数为奇数个，
两个所述电极焊盘(30)分别位于第一金属电极(3)阵列的同一侧；
位于两个所述第一电极焊盘(30)之间的首列第一金属电极(3)在列方向延伸跨接两行；
位于末列的所述第二金属电极(9)在列方向延伸跨接两行。
5.根据权利要求1所述的具有垂直排列热电偶的MEMS热电堆结构，其特征在于，所述第一绝缘膜层(2)上方还设置有第二绝缘膜层(4)，所述第二绝缘膜层(4)上在所述第一金属电极(3)位置对应各热电偶直柱设置有多个通孔，所述第一热电偶直柱(5)以及所述第二热电偶直柱(6)的下端穿过所述第二绝缘膜层(4)上的通孔与所述第一金属电极(3)电性连接；所述第一热电偶直柱(5)以及所述第二热电偶直柱(6)的上方、所述吸收层(10)的下方还设置有第三绝缘膜层(8)，所述第二金属电极(9)穿过所述第三绝缘膜层(8)上设置的通孔与所述第一热电偶直柱(5)以及所述第二热电偶直柱(6)的上端电性连接。
6.一种具有垂直排列热电偶的MEMS热电堆结构的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S100,在硅基底(1)上沉积第一绝缘膜层(2)；
步骤S200,在所述第一绝缘膜层(2)上沉积第一金属膜层(31)并图形化，以形成两个电极焊盘(30)以及呈行列排布的多个第一金属电极(3)；
步骤S400,在所述第一金属电极(3)上方通过化学气相沉积和离子注入掺杂工艺制得第一热电偶厚膜层(50)，并对第一热电偶厚膜层(50)进行图形化以形成垂直于所述硅基底(1)的多个第一热电偶直柱(5)，以及在第一热电偶直柱(5)周围以同样方式制得垂直于所述硅基底(1)的多个第二热电偶直柱(6)，第一热电偶直柱(5)、第二热电偶直柱(6)的底部与对应的第一金属电极(3)连接；
步骤S500,在所述第一热电偶直柱(5)以及所述第二热电偶直柱(6)的周围通过化学气相沉积或者溶胶凝胶工艺制得牺牲层(7)，所述牺牲层(7)的厚度与热电偶直柱的高度相同；
步骤S700，在牺牲层(7)上方沉积第二金属膜层(90)并图形化，以形成呈行列排布的多个第二金属电极(9)，所述第一热电偶直柱(5)、第二热电偶直柱(6)的顶部与对应的第二金属电极(9)连接；
步骤S800，在所述第二金属电极(9)上方，沉积吸收层(10)，并在吸收层(10)上方设置红外吸收层(11)；
步骤S900，蚀刻去除全部牺牲层(7)，制得所述具有垂直排列热电偶的MEMS热电堆结构。
7.根据权利要求6所述的具有垂直排列热电偶的MEMS热电堆结构的制作方法，其特征在于，
在所述步骤S200和所述步骤S400之间还包括：
步骤S300,在所述第一金属电极(3)上方沉积第二绝缘膜层(4)并图形化，以在第二绝缘膜层(4)上蚀刻出多个通孔，通孔的位置对应于第一金属电极(3)及电极焊盘(30)分别连通第一热电偶直柱(5)底部、第二热电偶直柱(6)底部的位置；
在所述步骤S500和所述步骤S700之间还包括：
步骤S600，在牺牲层(7)上沉积第三绝缘膜层(8)并图形化，在第三绝缘膜层(8)上蚀刻出多个通孔，通孔的位置对应于第二金属电极(9)分别连通第一热电偶直柱(5)底部、第二热电偶直柱(6)顶部的位置。
8.根据权利要求7所述的具有垂直排列热电偶的MEMS热电堆结构的制作方法，其特征在于，所述步骤S400包括：
在图形化后的第二绝缘膜层(4)上，通过化学气相沉积和离子注入掺杂工艺采用N型多晶硅和P型多晶硅中的一种制得第一热电偶厚膜层(50)；
通过光刻图形化所述第一热电偶厚膜层(50)，通过深反应离子干法蚀刻工艺制得多晶硅直柱作为第一热电偶直柱(5)；
在制得的第一热电偶直柱(5)周围，通过化学气相沉积和离子注入掺杂工艺采用N型多晶硅和P型多晶硅中的另一种制得第二热电偶厚膜层(60)，或者通过溶胶凝胶工艺采用Zn或Al材料制得第二热电偶厚膜层(60)，所述第二热电偶厚膜层(60)的厚度与第一热电偶直柱(5)高度相同；
通过光刻图形化第二热电偶厚膜层(60)，通过深反应离子干法蚀刻工艺制得多晶硅直柱作为第二热电偶直柱(6)。
9.根据权利要求6所述的具有垂直排列热电偶的MEMS热电堆结构的制作方法，其特征在于，所述电极焊盘(30)、所述第一金属电极(3)和所述第二金属电极(9)均采用以下方法制得：
采用真空蒸镀或真空磁控溅射工艺沉积金属膜层，所述金属膜层选自Al、Cu、Ti、Mo、Cr、Au、Ag中的至少一种金属材料；
通过光刻图形化所述金属膜层，通过干法或湿法蚀刻出所述电极焊盘(30)、所述第一金属电极(3)和所述第二金属电极(9)。
10.根据权利要求6所述的具有垂直排列热电偶的MEMS热电堆结构的制作方法，其特征在于，所述牺牲层(7)为多孔硅或者PDMS或者PI材料制成。
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