CN116963574B - 一种红外热电堆传感器及其制造方法 - Google Patents

一种红外热电堆传感器及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种红外热电堆传感器及其制造方法，红外热电堆传感器在衬底中设置有环形的第一沟槽，第一沟槽中设置有热导增强层，热导增强层的材料为导电材料，所有热电偶组件间隔设置在绝缘层和支撑层上且所有热电偶组件从热导增强层上方朝向内环内侧延伸，以通过增设热导增强层，提高热电偶组件的冷端的温度稳定性，还具有反射红外线的作用，使得冷结更容易和环境温度保持一致，有利于热端和冷端温度梯度的建立，有利于性能的提高，由于热导增强层的材料选择使得本发明结构容易实现，且仅增加了热导增强层的成本，从而有利于商业化大规模生产；在热导增强层和热电偶组件之间设置绝缘层，绝缘层减小红外热电堆传感器输出信号的闪烁噪声。

Description

一种红外热电堆传感器及其制造方法
技术领域
本发明涉及温度传感技术领域，涉及一种红外热电堆传感器及其制造方法。
背景技术
红外热电堆传感器属于红外热传感器，红外热电堆传感器的原理为：将接收到的红外辐射转化为热量后，利用塞贝克效应在串联的至少一个热电偶对的起始和末端之间形成温差电动势，并通过测量所有热电偶对的起始和末端的电压信号即可推算出红外辐射强度。例如：当只有一个热电偶时，塞贝克效应产生的电压信号可表式为：
；
其中，SA和SB是该热电偶的两种热偶臂所使用的材料的塞贝克系数。当认为SA和SB不随温度变化时，V=（SA-SB）△T，其中，△T为热电偶两端的温度差。而红外热电堆传感器制作基于MEMS（Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统）工艺，也可以MEMS工艺和CMOS工艺进行结合，并广泛应用于非接触式温度测量、NDIR气体分析、热成像等应用。由上可知，热电堆传感器具有原理简单、使用简单方便（即无需制冷、无需斩波器、无需偏置电压、工作波谱范围广、非接触式测量）、成本低（工艺与CMOS工艺兼容）等优势。因此，在红外传感器市场中占有非常多的份额。
尽管红外热电堆传感器主要在测温、低成本气体分析和低分辨率热成像等领域备受热捧，但是，在其它细分领域中，红外热电堆传感器都存在非常强劲的对手，比如运动检测和高端气体分析应用中的热释电探测器，其可以做到更快响应和更高灵敏度；热成像应用中的微测辐射热计阵列以及制冷型光子探测器，这些都可以做到更高精度和更高分辨率。因此，如何提升红外热电堆传感器的性能这一命题一直被业界所关注。
当前，关于红外热电堆传感器的性能提升，国内外已有相当多的研究，但是这些研究的侧重点是高红外吸收率材料、膜系或结构设计，或者是对于红外热电堆传感器的器件尺寸优化及结构优化。这些研究得到的高性能的红外热电堆传感器通常存在成本高、实用性不足以及难以量产等问题，因此并不能被市场所认可。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种红外热电堆传感器及其制造方法，可以解决当前高性能红外热电堆传感器带来的成本高、实用性不足和难以量产从而难以被市场所认可的问题。
为了解决以上问题，本发明提供一种红外热电堆传感器，其中包括：
衬底，所述衬底中设置有环形的第一沟槽，所述第一沟槽中设置有热导增强层，其中，所述热导增强层的材料为导电材料；
支撑层，所述支撑层覆盖所述第一沟槽的内环内侧的衬底；
绝缘层，所述绝缘层覆盖所述热导增强层；
多个热电偶组件，所有所述热电偶组件间隔设置在所述绝缘层和所述支撑层上，且所有所述热电偶组件从所述热导增强层上方朝向所述内环内侧延伸；
吸收组件，所述吸收组件覆盖所述支撑层和所有所述热电偶组件。
可选的，所述热导增强层的材料为Al。
可选的，所述热导增强层的厚度大于2μm，所述热导增强层的宽度大于10μm，或者，所述热导增强层的宽度大于所述热电偶组件的冷结宽度。
可选的，所述绝缘层的材料为碳化硅或氮化铝，此时，所述绝缘层仅覆盖所述热导增强层；或者，
所述绝缘层的材料为氧化硅或氮化硅，此时，所述绝缘层覆盖所述热导增强层和支撑层。
可选的，所述热电偶组件包括：
第一热偶臂，位于所述绝缘层和支撑层上，且所述第一热偶臂从所述热导增强层上方朝向所述内环内侧延伸；
中间介质层，位于所述第一热偶臂上；
第二热偶臂，位于所述中间介质层上；
连接柱，贯通所述中间介质层，且靠近所述第一热偶臂的一侧与所述第一热偶臂接触，靠近所述第二热偶臂的一侧与所述第二热偶臂接触。
进一步的，所述吸收组件包括：
多晶硅层，位于所述支撑层上，且位于所有所述第一热偶臂的内侧，所述多晶硅层和第一热偶臂接触设置，所述中间介质层覆盖所述多晶硅层；
光干涉热引导层，位于所述支撑层上，且位于所有所述第一热偶臂的内侧，且所述多晶硅层围绕所述光干涉热引导层设置；
红外吸收层，覆盖所述光干涉热引导层、第二热偶臂和覆盖所述多晶硅层的中间介质层；
强化吸收层，覆盖所述多晶硅层和光干涉热引导层上方的所述红外吸收层。
进一步的，所述第一沟槽为圆环、椭圆环或多边形环；
所述光干涉热引导层由以所述第一沟槽的中心位置为中心的多个花瓣结构组成，且从所述中心位置处向远离所述中心位置的方向上，每个花瓣结构的宽度逐渐增加。
进一步的，所述光干涉热引导层与附近的所述热电偶组件之间的间距小于10μm，所述光干涉热引导层的厚度为100nm~1μm。
进一步的，所述光干涉热引导层的材料采用金属材料或多晶硅材料。
可选的，所述衬底包括相对设置的正面和背面，所述第一沟槽的内环内侧的衬底中具有空腔，
所述空腔为通孔，所述空腔贯通所述衬底，并暴露出所述正面的支撑层，且所述空腔在所述背面的开口尺寸与所述热导增强层的内环宽度相同，所述空腔在所述正面的开口尺寸小于所述第一沟槽的内环宽度；或者，
所述空腔为盲孔，所述空腔与第一沟槽均位于所述正面，且所述支撑层封闭所述空腔的开口，且所述第一沟槽的深度小于所述空腔的深度，所述空腔的开口尺寸小于所述第一沟槽的内环宽度。
进一步的，所述热导增强层与空腔之间的间距大于5μm。
进一步的，当所述空腔为盲孔时，所述空腔上方的吸收组件中具有多个均匀分布的通孔，所述通孔贯通所述支撑层、绝缘层和吸收组件。
另一方面，本发明提供一种红外热电堆传感器的制造方法，制备所述的红外热电堆传感器，包括以下步骤：
提供衬底，所述衬底中形成有环形的第一沟槽，所述第一沟槽的内环内侧的衬底上形成有支撑层；
形成热导增强层和绝缘层，所述热导增强层填充所述第一沟槽，所述绝缘层位于所述热导增强层上，其中，所述热导增强层的材料为导电材料；
形成多个热电偶组件和一吸收组件，所有所述热电偶组件间隔设置在所述绝缘层和支撑层上，且所有所述热电偶组件从所述热导增强层上方朝向所述内环内侧延伸，所述吸收组件覆盖所述支撑层和所有所述热电偶组件。
可选的，形成多个热电偶组件和一吸收组件之后还包括：
在所述衬底中形成空腔，所述空腔暴露出所述支撑层。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、通过增设热导增强层，提高了热电偶组件的冷端的温度稳定性，同时亦有反射红外线的作用，这使得冷结更容易和环境温度保持一致，有利于热端和冷端温度梯度的建立，有利于响应率的提高，从而提高红外热电堆传感器的性能，由于导电材料中的常规材料很多（例如铝），这就使得本发明的红外热电堆传感器的结构很容易实现，且仅增加了热导增强层的成本（可以忽略不计），因此在性能明显提升的同时几乎没有增加成本，从而有利于商业化大规模生产；
2、所述热导增强层和热电偶组件之间设置有绝缘层，该绝缘层可以减小红外热电堆传感器输出信号的闪烁噪声；
3、通过吸收组件中的干涉热引导层，令反射光与入射光干涉、耦合，提高了红外吸收能力；此外，光干涉与热引导层具备的特定图案可令其同时兼具引导热流的作用，可以帮助热量向热电偶热端聚集，减少了吸收区具有均匀的热传导和热辐射时产生的在热偶臂之外的热量散失，这意味着相同辐射强度下热结可以有更高、更快的温升，有利于响应率和响应时间的提高；
4、通过所述热导增强层和干涉热引导层有利于给传感器提供良好的电磁环境，减小环境噪声；又因为环境温度稳定性的提高，热噪声也会有一定程度的降低，这都有利于等效噪声功率的减小和探测率的提高；
5、红外热电堆传感器的制造方法基于CMOS工艺，并且做到不需要增加掩模板，且只增加了形成第一沟槽以及填充第一沟槽的工序，因此制造成本方面几乎没有增加，同时性能得到了明显提升，可见本发明具有更高的性价比，有利于商业化大规模生产。
附图说明
图1为本发明实施例一提供的红外热电堆传感器的俯视示意图。
图2为图1沿AA'线的剖面示意图。
图3为本发明实施例一提供的红外热电堆传感器的制造方法的流程示意图。
图4为本发明实施例一提供的衬底的结构示意图。
图5为本发明实施例一形成热导增强层后的结构示意图。
图6为本发明实施例一N型离子注入工艺后的结构示意图。
图7为本发明实施例一形成多晶硅层后的结构示意图。
图8为本发明实施例一形成中间介质层后的结构示意图。
图9为本发明实施例一形成第二热偶臂后的结构示意图。
图10为本发明实施例一光干涉热引导层的第一种形状示意图。
图11为本发明实施例一光干涉热引导层的第二种形状示意图。
图12为本发明实施例一形成红外吸收层后的结构示意图。
图13为本发明实施例一形成热导增强层后的结构示意图。
图14为本发明实施例二提供的红外热电堆传感器的俯视示意图。
图15为本发明实施例二为图14沿AA'线的剖面示意图。
其中，100-衬底；101-空腔；110-支撑层；120-热导增强层；130-绝缘层；200-热电偶组件；210-第一热偶臂；211-第一开口；220-连接柱；230-第二热偶臂；240-中间介质层；241-第二开口；300-吸收组件；310-多晶硅层；320-光干涉热引导层；330-红外吸收层；340-强化吸收层；400-通孔。
具体实施方式
以下将对本发明的一种红外热电堆传感器及其制造方法作进一步的详细描述。下面将参照附图对本发明进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。
为了清楚，不描述实际实施例的全部特征。在下列描述中，不详细描述公知的功能和结构，因为它们会使本发明由于不必要的细节而混乱。应当认为在任何实际实施例的开发中，必须做出大量实施细节以实现开发者的特定目标，例如按照有关系统或有关商业的限制，由一个实施例改变为另一个实施例。另外，应当认为这种开发工作可能是复杂和耗费时间的，但是对于本领域技术人员来说仅仅是常规工作。
为使本发明的目的、特征更明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
在当前的国内外研究中，常见的提高红外热电堆传感器性能的方式是：对吸收区表面做处理（比如作表面“黑化”处理），以增强红外吸收效率，即通过对吸收区表面加入如黑硅、金属黑等材料来增强红外吸收效率。其中，对于黑硅材料，由于其禁带宽度大，导致吸收的波长范围受限。而对于金属黑材料，虽然金属黑材料的吸收率很高，但是，其需要使用一般CMOS工艺中不常用的材料、设备和工艺，因此其制作条件严苛、成本较高。还有一些改进方案比如利用表面等离激元效应的纳米森林结构，但是，其同样面临着诸多问题，例如工艺复杂（工序多）、难度大、设备成本高昂、可靠性差等。考虑到由于原始未提高性能的红外热电堆传感器，在经过充分的产能扩张和市场竞争后，导致其单价极低。但是，由于新材料和新工艺带来性能的有限提升以及成本的大幅度增加，因此这些方案都很难被市场所接受。因此需要一种既能明显提高红外热电堆传感器性能，又能有效地控制成本的技术方案。
需要了解的是：由于金属材料相比硅半导体材料具有更高的热导率，例如金属材料中的常用材料铝具有更大的热容，这意味着相同结构和尺寸下的红外热电堆传感器的导热能力和温度稳定性都更好。由于导热能力还与结构的尺寸有关，在一维平壁热传导中，导热速率可表示为Q=kA∆T/L，或Q=∆T/R，其中，k为结构的热导率，A为平壁面积，L为平壁厚度，∆T为垂直于平壁的温度差，R为热阻，R=kA/L，这表明导热速率和传热方向的结构厚度呈反比，导热速率和结构截面积呈正比，因此，导热增强层和冷端之间的绝缘薄膜需要尽量薄（即减小纵向的热阻），两层热偶臂之间的膜层也应尽量薄（即增加横向的热阻）。
红外热电堆传感器的输出电压V_S可表示为V_S=N∙(S_A-S_B)∙∆T，其中，N为热偶组件的对数，S_A为第一热偶臂使用的材料的塞贝克系数，S_B为第二热偶臂使用的材料的塞贝克系数，∆T为平均温差。由此表达式可知，提高热偶组件的热端和冷端的平均温差∆T可以直接有利于提高红外热电堆传感器的输出信号；红外热电堆传感器的响应率R_s是信号输出电压V_S与入射辐射功率P之比，即R_s=V_s/P，也就是说，红外热电堆传感器的输出信号的提高即代表了响应率的提高。同时，红外热电堆传感器的等效噪声功率NEP为入射功率P所产生的输出电压V_S正好等于红外热电堆传感器的噪声电压V_nosie时的辐射功率，定义为 NEP=V_nosie/R_s，意味着更小的噪声电压可带来更小的等效噪声功率。红外热电堆传感器的探测率D定式为等效噪声功率NEP的倒数，即D=1/NEP ，说明更小的噪声电压会带来更高的探测率。
基于此，本发明提供一种红外热电堆传感器，所述红外热电堆传感器包括衬底，所述衬底中设置有环形的第一沟槽，所述第一沟槽中设置有热导增强层，所述衬底上设置有支撑层、绝缘层、多个热电偶组件和一个吸收组件，所述支撑层覆盖所述第一沟槽的内环内侧的衬底，所述绝缘层覆盖所述热导增强层，所有所述热电偶组件间隔设置在所述绝缘层和所述支撑层上，且所有所述热电偶组件从所述热导增强层上方朝向所述内环内侧延伸，所述吸收组件覆盖所述支撑层和所有所述热电偶组件，其中，所述热导增强层的材料为导电材料。
本发明通过热导增强层，提高了热电偶组件的冷端的温度稳定性，同时亦有反射红外线的作用，这使得热电偶组件的冷结（冷端）更容易和环境温度保持一致，有利于热电偶组件的热端和冷端温度梯度的建立，有利于响应率的提高，从而提高红外热电堆传感器的性能，由于导电材料中的常规材料很多（例如铝），这就使得本发明的红外热电堆传感器的结构很容易实现，且仅增加了热导增强层的成本（可以忽略不计），因此在性能明显提升的同时几乎没有增加成本，从而有利于商业化大规模生产。
实施例一
如图1和图2所示，本实施例提供一种红外热电堆传感器，所述红外热电堆传感器包括衬底100，所述衬底100中设置有环形的第一沟槽，所述第一沟槽的内环内侧的衬底100中具有空腔101，所述空腔101为位于所述第一沟槽内侧的通孔，所述第一沟槽中设置有热导增强层120，所述衬底100上设置有支撑层110、绝缘层130、多个热电偶组件200和一个吸收组件300，所述支撑层110位于所述空腔101上方，且覆盖所述空腔101外侧及所述内环内侧的衬底100，所述绝缘层130覆盖所述热导增强层120，所有所述热电偶组件200间隔设置在所述绝缘层130和所述支撑层110上，且所有所述热电偶组件200从所述热导增强层120上方朝向所述内环内侧延伸，所述吸收组件300覆盖所述支撑层110和所有所述热电偶组件200，其中，所述热导增强层120的材料为导电材料。所述热电偶组件200在其延伸方向上具有冷端和热端，所述冷端位于所述热导增强层120上方，所述热端位于所述内环内侧，且与所述吸收组件300连接。
本实施例的热导增强层120的热导率和比热容都很高，可以提高热电偶组件200的冷端（冷结）温度稳定性，同时还具有反射红外线的作用，这都使得热电偶组件200的冷端更容易和环境温度保持一致，有利于热端温度和冷端温度的梯度建立，以提高红外热电堆传感器性能的同时没有大幅度提高成本，同时易于量产。同时，所述热导增强层120和热电偶组件200之间设置有绝缘层130，该绝缘层130可以减小红外热电堆传感器输出信号的闪烁噪声。
具体的，所述衬底100的材料可采用单晶硅，所述衬底100的形状可根据实际需求选择，可以为正方形、矩形或圆形，所述衬底100的材料和形状在本实施例不做具体限定。
所述衬底100包括相对设置的正面和背面，所述空腔101贯通所述衬底100，所述空腔101在背面的开口尺寸与所述热导增强层120的内环宽度相同，所述空腔101在正面的开口尺寸小于所述热导增强层120的内环宽度。
所述衬底100的正面设置有支撑层110，所述支撑层110覆盖所述空腔101在所述正面的开口，还覆盖所述空腔101外侧及所述内环内侧的正面，所述支撑层110用于支撑位于其上的结构，例如绝缘层130、热电偶组件200和吸收组件300。其中，所述支撑层110可以为氧化硅层；还可以为氧化硅层和氮化硅层，所述氧化硅层位于所述氮化硅层和正面之间，所述支撑层110的厚度为200nm~500nm。
所述衬底100的正面设置有第一沟槽，所述第一沟槽贯通所述支撑层110并且槽底位于所述衬底100中。所述第一沟槽为环形，例如为矩形环、圆环、椭圆环或其他多边形环。所述第一沟槽的深度大于2μm，所述第一沟槽的槽宽大于10μm，优选地，大于所述热电偶组件200的冷结宽度h。
所述第一沟槽中设置有热导增强层120，所述热导增强层120填充所述第一沟槽。所述热导增强层120的材料为导电材料，例如金属材料，具体如Al、Ti、W等CMOS常用金属，还可以为高热导率的化合物，例如碳化硅。优选的，所述热导增强层120的材料为Al，相较于其他导电材料，材料Al的热导率和比热容都更高，这就意味着相同结构和尺寸下Al的导热能力和温度稳定性都更好， 使得所述热导增强层120可以提高热电偶组件200的冷端（冷结）温度稳定性，同时还具有反射红外线的作用，这都使得热电偶组件200的冷端更容易和环境温度保持一致，有利于热端温度和冷端温度的梯度建立，以提高红外热电堆传感器的同时没有大幅度提高成本，同时易于量产。
所述热导增强层120的厚度大于2μm，宽度（即所述第一沟槽的内环宽度）大于10μm，优选的，所述热导增强层120的宽度大于所述冷结宽度h。所述热导增强层120与所述空腔101之间的间距大于5μm。
可选的，所述热导增强层120和绝缘层130之间还形成有增粘膜层，所述增粘膜层覆盖所述热导增强层120，以增加所述热导增强层120和绝缘层130之间的粘附性。
所述绝缘层130的材料可以为高导热绝缘材料，例如无掺杂的碳化硅（SiC）、氮化铝（AlN）等，此时，所述绝缘层130的厚度为50nm~500nm ；所述绝缘层130的材料还可以为常规的绝缘材料，例如氧化硅或氮化硅。由于导热增强层和冷端之间的绝缘层130需要尽量薄（即减小纵向的热阻）。因此，所述绝缘层130的厚度为20nm~200nm。
当所述绝缘层130的材料为高导热绝缘材料时，由于其横向热阻小，因此所述绝缘层130仅覆盖所述热导增强层120上的增粘膜层；当所述绝缘层130的材料为氧化硅或氮化硅时，由于其横向热阻大且纵向热阻小，因此所述绝缘层130可以覆盖所述热导增强层120上的增粘膜层以及所述内环内侧的支撑层110。
所述热电偶组件200呈长条状，所述热电偶组件200的数量为偶数对，在本实施例中，所述热电偶组件200的数量为4对，且每对所述热电偶组件200的冷端均位于矩形环的相邻两个边的交点处。在其他实施例中，每对所述热电偶组件200的冷端可以位于矩形环的每个边上。
所述热电偶组件200包括第一热偶臂210、中间介质层240、连接柱220和第二热偶臂230，所述第一热偶臂210位于所述绝缘层和支撑层上。所述第一热偶臂210、中间介质层240和第二热偶臂230均为长条状，且所述第一热偶臂210、中间介质层240和第二热偶臂230依次堆叠在所述绝缘层130上，所述连接柱220贯通所述中间介质层240，且靠近所述第一热偶臂210的一侧与所述第一热偶臂210接触，靠近所述第二热偶臂230的一侧与所述第二热偶臂230接触。所述第一热偶臂210位于所述热导增强层120上方的一端为所述热电偶组件200的冷端，所述第一热偶臂210和第二热偶臂230远离所述热导增强层120的一端为所述热电偶组件200的热端。
其中，当所述绝缘层130为高导热绝缘材料时，所述第一热偶臂210位于所述绝缘层130和支撑层110上；当所述绝缘层130为氧化硅或氮化硅时，所述第一热偶臂210仅位于所述绝缘层130上。
所述第一热偶臂210的材料为掺杂有N型离子的多晶硅，此时，所述绝缘层130可以减少红外热电堆传感器输出信号的闪烁噪声。所述第一热偶臂210的厚度为300nm~5μm。所述中间介质层240的材料为低导热绝缘材料，例如是氧化硅，由于两层热偶臂之间的膜层应尽量薄（即增加横向的热阻），因此所述中间介质层240的厚度为20nm~500nm。所述连接柱220作为第一热偶臂210和第二热偶臂230的互连线，其需要具有良好的欧姆接触，可以为TiN/Ti/W等材料的复合膜结构。所述第二热偶臂230的材料可以为金属（例如Al、Ti、W等），也可以为掺杂有N型离子的多晶硅。所述第二热偶臂230的厚度为100nm~1μm。
所述吸收组件300包括多晶硅层310、光干涉热引导层320、红外吸收层330和强化吸收层340，所述多晶硅层310和光干涉热引导层320均位于所述绝缘层130或所述支撑层110上（即当所述绝缘层130为高导热绝缘材料时，所述多晶硅层310和光干涉热引导层320均位于所述支撑层110上；当所述绝缘层130为氧化硅或氮化硅时，所述多晶硅层310和光干涉热引导层320均位于所述绝缘层130上），所述多晶硅层310和光干涉热引导层320位于所有所述热电偶组件200的内侧，且所述多晶硅层310围绕所述光干涉热引导层320设置，所述多晶硅层310与所述第一热偶臂210的另一端接触，此时，所述中间介质层240还覆盖所述多晶硅层310。所述红外吸收层330覆盖所述光干涉热引导层320、所述第二热偶臂230以及所述多晶硅层310上的中间介质层240。所述强化吸收层340覆盖所述多晶硅层310和光干涉热引导层320上方的所述红外吸收层330。
所述多晶硅层310和光干涉热引导层320同层设置，且所述多晶硅层310位于所述光干涉热引导层320和第一热偶臂210之间。由于所述光干涉热引导层320位于所述支撑层110上方，还位于所述红外吸收层330的下方，使得所述光干涉热引导层320需要特定形状才能有最好的效果，由于其热导率和比热容都更高，故兼具收集和引导热流的作用，可以帮助热量向热电偶组件200的热端聚集，减少了吸收组件300均匀的热传导和热辐射时所产生的热量散失。因此，所述光干涉热引导层320由以所述第一沟槽的中心位置为中心的多个花瓣结构组成，且从所述中心位置处向远离中心位置的方向上，每个花瓣结构的宽度逐渐增加，例如图10所示的顶点位于中心位置的扇形，例如图11所示的顶点位于中心位置的三角形等内窄外宽的形状，并且所述光干涉热引导层320紧邻所述第一热偶臂210，即所述花瓣尽可能的接近所述第一热偶臂210。
因此，所述光干涉热引导层320的每个花瓣结构与附近的所述热电偶组件200之间的间距小于10μm，优选的，所述光干涉热引导层320与所述第一热偶臂210之间的间距小于5μm，且越小越好，以使得所述光干涉热引导层320与所述第一热偶臂210紧邻，以避免将热流导向热端外。所述光干涉热引导层320的厚度为100nm~1μm，以避免过厚或过薄对反射效果的影响。
所述光干涉热引导层320的材料可以采用金属材料（例如Al、Ti、W等CMOS常用金属）或高反射率材料或膜系（例如多晶硅、碳化硅、全电介质反射膜），当所述光干涉热引导层320的材料采用金属材料时，优选为Al，以使得反射光可以与入射光耦合，达到增强红外吸收层330的红外吸收率的效果；所述金属材料的热导率和比热容高（其中，Al相较于其他金属的热导率和比热容更高），故兼具收集和引导热流的作用，可以帮助热量向热电偶组件200的热端聚集，减少了吸收组件300的热传导和热辐射时所产生的热量散失。
所述多晶硅层310为无掺杂的多晶硅层310，所述多晶硅层310的厚度与所述第一热偶臂210的厚度相同。所述红外吸收层330可以为氮化硅层，还可以为氧化硅和氮化硅的复合膜层，所述红外吸收层330的厚度大于1μm。在其他实施例中，所述红外吸收层330还可以为黑化处理、纳米森林结构等增强吸收层。所述强化吸收层340用于减少反射，其材料选择可以为TiN、TiO2、SiN、SiO、SiO2、SiC、Al2O3中的任一种或几种，所述强化吸收层340的厚度为20nm~50nm。
如图3所示，本实施例还提供一种红外热电堆传感器的制造方法，基于CMOS现有工艺和材料，并兼容现有的红外热电堆传感器的工艺。所述红外热电堆传感器的制造方法包括以下步骤：
步骤S11：提供衬底100，所述衬底100中形成有环形的第一沟槽，所述第一沟槽的内环内侧的衬底100上形成有支撑层110；
步骤S12：形成热导增强层120和绝缘层130，所述热导增强层120填充所述第一沟槽，所述绝缘层130位于所述热导增强层120上，其中，所述热导增强层120的材料为导电材料；
步骤S13：形成多个热电偶组件200和一吸收组件300，所有所述热电偶组件200间隔设置在所述绝缘层130和所述支撑层110上，且所有所述热电偶组件200从所述热导增强层120上方朝向所述内环内侧延伸，所述吸收组件300覆盖所述支撑层110和所有所述热电偶组件200。
以下结合图1-图13对本实施例提供的一种红外热电堆传感器的制造方法进行详细说明。
首先执行步骤S11，提供衬底100，所述衬底100中形成有环形的第一沟槽，所述第一沟槽的内环内侧的衬底100上形成有支撑层110。
本步骤具体包括：
如图4所示，首先，提供一衬底100，所述衬底100具有相对设置的正面和背面；
接着，采用PECVD或LPCVD工艺在所述正面沉积一支撑层110，所述支撑层110为氧化硅层，或者，所述氧化硅层和氮化硅层。其中，所述支撑层110的厚度为200nm~500nm。
如图5所示，接着，通过刻蚀工艺形成第一沟槽，所述第一沟槽为环形沟槽，所述第一沟槽贯通所述支撑层110并刻蚀停止在所述衬底100中，所述第一沟槽作为形成热导增强层120的窗口。其中，所述第一沟槽的宽度大于10μm，深度大于2μm。
接着执行步骤S12，形成热导增强层120和绝缘层130，所述热导增强层120填充所述第一沟槽，所述绝缘层130位于所述热导增强层120上，其中，所述热导增强层120的材料为导电材料。
本步骤具体包括：
首先，请参阅图5，在所述支撑层110表面以及所述第一沟槽中沉积导电材料，并通过刻蚀工艺去除所述支撑层110表面的导电材料，以及所述第一沟槽中的多余部分，以形成热导增强层120。其中，所述热导增强层120的宽度大于10μm，厚度大于2μm。所述热导增强层120的材料为Al，Ti、W等CMOS常用金属，还可以为高热导率的化合物，例如碳化硅。在本实施例中，所述热导增强层120的材料为Al。
可选的，在所述热导增强层120上沉积一增加粘附力的增粘膜层（图中未示出），所述增粘膜层的材料可以为TiN。
如图6所示，接着，当所述绝缘层130的材料为高导热绝缘材料时，仅在所述增粘膜层上沉积绝缘层130；当所述绝缘层130的材料为氧化硅或氮化硅时，在所述增粘膜层和支撑层110上均沉积绝缘层130。其中，所述绝缘层130的厚度为20nm~200nm。本实施例中，所述绝缘层130的材料为氧化硅，因此，在所述热导增强层120和支撑层110上沉积绝缘层130。
如图6-图13所示，接着执行步骤S13，形成多个热电偶组件200和一吸收组件300，所有所述热电偶组件200间隔设置在所述绝缘层130和所述支撑层110上，且所有所述热电偶组件200从所述热导增强层120上方朝向所述内环内侧延伸，所述吸收组件300覆盖所述支撑层110和所有所述热电偶组件200。
本步骤具体包括：
首先，请继续参阅图6，采用LPCVD、APCVD、RTCVD或者PECVD在所述绝缘层130上沉积多晶硅薄层，所述多晶硅薄层的厚度为300nm~5μm。
接着，在需要形成第一热偶臂210的区域进行N型离子注入工艺，以形成第一热偶臂210。
如图7所示，接着，通过刻蚀工艺在所述第一热偶臂210内侧的无注入多晶硅区域进行刻蚀工艺，以形成第一开口211，所述第一开口211暴露出所述绝缘层130，且所述第一开口211的形成为多个内窄外宽的花瓣结构，所述第一开口211外侧的无注入多晶硅区域形成多晶硅层310。
如图8所示，接着，采用PECVD、RTCVD或LPCVD工艺在所述第一热偶臂210上形成中间介质层240，所述中间介质层240覆盖所述第一热偶臂210、绝缘层130和多晶硅层310。其中，所述中间介质层240的材料为氧化硅或其他低导热绝缘材料。所述中间介质层240的厚度为20nm~500nm。
接着，刻蚀所述中间介质层240，以暴露出所述第一开口211处的绝缘层130，还在所述第一热偶臂210上方形成第二开口241，所述第二开口241暴露出所述第一热偶臂210。
接着，在所述第二开口241中填充导电材料，再经过刻蚀工艺保留所述第一开口211中的填充导电材料以形成连接柱220。
其中，当所述连接柱220的材料与第一开口211处填充材料相同时，刻蚀工艺保留第二开口241中填充导电材料以及第二开口241中填充的导电材料，以同时形成连接柱220和光干涉热引导层320。当所述连接柱220的材料与第一开口211处填充材料不同时，此时仅包括所述第二开口241中的填充导电材料以形成连接柱220。所述连接柱220与CMOS工艺中形成插塞的工艺一致，例如形成TiN/Ti/W等材料的复合膜层。
如图9所示，接着，先采用PVD或CVD工艺在所述中间介质层240上沉积金属或多晶硅，再经过刻蚀工艺形成第二热偶臂230。
其中，当在所述中间介质层240上沉积材料与所述第一开口211处填充材料相同，例如均为Al时，刻蚀工艺保留中间介质层240上的沉积材料以及所述第一开口211中的填充材料，以同时形成第二热偶臂230和光干涉热引导层320。当在所述中间介质层240上沉积材料与所述第一开口211处填充材料不同时，此时仅形成第二热偶臂230。
需要说明的是，所述第一开口211处填充材料可以与所述第二热偶臂230的材料相同，也可以与连接柱220的材料相同。当然，在其他实施例中，所述第一开口211处填充材料还可以与第二热偶臂230及连接柱220的材料均不同，此时需要专门的步骤在所述第一开口211处填充材料以形成光干涉热引导层320，且该步骤可以在沉积中间介质层240之前进行。
如图12所示，接着，通过沉积工艺在所述光干涉热引导层320、所述第二热偶臂230和所述多晶硅层310上的中间介质层240上沉积红外吸收层330。其中，所述红外吸收层330可以为氮化硅层，还可以为氧化硅和氮化硅的复合膜层，即采用了CMOS工艺常用的钝化层工艺。所述红外吸收层330的厚度大于1μm。
如图13所示，接着，在所述红外吸收层330上形成强化吸收层340，所述强化吸收层340覆盖所述多晶硅层310和光干涉热引导层320上方的所述红外吸收层330。其中，所述强化吸收层340用于减少反射，其材料选择可以为TiN、TiO2、SiN、SiO、SiO2、SiC、Al2O3中的任一种或几种，所述强化吸收层340的厚度为20nm~50nm。
如图2所示，接着，在所述衬底100中形成空腔101，所述空腔101暴露出所述支撑层110。详细的，采用刻蚀形成热导增强层120的掩模版，在所述背面形成图形化的掩模层，并以图形化的掩模层为掩模从所述背面刻蚀所述衬底100，以形成空腔101，所述空腔101贯通所述衬底100，并暴露出所述支撑层110，所述空腔101位于所述第一沟槽的内环内侧。其中，所述空腔101在背面的开口尺寸与所述热导增强层120的内环宽度相同，所述空腔101在正面的开口尺寸小于所述热导增强层120的内环宽度。
实施例二
如图13和图14所示，与实施例一相比，本实施例的所述空腔101为位于所述第一沟槽内侧的盲孔，且所述空腔101与第一沟槽同侧设置，所述空腔101的开口尺寸小于所述第一沟槽的内环宽度，所述第一沟槽的深度小于所述空腔101的深度。
红外热电堆传感器具体结构为：所述红外热电堆传感器包括衬底100，所述衬底100中设置有环形的第一沟槽，所述第一沟槽的内环内侧的衬底100中具有空腔101，所述空腔101为位于所述第一沟槽内侧的盲孔，所述第一沟槽中设置有热导增强层120，所述衬底100上设置有支撑层110、绝缘层130、多个热电偶组件200和一个吸收组件300，所述支撑层110位于所述空腔101上方且封闭所述空腔101的开口，还覆盖所述空腔101外侧及所述内环内侧的衬底100，所述绝缘层130覆盖所述热导增强层120，所有所述热电偶组件200间隔设置在所述绝缘层130和所述支撑层110上，且所有所述热电偶组件200从所述热导增强层120上方朝向所述内环内侧延伸，所述吸收组件300覆盖所述热电偶组件200和支撑层110，所述热电偶组件200在其延伸方向上具有冷端和热端，所述冷端位于所述热导增强层120上方，所述热端位于所述内环内侧，且与所述吸收组件300连接，其中，所述热导增强层120的材料为导电材料。
为了形成所述空腔101，在所述空腔101上方的吸收组件300中具有多个均匀分布的通孔400，所述通孔400贯通所述支撑层110、绝缘层130和吸收组件300，其中，在所述多晶硅层310和光干涉热引导层320所在层中，所述通孔400贯通所述光干涉热引导层320。
本实施例的红外热电堆传感器的制备方法中，在形成空腔101前的步骤中增加了形成通孔400的步骤，详细的，由于各结构层的材料选择不同，在衬底100的正面形成各结构层时需要增加形成对应层中的通孔的步骤，以在所述支撑层110、绝缘层130和吸收组件300中形成暴露出衬底100正面的通孔400。具体增加步骤为：
在形成第一沟槽时，同时在所述支撑层110中形成第一通孔；
在形成光干涉热引导层320时，增加在所述光干涉热引导层320中形成第二通孔的刻蚀步骤，所述第二通孔位于所述第一通孔上方，且所述第一通孔和第二通孔连通。
在形成红外吸收层330时，增加在所述红外吸收层330中形成第三通孔的刻蚀步骤，所述第三通孔位于所述第二通孔上方，且所述第一通孔、第二通孔和第三通孔依次连通。
在形成强化吸收层340时，增加在所述强化吸收层340中形成第四通孔的刻蚀步骤，所述第四通孔位于所述第三通孔上方，且所述第一通孔、第二通孔、第三通孔和第四通孔依次连通，且所述第一通孔、第二通孔、第三通孔和第四通孔构成了通孔，以贯通所述支撑层、绝缘层和吸收组件的通孔400。
最后，在形成所述通孔400之后，通过干法刻蚀工艺或者湿法刻蚀工艺，在所述通孔400处刻蚀所述衬底100的正面，以在所述第一沟槽的内环内侧的衬底100中形成空腔101。
综上所述，本发明提供一种红外热电堆传感器及其制造方法，本发明通过热导增强层，提高了冷端的温度稳定性，同时亦有反射红外线的作用，这使得冷结更容易和环境温度保持一致，有利于热端和冷端温度梯度的建立，有利于响应率的提高。另外，本发明的吸收组件中的干涉热引导层，令反射光与入射光干涉、耦合，提高了红外吸收能力；此外，光干涉与热引导层具备的特定图案可令其同时兼具引导热流的作用，可以帮助热量向热电偶热端聚集，减少了吸收区具有均匀的热传导和热辐射时产生的在热偶臂之外的热量散失，这意味着相同辐射强度下热结可以有更高、更快的温升，有利于响应率和响应时间的提高。所述热导增强层和干涉热引导层有利于给传感器提供良好的电磁环境，减小环境噪声；又因为环境温度稳定性的提高，热噪声也会有一定程度的降低，这都有利于等效噪声功率的减小和探测率的提高。本发明的红外热电堆传感器的制造方法基于MEMS工艺，且兼容CMOS工艺，并且可以做到不需要增加掩模板，且只增加了形成第一沟槽以及填充第一沟槽的工序，因此制造成本方面几乎没有增加，同时性能得到了明显提升，可见本发明具有更高的性价比，有利于商业化大规模生产。
此外，需要说明的是，除非特别说明或者指出，否则说明书中的术语 “第一”、“第二”的描述仅仅用于区分说明书中的各个组件、元素、步骤等，而不是用于表示各个组件、元素、步骤之间的逻辑关系或者顺序关系等。
可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (13)

1.一种红外热电堆传感器，其特征在于，包括：
衬底，所述衬底中设置有环形的第一沟槽，所述第一沟槽中设置有热导增强层，其中，所述热导增强层的材料为导电材料；
支撑层，所述支撑层覆盖所述第一沟槽的内环内侧的衬底；
绝缘层，所述绝缘层覆盖所述热导增强层；
多个热电偶组件，所有所述热电偶组件间隔设置在所述绝缘层和所述支撑层上，且所有所述热电偶组件从所述热导增强层上方朝向所述内环内侧延伸；
吸收组件，所述吸收组件覆盖所述支撑层和所有所述热电偶组件；
其中，所述衬底包括相对设置的正面和背面，所述第一沟槽的内环内侧的衬底中具有空腔，
所述空腔为通孔，所述空腔贯通所述衬底，并暴露出所述正面的支撑层，且所述空腔在所述背面的开口尺寸与所述热导增强层的内环宽度相同，所述空腔在所述正面的开口尺寸小于所述第一沟槽的内环宽度；或者，
所述空腔为盲孔，所述空腔与第一沟槽均位于所述正面，且所述支撑层封闭所述空腔的开口，且所述第一沟槽的深度小于所述空腔的深度，所述空腔的开口尺寸小于所述第一沟槽的内环宽度。
2.如权利要求1所述的红外热电堆传感器，其特征在于，所述热导增强层的材料为Al。
3.如权利要求1所述的红外热电堆传感器，其特征在于，所述热导增强层的厚度大于2μm，所述热导增强层的宽度大于10μm，或者，所述热导增强层的宽度大于所述热电偶组件的冷结宽度。
4.如权利要求1所述的红外热电堆传感器，其特征在于，
所述绝缘层的材料为碳化硅或氮化铝，此时，所述绝缘层仅覆盖所述热导增强层；或者，
所述绝缘层的材料为氧化硅或氮化硅，此时，所述绝缘层覆盖所述热导增强层和支撑层。
5.如权利要求1所述的红外热电堆传感器，其特征在于，所述热电偶组件包括：
第一热偶臂，位于所述绝缘层和支撑层上，且所述第一热偶臂从所述热导增强层上方朝向所述内环内侧延伸；
中间介质层，位于所述第一热偶臂上；
第二热偶臂，位于所述中间介质层上；
连接柱，贯通所述中间介质层，且靠近所述第一热偶臂的一侧与所述第一热偶臂接触，靠近所述第二热偶臂的一侧与所述第二热偶臂接触。
6.如权利要求5所述的红外热电堆传感器，其特征在于，所述吸收组件包括：
多晶硅层，位于所述支撑层上，且位于所有所述第一热偶臂的内侧，所述多晶硅层和第一热偶臂接触设置，所述中间介质层覆盖所述多晶硅层；
光干涉热引导层，位于所述支撑层上，且位于所有所述第一热偶臂的内侧，且所述多晶硅层围绕所述光干涉热引导层设置；
红外吸收层，覆盖所述光干涉热引导层、第二热偶臂和覆盖所述多晶硅层的中间介质层；
强化吸收层，覆盖所述多晶硅层和光干涉热引导层上方的所述红外吸收层。
7.如权利要求6所述的红外热电堆传感器，其特征在于，
所述第一沟槽为圆环、椭圆环或多边形环；
所述光干涉热引导层由以所述第一沟槽的中心位置为中心的多个花瓣结构组成，且从所述中心位置处向远离所述中心位置的方向上，每个花瓣结构的宽度逐渐增加。
8.如权利要求7所述的红外热电堆传感器，其特征在于，所述光干涉热引导层与附近的所述热电偶组件之间的间距小于10μm，所述光干涉热引导层的厚度为100nm~1μm。
9.如权利要求6所述的红外热电堆传感器，其特征在于，所述光干涉热引导层的材料采用金属材料或多晶硅材料。
10.如权利要求1所述的红外热电堆传感器，其特征在于，所述热导增强层与空腔之间的间距大于5μm。
11.如权利要求1所述的红外热电堆传感器，其特征在于，当所述空腔为盲孔时，所述空腔上方的吸收组件中具有多个均匀分布的通孔，所述通孔贯通所述支撑层、绝缘层和吸收组件。
12.一种红外热电堆传感器的制造方法，制备如权利要求1~11中任一项所述的红外热电堆传感器，其特征在于，包括以下步骤：
提供衬底，所述衬底中形成有环形的第一沟槽，所述第一沟槽的内环内侧的衬底上形成有支撑层；
形成热导增强层和绝缘层，所述热导增强层填充所述第一沟槽，所述绝缘层位于所述热导增强层上，其中，所述热导增强层的材料为导电材料；
形成多个热电偶组件和一吸收组件，所有所述热电偶组件间隔设置在所述绝缘层和支撑层上，且所有所述热电偶组件从所述热导增强层上方朝向所述内环内侧延伸，所述吸收组件覆盖所述支撑层和所有所述热电偶组件。
13.如权利要求12所述的红外热电堆传感器的制造方法，其特征在于，形成多个热电偶组件和一吸收组件之后还包括：
在所述衬底中形成空腔，所述空腔暴露出所述支撑层。
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