CN1235273A - 硅－金属双层结构薄膜热电堆 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种硅－金属双层结构薄膜热电堆。主要由硅片衬底、衬底一面上的J形或L形多晶硅或金属薄膜条、隔离绝缘层、隔离层上面的L形或J形金属或多晶硅薄膜条、测量结点和串连参考结点、输出端和衬底另一面的空穴腔构成。本发明采用分层立体设计,不但拓宽了热电堆中布置元件的空间,使微小型化薄膜热电堆尺寸更小,串联的热电偶元件数量更多,而且有效地提高了输出量和性能,是一种设计简练、实用的薄膜热电堆。

Description

硅--金属双层结构薄膜热电堆

本发明涉及一种组成热电偶对的二种材料多晶硅和金属薄膜条分层隔离设计，采用微电子机械工艺技术研制的双层立体结构薄膜热电堆，属传感元件为热电偶的器件。

探测器是辐射测温的关键部件。辐射测温探测器各种各样，有硅光电池、钽酸锂热电探测器、辐射热敏电阻、锗光电二极管和薄膜热电堆等等。其中，薄膜热电堆探测器，配置单片微机处理信息，可显示瞬时值、最大值、最小值、平均值、差值、环境温度补偿、发射率设定，应用前景非常广阔。通常，热电堆由几对或十几对或几十对热电偶串联组成。随着微电子半导体工艺技术的发展，微小型化的薄膜热电堆问世。薄膜热电堆芯片是基于微电子工艺技术而设计研制的温度传感器。国际上，德国、荷兰、美国和日本等国都在研制和开发薄膜热电堆。美国红外萨罗逊(Infrared Solutions)公司用热电堆阵列研制的100型线扫描已用于时速高达80英里行进火车的刹车故障确定。其它国家也已形成产品。日本传感技术编辑部编纂的“传感器件手册”第71节公开了一种利用半导体平面工艺技术设计制造的矩形布线薄膜热电堆。荷兰设计的薄膜热电堆更独具匠心，为了在小型化热电堆有限的平面内制造出最长的热电偶对，薄膜热电堆中的热电偶被布置设计成对角线平面结构，每对热电偶约是矩形平面布置长度的倍，从而提高了热电堆性能。我国早在80年代就开始研制薄膜热电堆，中国科学院上海冶金研究所卢建国等在“硅--金属热电堆的结构和特性”论文中，也公开了一种薄膜热电堆的设计与研制方法。采用半导体平面工艺技术研制薄膜热电堆，不但可使热电堆微小型化，而且提高了热电堆的性能，降低了成本。特别是，采用半导体工艺批量化生产探测器将在商业上呈现出强大的竞争力。然而，上述薄膜热电堆的设计都难以使组成热电偶元件的金属和多晶硅薄膜条在相同长宽比的条件下，增加热电偶对的数量，提高薄膜热电堆的输出量。为了在薄膜热电堆中集成更多的热电偶元件或进一步减小薄膜热电堆尺寸，提高薄膜热电堆性能，本发明改进并设计成一种双层叠置薄膜条立体结构的热电堆。

本发明的目的是，将现有的薄膜热电堆中的二维平面布置二种不同材料薄膜条构成的热电偶元件，改进设计成三维立体二层布置二种材料薄膜条构成热电偶元件，并采用微电子机械工艺技术加工制造成双层薄膜条结构热电堆。从而更好地提高了薄膜热电堆的输出量和性能。

本发明硅--金属双层结构薄膜热电堆主要由单晶硅片衬底、硅片衬底一面上的单层或多层绝缘过渡层、绝缘过渡层上的组成热电偶元件的一种J形或L形多晶硅薄膜条或金属薄膜条、J形或L形多晶硅薄膜条或金属薄膜条上面的单层或多层隔离绝缘层、隔离绝缘层上的引线欧姆接触窗孔、窗孔中金属薄膜条和多晶硅薄膜条二端测量结点、串联参考结点欧姆接触层、测量结点、串联参考结点、隔离绝缘层上对应组成热电偶元件的另一种L形或J形金属薄膜条或多晶硅薄膜条、外接连线的引线欧姆接触输出端脚和单晶硅片衬底另一面的测量区空穴腔构成。其中，热电偶元件由金属薄膜条、多晶硅薄膜条、测量结点和参考结点构成。薄膜热电堆中，组成若干对热电偶元件的一种J形或L形多晶硅薄膜条或金属薄膜条布置在一个平面内，由单层或多层绝缘层分隔后，对应组成若干对热电偶元件的另一种L形或J形金属薄膜条或多晶硅薄膜条布置在另一平面上，即布置在单层或多层绝缘隔离层平面上面。热电偶元件中多晶硅和金属薄膜条二端的测量结点和串联参考结点，通过对绝缘隔离层光刻、腐蚀，开设欧姆接触窗孔，进行欧姆接触合金化形成。这种将组成热电偶元件的二种不同材料金属薄膜条和多晶硅薄膜条分层叠置而成的立体双层设计，改变了传统薄膜热电堆中若干热电偶元件布置在同一平面内的设计，从而拓宽了薄膜热电堆中布置热电偶元件的空间，使微小型化的薄膜热电堆的尺寸更小，或使微小型化的薄膜热电堆中集成串联的热电偶元件的数量更多，从而有效地提高了薄膜热电堆的输出量和性能。本发明薄膜热电堆中的外接引线欧姆接触脚和单晶硅片衬底另一面的测量区空穴腔等都可采用半导体平面工艺和微电子机械工艺技术制备。

本发明硅--金属双层结构薄膜热电堆设计突破了已有薄膜热电堆中将若干热电偶元件布置在一个平面内的做法。将构成薄膜热电堆的若干热电偶元件立体布置，不但很好地拓宽了微小型化薄膜热电堆中布置热电偶元件的有限空间，而且提高了探测器的性能。采用本发明设计既能缩小现有薄膜热电堆芯片尺寸，又可更多地集成薄膜热电堆中的热电偶元件数量，从而更好地提高了薄膜热电堆的输出量，且工艺简单、可靠，是一种简洁、实用的薄膜热电堆设计。

附图说明：

图1是本发明硅--金属双层结构薄膜热电堆中热电偶元件串联构成热电堆的原理示意图。其中，1是热电堆的一个输出端引线脚，2是串联参考结点，3是热电堆另一输出端引线脚，4是构成热电偶元件的J形或L形多晶硅薄膜条，5是构成热电偶元件的L形或J形金属薄膜条，6是测量结点。

图2是本发明硅--金属双层结构薄膜热电堆中二种材料薄膜条分层叠置构成若干热电偶元件的结构示意图。其中，7是隔离绝缘层窗孔中金属薄膜条和多晶硅薄膜条测量结点端的欧姆接触层，8是单层或多层隔离绝缘层，9是单层或多层绝缘过渡层，10是单晶硅片衬底，11是隔离绝缘层窗孔中金属薄膜条和多晶硅薄膜条串联结点端的欧姆接触层，12是单晶硅片衬底另一面的测量区空穴腔。

图3是本发明硅--金属双层结构薄膜热电堆中薄膜条矩形布置芯片的示意图。其中，13是温度补偿电路，14是温度补偿电路二端引线脚。

图4是本发明硅--金属双层结构薄膜热电堆中薄膜条对角线布置芯片的示意图。

下面结合附图详细说明符合本发明主题的实施例。

实施例1

本实施例采用双面抛光单晶硅片做衬底10。单晶硅片衬底10的一面沉积或生长单层或多层绝缘过渡层9，同时单晶硅片衬底10的另一面也形成二氧化硅掩模层。绝缘过渡层9形成后，在绝缘过渡层9上沉积或生长多晶硅薄膜，并光刻成J形或L形图形，通过光刻图形窗口腐蚀或刻蚀多晶硅薄膜，形成J形或L形多晶硅薄膜条4。J形或L形多晶硅薄膜条4形成后，在J形或L形多晶硅薄膜条4上面沉积或生长单层或多层绝缘隔离层8，并自然形成薄膜条条间隔离介质。然后在绝缘隔离层8上光刻、开孔，做热电偶元件的测量结点6和串联参考结点2欧姆接触层7、11。结点欧姆接触做好后，再在绝缘隔离层8的上面沉积金属薄膜，并套准图形光刻形成L形或J形金属薄膜条图形，腐蚀或刻蚀金属薄膜条图形，形成绝缘隔离层8上面的叠置在多晶硅薄膜条4上方的L形或J形金属薄膜条5和输出端1、3引线脚。经合金化工艺后，热电偶元件的测量结点6和参考结点2欧姆接触形成。最后，在单晶硅片衬底10的另一面光刻测量区空穴腔图形，以二氧化硅为掩模，由微电子机械工艺技术自停止腐蚀成热电堆测量区空穴腔12。划片后便制成本实施例热电偶元件矩形分布或对角线分布的硅--金属双层结构薄膜热电堆芯片。

实施例2

本实施例与实施例1不同之处为，本实施例中的J形或L形多晶硅薄膜条4设置在绝缘隔离层8的上面，而对应的L形或J形金属薄膜条5布置在绝缘隔离层8的下面。具体倒置实施如下，本实施例同样采用双面抛光单晶硅片做衬底10。单晶硅片衬底10的一面沉积或生长单层或多层绝缘过渡层9，同时，单晶硅片衬底10的另一面也形成二氧化硅掩模层。绝缘过渡层9做好后，在绝缘过渡层9上沉积金属薄膜，并光刻成L形或J形图形，并通过光刻图形窗口腐蚀或刻蚀金属薄膜，做成L形或J形金属薄膜条5。L形或J形金属薄膜条5形成后，在L形或J形金属薄膜条5上面沉积或生长单层或多层绝缘隔离层8，然后在绝缘隔离层8上光刻、开孔，做热电偶元件的测量结点6和串联参考结点2欧姆接触层7、11，结点欧姆接触层做好后，再在绝缘隔离层8的上面沉积或生长多晶硅薄膜，并套准图形光刻形成J形或L形多晶硅薄膜条图形4，腐蚀或刻蚀多晶硅薄膜条图形，形成绝缘隔离层8上面的叠置在金属薄膜条5上方的J形或L形多晶硅薄膜条4。输出端引线脚1、3可在J形或L形多晶硅薄膜条4上合金化做成。合金化时，热电偶元件的测量结点6和串联参考结点2同时形成欧姆接触层7、11。最后，在单晶硅片衬底10的另一面光刻测量区空穴腔12图形，并以二氧化硅为掩模，由微电子机械工艺技术自停止腐蚀成热电堆测量区空穴腔12。划片后便制成本实施例热电偶元件矩形分布或对角线分布的硅--金属双层结构薄膜热电堆芯片。

实施例3

本实施例是，在实施例1和2中增设由半导体工艺技术制备的热敏电阻或晶体管或混合型温度补偿电路13，补偿电路二端引线脚14，用以构成本实施例内部或外部具有温度补偿的热电偶元件矩形分布或对角线分布的硅--金属双层结构薄膜热电堆芯片。

Claims (7)

1、一种硅--金属薄膜热电堆，包括单晶硅片衬底、硅片衬底一面上的单层或多层绝缘过渡层、绝缘过渡层上的组成若干对热电偶元件的金属薄膜条和多晶硅薄膜条、金属薄膜条和多晶硅薄膜条二端的欧姆接触测量结点和串联参考结点、外引线输出端脚和单晶硅片衬底另一面的测量区空穴腔，其特征在于有设置在单层或多层绝缘隔离层二边，上下分别隔离叠置，组成热电偶元件的L形或J形金属薄膜条和J形或L形多晶硅薄膜条。

2、根据权利要求1所述的硅--金属双层结构薄膜热电堆，其特征在于单层或多层绝缘隔离层上有连结上下叠置在隔离绝缘层二边，组成热电偶元件的L形或J形金属薄膜条和J形或L形多晶硅薄膜条二端的窗孔和窗孔中测量结点和串联参考结点的欧姆接触层。

3、根据权利要求1或2所述的硅--金属双层结构薄膜热电堆，其特征在于上下叠置在隔离绝缘层二边，组成热电偶元件的L形金属薄膜条对应J形多晶硅薄膜条或J形金属薄膜条对应L形多晶硅薄膜条。

4、根据权利要求1所述的硅--金属双层结构薄膜热电堆，其特征在于上下叠置在隔离绝缘层二边，组成热电偶元件的L形或J形金属薄膜条和J形或L形多晶硅薄膜条一端欧姆接触测量结点位于空穴腔上面的边框上。

5、根据权利要求1或3所述的硅--金属双层结构薄膜热电堆，其特征在于L形或J形金属薄膜条可设置在单层或多层绝缘隔离层的上面或下面，其对应的J形或L形多晶硅薄膜条设置在单层或多层绝缘隔离层的下面或上面。

6、根据权利要求1或5所述的硅--金属双层结构薄膜热电堆，其特征在于位于单层或多层绝缘过渡层的上面，单层或多层绝缘隔离层下面的L形或J形金属薄膜条或J形或L形多晶硅薄膜条条间有绝缘介质。

7、根据权利要求1所述的硅--金属双层结构薄膜热电堆，其特征在于热电堆输出端可连接热电堆中单晶硅衬底上的补偿电路或外接补偿电路。

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