CN1274953A - 一种新结构薄膜热电堆 - Google Patents

Abstract

本发明是一种用半导体集成电路工艺和微机械工艺制造的薄膜热电堆。以硅片为衬底,热电堆中的热电偶由二种热电薄膜条夹在二氧化硅和氮化硅膜隔离层中,并通过引线孔串联成热电堆。热电堆中心为热端辐射吸收接收区,下面是凹坑和冷端硅片框架,凹坑顶部为电介质支撑膜。芯片上还设计有使热端暴露接收辐照,冷端和热电偶条被盖住的绝缘隔热膜以及膜上的一层或多层高反射散热层。是一种性能优良,作了实质性改进的薄膜热电堆。

Description

一种新结构薄膜热电堆

本发明涉及一种采用半导体集成电路工艺和微机械工艺制造的，热电堆中热电偶热端(热结)暴露，冷端(冷结)及热电偶条上面覆盖低热导绝缘隔离层，并在隔离层上面涂覆一层或多层高反射散热层的热电堆，属半导体传感器件。

热电堆红外辐射探测器可在室温下工作，环境工作温度范围宽，且对很宽波长范围的红外辐射都能响应，器件制作成本也低，是光子型红外辐射探测器所无法取代的器件，近年来越来越受到世界各国重视。随着微电子和微机械技术的发展，薄膜热电堆进展很快，热电堆器件已商品化，并已研制成线阵和面阵器件。目前，红外辐射热电堆探测器主要是由单元热电偶串联，采用集成电路工艺和微机械工艺制成。其中，单元热电偶可以用半导体、金属或半导体和金属材料配对或混合配对组成，且根据需要热电堆设计成各式各样。显然，单元热电偶的材料配对构成以及性能好坏直接影响着热电堆的设计。1974年日本人公开了一种用铋锑、碲硒块体材料组成设计的辐射热电偶  [Radiation Thermocouples With(Bi，Sb)₂(Te，Se)₃ Eiich Ando JapaneseJournal of Applied Physics]。热电偶设计成竖立式，其中接收热辐射的热端面采用金属箔焊接在热电偶的热端，冷端分别连接在二块铜块上，且铜块分开，外接信号输出连线。此外，这种热电偶的接收热辐射金属箔面设计成与冷端的铜块分隔开，且遮住冷端。这样设计的热电偶有利于增大冷、热端的温差，提高热电偶的输出电信号，是一种很好的设计。然而，要将这种热电偶串联，采用半导体集成电路工艺集成为辐射热电堆，非常困难。为了能利用半导体集成电路工艺制造辐射热电堆以及热电堆线阵和面阵器件，各国都在研究，并取得了很大进展。1995年J.Schieferdecker等人公开了一种利用半导体集成电路工艺和微机械工艺制造的多层膜结构红外热电堆传感器[Infrared thermopile sensors with high sensitivity and very low temperaturecoefficient J.Schieferdecker et al.Sensors and Actuators A]。传感器芯片以半导体硅片为衬底，利用半导体集成电路工艺和微机械工艺进行制造，芯片中心部分的背面，硅片被腐蚀成凹坑；传感器芯片中组成热电偶的二种不同热电材料薄膜条分别沉积在由二氧化硅、氮化硅构成的三明治结构支撑膜上，并形成热电偶的热端和冷端。其中，热端位于芯片中心部分的支撑膜上；冷端位于芯片四周硅片衬底框架上。此外，作为接收红外辐射的热端辐射接收表面上还涂覆有红外辐射吸收层，形成热电堆的红外辐射接收区，以增加红外辐射吸收，提高热端、冷端的温差，加大热电堆传感器的信号输出。制造成的传感器芯片安装在晶体管管座上，配置，盖上有红外滤光片的管帽，就可以适应不同红外滤光片透过波长范围的应用。这种利用半导体集成电路工艺和微机械工艺进行制造的红外辐射热电堆探测器，不但可将热电偶集成在半导体硅片上成为芯片热电堆，而且可进一步将热电堆集成为线阵和面阵芯片器件。是一种制造方便，应用广泛的传感器件。在这一设计中，尽管设计者在红外辐射接收区上增加涂覆了红外吸收层，提高了红外辐射接收区的接收效率，然而也仅仅只是对传感器的热端作了改进。传感器冷端的热沉部分主要还是由传感器芯片热电偶下面的半导体硅片框架承担。因此，当红外辐射到达传感器芯片表面时，实际上传感器芯片上处在同一探测接收面上的热电偶热端、冷端，将同时接收红外辐射，直到半导体衬底硅片框架将冷端接收的红外辐射散发后，才建立起热电偶热端、冷端的温差，输出信号。这样，既不利于提高器件性能，也会影响器件的灵敏度。为了进一步提高器件性能，本发明改进设计成一种在热电堆中热电偶冷端(冷结)及热电偶条上面增加覆盖一层或多层高反射散热层，以减少热电偶冷端受到的红外辐照，从而加快了热电偶热端、冷端温差的形成。这样设计的红外辐射热电堆探测器既提高了器件性能，又可利用半导体集成电路工艺和微机械工艺进行制造。

本发明的目的是，在半导体集成电路工艺和微机械工艺制造的红外辐射热电堆传感器芯片上，热电堆中热电偶冷端(冷结)及热电偶条上面覆盖低热导隔离绝缘膜，并在低热导隔离绝缘膜上面增加涂覆一层或多层高反射散热层，以使热电堆中热电偶冷端(冷结)避免与热端(热结)同时接收辐照，从而拉开热电偶冷端与热端的温差，提高热电堆传感器总体性能。

本发明的构造详细说明如下，采用半导体集成电路工艺和微机械工艺设计制造的红外辐射热电堆探测器的结构组成，包括双面抛光半导体硅片衬底；衬底硅片上的双面二氧化硅(或氮化硅)薄膜层；衬底硅片一面二氧化硅(或氮化硅)层上的氮化硅(或二氧化硅)薄膜层；氮化硅(或二氧化硅)薄膜层上组成热电偶的半导体或金属或合金热电材料薄膜条；热电材料薄膜条上的二氧化硅(或氮化硅)薄膜绝缘隔离层；二氧化硅(或氮化硅)薄膜绝缘隔离层上的另一种组成热电偶的半导体或金属或合金热电材料薄膜条；以及另一种组成热电偶的半导体或金属或合金热电材料薄膜条上面，使热电偶热端(热结)暴露接收辐照，而掩盖住热电堆中热电偶冷端(冷结)及热电偶条的二氧化硅(或氮化硅或氧化铝)薄膜绝缘隔热层和涂覆在掩盖住热电堆中热电偶冷端(冷结)及热电偶条的绝缘隔热层上的一层或多层高反射散热层。此外，衬底硅片的另一面还有以二氧化硅(或氮化硅)作掩膜腐蚀成的，热电堆芯片中心部分背面，热端红外辐射接收区下面的凹坑，凹坑四周衬底硅片形成的热电偶冷端(冷结)热沉框架以及凹坑顶部由二氧化硅和氮化硅多层膜自然形成的热电堆热端的电介质支撑膜。其中，组成热电偶的二种不同热电材料薄膜条的热端、冷端连接点和外接引线脚分别通过半导体工艺在二氧化硅(或氮化硅)薄膜绝缘隔离层上开引线孔，蒸涂金属，连接成热电偶并串联成热电堆。沉积制备的绝缘隔热膜掩盖住热电堆中热电偶冷端(冷结)及热电偶条，绝缘隔热膜上面的高反射散热层可以由单层金属或单层金属和保护膜构成，也可以由在金属膜上涂覆多层(偶数层)介质膜形成金属电介质膜系高反射层。高反射散热层中的金属层一方面能对红外辐射进行反射，另一方面还具有良好的导热、散热作用，如银、金或铂等金属层。当然，在多层高反射散热层中，由于金属层上涂覆介质膜，故金属层可采用铝或铜等贱金属作金属反射散热层。此外，由于光波在金属内传播随金属膜厚度增加很快衰减，所以，高反射金属层膜厚至少要大于500埃。本发明热电堆中的高反射散热层膜系，均可采用半导体集成电路蒸发、沉积成膜工艺制造。

本发明热电堆与已有热电堆的主要区别和优点是，不但吸取了已有热电堆在热电偶热端红外辐射接收区上增加涂覆红外吸收层，提高红外辐射接收区效率，对热电堆传感器热端作的改进；而且对热电堆传感器冷端作了实质性改进，在热电堆传感器的冷端(冷结)和热电偶条上增设了高反射散热层，从而提高了热电堆传感器的整体性能，是一种既实用、可靠、简单、性能良好，又可利用半导体集成电路工艺和微机械工艺制造的多层膜结构红外热电堆传感器。

附图说明：

图1是本发明新结构薄膜红外热电堆构造剖面示意图。其中，1是热电堆传感器冷端(冷结)和热电偶条上的高反射散热层，2是热电偶串联成热电堆的引线孔连接接触点，3是组成热电偶的热电薄膜条，4是热电堆传感器热端红外辐射接收区上的吸收层，5是热电堆电信号输出脚，6是氮化硅和二氧化硅组成的热电堆热端支撑介质膜，7是高反射金属散热层，8是电绝缘隔热层，9是腐蚀凹坑形成的芯片热电堆衬底硅片框架，10是芯片中心辐射接收区背面，支撑介质膜下面框架围成的凹坑，11是双面抛光衬底硅片背面的二氧化硅(或氮化硅)掩膜。

图2是本发明高反射散热层为单层金属和保护膜的薄膜红外热电堆构造剖面示意图。其中，12是高反射散热金属层上的保护膜

图3是本发明有金属和电介质膜系高反射散热层的薄膜红外热电堆构造剖面示意图。13是多层介质膜高反射层。

下面结合附图详细叙述本发明实施例：

实施例1

本实施例薄膜红外热电堆采用半导体集成电路工艺和微机械工艺制造，并在薄膜红外热电堆芯片上的绝缘隔热薄膜层上涂覆一层金属构成高反射散热层。实施时，采用双面抛光半导体硅片为衬底9，衬底硅片9双面氧化后，先在硅片9的一面上，制备由氮化硅和二氧化硅组成的热电偶热端支撑介质膜6，然后在支撑介质膜6上沉积、刻蚀出热电偶中的一支半导体或金属或合金热电材料薄膜条3。刻蚀出的一支热电材料薄膜条3上覆盖二氧化硅(或氮化硅)电绝缘层，并在绝缘层上开出联线引线孔(包括红外辐射接收区吸收层下的热端串联联线引线孔)2和输出引线脚孔5后，在引线孔2和输出引线脚孔5中沉积焊接接触金属，便可在二氧化硅(或氮化硅)绝缘层上制备热电偶中的另一支半导体或金属或合金热电材料薄膜条3。这样由二氧化硅(或氮化硅)绝缘层隔开的二种热电材料薄膜条3合金化后便通过引线孔连接接触点连接成热电偶，并串联成热电堆。完成以上热电堆基本制造工艺后，本发明实施还需在二种热电材料薄膜条3上沉积二氧化硅(或氮化硅或氧化铝)绝缘隔热薄膜层8，并刻蚀绝缘隔热薄膜8，暴露出热电堆传感器热端红外辐射接收区4和输出引线脚5。其次，为了在绝缘隔热薄膜上构成金属高反射散热层1，本实施还要在二氧化硅(或氮化硅或氧化铝)绝缘隔热薄膜层8上沉积800埃金薄膜层7，并刻蚀金薄膜7，暴露出热电堆传感器热端红外辐射接收区4和输出引线脚5，以形成金属高反射散热层1。此外，为了在热电堆芯片上热端红外辐射接收区涂覆红外吸收层4，本实施例还要采用半导体集成电路和微电子机械的蒸发、剥离工艺，制备出红外辐射接收区吸收层4。至此，芯片热电堆的一面工艺完成后，再光刻半导体硅衬底片9的背面，并以衬底硅片背面的二氧化硅作掩膜11，腐蚀出芯片中心辐射接收区4下面，热电堆热端支撑介质膜6背面的凹坑10，凹坑10顶部则由二氧化硅和氮化硅多层膜自然形成热电堆热端电介质支撑膜6。衬底硅片9上腐蚀成的凹坑10四周则构成芯片热电堆热电偶冷端(冷结)热沉框架9。制备成的本实施例涂覆单层金属构成高反射散热层1的薄膜红外热电堆芯片安装在晶体管管座上，配置，盖上有红外滤光片的管帽，就可以适应红外滤光片透过波长范围的应用。

实施例2

本实施例是一种在二氧化硅(或氮化硅或氧化铝)绝缘隔热薄膜层8上涂覆单层金属7及其保护膜12构成高反射散热层1的薄膜红外热电堆。制造时，除在实施例1中的单层金属高反射散热层7上增涂(沉积)一层二氧化硅或三氧化二铝或氮化硅保护膜12，并刻蚀暴露出热电堆传感器热端红外辐射接收区4和输出引线脚5，制备成金属高反射散热层外，其他同实施例1。

实施例3

本实施例是一种在金属反射散热层7上增涂(沉积)偶数层电介质膜系13的高反射散热层1的薄膜红外热电堆。制造时，除在实施例1中的单层金属高反射散热层7上增涂(沉积)偶数层电介质膜系13，并分别刻蚀暴露出热电堆热端红外辐射接收区4和输出引线脚5，制备成金属电介质膜系高反射散热层外，其他同实施例1。

Claims (9)

1、一种采用半导体集成电路工艺和微机械工艺制造的薄膜红外辐射热电堆，包括双面抛光衬底硅片；硅片上的双面二氧化硅(或氮化硅)薄膜层；硅片一面二氧化硅(或氮化硅)层上的氮化硅(或二氧化硅)薄膜层；氮化硅(或二氧化硅)薄膜层上组成热电偶的热电薄膜条；热电薄膜条上的绝缘膜；绝缘膜上的另一种组成热电偶的热电薄膜条；热电薄膜条连接成热电偶并串联成热电堆的引线孔和外引线连接点；芯片热电堆衬底硅片上的凹坑，凹坑四周热电偶冷端衬底硅片框架，凹坑顶部热电偶热端的电介质支撑膜以及红外辐射接收区上的辐射吸收层，其特征在于热电堆中组成热电偶的热电薄膜条上面，有使热电偶热端(热结)暴露，冷端(冷结)及热电偶条被掩盖住的绝缘隔热薄膜层以及绝缘隔热层上的一层或多层高反射散热层。

2、根据权利要求1所述的薄膜红外辐射热电堆，其特征在于掩盖住热电堆中热电偶冷端(冷结)及热电偶条的绝缘隔热薄膜层为二氧化硅或氮化硅或氧化铝薄膜。

3、根据权利要求1所述的薄膜红外辐射热电堆，其特征在于绝缘隔热层上的一层高反射散热层为金或铂或银金属膜。

4、根据权利要求1所述的薄膜红外辐射热电堆，其特征在于绝缘隔热层上的多层高反射散热层为金属和保护膜或金属上涂覆多层高反射介质膜形成的金属电介质膜系高反射层。

5、根据权利要求1或4所述的薄膜红外辐射热电堆，其特征在于金属电介质膜系高反射层中的高反射介质膜层数为偶数层。

6、根据权利要求1或4所述的薄膜红外辐射热电堆，其特征在于多层高反射散热层中的金属反射散热层也可以是铝或铜等贱金属层。

7、根据权利要求1或3或4或6所述的薄膜红外辐射热电堆，其特征在于金属反射散热层的膜厚大于500埃。

8、根据权利要求1所述的薄膜红外辐射热电堆，其特征在于热电堆中组成热电偶的热电薄膜条为半导体或金属或合金热电材料薄膜条。

9、根据权利要求1所述的薄膜红外辐射热电堆，其特征在于高反射散热层中膜系均为可采用半导体集成电路蒸发、沉积成膜工艺制造的薄膜。

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