CN1433089A - 具有隐藏式热电偶支脚的热电堆红外线元件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种具有隐藏式热电偶支脚的热电堆红外线元件包括：一硅基板；一洼部，形成于该基板上；多个热电偶支脚，以悬臂的方式形成于该基板上洼部的上方，各热电偶支脚具有一第一端与位于该第一端反侧的一第二端，该第一端是与该基板连接，以形成一冷接触端，该第二端是与该基板距离一预定的距离；及一悬浮薄板，形成于该多个热电偶支脚的上方，该悬浮薄板是藉由该热电偶支脚的该第二端而受到支撑，以形成一热接触端，且该多个热电偶支脚是实质上隐藏或完全罩覆于该悬浮薄板下方。
Description
发明领域
本发明涉及一种热电堆红外线元件与其制造方法，尤其是涉及一种具有隐藏式热电偶支脚的热电堆红外线元件、热电堆红外线阵列元件与其制造方法。
现有技术的描述
近年来，以热电偶作为温度测量是相当广泛的技术。热电偶的原理是藉由加热两导体接合处的一端，使其与两导体的另一端产生温差而生成一扩散电流。一个相当的反向电动势可消去此扩散电流，此反向电动势便是赛贝克(Seeback)电压。藉由测量赛贝克电压的大小，便可知道热电偶两端的温差而校正温度。赛贝克电压的大小，是由两导体接合处的两端的温差大小，与此两导体的赛贝克系数的乘积决定。将多对的热电偶串联起来即成为热电堆，因此，热电堆的电动势等于单一热电偶的赛贝克电压值，乘以串联的热电偶数目。
随着1980年代微加工技术的发展，具有高度绝热效果(低热导)的悬浮薄板结构(薄板结构可以降低热容)，使热电堆元件的响应度(responsivity，V/W)和响应速率大幅提升。因此，热电堆元件的发展有了更长足的进步，这可以参见如下文献：
(1).G.R.Lahiji and K.D.Wise，“A batch-fabricated silicon thermopileinfrared detector”，IEEE Trans.Electron Devices ED-29，pp14-22，(1982)；
(2).W.G.Baer，T.Hull，Kevin D.Wise，K.Najafi and Kensall D.Wise，“A multiplexed silicon infrared thermal imager”，Transducers′91，pp631-634，(1991)；
(3).R.Lenggenhager，H.Baltes，J.Peer and M.Forster，“Thermoelectricinfrared sensors by CMOS technology”，IEEE Electron Device Letters 13，454，(1992)；以及
(4).Z.Olgun，O.Akar，H.Kulah and T.Akin，“An integrated thermopilestructure with high responsivity using any standard CMOS process”，Transducers′97，pp1263-1266，(1997)。
由于利用硅微加工技术和集成电路制作工艺可将感测元件微小化、集成化，所以，除传统单一元件的制作外，更提供独石体阵列(monolithic array)制作的可行性。热电堆红外线阵列元件是由多个热电堆元件以阵列形式配置而成，其可取得红外线影像，应用范围包括：军事侦防、汽车、医疗、工业自动化、及保全监视方面的温度分布的影像计量与红外线影像监测等。
热电堆元件的优点在于其本身不消耗功率，因此，可免除任何从电源供应所耦合进来的电压噪声，此优点是其他电阻型(bolometric)红外线元件所不及的。再者，由于流经热电堆元件本身的电流很小(甚至为0)，因此，由驱动电流所引发的材料的低频噪声(1/f noise)亦可忽略。在没有辐射入射时，可将热电偶的热接触区及冷接触区视为等温，因此，环境温度漂移对此种元件的影响，也远比对电阻型红外线元件小。所以，此种元件适合于室温操作，并且不需额外的控温装置。再者，此元件的冷接触区可以作为对热接触区的参考温度，故在操作时不需要光学切光器(optical chopper)(此为热电型元件pyroelectric sensor常用的方法)。
图1显示一种现有的热电堆元件的俯视示意图。如图1所示，热电堆元件10包括：一硅基板100；及一悬浮薄板101，形成于基板100之上，并具有多个热电偶支脚103，在悬浮薄板中央制作有一黑体层102。热接触区104是形成于悬浮薄板101的中央部分，而冷接触区105是形成于悬浮薄板101的周围与基板100的连接处。于悬浮薄板101上形成有多个蚀刻窗口106。藉由多个蚀刻窗口106，可蚀刻悬浮薄板101下方的部分硅基板(未图示)，以构成悬浮薄板101的结构。为清楚显示出此种热电堆元件10的构造，以下将以A-A剖面详细说明之。
图2是为沿着图1的线A-A的剖面图。如图2所示，热电堆元件10包括一硅基板100与一悬浮薄板101。硅基板100包括一洼部107，形成于悬浮薄板101与基板100之间。悬浮薄板101包括一第一绝缘膜108、一热电偶支脚103、一第二绝缘膜109、一第三绝缘膜110、一黑体层102。热电偶支脚103是由第一热电偶导体103a与第二热电偶导体103b所电连接而成。于图1中的热接触区104与冷接触区105的范围，于A-A剖面上，大致如图2所示。
为了更清楚的描述此一现有热电堆元件的特性，下面将以几个基本的物理量来阐述。
其中：Rv为热电堆元件的响应度；Vn为热电堆元件的总噪声；NEP(noiseequivalent power)为等效噪声功率，其值为Vn/Rv。
对于上述的热电堆元件，其响应度Rv(V/W)可表示为：
其中，η为黑体材料对入射红外线的吸收率，N为串联的热电偶数目，α为热电偶的赛贝克(Seebeck)是数(V/℃)，而Gs、Gg、Gr分别为热电堆元件的悬浮结构的固体、气体及辐射热传导值。
Vn值主要为约翰逊噪声(Johnson noise)，主要是由电阻所引起，其可表示为：
其中，k为波尔兹曼常数，Ts为热电堆元件的绝对温度(°K)，R为串联热电偶的电阻值，Δf为频宽。
对于这种热电堆元件，其优质量的定义为：热电堆元件的NEP值越小，则其优质量越高。亦即，NEP的倒数(Rv/Vn)值越大越好。
图1所示的热电堆红外线感测元件于透过黑体材料102吸收红外线热辐射之后，在悬浮薄板110上产生温升。微观之，悬浮薄板101的温度分布以中间最高，再依序向四周逐渐降低。故热电偶支脚103的布局是尽量将热端的位置尽可能地靠近悬浮薄板101的中心，以增加热端与冷端的温差，提高热电堆红外线元件的感测响应度。
然而此一热电偶的布局方式亦衍生另一问题，即图1所示的Z部分的热电偶导体延伸却也增加了整体电阻量R，增加了Vn值，增加了NEP值。同时为了降低元件固体热导Gs，以增加元件的Rv值，细长支脚的设计为标准的方法，以图1所示元件其固体热导值Gs∝
X，而X的增大却将加大元件的芯片面积，增加制造时的成本。
以一些常见的商用元件为例；黑体面积102约为500×500～1000×1000μm2，X约为100～400μm，而z部分所占整体串联热电偶电阻比例约为20～50％，由此可见Z对元件特性及X对制造成本的影响，不可谓不大。
发明概要
因此，本发明的一个目的，是提供一种隐藏式热电偶支脚的热电堆红外线元件，在维持其元件优质量NEP的情况下，降低串联热电偶支脚的电阻以及减少元件的芯片面积。并提供此种热电堆红外线元件的制造方法。
依据本发明的一个实施方式，提出一种具有隐藏式热电偶支脚的热电堆红外线元件，其包括：一硅基板；一洼部，形成于该硅基板上；多个热电偶支脚，以悬臂的方式形成于该洼部的上方，各热电偶支脚具有一第一端与位于该第一端反侧的一第二端，该第一端是与该基板连接，以形成一冷接触端，该第二端是与该基板距离一预定的距离；及一悬浮薄板，形成于该多个热电偶支脚的上方，该悬浮薄板是藉由该热电偶支脚的该第二端而受到支撑，以形成一热接触端，且该多个热电偶支脚基本上上隐藏于该悬浮薄板下方。
依据本发明的另一实施方式，提出一种热电堆红外线阵列元件，包括多个具有隐藏式热电偶支脚的热电堆元件，各该热电堆元件包括：一硅基板；一洼部，形成于该基板上；多个热电偶支脚，以悬臂的方式形成于该基板上洼部的上方，各热电偶支脚具有一第一端与位于该第一端反侧的一第二端，该第一端是与该基板连接，以形成一冷接触端，该第二端是与该基板距离一预定的距离；及一悬浮薄板，形成于该多个热电偶支脚的上方，该悬浮薄板是藉由该热电偶支脚的该第二端而受到支撑，以形成一热接触点，且该多个热电偶支脚基本上隐藏于该悬浮薄板下方。
依据本发明的又另一实施方式，提出一种具有隐藏式热电偶支脚的热电堆红外线元件的制造方法，包括以下步骤：
于一硅基板上形成第一牺牲层与多个热电偶支脚，各热电偶支脚具有一第一端与远离第一端的一第二端；于多个热电偶支脚的第二端上形成第一金属层；
于第一牺牲层、热电偶支脚、与第一金属层上形成一第二牺牲层；
去除部分的第二牺牲层以形成至少一第一金属层接触孔与多个热电偶支脚的第一端外围的一似甜甜圈状接触孔；
藉由选择性化学沉积方式，于接触第一金属层的至少一接触孔形成至少一金属导体柱，直到该金属导体柱的高度接近第二牺牲层的水平为止；
于裸露的所有平面上形成一第二金属层；
藉由选择性化学沉积方式，在第二金属层上形成浮板金属层；
于浮板金属层上方形成一黑体层；及
从多个热电偶支脚的第一端外围的似甜甜圈接触孔依序蚀刻去除第二牺牲层与第一牺牲层，藉以形成悬臂式热电偶支脚支撑的悬浮薄板，其中，金属导体柱连接悬臂式热电偶支脚的第二端与悬浮薄板，且悬浮薄板是由第二金属层、浮板金属层及黑体层组成。
附图简单说明
图1显示一种现有热电堆元件的俯视示意图。
图2是为沿着图1的线A-A的剖面图。
图3A是为依据本发明的一实施例的立体结构的分解示意图。
图3B为图3A的立体结构的示意图。
图3C为图3B的俯视示意图。
图4显示依本发明的热堆阵列元件之的1-D或2-D阵列元件的示意图。
图5A至5G是以制造顺序说明本实施例的热电堆红外线元件的结构的剖面图。
图6显示本发明的另一实施例的热电堆红外线元件的示意剖面图。
附图符号说明
10～热电堆元件
20～热电堆元件
100～硅基板
101～悬浮薄板
102～黑体层
103～热电偶支脚
103a～第一热电偶导体
103b～第二热电偶导体
104～热接触区
105～冷接触区
106～蚀刻窗口
107～洼部
108～第一绝缘膜
109～第二绝缘膜
110～第三绝缘膜
200～硅基板
201～绝缘层
202～集成电路
221～悬浮薄板
222～热电偶支脚
222a～第一金属层
223～热接触区
224～冷接触区
225～洼处(第二间隙)
228～热电偶支脚层
300～各向异性蚀刻窗
310～光致抗蚀剂材料层
310a～接触孔
310b～接触孔
311～镍导体柱
312～第二金属层
312a～第二金属层
312b～第二金属层
313～镍金属层
314～黑体层
315～第一间隙
优选实施例的说明
为了改进上述现有技术的缺点，本发明提出一全新的热电堆元件结构以改进之。
请参见图3A，其为本发明的一实施例的立体结构分解示意图。图3B为立体结构的示意图。图3C为图3B的俯视示意图。参见图3A至3C，本实施例的热电堆元件20包括一硅基板200，一热电偶支脚层228，以及一悬浮薄板221。于硅基板200的中央区域形成一洼部225。热电偶支脚层228形成于硅基板200之上，而位于洼部225上方的部分包括了多个悬臂式热电偶支脚222，热电偶支脚222的第二端与悬浮薄板221接触形成一热接触区223，而第一端则与基板200接触形成一冷接触区224。悬浮薄板221还包括位于其上方的黑体层(未显示)，藉以吸收入射的红外线辐射。
图3A所示的结构可称之为隐藏式热电偶支脚结构，为本发明的最重要精神。其优点为减少图1所示现有元件中Z部分增加的电阻值，且可以大幅减少元件的面积(在此X可视为0)，降低生产成本，同时，热电偶的冷接触区224完全隐藏于悬浮薄板221之下，避免直接暴露于红外线热辐射的照射，可以维持更好的参考温度特性。除了单一元件的制作，若将此结构应用于图4显示的1-D或2-D阵列元件的制作，更可以将阵列元件的填充率(fill factor)提升至90～97％，比起各种文献所发表的60～70％高出许多。
以下将沿着图3C的线B-B，并以图5A至5G的剖面图所显示的制作顺序，说明本实施例的热电堆红外线元件的结构。
(1)如图5A所示，首先，提供一基板200，其通常为晶向(100)的硅晶片或硅绝缘层硅晶片(SOI)，于其上已形成有热电偶支脚222。除了没有黑体层102以外，热电偶支脚222的结构可以完全近似于圆2所示现有技术的热电偶结构，而上述热电偶的材料可由N型及P型硅导体所组成，也可由硅导体与金属导体所组成，或二种不同金属导体组成。而在热电偶支脚的第二端的区域(热接触区域)定义一第一金属层222a，该第一金属层222a的材料可为集成电路制作工艺中常用的铝、铜或相关合金，且厚度约为0.1～1μm。各向异性蚀刻窗300是贯通热电偶支脚222形成，藉以使硅基板200露出一部分。
(2)如图5B所示，旋转涂布一光致抗蚀剂材料层310(可作为后述的第二牺牲层)，并藉由光掩模定义出光致抗蚀剂材料层310的去除部分310a与310b。符号310a为裸露第一金属层222a的接触孔，而符号310b则是裸露热电偶支脚的第一端(冷接触区域)外围一部分的接触孔(为一甜甜圈式的封闭区域)。而光致抗蚀剂材料层310为一般商用的正型光致抗蚀剂，但是为了达到适当的平坦化作用，其厚度需大于1.5μm。
(3)如图5C所示，利用选择性化学成长方式(即通称的无电极电镀技术)，在裸露的第一金属层222a上成长镍导体柱311，直到填满接触孔310a为止。无电极电镀镍的方法主要是利用SnCl2或PdCl2溶液锌置换或活化第一金属层222a的表面，接着利用以镍盐为主的溶液在第一金属层222a的表面成长出镍金属。由于此一方法对于例如光致抗蚀剂或介电材料的非导体有选择性，故称之为选择性化学成长。
(4)如图5D所示，于光致抗蚀剂材料层310上、镍导体柱311上及接触孔310b底部利用物理蒸汽沉积一第二金属层312、312a及312b。其中，第二金属层312用于定义悬浮薄板221，而第二金属层312b会随着后面所描述光致抗蚀剂材料层310去除时而被掀除，第二金属层312a则是沉积于接触孔310b的底部。第二金属层的材料可以是前述的第一金属层222a的材料、镍、或镍合金，其厚度约为0.1～0.5μm。
(5)如图5E所示，同样利用选择性化学成长方式，在所有第二金属表面成长一镍金属层313。
(6)如图5F所示，接着形成一黑体层314，其材料为金黑、白金黑及镍铬等红外线热辐射吸收材料，其厚度为几十至几百埃。
(7)如图5G所示，以各向异性蚀刻溶液，从预定的接触孔310b位置开始，将光致抗蚀剂材料层310及裸露的部分硅基板材料同时去除，以形成第一间隙315与洼处(第二间隙)225。第一间隙315是由光致抗蚀剂所定义，而第二间隙225是以硅各向异性蚀刻技术，将位于热电偶支脚222下方的部分基板200移除而形成的V-型漕，并造成悬浮的支脚结构。具体言之，当执行上述各向异性蚀刻时，可选用高浓度的联胺(hydrazine)作为蚀刻溶液，且蚀刻溶液温度为80-100℃。选用上述溶液的原因为：除了单晶硅、多晶硅及光致抗蚀剂以外，上述蚀刻溶液对于集成电路制作工艺中所有材料(包括介电层及金属)皆有相当低的蚀刻速率。因此，上述蚀刻溶液非常适合与集成电路相容的微型元件的制作。
由以上的说明，应注意到，图5A至图5B的制造程序，及所选用的所有材料及制作方式，是可以完全相匹配于现今的各种商用集成电路制作工艺的。而图5C至图5G的制造程序，却可以不需要任何光掩模制作工艺，仅利用简单的沉积及去除步骤完成。这是本发明除了隐藏支脚结构外，另一重要的发明精神：建立无晶片厂(fabless)的生产方式(仅需建立简单的制作工艺)，类似IC设计公司的理念，以利大幅降低成本，增加竞争力。
图6显示本发明的另一实施例的示意剖面图。图6所示结构的制造过程与图5A至5G几乎相同的，对于其制作流程在此不赘述，差别仅为第二间隙225的形成是事先定义一多晶硅材料或非晶硅材料(厚度大约介于0.3至3μm之间)以作为一第一牺牲层，而后以各向异性蚀刻溶液将第一间隙315的光致抗蚀剂材料层及第二间隙225的硅材料加以去除。而值得注意的是第一牺牲层的底部有一绝缘层201，用以隔绝底部的硅基板材料，绝缘层201可以为集成电路制作工艺中的氧化硅或氮化硅材料。同时，图6结构的优点为其还可包括一制作于硅基板材料中的集成电路202，将热电堆元件所产生的电信号处理。集成电路202位于悬浮薄板221的正下方，故可以不占额外的芯片面积，减低生产成本，而此举对于图4所示阵列元件的制作更是有利(高填充率的独石体阵列元件制作)。
在优选实施例的详细说明中所提出的具体实施例仅用以方便说明本发明的技术内容，而并非将本发明狭义地限制于上述实施例，在不超出本发明的精神与权利要求的情况下，所作的种种变化实施方式仍属于本发明的范围。
举例而言，上述的热电偶支脚，冷接触区，与热接触区，在权利要求中，是分别以第一端与第二端表示其详细部位。再者，光致抗蚀剂材料层是作为一第二牺牲层，使得能制作出悬浮薄板的结构；而硅基板裸露的部分或多晶硅或非晶硅也作为一第一牺牲层，使得能制作出悬臂式的热电偶支脚结构。
Claims (16)
1.一种具有隐藏式热电偶支脚的热电堆红外线元件，包括：
一硅基板；
一洼部，形成于该硅基板上；
多个热电偶支脚，以悬臂的方式形成于该洼部的上方，各热电偶支脚具有一第一端与位于该第一端反侧的一第二端，该第一端与该基板连接，以形成一冷接触端，该第二端与该基板距离一预定的距离；及
一悬浮薄板，形成于该多个热电偶支脚的上方，该悬浮薄板藉由该热电偶支脚的该第二端而受到支撑，以形成一热接触端，且该多个热电偶支脚基本上隐藏于该悬浮薄板下方。
2.如权利要求1的具有隐藏式热电偶支脚的热电堆红外线元件，其中，各该热电偶支脚包括一热电偶，该热电偶是由N型及P型硅导体所组成。
3.如权利要求1的具有隐藏式热电偶支脚的热电堆红外线元件，其中，各该热电偶支脚包括一热电偶，该热电偶是由硅导体与金属导体所组成。
4.如权利要求1的具有隐藏式热电偶支脚的热电堆红外线元件，其中，各该热电偶支脚包括一热电偶，该热电偶是由二种不同金属导体所组成。
5.一种热电堆红外线阵列元件，包括多个具有隐藏式热电偶支脚的热电堆元件，成矩阵排列，各该热电堆元件包括：
一硅基板；
一洼部，形成于该基板上；
多个热电偶支脚，以悬臂的方式形成于该基板上洼部的上方，各热电偶支脚具有一第一端与位于该第一端反侧的一第二端，该第一端与该基板连接，以形成一冷接触端，该第二端与该基板距离一预定的距离；及
一悬浮薄板，形成于该多个热电偶支脚的上方，该悬浮薄板是藉由该热电偶支脚的该第二端而受到支撑，以形成一热接触端，且该多个热电偶支脚基本上隐藏于该悬浮薄板下方。
6.如权利要求5的热电堆红外线阵列元件，还包括一集成电路，形成于该基板中，且位于该悬浮薄板下方，并与该多个热电偶支脚电连接，藉以对该多个热电偶支脚的输出作处理。
7.如权利要求5的热电堆红外线阵列元件，其中，各该热电偶支脚包括一热电偶，该热电偶是由N型及P型硅导体所组成。
8.如权利要求5的热电堆红外线阵列元件，其中，各该热电偶支脚包括一热电偶，该热电偶是由硅导体与金属导体所组成。
9.如权利要求5的热电堆红外线阵列元件，其中，各该热电偶支脚包括一热电偶，该热电偶是由二种不同金属导体所组成。
10.一种具有隐藏式热电偶支脚的热电堆红外线元件的制造方法，包括以下步骤：
于一硅基板上形成一第一牺牲层与多个热电偶支脚，各热电偶支脚具有一第一端与远离第一端的一第二端；
于多个热电偶支脚的第二端上形成第一金属层；
于第一牺牲层、热电偶支脚、与第一金属层上形成一第二牺牲层；
去除部分第二牺牲层以形成至少一第一金属层接触孔与多个热电偶支脚的第一端外围的一似甜甜圈状接触孔；
藉由选择性化学沉积方式，于接触第一金属层的至少一接触孔形成至少一金属导体柱，直到该金属导体柱的高度接近第二牺牲层的水平为止；
于裸露的所有平面上形成一第二金属层；
藉由选择性化学沉积方式，在第二金属层上形成浮板金属层；
于浮板金属层上方形成一黑体层；及
从多个热电偶支脚的第一端外围的似甜甜圈接触孔依序蚀刻去除第二牺牲层与第一牺牲层，藉以形成悬臂式热电偶支脚支撑的悬浮薄板，其中，金属导体柱连接悬臂式热电偶支脚的第二端与悬浮薄板，且悬浮薄板是由第二金属层、浮板金属层及黑体层组成。
11.如权利要求10的具有隐藏式热电偶支脚的热电堆红外线元件的制造方法，其中，第二牺牲层是为正型光致抗蚀剂，其厚度大于1.5μm。
12.如权利要求10的具有隐藏式热电偶支脚的热电堆红外线元件的制造方法，其中，第一牺牲层为单晶硅基板预先定义的一部分。
13.如权利要求10的具有隐藏式热电偶支脚的热电堆红外线元件的制造方法，其中，第一牺牲层的材料为多晶硅，其厚度介于0.3至3μm之间。
14.如权利要求10的具有隐藏式热电偶支脚的热电堆红外线元件的制造方法，其中，第一牺牲层的材料为非晶硅，其厚度介于0.3至3μm之间。
15.如权利要求12、13、或14项的具有隐藏式热电偶支脚的热电堆红外线元件的制造方法，其中，该第一牺牲层硅材料的去除是采用各向异性蚀刻溶液联胺(hydrazine)，操作温度80至100℃之间。
16.如权利要求10的具有隐藏式热电偶支脚的热电堆红外线元件的制造方法，其中，金属导体柱及浮板金属层，其材料为镍或镍合金。
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| CN02102055.8A CN1433089A (zh) | 2002-01-18 | 2002-01-18 | 具有隐藏式热电偶支脚的热电堆红外线元件及其制造方法 |
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| WO2016095600A1 (zh) * | 2014-12-18 | 2016-06-23 | 上海新微技术研发中心有限公司 | 一种立体式温度探测器及其制造方法 |
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2002
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