CN1514215A - 不接触式温度测量传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及到借助于涂在薄膜上和/或下的热敏区测量温度的传感器，其中将薄膜安排在洞的上面。洞是这样通过反应的离子蚀刻方法蚀刻出来的，洞的侧面是完全通过与薄膜安排成80°和100°之间的一个角度的侧壁包围着，其中将相邻的侧壁相互安排成至少40°的一个角度。

Description

不接触式温度测量传感器
技术领域
本发明涉及到借助于涂在薄膜上/或下的热敏区的温度测量传感器，其中薄膜是安装在一个洞上面的。
背景技术
附图1表示了这种传感器。按照附图1传感器有侧壁，这些侧壁与传感器的底边，即薄膜对面的端部有一个角度α。按照附图1已知传感器的角度α为54.7 °。
如果已知将这种传感器是构成为热红外-传感器，特别是构成为热核反应堆传感器的，和其中的传感器是用微机械技术制成的。在其中位于构成传感器的硅-基质上边的薄膜是由介电层例如SiO2或Si3N4或其组合制成的。将薄膜通过抗绝缘的蚀刻例如通过KOH或EDP构成，其中将矩形的薄膜结构可以由硅构成，如果硅片的结晶方向是<100>时。进行硅蚀刻的壁是在所谓的111平面上，因此产生大约为54.7°有特征的斜的壁。用于温度测量的阶段应传感器例如是在EP 1 039 280A2，EP 1 045 232 A2，EP 1 0 599 364 B1，US 3,801,949，US5,693,942，DE 42 21 037 A1和DE 197 10 946 A1中已知。
发明内容
本发明的任务是叙述一种改进的温度测量传感器和其制造的对应方法。在其中期望，在同样灵敏度时阶段应的传感器比已知传感器用尽可能小的尺寸构成，或者在同样尺寸情况下构成比较灵敏的传感器。
此任务是通过借助于涂在安排在洞上面的薄膜上/或下的热敏区进行温度测量的传感器解决的，其中洞是通过反应的离子蚀刻方法蚀刻的。其中作为反应的离子蚀刻方法是使用特别有益的深度反应离子蚀刻(DRIE)。这种传感器涉及到其尺寸有特别高的灵敏度。这种传感器与已知传感器阶段比在同样灵敏度时明显的小。其中将反应的离子蚀刻方法这样使用在本发明的有益结构上，洞的侧边完全被侧壁包围着，特别是其中将相邻的侧壁相互安排至少为角度40°。借助于反应的离子蚀刻方法此外或者有选择地将洞用本发明有益地这样蚀刻，至少将侧壁(有益的是所有侧壁)安排得与薄膜的角度为80°和100°之间。
此外此任务是通过借助于涂在安排在洞上面的薄膜上/或下的热敏区的温度测量传感器解决的，在其中洞的侧边是完全被侧壁包围着，特别是其中将相邻的侧壁安排为至少40°的角度，和其中将侧壁(有益的是所有侧壁)安排与薄膜的角度至少为80°和100°之间。这种传感器在比较大的敏感度时有特别小的尺寸。这种传感器有用硅构成的特别窄的外缘和底边的前端面和与壳体底板机械固定的后端面适合于用环氧树脂-边缘面(典型的为0.1至0.2mm)。
此外本发明有益的结构是将相邻的侧壁相互安排为至少45°，有益的是80°。
在热敏区上可以涂上例如由Si3N4构成的钝化层。
通过本发明有益的结构当将相邻的侧壁相互安排原则上为90°，例如80°至100°时达到特别小传感器的目的。这种传感器在敏感度比较大时尺寸特别小，因为这种传感器在同样敏感度时比已知的传感器大约小0.5-0.7mm。
在本发明有益的结构中将至少一个侧壁与薄膜安排成70°至90°之间的角度，特别是85°至90°之间的角度，包围洞的薄膜面积大于薄膜对面的洞的开口的(或者必要时是封闭的)面积。其中有益的是将所有的侧壁与薄膜构成为70°和90°之间的一个角度，特别是85°和90°之间的角度，包围洞的薄膜面积大于薄膜对面的洞的开口的(或者必要时封闭的)面积。这种传感器对灵敏度没有损害机械特别稳定。
此外本发明有益的结构原则上所有的侧壁是由硅构成的。
此外将本发明有益的结构构成为热核反应堆传感器，此时热敏区有由至少两种热电材料，特别是有各自由p-导电的硅和铝或n-导电的硅和铝或p-导电的硅和n-导电的硅构成的材料构成的串联电路。热电材料可以是结晶硅或聚晶硅，聚晶硅-锗或非结晶硅。其中特别有益的是，如果串联电路有由p-导电的硅和n-导电的硅构成的并列安排区域，这些区域是经过金属桥，特别是铝(有益的是具有两个接触窗)相互连接的。通过相互并列安排的由p-导电的硅和n-导电的硅构成的区域的结构形式传感器的信号电压可以比由n-导电的聚晶硅和由铝构成的结构形式提高30至80％。
此外作为热核反应堆传感器有益的实施结构串联电路有至少一个p-导电的硅层和至少一个n-导电的硅层，这些是上下安排的和通过一个绝缘层特别是通过氧化硅或氮化硅隔开的。用这种方法可以将传感器的信号电压提高10至15％。
此外本发明有益的实施结构是将传感器构成为热电传感器，其中热敏区有由两个电极层构成的堆和安排在两个电极层之间的热电层，特别是有一个热电薄层，例如一个热电陶瓷或聚合物层，将这些特别是通过溅射，离心喷涂或CVD-处理涂在下面的电子层上。
此外本发明有益的实施结构是将传感器构成为辐射温度计，其中热敏区有由金属氧化物和半导体构成的曲折层，特别是具有非常高的温度系数，也就是说特别是电阻温度系数至少为2·10-3K-1，优异的是2·10-2K-1。
此外本发明有益的实施结构是矩形的，有益的是正方形的薄膜。其中在本发明有益的实施结构中的薄膜在其边角处有洞，这样就产生十字形状的基面。在这些洞的地方安排了有益的连接岛。
此外本发明有益的实施结构是将传感器集成为一个半导体芯片，特别是硅片。
在制造按照本发明测量温度的传感器方法中有益的是将薄膜安排在一个载体上，有益的是在硅载体上面和在薄膜下面用反应的离子蚀刻方法将洞蚀刻在载体中。其中作为反应的离子蚀刻方法是使用特别有益的深度反应离子蚀刻(DRIE)方法。
为了在硅内制造几乎垂直的蚀刻槽的侧壁有益的是利用一种所谓的ICP-反应器(电感耦合的等离子体)，其中与RIE-反应器(反应的离子蚀刻)阶段反将电感耦合的能量输入给等离子体。这导致极高的离子化密度和使得每分钟数个μm的硅的高蚀刻率成为可能。(各向同性)蚀刻是用氟-基(例如SFσ作为蚀刻气体)，在其中蚀刻阶段的节奏交换时进行所谓的钝化阶段，在其中在侧壁(蚀刻槽)表面上沉积聚合物层(例如加入C4F8)，这个避免了侧面方向的蚀刻。在槽的底板上通过加上BIAS-电压避免了聚合物的形成。这种处理例如在US 550 18 93中已经详细地公开了。
惊异地显示出将上述方法(在下面也被称为处理)可以使用在以下应用中：
-所谓的“穿透晶片的蚀刻”：与普通的深度为数十个μm的处理不同的是将芯片完全穿透蚀刻(蚀刻深度大约为200至800μm)
-在蚀刻过程中作用在等离子体上的面积大约为芯片总面积的20％至50％。(普通的处理在只有总面积的几个％上蚀刻)。为了在整个芯片上确保蚀刻深度的均匀性，处理必须用选择性非常小的掩膜材料进行。这又要求使用非常高电阻能力的掩膜材料。
此外显示出通过适当的处理方法可以影响传感器元件的一定特性：
-通过降低钝化循环蚀刻处理有比较少的各向异性和人们得不到理想的垂直的壁，而蚀刻槽向下扩展。人们将这种蚀刻轮廓称为“凹的”。这在多元件传感器中的优点是，其中将薄中间壁与旁边的蚀刻槽隔开几个μm。在芯片反面的壁比薄膜方面的壁薄，这导致提高了稳定性。
-为了当遇到介电薄膜时这个不会损害而且还确保好的结构传输和干净的薄膜表面，应该将整个过程采用多个步骤进行，多个步骤在处理参数的选择上基本上是不同的。在用均匀性好和(有益的)蚀刻率高的第一个处理步骤之后，一旦达到薄膜时，用非常高的薄膜材料的选择性的处理步骤进行，也就是说小的蚀刻率或者氧化硅。后面的纯各向同性的处理步骤(也就是说没有钝化循环)最后除去或许在薄膜上的硅残余物。
-此外为了清洁薄膜可以使用短时间的湿化学进行蚀刻(四氨氢氧化物)，其中通过适当的方法例如通过光胶覆盖将芯片前面进行保护。
在按照本发明方法有益的实施结构中当进行洞的蚀刻之前在载体薄膜的反面上用反应的离子蚀刻方法的低的蚀刻率涂上一层。有益的是这层是可以摄影光刻的结构层，例如由厚的光胶构成的层，一个氧化硅层或一个金属层。
-用本方法有益的实施结构将热敏区涂在薄膜上。
其他有益的实施结构是由从属权利要求和由后面叙述的实施例中得出。其中表示：
附图描述
附图1用于温度测量的传感器；
附图2按照本发明的温度测量传感器的实施例；
附图3按照本发明的温度测量传感器的另外的实施例；
附图4按照本发明的温度传感器在一个温度测量装置中的应用；
附图5按照本发明的温度传感器在一个温度测量装置中的应用；
附图6芯片体；
附图7芯片体的特别有益的实施结构；
附图8构成为热核反应堆的温度传感器的上视图；
附图9构成为热核反应堆的另外的温度传感器的侧视图；
附图10构成为热核反应堆的温度传感器的特别有益的实施结构；
附图11构成为热电传感器的温度传感器的侧视图；
附图12具有多个传感器的芯片；和
附图13制造传感器的原理性方法。
具体实施方式
附图1表示了用于温度测量的已知的传感器1。这种传感器有具有一个洞8的硅体2。在洞的上边安排了一个薄膜3。将热敏区4涂在薄膜上。洞8是用侧壁5包围着，将侧壁安排得与芯片体2的下端6，也就是说涉及到薄膜3的洞8的对面的端部，有大约为54.7°的角度。
附图2表示了按照本发明的温度测量传感器10的实施例。这个传感器有具有一个洞18的芯片体12。洞18的侧面是用侧壁15包围着。在洞18的上边安排了薄膜13。在薄膜13上面还安排了热敏区14。热敏区是用特别有益的红外热敏实施结构。洞18的侧壁15与芯片体12的底边16形成角度α。角度α有益地为80至100°。涉及到薄膜13将侧壁15安排成对应于100至80°的角度。
附图3表示了对应于附图2温度传感器10的有益的温度测量传感器20。其中同样的零件用与附图2同样的参考符号。将传感器20上的洞18的侧壁15与薄膜13安排成角度β为80和89°之间。用这种方法薄膜13对面芯片体12底边的面积17比被洞18包围的薄膜13的面积小。当忽略敏感度损失时用这种方法达到具有外部尺寸小的特别稳定的芯片体12。
附图2和附图3传感器10和20的薄膜13有益的是由介电层，例如由SiO2或Si3N4SiC或其组合构成的。将薄膜通过反应的干蚀刻(所谓的DRIE)制成的。
在作为热核反应堆的传感器10或者20的实施结构中热敏区14有由至少两个热电材料构成的串联电路，如n-导电的聚硅和铝，p-导电的聚硅和铝或有益的是n-导电的和p-导电的硅。在作为热电传感器的传感器10或者传感器20的实施结构中热敏区14在金属反面电极和顶部电极之间有一个热电薄层。在作为辐射温度计的传感器10或者传感器20的实施结构中热敏区14有用金属氧化物或半导体构成的曲折层。
附图4和附图5表示了温度传感器在一个温度测量装置中的应用。代替传感器20也可以使用传感器10。按照附图4的实施例传感器是位于底板31上，特别是同心的。底板31例如是晶体管-底板TO-5或TO-18。将芯片20有益地借助于具有好的热传导能力的环氧树脂胶粘在底板31上。
通过底板31将触点32，33和34引出来。将触点32和33经过导电连接38和37与传感器20上所谓的连接岛45和46连接在一起。
为了测量温度测量装置30的固有温度有益的在底板31上安装了附加温度传感器36。将这个传感器经过导线39和触点34连接。
-如附图5表示的-在底板上安装了包围传感器20的壳体41。壳体41有一个红外滤波器40。用有益的方法将壳体41构成为晶体管罩子。
附图6表示了芯片体12的结构。参考符号18表示洞和参考符号15表示侧壁。有益的是侧壁相互构成大约为矩形的，也就是说用参考符号γ表示的角度大约为90°。
附图7表示特别有益的芯片体12的实施结构。其中洞18有十字形状的基面，这样芯片体12就被实体边角50，51，52，和53包围。在边角51，52和53上安排了连接岛55，56和57。
附图8表示了构成为热核反应堆的温度传感器的上视图。其中在薄膜13上安装了用p-导电的硅，p-导电的聚晶硅或p-导电的聚晶硅-锗构成的带子90，91，92，93和用n-导电的硅，n-导电的聚晶硅或n-导电的聚晶硅-锗构成的带子100，101，102，103。单个的带子90，91，92，93，100，101，102，103是经过桥形接片80，81，82，83，84，85，86有益的是铝的桥形接片相互连接成串联电路的电连接。在附图8上表示了具有八个带子的配置。有益的是在薄膜13上安排了六十至一百二十个带子k。当然为了达到带子90，91，92，93，100，101，102，103的串联电路对于桥形接片80，81，82，83，84，85，86的有选择的实施结构是可能的。
附图9表示了构成为热核反应堆的有选择的温度传感器的侧视图。其中安排了薄膜13上的热敏区包括用热电材料构成的两层110和112，这两层是通过例如用氮化硅或氧化硅构成的绝缘层111隔开的。其中层110是用n-导电的或p-导电的硅，n-导电的或p-导电的聚晶硅或n-导电的或p-导电的聚晶硅-锗构成的。层112是用p-导电的或n-导电的硅，p-导电的或n-导电的聚晶硅或p-导电的或n-导电的聚晶硅-锗构成的。将两层借助于没有表示的接触窗串联在一起。在有益的实施结构中按照层110，111和112的装置考虑了将两个或三个通过另外的绝缘层相互隔开的装置。
特别有益的是将n-导电的和p-导电的层不仅上下而且并列地安排，其中将单个层串联在一起。附图10表示了这种层的简化例子。其中参考符号120，124，132和136表示层或者n-导电的硅，n-导电的聚晶硅或n-导电的聚晶硅-锗构成的带子。参考符号122，126，130和134表示层或者p-导电的硅，p-导电的聚晶硅或p-导电的聚晶硅-锗构成的带子。参考符号121，123，125，131，133，135表示绝缘层。层120和122，122和124，124和126，130和132，132和134以及134和136是经过接触窗相互电连接的。层126和136是经过铝的桥形接片139相互电连接的，这样层120，122，124，126，136，134，132和130就产生了串联电路。在其中有益的考虑了，相对于附图8安排了由层120至126和130至136构成的两个跺。
附图11表示了构成为热电传感器的温度传感器实施例的侧视图。在其中涂在薄膜13上的热敏区包括一个底部电极140和一个上部电极142以及安排在底部电极140和上部电极142之间的热电层。
将按照本发明的传感器可以单个或多个地安排在一个芯片上。在附图12上表示了后者。此时附图12表示了包括按照附图3多个传感器的一个芯片200。
附图13表示了制造传感器10或者20的原理性方法。其中在第一个步骤70中首先在载体上涂上薄膜13，载体在传感器制成状态时构成为硅体12。
在下一个步骤71中在薄膜对面的载体边16上，也就是说涉及到上述实施例的硅体12的边16上用反应的离子蚀刻方法低蚀刻率涂上一层。有益的是这个层是摄影光刻可以结构化的层(见上述)。
在继续的步骤72中将热敏区14涂在薄膜13上。
在继续的步骤73中随后在薄膜下面通过上述反应的离子蚀刻方法在载体中蚀刻出洞。
步骤73也可以在步骤72之前进行。
用特别有益的方法在传感器所有实施结构中将热敏区用红外吸收层(在附图上没有表示)覆盖(见权利要求24)，这个层是可以摄影光刻结构化的。有益的是这个层是具有吸收粒子的光刻胶，如特别是在DE 4221037 A1“具有吸收层的热传感器”中公开的。

Claims (31)

1.借助于涂在薄膜(13)上和/或下面的热敏区(14)测量温度的传感器(10，20)，其中将薄膜安排在洞(18)的上面，洞的侧面完全用侧壁(15)包围着，
其特征为，
至少将一个侧壁(15)与薄膜安排成80°和100°之间的一个角度β。
2.  借助于涂在薄膜(13)上和/或下面的热敏区(14)测量温度的传感器(10，20)，其中将薄膜安排在洞(18)的上面，
其特征为，
洞是通过反应的离子蚀刻方法蚀刻的。
3.按照权利要求2的传感器(10，20)，
其特征为，
洞的侧边是完全用侧壁包围着，其中将相邻的侧壁相互安排成角度α为至少40°。
4.按照权利要求3的传感器(10，20)，
其特征为，
将至少一个侧壁(15)安排成与薄膜为80°和100°之间的角度。
5.按照权利要求2的传感器(10，20)，其中洞的侧面至少有一个侧壁包围，
其特征为，
将至少一个侧壁安排与薄膜为80°和100°之间的角度β。
6.按照上述权利要求之一的传感器(10，20)，
其特征为，
将相邻的侧壁相互安排成至少为80°的角度α。
7.按照权利要求6的传感器(10，20)，
其特征为，
将相邻的侧壁安排成原则上相互成90°的角度α。
8.按照上述权利要求之一的传感器(10，20)，
其特征为，
将至少一个侧壁与薄膜安排成80°和90°之间的角度β。
9.按照上述权利要求之一的传感器(10，20)，
其特征为，
所有的侧壁主要是用硅构成的。
10.按照上述权利要求之一的传感器(10，20)，
其特征为，
热敏区(14)有至少由两个热电材料构成的串联电路。
11.按照权利要求10的传感器(10，20)，
其特征为，
两个热电材料各自是p-导电的硅和铝或者n-导电的硅和铝或p-导电的硅和n-导电的硅。
12.按照权利要求10或11的传感器(10，20)，
其特征为，
串联电路有并列安排的p-导电的硅和n-导电的硅。
13.按照权利要求10或11的传感器(10，20)，
其特征为，
串联电路至少有一个p-导电的硅层和至少有一个n-导电的硅层，将这些硅层安排成上下的和通过一个绝缘层隔开的。
14.按照权利要求1至9之一的传感器(10，20)，
其特征为，
热敏区有一个堆垛，这个堆垛是由两个电极层和安排在两个电极层之间的一个热电层构成的。
15.按照权利要求1至9之一的传感器(10，20)，
其特征为，
热敏区有由金属氧化物和半导体构成的曲折层。
16.按照上述权利要求之一的传感器(10，20)，
其特征为，
薄膜是矩形的。
17.按照权利要求16的传感器(10，20)，
其特征为，
洞(18)有一个十字形状的基面。
18.半导体芯片，特别是硅芯片，
其特征为，
它有按照上述权利要求之一的传感器。
19.借助于涂在薄膜(13)上和/或下的热敏区(14)，特别是按照权利要求11-13、16、17之一的温度测量传感器，其中热敏区(14)有至少由两个热电材料构成的串联电路，
其特征为，
两个热电材料各自是p-导电的硅，聚晶硅或聚晶硅-锗和n-导电的硅，聚晶硅或聚晶硅-锗。
20.按照权利要求19的传感器(10，20)，
其特征为，
串联电路有并列安排的p-导电的硅，聚晶硅或聚晶硅-锗和n-导电的硅，聚晶硅或聚晶硅-锗。
21.按照权利要求19或20的传感器(10，20)，
其特征为，
串联电路有20至200个，有益的是有60至120个，特别是成对的并列安排的层，这些是由p-导电的硅，聚晶硅或聚晶硅-锗和n-导电的硅，聚晶硅或聚晶硅-锗构成的。
22.按照权利要求20或21的传感器(10，20)，
其特征为，
串联电路至少有一个p-导电的硅层，聚晶硅层或聚晶硅-锗层和至少有一个n-导电的硅层，聚晶硅层或聚晶硅-锗层，将这些上下安排和通过一个绝缘层隔开。
23.按照权利要求22的传感器(10，20)，
其特征为，
串联电路有由p-导电的硅，聚晶硅或聚晶硅-锗和n-导电的硅，聚晶硅或聚晶硅-锗构成的两个或三个成对的层，将这些上下安排和通过一个绝缘层隔开。
24.按照权利要求1-17和19-23之一的传感器(10，20)以及按照权利要求18的半导体芯片，
其特征为，
在温度敏感区(14)涂上一个红外吸收层，红外吸收层是可以光电结构化的。
25.测量温度传感器的制造方法，特别是制造按照上述权利要求之一的传感器的方法，其中将薄膜涂在一个载体上，
其特征为，
在薄膜下面通过反应的离子蚀刻方法在载体中蚀刻出一个洞。
26.按照权利要求25的方法，
其特征为，
在蚀刻洞之前在薄膜对面的载体边上涂上对于反应的离子蚀刻方法具有低蚀刻率的一层。
27.按照权利要求25或26的方法，
其特征为，
在薄膜上涂上热敏区。
28.制造测量温度传感器的方法，特别是制造按照权利要求1至17和24之一的传感器的方法，其中在反应阶段将具有侧壁的洞借助于反应的离子蚀刻方法在载体中蚀刻出来，其中在钝化阶段将一个保护层，特别是将聚合物层沉积在侧壁上，保护层避免或明显地减少从侧壁蚀除材料，和其中制造传感器的方法包括多个有选择的反应阶段和钝化阶段，
其特征为，
将钝化阶段削弱和/或缩短和/或将反应阶段加强和/或延长。
29.按照权利要求28的方法，
其特征为，
将钝化阶段这样削弱和/或缩短和/或将反应阶段这样加强和/或延长，侧壁与载体表面构成80°和90°之间的一个角度(β)。
30.按照权利要求29的方法，
其特征为，
将钝化阶段这样削弱和/或缩短和/或将反应阶段这样加强和/或延长，侧壁与载体表面构成85°和90°之间的一个角度(β)。
31.按照权利要求25至30之一的方法，
其特征为，
载体是一个硅体。
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