CN202066597U - 一种微型桥式红外测温传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种微型桥式热电堆红外测温传感器,它采用微型桥式结构,包括硅衬底和设置在硅衬底上的微桥,微桥的传感器光敏区悬浮设置在硅衬底被刻蚀后形成的空腔之上,热电堆热端位于微桥中心区域,冷端位于硅衬底热沉之上,微桥包括由内向外依次设置的由氧化硅薄膜和氮化硅薄膜制成的支撑层、掺杂多晶硅和Al薄膜制成的Al-Si热电偶和氮化硅制成的钝化层,微桥的传感器光敏区外表面设有红外线吸收层,掺杂多晶硅和Al薄膜之间设有隔离介质层,微桥上设有刻蚀孔。本实用新型有益效果是:该传感器可以在任何CMOS集成电路代工厂加工制作,无需针对器件开发专用材料与工艺,工艺通用性好,器件成本低。此外,传感器释放采用正面光刻和干法等离子体腐蚀技术,工艺可控性好,器件成品率高。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种微型桥式红外测温传感器。
背景技术
红外线是一种人眼不可见光线,它包含了物体的温度信息。通过测量物体的红外辐射,可以测量物体表面温度。热电堆红外线温度传感器是一种常见的红外测温传感器,它是基于赛贝克效应(Seebeck effect)原理工作的。塞贝克效应是指两种不同材料组成的热偶,如果闭合回路之间的两个节点之间存在温度差,就会在温度中产生电动势。早期的热电堆红外温度传感器是将热偶材料沉积在塑料或者氧化铝衬底之上获得的。随着MEMS技术的发展,各种MEMS红外线温度传感器开始崭露头角。现有热电堆红外测温传感器市场产品的热偶材料一般采用赛贝克系数较高的Bi-Sb、Bi-Ag或者Bi-Te材料,这类材料虽然具有较高的赛贝克系数,但其制作工艺与标准CMOS工艺不兼容,难以与处理电路单片集成。其次,现有热电堆测温传感器市场产品多采用背向腐蚀技术,需要双面对准光刻,对设备要求高,工艺复杂。最关键的是,背面腐蚀完毕后,由于部分硅衬底被刻穿造成应力集中,硅衬底很容易从刻穿处破损,器件成品率不高。
为解决该问题,国内外诸多研究机构也在寻找可行的解决方案。中国发明专利(申请号:00116388.4)提出了一种解决方法,该方法核心为采用正面光刻和湿法腐蚀技术,制造出悬臂结构。热电堆制作在悬臂结构之上,热偶材料选用绝缘体上掺杂单晶硅(SOI)和铝薄膜。相对于现有产品,该方法可有效解决工艺兼容和背面腐蚀成品率不高难题。但仍然存在不足:首先,该专利热偶材料选用掺杂单晶硅和Al薄膜,与多晶硅相比,单晶硅虽然具有高的赛贝克系数,但SOI衬底成本较高,不利于器件进一步降低成本。其次,该发明利用湿法腐蚀(TMAH或者KOH)腐蚀硅衬底,湿法腐蚀衬底防护难度较大,可控性也难以得到保证。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是提供一种微型桥式红外测温传感器。该微机械热电堆红外温传感器全部采用CMOS材料制作,制造工艺与CMOS工艺完全兼容,可以在通用集成电路代工厂加工制作。其次,本发明采用等离子体干法刻蚀技术,利用等离子刻蚀的各向同性特性进行硅衬底刻蚀,具有高度可控性好,器件成品率高等诸多优点。
本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下:一种微型桥式红外测温传感器,它采用桥式结构,包括硅衬底和设置在硅衬底上的微桥,微桥的传感器光敏区悬浮设置在硅衬底被刻蚀后形成的空腔之上,热电堆热端位于微桥中心区域,冷端位于硅衬底热沉之上,微桥包括由内向外依次设置的由氧化硅薄膜和氮化硅薄膜制成的支撑层、掺杂多晶硅和Al薄膜制成的Al-Si热电偶和氮化硅制成的钝化层,微桥的传感器光敏区外表面设有红外线吸收层,掺杂多晶硅和Al薄膜之间设有隔离介质层,微桥上设有刻蚀孔。
进一步的,掺杂多晶硅为P型或N型。
进一步的,隔离介质层采用掺杂氧化硅薄膜或氮化硅薄膜。
进一步的,红外线吸收层采用氮化硅薄膜、黑金、聚酰亚胺或聚对二甲苯制成。
进一步的,红外线吸收层厚度为0.05~0.5微米,红外线吸收层对红外线辐射的吸收效率为90%以上。
本实用新型的有益效果是:
(1)测温传感器采用CMOS工艺中的掺杂多晶硅-Al作为器件热偶材料,敏感材料与大规模集成电路工艺完全兼容,传感器部分工艺可以在通用大规模集成电路代工厂加工制作;
(2)由于加工工艺与集成电路工艺兼容,该传感器可以与处理电路单片集成,制作智能型红外测温传感器;
(3)在传感器光敏区制作了一层黑金红外线吸收层,可提高器件红外利用效率。
附图说明
图1为本实用新型俯视图;
图2为本实用新型剖视图;
附图中,各标号所代表的部件列表如下:
1、硅衬底,2、空腔,3、氧化硅薄膜,4、氮化硅薄膜,5、掺杂多晶硅,6、隔离介质层,7、AL薄膜,8、钝化层,9、红外线吸收层,10、刻蚀孔。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述,所举实例只用于解释本实用新型,并非用于限定本实用新型的范围。
如图1和图2所示,一种微型桥式红外测温传感器,为减小器件与硅衬底1热沉间的热导,它采用桥式结构,包括硅衬底1和设置在硅衬底1上的微桥,微桥的传感器光敏区悬浮设置在硅衬底被刻蚀后的空腔2之上,热电堆热端位于微桥中心区域,冷端位于硅衬底1热沉之上,微桥包括由内向外依次设置的由氧化硅薄膜3和氮化硅薄膜4制成的支撑层、掺杂多晶硅5和Al薄膜7制成的Al-Si热电偶和氮化硅制成的钝化层8,微桥的传感器光敏区外表面设有红外线吸收层9,掺杂多晶硅5和Al薄膜7之间设有隔离介质层6,微桥上设有刻蚀孔10,该刻蚀孔10用以在传感器释放工艺中刻蚀硅衬底形成空腔2。
掺杂多晶硅5为P型或N型。
隔离介质层6采用掺杂氧化硅薄膜或氮化硅薄膜。
红外线吸收层9采用氮化硅薄膜、黑金、聚酰亚胺或聚对二甲苯制成,通常采用蒸镀方式实现。
本发明中各个组成部分的作用为:
硅衬底1用于支撑传感器敏感微桥结构,同时作为冷端热沉;
硅衬底1刻蚀形成的空腔2用于提供传感器光敏区与硅衬底1热沉间的热绝缘,提高传感器探测灵敏度;
传感器微桥悬浮支撑在硅衬底1空腔2之上,空腔2内空气用作热绝缘层,防止传感器吸收的红外辐射经衬底快速散失;
由于Al-Si热电偶的强度有限,Al-Si热电偶的下层氮化硅薄膜4、氧化硅薄膜3用做支撑层,支撑微桥结构悬浮;Al-Si热电偶的上层氮化硅用作钝化层8,防止Al材料在封装气氛中腐蚀失效;
在钝化层8之上,还利用微机械加工工艺制作了一层黑金红外线吸收层9,提高传感器的红外吸收效率。
在本发明中,硅衬底1的空腔2刻蚀是一项关键工艺。空腔2刻蚀采用等离子体干法刻蚀技术,传感器正面防护采用聚酰亚胺薄膜制作的保护层11。刻蚀设备可选用电感耦合等离子体刻蚀机(ICP)。在微加工工艺中,ICP通常用于刻蚀垂直硅侧壁,最常用的是博世公司开发的Bosch工艺,利用聚合物交替刻蚀技术保护侧壁不受刻蚀,形成垂直侧壁结构。本发明所使用的工艺为改进的Bosch工艺,通过调整工艺参数,使得侧壁聚合物来不及形成就被刻蚀,从侧向腐蚀硅衬底。通过调整刻蚀工艺参数,可以使得刻蚀速率纵横比率达到2:1~3:1,这样,当纵向刻蚀深度达到300微米时,横向刻蚀可以达到100微米,完全释放微桥结构。
在本发明中,硅空腔刻蚀采用体硅牺牲层工艺。所谓体硅牺牲层工艺,是指利用干法或者湿法刻蚀,去除硅衬底部分材料,释放微结构。在本发明中选用干法等离子体刻蚀技术。在体硅刻蚀过程中,首先需要在芯片表面制备一层保护层材料,在硅晶圆上旋涂保护层并图形化,保护层采用聚酰亚胺薄膜;假定等离子体刻蚀工艺刻蚀速率纵横比为2:1,当纵向刻蚀深度为200微米时,横向刻蚀深度将达到100微米。ICP刻蚀硅材料可达每分钟十几微米至几十微米,因此采用本方法,传感器可以在十多分钟后得到释放,且不存在湿法刻蚀的玷污和工艺难题控制的难题。
本实用新型微机械CMOS热电堆红外测温传感器生产工艺具体如下:
步骤1:利用CMOS电路工艺在硅衬底1上制作微桥:
(1)硅衬底1处理,
(2)支撑层制备,支撑层采用氧化硅薄膜和氮化硅薄膜制备,
(3)多晶硅制作与掺杂,
(4)隔离介质层淀积,隔离介质层采用氧化硅薄膜,互联孔刻蚀,
(5)Al薄膜淀积和图形化,
(6)钝化保护层淀积,
(7)刻蚀孔制作。
本加工步骤中的所涉及的材料和工艺均采用集成电路代工厂通用技术,可以在任何IC代工厂加工制作。
步骤2:红外吸收层9制作,当步骤1完成后,加工的产品从集成电路代工厂取出,清洗后利用微机械加工工艺在芯片表面制作一层黑金红外线吸收层9,红外线吸收层9厚度为0.05~0.5微米,黑金红外线吸收层9对红外辐射的吸收效率为90%以上,镀膜工艺温度控制很低,不会对CMOS工艺形成的结构造成任何损伤。
步骤3:旋涂聚酰亚胺薄膜保护层,并图形化,利用旋涂工艺在芯片表面旋涂一层聚酰亚胺薄膜保护层,薄膜厚度约为5~30微米,之后进行热处理亚胺化(温度控制在350左右)和图形化,保护层制作完毕后,芯片表面绝大部分区域被保护,保护层也可以直接采用光敏聚酰亚胺薄膜,直接利用光刻定义图形保护层形状。
步骤4:利用ICP制作空腔2,释放传感器光敏区域。利用ICP工艺刻蚀硅衬底1,挖空微桥下硅材料,微桥结构悬浮,通过调整工艺参数,使得侧壁聚合物来不及形成就被刻蚀,且从侧向腐蚀硅衬底;调整工艺参数,使得刻蚀速率纵横比率达到2:1~3:1,这样,当纵向刻蚀深度达到300微米时,横向刻蚀可以达到100微米,完全释放微桥结构。工艺完毕后,微桥结构悬浮支撑在硅衬底1热沉之上,在微桥与硅衬底1之间充满了空气,可显著降低传感器光敏区与硅衬底热沉1间的热导,
步骤5:利用氧等离子体去除聚酰亚胺薄膜保护层,完成芯片制作工艺。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例,并不用以限制本实用新型,凡在本实用新型的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种微型桥式红外测温传感器,其特征在于:它采用桥式结构,包括硅衬底和设置在硅衬底上的微桥,热电堆热端位于微桥中心区域,冷端位于硅衬底热沉之上,微桥的传感器光敏区悬浮设置在硅衬底被刻蚀后形成的空腔之上,微桥包括由内向外依次设置的由氧化硅薄膜和氮化硅薄膜制成的支撑层、掺杂多晶硅和Al薄膜制成的Al-Si热电偶和氮化硅制成的钝化层,所述微桥的传感器光敏区的外表面设有红外线吸收层,所述掺杂多晶硅和Al薄膜之间设有隔离介质层,所述微桥上设有刻蚀孔。
2.根据权利要求1所述的一种微型桥式红外测温传感器,其特征在于:所述掺杂多晶硅为P型或N型。
3.根据权利要求1或2所述的一种微型桥式红外测温传感器,其特征在于:所述隔离介质层采用掺杂氧化硅薄膜或氮化硅薄膜。
4.根据权利要求1所述的一种微型桥式红外测温传感器,其特征在于:所述红外线吸收层采用氮化硅薄膜、黑金、聚酰亚胺或聚对二甲苯制成。
5.根据权利要求1或4所述的一种微型桥式红外测温传感器,其特征在于:所述红外线吸收层厚度为0.05~0.5微米,红外线吸收层对红外线辐射的吸收效率为90%以上。
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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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Date | Code | Title | Description |
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C14 | Grant of patent or utility model | ||
GR01 | Patent grant | ||
CX01 | Expiry of patent term |
Granted publication date: 20111207 |
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CX01 | Expiry of patent term |