IT202100024386A1 - Sensore termico integrato e relativo processo di fabbricazione - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

del brevetto per invenzione industriale dal titolo:

?SENSORE TERMICO INTEGRATO E RELATIVO PROCESSO DI FABBRICAZIONE?

La presente invenzione appartiene al campo dei dispositivi di conversione di energia termica in energia elettrica. Specificamente, la presente descrizione si riferisce ad un sensore termico integrato basato sull'effetto Seebeck e al relativo processo di fabbricazione.

In particolare, di seguito viene descritto un sensore termico formato da una pluralit? di termocoppie collegate in serie, chiamato anche termopila.

Come ? noto, le termopile sono dispositivi in grado di convertire la radiazione elettromagnetica, nella regione infrarossa (nella banda fra 1,1 to 25 ?m), in segnali elettrici utilizzabili in numerose applicazioni.

Ad esempio, l'uso di termopile ? gi? stato proposto per realizzare dispositivi di generazione dinamica di immagini (?dynamic imaging?), sistemi di illuminazione intelligenti (?smart lighting?), edifici intelligenti (?smart buildings?) e nei campi pi? svariati.

Le termopile sono formate da pi? termocoppie collegate generalmente in serie o, meno comunemente, in parallelo. Ciascuna termocoppia ? formata da porzioni di materiali dissimili e genera una tensione quando le giunzioni sono esposte a differenti temperature.

La figura 2 mostra schematicamente il principio di funzionamento di una termocoppia 1. La termocoppia 1 comprende una prima porzione 2 di un primo materiale, accoppiata alle sue estremit? (prima e seconda estremit? 3 e 4) a due seconde porzioni 5 di un differente materiale.

Le prime e le seconde porzioni 2, 5 sono realizzate di materiali diversi, ad esempio metalli o composti di materiali dei gruppi V-VI (quali leghe o composti di Bi, Sb, Te, Se).

Le estremit? 3 e 4 della prima porzione 2 formano giunzioni con le seconde porzioni 5; ad esempio la prima estremit? 3 forma una giunzione di rilevamento (chiamata a volte anche giunzione calda) e la seconda estremit? 4 forma una giunzione di riferimento (chiamata a volte anche giunzione fredda).

Le porzioni 5 presentano inoltre ciascuna una estremit? libera 6; le estremit? libere 6 costituiscono un'uscita sulla quale ? presente una differenza di potenziale ?V correlata alla differenza di temperatura ?T esistente fra la giunzione di rilevamento 3 e la giunzione di riferimento 4, secondo l'equazione di Seebeck:

(1)

in cui SA e SB sono i coefficienti di Seebeck (o potere termoelettrico) relativi ai materiali della prima porzione 3 e, rispettivamente, delle seconde porzioni 4.

Quindi, tanto maggiore ? la differenza di temperatura fra la giunzione di rilevamento 3 e la giunzione di riferimento 4, quanto maggiore la tensione rilevata sull'uscita 6.

Una termopila pu? essere realizzata collegando diverse termocoppie 1 in serie, come mostrato in figura 2, nella quale sono stati usati gli stessi numeri di riferimento della figura 1. In pratica, la termopila (indicata con 10) comprende una serie di prime porzioni 2 (del primo materiale) e di seconde porzioni 5 (del secondo materiale), fra loro alternate, collegate in corrispondenza delle giunzioni di rilevamento 3 e delle giunzioni di riferimento 4.

In questo modo, la differenza di tensione in uscita ? data dalla somma delle ?V di tutte le termocoppie 1 e, nel caso che le temperature delle giunzioni calde e fredde 3, 4 siano approssimativamente uguali per tutte le termocoppie 1 (come nel caso di sensori integrati di piccole dimensioni), nel caso di n termocoppie 1 si ha:

(2) E' stato gi? proposta la realizzazione integrata di termopile, usando la tecnologia dei semiconduttori, in modo da ridurre le dimensioni del dispositivo e consentirne l'uso in dispositivi portatili, quali cellulari, tablet e simili.

Tali soluzioni prevedono in genere la realizzazione di termocoppie orizzontali, formate in film sottile di materiale termoelettrico su substrati rigidi di silicio o su substrati flessibili di materiale plastico. Tali soluzioni tuttavia si basano in genere sull'uso di materiali non standard e/o richiedono fasi di lavorazione complesse e le termopile ottenibili sono affette da rumore e hanno bassa sensibilit?.

Sono state proposte anche termopile aventi una struttura verticale mediante formazione di regioni di materiale termoelettrico in un substrato plastico.

Ad esempio, una termopila a struttura verticale ? descritta in ?Vertical Thermopiles Embedded in a Polyimide-Based Flexible Printed Circuit Board? di Hanna Yousef et al., Journal of Micromechanical Systems, vol 16, No. 6, Dicembre 2007, ed ? mostrata in figura 3. Qui, un corpo 12 (ad esempio di materiale plastico, quale poliimmide) alloggia una pluralit? di termocoppie 13 comprendenti ciascuna una prima regione sensibile 15 e una seconda regione sensibile 16, disposte affiancate e a distanza reciproca.

Le prime e le seconde regioni sensibili 15, 16 possono essere realizzate di materiale metallico differente, ad esempio mediante pi? fili di antimonio e nichel, formati in fori passanti nel corpo 12 e collegati in parallelo.

Interconnessioni 18 collegano fra loro le prime e le seconde regioni sensibili 15, 16 di ciascuna termocoppia 13 e collegano in serie le diverse termocoppie 13, formando giunzioni calde e fredde.

Anche tale soluzione ? tuttavia suscettibile di miglioramento per quanto riguarda l'efficienza di conversione e richiede un processo di lavorazione piuttosto complesso.

In generale, in queste e altre soluzioni note, per ovviare il problema di efficienza piuttosto bassa, e allo scopo di raggiungere efficienza fino a alcune centinaia di V/W, vengono utilizzati materiali non standard nell'industria dei semiconduttori e/o i passi di processo sono complessi e richiedono macchinari e accorgimenti complessi e costosi.

Scopo della presente invenzione ? realizzare una termopila che superi gli inconvenienti della tecnica nota.

Secondo la presente invenzione vengono realizzati un sensore termico integrato e il relativo metodo di fabbricazione, come definiti nelle rivendicazioni allegate.

Per una migliore comprensione della presente invenzione ne vengono ora descritte alcune forme di realizzazione, a puro titolo di esempio non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, nei quali:

- la figura 1 ? una rappresentazione schematica di una termocoppia utilizzabile come sensore di temperatura;

- la figura 2 mostra il collegamento in serie di una pluralit? di termocoppie di figura 1 per formare una termopila;

- la figura 3 ? una vista prospettica, con parti in trasparenza, di una implementazione della termopila di figura 2;

- la figura 4 ? una vista in sezione trasversale della struttura schematica della presente termopila;

- la figura 5 ? una vista prospettica schematica della termopila di figura 4;

- le figure 6A-6M sono sezioni trasversali attraverso una struttura a semiconduttori in successive fasi di fabbricazione di una forma di realizzazione della termopila delle figure 4 e 5;

- le figure 7A-7D sono viste dall?alto delle strutture intermedie delle figure 6C, 6E, 6G E 6K, prese lungo rispettive linee di sezione trasversale 6C-6C, 6E-6E, 6G-6G e 6K-6K;

- la figura 8 ? una sezione trasversale di una differente forma di realizzazione della struttura intermedia nella fase di figura 6H; e

- la figura 9 ? una sezione trasversale di una differente forma di realizzazione della presente termomila.

La descrizione che segue fa riferimento alla disposizione mostrata; di conseguenza, espressioni quali ?sopra?, ?sotto?, ?superiore?, ?inferiore?, ?destra?, ?sinistra?, ?laterale?, ecc., sono relative alle figure allegate e non devono essere interpretate in modo assoluto o limitativo.

Inoltre, per quanto riguarda il processo di fabbricazione, questo viene effettuato a livello di fetta, a meno che differentemente indicato, per cui le strutture mostrate nelle figure 6A-6M vengono generalmente replicate diverse volte in ciascuna fetta e separate alla fine o in una fase intermedia mediante una fase di dicing, in modo ovvio per il tecnico del ramo.

Inoltre, il numero di termocoppie presenti in ciascuna termopila pu? essere qualsiasi, compatibilmente con considerazioni tecnologiche, di efficienza e robustezza, e anche la disposizione matriciale mostrata pu? variare a seconda delle specifiche di progetto, in modo ovvio per il tecnico del ramo.

Le figure 4 e 5 mostrano un sensore termico integrato, in seguito indicato come termopila 20.

La termopila 20 comprende un involucro 21, qui formato da un cappuccio superiore 22, un cappuccio inferiore 23 ed una parete periferica 24. Il cappuccio superiore 22, il cappuccio inferiore 23 e la parete periferica 24 possono essere realizzati tutti di silicio, ad esempio per scavo di fette di silicio monocristallino.

La parete periferica 24 ha forma chiusa (in una vista dall'alto, parallela ad un piano XY di un sistema di coordinate cartesiane XYZ), ad esempio si estende lungo i lati di un quadrato o di un rettangolo.

Il cappuccio superiore 22 e il cappuccio inferiore 23, hanno, in vista dall'alto, perimetro coincidente con quello della parete periferica 24 e sono incollati al di sopra e, rispettivamente, al di sotto di questa, ad esempio mediante rispettivi strati di glass frit 25A, 25B, in modo da definire uno spazio interno cavo 26.

In alternativa a quanto mostrato, il cappuccio superiore 22 potrebbe essere realizzato maggiormente incavato ed essere incollato direttamente al cappuccio inferiore 23, senza l'interposizione della parete periferica 24.

Uno strato portante 30 si estende attraverso lo spazio interno cavo 26, fra i lati della parete periferica 24, qui allineato allo strato di glass frit 25B.

Lo strato portante 30 ha estensione principale parallela al piano XY e pu? essere di materiale isolante, ad esempio di ossido di silicio, o essere costituito da un multistrato, includente uno strato isolante.

Lo strato portante 30 supporta una pluralit? di termocoppie 31, ad esempio disposte reciprocamente affiancate, con disposizione matriciale (si veda anche la figura 5) e accoppiate qui in serie mediante regioni di connessione superiore e inferiore 32, 33 formate su estremit? opposte delle termocoppie 31, come discusso sotto.

Ciascuna termocoppia 31 comprende una prima regione termoelettricamente attiva o prima gamba 34, ed una seconda regione termoelettricamente attiva o seconda gamba 35, di materiale avente coefficiente di Seebeck diverso rispetto alla prima gamba 34.

Almeno una fra la prima e la seconda gamba 34, 35 ? realizzata di materiale semiconduttore, quale silicio, silicio-germanio.

Qualora sia le prime sia le seconde gambe 34, 35 delle termocoppie 31 siano realizzate di materiale semiconduttore, in particolare silicio, esse sono di tipo di conducibilit? opposto; ad esempio, le prime gambe 34 possono essere di tipo P, e le seconde gambe 35 possono essere di tipo N.

In alternativa, le prime gambe 34 possono essere realizzate di un metallo quale alluminio Al, nichel Ni, silicio-cromo Si-Cr e le seconde gambe 35 possono essere di materiale semiconduttore di tipo N.

Le prime e le seconde gambe 34, 35 hanno forma allungata e si estendono in direzione perpendicolare al piano XY (lungo una direzione di spessore Z del sistema di coordinate cartesiane XYZ), parallelamente una all'altra.

In dettaglio, la prima e la seconda gamba 34, 35 di ciascuna termocoppia 31 sono disposte distanziate reciprocamente, in modo da essere collegate elettricamente solo alle estremit?.

In particolare, l'estremit? inferiore di una prima gamba 34 di una termocoppia 31 ? accoppiata all'estremit? inferiore di una seconda gamba 35 di una termocoppia 31 adiacente o comunque seguente nel percorso serie attraverso una regione di connessione inferiore 33; le estremit? superiori della prima e della seconda gamba 34, 35 di una stessa termocoppia 31 sono accoppiate reciprocamente attraverso una regione di connessione superiore 32.

Regioni di connessione di estremit? 38 accoppiano elettricamente la pluralit? di termocoppie 31 ad altre strutture elettriche, interne o esterne all'involucro 21, ad esempio mediante piazzole di contatto (?pad?) non mostrate.

La termopila 20 pu? comprendere una pluralit? di termocoppie 31 disposte a formare una matrice di NxM elementi, come mostrato in figura 5.

In figura 5, sono mostrate quattro termocoppie 31A-31D, disposte in configurazione 2x2, per motivi puramente illustrativi.

In tale configurazione, quindi, la prima gamba 34 della prima termocoppia 31A ? accoppiata alla seconda gamba 35 della seconda termocoppia 31B; la prima gamba 34 della seconda termocoppia 31B ? accoppiata alla seconda gamba 35 della terza termocoppia 31C; la prima gamba 34 della terza termocoppia 31C ? accoppiata alla seconda gamba 35 della quarta termocoppia 101D; la seconda gamba 35 della prima termocoppia 31A e la prima gamba 34 della prima termocoppia 31A sono accoppiate all'esterno da una rispettiva delle regioni di connessione di estremit? 38.

Le regioni di connessione inferiore 33 e le regioni di connessione di estremit? 38 sono qui realizzate al di sopra dello strato portante 30; in alternativa, possono essere annegate in questo.

Uno strato di assorbimento 39 pu? estendersi al di sopra delle regioni di connessione superiore 32; lo strato di assorbimento 39, ad esempio un filtro antiriflettente ARC ? (Anti Reflective Coating) pu? essere formato come strato unico, che si estende al di sopra di tutte le termocoppie 31 o (come mostrato in figura 4) essere costituito da una pluralit? di porzioni separate. Lo strato di assorbimento 39 pu? tuttavia mancare.

Il cappuccio inferiore 23 della termopila 20 pu? essere incollato ad un supporto (non mostrato) portante connessioni elettriche ed eventualmente un elemento di elaborazione, ad esempio un ASIC (?Application Specific Integrated Circuit?), per l'elaborazione dei segnai forniti dalla termopila 20.

Di conseguenza, le regioni di connessione superiore 32 ricevono la luce, e in particolare la radiazione infrarossa, attraverso il cappuccio superiore 22, trasparente, e costituiscono giunzioni calde (in seguito identificate con lo stesso numero di riferimento 32) e le regioni di connessione inferiore 33 sono schermate dal supporto, e costituiscono quindi giunzioni fredde (in seguito identificate con lo stesso numero di riferimento 33), operanti come riferimento per le giunzioni calde.

In pratica, le termocoppie 31 costituiscono delle sorte di "colonne? (?pillar?) estendentisi all'interno dello spazio interno cavo 26 e presentanti giunzioni calde 32 rivolte verso il cappuccio superiore 22.

In questo modo, le termocoppie 31 sono circondate da aria (eventualmente a pressione inferiore a quella atmosferica) sia lateralmente sia sopra che sotto (a parte lo strato portante 30, che pu? essere realizzato di spessore minimo per avere la robustezza desiderata).

Inoltre, l'involucro 21 isola termicamente le termocoppie 31 stesse da altri influssi termici esterni.

La chiusura ermetica ottenibile tramite l'involucro 21 consente quindi di evitare dispersioni di calore per conduzione e di conseguenza di ottenere una elevata sensibilit?.

L'eventuale strato di assorbimento 39, qualora realizzato come strato unico o formato da porzioni in contatto con pi? termocoppie 31, consente di unire termicamente le giunzioni calde 32.

La termopila 20 pu? essere realizzata come descritto in dettaglio in seguito con riferimento alle figure 6A-6L e 7A-7D.

Con riferimento alla figura 6A, una fetta iniziale 40 comprende un corpo 41 avente una prima superficie 41A e una seconda superficie 41B. Uno strato isolante 42, ad esempio di ossido, si estende sulla prima superficie 41A e alloggia prime regioni di contatto 43 e linee di connessione elettrica 44, ad esempio di silicio policristallino.

Ad esempio, lo strato isolante 42 viene realizzato mediante deposito di un primo strato di ossido di silicio; deposito e sagomatura di uno strato di polisilicio per formare le prime regioni di contatto 43 e le linee di connessione elettrica 44 e deposito di un secondo strato di ossido di silicio. Le prime regioni di contatto 43 e linee di connessione elettrica 44 possono essere disposte come mostrato in figura 6A.

Lo strato isolante 42 pu? essere inoltre attaccato per formare fori passanti (uno solo mostrato tratteggiato e indicato con 47), per i motivi spiegati in seguito.

Lo strato isolante 42 ? destinato a formare lo strato portante 30 di figura 4, e pu? avere uno spessore complessivo compreso fra 0,2 ?m e 10 ?m

Quindi, figura 6B, vengono aperti primi contatti, mediante rimozione selettiva dello strato isolante 42 al di sopra delle prime regioni di contatto 43 e formazione di aperture estendentisi fino a queste.

Viene quindi cresciuto epitassialmente uno strato strutturale 45, ad esempio di silicio di un primo tipo di conducibilit?, ad esempio N+, eventualmente dopo aver depositato uno strato di seme, nell'esempio, di silicio. Lo strato strutturale 45 pu? avere spessore compreso fra 40 e 200 ?m.

Lo strato strutturale 45 si estende quindi nelle aperture precedentemente formate, formando porzioni di contatto 46, in contatto diretto con le prime regioni di contatto 43. Inoltre, lo strato strutturale cresce anche nei fori 47.

In figura 6C, prime trincee di definizione 49 vengono realizzate nello strato strutturale 45, mediante attacco che termina automaticamente sullo strato isolante 42. Le prime trincee di definizione 49 si estendono quindi per tutto lo spessore dello strato strutturale 45, fino allo strato isolante 42. Qui, ciascuna prima trincea di definizione 49 si estende lateralmente sfalsata rispetto ad una rispettiva porzione di contatto 46 e alla corrispondente prima regione di contatto 43.

Le prime trincee di definizione 49 possono avere sezione poligonale (come ad esempio mostrato in figura 7A, nella quale sono mostrate anche le prime regioni di contatto 43 e le linee di connessione elettrica 44, anche se in realt? non visibili dall'alto). In alternativa, le prime trincee di definizione 49 possono avere sezione rotonda o ovale o qualsiasi.

Quindi, figura 6D, viene depositato uno strato di isolamento 50, ad esempio di ossido. Lo strato di isolamento 50 si deposita sul fondo e sulle pareti delle prime trincee di definizione 49 (dove forma un mantello di isolamento 51) e le chiude superiormente mediante uno strato superficiale 52, che si estende anche sulla superficie dello strato strutturale 45.

Lo strato superficiale 52 viene quindi assottigliato ad esempio mediante CMP (Chemical Mechanical Polishing).

In figura 6E, lo strato superficiale 52 viene rimosso selettivamente sia in corrispondenza dell'imboccatura delle prime trincee di definizione 49 sia in zone in cui si desidera formare seconde regioni di contatto, mediante usuali passi fotolitografici.

Quindi le prime trincee di definizione 49 vengono riaperte superiormente (mantenendo comunque il rivestimento interno costituito dal rispettivo mantello di isolamento 51) e, sulla superficie dello strato strutturale 45, si formano aperture 55 che scoprono lo strato strutturale sottostante. In particolare, le aperture 55 sono disposte lateralmente alle prime trincee di definizione 49, come visibile in figura 7B.

Quindi, figura 6F, viene depositato uno strato di materiale termoelettricamente attivo 56, ad esempio silicio di un secondo tipo di conducibilit? (nell'esempio considerato, di tipo P). Lo strato di materiale termoelettricamente attivo 56 riempie le prime trincee di definizione 49, dove forma prime regioni termoelettriche 59, costituenti ad esempio le prime gambe 34 di figura 4.

Lo strato di materiale termoelettricamente attivo 56 copre anche la superficie della fetta iniziale 40, riempiendo anche aperture 55, e formando qui seconde regioni di contatto 57.

Lo strato di materiale termoelettricamente attivo 56 pu? non riempire completamente le prime trincee di definizione 49, come mostrato in figura 6F; in questo caso le prime regioni termoelettriche 59 possono presentare zone vuote 58 (non rappresentate nelle successive figure).

In figura 6G viene realizzata una seconda trincea di definizione 60, mediante un attacco mascherato dello strato di materiale termoelettricamente attivo 56, dello strato superficiale 52 e dello strato strutturale 45, attacco che si ferma automaticamente sullo strato isolante 42.

La seconda trincea di definizione 60 ha ad esempio la forma mostrata in figura 7C e delimita una pluralit? di colonne (?pillar?) 65, qui di base quadrangolare (o qualsiasi forma utile).

Nella forma di realizzazione mostrata, quindi, in ciascuna colonna 65, la porzione rimanente dello strato strutturale 45 forma una seconda regione termoelettrica 61, di forma anulare, circondante un rispettivo mantello di isolamento 51 (a sua volta circondante una rispettiva prima regione termoelettrica 59).

Inoltre, in ciascuna colonna 65, la porzione rimanente dello strato di materiale termoelettricamente attivo 56 circondata dalla seconda trincea di definizione 60 forma una base di connessione 62. Le basi di connessione 62 sono monolitiche con le rispettive prime regioni termoelettriche 59 e in contatto elettrico diretto con le rispettive seconde regioni termoelettriche 61 attraverso le seconde regioni di contatto 57.

Le porzioni rimanenti dello strato strutturale 45, dello strato superficiale 52 e dello strato di materiale termoelettricamente attivo 56 all'esterno della seconda trincea di definizione 60 formano invece una cornice 63, analoga alla parete periferica 24 di figura 4.

In pratica, quindi, nella forma di realizzazione mostrata, in ciascuna colonna 65, il mantello di isolamento 51 isola elettricamente fra loro le superfici laterali affacciate della prima e della seconda regione termoelettrica 59, 61 e queste sono accoppiate in serie ad una estremit? (superiore, in figura 6G) attraverso la rispettiva base di connessione 62 e le rispettive seconde regioni di contatto 57 (si veda anche la figura 7C).

Ciascuna colonna 65 forma quindi una termocoppia 31 di figura 4 e ciascuna seconda regione termoelettrica 61 costituisce ad esempio una seconda gamba 35 di figura 4.

Inoltre, se i fori 47 sono stati realizzati in corrispondenza della seconda trincea di definizione 60, l'attacco per formare la seconda trincea di definizione 60 porta alla rimozione del silicio epitassiale depositato nei fori 47.

In figura 6H, uno strato assorbente 68 viene realizzato al di sopra delle basi di connessione 62. Lo strato assorbente 68 ? configurato in modo da assorbire preferenzialmente la radiazione elettromagnetica in una banda desiderata, qui nell'infrarosso, e agisce in modo da aumentare l'area di irradiazione e da massimizzare l'assorbimento della radiazione elettromagnetica.

Ad esempio, lo strato assorbente 68 pu? essere costituito da uno strato di dry resist depositato e definito in modo da coprire la zona delle colonne 65, sovrapponendosi leggermente alla cornice 63.

In alternativa a quanto mostrato, lo strato assorbente 68 pu? essere steso con uno stencil solo sulle basi di connessione 62.

La figura 8 mostra una variante della fase di procedimento di figura 6H. Qui, lo strato assorbente, indicato con 68', ? costituito da uno strato polimerico o altro strato flessibile, applicato ad esempio mediante uno stencil. Data la flessibilit? dello strato assorbente 68', esso pu? flettersi in corrispondenza della seconda trincea di definizione 60 e penetrare in parte in questa.

In figura 6I, un primo cappuccio 70 viene incollato alla fetta iniziale 40. Il primo cappuccio 70 ha una faccia esterna 70A e una faccia interna 70B; la faccia interna 70B ? rivolta verso la fetta iniziale 40 e presenta un incavo 71.

L'incavo 71 ha qui area (nel piano XY) maggiore rispetto a quella della seconda trincea di definizione 60.

Il primo cappuccio 70 pu? essere incollato a livello di fetta e quindi pu? essere costituito da una fetta di materiale semiconduttore, quale silicio, lavorata in modo da formare la cavit? 71.

All'interno della cavit? 71 possono essere realizzate regioni di getter 73.

Il primo cappuccio 70 presenta quindi un bordo sporgente 72 fissato alla cornice 63, sullo strato di materiale termoelettricamente attivo 56, tramite qualunque processo di bonding, ad esempio silicio su silicio o mediante uno strato adesivo, quale un ossido o glass frit, o anche mediante uno strato metallico di Al-Ge o Au-Sn (non mostrato).

L'insieme quindi della fetta iniziale 40 e del primo cappuccio 70 forma una fetta intermedia 74.

In seguito, figura 6J, la fetta intermedia 74 viene ribaltata e il corpo 41 viene rimosso, ad esempio tramite molatura (?grinding?) oppure mediante molatura parziale, seguita da un attacco silicio che si ferma sullo strato isolante 42.

In questa fase, i fori 47 nello strato isolante 42 vengono aperti completamente sul fondo, mettendo in comunicazione l'incavo 71 con l'esterno.

Nelle figure 6K e 7D, vengono formate linee metalliche di contatto 76.

A tale scopo, lo strato isolante 42 viene attaccato in corrispondenza delle prime regioni di contatto 43, delle prime regioni termoelettriche 59 e delle estremit? delle linee di connessione elettrica 44, formando aperture 75; uno strato metallico, ad esempio di alluminio? viene deposto e definito, formando le linee metalliche di contatto 76 (si veda anche la figura 7D, in cui la linea tratteggiata indica la periferia della seconda trincea di definizione 60).

Le estremit? delle linee metalliche di contatto 76 si estendono nelle aperture 75 e sono in contatto elettrico diretto con prime regioni di contatto 43 (non visibili in figura 7D), con le prime regioni termoelettriche 59 e con le estremit? delle linee di connessione elettrica 44.

Lo strato metallico forma anche piazzole di contatto 77 sulla cornice 63.

In questo modo, come visibile in particolare nella figura 7D, le linee metalliche di contatto 76 accoppiano una seconda regione termoelettrica 61 di una termocoppia 31 (ad esempio la termocoppia identificata con 31A in figura 7D) con la prima regione termoelettrica 59 di una termocoppia seguente (ad esempio la termocoppia identificata con 31B in figura 7D), realizzando il collegamento in serie delle termocoppie 31. Inoltre, le linee metalliche di contatto 76 accoppiano la prima e l'ultima termocoppia 31 della serie (termocoppie 31C e 31D in figura 7D) alle piazzole di contatto 77.

In figura 6L, uno strato di passivazione 79 viene deposto al di sopra dello strato isolante 42 e delle linee metalliche di contatto 76 e viene aperto in corrispondenza delle piazzole di contatto 77. Lo strato di passivazione 79 forma, con lo strato isolante 42, uno strato portante 80, analogo allo strato portante 30 di figura 4.

Un secondo cappuccio 81 pu? essere quindi fissato alla fetta intermedia 74. Il secondo cappuccio 81 pu? essere costituito anch'esso da una fetta lavorata opportunamente in modo da formare una cava sovrastante le piazzole di contatto 77 e successivamente lappato in modo scoprire le piazzole di contatto 77; dopo l'incollaggio si ottiene quindi una fetta finale 85.

In entrambi i casi, il secondo cappuccio 81 presenta un incavo 82 rivolto verso la fetta intermedia 74 ed avente area (nel piano XY) maggiore rispetto a quella della seconda trincea di definizione 60, ma qui minore rispetto all'area della cavit? 71.

L'incavo 82 ? delimitato da un bordo sporgente 83 che viene fissato allo strato di passivazione 79, in corrispondenza della cornice 63.

Il fissaggio (?bonding?) fra il secondo cappuccio 81 e la fetta intermedia 74 pu? avvenire in ambiente a bassa pressione, in modo da ridurre la quantit? d'aria presente nell'incavo 82.

In questo modo, l'incavo 82, fluidicamente connesso alla cavit? 71 tramite la seconda trincea di definizione 60 e fori 47 nello strato isolante 42, ? chiuso ermeticamente verso l'esterno dopo l'incollaggio del secondo cappuccio 81.

Dopo l'incollaggio, possono venire attivate le regioni di getter 73.

In figura 6M, uno strato antiriflettente (ARC - Anti Reflective Coating) 85 viene realizzato sulla superficie esterna 70A del primo cappuccio 70. La pila che forma lo strato antiriflettente 85 pu? formare filtri ottici, qualora si desideri selezionare le lunghezze d'onda in funzione dell'applicazione prescelta.

Ci? pu? essere utile, ad esempio, in applicazioni di termometria, in particolare per distinguere il contributo dovuto alla temperatura di un determinato oggetto rispetto all'ambiente esterno, nel caso che l'oggetto emetta in una determinata banda. Ad esempio, il corpo umano emette una radiazione termica in un intervallo di lunghezze d'onda di circa 10 ?m (tipicamente 8-12 ?m). In questo caso, eventuali filtri ottici, assieme allo strato antiriflettente 85, possono far passare solo le onde con lunghezza d'onda prossima all'intervallo desiderato dello spettro.

Filtri ottici adatti allo scopo sono ad esempio quelli interferenziali, formati da una pila di pi? strati dielettrici(di solito due) con indice di rifrazione diverso tra loro. All?aumentare del numero di strati, si possono realizzare dei filtri con banda passante molto piatta attorno alla lunghezza d?onda di interesse e allo stesso tempo con una finestra ben definita.

In seguito, la fetta finale 85 pu? essere singolata, per formare una termopila 90.

In entrambi i casi, le basi di connessione 62, che accoppiano la prima regione termoelettrica 59 e la seconda regione termoelettrica 61 di ciascuna termocoppia 31 formano giunzioni calde (analoghe alle giunzioni calde 32 di figura 4) e le linee metalliche di contatto 76, che accoppiano la prima regione termoelettrica 59 e la seconda regione termoelettrica 61 di due differenti termocoppie 31, formano giunzioni fredde (analoghe alle giunzioni fredde 33 di figura 4).

La figura 9 mostra una variante della termopila 90, che non utilizza regioni di contatto 43 e linee di connessione elettrica 44 di polisilicio.

In questo caso, lo strato isolante 42 pu? essere formato da un singolo strato; non sono presenti le fasi di deposito e sagomatura di uno strato di polisilicio per formare le prime regioni di contatto 43 e le linee di connessione elettrica 44, di apertura dei primi contatti e non si formano le porzioni di contatto 46 descritte con riferimento alle figure 6A e 6B. Inoltre, nella fase della figura 6K, tutte le aperture 75 arrivano fino allo strato strutturale 45 e le linee metalliche di contatto 76 sono direttamente a contatto con lo strato strutturale 45 anche in corrispondenza delle seconde regioni termoelettriche 61.

La termopila e il procedimento di fabbricazione qui descritti presentano numerosi vantaggi.

Infatti, grazie alla possibilit? di utilizzare materiali e fasi di processo standard nell'industria dei semiconduttori, la termopila presenta dimensioni ridotte e costi contenuti di fabbricazione.

Di conseguenza, essa pu? essere utilizzata in svariate applicazioni, anche quando i costi e/o le dimensioni sono importanti.

Inoltre, grazie alla forma colonnare delle termocoppie 31, che sono circondate da aria sia lateralmente sia alle estremit? (sopra/sotto), la presente termopila ha grande sensibilit?, basso rumore ed elevata efficienza.

Nel caso di uso come sensore a infrarossi, la presente termopila permette di avere bassa diafonia (?cross-talking?) e ottima differenza termica equivalente di rumore dei pixel (NETD - Noise Equivalent Thermal Difference).

Risulta infine chiaro che al sensore termico integrato e al procedimento di fabbricazione qui descritti ed illustrati possono essere apportate modifiche e varianti senza per questo uscire dall?ambito protettivo della presente invenzione, come definito nelle rivendicazioni allegate.

Ad esempio, come indicato, le prime gambe 34 possono essere realizzate di un metallo quale alluminio e le seconde gambe 35 possono essere di materiale semiconduttore a base di silicio di tipo N, quale silicio-germanio.

Le piazzole di contatto 77 possono essere realizzate sulla faccia opposta della cornice 63, ad esempio usando vie conduttive nel silicio (?silicon through vias?).

Il primo cappuccio 70 potrebbe essere fissato direttamente allo strato superficiale 52 o allo strato strutturale 45.

Uno strato di annerimento potrebbe essere previsto all'interno dell'incavo 82 o sulla superficie esterna del secondo cappuccio 81.

Sebbene la disposizione mostrata nelle figure 6A-6M (in cui le seconde regioni termoelettriche 61 circondano anularmente le prime regioni termoelettriche 59) sia ottimale per la conversione termica, le prime e le seconde regioni termoelettriche 59, 61 di ciascuna termocoppia 31 potrebbero essere disposte semplicemente adiacenti fra loro, e separate da una parete di isolamento analoga allo strato di isolamento 50; in particolare, la seconda trincea di definizione 60 potrebbe rimuovere completamente il silicio dello strato strutturale 45 da un lato delle prime regioni termoelettriche 59, in modo che le seconde regioni termoelettriche 61 non circondino completamente prime regioni termoelettriche 59.

Secondo un'altra forma di realizzazione, nessun materiale potrebbe estendersi fra le prime e le seconde regioni termoelettriche 59, 61 di ciascuna termocoppia 31, e queste regioni potrebbero essere isolate semplicemente dall'aria presente nell'involucro formato dai cappucci 70, 81 e dalla cornice 63.

Claims (16)

RIVENDICAZIONI

1. Sensore termico integrato, comprendente:

un involucro (21) delimitante uno spazio interno (26); una regione di supporto (30; 80), estendentesi attraverso lo spazio interno; e

una pluralit? di elementi a termocoppia (31), portati dalla regione di supporto (30; 80) e accoppiati elettricamente fra loro, ciascun elemento a termocoppia (31) includendo una prima e una seconda regione termoelettricamente attiva (34, 35; 59, 61) di un primo e, rispettivamente, un secondo materiale termoelettricamente attivo, il primo materiale termoelettricamente attivo avendo un primo coefficiente di Seeback, il secondo materiale termoelettricamente attivo avendo un secondo coefficiente di Seeback, diverso dal primo coefficiente di Seeback, in cui almeno una fra la prima e la seconda regione termoelettricamente attiva (34, 35; 59, 61) ? di materiale basato su silicio,

le prime e le seconde regioni termoelettricamente attive (34, 35; 59, 61) di ciascun elemento a termocoppia (31) essendo formate da rispettive regioni allungate estendentisi a distanza reciproca nello spazio interno (26) dell'involucro (21), a partire dalla e trasversalmente alla regione di supporto (30; 80).

2. Sensore termico integrato secondo la rivendicazione precedente, in cui la seconda regione termoelettricamente attiva (35; 61) di ciascun elemento a termocoppia (31) ? di silicio, ad esempio silicio epitassiale, di un primo tipo di conducibilit? e la prima regione termoelettricamente attiva (34; 59) di ciascun elemento a termocoppia (31) ? di materiale scelto fra silicio policristallino di un secondo tipo di conducibilit?, silicio-germanio policristallino del secondo tipo di conducibilit? e metallo.

3. Sensore termico integrato secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui ciascun elemento a termocoppia (31) ha forma a colonna (65) avente una prima ed una seconda estremit? e includente una parete elettricamente isolante (51) estendentesi fra la prima e la seconda regione termoelettricamente attiva (59, 61) del rispettivo elemento a termocoppia (31), in cui ciascun elemento a termocoppia (31) ? fissato alla regione di supporto (30; 80) in corrispondenza della prima estremit?.

4. Sensore termico integrato secondo la rivendicazione precedente, in cui la parete elettricamente isolante (51) di ciascun elemento a termocoppia (31) ha forma generalmente cilindrica circondante anularmente la rispettiva prima regione termoelettricamente attiva (59) e la seconda regione termoelettricamente attiva (61) ha forma generalmente cilindrica circondante anularmente la rispettiva parete elettricamente isolante (51).

5. Sensore termico integrato secondo la rivendicazione 3 o 4, in cui la regione di supporto (30; 80) comprende uno strato di materiale isolante; prime linee di connessione (33, 38; 43, 44) si estendono sulla o nella regione di supporto (30; 80) e accoppiano elettricamente la prima regione termoelettricamente attiva di (34; 59) un primo elemento a termocoppia (31) della pluralit? di elementi a termocoppia con una seconda regione termoelettricamente attiva (35; 61) di un secondo elemento a termocoppia della pluralit? di elementi a termocoppia.

6. Sensore termico integrato secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 3-5, in cui ciascun elemento a termocoppia 31 comprende una regione di connessione (32; 62) di materiale semiconduttore accoppiante elettricamente la prima e la seconda regione termoelettricamente attiva (34, 35; 59, 61) di ciascun elemento a termocoppia (31) in corrispondenza della seconda estremit?.

7. Sensore termico integrato secondo la rivendicazione precedente, in cui la regione di connessione (32; 62) degli elementi a termocoppia (31) ? monolitica con la prima regione termoelettricamente attiva.

8. Sensore termico integrato secondo la rivendicazione una qualsiasi delle rivendicazioni 1-4, in cui l'involucro (21) comprende un primo ed un secondo cappuccio (70, 81) di materiale semiconduttore fissati alla regione di supporto (30; 80).

9. Sensore termico integrato secondo la rivendicazione precedente, comprendente uno strato strutturale (45) avente una prima ed una seconda faccia, in cui:

una trincea (60) si estende attraverso lo strato strutturale (45) e separa, nello strato strutturale, la pluralit? di seconde regioni termoelettricamente attive (61) e una cornice (63) circondante la pluralit? di seconde regioni termoelettricamente attive;

il primo cappuccio (70) ? fissato alla cornice (63) sulla prima faccia dello strato strutturale e il secondo cappuccio (81) ? fissato alla cornice (63) sulla seconda faccia dello strato strutturale (45);

la regione portante (80) si estende sulla seconda faccia dello strato strutturale;

le prime e seconde regioni di connessione elettrica (59; 61) sono formate sulla prima e sulla seconda faccia dello strato strutturale (45) e accoppiano elettricamente le prime e le seconde regioni termoelettricamente attive degli elementi a termocoppia.

10. Procedimento per la fabbricazione di un sensore termico integrato, comprendente:

formare una regione di supporto (30; 80);

formare una pluralit? di elementi a termocoppia (31) sulla regione di supporto, gli elementi a termocoppia essendo accoppiati elettricamente fra loro e includendo ciascuno una prima e una seconda regione termoelettricamente attiva (34, 35; 59, 61) di un primo e, rispettivamente, un secondo materiale termoelettricamente attivo, il primo materiale termoelettricamente attivo avendo un primo coefficiente di Seeback, il secondo materiale termoelettricamente attivo avendo un secondo coefficiente di Seeback, diverso dal primo coefficiente di Seeback, in cui almeno una fra la prima e la seconda regione termoelettricamente attiva ? di materiale basato su silicio e le prime e le seconde regioni termoelettricamente attive e sono formate da rispettive regioni allungate portate, a distanza reciproca, a partire dalla e trasversalmente alla regione di supporto;

e formare un involucro (21) delimitante uno spazio interno (26) attraversato dalla regione di supporto (30; 80) e alloggiante la pluralit? di elementi a termocoppia (31).

11. Procedimento secondo la rivendicazione precedente, comprendente:

formare uno strato portante (42);

formare uno strato strutturale (45) sullo strato portante, lo strato strutturale essendo del secondo materiale termoelettricamente attivo ed avendo una prima e una seconda superficie;

formare una pluralit? di prime trincee (49) attraversanti lo strato strutturale (45);

formare una pluralit? di regioni elettricamente isolanti (51) nelle prime trincee (49);

introdurre il primo materiale termoelettricamente attivo nelle prime trincee (49) e formare le prime regioni termoelettriche (61);

definire lo strato strutturale (45) per formare la pluralit? di seconde regioni termoelettriche (61) e una regione di cornice circondante le seconde regioni termoelettriche (61);

formare prime regioni di connessione elettrica (62) accoppianti elettricamente la prima e la seconda regione termoelettrica di ciascun elemento a termocoppia;

formare seconde regioni di connessione elettrica (75) accoppianti elettricamente una prima regione termoelettrica di un elemento a termocoppia ed una seconda regione termoelettrica di un differente elemento a termocoppia; e fissare un primo cappuccio (70) ad una prima faccia della regione di cornice (63); e

fissare un secondo cappuccio (81) ad una seconda faccia della regione di cornice.

12. Procedimento secondo la rivendicazione precedente, in cui formare uno strato portante (80) comprende formare uno strato di materiale isolante (42) e formare uno strato strutturale (45) comprende crescere epitassialmente lo strato strutturale.

13. Procedimento secondo la rivendicazione 11 o 12, in cui introdurre il primo materiale termoelettricamente attivo comprende depositare uno strato del primo materiale termoelettricamente attivo all'interno delle prime trincee (49) e sulla prima superficie dello strato strutturale per formare uno strato conduttivo superficiale (56) e formare prime regioni di connessione elettrica (62) comprende definire lo strato conduttivo superficiale (56).

14. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 11-13, in cui formare seconde regioni di connessione elettrica (75) comprende depositare e sagomare uno strato metallico sulla seconda superficie dello strato strutturale (45).

15. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 10-14, in cui la seconda regione termoelettricamente attiva di ciascun elemento a termocoppia ? di silicio, ad esempio silicio epitassiale, di un primo tipo di conducibilit? e la prima regione termoelettricamente attiva di ciascun elemento a termocoppia ? di materiale scelto fra silicio policristallino di un secondo tipo di conducibilit?, silicio-germanio policristallino del secondo tipo di conducibilit?, e metallo.

16. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 11-15, in cui formare uno strato portante (42) comprende formare lo strato portante (42) su un corpo di materiale semiconduttore (41) e in cui il corpo di materiale semiconduttore viene rimosso prima di formare le seconde regioni di connessione elettrica (75).