TW451260B - Thermopile sensing element and fabrication method thereof - Google Patents

Description

4 51 2 6 0 五、發明說明（1) 【發明的應用範圍】 本發明係有關於一種熱電堆感測元件及其製造方法， 利用導線之曲折結構設計增加導線長度及降低熱導，並配 合正面石夕體形"I虫刻方式Ί虫刻碎基板 '提尚碎晶圓的產能、 以及在浮板上製作一電阻做為加熱器，做為電子校正測量 之用。 【發明背景】 利用物體發出紅外線以測量物體溫度之溫度偵測器的 應用十分廣泛，除了溫度測量之外，還可應用於人體感測 ，如工業自動化及保全監視方面的動作感測器、紅外線照 像機、攝影機、以及醫療方面的人體溫度分佈之影像計量 等各方面。其原理多為利用紅外線照射在元件上造成的溫 升所改變之材料物理特性，轉變成電氣特性輸出。常見的 感測元件有焦電型感測元件、熱阻型感測元件、及熱電堆 感測元件等。 由於焦電型感測元件係使用陶瓷或高分子等非半導體 製程的材料，所以不適合利用於高度自動化之半導體工業 的大量生產方式，故相對之生產成本較高。而在熱阻型感 測元件中‘，必須供給偏壓以量測電阻變化，使元件產生交 流雜訊。因此，使得不需外加偏壓、僅具小位準的直流雜 訊、較不受室溫影響、補償較為容易、以及可利用半導體 製程技術來大量生產的熱電堆感測元件，愈來愈具有市場 潛力與成本競爭力。 而從製造方法而言，如果感測器之製程能與現有之半

4 51 2 6 0 五、發明說明（2) 導體製程相容，其開發及製造的成本也就越低，且若能將 元件與放大電路等CMOS電路一併製作，則不但可增加元件 功能，並能降低訊號界面的雜訊，故開發與CMOS製程相容 的元件製程，有其相當大的優點。 從後製程方面來看，習知之熱電堆感測元件的後製程 常為從背面银刻石夕基板之封閉浮板結構；此種方法其浮板 結構強度較大，但具有以下的缺點： 首先請參閱「第1 A圖」所示，其係為一種圓環狀熱電 堆感測元件的剖面圖。在石夕基板1上方，依序形成有封閉 浮板2、複數之第一導線3、絕緣層4、複數之第二導線5、 以及黑體吸收層6 ;其中前述黑體吸收層6係介隔著絕緣層 4 ’而與第一導線3及第二導線5接觸，由於此熱電堆感測元 件為圓環狀，因此封閉浮板2、第一導線3、絕緣層4以及 第二導線5乃呈對稱性存在。 接著請參閱「第1 B圖」，其係為顯示「第1 A圖」之熱 電堆感測元件内導線連接方式的示意圖。由圖中可看出， 第一導線3與第二導線5係以串聯的方式呈現上下之.頭尾連 接，其接觸部分在靠近黑體吸收層6之部分造成複數個熱 端Η，而在遠離黑體吸收層6之部分則為複數個冷端C。熱 電堆感測元件之電性輸出，係藉由第一條第一導線3之冷 端C電連接至第一金屬墊7，以及藉由最後一條第二導線5 之冷端C電連接至第二金屬墊8。 熱電堆感測元件之熱端Η位於封閉浮板2之上，主要是 用來吸收黑體吸收層6所吸收的熱，以造成熱端Η的溫升，

IIP

4’ 451 2 6 Ο 五、發明說明（3) 其中冷端C直接連接於矽基板1，可以使熱能迅速散逸，而 使冷端C維持在環境溫度，通常熱端Η係以一懸臂樑或四橋 狀支腳支撐，而結構底下的矽基板1則用蝕刻的方式加以 掏空將結構釋放使其懸浮。如果採用背面矽體型蝕刻技術 來蝕刻時，為了要蝕刻出封閉浮板2，必須在晶圓厚度方 向蝕刻出相當於晶圓厚度的距離，而由於異方性蝕刻所造 成的I虫刻晶面角度，使得所需的底面積比正面體型银刻的 面積大。導致整個晶粒的面積增大，造成單位石夕晶圓上所 能生產的熱電堆感測元件之數量減少，且由於蝕刻時間的 加長，易造成晶片製作上良率的降低。 同時就導線方面而言，通常熱電堆感測器之特性可以 用下列幾個量來表示：感測度（R ν )、詹森（J 〇 h n s ο η )雜訊 (VJ)、等效雜訊功率（ΝΕΡ)以及特定偵測率（D*)，其對應 公式表示如下： ⑴ ⑺ Να 〇s+Gg+Gr

Vj =^4kTRAf

NEP

NEP (3)(4) 式中N為串聯的熱電偶數目，a為熱電偶的賽貝克係數 (V/°C)。而Gs、Gg、Gr分別為元件懸浮結構的固體、氣體

第6頁 451260 五、發明說明（4) 及輻射熱傳導。k為波茲曼常數，T為感測器之絕對溫度 j (°K ) ，R為串聯熱電偶的電阻值，Z\f為頻寬，而A為感測 器面積。 而如前曾提及的，熱電堆感測元件係用以計量被測物 體之溫度，因此其元件特性的好壞可藉由其輸出信號的大 小，或由其對所測物體溫度變化之靈敏度來評量，而Rv表 | 示的是元件在吸收單位能量時其所輸出的電壓，D*表示的 則是正規化過後的靈敏度，這兩個值的大小都與元件熱導 的大小有直接的關係，當熱導愈小時，其R v與D *均會愈高 ，因此一般為了要提高輸出及靈敏度，都會使用熱導較低 的導線材料，或是由增加導線長度下手，但由「第1 B圖」 中可看出，第一導線3與第二導線5的佈線方式係呈直線狀 丨 ，使得導線長度受到浮板腳長的限制，而無法有效地降低 S 熱導。而本專利所提案之曲折導線，正可在不改變浮板腳 I 長的情況下，降低金屬導線的熱導，而有效地提高元件的 效益。 且習知之熱電堆感測器，大都使用與元件基板分離之 I 另一電晶體或二極體等元件來進行環境溫度的感測，或使 用N i等非半導體製程材料來製作溫度感測電阻，而本專利 則提出利用與第一或第二導線層相同之材料製作電阻，以 作為環境溫度感測之用，並為了避免量測時此一電阻之功 率造成的溫升，此一電阻須大於1 0 0 Κ Ω ，以使能以小量功 率精確地測量環境溫度。 另外，習知之熱電堆感測器，係以浮板所吸收之輻射

第7頁 Γ 451 2 6 Ο 五、發明說明（5) 軌所造成浮板的、、ra . #從里電壓差1 It t二轉換成熱電堆輸出端之電壓差，然 =變：ίίΠ算被測物體之溫度。而此方法則易受 ίϋΐτ:新的熱電堆元件結構，其在浮板上有-㊁ 阻+、海0 W、二4 Α可利用後述之電子校正法來測量，以避免 上述原因所造成之特性漂移所產生的誤差。 义免 而此f可利用電子校正法測量之熱電堆感測器，由於 比習知，熱電堆感測器其包含二根熱電堆輸出端及二根環 境溫度^測用件之輸出端’多了加熱用電阻之二根輸入 端’故若使用習知之4支接腳的金屬罐封裝，則必須使用 共同接腳而增加了元件的雜訊。因此，本專利另提出了五 支以及六支接腳的金屬罐封裝，以做為熱電堆感測器的外 裝形式。 就近年來有關熱電堆元件結構之重要專利，可參考如 下附件： (1) U.S..Patent 4,665,276, Thomas Elbel, Jurgen Muller, Friedemann Volklein, "Thermoelectric Sensor" (2) U.S.Patent 5,100,479, K e n s a 1 1 D. Wise, Khalil N a j a t i, "Thermopile, Infrared Detector with Semiconductor Supporting RIM" (3 ) U.S. Patent 4,456,9 1 9, Katsuhiko Tomita, Tatsuo Shimizu, Masaichi Bandoh, "Thermopile Type Detector with Temperature Sensor for Cold Junction

第8頁 451260 五、發明說明（6)

II 專利4, 6 65, 2 7 6所描述之熱電堆元件結構，其特點為 採用背面石夕體型银刻技術之封閉浮板結構，且其所使用之 熱電堆材料為B e、S b。 而專利5, 100, 479所描述之熱電堆感測元件之特點為 在熱電堆之冷端下方的石夕基板上植入高濃度的雜質，使其 在#刻石夕基板時可以防止其被#刻’而當浮板下的矽基板 被#刻而形成浮板的時候’能留下來當做基座及冷端的 heat sink 使用。 而此二篇所描述之熱電堆元件結構，皆為使用背面石夕 體型姓刻技術之封閉浮板結構’與本專利所提案的利用正 面矽體型蝕刻技術之開放浮板結構不同。 ' 另外’專利4，4 5 6，9 1 9内容之要點為在與製作元件之 同一基板上製作二極體或電晶體之溫度感測器，以感測環 境溫度’做為溫度補ΊΜ之用。而本專利則提出利用血第___ 或第二導線層相同之材料製作電阻，以感測環境溫度。 而在論文方面’近年來利用半導體微影技術及微加工 技術製作之熱電堆，可參見以下附件：

(1) G.R.Lahiji and K.D.Wise, "A batch-fabri cated silicon thermopile infrared detector", IEEE Trans. Electron Devices ED-29， ppl4-22, (1982) (2) R. Lenggenhager, H. Baltes, J.Peer and M.Forster, "Thermoelectric infrared sensors by

•{ 4 51 2 6 0 五、發明說明（Ό CMOS technology", IEEE Electron Device Letters 13, 454, (1992) (3) T.Akin, Z.Olgun, O.Akar, H.Kulah "An integrated thermopile structure with high responsivity using any s tndard CMOS process'丨， Sensors and Actuators A 6 6, pp. 218-224 ( 1 9 9 8 )。 (4) H.Baltes, "CMOS as Sensor Technology", Sensors and Actuators A37〜38， pp. 51-56 (1993) (5) HL-PLANAR Technik Thermopile 資料 以上述所發表文獻為例，由W i s e等人所提出的元件， 其所使用之材料為A u及多晶矽，結構為使用背面矽體型蝕 刻技術之封閉浮板結構。由Bat 1 es等人所提出的元件，其 所使用之材料為A 1及多晶矽，結構亦使用正面矽體型蝕刻 技術之開放浮板結構，但其黑體吸收膜使用的是二氧化矽 (Si〇2)及氮化石夕（siN)所組成的保護膜（Passivation layer)。而由Kulah等人所提出的元件，結構使用正面矽 體型蝕刻技術之開放浮板結構，但其所使用之材料為η型 多晶矽及ρ型單晶矽，且此一元件的製作必須配合電化學 及向濃度硼（Ρ++)之蝕刻抑止方法完成，增加了製程的複雜 性並降低了量產的良率。 除此之外’文獻（4)中所描述的為浮板上加裝電阻加 熱器，做為熱電轉換器以及熱導之測量之用，而並非本專 利所述之電子校正測量用。文獻（5 )則為現在市埸上熱電 堆元件之資料，其中使用N i金屬做為環境溫度感測之用，

第10頁 4 512 6 0 五、發明說明（8) 而本專利則提出利用與第一或第二導線層相同之材料，以 製作環境溫度感測電阻。 多晶矽/金屬熱電堆感測器之優點為製程簡單且量產 的良率高，因此，提升此一感測器的特性的結構正是本專 利所訴求的重點所在。 【發明之目的及概述】 因此，本發明之主要目的在於提供一種熱電堆感測元 件及其製造方法，用以改善習知之缺點及不佳之處。 本發明所揭露之製造方法具有下列特點： (1 )係採用熱導係數較低的材料製作導線，並以繞線 方式使導線呈曲折結構，可在有限空間内增加導線長度， 以降低熱導，進而提高所測物體溫度變化的靈敏度。 (2 )採用低熱導的鈦合金當做導線，以降低元件之固 體熱導。 (3 )在其.浮板上加裝一電阻線加熱器，使其可使用電 子校正法來埠行測量，以提高量測精度。 (4 )利用半導體製程中之鈦薄膜來製作黑體。 (5 )在中央浮板上開蝕刻孔以縮短蝕刻時間，及增加 良率。 (6 )利用正面體型蝕刻技術來蝕刻元件下方的矽基板 並將其掏空而使感測元件之熱端懸浮，藉此縮小單位熱電 堆感測元件之面積、增加單位矽晶圓之產能、並使封裝更 容易、提供簡易製程、減少蝕刻時間與元件損壞。 (7 )使用與第一或第二導線層相同之材料製作溫度感

第Π頁 Γ 4 512 6 0 五、發明說明（9) ! 測電阻。此電阻其阻值大於1 0 0 Κ Ω 。 | (8)使用5支接腳或6支接腳的金屬罐做為封裝之用。 | 為達上述目的，本發明提供一種熱電堆感測元件及其 ί 製造方法，該方法至少包括下列步驟：提供一矽基板；沉 積一第一絕緣層於矽基板表面；沉積一材料層（其材料可 : 為金屬或多晶石夕）於第一絕緣層表面；罩幕定義並I虫刻去 j 除部份材料層以形成一第一導線；沉積一第二絕緣層於第 一導線與第一絕緣層之表面；去除部份第二絕緣層，以形 成複數個接觸窗；沉積一第一金屬層於第二絕緣層之表面 ;罩幕定義並银刻去除部份第一金屬層以形成一第二導線 ，並透過前述之接觸窗使第二導線與第一導線接觸於複數 個熱端及冷端；沉積一第三絕緣層於第二導線與第二絕緣 j 層之表面；蝕刻部份第三絕緣層與第二絕緣層，以使最後 j 一條第二導線之一部份裸露於外，用以連接至待形成之第 二金屬墊，而第一條第一導線亦可經由第二導線連接至待 形成之第一余屬墊；沉積一第二金屬層於第三絕緣層之上 Γ蝕刻部份第二金屬層以形成第一及第二金屬墊；沉積一 第四絕緣層於第三絕緣層與第二金屬層之上；沉積一第三 金屬層於第四絕緣層之上，並以I虫刻或L i f t 〇 f f的方法定 義出黑體吸收層，用以吸收入射的紅外線；沉積一第五絕 緣層於第四絕緣層與黑體吸收層之表面；蝕刻部份第四絕 緣層與第五絕緣層，形成一打線窗，以露出第一及第二金 屬墊；形成一蝕刻孔貫穿第五、第四、第三、第二及第一 絕緣層，而使矽基板之表面裸露於外；最後以正面蝕刻技

第12頁 4512 6 0 五、發明說明（ίο) 術經由前述蝕刻孔對矽基板進行蝕刻，以掏空矽基板。 根據上述之製造方法，所得到之熱電堆感測元件，係 利用第一金屬墊與第二金屬墊，作為熱電堆感測元件之輸 出，其結構至少包含有：一石夕基板；一第一絕緣層，形成 於矽基板表面；複數個第一導線，形成於第一絕緣層表面 ，其中每一第一導線具有一熱端與一冷端；且第一條第一 導線之冷端係經由待形成之第二導線電連接至第一金屬墊 ;一第二絕緣層，形成於第一導線之表面；複數個第二導 線，形成於第二絕緣層之表面，其中第二導線係呈曲折結 構，且每一第二導線亦具有熱端與冷端，第二導線之熱端 分別與第一導線之熱端呈一對一接觸，且在第二導線中， 最後一條第二導線之冷端係電連接至第二金屬墊，且第一 金屬墊與第二金屬塾係由第二金屬層所形成；一第三絕緣 層，形成於第二絕緣層與第二導線之表面；一第四絕緣層 ，形成於第三絕緣層與前述第一、第二金屬墊之表面；一 由第三金屬層所形成之黑體吸收層，形成於第四絕緣層之 表面，用以吸收紅外線；一第五絕緣層，形成於第四絕緣 層與黑體吸收層之表面；一打線窗，形成於第一及第二金 屬墊之上方，其貫穿第五與第四絕緣層，以露出第一、第 二金屬墊之表面；以及一蝕刻孔，形成於第五絕緣層表面 ，並往下延伸貫穿第五、第四、第三、第二及第一絕緣層 ，用以容許矽基板與外界相通。 且其上製程在製作第一或第二導線層時可同時製作加 熱用電阻或環境溫度測量用電阻。

第13頁 1 4 51 2 6 0 五 '發明說明（11) 為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯 易懂，下文特舉一較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細 說明如下： 【圖式簡單說明】 第1 A圖係為一種圓環狀熱電堆感測元件的剖面圖； 第1 B圖係為顯示「第1 A圖」之熱電堆感測元件内導線 連接方式的示意圖； 第2 A圖係為本發明之熱電堆感測元件的剖面圖； 第2 B圖係為顯示「第2 A圖」之熱電堆感測元件内雙層 導線連接方式的示意圖； 第2 C圖係為顯示「第2 A圖」之熱電堆感測元件内三層 導線連接方式的示意圖； 第2 D圖係為顯示「第2 A圖」之熱電堆感測元件内繞線 方式的示意圖； 第3 A ~ 3 J圖係為本發明戶斤揭露之熱電堆感測元件製造 方法之每一步驟的剖面圖； 第4 A圖係為依據本發明之實施例所做之懸臂樑結構； 第4 B圖係為依據本發明之實施例所做之四橋結構； 第4 C圖為依據本發明之實施例所做之二橋結構； 第5圖係為依據本發明之實施例所做之開蝕刻窗口結 構；以及 第6圖，係為本發明之感測元件另一實施例的示意 圖，其中顯示在中央浮板上製作一電阻線。 【實施例說明】

第14頁 451260 五、發明說明（12) 首先請參閱「第2 A圖」所示，其係為本發明之熱電堆 感測元件的剖面圖.。此'熱電堆感測元件具有.一碎基板 3 1、複數之第一導線3 5、複數之第二導線3 6、一黑體吸收 層3 9、一蝕刻孔3 4、一間隙3 2、複數之接觸窗4 3、以及第 一、第二、第三、第四以及第五絕緣層（21、22、23、24 、25 ) ° 其中「第2 B圖」係為顯示「第2 A圖」之熱電堆感測元 件内雙層導線連接方式的示意圖。由圖2A、2B中可看出， 第二導線3 6係透過貫通第三絕緣層2 3之接觸窗4 3，而與第 一導線3 5接觸以形成熱端Η。第二金屬墊3 8則與最後一條 第二導線3 6電連接，而第一金屬墊3 7係與第一條第一導線 35電連接，其第一、第二金屬墊（37，38)係用以作為熱電 堆感測元件之輸出。 如上所述之結構，其製造方法配合「第3 A ~ 3 J圖」之 每一製造步驟的剖面圖詳述如下。 首先提供一叾夕基板31，於前述砍基板31之上沉積一第 一絕緣層2 1 ，如「第3B圖」所示，其中矽基板3 1在後續製 程中將被掏空；接著在第一絕緣層2 1之表面上沈積一材料 層，其材料可為金屬或多晶矽或非晶矽，並利用標準的黃 光製程以罩幕定義並蝕刻去除部份材料層，而在第一絕緣 層2 1部份表面上形成第一導線3 5，如「第3 C圖」所示；於 第一絕緣層2 1與第一導線3 5之表面沉積第二絕緣層2 2，然 後，對第二絕緣層2 2進行平坦化與蝕刻，以形成複數個接 觸窗4 3，其中接觸窗4 3之底部暴露出第一導線3 5 ，如「第

第15頁 * 451 2 6 Ο 五、發明說明（13) 3 D圖」所示；接著在第二絕緣層2 2表面沉積第一金屬層’ 在沉積的過程中第一金屬層會將前述接觸窗43填滿形成栓 塞以做為第一導線3 5與後續形成之第二導線3 6之連接導通 ，沈積完成後並以標準的黃光製程罩幕定義該第一金屬層 ，以在第二絕緣層2 2之表面上形成第二導線3 6，如「第3 Ε 圖」所示，其中第二導線36能經由接觸窗43的連通而與第 一導線35接觸形成熱端Η，並透過其餘的接觸窗（未顯示）. 與第一導線3 5接觸形成冷端C (未顯示）。 待形成第二導線36後，繼續在第二導線36與第二絕緣 層22表面上沉積一第三絕緣層23，如「第3F圖」所示，並 對第三絕緣層2 3與第二絕緣層2 2執行蝕刻，以使最後一條 第二導線3 6之一部份露出，其後沉積第二金屬層，並蝕刻 部份該第二金屬層以定義出第一、第二金屬墊形狀並連接 -至第二金屬墊3 8 ;第一條第一導線3 5則經由第二導線3 6而 連接至第一金屬墊37，其導線連接的方式如「第2B圖」所 _ 示；接著再沉積一第四絕緣層2 4於第三絕緣層2 3與第二金 屬層之上，如「第3F圖」所示，並沉積一第三金屬層於 - 前述第四絕緣層2 4之上，經由蝕刻或L i f t 〇 f ί的方法定義 出黑體吸收層3 9，用以吸收入射的紅外線，如「第3 G圖所 示」，其中在此所使用的黑體材料可以是鈦、氮化鈦、鈦 合金或其它化合物所組成。 待形成黑體吸收層3 9之後，繼續在第四絕緣層2 4與黑 一 體吸收層3 9之表面沉積第五絕緣層2 5，並蝕刻部份第四、 第五絕緣層（2 4，2 5 )，以形成一打線窗（未標示），以暴露

第16頁 451 2 60 五、發明說明（14) I 出第一、第二金屬墊（3 7，3 8 );接著以罩幕定義钱刻部份 :第五絕緣層2 5以在第五絕緣層2 5表面上挖出蝕刻孔3 4，並 使此蝕刻孔3 4往下貫穿第四、·第三、第二與第一絕緣層 (2 4，2 3，2 2，2 1 )，而使矽基板3 1局部表面能裸露於外， 以便進行後續之正面蝕刻製程，如「第3 I圖」所示；最後 以正面蝕刻技術經由前述蝕刻孔3 4對露出之矽基板3 1表面 i 進行蝕刻，以去除部份的矽基板31，而釋放元件結構，如 「第3 J圖」所示。 在說明製程步驟之後，現從幾個方面來說明本發明所 提供之製程與結構的特點。 就導線方面而言： 在本發明之較佳實施例中係採用鈦作為第二導線3 6， 由於鈦的熱導係數（+ 1 7 W / K )與鋁矽銅（〜2 3 8 W / K )相比相當 的小，且同時為電的良導體，因此可以提高被測物體溫度 變化的靈敏度；同時在上述較佳實施例中，係在接觸窗4 3 内形成第二導線3 6，以此第二導線3 6當作第一、第二導線 (3 5，3 6 )的連接導通，如「第2 B圖」所示。 而在另一實施例中，也可不使用第二導線3 6當作連接 導通之用，而使甩上述第三金屬層作為連接導線40，以取 代前述第二導線3 6，其連接方式如「第2 C圖」所示，其方 式是先在接觸窗4 3内填滿與第一、第二金屬墊（3 7，3 8 )相 同材料之第三金屬層，再利用罩幕定義前述金屬材料即可 形成連接導線4 0。 又，在另一實施例中，也可使用第二導線層的材料來

第17頁 45126： 五、發明說明（15) 做為第一及 緣層23 如 方式就 係利用 内增加 利用第 線（3 5 ，如單 可以， 構外， 另 並將所 ，從其 與第 前曾 是增 繞線 導線 二導 '36) 層弓 端視 也可 外， 造成 電壓 此一 久老 專利 做為 測量 會在 外線 器對 較狹 習知之 化、或 所提出 加熱器 ，以避 且依據 蝕刻孔 照射角 於紅外 窄的溝 第二金 二金屬 提及的 加導線 方式使 長度， 線3 6或 之用， 型、多 使用者 使第一 習知之 之浮板 大小來 量測方 受讀取 之熱電 ，如此 免以上 本發明 底部或 度改變 線入射 狀，並 屬墊（37，38)。 層二道製程。 ’提南熱電堆感 的長度，以降低 第二導線36呈曲 其結構如「第2D 連接導線4 0當作 而前述之曲折結 層弓型，甚至是 的決定，當然除 導線3 5也呈曲折 熱電堆元件乃直 的溫升，轉變成 直接計算被測物 法，常會受環境 電路特性漂移之 堆感測器，可在 即可使用後述之 所述之輸出漂移 之較佳實施例而 側壁造成紅外線 所造成的反射程 角的較大不穩定 可在其他原為蝕 如此，則可省去第三絕 測元 熱導 折結 圖」 連接 構的 圓孤 了第 結構 接由 熱電 的輻 變化 影響 中央 電子 所造 言 ， 之反 度不 性， 刻孔 件特性的其中一種 ，因此在本發明中 構，以在有限空間 所示，當然在此可 導通第一、第二導 實施樣態有很多種 型或是其它形狀都 二導線3 6的曲折結 浮板吸 堆兩端 射量及 、熱電 而產生 浮板上 校正測 成之誤 由於較 射，而 同，所 故將蝕 之處留 收熱輻 的輸出 溫度。 堆材料 漂移。 加一電 量法來 差。 大之蝕 易引起 造成之 刻子L定 下第一 射， 電壓 然而 之經 而本 阻線 進行 刻孔 依紅 感測 義成 或第

第18頁 * 4 512 6( 五、發明說明（16) 二金屬層做為擔光板以反射紅外線，以避免上述因紅外線 入射角所造成之輸出的漂移。 以下描述電子校正法量測之原理： 電子校正法量測之原理為在浮板上佈上一電阻線做為 加熱器使用，測量時先遮蔽照射至感測元件的賴射，然後 在此電阻線上通電以供給功率加熱浮板，來模擬熱輕射所 造成之溫升。其中由於加熱器所提供的功率和其所造成的 溫升，及由輻射所提供的功率和其所造成的溫升，均成一 正比關係。所以只要在測量被測物體的溫度之前，先遮蔽 熱電堆元件所吸收之熱輻射，並在加熱器上施加一功率 (wh)，而量其所造成的熱電堆輸出電壓（vh)。然後移開遮 蔽，由浮板吸收被測物轄射至浮板的功率（wt )，並量取其 所造成的熱電堆輸出（vt)。如此，由測量所得的wh、vh、 vt，即可計算出被測物所發出的絕對輻射量w t，並可計算 出被測物體之溫度，其公式可表示如下： 由光加熱與電加熱之對等性 j r，h f X % ⑹ 在此k為一比例常數，可事先由一黑體及巳知之溫度 而精確量得。 由於熱電堆元件之輸出效益隨環境、時間或輪出電路

第19頁 451 2 6 五、 發明說明（17) 影 響 所 造成 之 /示 移 等 皆 會 依 同 一 比 例 影 響 及\ Γ ，所以 vh/vt 不 會隨 之 /示 移 > 而 可 測 量 到 精 確 之 標 的 物 的 輻 射 量 及 溫 度 0 以 下就 本 專 利 之 特 點 整 理 如 下 ； (1 )就第二導線層的結構而言 第 二導 線 採 曲 折 型 結 構 以 降 低 其 固 體 数 ί 1 '、 導 其 材 質 並 可 使 用 鈦或 鈦 合 金 等 低 敎 導 係 數 之 材 質 〇 而 即 使 以 一 般 CMOS 標 準製 程 中 所 用 之 鋁 矽 銅 合 金 亦 可 藉 著 曲 折 型 導 線 結 構 y 使其 固 體 熱 導 降 低 為 習 知 直 線 型 結 構 之 7 0%~ 80% ^ 基 於 上 述理 由 我 們 相 信 本 發 明 在 不 增 加 元 件 尺 寸 及 生 產 成 本 下 ，可 提 升 元 件 訊 號 輸 出 0 (2 )就後蝕刻製程而言 本 發明 係 以 正 面 刻 技 術 取 代 習 知 之 背 面 餘 刻 技 術 » 因 正 面 Ί虫刻 所 需 的 面 積 較 小 可 以 縮 小 單 位 献 電 堆 感 測 元 件 的 面 積， 增 加 單 位 矽 晶 圓 之 產 能 > 並 使 封 裝 更 容 易 > 提 供 簡 易 製程 、 減 少 餘 刻 時 間 與 元 件 損 壞 其 結 構 可 採 用 懸 臂 樑 、 四橋 或 兩 橋 的 結 構 (如 「第4Α * 4 B與4 C圖_ 所示） 〇 (3 )就黑體方面而言： 其 較佳 實 施 例 利 用 鈦 作 為 萤 體 吸 收 層 39 若 適 當 控 制 其 厚 度（3 4 mg / cm2) 則 可得 到 一 ίτΐ 取 佳 的 吸 故 率 ； 又 钦 在 CMOS 標 準製 程 中 為 -— 標 準 材 料 j 對 簡 化 製 程 有 很 大 的 幫 助 (4 )就银刻孔方面而言： 由 於熱 電 堆 感 測 元 件 的 面 積 較 大 所 需 刻 時 間 長

第20頁

451 2 SC 五、 發明說明（18) 又 在 刻 一 般 四 橋 形 的 縣 浮 板 時， 常 在 中 心 處 留 下 一 山丘 使 氣 體 熱 導 變 大 將 触 刻 時 間增 加 雖 可 以 將 山 丘 變 小， 但 4k 刻 時 間 的 增 加 對 良 率 會 造 成影 響 故 在 浮 板44 中 心開 一 1 虫 刻 窗 Ώ 43 ’（ 如 Γ 第 5圖」 所示） 如 此 不 但 防 止 山 丘的 形 成 並 同 時 縮 短 刻 時 間 以提 r§3 製 程 的 良 率 〇 (5 )就電子校正測量用結構而言 本 發 明 亦 可 在 中 央 浮 板44 上製 作 —- 電 阻 線45 此 電阻 線4 5 電 連 接 到 第 二 、 四 金 屬 墊 (46 47) ? 如 厂 第 6圖_ 所 示 5 經 由 前 述 第 二 、 四 金 屬 墊 (46 47 ) 由 外 m 入 電 功 率， 以 做 為 電 子 校 正 量 測 之 用 其 中此 電 阻 線4 5 的 材 料 可 由第 導 線 層 或 第 二 導 層 的 材 料 製 成。 (6 )就製程方面而言： 本 發 明 所 提 供 之 製 程 與 半 導體 之 CMOS 相 容 可 將 CMOS 或 BiCMOS 電 路 與 此 熱 電 堆 感 測 元件 一 併 完 成 用 以 減 少外 接 電 路 的 雜 訊 影 響 對 簡 化 製 程有 相 當 大 的 幫 助 0 (7 )就環.境溫度測量用電阻而言 利 用 與 第 — 或 第 二 導 線 層 相同 之 材 料 製 作 溫 度 測 量用 電 阻 > 其 電 阻 阻 值 大 於 1 00K Ω 〇 (8 )以上所述之熱電堆感測器 其封裝使用5 支 腳 或6 支 腳 之 金 屬 罐 〇 [ 圊 式 符 號 之 說 明 ] C 冷端 Η * 熱端 1 破基板

451 2 6C 五、發明說明（19) 2 ....................封閉浮板 3 ....................第一導線 4，4’...................絕緣層 5 ....................第二導線 6 ...................黑體吸收層 7 ...................尊一金爆鲁 8 ...................第二金屬墊 21...................第一絕緣層 2 2...................第二絕緣層 23...................第三絕緣層 2 4...................第四絕緣層 25...................第五絕緣層 3 1.....................矽基板 32 間隙 34 35 36 37 38 39 40 43 43’ 44 • · · •姓刻孔 • · •第一導線 • ·.第二導線 •第一金屬墊 • •第二金屬墊 • •黑體吸收層 • · •連接導線 • * · ·接觸窗 .•钱刻窗口 .....浮板

第22頁 五、發明說明（20) 45 .....................電阻線 46 ...................第三金屬墊 4 7...................第四金屬墊 iiniii 第23頁

Claims (1)

1. 4 512 6 0 六、申請專利範圍 1 、一種熱電堆感測元件製造方法，其至少包括下列步驟 提供一破基板； 沉積一第一絕緣層於該矽基板表面； 沉積一材料層於該第一絕緣層表面； 罩幕定義並蝕刻去除部份該材料層以形成一第一導線 ， 沉積一第二絕緣層於該第一導線與該第一絕緣層之表 面； 去除部份該第二絕緣層，以形成複數個接觸窗； 沉積一第一金屬層於該第二絕緣層之表面； 罩幕定義並蝕刻去除部份該第一金屬層以形成一第二 導線，並透過該接觸窗使該第二導線與該第一導線接觸 於複數個熱端及冷端； 沉積一第三絕緣層於該第二導線與該第二絕緣層之表 面； 蝕刻部份該第三絕緣層與該第二絕緣層，以使最後一 條該第二導線之一部份裸露於外，用以連接至待形成之 一第二金屬墊，而第一條該第一導線亦經由該第二導線 連接至待形成之一第一金屬墊； 沉積一第二金屬層於該第三絕緣層之上； 蝕刻部份該第二金屬層以形成該第一及第二金屬墊； 沉積一第四絕緣層於該第三絕緣層與該第二金屬層之 上；

   第24頁 45126 六、申請專利範圍 沉積一第三金屬層於該第四絕緣層之上，並以蝕刻或 L i f t 〇 f f的方法定義出黑體吸收層，用以吸收入射的紅 外線； 沉積一第五絕緣層於該第四絕緣層與該黑體吸收層之 表面； 蝕刻部份該第四、第五絕緣層，形成一打線窗，以露 出該第一、第二金屬墊； 形成一蝕刻孔貫穿該第五、第四、第三、第二與第一 絕緣層，而使該矽基板之表面裸露於外；以及 以正面蝕刻技術經由該蝕刻孔對該矽基板進行蝕刻， 以掏空該矽基板。 2 、如申請專利範圍第1項所述之熱電堆感測元件製造方 法，其中該材料層之材料可為金屬或多晶矽等材料。 3 、如申請專利範圍第1項所述之熱電堆感測元件製造方 法’其中該黑體吸收層可由鈦、氮化鈦、鈦合金或其它 金属或合金所組成。 4 、如申請專利範圍第1項所述之熱電堆感測元件製造方 法，其中該第一導線與該第二導線的材料可由半導體材 料所組成。 5 、如申請專利範圍第1項所述之熱電堆感測元件製造方 法，其中冷端之第一導線與第二導線可藉由該第三金屬 層而連接。 6 、如申請專利範圍第1項所述之熱電堆感測元件製造方 法’其中該第二導線的材料可由鈦、鋁、氮化鈦、鈦合

   第25頁 45126〇 六、申請專利範圍 金或銘合金之一或混合物所組成。 7 、如申請專利範圍第1項所述之熱電堆感測元件製造方 法，其中可利用繞線方式使該第二導線呈曲折結構，以 增加導線長度，並降低固體熱導。 8 、如申請專利範圍第1項所述之熱電堆感測元件製造方 法，其中該第一、第二金屬墊可由該第一金屬層製成。 9 、如申請專利範圍第1項所述之熱電堆感測元件製造方 法，其中在形成該蝕刻孔的同時亦可在浮板中心開一蝕 刻窗口 ，以提高製程的良率。 1 0 、一種熱電堆感測元件，利用一第一金屬墊與一第二 金屬墊，用以作為該熱電堆感測元件之輸出，其結構至 少包含有： 一 $夕基板； 一第一絕緣層，形成於該秒基板表面； 複數個第一導線，形成於該第一絕緣層表面，其中每一 該第一導線具有一熱端與一冷端，且第一條該第一導線 之該冷端係電連接至該第一金屬墊； 一第二絕緣層，形成於該第一導線之表面； 複數個第二導線，形成於該第二絕緣層之表面，其中 該第二導線係呈曲折結構，且每一該第二導線亦具有該 熱端與該冷端，該第二導線之該熱端分別與該第一導線 之該熱端呈一對一接觸，且在該第二導線中，最後一條 該第二導線之該冷端係電連接至該第二金屬墊； 一第三絕緣層，形成於該第二絕緣層與該第二導線之

   第26頁 六、申請專利範圍 表面； 一第二金屬層，用以形成該第一、第二金屬墊； 一第四絕緣層，形成於該第三絕緣層與該第一、第二 金屬墊之表面； 一黑體吸收層，形成於該第四絕緣層之部份表面，用 以吸收紅外線； 一第五絕緣層，形成於該第四絕緣層與該黑體吸收層 的表面； 一打線窗，形成於該第一、第二金屬墊之上方，並貫 穿該第五、第四絕緣層，以暴露出該第一、第二金屬墊 之表面；以及 一蝕刻孔，形成於該第五絕緣層之表面，並往下延伸 貫穿該第五絕緣層、該第四絕緣層、該第三絕緣層與該 第二絕緣層，用以容許該矽基板與外界相通。 1 1 、如申請專利範圍第1 0項之熱電堆感測元件，其中 於該矽基板中更包含有CMOS電路。 1 2 、如申請專利範圍第1 0項之熱電堆感測元件，其中 於該矽基板中更包含BiCMOS電路。 1 3 、如申請專利範圍第1 0項之熱電堆感測元件，其中 該熱電堆感測元件之形狀係為懸臂標。 1 4 、如申請專利範圍第1 0項之熱電堆感測元件，其中 該熱電堆感測元件之形狀係為四橋狀。 1 5 、如申請專利範圍第1 0項之熱電堆感測元件，其中 該第一或第二導線可以是曲折結構。

   第27頁 六、申請專利範圍 1 6 、如申請專利範圍第1 0項之熱電堆感測元件，其中 可於中央浮板上製作一電阻線，藉由外界輸入電功率， 而做為電子校正測量之用。 1 7 、如申請專利範圍第1 0項之熱電堆感測元件，其中 由第一或第二導線層構成溫度感測電阻，其阻值大於 100ΚΩ 。 1 8 、如申請專利範圍第1 0項之熱電堆感測元件，其封 裝使用5支腳或6支腳之金屬罐。 1 9 、如申請專利範圍第1 0項之熱電堆感測元件，其中 該蝕刻孔定義成狹窄的溝狀，用以留下該第一或該第二 金屬層做為反射紅外線之擋光板。

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