專利名稱：一種微型橋式紅外測溫傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種微型橋式紅外測溫傳感器。
背景技術(shù)：
紅外線是一種人眼不可見光線，它包含了物體的溫度信息。通過測量物體的紅外輻射，可以測量物體表面溫度。熱電堆紅外線溫度傳感器是一種常見的紅外測溫傳感器，它是基于賽貝克效應(yīng)(Seebeck effect)原理工作的。塞貝克效應(yīng)是指兩種不同材料組成的熱偶，如果閉合回路之間的兩個節(jié)點(diǎn)之間存在溫度差，就會在溫度中產(chǎn)生電動勢。早期的熱電堆紅外溫度傳感器是將熱偶材料沉積在塑料或者氧化鋁襯底之上獲得的。隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展，各種MEMS紅外線溫度傳感器開始嶄露頭角?，F(xiàn)有熱電堆紅外測溫傳感器市場產(chǎn)品的熱偶材料一般采用賽貝克系數(shù)較高的Bi-Sb、Bi-Ag或者Bi-Te材料，這類材料雖然具有較高的賽貝克系數(shù)，但其制作工藝與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝不兼容，難以與處理電路單片集成。其次，現(xiàn)有熱電堆測溫傳感器市場產(chǎn)品多采用背向腐蝕技術(shù)，需要雙面對準(zhǔn)光刻，對設(shè)備要求高，工藝復(fù)雜。最關(guān)鍵的是，背面腐蝕完畢后，由于部分硅襯底被刻穿造成應(yīng)力集中，硅襯底很容易從刻穿處破損，器件成品率不高。為解決該問題，國內(nèi)外諸多研究機(jī)構(gòu)也在尋找可行的解決方案。中國發(fā)明專利(申請?zhí)?00116388. 4)提出了一種解決方法，該方法核心為采用正面光刻和濕法腐蝕技術(shù)，制造出懸臂結(jié)構(gòu)。熱電堆制作在懸臂結(jié)構(gòu)之上，熱偶材料選用絕緣體上摻雜單晶硅(SOI)和鋁薄膜。相對于現(xiàn)有產(chǎn)品，該方法可有效解決工藝兼容和背面腐蝕成品率不高難題。但仍然存在不足首先，該專利熱偶材料選用摻雜單晶硅和Al薄膜，與多晶硅相比，單晶硅雖然具有高的賽貝克系數(shù)，但SOI襯底成本較高，不利于器件進(jìn)一步降低成本。其次，該發(fā)明利用濕法腐蝕(TMAH或者Κ0Η)腐蝕硅襯底，濕法腐蝕襯底防護(hù)難度較大，可控性也難以得到保證。

實用新型內(nèi)容本實用新型所要解決的技術(shù)問題是提供一種微型橋式紅外測溫傳感器。該微機(jī)械熱電堆紅外溫傳感器全部采用CMOS材料制作，制造工藝與CMOS工藝完全兼容，可以在通用集成電路代工廠加工制作。其次，本發(fā)明采用等離子體干法刻蝕技術(shù)，利用等離子刻蝕的各向同性特性進(jìn)行硅襯底刻蝕，具有高度可控性好，器件成品率高等諸多優(yōu)點(diǎn)。本實用新型解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案如下一種微型橋式紅外測溫傳感器， 它采用橋式結(jié)構(gòu)，包括硅襯底和設(shè)置在硅襯底上的微橋，微橋的傳感器光敏區(qū)懸浮設(shè)置在硅襯底被刻蝕后形成的空腔之上，熱電堆熱端位于微橋中心區(qū)域，冷端位于硅襯底熱沉之上，微橋包括由內(nèi)向外依次設(shè)置的由氧化硅薄膜和氮化硅薄膜制成的支撐層、摻雜多晶硅和Al薄膜制成的Al-Si熱電偶和氮化硅制成的鈍化層，微橋的傳感器光敏區(qū)外表面設(shè)有紅外線吸收層，摻雜多晶硅和Al薄膜之間設(shè)有隔離介質(zhì)層，微橋上設(shè)有刻蝕孔。進(jìn)一步的，摻雜多晶硅為P型或N型。[0007]進(jìn)一步的，隔離介質(zhì)層采用摻雜氧化硅薄膜或氮化硅薄膜。進(jìn)一步的，紅外線吸收層采用氮化硅薄膜、黑金、聚酰亞胺或聚對二甲苯制成。進(jìn)一步的，紅外線吸收層厚度為0. 05 0. 5微米，紅外線吸收層對紅外線輻射的吸收效率為90%以上。本實用新型的有益效果是(1)測溫傳感器采用CMOS工藝中的摻雜多晶硅-Al作為器件熱偶材料，敏感材料與大規(guī)模集成電路工藝完全兼容，傳感器部分工藝可以在通用大規(guī)模集成電路代工廠加工制作；(2)由于加工工藝與集成電路工藝兼容，該傳感器可以與處理電路單片集成，制作智能型紅外測溫傳感器；(3)在傳感器光敏區(qū)制作了一層黑金紅外線吸收層，可提高器件紅外利用效率。
圖1為本實用新型俯視圖；圖2為本實用新型剖視圖；附圖中，各標(biāo)號所代表的部件列表如下1、硅襯底，2、空腔，3、氧化硅薄膜，4、氮化硅薄膜，5、摻雜多晶硅，6、隔離介質(zhì)層， 7、AL薄膜，8、鈍化層，9、紅外線吸收層，10、刻蝕孔。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本實用新型的原理和特征進(jìn)行描述，所舉實例只用于解釋本實用新型，并非用于限定本實用新型的范圍。如圖1和圖2所示，一種微型橋式紅外測溫傳感器，為減小器件與硅襯底1熱沉間的熱導(dǎo)，它采用橋式結(jié)構(gòu)，包括硅襯底1和設(shè)置在硅襯底1上的微橋，微橋的傳感器光敏區(qū)懸浮設(shè)置在硅襯底被刻蝕后的空腔2之上，熱電堆熱端位于微橋中心區(qū)域，冷端位于硅襯底1熱沉之上，微橋包括由內(nèi)向外依次設(shè)置的由氧化硅薄膜3和氮化硅薄膜4制成的支撐層、摻雜多晶硅5和Al薄膜7制成的Al-Si熱電偶和氮化硅制成的鈍化層8，微橋的傳感器光敏區(qū)外表面設(shè)有紅外線吸收層9，摻雜多晶硅5和Al薄膜7之間設(shè)有隔離介質(zhì)層6，微橋上設(shè)有刻蝕孔10，該刻蝕孔10用以在傳感器釋放工藝中刻蝕硅襯底形成空腔2。摻雜多晶硅5為P型或N型。隔離介質(zhì)層6采用摻雜氧化硅薄膜或氮化硅薄膜。紅外線吸收層9采用氮化硅薄膜、黑金、聚酰亞胺或聚對二甲苯制成，通常采用蒸鍍方式實現(xiàn)。本發(fā)明中各個組成部分的作用為硅襯底1用于支撐傳感器敏感微橋結(jié)構(gòu)，同時作為冷端熱沉；硅襯底1刻蝕形成的空腔2用于提供傳感器光敏區(qū)與硅襯底1熱沉間的熱絕緣， 提高傳感器探測靈敏度；傳感器微橋懸浮支撐在硅襯底1空腔2之上，空腔2內(nèi)空氣用作熱絕緣層，防止傳感器吸收的紅外輻射經(jīng)襯底快速散失；[0027]由于Al-Si熱電偶的強(qiáng)度有限，Al-Si熱電偶的下層氮化硅薄膜4、氧化硅薄膜3 用做支撐層，支撐微橋結(jié)構(gòu)懸浮；Al-Si熱電偶的上層氮化硅用作鈍化層8，防止Al材料在封裝氣氛中腐蝕失效；在鈍化層8之上，還利用微機(jī)械加工工藝制作了一層黑金紅外線吸收層9，提高傳感器的紅外吸收效率。在本發(fā)明中，硅襯底1的空腔2刻蝕是一項關(guān)鍵工藝。空腔2刻蝕采用等離子體干法刻蝕技術(shù)，傳感器正面防護(hù)采用聚酰亞胺薄膜制作的保護(hù)層11。刻蝕設(shè)備可選用電感耦合等離子體刻蝕機(jī)(ICP)。在微加工工藝中，ICP通常用于刻蝕垂直硅側(cè)壁，最常用的是博世公司開發(fā)的Bosch工藝，利用聚合物交替刻蝕技術(shù)保護(hù)側(cè)壁不受刻蝕，形成垂直側(cè)壁結(jié)構(gòu)。本發(fā)明所使用的工藝為改進(jìn)的Bosch工藝，通過調(diào)整工藝參數(shù)，使得側(cè)壁聚合物來不及形成就被刻蝕，從側(cè)向腐蝕硅襯底。通過調(diào)整刻蝕工藝參數(shù)，可以使得刻蝕速率縱橫比率達(dá)到2 :1 3 :1，這樣，當(dāng)縱向刻蝕深度達(dá)到300微米時，橫向刻蝕可以達(dá)到100微米，完全釋放微橋結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明中，硅空腔刻蝕采用體硅犧牲層工藝。所謂體硅犧牲層工藝，是指利用干法或者濕法刻蝕，去除硅襯底部分材料，釋放微結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明中選用干法等離子體刻蝕技術(shù)。在體硅刻蝕過程中，首先需要在芯片表面制備一層保護(hù)層材料，在硅晶圓上旋涂保護(hù)層并圖形化，保護(hù)層采用聚酰亞胺薄膜；假定等離子體刻蝕工藝刻蝕速率縱橫比為2 :1，當(dāng)縱向刻蝕深度為200微米時，橫向刻蝕深度將達(dá)到100微米。ICP刻蝕硅材料可達(dá)每分鐘十幾微米至幾十微米，因此采用本方法，傳感器可以在十多分鐘后得到釋放，且不存在濕法刻蝕的玷污和工藝難題控制的難題。本實用新型微機(jī)械CMOS熱電堆紅外測溫傳感器生產(chǎn)工藝具體如下步驟1 利用CMOS電路工藝在硅襯底1上制作微橋(1)硅襯底1處理，(2)支撐層制備，支撐層采用氧化硅薄膜和氮化硅薄膜制備，(3)多晶硅制作與摻雜，(4)隔離介質(zhì)層淀積，隔離介質(zhì)層采用氧化硅薄膜，互聯(lián)孔刻蝕，(5) Al薄膜淀積和圖形化，(6)鈍化保護(hù)層淀積，(7)刻蝕孔制作。本加工步驟中的所涉及的材料和工藝均采用集成電路代工廠通用技術(shù)，可以在任何IC代工廠加工制作。步驟2 紅外吸收層9制作，當(dāng)步驟1完成后，加工的產(chǎn)品從集成電路代工廠取出， 清洗后利用微機(jī)械加工工藝在芯片表面制作一層黑金紅外線吸收層9，紅外線吸收層9厚度為0. 05 0. 5微米，黑金紅外線吸收層9對紅外輻射的吸收效率為90%以上，鍍膜工藝溫度控制很低，不會對CMOS工藝形成的結(jié)構(gòu)造成任何損傷。步驟3 旋涂聚酰亞胺薄膜保護(hù)層，并圖形化，利用旋涂工藝在芯片表面旋涂一層聚酰亞胺薄膜保護(hù)層，薄膜厚度約為5 30微米，之后進(jìn)行熱處理亞胺化(溫度控制在350 左右)和圖形化，保護(hù)層制作完畢后，芯片表面絕大部分區(qū)域被保護(hù)，保護(hù)層也可以直接采用光敏聚酰亞胺薄膜，直接利用光刻定義圖形保護(hù)層形狀。
5[0043]步驟4 利用ICP制作空腔2，釋放傳感器光敏區(qū)域。利用ICP工藝刻蝕硅襯底1， 挖空微橋下硅材料，微橋結(jié)構(gòu)懸浮，通過調(diào)整工藝參數(shù)，使得側(cè)壁聚合物來不及形成就被刻蝕，且從側(cè)向腐蝕硅襯底；調(diào)整工藝參數(shù)，使得刻蝕速率縱橫比率達(dá)到2:1 3:1，這樣，當(dāng)縱向刻蝕深度達(dá)到300微米時，橫向刻蝕可以達(dá)到100微米，完全釋放微橋結(jié)構(gòu)。工藝完畢后，微橋結(jié)構(gòu)懸浮支撐在硅襯底1熱沉之上，在微橋與硅襯底1之間充滿了空氣，可顯著降低傳感器光敏區(qū)與硅襯底熱沉1間的熱導(dǎo)，步驟5 利用氧等離子體去除聚酰亞胺薄膜保護(hù)層，完成芯片制作工藝。以上所述僅為本實用新型的較佳實施例，并不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種微型橋式紅外測溫傳感器，其特征在于它采用橋式結(jié)構(gòu)，包括硅襯底和設(shè)置在硅襯底上的微橋，熱電堆熱端位于微橋中心區(qū)域，冷端位于硅襯底熱沉之上，微橋的傳感器光敏區(qū)懸浮設(shè)置在硅襯底被刻蝕后形成的空腔之上，微橋包括由內(nèi)向外依次設(shè)置的由氧化硅薄膜和氮化硅薄膜制成的支撐層、摻雜多晶硅和Al薄膜制成的Al-Si熱電偶和氮化硅制成的鈍化層，所述微橋的傳感器光敏區(qū)的外表面設(shè)有紅外線吸收層，所述摻雜多晶硅和 Al薄膜之間設(shè)有隔離介質(zhì)層，所述微橋上設(shè)有刻蝕孔。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微型橋式紅外測溫傳感器，其特征在于所述摻雜多晶硅為P型或N型。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種微型橋式紅外測溫傳感器，其特征在于所述隔離介質(zhì)層采用摻雜氧化硅薄膜或氮化硅薄膜。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微型橋式紅外測溫傳感器，其特征在于所述紅外線吸收層采用氮化硅薄膜、黑金、聚酰亞胺或聚對二甲苯制成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的一種微型橋式紅外測溫傳感器，其特征在于所述紅外線吸收層厚度為0. 05 0. 5微米，紅外線吸收層對紅外線輻射的吸收效率為90%以上。
專利摘要本實用新型涉及一種微型橋式熱電堆紅外測溫傳感器，它采用微型橋式結(jié)構(gòu)，包括硅襯底和設(shè)置在硅襯底上的微橋，微橋的傳感器光敏區(qū)懸浮設(shè)置在硅襯底被刻蝕后形成的空腔之上，熱電堆熱端位于微橋中心區(qū)域，冷端位于硅襯底熱沉之上，微橋包括由內(nèi)向外依次設(shè)置的由氧化硅薄膜和氮化硅薄膜制成的支撐層、摻雜多晶硅和Al薄膜制成的Al-Si熱電偶和氮化硅制成的鈍化層，微橋的傳感器光敏區(qū)外表面設(shè)有紅外線吸收層，摻雜多晶硅和Al薄膜之間設(shè)有隔離介質(zhì)層，微橋上設(shè)有刻蝕孔。本實用新型有益效果是該傳感器可以在任何CMOS集成電路代工廠加工制作，無需針對器件開發(fā)專用材料與工藝，工藝通用性好，器件成本低。此外，傳感器釋放采用正面光刻和干法等離子體腐蝕技術(shù)，工藝可控性好，器件成品率高。
文檔編號H01L27/16GK202066597SQ20102061796
公開日2011年12月7日 申請日期2010年11月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月22日
發(fā)明者王宏臣, 甘先鋒, 陳文禮 申請人:煙臺艾睿光電科技有限公司