矽－金屬雙層結構薄膜熱電堆的製作方法

2023-05-30 12:00:26

專利名稱：矽－金屬雙層結構薄膜熱電堆的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種組成熱電偶對的二種材料多晶矽和金屬薄膜條分層隔離設計，採用微電子機械工藝技術研製的雙層立體結構薄膜熱電堆，屬傳感元件為熱電偶的器件。
探測器是輻射測溫的關鍵部件。輻射測溫探測器各種各樣，有矽光電池、鉭酸鋰熱電探測器、輻射熱敏電阻、鍺光電二極體和薄膜熱電堆等等。其中，薄膜熱電堆探測器，配置單片微機處理信息，可顯示瞬時值、最大值、最小值、平均值、差值、環境溫度補償、發射率設定，應用前景非常廣闊。通常，熱電堆由幾對或十幾對或幾十對熱電偶串聯組成。隨著微電子半導體工藝技術的發展，微小型化的薄膜熱電堆問世。薄膜熱電堆晶片是基於微電子工藝技術而設計研製的溫度傳感器。國際上，德國、荷蘭、美國和日本等國都在研製和開發薄膜熱電堆。美國紅外薩羅遜(Infrared Solutions)公司用熱電堆陣列研製的100型線掃描已用於時速高達80英裡行進火車的剎車故障確定。其它國家也已形成產品。日本傳感技術編輯部編纂的「傳感器件手冊」第71節公開了一種利用半導體平面工藝技術設計製造的矩形布線薄膜熱電堆。荷蘭設計的薄膜熱電堆更獨具匠心，為了在小型化熱電堆有限的平面內製造出最長的熱電偶對，薄膜熱電堆中的熱電偶被布置設計成對角線平面結構，每對熱電偶約是矩形平面布置長度的√2倍，從而提高了熱電堆性能。我國早在80年代就開始研製薄膜熱電堆，中國科學院上海冶金研究所盧建國等在「矽——金屬熱電堆的結構和特性」論文中，也公開了一種薄膜熱電堆的設計與研製方法。採用半導體平面工藝技術研製薄膜熱電堆，不但可使熱電堆微小型化，而且提高了熱電堆的性能，降低了成本。特別是，採用半導體工藝批量化生產探測器將在商業上呈現出強大的競爭力。然而，上述薄膜熱電堆的設計都難以使組成熱電偶元件的金屬和多晶矽薄膜條在相同長寬比的條件下，增加熱電偶對的數量，提高薄膜熱電堆的輸出量。為了在薄膜熱電堆中集成更多的熱電偶元件或進一步減小薄膜熱電堆尺寸，提高薄膜熱電堆性能，本實用新型改進並設計成一種雙層疊置薄膜條立體結構的熱電堆。
本實用新型的目的是，將現有的薄膜熱電堆中的二維平面布置二種不同材料薄膜條構成的熱電偶元件，改進設計成三維立體二層布置二種材料薄膜條構成熱電偶元件，並採用微電子機械工藝技術加工製造成雙層薄膜條結構熱電堆。從而更好地提高了薄膜熱電堆的輸出量和性能。
本實用新型矽——金屬雙層結構薄膜熱電堆主要由單晶矽片襯底、矽片襯底一面上的單層或多層絕緣過渡層、絕緣過渡層上的組成熱電偶元件的一種J形或L形多晶矽薄膜條或金屬薄膜條、J形或L形多晶矽薄膜條或金屬薄膜條上面的單層或多層隔離絕緣層、隔離絕緣層上的引線歐姆接觸窗孔、窗孔中金屬薄膜條和多晶矽薄膜條二端測量結點、串聯參考結點歐姆接觸層、測量結點、串聯參考結點、隔離絕緣層上對應組成熱電偶元件的另一種L形或J形金屬薄膜條或多晶矽薄膜條、外接連線的引線歐姆接觸輸出端腳和單晶矽片襯底另一面的測量區空穴腔構成。其中，熱電偶元件由金屬薄膜條、多晶矽薄膜條、測量結點和參考結點構成。薄膜熱電堆中，組成若干對熱電偶元件的一種J形或L形多晶矽薄膜條或金屬薄膜條布置在一個平面內，由單層或多層絕緣層分隔後，對應組成若干對熱電偶元件的另一種L形或J形金屬薄膜條或多晶矽薄膜條布置在另一平面上，即布置在單層或多層絕緣隔離層平面上面。熱電偶元件中多晶矽和金屬薄膜條二端的測量結點和串聯參考結點，通過對絕緣隔離層光刻、腐蝕，開設歐姆接觸窗孔，進行歐姆接觸合金化形成。這種將組成熱電偶元件的二種不同材料金屬薄膜條和多晶矽薄膜條分層疊置而成的立體雙層設計，改變了傳統薄膜熱電堆中若干熱電偶元件布置在同一平面內的設計，從而拓寬了薄膜熱電堆中布置熱電偶元件的空間，使微小型化的薄膜熱電堆的尺寸更小，或使微小型化的薄膜熱電堆中集成串聯的熱電偶元件的數量更多，從而有效地提高了薄膜熱電堆的輸出量和性能。本實用新型薄膜熱電堆中的外接引線歐姆接觸腳和單晶矽片襯底另一面的測量區空穴腔等都可採用半導體平面工藝和微電子機械工藝技術製備。
本實用新型矽——金屬雙層結構薄膜熱電堆設計突破了已有薄膜熱電堆中將若干熱電偶元件布置在一個平面內的做法。將構成薄膜熱電堆的若干熱電偶元件立體布置，不但很好地拓寬了微小型化薄膜熱電堆中布置熱電偶元件的有限空間，而且提高了探測器的性能。採用本實用新型設計既能縮小現有薄膜熱電堆晶片尺寸，又可更多地集成薄膜熱電堆中的熱電偶元件數量，從而更好地提高了薄膜熱電堆的輸出量，且工藝簡單、可靠，是一種簡潔、實用的薄膜熱電堆設計。


圖1是本實用新型矽——金屬雙層結構薄膜熱電堆中熱電偶元件串聯構成熱電堆的原理示意圖。其中，1是熱電堆的一個輸出端引線腳，2是串聯參考結點，3是熱電堆另一輸出端引線腳，4是構成熱電偶元件的J形或L形多晶矽薄膜條，5是構成熱電偶元件的L形或J形金屬薄膜條，6是測量結點。
圖2是本實用新型矽——金屬雙層結構薄膜熱電堆中二種材料薄膜條分層疊置構成若干熱電偶元件的結構示意圖。其中，7是隔離絕緣層窗孔中金屬薄膜條和多晶矽薄膜條測量結點端的歐姆接觸層，8是單層或多層隔離絕緣層，9是單層或多層絕緣過渡層，10是單晶矽片襯底，11是隔離絕緣層窗孔中金屬薄膜條和多晶矽薄膜條串聯結點端的歐姆接觸層，12是單晶矽片襯底另一面的測量區空穴腔。
圖3是本實用新型矽——金屬雙層結構薄膜熱電堆中薄膜條矩形布置晶片的示意圖。其中，13是溫度補償電路，14是溫度補償電路二端引線腳。
圖4是本實用新型矽——金屬雙層結構薄膜熱電堆中薄膜條對角線布置晶片的示意圖。
以下結合附圖詳細說明符合本實用新型主題的實施例。
實施例1本實施例採用雙面拋光單晶矽片做襯底10。單晶矽片襯底10的一面沉積或生長單層或多層絕緣過渡層9，同時單晶矽片襯底10的另一面也形成二氧化矽掩模層。絕緣過渡層9形成後，在絕緣過渡層9上沉積或生長多晶矽薄膜，並光刻成J形或L形圖形，通過光刻圖形窗口腐蝕或刻蝕多晶矽薄膜，形成J形或L形多晶矽薄膜條4。J形或L形多晶矽薄膜條4形成後，在J形或L形多晶矽薄膜條4上面沉積或生長單層或多層絕緣隔離層8，並自然形成薄膜條條間隔離介質。然後在絕緣隔離層8上光刻、開孔，做熱電偶元件的測量結點6和串聯參考結點2歐姆接觸層7、11。結點歐姆接觸做好後，再在絕緣隔離層8的上面沉積金屬薄膜，並套準圖形光刻形成L形或J形金屬薄膜條圖形，腐蝕或刻蝕金屬薄膜條圖形，形成絕緣隔離層8上面的疊置在多晶矽薄膜條4上方的L形或J形金屬薄膜條5和輸出端1、3引線腳。經合金化工藝後，熱電偶元件的測量結點6和參考結點2歐姆接觸形成。最後，在單晶矽片襯底10的另一面光刻測量區空穴腔圖形，以二氧化矽為掩模，由微電子機械工藝技術自停止腐蝕成熱電堆測量區空穴腔12。劃片後便製成本實施例熱電偶元件矩形分布或對角線分布的矽——金屬雙層結構薄膜熱電堆晶片。
實施例2本實施例與實施例1不同之處為，本實施例中的J形或L形多晶矽薄膜條4設置在絕緣隔離層8的上面，而對應的L形或J形金屬薄膜條5布置在絕緣隔離層8的下面。具體倒置實施如下，本實施例同樣採用雙面拋光單晶矽片做襯底10。單晶矽片襯底10的一面沉積或生長單層或多層絕緣過渡層9，同時，單晶矽片襯底10的另一面也形成二氧化矽掩模層。絕緣過渡層9做好後，在絕緣過渡層9上沉積金屬薄膜，並光刻成L形或J形圖形，並通過光刻圖形窗口腐蝕或刻蝕金屬薄膜，做成L形或J形金屬薄膜條5。L形或J形金屬薄膜條5形成後，在L形或J形金屬薄膜條5上面沉積或生長單層或多層絕緣隔離層8，然後在絕緣隔離層8上光刻、開孔，做熱電偶元件的測量結點6和串聯參考結點2歐姆接觸層7、11，結點歐姆接觸層做好後，再在絕緣隔離層8的上面沉積或生長多晶矽薄膜，並套準圖形光刻形成J形或L形多晶矽薄膜條圖形4，腐蝕或刻蝕多晶矽薄膜條圖形，形成絕緣隔離層8上面的疊置在金屬薄膜條5上方的J形或L形多晶矽薄膜條4。輸出端引線腳1、3可在J形或L形多晶矽薄膜條4上合金化做成。合金化時，熱電偶元件的測量結點6和串聯參考結點2同時形成歐姆接觸層7、11。最後，在單晶矽片襯底10的另一面光刻測量區空穴腔12圖形，並以二氧化矽為掩模，由微電子機械工藝技術自停止腐蝕成熱電堆測量區空穴腔12。劃片後便製成本實施例熱電偶元件矩形分布或對角線分布的矽——金屬雙層結構薄膜熱電堆晶片。
實施例3本實施例是，在實施例1和2中增設由半導體工藝技術製備的熱敏電阻或電晶體或混合型溫度補償電路13，補償電路二端引線腳14，用以構成本實施例內部或外部具有溫度補償的熱電偶元件矩形分布或對角線分布的矽——金屬雙層結構薄膜熱電堆晶片。
權利要求1.一種矽——金屬薄膜熱電堆，包括單晶矽片襯底、矽片襯底一面上的單層或多層絕緣過渡層、絕緣過渡層上的組成若干對熱電偶元件的金屬薄膜條和多晶矽薄膜條、金屬薄膜條和多晶矽薄膜條二端的歐姆接觸測量結點和串聯參考結點、外引線輸出端腳和單晶矽片襯底另一面的測量區空穴腔，其特徵在於有設置在單層或多層絕緣隔離層二邊，上下分別隔離疊置，組成熱電偶元件的L形或J形金屬薄膜條和J形或L形多晶矽薄膜條。
2.根據權利要求1所述的矽——金屬雙層結構薄膜熱電堆，其特徵在於單層或多層絕緣隔離層上有連結上下疊置在隔離絕緣層二邊，組成熱電偶元件的L形或J形金屬薄膜條和J形或L形多晶矽薄膜條二端的窗孔和窗孔中測量結點和串聯參考結點的歐姆接觸層。
3.根據權利要求1或2所述的矽——金屬雙層結構薄膜熱電堆，其特徵在於上下疊置在隔離絕緣層二邊，組成熱電偶元件的L形金屬薄膜條對應J形多晶矽薄膜條或J形金屬薄膜條對應L形多晶矽薄膜條。
4.根據權利要求1所述的矽——金屬雙層結構薄膜熱電堆，其特徵在於上下疊置在隔離絕緣層二邊，組成熱電偶元件的L形或J形金屬薄膜條和J形或L形多晶矽薄膜條一端歐姆接觸測量結點位於空穴腔上面的邊框上。
5.根據權利要求1所述的矽——金屬雙層結構薄膜熱電堆，其特徵在於L形或J形金屬薄膜條可設置在單層或多層絕緣隔離層的上面或下面，其對應的J形或L形多晶矽薄膜條設置在單層或多層絕緣隔離層的下面或上面。
6.根據權利要求1或5所述的矽——金屬雙層結構薄膜熱電堆，其特徵在於位於單層或多層絕緣過渡層的上面，單層或多層絕緣隔離層下面的L形或J形金屬薄膜條或J形或L形多晶矽薄膜條條間有絕緣介質。
7.根據權利要求1所述的矽——金屬雙層結構薄膜熱電堆，其特徵在於熱電堆輸出端可連接熱電堆中單晶矽襯底上的補償電路或外接補償電路。
專利摘要本實用新型涉及一種矽—金屬雙層結構薄膜熱電堆。主要由矽片襯底、襯底一面上的J形或L形多晶矽或金屬薄膜條、隔離絕緣層、隔離層上面的L形或J形金屬或多晶矽薄膜條、測量結點和串連參考結點、輸出端和襯底另一面的空穴腔構成。本實用新型採用分層立體設計,不但拓寬了熱電堆中布置元件的空間,使微小型化薄膜熱電堆尺寸更小,串聯的熱電偶元件數量更多,而且有效地提高了輸出量和性能,是一種設計簡練、實用的薄膜熱電堆。
文檔編號H01L35/00GK2397608SQ9922651
公開日2000年9月20日 申請日期1999年5月5日 優先權日1999年5月5日
發明者沈德新, 盧建國, 張保安, 戈肖鴻, 楊藝榕, 董榮康 申請人:中國科學院上海冶金研究所