一種微型橋式紅外測溫傳感器的製作方法

2023-11-03 23:23:57 1

專利名稱：一種微型橋式紅外測溫傳感器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種微型橋式紅外測溫傳感器。
背景技術：
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，它是基於賽貝克效應(Seebeck effect)原理工作的。塞貝克效應是指兩種不同材料組成的熱偶，如果閉合迴路之間的兩個節點之間存在溫度差，就會在溫度中產生電動勢。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技術的發展，各種MEMS紅外線溫度傳感器開始嶄露頭角。現有熱電堆紅外測溫傳感器市場產品的熱偶材料一般採用賽貝克係數較高的Bi-Sb、Bi-Ag或者Bi-Te材料，這類材料雖然具有較高的賽貝克係數，但其製作工藝與標準CMOS工藝不兼容，難以與處理電路單片集成。其次，現有熱電堆測溫傳感器市場產品多採用背向腐蝕技術，需要雙面對準光刻，對設備要求高，工藝複雜。最關鍵的是，背面腐蝕完畢後，由於部分矽襯底被刻穿造成應力集中，矽襯底很容易從刻穿處破損，器件成品率不高。為解決該問題，國內外諸多研究機構也在尋找可行的解決方案。中國發明專利(申請號=00116388. 4)提出了一種解決方法，該方法核心為採用正面光刻和溼法腐蝕技術，製造出懸臂結構。熱電堆製作在懸臂結構之上，熱偶材料選用絕緣體上摻雜單晶矽(SOI)和鋁薄膜。相對於現有產品，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矽和Al薄膜，與多晶矽相比，單晶矽雖然具有高的賽貝克係數，但SOI襯底成本較高，不利於器件進一步降低成本。其次，該發明利用溼法腐蝕(TMAH或者Κ0Η)腐蝕矽襯底，溼法腐蝕襯底防護難度較大，可控性也難以得到保證。

實用新型內容本實用新型所要解決的技術問題是提供一種微型橋式紅外測溫傳感器。該微機械熱電堆紅外溫傳感器全部採用CMOS材料製作，製造工藝與CMOS工藝完全兼容，可以在通用集成電路代工廠加工製作。其次，本發明採用等離子體幹法刻蝕技術，利用等離子刻蝕的各向同性特性進行矽襯底刻蝕，具有高度可控性好，器件成品率高等諸多優點。本實用新型解決上述技術問題的技術方案如下一種微型橋式紅外測溫傳感器， 它採用橋式結構，包括矽襯底和設置在矽襯底上的微橋，微橋的傳感器光敏區懸浮設置在矽襯底被刻蝕後形成的空腔之上，熱電堆熱端位於微橋中心區域，冷端位於矽襯底熱沉之上，微橋包括由內向外依次設置的由氧化矽薄膜和氮化矽薄膜製成的支撐層、摻雜多晶矽和Al薄膜製成的Al-Si熱電偶和氮化矽製成的鈍化層，微橋的傳感器光敏區外表面設有紅外線吸收層，摻雜多晶矽和Al薄膜之間設有隔離介質層，微橋上設有刻蝕孔。進一步的，摻雜多晶矽為P型或N型。[0007]進一步的，隔離介質層採用摻雜氧化矽薄膜或氮化矽薄膜。進一步的，紅外線吸收層採用氮化矽薄膜、黑金、聚醯亞胺或聚對二甲苯製成。進一步的，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)測溫傳感器採用CMOS工藝中的摻雜多晶矽-Al作為器件熱偶材料，敏感材料與大規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模集成電路代工廠加工製作；(2)由於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，製作智能型紅外測溫傳感器；(3)在傳感器光敏區製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，各標號所代表的部件列表如下1、矽襯底，2、空腔，3、氧化矽薄膜，4、氮化矽薄膜，5、摻雜多晶矽，6、隔離介質層， 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
以下結合附圖對本實用新型的原理和特徵進行描述，所舉實例只用於解釋本實用新型，並非用於限定本實用新型的範圍。如圖1和圖2所示，一種微型橋式紅外測溫傳感器，為減小器件與矽襯底1熱沉間的熱導，它採用橋式結構，包括矽襯底1和設置在矽襯底1上的微橋，微橋的傳感器光敏區懸浮設置在矽襯底被刻蝕後的空腔2之上，熱電堆熱端位於微橋中心區域，冷端位於矽襯底1熱沉之上，微橋包括由內向外依次設置的由氧化矽薄膜3和氮化矽薄膜4製成的支撐層、摻雜多晶矽5和Al薄膜7製成的Al-Si熱電偶和氮化矽製成的鈍化層8，微橋的傳感器光敏區外表面設有紅外線吸收層9，摻雜多晶矽5和Al薄膜7之間設有隔離介質層6，微橋上設有刻蝕孔10，該刻蝕孔10用以在傳感器釋放工藝中刻蝕矽襯底形成空腔2。摻雜多晶矽5為P型或N型。隔離介質層6採用摻雜氧化矽薄膜或氮化矽薄膜。紅外線吸收層9採用氮化矽薄膜、黑金、聚醯亞胺或聚對二甲苯製成，通常採用蒸鍍方式實現。本發明中各個組成部分的作用為矽襯底1用於支撐傳感器敏感微橋結構，同時作為冷端熱沉；矽襯底1刻蝕形成的空腔2用於提供傳感器光敏區與矽襯底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矽襯底1空腔2之上，空腔2內空氣用作熱絕緣層，防止傳感器吸收的紅外輻射經襯底快速散失；[0027]由於Al-Si熱電偶的強度有限，Al-Si熱電偶的下層氮化矽薄膜4、氧化矽薄膜3 用做支撐層，支撐微橋結構懸浮；Al-Si熱電偶的上層氮化矽用作鈍化層8，防止Al材料在封裝氣氛中腐蝕失效；在鈍化層8之上，還利用微機械加工工藝製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。在本發明中，矽襯底1的空腔2刻蝕是一項關鍵工藝。空腔2刻蝕採用等離子體幹法刻蝕技術，傳感器正面防護採用聚醯亞胺薄膜製作的保護層11。刻蝕設備可選用電感耦合等離子體刻蝕機(ICP)。在微加工工藝中，ICP通常用於刻蝕垂直矽側壁，最常用的是博世公司開發的Bosch工藝，利用聚合物交替刻蝕技術保護側壁不受刻蝕，形成垂直側壁結構。本發明所使用的工藝為改進的Bosch工藝，通過調整工藝參數，使得側壁聚合物來不及形成就被刻蝕，從側向腐蝕矽襯底。通過調整刻蝕工藝參數，可以使得刻蝕速率縱橫比率達到2 :1 3 :1，這樣，當縱向刻蝕深度達到300微米時，橫向刻蝕可以達到100微米，完全釋放微橋結構。在本發明中，矽空腔刻蝕採用體矽犧牲層工藝。所謂體矽犧牲層工藝，是指利用幹法或者溼法刻蝕，去除矽襯底部分材料，釋放微結構。在本發明中選用幹法等離子體刻蝕技術。在體矽刻蝕過程中，首先需要在晶片表面製備一層保護層材料，在矽晶圓上旋塗保護層並圖形化，保護層採用聚醯亞胺薄膜；假定等離子體刻蝕工藝刻蝕速率縱橫比為2 :1，當縱向刻蝕深度為200微米時，橫向刻蝕深度將達到100微米。ICP刻蝕矽材料可達每分鐘十幾微米至幾十微米，因此採用本方法，傳感器可以在十多分鐘後得到釋放，且不存在溼法刻蝕的玷汙和工藝難題控制的難題。本實用新型微機械CMOS熱電堆紅外測溫傳感器生產工藝具體如下步驟1 利用CMOS電路工藝在矽襯底1上製作微橋(1)矽襯底1處理，(2)支撐層製備，支撐層採用氧化矽薄膜和氮化矽薄膜製備，(3)多晶矽製作與摻雜，(4)隔離介質層澱積，隔離介質層採用氧化矽薄膜，互聯孔刻蝕，(5) Al薄膜澱積和圖形化，(6)鈍化保護層澱積，(7)刻蝕孔製作。本加工步驟中的所涉及的材料和工藝均採用集成電路代工廠通用技術，可以在任何IC代工廠加工製作。步驟2 紅外吸收層9製作，當步驟1完成後，加工的產品從集成電路代工廠取出， 清洗後利用微機械加工工藝在晶片表面製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工藝形成的結構造成任何損傷。步驟3 旋塗聚醯亞胺薄膜保護層，並圖形化，利用旋塗工藝在晶片表面旋塗一層聚醯亞胺薄膜保護層，薄膜厚度約為5 30微米，之後進行熱處理亞胺化(溫度控制在350 左右)和圖形化，保護層製作完畢後，晶片表面絕大部分區域被保護，保護層也可以直接採用光敏聚醯亞胺薄膜，直接利用光刻定義圖形保護層形狀。
5[0043]步驟4 利用ICP製作空腔2，釋放傳感器光敏區域。利用ICP工藝刻蝕矽襯底1， 挖空微橋下矽材料，微橋結構懸浮，通過調整工藝參數，使得側壁聚合物來不及形成就被刻蝕，且從側向腐蝕矽襯底；調整工藝參數，使得刻蝕速率縱橫比率達到2:1 3:1，這樣，當縱向刻蝕深度達到300微米時，橫向刻蝕可以達到100微米，完全釋放微橋結構。工藝完畢後，微橋結構懸浮支撐在矽襯底1熱沉之上，在微橋與矽襯底1之間充滿了空氣，可顯著降低傳感器光敏區與矽襯底熱沉1間的熱導，步驟5 利用氧等離子體去除聚醯亞胺薄膜保護層，完成晶片製作工藝。以上所述僅為本實用新型的較佳實施例，並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，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護範圍之內。
權利要求1.一種微型橋式紅外測溫傳感器，其特徵在於它採用橋式結構，包括矽襯底和設置在矽襯底上的微橋，熱電堆熱端位於微橋中心區域，冷端位於矽襯底熱沉之上，微橋的傳感器光敏區懸浮設置在矽襯底被刻蝕後形成的空腔之上，微橋包括由內向外依次設置的由氧化矽薄膜和氮化矽薄膜製成的支撐層、摻雜多晶矽和Al薄膜製成的Al-Si熱電偶和氮化矽製成的鈍化層，所述微橋的傳感器光敏區的外表面設有紅外線吸收層，所述摻雜多晶矽和 Al薄膜之間設有隔離介質層，所述微橋上設有刻蝕孔。
2.根據權利要求1所述的一種微型橋式紅外測溫傳感器，其特徵在於所述摻雜多晶矽為P型或N型。
3.根據權利要求1或2所述的一種微型橋式紅外測溫傳感器，其特徵在於所述隔離介質層採用摻雜氧化矽薄膜或氮化矽薄膜。
4.根據權利要求1所述的一種微型橋式紅外測溫傳感器，其特徵在於所述紅外線吸收層採用氮化矽薄膜、黑金、聚醯亞胺或聚對二甲苯製成。
5.根據權利要求1或4所述的一種微型橋式紅外測溫傳感器，其特徵在於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，它採用微型橋式結構，包括矽襯底和設置在矽襯底上的微橋，微橋的傳感器光敏區懸浮設置在矽襯底被刻蝕後形成的空腔之上，熱電堆熱端位於微橋中心區域，冷端位於矽襯底熱沉之上，微橋包括由內向外依次設置的由氧化矽薄膜和氮化矽薄膜製成的支撐層、摻雜多晶矽和Al薄膜製成的Al-Si熱電偶和氮化矽製成的鈍化層，微橋的傳感器光敏區外表面設有紅外線吸收層，摻雜多晶矽和Al薄膜之間設有隔離介質層，微橋上設有刻蝕孔。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製作，無需針對器件開發專用材料與工藝，工藝通用性好，器件成本低。此外，傳感器釋放採用正面光刻和幹法等離子體腐蝕技術，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 優先權日2010年11月22日
發明者王宏臣, 甘先鋒, 陳文禮 申請人:煙臺艾睿光電科技有限公司