專利名稱：硅－金屬雙層結(jié)構(gòu)薄膜熱電堆的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種組成熱電偶對(duì)的二種材料多晶硅和金屬薄膜條分層隔離設(shè)計(jì)，采用微電子機(jī)械工藝技術(shù)研制的雙層立體結(jié)構(gòu)薄膜熱電堆，屬傳感元件為熱電偶的器件。
探測(cè)器是輻射測(cè)溫的關(guān)鍵部件。輻射測(cè)溫探測(cè)器各種各樣，有硅光電池、鉭酸鋰熱電探測(cè)器、輻射熱敏電阻、鍺光電二極管和薄膜熱電堆等等。其中，薄膜熱電堆探測(cè)器，配置單片微機(jī)處理信息，可顯示瞬時(shí)值、最大值、最小值、平均值、差值、環(huán)境溫度補(bǔ)償、發(fā)射率設(shè)定，應(yīng)用前景非常廣闊。通常，熱電堆由幾對(duì)或十幾對(duì)或幾十對(duì)熱電偶串聯(lián)組成。隨著微電子半導(dǎo)體工藝技術(shù)的發(fā)展，微小型化的薄膜熱電堆問世。薄膜熱電堆芯片是基于微電子工藝技術(shù)而設(shè)計(jì)研制的溫度傳感器。國(guó)際上，德國(guó)、荷蘭、美國(guó)和日本等國(guó)都在研制和開發(fā)薄膜熱電堆。美國(guó)紅外薩羅遜(Infrared Solutions)公司用熱電堆陣列研制的100型線掃描已用于時(shí)速高達(dá)80英里行進(jìn)火車的剎車故障確定。其它國(guó)家也已形成產(chǎn)品。日本傳感技術(shù)編輯部編纂的“傳感器件手冊(cè)”第71節(jié)公開了一種利用半導(dǎo)體平面工藝技術(shù)設(shè)計(jì)制造的矩形布線薄膜熱電堆。荷蘭設(shè)計(jì)的薄膜熱電堆更獨(dú)具匠心，為了在小型化熱電堆有限的平面內(nèi)制造出最長(zhǎng)的熱電偶對(duì)，薄膜熱電堆中的熱電偶被布置設(shè)計(jì)成對(duì)角線平面結(jié)構(gòu)，每對(duì)熱電偶約是矩形平面布置長(zhǎng)度的
倍，從而提高了熱電堆性能。我國(guó)早在80年代就開始研制薄膜熱電堆，中國(guó)科學(xué)院上海冶金研究所盧建國(guó)等在“硅--金屬熱電堆的結(jié)構(gòu)和特性”論文中，也公開了一種薄膜熱電堆的設(shè)計(jì)與研制方法。采用半導(dǎo)體平面工藝技術(shù)研制薄膜熱電堆，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，采用半導(dǎo)體工藝批量化生產(chǎn)探測(cè)器將在商業(yè)上呈現(xiàn)出強(qiáng)大的競(jìng)爭(zhēng)力。然而，上述薄膜熱電堆的設(shè)計(jì)都難以使組成熱電偶元件的金屬和多晶硅薄膜條在相同長(zhǎng)寬比的條件下，增加熱電偶對(duì)的數(shù)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(jìn)一步減小薄膜熱電堆尺寸，提高薄膜熱電堆性能，本發(fā)明改進(jìn)并設(shè)計(jì)成一種雙層疊置薄膜條立體結(jié)構(gòu)的熱電堆。
本發(fā)明的目的是，將現(xiàn)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(gòu)成的熱電偶元件，改進(jìn)設(shè)計(jì)成三維立體二層布置二種材料薄膜條構(gòu)成熱電偶元件，并采用微電子機(jī)械工藝技術(shù)加工制造成雙層薄膜條結(jié)構(gòu)熱電堆。從而更好地提高了薄膜熱電堆的輸出量和性能。
本發(fā)明硅--金屬雙層結(jié)構(gòu)薄膜熱電堆主要由單晶硅片襯底、硅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形多晶硅薄膜條或金屬薄膜條、J形或L形多晶硅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硅薄膜條二端測(cè)量結(jié)點(diǎn)、串聯(lián)參考結(jié)點(diǎn)歐姆接觸層、測(cè)量結(jié)點(diǎn)、串聯(lián)參考結(jié)點(diǎn)、隔離絕緣層上對(duì)應(yīng)組成熱電偶元件的另一種L形或J形金屬薄膜條或多晶硅薄膜條、外接連線的引線歐姆接觸輸出端腳和單晶硅片襯底另一面的測(cè)量區(qū)空穴腔構(gòu)成。其中，熱電偶元件由金屬薄膜條、多晶硅薄膜條、測(cè)量結(jié)點(diǎn)和參考結(jié)點(diǎn)構(gòu)成。薄膜熱電堆中，組成若干對(duì)熱電偶元件的一種J形或L形多晶硅薄膜條或金屬薄膜條布置在一個(gè)平面內(nèi)，由單層或多層絕緣層分隔后，對(duì)應(yīng)組成若干對(duì)熱電偶元件的另一種L形或J形金屬薄膜條或多晶硅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。熱電偶元件中多晶硅和金屬薄膜條二端的測(cè)量結(jié)點(diǎn)和串聯(lián)參考結(jié)點(diǎn)，通過對(duì)絕緣隔離層光刻、腐蝕，開設(shè)歐姆接觸窗孔，進(jìn)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硅薄膜條分層疊置而成的立體雙層設(shè)計(jì)，改變了傳統(tǒng)薄膜熱電堆中若干熱電偶元件布置在同一平面內(nèi)的設(shè)計(jì)，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(lián)的熱電偶元件的數(shù)量更多，從而有效地提高了薄膜熱電堆的輸出量和性能。本發(fā)明薄膜熱電堆中的外接引線歐姆接觸腳和單晶硅片襯底另一面的測(cè)量區(qū)空穴腔等都可采用半導(dǎo)體平面工藝和微電子機(jī)械工藝技術(shù)制備。
本發(fā)明硅--金屬雙層結(jié)構(gòu)薄膜熱電堆設(shè)計(jì)突破了已有薄膜熱電堆中將若干熱電偶元件布置在一個(gè)平面內(nèi)的做法。將構(gòu)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(cè)器的性能。采用本發(fā)明設(shè)計(jì)既能縮小現(xiàn)有薄膜熱電堆芯片尺寸，又可更多地集成薄膜熱電堆中的熱電偶元件數(shù)量，從而更好地提高了薄膜熱電堆的輸出量，且工藝簡(jiǎn)單、可靠，是一種簡(jiǎn)潔、實(shí)用的薄膜熱電堆設(shè)計(jì)。


圖1是本發(fā)明硅--金屬雙層結(jié)構(gòu)薄膜熱電堆中熱電偶元件串聯(lián)構(gòu)成熱電堆的原理示意圖。其中，1是熱電堆的一個(gè)輸出端引線腳，2是串聯(lián)參考結(jié)點(diǎn)，3是熱電堆另一輸出端引線腳，4是構(gòu)成熱電偶元件的J形或L形多晶硅薄膜條，5是構(gòu)成熱電偶元件的L形或J形金屬薄膜條，6是測(cè)量結(jié)點(diǎn)。
圖2是本發(fā)明硅--金屬雙層結(jié)構(gòu)薄膜熱電堆中二種材料薄膜條分層疊置構(gòu)成若干熱電偶元件的結(jié)構(gòu)示意圖。其中，7是隔離絕緣層窗孔中金屬薄膜條和多晶硅薄膜條測(cè)量結(jié)點(diǎn)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是單晶硅片襯底，11是隔離絕緣層窗孔中金屬薄膜條和多晶硅薄膜條串聯(lián)結(jié)點(diǎn)端的歐姆接觸層，12是單晶硅片襯底另一面的測(cè)量區(qū)空穴腔。
圖3是本發(fā)明硅--金屬雙層結(jié)構(gòu)薄膜熱電堆中薄膜條矩形布置芯片的示意圖。其中，13是溫度補(bǔ)償電路，14是溫度補(bǔ)償電路二端引線腳。
圖4是本發(fā)明硅--金屬雙層結(jié)構(gòu)薄膜熱電堆中薄膜條對(duì)角線布置芯片的示意圖。
下面結(jié)合附圖詳細(xì)說明符合本發(fā)明主題的實(shí)施例。
實(shí)施例1本實(shí)施例采用雙面拋光單晶硅片做襯底10。單晶硅片襯底10的一面沉積或生長(zhǎng)單層或多層絕緣過渡層9，同時(shí)單晶硅片襯底10的另一面也形成二氧化硅掩模層。絕緣過渡層9形成后，在絕緣過渡層9上沉積或生長(zhǎng)多晶硅薄膜，并光刻成J形或L形圖形，通過光刻圖形窗口腐蝕或刻蝕多晶硅薄膜，形成J形或L形多晶硅薄膜條4。J形或L形多晶硅薄膜條4形成后，在J形或L形多晶硅薄膜條4上面沉積或生長(zhǎng)單層或多層絕緣隔離層8，并自然形成薄膜條條間隔離介質(zhì)。然后在絕緣隔離層8上光刻、開孔，做熱電偶元件的測(cè)量結(jié)點(diǎn)6和串聯(lián)參考結(jié)點(diǎn)2歐姆接觸層7、11。結(jié)點(diǎn)歐姆接觸做好后，再在絕緣隔離層8的上面沉積金屬薄膜，并套準(zhǔn)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上面的疊置在多晶硅薄膜條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(jīng)合金化工藝后，熱電偶元件的測(cè)量結(jié)點(diǎn)6和參考結(jié)點(diǎn)2歐姆接觸形成。最后，在單晶硅片襯底10的另一面光刻測(cè)量區(qū)空穴腔圖形，以二氧化硅為掩模，由微電子機(jī)械工藝技術(shù)自停止腐蝕成熱電堆測(cè)量區(qū)空穴腔12。劃片后便制成本實(shí)施例熱電偶元件矩形分布或?qū)蔷€分布的硅--金屬雙層結(jié)構(gòu)薄膜熱電堆芯片。
實(shí)施例2本實(shí)施例與實(shí)施例1不同之處為，本實(shí)施例中的J形或L形多晶硅薄膜條4設(shè)置在絕緣隔離層8的上面，而對(duì)應(yīng)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(shí)施如下，本實(shí)施例同樣采用雙面拋光單晶硅片做襯底10。單晶硅片襯底10的一面沉積或生長(zhǎng)單層或多層絕緣過渡層9，同時(shí)，單晶硅片襯底10的另一面也形成二氧化硅掩模層。絕緣過渡層9做好后，在絕緣過渡層9上沉積金屬薄膜，并光刻成L形或J形圖形，并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形成后，在L形或J形金屬薄膜條5上面沉積或生長(zhǎng)單層或多層絕緣隔離層8，然后在絕緣隔離層8上光刻、開孔，做熱電偶元件的測(cè)量結(jié)點(diǎn)6和串聯(lián)參考結(jié)點(diǎn)2歐姆接觸層7、11，結(jié)點(diǎn)歐姆接觸層做好后，再在絕緣隔離層8的上面沉積或生長(zhǎng)多晶硅薄膜，并套準(zhǔn)圖形光刻形成J形或L形多晶硅薄膜條圖形4，腐蝕或刻蝕多晶硅薄膜條圖形，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形多晶硅薄膜條4。輸出端引線腳1、3可在J形或L形多晶硅薄膜條4上合金化做成。合金化時(shí)，熱電偶元件的測(cè)量結(jié)點(diǎn)6和串聯(lián)參考結(jié)點(diǎn)2同時(shí)形成歐姆接觸層7、11。最后，在單晶硅片襯底10的另一面光刻測(cè)量區(qū)空穴腔12圖形，并以二氧化硅為掩模，由微電子機(jī)械工藝技術(shù)自停止腐蝕成熱電堆測(cè)量區(qū)空穴腔12。劃片后便制成本實(shí)施例熱電偶元件矩形分布或?qū)蔷€分布的硅--金屬雙層結(jié)構(gòu)薄膜熱電堆芯片。
實(shí)施例3本實(shí)施例是，在實(shí)施例1和2中增設(shè)由半導(dǎo)體工藝技術(shù)制備的熱敏電阻或晶體管或混合型溫度補(bǔ)償電路13，補(bǔ)償電路二端引線腳14，用以構(gòu)成本實(shí)施例內(nèi)部或外部具有溫度補(bǔ)償?shù)臒犭娕荚匦畏植蓟驅(qū)蔷€分布的硅--金屬雙層結(jié)構(gòu)薄膜熱電堆芯片。
權(quán)利要求
1.一種硅--金屬薄膜熱電堆，包括單晶硅片襯底、硅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(duì)熱電偶元件的金屬薄膜條和多晶硅薄膜條、金屬薄膜條和多晶硅薄膜條二端的歐姆接觸測(cè)量結(jié)點(diǎn)和串聯(lián)參考結(jié)點(diǎn)、外引線輸出端腳和單晶硅片襯底另一面的測(cè)量區(qū)空穴腔，其特征在于有設(shè)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形多晶硅薄膜條。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅--金屬雙層結(jié)構(gòu)薄膜熱電堆，其特征在于單層或多層絕緣隔離層上有連結(jié)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形多晶硅薄膜條二端的窗孔和窗孔中測(cè)量結(jié)點(diǎn)和串聯(lián)參考結(jié)點(diǎn)的歐姆接觸層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的硅--金屬雙層結(jié)構(gòu)薄膜熱電堆，其特征在于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(duì)應(yīng)J形多晶硅薄膜條或J形金屬薄膜條對(duì)應(yīng)L形多晶硅薄膜條。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅--金屬雙層結(jié)構(gòu)薄膜熱電堆，其特征在于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形多晶硅薄膜條一端歐姆接觸測(cè)量結(jié)點(diǎn)位于空穴腔上面的邊框上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的硅--金屬雙層結(jié)構(gòu)薄膜熱電堆，其特征在于L形或J形金屬薄膜條可設(shè)置在單層或多層絕緣隔離層的上面或下面，其對(duì)應(yīng)的J形或L形多晶硅薄膜條設(shè)置在單層或多層絕緣隔離層的下面或上面。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的硅--金屬雙層結(jié)構(gòu)薄膜熱電堆，其特征在于位于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形多晶硅薄膜條條間有絕緣介質(zhì)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅--金屬雙層結(jié)構(gòu)薄膜熱電堆，其特征在于熱電堆輸出端可連接熱電堆中單晶硅襯底上的補(bǔ)償電路或外接補(bǔ)償電路。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種硅－金屬雙層結(jié)構(gòu)薄膜熱電堆。主要由硅片襯底、襯底一面上的J形或L形多晶硅或金屬薄膜條、隔離絕緣層、隔離層上面的L形或J形金屬或多晶硅薄膜條、測(cè)量結(jié)點(diǎn)和串連參考結(jié)點(diǎn)、輸出端和襯底另一面的空穴腔構(gòu)成。本發(fā)明采用分層立體設(shè)計(jì),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(lián)的熱電偶元件數(shù)量更多,而且有效地提高了輸出量和性能,是一種設(shè)計(jì)簡(jiǎn)練、實(shí)用的薄膜熱電堆。
文檔編號(hào)G01K7/02GK1235273SQ9911368
公開日1999年11月17日 申請(qǐng)日期1999年5月5日 優(yōu)先權(quán)日1999年5月5日
發(fā)明者沈德新, 盧建國(guó), 張保安, 戈肖鴻, 楊藝榕, 董榮康 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海冶金研究所