專利名稱：熱電堆感測(cè)元件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種熱電堆感測(cè)元件及其制造方法。
利用物體發(fā)出的紅外線來(lái)測(cè)量物體溫度的溫度檢測(cè)器的應(yīng)用十分廣泛，除了溫度測(cè)量之外，還可應(yīng)用于人體感測(cè)，如工業(yè)自動(dòng)化及保全監(jiān)視方面的動(dòng)作感測(cè)器、紅外線照像機(jī)、攝影機(jī)、以及醫(yī)療方面的人體溫度分布的影像計(jì)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度上升來(lái)改變材料物理特性，并轉(zhuǎn)變成電氣特性輸出。常見(jiàn)的感測(cè)元件有焦電型感測(cè)元件、熱阻型感測(cè)元件、及熱電堆感測(cè)元件等。
由于焦電型感測(cè)元件使用的是陶瓷或高分子等非半導(dǎo)體制造的材料，所以不適合利用高度自動(dòng)化的半導(dǎo)體工業(yè)的大量生產(chǎn)方式，故相對(duì)生產(chǎn)成本較高。而在熱敏電阻型感測(cè)元件中，必須供給偏壓以測(cè)量電阻變化，從而使元件產(chǎn)生交流噪聲。因此，對(duì)于不需外加偏壓、僅具有低電平的直流噪聲的熱電堆感測(cè)元件，因其不大受室溫影響，補(bǔ)償較為容易，并且可利用半導(dǎo)體制造技術(shù)來(lái)大量生產(chǎn)，因而愈來(lái)愈具有市場(chǎng)潛力與成本競(jìng)爭(zhēng)力。
而從制造方法而言，如果感測(cè)器的制造過(guò)程能與現(xiàn)有的半導(dǎo)體制造過(guò)程相容，其開(kāi)發(fā)及制造的成本也就越低，且若能將元件與放大電路等CMOS電路一并制作，則不但可增加元件功能，并能降低信號(hào)接口的噪聲，故開(kāi)發(fā)與CMOS制造相容的元件制造工序，有其相當(dāng)大的優(yōu)點(diǎn)。
從后制造工序方面來(lái)看，已知的熱電堆感測(cè)元件的后制作工序常為從背面蝕刻硅基板的封閉浮板結(jié)構(gòu)；此種方法其浮板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較大，但具有以下的缺點(diǎn)


圖1A為一種圓環(huán)狀熱電堆感測(cè)元件的剖面圖。在硅基板1上方，依序形成有封閉浮板2、多條第一導(dǎo)線3、絕緣層4、多條第二導(dǎo)線5、以及黑體吸收層6；其中前述黑體吸收層6隔著絕緣層4′而與第一導(dǎo)線3及第二導(dǎo)線5接觸，由于此熱電堆感測(cè)元件為圓環(huán)狀，因此封閉浮板2、第一導(dǎo)線3、絕緣層4以及第二導(dǎo)線5呈對(duì)稱性。
圖1B為顯示圖1A的熱電堆感測(cè)元件內(nèi)導(dǎo)線連接方式的示意圖。由圖中可看出，第一導(dǎo)線3與第二導(dǎo)線5以串聯(lián)的方式呈現(xiàn)上下的頭尾連接，其接觸部分在靠近黑體吸收層6的部分造成多個(gè)熱端H，而在遠(yuǎn)離黑體吸收層6的部分則為多個(gè)冷端C。熱電堆感測(cè)元件的電輸出，是通過(guò)第一條第一導(dǎo)線3的冷端C電連接至第一金屬墊7，以及通過(guò)最后一條第二導(dǎo)線5的冷端C電連接至第二金屬墊8。
熱電堆感測(cè)元件的熱端H位于封閉浮板2之上，主要是用來(lái)吸收黑體吸收層6所吸收的熱，以造成熱端H的溫度上升，其中冷端C直接連接于硅基板1，可以使熱能迅速散逸，而使冷端C維持在環(huán)境溫度，通常熱端H以一懸臂梁或四橋狀支腳支撐，而結(jié)構(gòu)底下的硅基板1則用蝕刻的方式加以掏空將結(jié)構(gòu)釋放使其懸浮。如果采用背面硅體型蝕刻技術(shù)來(lái)蝕刻時(shí)，為了要蝕刻出封閉浮板2，必須在圓片厚度方向蝕刻出相當(dāng)于圓片厚度的距離，而由于異方性蝕刻所造成的蝕刻晶面角度，使得所需的底面積比正面體型蝕刻的面積大。導(dǎo)致整個(gè)晶粒的面積增大，造成單位硅圓片上所能生產(chǎn)的熱電堆感測(cè)元件的數(shù)量減少，且由于蝕刻時(shí)間的加長(zhǎng)，易造成晶片制作合格率的降低。
同時(shí)就導(dǎo)線方面而言，通常熱電堆感測(cè)器的特性可以用下列幾個(gè)量來(lái)表示感測(cè)度(Rv)、詹森(Johnson)噪聲(VJ)、等效噪聲功率(NEP)以及特定檢測(cè)率(D*)，其對(duì)應(yīng)公式表示如下 式中N為串聯(lián)的熱電偶數(shù)目，為熱電偶的賽貝克系數(shù)(V/oC)。而Gs、Gg、Gr分別為元件懸浮結(jié)構(gòu)的固體、氣體及輻射熱傳導(dǎo)。k為波茲曼常數(shù)，T為感測(cè)器的絕對(duì)溫度(oK)，R為串聯(lián)熱電偶的電阻值，(f為頻寬，而A為感測(cè)器面積。
而如前所述，熱電堆感測(cè)元件用以計(jì)量被測(cè)物體的溫度，因此其元件特性的好壞可通過(guò)其輸出信號(hào)的大小，或由其對(duì)所測(cè)物體溫度變化的靈敏度來(lái)評(píng)量，而Rv表示的是元件在吸收單位能量時(shí)所輸出的電壓，D*表示的則是歸一化過(guò)后的靈敏度，這兩個(gè)值的大小都與元件熱傳導(dǎo)的大小有直接的關(guān)系，當(dāng)熱傳導(dǎo)愈小時(shí)，其Rv與D*均會(huì)愈高，因此一般為了要提高輸出及靈敏度，都會(huì)使用熱傳導(dǎo)較低的導(dǎo)線材料，或是由增加導(dǎo)線長(zhǎng)度下手，但由圖1B中可看出，第一導(dǎo)線3與第二導(dǎo)線5的布線方式系呈直線狀，使得導(dǎo)線長(zhǎng)度受到浮板腳長(zhǎng)的限制，而無(wú)法有效地降低熱傳導(dǎo)。而本發(fā)明的曲折導(dǎo)線，正好可在不改變浮板腳長(zhǎng)的情況下，降低金屬導(dǎo)線的熱傳導(dǎo)，而有效地提高元件的效率。
且已知的熱電堆感測(cè)器，大都使用與元件基板分離的另一晶體管或二極體等元件來(lái)進(jìn)行環(huán)境溫度的感測(cè)，或使用Ni等非半導(dǎo)體制作材料來(lái)制作溫度感測(cè)電阻，而本發(fā)明則提出利用與第一或第二導(dǎo)線層相同的材料制作電阻，以作為環(huán)境溫度感測(cè)之用，并為了避免量測(cè)時(shí)此一電阻的功率造成的溫度上升，此一電阻須大于100KΩ，以使能以小量功率精確地測(cè)量環(huán)境溫度。
另外，已知的熱電堆感測(cè)器，是以浮板所吸收的輻射熱所造成浮板的溫度上升，轉(zhuǎn)換成熱電堆輸出端的電壓差，然后從其電壓差直接計(jì)算被測(cè)物體的溫度。而此方法則易受環(huán)境變化、熱電堆材料的經(jīng)久劣化等影響而產(chǎn)生漂移。本發(fā)明提出一新的熱電堆元件結(jié)構(gòu)，其在浮板上有一電阻型加熱器，可利用后述的電子校正法來(lái)測(cè)量，以避免上述原因所造成的特性漂移所產(chǎn)生的誤差。
而這種可利用電子校正法測(cè)量的熱電堆感測(cè)器，由于比已知的熱電堆感測(cè)器的包含二條熱電堆輸出端及二條環(huán)境溫度感測(cè)用元件的輸出端，多了加熱用電阻的二條輸入端，故若使用已知的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噪聲。因此，本發(fā)明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(cè)器的外裝形式。
就近年來(lái)有關(guān)熱電堆元件結(jié)構(gòu)的重要發(fā)明，可參考如下附件(1)美國(guó)專利4，665，276“熱電傳感器”(Thermoelectric Sensor)(2)美國(guó)專利5，100，479，“熱電堆和遠(yuǎn)紅外感測(cè)器”(Thermopile，Infrared Detector with Semiconductor Supporting RIM)(3)美國(guó)專利4，456，919，“用于冷接點(diǎn)的具有溫度傳感器的熱電堆型檢測(cè)器”(Thermopile Type Detector with Temperature Sensor for ColdJunction)。
專利4，665，276所描述的熱電堆元件結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)為采用背面硅體型蝕刻技術(shù)的封閉浮板結(jié)構(gòu)，且其所使用的熱電堆材料為鈹(Be)、銻(Sb)。
而專利5，100，276所描述的熱電堆感測(cè)元件的特點(diǎn)為在熱電堆的冷端下方的硅基板上植入高濃度的雜質(zhì)，使其在蝕刻硅基板時(shí)可以防止其被蝕刻，而當(dāng)浮板下的硅基板被蝕刻而形成浮板的時(shí)候，能留下來(lái)當(dāng)做基座及冷端的散熱器(heat sink)使用。
而此二篇所描述的熱電堆元件結(jié)構(gòu)，皆為使用背面硅體型蝕刻技術(shù)的封閉浮板結(jié)構(gòu)，與本發(fā)明的利用正面硅體型蝕刻技術(shù)的開(kāi)放浮板結(jié)構(gòu)不同。
另外，專利4，456，919內(nèi)容的要點(diǎn)為在與制作元件的同一基板上制作二極管或晶體管的溫度感測(cè)器，以感測(cè)環(huán)境溫度，做為溫度補(bǔ)償之用。而本發(fā)明則提出利用與第一或第二導(dǎo)線層相同的材料制作電阻，以感測(cè)環(huán)境溫度。
而在論文方面，近年來(lái)利用半導(dǎo)體微影技術(shù)及微加工技術(shù)制作的熱電堆，可參見(jiàn)以下附件(1)“批量生產(chǎn)的硅熱電堆遠(yuǎn)紅外探測(cè)器”，電器與電子工程協(xié)會(huì)，半導(dǎo)體電子設(shè)備ED-29，PP14-22(1982)(＂A batch-fabricated siliconthermopile infrared detector＂，IEEE Trans.Electron Devices ED-29，pp14-22，(1982))(2)“CMOS技術(shù)的熱電遠(yuǎn)紅外傳感器”，電器與電子工程協(xié)會(huì)，電子設(shè)備通信13，454(1992)(＂Thermoelectric infrared sensors by CMOStechnology＂，IEEE Electron Device Letters 13，454，(1992))(3)“利用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝具有高可靠性的集成熱電準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，傳感器和激勵(lì)器”A66，PP218-224(1998)(＂An integrated thermopile structurewith high responsivity using any stndard CMOS process＂，Sensors andActuators A66，pp.218-224(1998))。
(4)“用于傳感器的CMOS技術(shù)，傳感器和激勵(lì)器”A37-38，99，51-56(1993)(＂CMOS as Sensor Technology＂，Sensors and ActuatorsA37～38，pp.51～56(1993))(5)“HL-PLANAR熱電堆技術(shù)資料”(Technik Thermopile資料)。
以上述所發(fā)表文獻(xiàn)為例，由Wise等人所提出的元件，其所使用的材料為金(Au)及多晶硅，結(jié)構(gòu)為使用背面硅體型蝕刻技術(shù)的封閉浮板結(jié)構(gòu)。由Batles等人所提出的元件，其所使用的材料為鋁(Al)及多晶硅，結(jié)構(gòu)亦使用正面硅體型蝕刻技術(shù)的開(kāi)放浮板結(jié)構(gòu)，但其黑體吸收膜使用的是二氧化硅(SiO2)及氮化硅(SiN)所組成的保護(hù)膜(Passivation1ayer)。而由Kulah等人所提出的元件，結(jié)構(gòu)使用正面硅體型蝕刻技術(shù)的開(kāi)放浮板結(jié)構(gòu)，但其所使用的材料為n型多晶硅及p型單晶硅，且此一元件的制作必須配合電化學(xué)及高濃度硼(P++)的蝕刻抑止方法完成，增加了制造過(guò)程的復(fù)雜性并降低了產(chǎn)量的合格率。
除此之外，文獻(xiàn)(4)中所描述的為浮板上加裝電阻加熱器，做為熱電轉(zhuǎn)換器以及熱傳導(dǎo)的測(cè)量之用，而并非本專利所述的電子校正測(cè)量用。文獻(xiàn)(5)則為現(xiàn)在市埸上熱電堆元件的資料，其中使用鎳(Ni)金屬做為環(huán)境溫度感測(cè)之用，而本發(fā)明則提出利用與第一或第二導(dǎo)線層相同的材料，以制作環(huán)境溫度感測(cè)電阻。
多晶硅/金屬熱電堆感測(cè)器的優(yōu)點(diǎn)為制造過(guò)程簡(jiǎn)單，且產(chǎn)量的合格率高，因此，此一感測(cè)器的特性的結(jié)構(gòu)正是本發(fā)明的重點(diǎn)所在。
因此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種熱電堆感測(cè)元件及其制造方法，用以改善已知的缺點(diǎn)及不佳之處。
本發(fā)明的制造方法具有下列特點(diǎn)(1)采用熱傳導(dǎo)系數(shù)較低的材料制作導(dǎo)線，并以繞線方式使導(dǎo)線呈曲折結(jié)構(gòu)，可在有限空間內(nèi)增加導(dǎo)線長(zhǎng)度，以降低熱傳導(dǎo)，進(jìn)而提高所測(cè)物體溫度變化的靈敏度。
(2)采用低熱傳導(dǎo)的鈦合金當(dāng)做導(dǎo)線，以降低元件的固體熱傳導(dǎo)。
(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(lái)進(jìn)行測(cè)量，以提高量測(cè)精度。
(4)利用半導(dǎo)體制程中的鈦薄膜來(lái)制作黑體。
(5)在中央浮板上開(kāi)蝕孔以縮短蝕刻時(shí)間，增加合格率。
(6)利用正面體型蝕刻技術(shù)來(lái)蝕刻元件下方的硅基板并將其掏空而使感測(cè)元件的熱端懸浮，由此縮小單位熱電堆感測(cè)元件的面積、增加單位硅圓片的產(chǎn)能、并使封裝更容易、提供簡(jiǎn)易制造過(guò)程、減少蝕刻時(shí)間與元件損壞。
(7)使用與第一或第二導(dǎo)線層相同的材料制作溫度感測(cè)電阻。此電阻的阻值大于100KΩ。
(8)使用5支接腳或6支接腳的金屬罐做為封裝之用。
為達(dá)上述目的，本發(fā)明提供一種熱電堆感測(cè)元件及其制造方法，該方法至少包括下列步驟提供一硅基板；沉積一第一絕緣層于硅基板表面；沉積一材料層(其材料可為金屬或多晶硅)于第一絕緣層表面；罩幕定義并蝕刻去除部分材料層以形成一第一導(dǎo)線；沉積一第二絕緣層于第一導(dǎo)線與第一絕緣層的表面；去除部分第二絕緣層，以形成多個(gè)接觸窗；沉積一第一金屬層于第二絕緣層的表面；罩幕定義并蝕刻去除部分第一金屬層以形成一第二導(dǎo)線，并透過(guò)前述的接觸窗使第二導(dǎo)線與第一導(dǎo)線接觸于多個(gè)熱端及冷端；沉積一第三絕緣層于第二導(dǎo)線與第二絕緣層的表面；蝕刻部分第三絕緣層與第二絕緣層，以使最后一條第二導(dǎo)線的一部分裸露于外，用以連接至待形成的第二金屬墊，而第一條第一導(dǎo)線亦可經(jīng)由第二導(dǎo)線連接至待形成的第一金屬墊；沉積一第二金屬層于第三絕緣層之上；蝕刻部分第二金屬層以形成第一及第二金屬墊；沉積一第四絕緣層于第三絕緣層與第二金屬層之上；沉積一第三金屬層于第四絕緣層之上，并以蝕刻或去除(Lift off)的方法定義出黑體吸收層，用以吸收入射的紅外線；沉積一第五絕緣層于第四絕緣層與黑體吸收層的表面；蝕刻部分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，而使硅基板的表面裸露于外；最后以正面蝕刻技術(shù)經(jīng)由前述蝕刻孔對(duì)硅基板進(jìn)行蝕刻，以掏空硅基板。
根據(jù)上述之制造方法，所得到的熱電堆感測(cè)元件，是利用第一金屬墊與第二金屬墊，作為該熱電堆感測(cè)元件的輸出，其結(jié)構(gòu)至少包含有一硅基板；一第一絕緣層，形成于硅基板表面；多條第一導(dǎo)線，形成于第一絕緣層表面，其中每一條第一導(dǎo)線具有一熱端與一冷端，且第一條第一導(dǎo)線的冷端經(jīng)由待形成的第二導(dǎo)線電連接至第一金屬墊；一第二絕緣層，形成于第一導(dǎo)線的表面；多條第二導(dǎo)線，形成于第二絕緣層的表面，其中第二導(dǎo)線呈曲折結(jié)構(gòu)，且每一第二導(dǎo)線亦具有熱端與冷端，第二導(dǎo)線的熱端分別與第一導(dǎo)線的熱端呈一對(duì)一接觸，且在第二導(dǎo)線中，最后一條第二導(dǎo)線的冷端電連接至第二金屬墊，且第一金屬墊與第二金屬墊由第二金屬層所形成；一第三絕緣層，形成于第二絕緣層與第二導(dǎo)線的表面；一第四絕緣層，形成于第三絕緣層與前述第一、第二金屬墊的表面；一由第三金屬層所形成的黑體吸收層，形成于第四絕緣層的表面，用以吸收紅外線；一第五絕緣層，形成于第四絕緣層與黑體吸收層的表面；一打線窗，形成于第一及第二金屬墊的上方，其貫穿第五與第四絕緣層，以露出第一、第二金屬墊的表面；以及一蝕刻孔，形成于第五絕緣層表面，并往下延伸貫穿第五、第四、第三、第二及第一絕緣層，用以容許硅基板與外界相通。
在上述的本發(fā)明中，該材料層的材料可為金屬或多晶硅等材料。
該黑體吸收層可由鈦、氮化鈦、鈦合金或其它金屬或合金所組成。
該第一導(dǎo)線與該第二導(dǎo)線的材料可由半導(dǎo)體材料所組成。
所述冷端的第一導(dǎo)線與第二導(dǎo)線可通過(guò)該第三金屬層而連接。
該第二導(dǎo)線的材料可由鈦、鋁、氮化鈦、鈦合金或鋁合金之一或混合物所組成。
可利用繞線方式使該第二導(dǎo)線呈曲折結(jié)構(gòu)，以增加導(dǎo)線長(zhǎng)度，并降低固體熱傳導(dǎo)。
該第一、第二金屬墊可由該第一金屬層制成。
在形成該蝕刻孔的同時(shí)，也可在浮板中心開(kāi)一蝕刻窗口，以提高制造工序的合格率。在該硅基板中包含有互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)電路。而且，在該硅基板中還包含雙極與互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體兼容(BiCMOS)電路。
該熱電堆感測(cè)元件的形狀為懸臂梁。也可以為四橋狀。
該第一或第二導(dǎo)線可以是曲折結(jié)構(gòu)。
可在中央浮板上制作一電阻線，通過(guò)由外界輸入電功率，而做為電子校正測(cè)量之用。
由第一或第二導(dǎo)線層構(gòu)成溫度感測(cè)電阻，其阻值大于100KΩ。
所述的熱電堆感測(cè)元件，其封裝使用5支腳或6支腳的金屬罐。
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的擋光板。
以上制作工序在制作第一或第二導(dǎo)線層時(shí)可同時(shí)制作加熱用電阻或環(huán)境溫度測(cè)量用電阻。
為讓本發(fā)明的上述和其他目的、特徵和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，下文特舉一較佳實(shí)施例，并配合附圖作詳細(xì)說(shuō)明如下圖1A為一種圓環(huán)狀熱電堆感測(cè)元件的剖面圖；圖1B為顯示圖1A的熱電堆感測(cè)元件內(nèi)導(dǎo)線連接方式的示意圖；圖2A為本發(fā)明的熱電堆感測(cè)元件的剖面圖；圖2B為顯示圖2A的熱電堆感測(cè)元件內(nèi)雙層導(dǎo)線連接方式的示意圖；圖2C為顯示圖2A的熱電堆感測(cè)元件內(nèi)三層導(dǎo)線連接方式的示意圖；圖2D為顯示圖2A的熱電堆感測(cè)元件內(nèi)繞線方式的示意圖；圖3A～3J為本發(fā)明的熱電堆感測(cè)元件制造方法的每一步驟的剖面圖4A為依據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例所做的懸臂梁結(jié)構(gòu)；圖4B為依據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例所做的四橋結(jié)構(gòu)；圖4C為依據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例所做的二橋結(jié)構(gòu)；圖5為依據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例所做的開(kāi)蝕刻窗口結(jié)構(gòu)；圖6為本發(fā)明的感測(cè)元件另一實(shí)施例的示意圖，其中顯示在中央浮板上制作一電阻線；圖7A為顯示紅外線入射角度所造成的照射度改變的示意圖；圖7B為依據(jù)本發(fā)明的較佳實(shí)施例加上擋光板后避免紅外線反射的示意圖；以及圖8為依據(jù)本發(fā)明的較佳實(shí)施例加上擋光板的結(jié)構(gòu)示意圖。
實(shí)施例說(shuō)明圖2A圖為本發(fā)明的熱電堆感測(cè)元件的剖面圖。此熱電堆感測(cè)元件具有一硅基板31、多條第一導(dǎo)線35、多條第二導(dǎo)線36、一黑體吸收層39、一蝕刻孔34、一間隙32、多個(gè)接觸窗43、以及第一、第二、第三、第四以及第五絕緣層(21、22、23、24、25)。
其中圖2B為顯示圖2A的熱電堆感測(cè)元件內(nèi)雙層導(dǎo)線連接方式的示意圖。由圖2A、2B中可看出，第二導(dǎo)線36透過(guò)貫通第三絕緣層23的接觸窗43，而與第一導(dǎo)線35接觸以形成熱端H。第二金屬墊38則與最后一條第二導(dǎo)線36電連接，而第一金屬墊37與第一條第一導(dǎo)線35電連接，其第一、第二金屬墊(37，38)用以作為熱電堆感測(cè)元件的輸出。
如上所述結(jié)構(gòu)的制造方法配合圖3A～3J的每一制造步驟的剖面圖詳述如下。
首先提供一硅基板31，于前述硅基板31之上沉積一第一絕緣層21，如圖3B所示，其中硅基板31在后續(xù)制作過(guò)程中將被掏空；接著在第一絕緣層21的表面上沈積一材料層，其材料可為金屬或多晶硅或非晶硅，并利用標(biāo)準(zhǔn)的黃光制作過(guò)程以罩幕定義并蝕刻去除部分材料層，而在第一絕緣層21部分表面上形成第一導(dǎo)線35，如圖3C所示；于第一絕緣層21與第一導(dǎo)線35的表面沉積第二絕緣層22，然后，對(duì)第二絕緣層22進(jìn)行平坦化與蝕刻，以形成多個(gè)接觸窗43，其中接觸窗43的底部暴露出第一導(dǎo)線35，如圖3D所示；接著在第二絕緣層22表面沉積第一金屬層，在沉積的過(guò)程中第一金屬層會(huì)將前述接觸窗43填滿形成栓塞，以做為第一導(dǎo)線35與后續(xù)形成的第二導(dǎo)線36連接導(dǎo)通，沈積完成后以標(biāo)準(zhǔn)的黃光制作過(guò)程罩幕定義該第一金屬層，以在第二絕緣層22的表面上形成第二導(dǎo)線36，如圖3E所示，其中第二導(dǎo)線36能經(jīng)由接觸窗43的連通而與第一導(dǎo)線35接觸形成熱端H，并透過(guò)其余的接觸窗(未顯示)與第一導(dǎo)線35接觸形成冷端C(未顯示)。
待形成第二導(dǎo)線36后，繼續(xù)在第二導(dǎo)線36與第二絕緣層22表面上沉積一第三絕緣層23，如圖3F所示，并對(duì)第三絕緣層23與第二絕緣層22執(zhí)行蝕刻，以使最后一條第二導(dǎo)線36的一部分露出，其后沉積第二金屬層，并蝕刻部分該第二金屬層以定義出第一、第二金屬墊形狀并連接至第二金屬墊38；第一條第一導(dǎo)線35則經(jīng)由第二導(dǎo)線36而連接至第一金屬墊37，其導(dǎo)線連接的方式如圖2B所示；接著再沉積一第四絕緣層24于第三絕緣層23與第二金屬層之上，如圖3F所示，并沉積一第三金屬層于前述第四絕緣層24之上，經(jīng)由蝕刻或Lift off的方法定義出黑體吸收層39，用以吸收入射的紅外線，如圖3G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39之后，繼續(xù)在第四絕緣層24與黑體吸收層39的表面沉積第五絕緣層25，并蝕刻部分第四、第五絕緣層(24，25)，以形成一打線窗(未標(biāo)示)，以暴露出第一、第二金屬墊(37，38)；接著以罩幕定義蝕刻部分第五絕緣層25，以在第五絕緣層25表面上挖出蝕刻孔34，并使此蝕刻孔34往下貫穿第四、第三、第二與第一絕緣層(24，23，22，21)，而使硅基板31局部表面能裸露于外，以便進(jìn)行后續(xù)的正面蝕刻制程，如圖3I所示；最后以正面蝕刻技術(shù)經(jīng)由前述蝕刻孔34對(duì)露出的硅基板31表面進(jìn)行蝕刻，以去除部分的硅基板31，而釋放元件結(jié)構(gòu)如圖3J所示。
在說(shuō)明制程步驟之后，現(xiàn)從幾個(gè)方面來(lái)說(shuō)明本發(fā)明所提供的制作工序與結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。
就導(dǎo)線方面而言在本發(fā)明的較佳實(shí)施例中，采用鈦?zhàn)鳛榈诙?dǎo)線36，由于鈦的熱傳導(dǎo)系數(shù)(+17W/K)與鋁硅銅(～238W/K)相比相當(dāng)?shù)男?，且同時(shí)為電的良導(dǎo)體，因此可以提高被測(cè)物體溫度變化的靈敏度；同時(shí)在上述較佳實(shí)施例中，在接觸窗43內(nèi)形成第二導(dǎo)線36，以此第二導(dǎo)線36當(dāng)作第一、第二導(dǎo)線(35，36)的連接導(dǎo)通，如圖2B所示。
而在另一實(shí)施例中，也可不使用第二導(dǎo)線36當(dāng)作連接導(dǎo)通之用，而使用上述第二金屬層作為連接導(dǎo)線40，以取代前述第二導(dǎo)線36，其連接方式如圖2C所示，其方式是先在接觸窗43內(nèi)填滿與第一、第二金屬墊(37，38)相同材料的第三金屬層，再利用罩幕定義前述金屬材料，即可形成連接導(dǎo)線40。
又，在另一實(shí)施例中，也可使用第二導(dǎo)線層的材料來(lái)做為第一及第二金屬墊(37，38)。如此，則可省去第三絕緣層23與第二金屬層二道工序。
如前所述，提高熱電堆感測(cè)元件特性的其中一種方式就是增加導(dǎo)線的長(zhǎng)度，以降低熱傳導(dǎo)，因此在本發(fā)明中利用繞線方式使第二導(dǎo)線36呈曲折結(jié)構(gòu)，以在有限空間內(nèi)增加導(dǎo)線長(zhǎng)度，其結(jié)構(gòu)如圖2D所示，當(dāng)然在此可利用第二導(dǎo)線36或連接導(dǎo)線40當(dāng)作連接導(dǎo)通第一、第二導(dǎo)線(35，36)之用，而前述的曲折結(jié)構(gòu)的實(shí)施樣態(tài)有很多種，如單層弓型、多層弓型，甚至是圓弧型或是其它形狀都可以，由使用者決定，當(dāng)然除了第二導(dǎo)線36的曲折結(jié)構(gòu)外，也可使第一導(dǎo)線35也呈曲折結(jié)構(gòu)。
另外，已知的熱電堆元件為直接由浮板吸收熱輻射，并將所造成的浮板的溫度上升，轉(zhuǎn)變成熱電堆兩端的輸出電壓，從其電壓大小來(lái)直接計(jì)算被測(cè)物的輻射量及溫度。然而此一已知的測(cè)量方法，常會(huì)受環(huán)境變化、熱電堆材料的經(jīng)久老化、或受讀取電路特性漂移的影響而產(chǎn)生漂移。而本發(fā)明所提出的熱電堆感測(cè)器，可在中央浮板上加一電阻線做為加熱器，如此即可使用后述的電子校正測(cè)量法來(lái)進(jìn)行測(cè)量，以避免以上所述的輸出漂移所造成的誤差。
且依據(jù)本發(fā)明的較佳實(shí)施例而言，由于較大的蝕刻孔會(huì)在蝕刻孔底部48或側(cè)壁49造成紅外線的反射，如圖7A所示，而易引起由于紅外線照射角度改變所造成的反射程度不同，從而造成感測(cè)器對(duì)于紅外線入射角的較大不穩(wěn)定性，故將蝕刻孔定義成較狹窄的溝狀，并可在其他原為蝕刻孔之處留下第一或第二金屬層，做為擋光板50以反射紅外線，如圖7B所示，以避免上述因紅外線入射角所造成的輸出的漂移，其結(jié)構(gòu)如圖8所示，但此結(jié)構(gòu)僅為一較佳實(shí)施例，并非用于限定本發(fā)明的范圍，亦可使用其他結(jié)構(gòu)。
以下描述電子校正法量測(cè)的原理電子校正法測(cè)量的原理為在浮板上布上一電阻線做為加熱器使用，測(cè)量時(shí)先遮蔽照射至感測(cè)元件的輻射，然后在此電阻線上通電以供給功率加熱浮板，來(lái)模擬熱輻射所造成的溫度上升。其中由于加熱器所提供的功率和其所造成的溫度上升，及由輻射所提供的功率和其所造成的溫度上升，均成一正比關(guān)系。所以只要在測(cè)量被測(cè)物體的溫度之前，先遮蔽熱電堆元件所吸收的熱輻射，并在加熱器上施加一功率Wh，而測(cè)量其所造成的熱電堆輸出電壓Vh。然后移開(kāi)遮蔽，由浮板吸收被測(cè)物輻射至浮板的功率Wt，并測(cè)量其所造成的熱電堆輸出Vt。如此，由測(cè)量所得的Wh、Vh、Vt，即可計(jì)算出被測(cè)物所發(fā)出的絕對(duì)輻射量Wt，并可計(jì)算出被測(cè)物體的溫溫度，其公式可表示如下WtWh=k×VtVh(5)]]>⇒Wt=k×VtVh×Wh(6)]]>由光加熱與電加熱的對(duì)等性在此k為一比例常數(shù)，可事先由一黑體及已知的溫度而精確量得。
由于熱電堆元件的輸出效益隨環(huán)境、時(shí)間或輸出電路影響所造成的漂移等，都會(huì)依同一比例影響Vh及Vt，所以Vh/Vt不會(huì)隨之漂移，而可測(cè)量到精確的標(biāo)的物的輻射量及溫度。
以下就本發(fā)明的特點(diǎn)整理如下(1)就第二導(dǎo)線層的結(jié)構(gòu)而言第二導(dǎo)線采用曲折型結(jié)構(gòu)以降低其固體熱傳導(dǎo)，其材料可使用鈦或鈦合金等低熱傳導(dǎo)系數(shù)的材料。而即使以一般CMOS標(biāo)準(zhǔn)制程中所用的鋁硅銅合金，也可通過(guò)曲折型導(dǎo)線結(jié)構(gòu)，使其固體熱傳導(dǎo)降低為已知直線型結(jié)構(gòu)的70％～80％?；谏鲜隼碛?，本發(fā)明在不增加元件尺寸及生產(chǎn)成本的情況下，可增強(qiáng)元件信號(hào)輸出。
(2)就后蝕刻工序而言本發(fā)明以正面蝕刻技術(shù)取代已知的背面蝕刻技術(shù)，因正面蝕刻所需的面積較小，可以縮小單位熱電堆感測(cè)元件的面積，增加單位硅圓片的產(chǎn)量，并使封裝更容易、工序簡(jiǎn)易、減少蝕刻時(shí)間與元件損壞，其結(jié)構(gòu)可采用懸臂梁、四橋或兩橋的結(jié)構(gòu)(如圖4A、4B與圖4C所示)。
(3)就黑體方面而言
其較佳實(shí)施例是利用鈦?zhàn)鳛楹隗w吸收層39，若適當(dāng)控制其厚度(34μg/cm2)則可得到一最佳的吸收率；又鈦在CMOS標(biāo)準(zhǔn)制作過(guò)程中為一標(biāo)準(zhǔn)材料，對(duì)簡(jiǎn)化工序有很大的幫助。
(4)就蝕刻孔方面而言由于熱電堆感測(cè)元件的面積較大，所需蝕刻時(shí)間長(zhǎng)，又在蝕刻一般四橋形的懸浮板時(shí)，常在中心處留下一山丘，使氣體熱傳導(dǎo)變大，將蝕刻時(shí)間增加雖可以將山丘變小，但蝕刻時(shí)間的增加對(duì)合格率會(huì)造成影響，故在浮板44中心開(kāi)一蝕刻窗口43′(如圖5所示)，如此不但防止山丘的形成，并同時(shí)縮短蝕刻時(shí)間，以提高制程的良率。
(5)就電子校正測(cè)量用結(jié)構(gòu)而言本發(fā)明亦可在中央浮板44上制作一電阻線45，此電阻線45電連接到第三、四金屬墊(46，47)，如圖6所示，經(jīng)由前述第三、四金屬墊(46，47)由外輸入電功率，以做為電子校正測(cè)量之用，其中此電阻線45的材料可由第一導(dǎo)線層或第二導(dǎo)層的材料制成。
(6)就制造過(guò)程方面而言本發(fā)明所提供的制造過(guò)程與半導(dǎo)體的CMOS相容，可將CMOS或BiCMOS電路與此熱電堆感測(cè)元件一并完成，用以減少外接電路的噪聲影響，對(duì)簡(jiǎn)化制作過(guò)程有相當(dāng)大的幫助。
(7)就環(huán)境溫度測(cè)量用電阻而言利用與第一或第二導(dǎo)線層相同的材料制作溫度測(cè)量用電阻，其電阻阻值大于100KΩ。
(8)以上所述的熱電堆感測(cè)器，其封裝使用5支腳或6支腳的金屬罐。
本發(fā)明利用導(dǎo)線的曲折結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)增加導(dǎo)線長(zhǎng)度及降低熱傳導(dǎo)，并配合正面硅體形蝕刻方式蝕刻硅基板，提高硅圓片的產(chǎn)量。并通過(guò)在浮板上制作一電阻做為加熱器，做為電子校正測(cè)量之用。
權(quán)利要求
1.一種熱電堆感測(cè)元件制造方法，其特征在于，至少包括下列步驟提供一硅基板；沉積一第一絕緣層于該硅基板表面；沉積一材料層于該第一絕緣層表面；罩幕定義并蝕刻去除該材料層的一部分以形成一第一導(dǎo)線；沉積一第二絕緣層于該第一導(dǎo)線與該第一絕緣層的表面；去除該第二絕緣層的一部分，以形成多個(gè)接觸窗；沉積一第一金屬層于該第二絕緣層的表面；罩幕定義并蝕刻去除該第一金屬層的一部分以形成一第二導(dǎo)線，并透過(guò)該接觸窗使該第二導(dǎo)線與該第一導(dǎo)線接觸于多個(gè)熱端及冷端；沉積一第三絕緣層于該第二導(dǎo)線與該第二絕緣層的表面；蝕刻該第三絕緣層與該第二絕緣層的一部分，以使最后一條該第二導(dǎo)線的一部分裸露于外，用以連接至待形成的一第二金屬墊，而第一條該第一導(dǎo)線也經(jīng)由該第二導(dǎo)線連接至待形成的一第一金屬墊；沉積一第二金屬層于該第三絕緣層之上；蝕刻該第二金屬層的一部分以形成該第一及第二金屬墊；沉積一第四絕緣層于該第三絕緣層與該第二金屬層之上；沉積一第三金屬層于該第四絕緣層之上，并以蝕刻或去除的方法定義出黑體吸收層，用以吸收入射的紅外線；沉積一第五絕緣層于該第四絕緣層與該黑體吸收層的表面；蝕刻該第四、第五絕緣層的一部分，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，而使該硅基板的表面裸露于外；以及以正面蝕刻技術(shù)經(jīng)由該蝕刻孔對(duì)該硅基板進(jìn)行蝕刻，以掏空該硅基板。
2.如權(quán)利要求1所述的熱電堆感測(cè)元件的制造方法，其特征在于，該材料層的材料可為金屬或多晶硅等材料。
3.如權(quán)利要求1所述的熱電堆感測(cè)元件的制造方法，其特征在于，該黑體吸收層可由鈦、氮化鈦、鈦合金或其它金屬或合金所組成。
4.如權(quán)利要求1所述的熱電堆感測(cè)元件的制造方法，其特征在于，該第一導(dǎo)線與該第二導(dǎo)線的材料可由半導(dǎo)體材料所組成。
5.如權(quán)利要求1所述的熱電堆感測(cè)元件制造方法，其特征在于，所述冷端的第一導(dǎo)線與第二導(dǎo)線可通過(guò)該第三金屬層而連接。
6.如權(quán)利要求1所述的熱電堆感測(cè)元件的制造方法，其特征在于，該第二導(dǎo)線的材料可由鈦、鋁、氮化鈦、鈦合金或鋁合金之一或混合物所組成。
7.如權(quán)利要求1所述的熱電堆感測(cè)元件的制造方法，其特征在于，可利用繞線方式使該第二導(dǎo)線呈曲折結(jié)構(gòu)，以增加導(dǎo)線長(zhǎng)度，并降低固體熱傳導(dǎo)。
8.如權(quán)利要求1所述的熱電堆感測(cè)元件及其制造方法，其特征在于，該第一、第二金屬墊可由該第一金屬層制成。
9.如權(quán)利要求1所述的熱電堆感測(cè)元件的制造方法，其特征在于，在形成該蝕刻孔的同時(shí)，也可在浮板中心開(kāi)一蝕刻窗口，以提高制造工序的合格率。
10.一種熱電堆感測(cè)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(cè)元件的輸出，其特征在于，至少包含有一硅基板；一第一絕緣層，形成于該硅基板表面；多條第一導(dǎo)線，形成于該第一絕緣層表面，其中每一條該第一導(dǎo)線具有一熱端與一冷端，且第一條該第一導(dǎo)線的該冷端電連接至該第一金屬墊；一第二絕緣層，形成于該第一導(dǎo)線的表面；多條第二導(dǎo)線，形成于該第二絕緣層的表面，其中該第二導(dǎo)線呈曲折結(jié)構(gòu)，且每一該第二導(dǎo)線也具有該熱端與該冷端，該第二導(dǎo)線的該熱端分別與該第一導(dǎo)線的該熱端呈一對(duì)一接觸，且在該第二導(dǎo)線中，最后一條該第二導(dǎo)線的該冷端電連接至該第二金屬墊；一第三絕緣層，形成于該第二絕緣層與該第二導(dǎo)線的表面；一第二金屬層，用以形成該第一、第二金屬墊；一第四絕緣層，形成于該第三絕緣層與該第一、第二金屬墊的表面；一黑體吸收層，形成于該第四絕緣層的部分表面，用以吸收紅外線；一第五絕緣層，形成于該第四絕緣層與該黑體吸收層的表面；一打線窗，形成于該第一、第二金屬墊的上方，并貫穿該第五、第四絕緣層，以暴露出該第一、第二金屬墊的表面；以及一蝕刻孔，形成于該第五絕緣層的表面，并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，用以使該硅基板與外界相通。
11.如權(quán)利要求10所述的熱電堆感測(cè)元件，其特征在于，在該硅基板中還包含有互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體電路。
12.如權(quán)利要求10所述的熱電堆感測(cè)元件，其特征在于，在該硅基板中還包含有雙極與互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體兼容電路。
13.如權(quán)利要求10所述的熱電堆感測(cè)元件，其特征在于，該熱電堆感測(cè)元件的形狀為懸臂梁。
14.如權(quán)利要求10所述的熱電堆感測(cè)元件，其特征在于，該熱電堆感測(cè)元件的形狀為四橋狀。
15.如權(quán)利要求10所述的熱電堆感測(cè)元件，其特征在于，該第一或第二導(dǎo)線可以是曲折結(jié)構(gòu)。
16.如權(quán)利要求10所述的熱電堆感測(cè)元件，其特征在于，可在中央浮板上制作一電阻線，通過(guò)由外界輸入電功率，而做為電子校正測(cè)量之用。
17.如權(quán)利要求10所述的熱電堆感測(cè)元件，其特征在于，由第一或第二導(dǎo)線層構(gòu)成溫度感測(cè)電阻，其阻值大于100KΩ。
18.如權(quán)利要求10所述的熱電堆感測(cè)元件，其特征在于，封裝使用5支腳或6支腳的金屬罐。
19.如權(quán)利要求10所述的熱電堆感測(cè)元件，其特征在于，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的擋光板。
全文摘要
本發(fā)明提供一種熱電堆感測(cè)元件及其制造方法,此感測(cè)元件利用多晶硅及鈦或鋁硅銅作為熱電堆材料并形成支腳,利用鋁、鈦、鋁合金或鈦合金等熱傳導(dǎo)系數(shù)較低的材料制作導(dǎo)線,并以繞線方式使導(dǎo)線呈曲折結(jié)構(gòu),借此增加導(dǎo)線的長(zhǎng)度以降低熱傳導(dǎo),并在后續(xù)制造中利用正面硅體型蝕刻技術(shù)來(lái)掏空結(jié)構(gòu)底下的硅基板,可以縮小單位熱電堆感測(cè)元件的面積,增加單位硅圓片的產(chǎn)量;同時(shí)可在浮板上制作一電阻做為加熱器,以做為電子校正測(cè)量用。
文檔編號(hào)G01K7/00GK1288151SQ99119528
公開(kāi)日2001年3月21日 申請(qǐng)日期1999年9月9日 優(yōu)先權(quán)日1999年9月9日
發(fā)明者杜政勛, 周正三, 李正國(guó) 申請(qǐng)人:全磊微機(jī)電股份有限公司