專利名稱：熱電堆傳感器及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種熱電堆傳感器以及該熱電堆傳感器的制造方法。
背景技術：
熱電堆傳感器用作紅外傳感器并且能夠在半導體襯底上微機械制造。 它們尤其作為光譜的氣體傳感器例如用在汽車領域以及例如也用在具有圖 像分辨功能的紅外照相機中。
在熱電堆傳感器中，通常在薄膜上構成熱電偶的串聯(lián)電路，其中每個 熱電偶具有兩個相互間在薄膜上在熱接觸方面接觸的熱電極或者說由具有 不同塞貝克系數(shù)的材料構成的熱電極。熱電極的常見材料對是硅和鋁或者P
硅和n硅(p摻雜的和n摻雜的硅)，以及例如鉍一碲基的材料系。
熱電偶的接觸位置取決于入射的紅外輻射而變熱。為此一般在薄膜的 上側面上施加吸收層或吸收劑層，它在重要的波長范圍中具有良好的吸收 特性。在此例如發(fā)生含釕的電阻膏、黑金涂層、黑鋃涂層或其它吸收劑材 料的吸收。
但這類吸收劑材料一般不能在CMOS生產(chǎn)線中使用。 輻射傳感器的特性一般都通過探測器電壓Vth與入射功率的比例來描 述。因此以下式得到探測器的電壓靈敏度S
S
其中a是熱電堆的吸收率，t是輻射路徑的透射率，N是熱元件的數(shù)量， AT是熱電堆的冷端與熱端之間的溫度差。在此(as,a—as,"是材料對a b
的組合的塞貝克系數(shù)。此外Tth是熱時間常數(shù)，它描述探測器對以頻率o)調(diào)
制的輻射強度的響應特性，G是熱傳導能力。
因此，吸收率a a)明顯確定射線探測器的靈敏度，通常是波長X的 函數(shù)并且根據(jù)所使用的材料不同可以達到99%，例如在使用含釕的電阻膏 時。尤其在使用含釕的電阻膏時缺陷在于制造過程，其中首先通過供給各 個膏滴將膏施加到對應的傳感器薄膜上并且在加熱步驟中使膏固化，其中膏的有機組成部分被排出。該制造過程非常費事和昂貴并且與常見的
CMOS生產(chǎn)設備不兼容。例如黑金或黑銀涂層的缺陷同樣在于，這些材料 不與CMOS生產(chǎn)線的制造過程兼容。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，提出一種用于探測測量波長范圍內(nèi)的紅外輻射的熱電堆 傳感器，它具有傳感器襯底，在該傳感器襯底中構成了空穴，在傳感器 襯底上在空穴上方構成的薄膜，至少一個在薄膜上面、內(nèi)部或下面構成的 熱電堆結構，所述熱電堆結構具有至少一個由兩個相互觸頭接通的熱電極 組成的熱電偶，其中，這兩個熱電極由具有不同塞貝克系數(shù)的摻雜的半導 體材料構成，至少一個在熱電極之間構成的隔絕的中間層，其中，在下面 的該空穴的上方構成一個層系，該層系至少包括所述兩個熱電極并且至少 包括所述隔絕的中間層，并且，該層系對于測量波長范圍內(nèi)的紅外輻射在 吸收部分紅外輻射和至少部分地減少反射的情況下形成多射線干涉。
根據(jù)本發(fā)明，還提出一種用于制造熱電堆傳感器的方法，至少具有下
面的步驟在傳感器襯底上構成薄膜和必要時構成其它層，在構成自由支 承的、具有薄膜和所述其它層的多層結構的情況下，在傳感器襯底中在薄 膜和所述其它層下方構成下面的空穴，其中，所述層系具有至少一個由摻 雜的半導體材料制成的第一熱電極和至少一個由摻雜的半導體材料制成的 第二熱電極和至少一個將這些熱電極分開的第一隔絕中間層和一個上隔絕 層，借助真空密封的連接在自由支承的層結構和所述下面的空穴的上方將
罩形襯底固定在傳感器襯底上，其中，傳感器襯底和多層結構完全在CMOS
工藝步驟中制成。
在根據(jù)本發(fā)明的熱電堆傳感器中，通過層系中的多射線干涉發(fā)生紅外 輻射吸收，該層系在薄膜上或者也在包含薄膜的情況下構成。該層系包括 兩個熱電極和在這兩個熱電極之間構成的隔絕的中間層以及最好包括另外 的層，尤其是上隔絕層和薄膜本身。
該層系由于其層序、即折射率和層厚的層序，通過多射線干涉起到減 小反射的作用，即，在該層序上出現(xiàn)的射線或部分射線在反射方向上至少 部分地引起破壞性的干涉。這種減少反射的多射線干涉在光學領域中原理 上也在減少反射的涂層和鍍膜方面是公知的。因此，層厚最好在重要波長的范圍內(nèi)或者在重要波長以下構成。尤其 通過有針對性地摻雜相關的半導體層，即尤其是熱電堆層本身和必要時另 外的為此施加的輔助層，能實現(xiàn)吸收。
因此，有利地，整個層系包括薄膜對于紅外輻射是可透過的，使得紅 外輻射穿過該層系并且各個層有助于對反射分量的破壞性干涉。
因此，按照本發(fā)明，射線探測器或熱電堆傳感器能夠設計成無專門的 吸收劑層，例如含釕的膏或黑金涂層或黑銀涂層。該層系尤其可以以標準
CMOS工藝制成。
因此，按照本發(fā)明的制造方法能夠在CMOS線的標準設備中實現(xiàn)純 CMOS工藝，并且不存在CMOS設備被如釕、金和銀等材料污染的危險。 具有薄膜和空穴的傳感器襯底的微機械制造可以用常見的技術實現(xiàn)。
必要時可以僅在兩個熱電極的觸頭接觸區(qū)域中施加薄的金屬層，例如 鋁層，它與疊置構造的熱電極接觸。但施加這種金屬層在CMOS工藝中是 標準的，其中由于金屬觸頭接觸的小的橫向構型而基本不影響層系的反射 減少和高吸收特性。因此，按照本發(fā)明，這種必要時也能略微伸到上側面 和下側面上的金屬觸頭接觸不被看作金屬吸收層。
按照本發(fā)明的層系尤其可以這樣構成使得兩個熱電極具有相同的光 學厚度，即尤其是在硅材料大致一樣高地、相反地摻雜情況下具有相同的 層厚，此外，在它們之間構成的第一隔絕中間層和在上面的熱電極上構成 的上隔絕層具有相同的光學厚度，即尤其是在隔絕材料基本相同、對于紅 外輻射可透過的情況下具有相同的層厚。因此得到由兩個相互嵌套的、相 同層厚的對組成的結構，這些對(最好與下面的、紅外輻射可透過的薄膜 一起)實現(xiàn)良好地抑制反射并通過適合的摻雜確定吸收。


圖1以豎直剖面示出按照本發(fā)明的熱電堆傳感器， 圖2示出圖1的局部放大圖，按照第一實施方式具有四個在薄膜上構 成的層，
圖3示出第二實施方式的相應局部放大圖，具有六個在薄膜上構成的
層，
圖4示出吸收率a與波長X的相關性的曲線圖，圖5示出圖2或3的傳感器在熱電極的金屬觸頭接觸區(qū)域中的垂直剖 面的局部放大圖。
具體實施例方式
圖1中所示的熱電堆傳感器8具有硅制成的傳感器襯底1和罩形襯底2， 它們通過封接玻璃鍵合與封接玻璃層3氣密密封地或者說真空密封地連接。 在罩形襯底2的上側面上有利地設置有一濾波器4，它波長選擇式地允許入 射的紅外輻射IR透過，以便能夠?qū)崿F(xiàn)測量波長范圍Xm的探測。例如C02 或另一種氣體的吸收譜線可位于該測量波長范圍Xm中。但^"于所示實施方 式替換地也可以是，濾波器4例如設置在殼體的一個窗口中，在該窗口中 接收熱電堆傳感器8。
在傳感器襯底1的上側面上構成下面的空穴5，在該空穴上方構成自由 支承的薄膜IO，它構造為一個層或構造為由多個層、尤其是隔絕層如Si02 組成的層系，其中，薄膜10在橫向上越過空穴5 —直延伸到傳感器襯底1 的大塊材料上面。在薄膜10上設置至少一個熱電偶7，它具有第一熱電極 11和第二熱電極13。有利地，級聯(lián)或串聯(lián)地設置多個熱電偶7，以便得到 更大的測量信號。在此熱電偶7有利地在橫向上并排，由此其它熱電偶7 在圖示平面的上方和下方構成。
因此，按照圖2實施方式的多層結構具有五個層，即薄膜10、由摻雜 半導體材料如n摻雜硅制成的第一熱電極11、由例如Si02制成的用于隔絕 的第一中間層12、由摻雜半導體材料如p摻雜硅制成的第二熱電極13及用 于覆蓋和隔絕的上隔絕層14。
兩個熱電極ll， 13的材料以公知的方式具有不同的塞貝克系數(shù)au;為 此可以有利地選擇不同摻雜的半導體材料，如n摻雜硅和p摻雜硅。
按照本發(fā)明構造層IO， 11， 12， 13， 14的層系19，對于從上面入射的、 測量波長范圍的紅外輻射IR，如對于在4.0至4.5拜之間或其部分范圍內(nèi) 的入，該層系形成多射線干涉，該多射線干涉導致高的吸收率a。在此按照 本發(fā)明可知，為此基本上可以選擇一個具有相當于抗反射涂層的層厚的層 系19，但其中在個別層中實現(xiàn)較高的吸收。為此有利地構成具有較高吸收 性的熱電極11， 13，為此可以選擇較高的摻雜，較高的慘雜還補充性地減 少在金屬觸頭接觸時的問題，即有助于避免肖特基接觸，并且導致強的測量信號。
這樣選擇層10至14的層厚dl0， dll， d12， d13， d14，使得實現(xiàn)所期 望的多射線干涉。在此尤其致力于，在很大程度上防止測量波長范圍^m上 的反射。透射尤其通過較高的吸收在很大程度上被克服，但透射原則上是 沒有問題的。
在有利地設計該層系的情況下，反射的和透射的射線強度I&f和It盡可 能小并且吸收率a a) -l—lRef—Lr盡可能高。為了計算吸收率a (入)引 用復數(shù)折射率的精確變化，該折射率具有實數(shù)部分和虛數(shù)部分，其中，對 于摻雜的半導體層或金屬，復數(shù)折射率是摻雜物質(zhì)濃度的函數(shù)，該摻雜物 質(zhì)濃度例如可以通過自由載流子的Drude模型計算。
在圖2中例如可以構成900nm厚的n摻雜的多晶硅層11，例如具有磷 摻雜和le20cm—的載流子濃度，可以構成300nm厚的、&02制成的第一中 間層12，可以構成900nm厚的p摻雜多晶硅層13，例如由硼摻雜的多晶硅 制成并具有l(wèi)e20cm—3的載流子濃度，以及構成300nm厚的上隔絕層14。
按照本發(fā)明可知，下面的薄膜層10在此不是那么重要，因為在上面的 四個層ll， 12， 13， 14中已經(jīng)實現(xiàn)具有吸收作用的足夠的多射線干涉。
圖3示出另一實施例，其中設置了與圖2中相應的層，但上隔絕層14 用作第二中間層，在它上面施加第一輔助層15和第二輔助層16。在此輔助 層15， 16同樣由對于測量波長范圍Am內(nèi)的紅外輻射來說可透過的材料構 成并且能夠通過更多數(shù)量的層實現(xiàn)多射線干涉。因此在圖3中構成了具有 六個設置在薄膜10上方的層的層系20。在此，層厚d10， dll， d12， d13， dl4可以相應于圖2的實施例的那些層厚。
按照另一實施例，圖2和/或圖3中的層厚組成例如也可以如下構成
由600nm厚的Si02制成的薄膜10，具有層厚dll =700nm和載流子濃 度le20cnf3的、磷摻雜多晶硅制成的第一熱電極11，層厚dl2=700nm、由 Si02制成的第一中間層12，具有層厚dl3二700nm和載流子濃度le20cm一3 的、由硼摻雜多晶硅制成的第二熱電極13和層厚dl4=700nm、由&02制 成的第二中間層14。
在此只在一些層中進行吸收，例如在層系19或20的層11， 13, 15中， 因為通過下空穴5和上空穴6的隔絕，薄膜10是自由支承和絕熱的，并 且，垂直方向上的足夠的導熱導致溫度平衡，使得熱電偶7基本處于相同的溫度下。
在兩個實施例中，在圖3中，第一輔助層15例如可以由層厚dl5 = 450nm和載流子濃度為2e20cm—3的磷摻雜多晶硅構成，第二輔助層16可 以由層厚dl6二700nm的SiO2和/或S3N4構成。對此替換地也可以是，層厚 (115=450腦和載流子濃度為le20cm^和例如層厚dl6 = 700nm。
對于該實施例，計算出的吸收光譜在圖4中以虛線表示。對于C02氣 體傳感器重要的波長范圍大約在4.0至4.5pm之間。按照虛線，得到超過 90%的吸收率。與此相比，以實線繪出傳統(tǒng)的層厚組成，例如具有dll = 450nm， dl2 = 300nm， dl3=450nm和dl4=300nm，它們以常見的方式在 層14的上側面上設置有附加的吸收層，以便能夠?qū)崿F(xiàn)足夠的吸收。
按照本發(fā)明，在層15， 16上還可以構成另外的輔助層，以實現(xiàn)高吸收 的多射線干涉。
熱電極ll， 13的觸頭接觸尤其可以按照圖5進行，圖5示出側向錯開 位置上的、尤其是在圖2， 3的圖示平面的上方或下方的垂直剖面。金屬觸 頭22， 23接觸熱電極11， 13并且向上引向上隔絕層14的上側面。通過金 屬觸頭23， 24也實現(xiàn)多個熱電偶7的級聯(lián)；在此，金屬觸頭22， 23可以 設置在錯開的平面中。右邊的熱觸頭22在薄膜10上形成的"熱"端，左 邊的熱觸頭23是傳感器襯底1的大塊材料上方的"冷"端。因此，按照該 示例性實施方式，熱電極ll， 13的觸頭接觸通過金屬觸頭24和25實現(xiàn)， 這些金屬觸頭構造成金屬涂層的結構化區(qū)域。因此，在所示構造情況下， 左邊的觸頭23總歸不干擾薄膜10中的多射線干涉。右邊的熱觸頭22僅在 側向很窄的區(qū)域中影響多射線干涉，因此不重要。
權利要求
1.用于探測測量波長范圍(λm)內(nèi)的紅外輻射(IR)的熱電堆傳感器(8)，它具有傳感器襯底(1)，在該傳感器襯底中構成了空穴(5)，在傳感器襯底(1)上在空穴(5)上方構成的薄膜(10)，至少一個在薄膜(10)上面、內(nèi)部或下面構成的熱電堆結構，所述熱電堆結構具有至少一個由兩個相互觸頭接通的熱電極(11，13)組成的熱電偶(7)，其中，這兩個熱電極(11，13)由具有不同塞貝克系數(shù)的摻雜的半導體材料構成，至少一個在熱電極(11，13)之間構成的隔絕的中間層(12)，其中，在下面的該空穴(5)的上方構成一個層系(19，20)，該層系至少包括所述兩個熱電極(11，13)并且至少包括所述隔絕的中間層(12)，并且，該層系對于測量波長范圍(λm)內(nèi)的紅外輻射(IR)在吸收部分紅外輻射(IR)和至少部分地減少反射的情況下形成多射線干涉。
2. 如權利要求l所述的熱電堆傳感器，其特征在于，所述層系(19， 20)還包括所述薄膜(10)，其中，該薄膜(10)由IR可透過的隔絕材料 如Si02構成。
3. 如權利要求1或2所述的熱電堆傳感器，其特征在于，所述層系(19， 20)還包括在上面的熱電極(13)上方構成的上隔絕層(14)，該上隔絕層 由紅外輻射(IR)可透過的隔絕材料如Si02構成。
4. 如權利要求3所述的熱電堆傳感器，其特征在于，第一熱電極(ll) 和第二熱電極(13)具有相同的層厚(dll, d13)，并且在這些熱電極(11， 13)之間構成的隔絕的中間層(12)和該上隔絕層(14)由具有相同層厚 的、可透過的隔絕材料構成。
5. 如權利要求4所述的熱電堆傳感器，其特征在于，所述熱電極(ll，13)具有700或900nm的、相同的層厚(dll， d13)。
6. 如上述權利要求中任一項所述的熱電堆傳感器，其特征在于，熱電 極(11， 13)具有相反的摻雜和大致一樣高的載流子濃度，例如lel8cm一3 以上，例如約le20cm一3。
7. 如上述權利要求中任一項所述的熱電堆傳感器，其特征在于，所述 層系(19， 20)還包括至少一個另外的輔助層(15， 16)，它在上隔絕層(14) 上方構成。
8. 如權利要求7所述的熱電堆傳感器，其特征在于，所述另外的輔助 層(15, 16)中的至少一個是用于提高吸收的、摻雜的半導體層(15)，它 被至少一個另外的隔絕層(16)覆蓋。
9. 如上述權利要求中任一項所述的熱電堆傳感器，其特征在于，該層 系(19， 20)的所有層(10， 11， 12， 13， 14， 15， 16)由對于紅外輻射 不反射的隔絕層(10， 12， 14， 16)例如Si02和半導體層(11， 13， 15) 構成。
10. 如上述權利要求中任一項所述的熱電堆傳感器，其特征在于，在 傳感器襯底(1)上真空密封地固定有罩形襯底(2)，在該罩形襯底的下側 面上構成上面的空穴(6)，其中，該層系(19， 20)包括所述下面的空穴 (5)與該上面的空穴(6)之間的所有層(10， 11， 12， 13， 14， 15， 16)。
11. 如上述權利要求中任一項所述的熱電堆傳感器，其特征在于，該 層系(19， 20)和該層系(19， 20)的上側面和下側面沒有含金屬的吸收 劑材料。
12. 如上述權利要求中任一項所述的熱電堆傳感器，其特征在于，構 造有用于觸頭接通的金屬觸頭(24)。
13. 如上述權利要求中任一項所述的熱電堆傳感器，其特征在于，該 層系(19， 20)、尤其整個熱電堆傳感器(8)能夠完全以CMOS工藝技術 構成。
14. 如上述權利要求中任一項所述的熱電堆傳感器，其特征在于，在 該層系(19， 20)中在測量波長范圍(Xm)內(nèi)、例如在4.0至4.5)am之間 存在超過70%、尤其超過80%、例如超過90%的入射紅外輻射(IR)吸收率。
15. 如上述權利要求中任一項所述的熱電堆傳感器，其特征在于，入 射紅外輻射(IR)的吸收主要或僅僅在摻雜的半導體層(11， 13， 15)中 進行。
16. 用于制造熱電堆傳感器的方法，至少具有下面的步驟-在傳感器襯底(1)上構成薄膜(10)和必要時構成其它層(11， 12，,13， 14， 15， 16),在構成自由支承的、具有薄膜(10)和所述其它層的多層結構(19， 20)的情況下，在傳感器襯底(1)中在薄膜(10)和所述其它層(11， ,12， ,13， ,14， ,15， 16)下方構成下面的空穴(5)，其中，所述層系(19， 20) 具有至少一個由摻雜的半導體材料制成的第一熱電極(11)和至少一個由 摻雜的半導體材料制成的第二熱電極(13)和至少一個將這些熱電極分開 的第一隔絕中間層(12)和一個上隔絕層(14)，借助真空密封的連接(3)在自由支承的層結構(19， 20)和所述下面 的空穴的上方將罩形襯底(2)固定在傳感器襯底(1)上，其中，傳感器 襯底(1)和多層結構(19， 20)完全在CMOS工藝步驟中制成。
全文摘要
一種用于探測測量波長范圍(λm)中的紅外輻射(IR)的熱電堆傳感器(8)，具有傳感器襯底(1)，在其中構成空穴(5)；在傳感器襯底(1)上在空穴(5)上方構成的薄膜(10)；至少一個在薄膜(10)上、內(nèi)或下構成的熱電堆結構，其具有至少一個由兩個相互觸頭接通的熱電極(11，13)組成的熱電偶(7)，兩個熱電極(11，13)由具有不同塞貝克系數(shù)的摻雜半導體材料構成；至少一個在熱電極(11，13)之間構成的隔絕中間層(12)。按照本發(fā)明，在空穴(5)上方構成層系(19，20)，它至少包括熱電極(11，13)和中間層(12)并對測量波長范圍(λm)內(nèi)的紅外輻射(IR)在吸收部分紅外輻射(IR)和至少部分地減少反射的情況下形成多射線干涉。
文檔編號G01J5/20GK101644605SQ200910165749
公開日2010年2月10日 申請日期2009年8月10日 優(yōu)先權日2008年8月8日
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