专利名称：Mems热电堆红外探测器芯片的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及MEMS (微机电系统)器件领域，尤其涉及一种MEMS热电堆红外探测器芯片。
背景技术：
近年来，热电堆红外探测器广泛的应用于需要温度以及辐射测量的领域，如在国防、医疗、家电、工控、汽车、公共安全等等。其工作原理是利用塞贝克效应，即两种不同电导体或半导体的温度差异而导致两种材料之间产生电压差的热点现象，来探测红外辐射。与其它电子元器件一样，随着应用的普及及需求量的增加，热电堆红外探测器的发展趋势是体积小、灵敏度高、功耗小、价格低、可靠性高等。而目前MEMS技术正推动着半导体界“超越摩尔定律”的变革，在国内外得到了迅猛的发展。世界正经过昨天的真空电子管时代，跨越现在的固体电子时代进入明天的MEMS 时代。MEMS为近年来高速发展的一项高新技术，其采用先进的半导体制备工艺，批量实现 MEMS器件的制备。与对应传统热电堆红外探测器相比，MEMS热电堆红外探测器在体积、功耗、重量以及价格等方面有十分明显的优势。所以，采用先进MEMS技术制作的热电堆红外探测器是未来主流的技术发展方向。目前采用MEMS技术制作的热电堆红外探测器多采用从硅片背面进行腐蚀形成全膜结构。此方法虽然有着工艺简单的优点，但是此方法需要正反双面对准曝光，且采用半导体代工厂的工艺兼容性差。此外，此方法由于通常采用湿法腐蚀，通常有着芯片尺寸大以及制造成本高的缺点。所以，目前很多人采用了与CMOS (互补金属氧化物半导体)工艺兼容， 从硅片正面进行释放出MEMS热电堆红外探测器支撑膜的制造工艺。此制造方法充分利用了 CMOS工艺的热电堆材料(如P型与N型掺杂多晶硅形成的热电堆，以及P型掺杂多晶硅与铝形成的热电堆等)。此方法具有尺寸小、价格低、工艺可制造性强以及可扩展到阵列制造等优点。但是上述两种方法皆需红外吸热层来增加器件的性能。目前红外吸热层主要分为三类金属薄膜、多孔黑金属以及薄膜堆叠。多孔黑金属有着红外吸收率高的优点，但是也有着粘附性差以及工艺兼容性差等缺点。虽然薄膜堆叠方法工艺兼容性好，但是对工艺控制要求较高。除了上述的热电堆制造方法以及吸热层材料之外，MEMS热电堆红外探测器的封装也是一个很大的难题。由于加工好的MEMS热电堆红外探测器包含有活动的机械部件，如果不能在后续的封装工艺中得到很好的保护，则此MEMS器件极易遭受到损坏。传统的半导体封装设备并不能直接用于MEMS器件的封装，必须经过特殊的改造才能满足MEMS器件的特殊的封装要求。正是因为MEMS封装的特殊性，且与现有的半导体封装测试设备不能很好的兼容，所以通常MEMS器件封装和测试成本要远远高于其制造成本，成为MEMS器件不能迅速产业化的重要原因。而晶圆级封装技术无疑能很好的解决MEMS器件的封装问题，其主要思想为在制造完成MEMS器件的晶圆上通过某种方法，把晶圆上所有的MEMS器件加以保护，通常称此工序为零级封装。完成零级封装的硅片上所有的MEMS器件都得到保护，那么硅片在后续的划片、取片和粘片等工序完全与现有的半导体封装工艺兼容。
实用新型内容本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种可制造性较高的MEMS热电堆红外探测器芯片。为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案一种MEMS热电堆红外探测器芯片，包括内芯片和位于内芯片上的红外滤窗，所述内芯片含有衬底，所述衬底设有正面、背面及自正面凹陷形成的空气腔体，所述空气腔体未贯穿衬底的背面，所述衬底正面设有支撑部和红外吸热层，所述红外吸热层位于支撑部和空气腔体内，其厚度大于支撑部且小于空气腔体，在所述支撑部上设有热电堆，所述衬底与红外吸热层分别形成热电堆的冷端与热端，所述热电堆包括由不同导电材料所制成的第一、第二导电层，所述第一、第二导电层通过其末端的第一、第二电极引出，所述第一、第二电极的顶部露出，所述热电堆是由与CMOS工艺相兼容的材料制成。为解决上述技术问题，本实用新型还可以采用如下技术方案包括内芯片和位于内芯片上的红外滤窗，所述内芯片含有衬底，所述衬底设有正面、背面及自正面凹陷形成的空气腔体，所述空气腔体未贯穿衬底的背面，所述衬底正面设有支撑部和红外吸热层，所述红外吸热层位于支撑部和空气腔体内，其厚度大于支撑部且小于空气腔体，在所述支撑部上设有热电堆，所述衬底与红外吸热层分别形成热电堆的冷端与热端，所述热电堆包括由不同导电材料所制成的第一、第二导电层，在所述衬底背面设有第一、第二焊接部，所述第一、第二焊接部分别通过电性连接于第一、第二导电层末端的第一、第二电极，所述热电堆是由与CMOS工艺相兼容的材料制成。作为本实用新型的进一步改进，上述第二种方案还可以(一)、在所述内芯片内设有贯穿衬底背面的第一、第二金属化孔，其中第一金属化孔内填充有导电材料以电性连接第一电极与第一焊接部，第二金属化孔内填充有导电材料以电性连接第二电极与第二焊接部。(二)、在所述衬底内形成具有一定坡度的第一、第二硅通孔，在此具有一定坡度的第一、第二硅通孔上淀积绝缘层，并在所述第一、第二硅通孔内将第一、第二电极与第一、第二焊接部电性连接，所述绝缘层内填充有绝缘材料。作为本实用新型的进一步改进，所述第一导电层淀积于支撑部上，所述内芯片还设有覆盖于第一导电层上的绝缘层，所述第二导电层淀积于所述绝缘层上，所述内芯片还设有覆盖于第二导电层上的钝化层。作为本实用新型的进一步改进，所述红外吸热层开设有细槽，所述细槽为“X”形或者圆弧形。作为本实用新型的进一步改进，所述热电堆是由P型与N型掺杂多晶硅而形成的、 或者是由P型掺杂多晶硅与铝而形成的。作为本实用新型的进一步改进，所述红外吸热层是由重掺杂P型硅或者N型硅而成的。[0018]作为本实用新型的进一步改进，所述红外滤窗与内芯片通过粘接材料粘结成一体。与现有技术相比，本实用新型至少具有如下有益效果通过将热电堆由与CMOS工艺相兼容的材料制成，与传统的金属薄膜、多孔黑金属以及薄膜堆叠形成的红外吸热层材料相比，本实用新型的MEMS热电堆红外探测器芯片具有可制造性较高。
图1为本发明MEMS热电堆红外探测器芯片的剖面示意图。图2A至图2E为本发明MEMS热电堆红外探测器芯片中内芯片的制造流程示意图。图3A为本发明MEMS热电堆红外探测器芯片中内芯片的立体示意图。图;3B为图3A的俯视示意图。图3C为部分切除图3A后的立体示意图。图4A至图4E为本发明MEMS热电堆红外探测器芯片的红外吸热层的不同图形示意图。图5为本发明MEMS热电堆红外探测器芯片的另一种实施方式的剖面示意图。图6为本发明MEMS热电堆红外探测器芯片的另一种实施方式的剖面示意图。
具体实施方式
请参图1所示，本发明揭示了一种MEMS热电堆红外探测器芯片20，其包括内芯片 20a、安装于内芯片20a顶部的红外滤窗20b、以及用以将红外滤窗20b粘合于内芯片20a上的粘接材料20c。在本发明图示的实施方式中，所述红外滤窗20b与内芯片20a在竖直方向上设有间隙4。所述红外滤窗20b不但可以起到透过红外光且过滤可见光的作用，还可以对内芯片20a进行机械保护。以下结合图2A至图2E及图3A至图3C，对用于本发明MEMS热电堆红外探测器芯片中的内芯片20a进行结构描述。所述内芯片20a含有衬底21，所述衬底21由硅制成。所述衬底21设有正面211、与正面211相对的背面212、及自衬底21的正面211凹陷形成的空气腔体25，所述空气腔体25未贯穿衬底21的背面212。在该衬底21的正面211设有支撑部23和红外吸热层M，该红外吸热层M位于支撑部23和空气腔体25内，其厚度大于支撑部23且小于空气腔体25，在所述支撑部23上设有热电堆22，所述衬底21与红外吸热层 24分别形成热电堆22的冷端与热端。所述支撑部23可以是支撑梁、或者支撑臂、或者支撑膜。在本发明图示的实施方式中，所述支撑部23支撑热电堆22并连接衬底21与红外吸热层M，红外吸热层M位于支撑部23的中部，热电堆22位于支撑部23的上侧。所述热电堆22包括由不同导电材料所制成的第一导电层22b与第二导电层22a， 其中，所述第一导电层22b淀积于支撑部23上(请参图2A所示)。另外，还设有覆盖于第一导电层22b上的绝缘层31 (请参图2B所示)，所述第二导电层2 淀积于所述绝缘层31 上(请参图2C所示)，在该绝缘层31上还设有覆盖于第二导电层2 上的钝化层32。所述第一导电层22b的材料及第二导电层22a的材料为两种不同的电导体或者半导体。请参图4A至图4E所示，红外吸热层M为包括但不限于圆形或者方形。所述红外吸热层M开设有细槽Ml，以便于采用湿法腐蚀工艺从正面对内芯片20a进行释放，并最终得到空气腔体25。在本发明图示的实施方式中，所述细槽241为“X”形或者圆弧形。当然，在其它实施方式中，细槽241也可以为其它任何形状。所述热电堆22是由与CMOS (互补金属氧化物半导体)工艺相兼容的材料制成，优选地，所述热电堆22是由P型与N型掺杂多晶硅而形成的、或者是由P型掺杂多晶硅与铝而形成的。所述红外吸热层M是由重掺杂P型硅或者N型硅形成，与传统的金属薄膜、多孔黑金属以及薄膜堆叠形成的红外吸热层材料相比，与CMOS工艺兼容的重掺杂P型硅或者 N型硅可制造性更高、工艺简单，而且与支撑部23的粘附性非常好。请参图1所示，在所述衬底背面212设有第一、第二焊接部351、352，所述第一、第二焊接部351、352分别电性连接于第一、第二导电层22b、2h末端的第一、第二电极331、 332，所述热电堆22是由与CMOS工艺相兼容的材料制成。在所述内芯片20a内设有贯穿衬底背面212的第一、第二金属化孔361、362，其中第一金属化孔361内填充有导电材料34以电性连接第一电极331与第一焊接部351，第二金属化孔362内填充有导电材料34以电性连接第二电极332与第二焊接部352，从而通过第一、第二焊接部351、352分布引出第一、第二电极331、332。在本发明图示的实施方式中，所述第一、第二焊接部351、352为焊球，使 MEMS热电堆红外探测器芯片20可直接适用于自动化表面贴装工艺。请参图5所示，在另一实施方式中，在所述衬底背面212设有第一、第二焊接部 351,352,同时在衬底21上设有一定坡度的第一、第二硅通孔371、372及淀积于第一、第二硅通孔371、372上的绝缘层51。所述具有一定坡度的第一、第二硅通孔371、372被绝缘材料53填平。位于衬底21背面212的第一、第二焊接部351、352与第一、第二电极331、332 电性连接，同样可以引出第一、第二电极331、332。请参图6所示，在另一实施方式中，该MEMS热电堆红外探测器芯片同样包括内芯片20a、安装于内芯片20a顶部的红外滤窗20b、用于将红外滤窗20b粘合于内芯片20a上的粘接材料20c，该内芯片20a也同样包括衬底21，所述衬底21设有正面221、背面212及自正面221凹陷形成的空气腔体25，所述空气腔体25未贯穿衬底20a的背面212，所述空气腔体25顶部由支撑部23和红外吸热层M密封，所述红外吸热层M位于支撑部23中部，在所述支撑部23上设有热电堆22，所述衬底21与红外吸热层M分别形成热电堆22的冷端与热端，所述热电堆22包括由不同导电材料所制成的第一、第二导电层22b、2h所述第一、 第二导电层22b、2h通过其末端的第一、第二电极331、332引出，所述第一、第二电极331、 332的顶部露出。请参图2A至图2E所示，本发明还揭示了上述MEMS热电堆红外探测器芯片20中内芯片20a的制造方法。该制造方法包括如下步骤Si，请参图2A所示，在由硅制成的衬底21上做扩散掩膜(未图示)进行浓硼扩散形成红外吸热层M，并将扩散掩膜去除，并随后在衬底21上淀积支撑部23。优选地，所述扩散掩膜为氧化硅或氮化硅。所述支撑部23是以热氧化工艺、或者低压气相外延(LPCVD) 工艺、或者等离子增强气相外延(PECVD)工艺而淀积于衬底21上的氧化硅、氮化硅、或者氧化硅与氮化硅的组合。S2，请参图2B所示，在支撑部23上形成热电堆22的第一导电层22a，并对所述第一导电层22b进行光刻及刻蚀，然后在第一导电层22b上淀积形成绝缘层31，该第一导电层22b末端为第一电极331。优选地，所述第一导电层22b是通过低压气相外延(LPCVD)工艺而形成的多晶硅，并且还利用了注入或者扩散工艺对该多晶硅进行了掺杂；所述绝缘层31 是以低压气相外延(LPCVD)工艺或者等离子增强气相外延(PECVD)工艺而形成的氧化硅、 氮化硅、或者氧化硅与氮化硅的组合。S3，请参图2C所示，在绝缘层31上形成热电堆22的第二导电层22a，并对所述第二导电层2 进行光刻及刻蚀，该第二导电层2 末端为第二电极332。所述第一导电层 22b与第二导电层2 是由不同的导电材料所制成的。所述支撑部23支撑热电堆22并连接衬底21与红外吸热层对。所述热电堆22是由与CMOS工艺相兼容的材料制成，优选地， 所述第二导电层2 是通过低压气相外延(LPCVD)工艺而形成的多晶硅，并且还利用了注入或者扩散工艺对该多晶硅进行了掺杂。在其它实施方式中，所述第二导电层2 也可以是通过蒸发或者溅射形成的金属。S4，请参图2D所示，在第二导电层2 上淀积形成覆盖在第二导电层2 上的钝化层32。优选地，所述钝化层32是以低压气相外延(LPCVD)工艺或者等离子增强气相外延 (PECVD)工艺而形成的氧化硅、氮化硅、或者氧化硅与氮化硅的组合。S5，请参图2E所示，采用湿法腐蚀工艺从正面对内芯片20a进行释放以在衬底21 的正面211形成密封的空气腔体25，所述空气腔体25位于支撑部23及红外吸热层M的底部。优选地，利用四甲基氢氧化铵(TMAH)腐蚀液从正面对内芯片20a进行释放，此腐蚀液可以腐蚀轻掺杂的硅，而对重掺杂的硅、氧化硅和氮化硅以及铝具有较慢的腐蚀速率。请参图4A至图4E所示，由于所述红外吸热层M开设有细槽对1，从而加快了湿法腐蚀工艺的速度。采用湿法腐蚀工艺从正面对内芯片20a进行腐蚀，具有释放时间短、芯片尺寸较小、成品率高、工艺简单等诸多优点。请参图1所示，为了制作出具有上述MEMS热电堆红外探测器芯片20，需要在内芯片20a制作完成后继续进行如下步骤Al，通过低温键合技术，在内芯片20a的顶部粘接红外滤窗20b，其中所述内芯片 20a与红外滤窗20b通过粘接材料20c粘接在一起。所述粘接材料20c为包括但不限于有机物、或者玻璃粉、或者金属合金等。Al，通过硅通孔TSV工艺将正面的第一、第二电极331、332通过导电材料34引出， 并在衬底21的背面212形成分别与第一、第二电极331、332电性连接的第一、第二焊接部 351、352。优选地，所述第一、第二焊接部351、352为焊球，使MEMS热电堆红外探测器芯片 20可直接适用于自动化表面贴装工艺。最后，切割划分成单个的MEMS热电堆红外探测器芯片20。由于释放后的MEMS热电堆红外探测器芯片20含有很多脆弱的悬浮结构，不能承受传统划片工艺中的去离子水的冲击。此外，切割过程中产生的硅渣也会损坏已经释放的MEMS热电堆红外探测器芯片 20。本发明优选的切割方案为激光隐形切割技术，此技术利用非接触的激光，从而不产生污染物。请参图6所示，上述步骤Al也可以由如下步骤代替，即在步骤Al之后，在所述衬底21上形成具有一定坡度的第一、第二硅通孔371、372，在此具有一定坡度的第一、第二硅通孔371、372上淀积绝缘层51，并在绝缘层51上淀积分别与第一、第二导电层22b、22a电性连接的第一、第二电极331、332，随后利用绝缘材料53将具有一定坡度的第一、第二硅通孔371、372填平，最后在衬底21的背面212形成分别与第一、第二电极331、332电性连接的第一、第二焊接部351、352，同样可以引出第一、第二电极331、332。优选地，所述第一、第二焊接部351、352为焊球，使MEMS热电堆红外探测器芯片20可直接适用于自动化表面贴装工艺。所述绝缘材料53例如但是不局限于制造印刷电路板工艺中的阻焊绝缘材料。本发明MEMS热电堆红外探测器芯片20的制造方法中所提到的晶圆级封装技术可一次性解决MEMS晶圆切割、MEMS芯片拾取及固晶等诸多工艺难点及克服封装尺寸太大、封装效率低等封装缺点，从而具有封装尺寸更小，封装效率更高，价格更低，与半导体传统封装工艺更兼容等诸多优点。综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，不应以此限制本发明的范围，即凡是依本发明权利要求书及发明说明书内容所作的简单的等效变化与修饰，皆应仍属本发明专利涵盖的范围内。
权利要求1.一种MEMS热电堆红外探测器芯片，其特征在于所述MEMS热电堆红外探测器芯片包括内芯片(20a )和位于内芯片(20a )上的红外滤窗(20b )，所述内芯片(20a )含有衬底 (21)，所述衬底(21)设有正面(221)、背面(212)及自正面(221)凹陷形成的空气腔体(25)， 所述空气腔体(25)未贯穿衬底(20a)的背面(212)，所述衬底(21)正面(221)设有支撑部 (23)和红外吸热层(24)，所述红外吸热层(24)位于支撑部(23)和空气腔体(25)内，其厚度大于支撑部(23 )且小于空气腔体(25 )，在所述支撑部(23 )上设有热电堆(22 )，所述衬底 (21)与红外吸热层(24)分别形成热电堆(22)的冷端与热端，所述热电堆(22)包括由不同导电材料所制成的第一、第二导电层(22b)、(2 )，所述第一、第二导电层(22b)、(22a)通过其末端的第一、第二电极(331)、(332)引出，所述第一、第二电极(331)、(332)的顶部露出，所述热电堆(22 )是由与CMOS工艺相兼容的材料制成。
2.—种MEMS热电堆红外探测器芯片，其特征在于所述MEMS热电堆红外探测器芯片包括内芯片(20a )和位于内芯片(20a )上的红外滤窗(20b )，所述内芯片(20a )含有衬底 (21)，所述衬底(21)设有正面(221)、背面(212)及自正面(221)凹陷形成的空气腔体(25)， 所述空气腔体(25)未贯穿衬底(20a)的背面(212)，所述衬底(21)正面(221)设有支撑部 (23)和红外吸热层(24)，所述红外吸热层(24)位于支撑部(23)和空气腔体(25)内，其厚度大于支撑部(23 )且小于空气腔体(25 )，在所述支撑部(23 )上设有热电堆(22 )，所述衬底(21)与红外吸热层(24)分别形成热电堆(22)的冷端与热端，所述热电堆(22)包括由不同导电材料所制成的第一、第二导电层(22b)、(2 )，在所述衬底背面(212)设有第一、第二焊接部(351)、(352)，所述第一、第二焊接部(351)、(352)分别通过电性连接于第一、第二导电层(2沘)、(22a)末端的第一、第二电极(331)、(332)，所述热电堆(22)是由与CMOS工艺相兼容的材料制成。
3.如权利要求2所述的MEMS热电堆红外探测器芯片，其特征在于在所述内芯片 (20a)内设有贯穿衬底背面(212)的第一、第二金属化孔(361) (362)，其中第一金属化孔 (361)内填充有导电材料(34)以电性连接第一电极(331)与第一焊接部(351)，第二金属化孔(362)内填充有导电材料(34)以电性连接第二电极(332)与第二焊接部(352)。
4.如权利要求2所述的MEMS热电堆红外探测器芯片，其特征在于在所述衬底(21)内形成具有一定坡度的第一、第二硅通孔(371)、(372)，在此具有一定坡度的第一、第二硅通孔(371)、(372)上淀积绝缘层(51)，并在所述第一、第二硅通孔(371)、(372)内将第一、第二电极(331)、(332)与第一、第二焊接部(351)、(352)电性连接，所述绝缘层(51)内填充有绝缘材料(53)。
5.如权利要求1或2所述的MEMS热电堆红外探测器芯片，其特征在于所述第一导电层(22b)淀积于支撑部(23)上，所述内芯片(20a)还设有覆盖于第一导电层(22b)上的绝缘层(31)，所述第二导电层(2 )淀积于所述绝缘层(31)上，所述内芯片(20a)还设有覆盖于第二导电层(22a)上的钝化层(32)。
6.如权利要求1或2所述的MEMS热电堆红外探测器芯片，其特征在于所述红外吸热层(24)开设有细槽(241)，所述细槽(241)为“X”形或者圆弧形。
7.如权利要求1或2所述的MEMS热电堆红外探测器芯片，其特征在于所述热电堆(22)是由P型与N型掺杂多晶硅而形成的、或者是由P型掺杂多晶硅与铝而形成的。
8.如权利要求1或2所述的MEMS热电堆红外探测器芯片，其特征在于所述红外吸热层(24)是由重掺杂P型硅或者N型硅而成的。
9.如权利要求1或2所述的MEMS热电堆红外探测器芯片，其特征在于所述红外滤窗与内芯片(20a)通过粘接材料(20c)粘结成一体。
专利摘要本实用新型涉及一种MEMS热电堆红外探测器芯片，包括内芯片和位于内芯片上的红外滤窗，内芯片含有衬底，衬底设有正面、背面及自正面凹陷形成的空气腔体，空气腔体未贯穿衬底的背面，正面设有支撑部和红外吸热层，红外吸热层位于支撑部和空气腔体内，其厚度大于支撑部且小于空气腔体，在支撑部上设有热电堆，衬底与红外吸热层分别形成热电堆的冷端与热端，热电堆包括由不同导电材料所制成的第一、第二导电层，第一、第二导电层通过其末端的第一、第二电极引出，所述第一、第二电极的顶部露出，热电堆是由与CMOS工艺相兼容的材料制成，该MEMS热电堆红外探测器芯片具有可制造性较高。
文档编号B81B3/00GK202195888SQ201120253189
公开日2012年4月18日 申请日期2011年7月18日 优先权日2011年7月18日
发明者李刚, 桑新文 申请人:苏州敏芯微电子技术有限公司