IR热电堆检测器阵列的制作方法

本公开涉及红外(ir)检测器，特别地但非排他地，涉及微机械ir检测器阵列。

背景技术：

微机械热红外(ir)探测器是一种成熟的技术，并且通常基于热电堆、辐射热测量计、热释电探测器或甚至二极管。这些通常包括与基板热绝缘的结构(例如膜或微桥)，其由于入射ir辐射而加热，并且使用各种方法来检测温度的这种变化。

微机械红外(ir)热电堆检测器通常包括串联连接的多个热电偶，其中它们的热接点(感测接点)嵌入在膜或任何其他热隔离结构(例如，桥、悬臂等)内，并且它们的冷接点(参考接点)位于膜或任何其他热隔离结构的外部。

每个热电偶通过将两种不同的材料(即热电偶腿)连接在一起而形成。另外，ir热电堆检测器包括将热电堆正端和负端连接到相应的芯片上pad的两个电连接(即，金属轨道)。因此，ir热电堆检测器的特征在于两个输出，并且将需要具有至少两个引线的封装，或者用于外部连接的任何其它装置。在ir热电堆检测器阵列的情况下，输出的数目将与形成阵列的热电堆检测器的数目成比例。对于包括n个热电堆的阵列的一般情况，输出的数量将是2n。

具有大量输出是不期望的，因为它对以下方面有影响：

i)芯片上pad的数量，导致更大的占用面积，并因此导致更高的成本；

ii)接合线的数量，以及相关成本和可能出现的可靠性问题；以及

iii)封装引线的数量，或任何其它用于外部连接的装置，以及相关的成本和封装尺寸。

此外，在一些应用中，对来自形成ir探测器阵列的每个单个ir探测器的绝对输出没有兴趣，但是对差分输出(即，来自不同热电堆的输出之间的差异)感兴趣。

已经报道了ir热电堆检测器的许多设计。

例如，在a.deluca等中，“无过滤器非色散红外气体检测：概念证明”，在微机电系统(mems)，在2017年第1220-1223页，2017ieee第30届国际会议，呈现了包括具有定制的光学属性的两个ir热电堆检测器的ir检测器阵列，并且感兴趣的量是与co2浓度相关的两个热电堆的输出之间的差。

graf等“用于红外检测的微机械热电堆的回顾”meas.sci.技术.18(2007)r59-r75评述了通常在膜上的几个基于热电堆的ir检测器。

通常，整个热隔离区域被认为是感测区域，但是在一些情况下，感测区域被定义为包括ir吸收层的热绝缘结构的区域的一部分。在a.deluca等中，“使用原位生长的碳纳米管的增强光谱气体传感器”，应用物理快报2015年第194101期第106卷，感应区是碳纳米管生长的区域，在an等人的us9214604b2中，感应区是等离子体结构所处的区域。

如何制造ir检测器阵列也是公知的。例如hirota等的“用cmos技术制造的120×90元件热电堆阵列”，spie会议论文集2003年第4820卷第239-249页描述了热电堆ir探测器的阵列，其中，每个ir探测器像素是单独的正面蚀刻膜。

sarro等的“集成热红外感测阵列”，传感器和致动器14(1998)第191-201页描述了一种线性8元件热电堆阵列，其中每个ir检测器在悬臂结构上。琼斯等“具有光学读出器的mems热像仪”，传感器和致动器a155(2009)第47-57页描述了二维阵列，其中每个检测器在悬臂上。

foote等“高性能微机械热电堆线性阵列”，spie的1998年第3379卷第192-197页，描述了在一种线性阵列，其中每个热电堆ir检测器在微桥上。

calaza等的“用于使用标准cmos技术制造的低成本应用的非冷却红外焦平面阵列”，传感器和致动器a132(2006)第129-138中描述了一种二维ir检测器阵列，其中每个检测器位于悬置膜/微桥结构上。

kanno等的“具有128×128热电堆检测器元件的未冷却红外焦平面阵列”，spie第2269卷第450-459页，描述了一种128×128ir检测器阵列，其中每个元件在悬置膜/膜片。us7842922描述了一种基于热电堆的ir检测器阵列，其中每个元件在膜上。

技术实现要素：

没有关于包括至少一个在两个不同ir感应区域之间桥接的热电偶腿的ir探测器阵列的报道。基于这种方法的布置导致输出的减少并且直接提供差分输出。

本公开涉及微机械加工的红外(ir)检测器，尤其涉及包括桥接在两个不同的ir感测区域之间的至少一个热电偶臂(或腿)的ir热电堆检测器阵列。该方法允许减少ir热电堆检测器阵列输出的数量，并且直接提供差分输出。

现有技术水平的ir探测器阵列基于用于寻址形成阵列的每个单个热电堆的电路和用于数据详细处理(例如差分输出提取)的电路块。电子器件可以在芯片上或者在芯片外部(例如在单独的asic上、在pcb上)。

本公开提出通过使用差分热电堆布置来克服现有技术检测器中的问题，由此差分输出是感兴趣的量。

在本公开中，我们提出了不同的热电堆布置以减少输出的数量并且直接获得差分输出而不需要电路块。这可以通过适当地彼此连接两个或多个热电堆、通过具有桥接在两个不同ir感应区域之间(或两个膜区域之间)的至少一个热电偶腿来实现。

与现有技术水平的ir设备相比，通过提供差分输出，这里公开的设备将具有以下优点：

i)通过减少热电堆输出的数量并因此减少连接焊盘的数量来减少芯片面积；

ii)降低与芯片面积以及具有减少数量的输出的芯片的组装和封装相关的成本；

iii)降低系统复杂性，因为ir检测器阵列可以直接提供差分输出而无需任何附加电路块；

iv)根据设计，可以实现灵敏度/噪声折衷方面的进一步益处。

根据本公开的一个方面，提供了一种红外(ir)检测器，包括：衬底，其包括至少一个蚀刻部分和衬底部分；设置在所述衬底上的电介质层，其中，所述电介质层包括至少一个电介质膜，并且其中，所述至少一个电介质膜与所述衬底的所述蚀刻部分相邻，第一感测区域和第二感测区域均位于电介质膜内；以及多个热电偶，其中至少一个热电偶包括第一和第二热接点，并且其中第一热接点位于第一感测区域中或第一感测区域上，并且第二热接点位于第二感测区域中或第二感测区域上。

这具有提供差分输出的优点，因为两个热接点都用于感测。两个接点都位于感测区域内的热电偶可以被认为不具有位于感测区域外部的冷接点，而是具有位于一个感测区域中的热接点和位于第二感测区域中的相对较不热的接点。

可以通过蚀刻将电介质膜与衬底热隔离。可以通过使用衬底的深反应离子蚀刻(drie)的回蚀刻来形成该膜，这导致垂直侧壁。也可以使用各向异性蚀刻，如koh(氢氧化钾)或tmah(氢氧化四甲铵)，进行回蚀刻，这导致侧壁倾斜。该膜还可以通过前侧蚀刻形成，以产生由至少两个或更多梁支撑的悬置膜结构。

介电膜区域可以是直接位于衬底的蚀刻部分的顶部上的膜的区域。

所述至少一个热电偶可以包括第一材料的第一臂(或腿)和第二材料的第二臂(或腿)，其中第一材料和第二材料是不同的材料。

热电偶材料可以包括金属，例如铝、铜、钨、钛或它们的组合、掺杂多晶硅(n或p型)或掺杂单晶硅(n或p型)。如果两种材料都是多晶硅和/或单晶硅，则可以使用金属连接以形成热电偶材料之间的结。

至少一个臂可以在第一感测区域和第二感测区域之间延伸。这允许热电偶的两个热接点都形成在感测区域内。有利地，这直接提供了差分输出。

至少一个臂可以形成第一感测区域和第二感测区域之间的桥。这允许热电偶的两个热接点都形成在感测区域内。有利地，这直接提供了差分输出。

位于第一和第二感测区域中的至少一个热电偶可以提供与在第一感测区域中感测的ir辐射和在第二感测区域中感测的ir辐射之间的差成比例的输出。这减少了热电堆输出的数量。有利地，这提供了芯片面积、连接焊盘的数量、成本和系统复杂性的减小。

优选地，至少一个臂可以包括连接臂的两个侧部的金属部分。换句话说，热电偶臂的一部分可以用金属连接件代替。金属部分可以连接到两个侧部，两个侧部都包括彼此相同的材料。金属部分减小了臂的电阻和热电堆的总电阻。

第一感测区域和第二感测区域可以各自位于单独的电介质膜中。这使两个感测区域彼此热隔离。

可选地，红外探测器还可以包括具有位于电介质膜外部的热接点的另一热电偶。换句话说，红外探测器可以包括至少两个热电偶，其具有位于独立的感测区域中的连接在一起的热的热接点。两个热电堆可以通过热电偶臂(或腿)连接在两个不同的感测区域之间，其中每个热电堆包括具有在感测区域内的热接点的热电偶以及具有在感测区域外的冷接点的至少一个热电偶。

第一感测区域和第二感测区域可以各自位于单个介电膜中。换句话说，两个感测区域可以位于相同的电介质膜内。在两个感测区域之间的介电薄膜部分的下方可以没有衬底部分。这导致更小的芯片尺寸和更低的成本。

可选地，所述红外探测器还可以包括在所述单个介电膜内的所述第一和所述第二感测区域之间的热桥。热桥将单个介电膜内的两个感测区域彼此热隔离。热桥可以比膜更导热。热桥可以用作散热器。热桥可以被配置成使得其不与衬底直接接触。

第一热接点可以与第二热接点热隔离，并且第一热接点可以与基板热隔离，并且第二热接点可以与基板热隔离。

第一热接点和第二热接点可以与基板热隔离。

优选地，第一感测区域和第二感测区域可以具有不同的ir感测属性。

所述红外探测器还可以包括在所述第一感测区域和所述第二感测区域之一上方的红外感测层。红外感测层可以包括等离子体层。

红外感测层可以包括至少一个等离子体结构。等离子体层或至少一个等离子体结构可以被配置为定制(优化)其下方的ir探测器的光学性质。

有利地，等离子体结构或层可以改善在优选波长下的吸收率或滤除特定的不想要的波长或波长带。等离子体结构可以由诸如钨、铝、铜、钛、钼、金或铂的金属、硅化物或多晶硅或单晶硅制成，并且可以在横向方向上周期性地重复。所述结构可以是圆形、椭圆形、矩形、梯形或任何其它形状或不同形状的组合。所述结构可以是这些形状的点或层内的这些形状的孔。重复图案可以是六边形或正方形。该结构可以在多于一层中。

可选地，多个热电偶可以被连接以形成单个热电堆。多个热电偶中的一些或全部可以包括在第一感测区域和第二感测区域之间延伸的一个或两个热电偶臂。在第一感测区域和第二感测区域之间延伸的每个热电偶直接提供差分输出。

热电堆的每个端部可以使用硅通孔(tsv)连接到电路。

红外探测器还可以包括在多个热电偶之间的金属连接。

根据本公开的另一方面，还提供了一种红外探测器阵列器件，其包括如上所述的多个ir探测器的二维阵列。

根据本公开的另一方面，还提供了一种制造红外探测器的方法，所述方法包括：

形成包括至少一个蚀刻部分和衬底部分的衬底；

形成设置在所述衬底上的电介质层，其中，所述电介质层包括至少一个电介质膜，并且其中，所述至少一个电介质膜与所述衬底的所述被蚀刻部分相邻，

在电介质膜中形成第一感测区域和第二感测区域；以及

形成多个热电偶，其中至少一个热电偶包括第一和第二热接点，并且其中第一热接点位于第一感测区域中或第一感测区域上，并且第二热接点位于第二感测区域中或第二感测区域上。

附图说明

现在将仅通过示例的方式并参考附图来描述本公开的一些优选实施例，其中：

图1示出了常规(现有技术)ir热电堆检测器(1×2)阵列的截面，其中每个ir热电堆检测器具有定制的光学属性；

图2示出了常规(现有技术)ir热电堆检测器(1×2)阵列的顶视图，其中每个ir热电堆检测器具有定制的光学属性；

图3示出了示例性ir热电堆检测器(1×2)阵列的顶视图，其中两个热电堆使用桥接在两个不同感测区域(或膜区域)之间的热电偶腿而结合在一起；

图4示出了ir热电堆检测器(1×2)阵列的顶视图，其中每个热电偶具有与衬底热隔离的两个接点；

图5示出了ir热电堆检测器(1×2)阵列的截面，其中每个热电偶具有与衬底热隔离的两个接点；

图6示出ir热电堆检测器(1×2)阵列的顶视图，其中另外的金属连接用于接合热电偶；

图7示出了ir热电堆检测器(1×2)阵列的顶视图，其中两个感测区域借助于热桥而彼此热隔离；

图8示出了ir热电堆检测器(1×2)阵列的截面，其中两个感测区域借助于热桥而彼此热隔离；以及

图9示出了概述ir检测器的制造方法的示例性流程图。

具体实施方式

一般而言，本公开涉及微机械红外(ir)检测器，其包括至少一个在两个不同ir感测区域之间桥接的热电偶腿。该方法允许减少ir热电堆检测器阵列输出的数量，并且直接提供差分输出。

附图中给出了该装置的一些示例。

图1示出了常规(现有技术)ir热电堆检测器(1×2)阵列的截面，其中每个ir热电堆检测器具有定制的光学属性。红外(ir)检测器阵列包括由具有两个蚀刻部分的半导体衬底1支撑的两个电介质膜。包括两个ir热电堆检测器的ir热电堆检测器阵列形成在电介质层2内，其中每个ir热电堆检测器形成在一个电介质膜12上或其内。在电介质层2的顶部形成钝化层3。每个热电堆包括若干热电偶，每个热电偶具有嵌入在膜(感测)区域12内的热接点和嵌入在膜区域12外部的冷接点。每个热电偶由两种不同的材料4和5连接而成，材料可以是p型或n型多晶硅或晶体硅，并由金属6连接在一起，或者，热电堆材料也可以是金属，如铝、钨、铜或钛。每个热电堆端部经由金属连接8连接到pad7，或者每个热电堆端部可以经由硅通孔(tsv)(这里未示出)连接到衬底1底部的pad。还可存在ir感应层，且所述ir感测层界定小于整个膜区域的ir感测区域。ir感应层还可以是等离子体层9的形式(即，结构的空间周期性布置)，其被配置为调整其下方的ir热电堆检测器的光学属性。等离子体层9还可以在膜内或膜下。

图2示出了常规(现有技术)ir热电堆检测器(1×2)阵列的顶视图，其中每个ir热电堆检测器具有定制的光学属性。图2的装置的许多特征与图1中的那些特征相同，因此使用相同的附图标记。红外(ir)检测器阵列包括由具有两个蚀刻部分的半导体衬底(在顶视图中未示出)支撑的电介质层2。包括两个ir热电堆检测器的ir热电堆检测器阵列形成在电介质膜区域12内，其中每个ir热电堆检测器形成在一个电介质膜区域12上或内。每个热电堆包括几个热电偶，其具有嵌入在膜(感测)区域12内的热接点和嵌入在膜区域外部的冷接点。每个热电偶由两种不同的材料4和5连接而成，材料可以是p型或n型多晶硅或晶体硅，材料之间用金属6连接。可选地，热电堆材料还可以是金属，例如铝、钨、铜或钛。每个热电堆端部经由金属连接8连接到pad7，或者每个热电堆端部可以经由硅通孔(tsv)连接到衬底底部处的pad。还存在ir感应层，其限定了小于整个膜区域12的ir感应区域，该ir感应层还可以是等离子体层9的形式(即，结构的空间周期性排列)，其被配置为定制其下面的ir热电堆检测器的光学属性。等离子体层9还可以在膜12内或下方。

图3示出了根据本公开的一个实施例的示例性ir热电堆检测器(1×2)阵列的顶视图。红外(ir)检测器阵列14包括由半导体衬底(在顶视图中未示出)支撑的电介质层2，该半导体衬底具有两个蚀刻的空腔部分。应该理解，电介质层具有两个电介质膜区域12a、12b。一般而言，一个电介质膜区域12a、12b位于紧邻衬底的蚀刻部分。电介质膜区域12a、12b对应于衬底的空腔上方的区域。如图3所示的膜区域12a、12b的限定可应用于下面描述的其余实施方案和附图中。

两个ir热电堆检测器的阵列形成在电介质层2内，其中每个ir热电堆检测器形成在一个电介质膜12a、12b上或内。在本实施方式中，矩形区域12a、12b是形成在电介质层2内的电介质膜区域。每个热电堆由若干热电偶形成。每个热电偶由两种不同的材料4和5连接而成，材料可以是p型或n型多晶硅或晶体硅，并由金属6连接在一起，或者，热电堆材料也可以是金属，如铝、钨、铜或钛。

两个热电堆通过在两个不同感测区域(或膜区域12a、12b)之间桥接的热电偶臂11互连，以形成单个热电堆。第一感测(膜)区域12a上的热电堆的部分具有第一感测区域(第一膜区域12a)内的热接点和第一膜区域12a外部的冷接点，并且第二感测(膜)区域12b上的热电堆的部分也具有第二膜区域12b外部的冷接点和第二膜(感测)区域12b内的热接点。然而，热电偶臂11在两个感测区域之间延伸。该热电偶具有在第一感测区域12a内的第一热接点和在第二感测区域12b内的第二热接点。该热电偶不具有位于电介质膜区域外部的两个热接点中的任一个。

热电堆的剩余两端经由金属连接8连接到pad7。pad可以在衬底1的底部并且由热电堆经由硅通孔(tsv)访问。

每个感测区域内的热电偶具有定制的光学特性。如图所示接合以形成单个热电堆的两个热电堆直接提供差分输出。ir感应层是等离子体层9的形式(即，结构的空间周期性布置)，其被配置为调整其下方的ir热电堆检测器的光学属性。等离子体层也可以在膜12之内或之下。

图4示出了可替换的ir热电堆检测器(1×2)阵列的顶视图，其中每个热电偶具有与衬底热隔离的两个接点。图4的检测器14的许多特征与图3中的那些特征相同，因此使用相同的附图标记。热电偶阵列形成在电介质层内，其中热电偶阵列桥接在两个不同的膜(感测)区域12a、12b之间以形成单个热电堆。在该实施例中，每个热电偶腿(或臂)4、5桥接在两个电介质膜区域12a、12b之间，并且具有与衬底1热隔离的两个接点。每个热电偶由两种不同的材料4和5连接而成，材料可以是p型或n型多晶硅或晶体硅，并由金属6连接在一起，或者，热电堆材料也可以是金属，如铝、钨、铜或钛。热电堆的两端经由金属连接8连接到pad7，pad可以在衬底1的底部并且由热电堆经由硅通孔(tsv)(这里未示出)来访问。

热电堆的第一类型的热接点形成在一个电介质膜区域12a内，并且第二类型的热接点形成在其他的电介质膜区域12b内。在该实施例中，在衬底上没有热接点。感测区域具有定制的光学特性。热电堆直接提供差分输出。ir感测层是等离子体层9的形式(即，结构的空间周期性布置)，其被配置为调整其下方的ir检测器的光学性质。等离子体层9也在第二膜区域12b之内或之下。

图5示出了ir热电堆检测器(1×2)阵列的截面，其中每个热电偶具有与衬底热隔离的两个接点。图5的检测器14的许多特征与图3中的那些特征相同，因此使用相同的附图标记。类似于图4，热电偶阵列形成在电介质层2内，使得热电偶阵列桥接在两个不同的感测区域12a、12b之间以形成单个热电堆。在该实施例中，每个热电偶腿(或臂)4、5桥接在两个电介质膜区域12a、12b之间，并且具有与衬底1热隔离的两个接点。每个热电偶通过连接两种不同的材料4和5而形成。材料可以是p型或n型多晶硅或晶体硅，并由金属6连接在一起。或者，热电堆材料也可以是金属，如铝、钨、铜或钛。热电堆的两端经由金属连接(为了简单起见，图中未示出)连接到pad。pad可以在衬底1的底部处并且由热电堆经由硅通孔(tsv)来访问。热电堆直接提供差分输出。ir感测层是等离子体层9的形式(即，结构的空间周期性布置)，其被配置为调整其下方的感测区域的光学特性。等离子体层9也在膜12b之内或之下。在该实施例中，ir热电堆检测器阵列包括一个热电堆，该热电堆具有桥接在两个不同感测(膜)区域12a、12b之间的所有热电偶腿，并且因此直接提供差分输出。

图6示出了替代的ir热电堆检测器(1×2)阵列的顶视图，其中在热电偶之间形成另外的金属连接。图6的检测器14的许多特征与图3中的那些特征相同，因此使用相同的附图标记。在电介质层2内形成热电偶阵列，使得热电偶阵列桥接在两个不同的感测区域12a、12b之间以形成单个热电堆。每个热电偶具有与衬底(这里未示出)热隔离的两个接点。

在该实施例中，为了减小与热电堆相关联的总电阻以及由此的噪声，还使用另外的金属连接13来连接不同的热电偶。一般而言，图6的ir热电堆检测器阵列包括一个热电堆，该热电堆具有桥接在两个不同感测区域12a、12b之间的所有热电偶腿，并且因此直接提供差分输出，由此用金属连接替换部分热电偶腿以减小热电堆的总电阻。

图7示出了替代的ir热电堆检测器(1×2)阵列的顶视图，其中，两个感测区域借助于热桥而彼此热隔离。图7的检测器14的许多特征与图3中的那些特征相同，因此使用相同的附图标记。然而，两个感测区域12a、12b都位于单个电介质膜内。换句话说，在衬底中仅存在一个蚀刻部分，并且形成一个电介质膜区域，并且感测区域12a、12b两者都位于单个电介质膜内。热电偶阵列形成在电介质层内，使得热电偶阵列桥接在两个不同的感测区域12a、12b之间，并且形成单个热电堆。

在本实施例中，两个感测(膜)区12a、12b通过热桥10彼此热隔离，两个感测(膜)区12a、12b都形成在相同的电介质膜区域内。热桥10通常使用一层或多层金属、硅、多晶硅形成。换句话说，每个热电偶具有与衬底1热隔离并且彼此热隔离的两个接点。两个感测区域12a、12b由嵌入在膜内的热桥10分离，该膜充当散热器。热桥10允许每个感测区域12a、12b之间的隔离。概括地说，图7的ir热电堆检测器阵列包括一个热电堆，该热电堆具有在相同电介质膜的两个不同感测区域12a、12b之间桥接的所有热电偶腿，并且因此直接提供差分输出。

图8示出了ir热电堆检测器(1×2)阵列的截面，其中两个感测区域借助于热桥而彼此热隔离。图8的检测器14的许多特征与图3中的那些特征相同，因此使用相同的附图标记。类似于图7，热电偶阵列形成在电介质层内，使得热电偶阵列桥接在两个不同的感测区域12a、12b之间，并且形成单个热电堆。

在本实施例中，两个感测(膜)区域12a、12b通过热桥10彼此热隔离，两个感测区域12a、12b可以都形成在相同的电介质膜区域内。热桥10可以使用一层或多层金属、硅、多晶硅形成。换句话说，每个热电偶具有与衬底1热隔离并且彼此热隔离的两个结。图8的ir热电堆检测器阵列包括一个热电堆，该热电堆具有在相同膜的两个不同感测区域12a、12b之间桥接的所有热电偶腿，并且因此直接提供差分输出。

应当理解，该装置不限于(1×2)阵列，并且可以扩展到包括多于两个膜或感测区域的ir检测器阵列。

图9示出了概述ir检测器的制造方法的示例性流程图。

附图标记列表：

1.半导体衬底

2.电介质层

3.钝化层

4.第一热电偶材料

5.第二热电偶材料

6.连接金属

7.pad

8.金属连接

9.等离子体层

10.热桥

11.热电偶腿

12.电介质膜区域/感测区域

12a.第一感测区域

12b.第二感测区域

13.金属连接

14.ir检测器

本领域技术人员将理解，在前述描述和所附权利要求中，参考装置的概念性图示，例如示出标准横截面透视图的那些和在附图中示出的那些，做出诸如“上方”、“重叠”、“下方”、“侧向”等的位置术语。这些术语是为了便于参考而使用，而不是为了限制。因此，这些术语应被理解为涉及处于如附图中所示的取向的装置。

尽管已经根据如上所述的优选实施例描述了本公开，但是应当理解，这些实施例仅是说明性的，并且权利要求不限于这些实施例。本领域技术人员将能够根据本公开进行修改和替换，这些修改和替换被认为落入所附权利要求的范围内。本说明书中公开或示出的每个特征可以单独地或以与本文公开或示出的任何其它特征的任何适当组合并入本公开。