专利名称：热电堆传感器及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种热电堆传感器以及该热电堆传感器的制造方法。
背景技术：
热电堆传感器用作红外传感器并且能够在半导体衬底上微机械制造。 它们尤其作为光谱的气体传感器例如用在汽车领域以及例如也用在具有图 像分辨功能的红外照相机中。
在热电堆传感器中，通常在薄膜上构成热电偶的串联电路，其中每个 热电偶具有两个相互间在薄膜上在热接触方面接触的热电极或者说由具有 不同塞贝克系数的材料构成的热电极。热电极的常见材料对是硅和铝或者P
硅和n硅(p掺杂的和n掺杂的硅)，以及例如铋一碲基的材料系。
热电偶的接触位置取决于入射的红外辐射而变热。为此一般在薄膜的 上侧面上施加吸收层或吸收剂层，它在重要的波长范围中具有良好的吸收 特性。在此例如发生含钌的电阻膏、黑金涂层、黑锒涂层或其它吸收剂材 料的吸收。
但这类吸收剂材料一般不能在CMOS生产线中使用。 辐射传感器的特性一般都通过探测器电压Vth与入射功率的比例来描 述。因此以下式得到探测器的电压灵敏度S
S
其中a是热电堆的吸收率，t是辐射路径的透射率，N是热元件的数量， AT是热电堆的冷端与热端之间的温度差。在此(as,a—as,"是材料对a b
的组合的塞贝克系数。此外Tth是热时间常数，它描述探测器对以频率o)调
制的辐射强度的响应特性，G是热传导能力。
因此，吸收率a a)明显确定射线探测器的灵敏度，通常是波长X的 函数并且根据所使用的材料不同可以达到99%，例如在使用含钌的电阻膏 时。尤其在使用含钌的电阻膏时缺陷在于制造过程，其中首先通过供给各 个膏滴将膏施加到对应的传感器薄膜上并且在加热步骤中使膏固化，其中膏的有机组成部分被排出。该制造过程非常费事和昂贵并且与常见的
CMOS生产设备不兼容。例如黑金或黑银涂层的缺陷同样在于，这些材料 不与CMOS生产线的制造过程兼容。
发明内容
根据本发明，提出一种用于探测测量波长范围内的红外辐射的热电堆 传感器，它具有传感器衬底，在该传感器衬底中构成了空穴，在传感器 衬底上在空穴上方构成的薄膜，至少一个在薄膜上面、内部或下面构成的 热电堆结构，所述热电堆结构具有至少一个由两个相互触头接通的热电极 组成的热电偶，其中，这两个热电极由具有不同塞贝克系数的掺杂的半导 体材料构成，至少一个在热电极之间构成的隔绝的中间层，其中，在下面 的该空穴的上方构成一个层系，该层系至少包括所述两个热电极并且至少 包括所述隔绝的中间层，并且，该层系对于测量波长范围内的红外辐射在 吸收部分红外辐射和至少部分地减少反射的情况下形成多射线干涉。
根据本发明，还提出一种用于制造热电堆传感器的方法，至少具有下
面的步骤在传感器衬底上构成薄膜和必要时构成其它层，在构成自由支 承的、具有薄膜和所述其它层的多层结构的情况下，在传感器衬底中在薄 膜和所述其它层下方构成下面的空穴，其中，所述层系具有至少一个由掺 杂的半导体材料制成的第一热电极和至少一个由掺杂的半导体材料制成的 第二热电极和至少一个将这些热电极分开的第一隔绝中间层和一个上隔绝 层，借助真空密封的连接在自由支承的层结构和所述下面的空穴的上方将
罩形衬底固定在传感器衬底上，其中，传感器衬底和多层结构完全在CMOS
工艺步骤中制成。
在根据本发明的热电堆传感器中，通过层系中的多射线干涉发生红外 辐射吸收，该层系在薄膜上或者也在包含薄膜的情况下构成。该层系包括 两个热电极和在这两个热电极之间构成的隔绝的中间层以及最好包括另外 的层，尤其是上隔绝层和薄膜本身。
该层系由于其层序、即折射率和层厚的层序，通过多射线干涉起到减 小反射的作用，即，在该层序上出现的射线或部分射线在反射方向上至少 部分地引起破坏性的干涉。这种减少反射的多射线干涉在光学领域中原理 上也在减少反射的涂层和镀膜方面是公知的。因此，层厚最好在重要波长的范围内或者在重要波长以下构成。尤其 通过有针对性地掺杂相关的半导体层，即尤其是热电堆层本身和必要时另 外的为此施加的辅助层，能实现吸收。
因此，有利地，整个层系包括薄膜对于红外辐射是可透过的，使得红 外辐射穿过该层系并且各个层有助于对反射分量的破坏性干涉。
因此，按照本发明，射线探测器或热电堆传感器能够设计成无专门的 吸收剂层，例如含钌的膏或黑金涂层或黑银涂层。该层系尤其可以以标准
CMOS工艺制成。
因此，按照本发明的制造方法能够在CMOS线的标准设备中实现纯 CMOS工艺，并且不存在CMOS设备被如钌、金和银等材料污染的危险。 具有薄膜和空穴的传感器衬底的微机械制造可以用常见的技术实现。
必要时可以仅在两个热电极的触头接触区域中施加薄的金属层，例如 铝层，它与叠置构造的热电极接触。但施加这种金属层在CMOS工艺中是 标准的，其中由于金属触头接触的小的横向构型而基本不影响层系的反射 减少和高吸收特性。因此，按照本发明，这种必要时也能略微伸到上侧面 和下侧面上的金属触头接触不被看作金属吸收层。
按照本发明的层系尤其可以这样构成使得两个热电极具有相同的光 学厚度，即尤其是在硅材料大致一样高地、相反地掺杂情况下具有相同的 层厚，此外，在它们之间构成的第一隔绝中间层和在上面的热电极上构成 的上隔绝层具有相同的光学厚度，即尤其是在隔绝材料基本相同、对于红 外辐射可透过的情况下具有相同的层厚。因此得到由两个相互嵌套的、相 同层厚的对组成的结构，这些对(最好与下面的、红外辐射可透过的薄膜 一起)实现良好地抑制反射并通过适合的掺杂确定吸收。
图1以竖直剖面示出按照本发明的热电堆传感器， 图2示出图1的局部放大图，按照第一实施方式具有四个在薄膜上构 成的层，
图3示出第二实施方式的相应局部放大图，具有六个在薄膜上构成的
层，
图4示出吸收率a与波长X的相关性的曲线图，图5示出图2或3的传感器在热电极的金属触头接触区域中的垂直剖 面的局部放大图。
具体实施例方式
图1中所示的热电堆传感器8具有硅制成的传感器衬底1和罩形衬底2， 它们通过封接玻璃键合与封接玻璃层3气密密封地或者说真空密封地连接。 在罩形衬底2的上侧面上有利地设置有一滤波器4，它波长选择式地允许入 射的红外辐射IR透过，以便能够实现测量波长范围Xm的探测。例如C02 或另一种气体的吸收谱线可位于该测量波长范围Xm中。但^"于所示实施方 式替换地也可以是，滤波器4例如设置在壳体的一个窗口中，在该窗口中 接收热电堆传感器8。
在传感器衬底1的上侧面上构成下面的空穴5，在该空穴上方构成自由 支承的薄膜IO，它构造为一个层或构造为由多个层、尤其是隔绝层如Si02 组成的层系，其中，薄膜10在横向上越过空穴5 —直延伸到传感器衬底1 的大块材料上面。在薄膜10上设置至少一个热电偶7，它具有第一热电极 11和第二热电极13。有利地，级联或串联地设置多个热电偶7，以便得到 更大的测量信号。在此热电偶7有利地在横向上并排，由此其它热电偶7 在图示平面的上方和下方构成。
因此，按照图2实施方式的多层结构具有五个层，即薄膜10、由掺杂 半导体材料如n掺杂硅制成的第一热电极11、由例如Si02制成的用于隔绝 的第一中间层12、由掺杂半导体材料如p掺杂硅制成的第二热电极13及用 于覆盖和隔绝的上隔绝层14。
两个热电极ll， 13的材料以公知的方式具有不同的塞贝克系数au;为 此可以有利地选择不同掺杂的半导体材料，如n掺杂硅和p掺杂硅。
按照本发明构造层IO， 11， 12， 13， 14的层系19，对于从上面入射的、 测量波长范围的红外辐射IR，如对于在4.0至4.5拜之间或其部分范围内 的入，该层系形成多射线干涉，该多射线干涉导致高的吸收率a。在此按照 本发明可知，为此基本上可以选择一个具有相当于抗反射涂层的层厚的层 系19，但其中在个别层中实现较高的吸收。为此有利地构成具有较高吸收 性的热电极11， 13，为此可以选择较高的掺杂，较高的惨杂还补充性地减 少在金属触头接触时的问题，即有助于避免肖特基接触，并且导致强的测量信号。
这样选择层10至14的层厚dl0， dll， d12， d13， d14，使得实现所期 望的多射线干涉。在此尤其致力于，在很大程度上防止测量波长范围^m上 的反射。透射尤其通过较高的吸收在很大程度上被克服，但透射原则上是 没有问题的。
在有利地设计该层系的情况下，反射的和透射的射线强度I&f和It尽可 能小并且吸收率a a) -l—lRef—Lr尽可能高。为了计算吸收率a (入)引 用复数折射率的精确变化，该折射率具有实数部分和虚数部分，其中，对 于掺杂的半导体层或金属，复数折射率是掺杂物质浓度的函数，该掺杂物 质浓度例如可以通过自由载流子的Drude模型计算。
在图2中例如可以构成900nm厚的n掺杂的多晶硅层11，例如具有磷 掺杂和le20cm—的载流子浓度，可以构成300nm厚的、&02制成的第一中 间层12，可以构成900nm厚的p掺杂多晶硅层13，例如由硼掺杂的多晶硅 制成并具有le20cm—3的载流子浓度，以及构成300nm厚的上隔绝层14。
按照本发明可知，下面的薄膜层10在此不是那么重要，因为在上面的 四个层ll， 12， 13， 14中已经实现具有吸收作用的足够的多射线干涉。
图3示出另一实施例，其中设置了与图2中相应的层，但上隔绝层14 用作第二中间层，在它上面施加第一辅助层15和第二辅助层16。在此辅助 层15， 16同样由对于测量波长范围Am内的红外辐射来说可透过的材料构 成并且能够通过更多数量的层实现多射线干涉。因此在图3中构成了具有 六个设置在薄膜10上方的层的层系20。在此，层厚d10， dll， d12， d13， dl4可以相应于图2的实施例的那些层厚。
按照另一实施例，图2和/或图3中的层厚组成例如也可以如下构成
由600nm厚的Si02制成的薄膜10，具有层厚dll =700nm和载流子浓 度le20cnf3的、磷掺杂多晶硅制成的第一热电极11，层厚dl2=700nm、由 Si02制成的第一中间层12，具有层厚dl3二700nm和载流子浓度le20cm一3 的、由硼掺杂多晶硅制成的第二热电极13和层厚dl4=700nm、由&02制 成的第二中间层14。
在此只在一些层中进行吸收，例如在层系19或20的层11， 13, 15中， 因为通过下空穴5和上空穴6的隔绝，薄膜10是自由支承和绝热的，并 且，垂直方向上的足够的导热导致温度平衡，使得热电偶7基本处于相同的温度下。
在两个实施例中，在图3中，第一辅助层15例如可以由层厚dl5 = 450nm和载流子浓度为2e20cm—3的磷掺杂多晶硅构成，第二辅助层16可 以由层厚dl6二700nm的SiO2和/或S3N4构成。对此替换地也可以是，层厚 (115=450腦和载流子浓度为le20cm^和例如层厚dl6 = 700nm。
对于该实施例，计算出的吸收光谱在图4中以虚线表示。对于C02气 体传感器重要的波长范围大约在4.0至4.5pm之间。按照虚线，得到超过 90%的吸收率。与此相比，以实线绘出传统的层厚组成，例如具有dll = 450nm， dl2 = 300nm， dl3=450nm和dl4=300nm，它们以常见的方式在 层14的上侧面上设置有附加的吸收层，以便能够实现足够的吸收。
按照本发明，在层15， 16上还可以构成另外的辅助层，以实现高吸收 的多射线干涉。
热电极ll， 13的触头接触尤其可以按照图5进行，图5示出侧向错开 位置上的、尤其是在图2， 3的图示平面的上方或下方的垂直剖面。金属触 头22， 23接触热电极11， 13并且向上引向上隔绝层14的上侧面。通过金 属触头23， 24也实现多个热电偶7的级联；在此，金属触头22， 23可以 设置在错开的平面中。右边的热触头22在薄膜10上形成的"热"端，左 边的热触头23是传感器衬底1的大块材料上方的"冷"端。因此，按照该 示例性实施方式，热电极ll， 13的触头接触通过金属触头24和25实现， 这些金属触头构造成金属涂层的结构化区域。因此，在所示构造情况下， 左边的触头23总归不干扰薄膜10中的多射线干涉。右边的热触头22仅在 侧向很窄的区域中影响多射线干涉，因此不重要。
权利要求
1.用于探测测量波长范围(λm)内的红外辐射(IR)的热电堆传感器(8)，它具有传感器衬底(1)，在该传感器衬底中构成了空穴(5)，在传感器衬底(1)上在空穴(5)上方构成的薄膜(10)，至少一个在薄膜(10)上面、内部或下面构成的热电堆结构，所述热电堆结构具有至少一个由两个相互触头接通的热电极(11，13)组成的热电偶(7)，其中，这两个热电极(11，13)由具有不同塞贝克系数的掺杂的半导体材料构成，至少一个在热电极(11，13)之间构成的隔绝的中间层(12)，其中，在下面的该空穴(5)的上方构成一个层系(19，20)，该层系至少包括所述两个热电极(11，13)并且至少包括所述隔绝的中间层(12)，并且，该层系对于测量波长范围(λm)内的红外辐射(IR)在吸收部分红外辐射(IR)和至少部分地减少反射的情况下形成多射线干涉。
2. 如权利要求l所述的热电堆传感器，其特征在于，所述层系(19， 20)还包括所述薄膜(10)，其中，该薄膜(10)由IR可透过的隔绝材料 如Si02构成。
3. 如权利要求1或2所述的热电堆传感器，其特征在于，所述层系(19， 20)还包括在上面的热电极(13)上方构成的上隔绝层(14)，该上隔绝层 由红外辐射(IR)可透过的隔绝材料如Si02构成。
4. 如权利要求3所述的热电堆传感器，其特征在于，第一热电极(ll) 和第二热电极(13)具有相同的层厚(dll, d13)，并且在这些热电极(11， 13)之间构成的隔绝的中间层(12)和该上隔绝层(14)由具有相同层厚 的、可透过的隔绝材料构成。
5. 如权利要求4所述的热电堆传感器，其特征在于，所述热电极(ll，13)具有700或900nm的、相同的层厚(dll， d13)。
6. 如上述权利要求中任一项所述的热电堆传感器，其特征在于，热电 极(11， 13)具有相反的掺杂和大致一样高的载流子浓度，例如lel8cm一3 以上，例如约le20cm一3。
7. 如上述权利要求中任一项所述的热电堆传感器，其特征在于，所述 层系(19， 20)还包括至少一个另外的辅助层(15， 16)，它在上隔绝层(14) 上方构成。
8. 如权利要求7所述的热电堆传感器，其特征在于，所述另外的辅助 层(15, 16)中的至少一个是用于提高吸收的、掺杂的半导体层(15)，它 被至少一个另外的隔绝层(16)覆盖。
9. 如上述权利要求中任一项所述的热电堆传感器，其特征在于，该层 系(19， 20)的所有层(10， 11， 12， 13， 14， 15， 16)由对于红外辐射 不反射的隔绝层(10， 12， 14， 16)例如Si02和半导体层(11， 13， 15) 构成。
10. 如上述权利要求中任一项所述的热电堆传感器，其特征在于，在 传感器衬底(1)上真空密封地固定有罩形衬底(2)，在该罩形衬底的下侧 面上构成上面的空穴(6)，其中，该层系(19， 20)包括所述下面的空穴 (5)与该上面的空穴(6)之间的所有层(10， 11， 12， 13， 14， 15， 16)。
11. 如上述权利要求中任一项所述的热电堆传感器，其特征在于，该 层系(19， 20)和该层系(19， 20)的上侧面和下侧面没有含金属的吸收 剂材料。
12. 如上述权利要求中任一项所述的热电堆传感器，其特征在于，构 造有用于触头接通的金属触头(24)。
13. 如上述权利要求中任一项所述的热电堆传感器，其特征在于，该 层系(19， 20)、尤其整个热电堆传感器(8)能够完全以CMOS工艺技术 构成。
14. 如上述权利要求中任一项所述的热电堆传感器，其特征在于，在 该层系(19， 20)中在测量波长范围(Xm)内、例如在4.0至4.5)am之间 存在超过70%、尤其超过80%、例如超过90%的入射红外辐射(IR)吸收率。
15. 如上述权利要求中任一项所述的热电堆传感器，其特征在于，入 射红外辐射(IR)的吸收主要或仅仅在掺杂的半导体层(11， 13， 15)中 进行。
16. 用于制造热电堆传感器的方法，至少具有下面的步骤-在传感器衬底(1)上构成薄膜(10)和必要时构成其它层(11， 12，,13， 14， 15， 16),在构成自由支承的、具有薄膜(10)和所述其它层的多层结构(19， 20)的情况下，在传感器衬底(1)中在薄膜(10)和所述其它层(11， ,12， ,13， ,14， ,15， 16)下方构成下面的空穴(5)，其中，所述层系(19， 20) 具有至少一个由掺杂的半导体材料制成的第一热电极(11)和至少一个由 掺杂的半导体材料制成的第二热电极(13)和至少一个将这些热电极分开 的第一隔绝中间层(12)和一个上隔绝层(14)，借助真空密封的连接(3)在自由支承的层结构(19， 20)和所述下面 的空穴的上方将罩形衬底(2)固定在传感器衬底(1)上，其中，传感器 衬底(1)和多层结构(19， 20)完全在CMOS工艺步骤中制成。
全文摘要
一种用于探测测量波长范围(λm)中的红外辐射(IR)的热电堆传感器(8)，具有传感器衬底(1)，在其中构成空穴(5)；在传感器衬底(1)上在空穴(5)上方构成的薄膜(10)；至少一个在薄膜(10)上、内或下构成的热电堆结构，其具有至少一个由两个相互触头接通的热电极(11，13)组成的热电偶(7)，两个热电极(11，13)由具有不同塞贝克系数的掺杂半导体材料构成；至少一个在热电极(11，13)之间构成的隔绝中间层(12)。按照本发明，在空穴(5)上方构成层系(19，20)，它至少包括热电极(11，13)和中间层(12)并对测量波长范围(λm)内的红外辐射(IR)在吸收部分红外辐射(IR)和至少部分地减少反射的情况下形成多射线干涉。
文档编号G01J5/20GK101644605SQ200910165749
公开日2010年2月10日 申请日期2009年8月10日 优先权日2008年8月8日
发明者N·乌尔布里希 申请人:罗伯特·博世有限公司