专利名称：热电偶检测器及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种红外检测器，更确切地说，涉及一种热电偶检测器及其制造方法。
一般来说，温度测量与我们每天的生活例如空气调节和烹调密切相关。当然，其在人类生活和工业上的必要性就更不必说了。同时，在目前的温度测量中分为接触型和非接触型。通常大多数温度测量是接触型，而非接触型则是在无法实现接触的情况下作为一种补充手段使用的。例如，非接触型仅限于在测量转动、运动的物体和测量无法接触的温度极高的物体时使用。由于非接触型价格昂贵而且难以控制，所以接触型的应用范围远大于非接触型。然而，近来对非接触型的需求呈上升趋势，特别是，对辐射高温计的需求正在增加，这种高温计结构简单而且成本较低并适合0-300℃较低温度范围内的测量。由于电路简单且辐射高温计中使用的红外(IR)检测器可以按比过去低的价格从市场上买到，所以辐射高温计常常比接触型更经济。在检测辐射能的检测器中，包括采用光电效应或光电导效应的光子检测器，热检测器，如辐射热测量器，热电检测器和热电偶检测器。由于利用了当入射的辐射激励检测器中的电子时检测器电特性的变化，所以光子检测器通常在选定的波长范围内具有极好的灵敏性和快速响应性。然而，光子检测器的缺点在于目前还没有完全建立相应的加工技术，成本高，而且要想得到所需的红外线灵敏度必须在低于液氮的温度下工作。因此，为了使用具有商业和工业目的的红外检测器，需要一种不需冷却，价格低，和可靠的检测器。最近，已经对能满足这些特征的热检测器进行了有效的研究。作为这些研究的结果，目前已开发出了多种检测器，这些检测器能提供可见光图像中无法知道的物体的有用信息，由此发现了这些检测器在诸如产品检验，过程监视，非接触和无损检验等领域内的用途。迄今为止这些检测器中最重要的材料(Hg,Cd)Te存在的问题是对同一批产品的加工技术还没有完全成熟而且价格和基质的均匀性还不能令人满意。因此，对于能满足上述要求同时可在已建立的半导体生产过程中生产的热电偶检测器进行了深入的研究。这种热电偶检测器是一种利用了塞贝克效应的检测器，其中当两种不同材料在一端接触形成接点而在另一端彼此分开时，将产生正比于连接端和开口端之间温度差的热能。
图1a和1b表示的是展示已有技术中热电偶检测器的平面图和剖面图。
参照图1a和图1b，已有技术中的热电偶检测器设有彼此串连的热电偶，每一个热电偶由极性相反且具有较高热电能的不同材料的元件构成。将热电偶交替地布置在热区和冷区中，其热接点和冷接点彼此形成热隔离。一般说来，冷接点位于硅衬底上作为有效散热片，而为了吸收入射的红外线而在热接点上形成黑体。也就是说，热电偶检测器由两种不同的热电材料构成，两种材料在具有低热导和低热容量的隔膜上串联连接。这种热电偶具有的优点是热电偶检测器展现出其对DC辐射的稳定响应，和能够对很宽的红外光谱产生响应，而且不需要偏电压或偏电流。
图2a-2f为剖面图，其表示的是已有技术中制造热电偶检测器方法的步骤。
参照图2a，为了在后序过程中对衬底1进行背面蚀刻而提供了晶体取向为(100)的硅衬底1。对衬底1的两个表面进行热氧化处理以形成大约2000埃的第一氧化膜2，并进行LPCVD处理以淀积3000埃的氮化膜3。在蚀刻衬底1上用氮化膜3作为蚀刻掩膜，并作为停止蚀刻的蚀刻阻止层。然后，如图2b所示，进行LPCVD处理在氮化膜3上淀积厚度约为7000埃的第二氧化膜4。这样便形成了可以在形成完整的隔膜时对隔膜的残余应力进行互衬的ONO(氧/氮/氧)结构，由此可得到机械性能稳定的隔膜。也就是说，氧化膜中的压缩应力和LPCVD氮化膜中的拉伸应力可以互补。如图2c所示，用这种方式形成隔膜之后，将在衬底1上表面的第二氧化膜4上按顺序沉积第一和第二热电偶材料5，热电偶材料5最好具有较大的塞贝克系数以便获得较好的灵敏度。而且，如图2d所示，在包含热电偶材料5的整个表面上形成使检测器元件与外部环境隔离的保护膜6，并形成与热电偶材料相接触以便把检测器的输出端与外部电路相连接的极板。然后，如图2e所示，对硅衬底1的背面进行蚀刻以暴露隔膜。在这种情况下，用氢氧化钾水溶液(KOH)作为蚀刻溶液。而且，因为在晶体取向为(111)的方向上硅几乎不会被腐蚀，所以衬底1的蚀刻发生在与衬底1的底表面呈54.74度角倾斜的方向上。由于氮化硅膜3几乎不会在氢氧化钾水溶液中被蚀刻，所以氮化硅膜3不仅可以作为蚀刻掩膜使用，而且还可以作为蚀刻阻止层使用，其能够解决因在蚀刻结束时出现的衬底表面非均匀蚀刻引起的不平坦蚀刻表面问题。然后，如图2f所示，在保护膜上形成黑体8。黑体8可以是铝黑、金黑、炭黑等，它们对化学品有极小的结合力和敏感性。因此，用当前的CMOS方法不能使上述材料构成黑体。同样，在已有技术的热电偶检测器生产方法中，应在完成制造COMS的所有步骤后结束这些步骤时设置形成黑体的步骤。如果在形成隔膜之后再形成黑体的话，则由隔膜的厚度约为1μm，而该厚度极易在黑体形成的过程中损坏，所以要倍加小心。由于黑体材料与化学品具有极小的结合力和灵敏度，所以其限制了用CMOS生产方法来形成黑体。
因此，本发明意在提供一种热电偶检测器及其制造方法，其基本上解决了因已有技术的局限性和缺点而产生的问题。
本发明的一个目的是提供一种热电偶检测器及其制造方法，其与目前的半导体制造方法兼容。
本发明的另一个目的是提供一种热电偶检测器及其制造方法，其能够形成稳定的黑体。
本发明的再一个目的是提供一种热电偶检测器及其制造方法，其能防止对薄隔膜的损坏。
本发明的其它特征和优点将在下面的说明中提及，而且通过说明书中的描述将使这些特征和优点变得更清晰，或可以通过对本发明的实践而认识这些特征和优点。利用在所撰写的说明书和权利要求书以及所附的附图特别指出的结构将能实现和得到本发明的目的和其它优点。
为了得到这些和其它优点，根据本发明的目的，在实施和进一步描述时，制造热电偶检测器的方法包括的步骤有溅镀由从Ru,Ir, RuOx，和IrOx中选出的一种物质构成的黑体，用搬移法形成黑体图形，和通过蚀刻衬底的背面形成隔离膜。
根据本发明的另一方面，提供一种热电偶检测器，该检测器包括衬底，形成在衬底上的隔膜，形成在隔膜的指定区域上用于检测温度的热电偶，和形成在热电偶上由从Ru,Ir, RuOx，和IrOx中选出的一种物质构成的黑体。
根据本发明的再一方面，提供一种制造热电偶检测器的方法，该方法包括的步骤有(1)在衬底上形成隔膜，(2)在隔膜的指定区域上形成热电偶，(3)在热电偶上形成黑体，和(4)从衬底背面的指定区域上除去一部分衬底从而暴露出隔膜。
根据本发明的又一方面，提供一种制造热电偶检测器的方法，该方法包括的步骤有(1)在衬底上形成隔膜，(2)在隔膜的指定区域上形成热电偶，(3)在热电偶上形成保护膜，和(4)在保护膜上形成光致抗蚀剂和从指定区域上除去光致抗蚀剂，(5)在包含光致抗蚀剂的整个表面上形成黑体和除去残余的光致抗蚀剂以及光致抗蚀剂上的黑体，和(6)从衬底背面的指定区域上除去一部分衬底以便暴露隔膜。
应该理解，上述的一般性描述和下面的详细描述都是示例性的和解释性的，而且意在提供对本发明权利要求的进一步解释。
为进一步理解本发明而涉及到的并与本说明书结合且构成其一部分的附图表示了本发明的实施例而且这些附图与说明书共同起解释本发明原理的作用在附图中图1a和1b为表示已有技术的热电偶检测器的平面图和剖面图；图2a-2f为表示已有技术中制造热电偶检测器的方法步骤的剖面图；图3a-3h为表示根据本发明的优选实施例所述制造热电偶检测器的方法步骤的剖面图；图4为曲线图，表示已有技术和本发明的黑体的吸收特性；图5为曲线图，表示本发明之热电偶检测器对黑体隔膜厚度的响应度；和图6为曲线图，表示本发明的热电偶检测器对黑体淀积条件的响应度。
下面将详细描述本发明的优选实施例，这些实施例的实例示于附图中。
按照本发明的发明构思，先通过溅镀和搬移从Ru,Ir,RuOx，和IrOx中选出的一种物质构成黑体，然后通过对衬底的背面进行蚀刻形成隔膜，从而形成黑体膜，该过程可与半导体制造过程(CMOS制造过程)交替进行，而且可以防止损坏隔膜，保持黑体的均匀特性和具有极佳的结合力。
图3a-3h为剖面图，表示按照本发明的优选实施例制造热电偶检测器的方法步骤，其中图3a-3d中与图2a-2d所示已有技术中的步骤相同，在此将不再对其进行说明。
参照图3e，将光致抗蚀剂18涂在包含保护膜16的整个表面上，而且通过光致抗蚀剂显影过程除去将要形成黑体的区域中的那部分光致抗蚀剂18。和，如图3f所示，把黑体19溅镀在包括剩余光致抗蚀剂18的整个表面上，溅镀的厚度约为500-600埃。在溅镀时，用金属，例如Ru(钌)或Ir(铱)，或氧化物，例如RuOx(氧化钌)或IrOx(氧化铱)作为形成黑体的靶材料。在这种情况下，由于仅由Ru或Ir形成的黑体具有较强的反射率，所以将把氧和氩一起输送，它是溅镀中的处理气体。氧与氩的注射比率最好是50-70％，即，O2/Ar=0.5-0.7。在本发明中，用Ru或Ir作为淀积黑体的靶，而且在淀积过程中注射氧以形成RuOx或IrOx黑体。然后，如图3g所示，用搬移法除去剩余的光致抗蚀剂18和光致抗蚀剂18上的黑体19。并如图3h所示，对硅衬底11的背面进行蚀刻以便暴露出隔膜，至此便完成了热电偶的制造。
图4表示已有技术和本发明的黑体的吸收特性的曲线图，其中在波长范围为0.7-25μm的范围内所有三种红外线吸收材料均显示出几乎达到90％的极好吸收率。图5表示热电偶检测器对通过同时溅镀本发明的Ru和O2而形成的RuOx黑体膜的膜厚度的响应度的曲线图，其中在RuOx厚度为300-800埃的范围时显示出热电偶检测器具有较好的响应度，而在该范围之前和之后响应度有下降的趋势，这是因为当黑体膜(RuOx膜)的厚度低于300埃时黑体的透射性增加，而当黑体膜(RuOx膜)的厚度大于800埃时反射比率实际上增加到薄金属膜的反射比率。图6为表示热电偶检测器对在同时溅镀Ru和O2以淀积本发明的黑体(RuOx)时注射的O2量的响应度曲线图，其中可以知道，虽然注射的氧量越多，热电偶检测器的响应度越好，但是当注射的氧量比是O2/Ar＞0.7时，将会使黑体的结合力变坏，从而在后序过程中引起黑体的损坏。因此，在同时溅镀黑体时应把氧量控制在O2/Ar=0.5-0.7的范围内。
本发明的热电偶检测器和制造该热电偶的方法具有以下优点。通过溅镀和搬移方法形成黑体便于与已有的半导体制造过程(CMOS制造过程)相兼容，提高了批量生产的产量，避免了在形成黑体时出现隔膜损坏的现象，并能控制黑体的均匀特性。而且，由于容易形成具有良好结合力的黑体所以能够明显提高产量，和降低热电偶生产成本。
对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明的构思或范围的前提下可以对本发明的热电偶检测器及其制造方法作出各种改进和变更。因此，本发明包含了对发明所作的落入权利要求及其等同物范围内的改进和变更。
权利要求
1．一种热电偶检测器包括衬底；在衬底上形成的隔膜；在隔膜给定区域上形成的用于测量温度的热电偶；和在热电偶上由从Ru,Ir,RuOx，和IrOx中选出的一种物质形成的黑体。
2．根据权利要求1所述的热电偶检测器，其中黑体的厚度为300-800埃。
3．一种制造热电偶检测器的方法，该方法包括的步骤有(1)在衬底上形成隔膜，(2)在隔膜的指定区域上形成热电偶，(3)在热电偶上形成黑体，和(4)从衬底背面的指定区域上除去一部分衬底从而暴露出隔膜。
4．根据权利要求3所述的方法，其中黑体由从Ru,Ir, RuOx，和IrOx中选出的一种物质构成。
5．根据权利要求3所述的方法，其中步骤3包括以下步骤在隔膜上形成保护膜，在保护膜上形成光致抗蚀剂并从指定区域上除去光致抗蚀剂，和在包含光致抗蚀剂的整个表面上形成黑体和除去残余的光致抗蚀剂和光致抗蚀剂上的黑体。
6．根据权利要求5所述的方法，其中用搬移法除去残余的光致抗蚀剂和光致抗蚀剂上的黑体。
7．一种制造热电偶检测器的方法，该方法包括以下步骤(1)在衬底上形成隔膜，(2)在隔膜的指定区域上形成热电偶，(3)在热电偶上形成保护膜，(4)在保护膜上形成光致抗蚀剂和从指定区域上除去光致抗蚀剂，(5)在包含光致抗蚀剂的整个表面上形成黑体和除去残余的光致抗蚀剂以及光致抗蚀剂上的黑体，和(6)从衬底背面的指定区域上除去一部分衬底以便暴露隔膜。
8．根据权利要求7所述的方法，其中黑体由从Ru,Ir,RuOx，和IrOx中选出的一种物质构成。
9．根据权利要求7所述的方法，其中在形成黑体时氩和氧的注射比率为O2/Ar=0.5-0.7。
全文摘要
热电偶检测器及其制造方法,该方法包括:在衬底上形成隔膜;在隔膜的指定区域上形成热电偶;在热电偶上形成保护膜;在保护膜上形成光致抗蚀剂和从指定区域上除去光致抗蚀剂;在包含光致抗蚀剂的整个表面上形成黑体和除去残余的光致抗蚀剂及光致抗蚀剂上的黑体;从衬底背面的指定区域上除去部分衬底以便暴露隔膜,由此与已有半导体制造过程兼容,提高了产量,并控制黑体的均匀特性。由于有良好结合力的黑体,故能提高产量和降低热电偶生产成本。
文档编号G01J5/12GK1233078SQ9910558
公开日1999年10月27日 申请日期1999年2月28日 优先权日1998年2月28日
发明者金寅式, 金泰润 申请人:Lg电子株式会社