一种mems热电堆结构及其制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种多个热电偶串联成的MEMS热电堆结构，包括：半导体衬底；第一导热层；第二导热层；由第一热偶材料形成的第一热偶层，部分置于所述第二导热层中，另一部分悬空于述衬底上；形成于第一热偶层上的热偶垂直部，其包括由第一热偶材料形成的第一垂直部和由第二热偶材料形成的位于所述第一导热层中的第二垂直部；由第二热偶材料形成的第二热偶层，形成于热偶垂直部上连接第一垂直部和第二垂直部；吸热层，置于第一垂直部上的第二热偶层的上方。第二热偶层与第一垂直部相连处形成热电偶的热端，第二垂直部与第一热偶层相连处形成热电偶的冷端。本发明可提高热电堆探测器的温度分辨率和稳定性。
【专利说明】一种MEMS热电堆结构及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及微电子机械系统【技术领域】，特别涉及一种MEMS热电堆结构及其制造方法。
【背景技术】
[0002]热电偶是一种广泛应用的温度传感器，也被用来将热势差转换为电势差。它的工作原理是基于Thomas Seebeck于1821年发现的热电效应或者Seebeck效应:两种不同金属材料A和B构成的回路中，如果两种金属的结点处温度Tl和T2不同，该回路中就会产生一个温差电动势。
[0003]由Seebeck效应产生的电压可表示为:
【权利要求】
1.一种MEMS热电堆结构，具有多个串联的热电偶，其特征在于，包括: 半导体衬底； 第一导热层，置于所述半导体衬底上； 第二导热层，置于所述第一导热层上； 由第一热偶材料形成的第一热偶层，部分置于所述第二导热层中，另一部分悬空于所述衬底上； 热偶垂直部，形成于所述第一热偶层上，其包括由所述第一热偶材料形成的第一垂直部和由第二热偶材料形成的位于所述第一导热层中的第二垂直部； 由所述第二热偶材料形成的第二热偶层，形成于所述热偶垂直部上，连接所述第一垂直部和第二垂直部； 吸热层，置于位于所述第一垂直部上的第二热偶层的上方； 其中所述第二热偶层与所述第一垂直部相连处形成所述热电偶的热端，所述第二垂直部与所述第一热偶层相连处形成所述热电偶的冷端。
2.根据权利要求 1所述的MEMS热电堆结构，其特征在于，所述吸热层包覆于绝缘保护层中。
3.根据权利要求1所述的MEMS热电堆结构，其特征在于，所述第一导热层和第二导热层为相同或不同种类的介质薄膜导热材料；所述介质薄膜导热材料为SiO2薄膜、BN薄膜、AlN薄膜或无掺杂的单晶硅薄膜；所述第一热偶层和第二热偶层为硅薄膜或金属薄膜；所述吸热层为氮化硅薄膜或Ti/TiN薄膜或Ta/TaN薄膜。
4.一种MEMS热电堆结构的制造方法，所述MEMS热电堆结构包括多个串联的热电偶，其特征在于，所述制造方法包括以下步骤: 在半导体衬底上形成第一导热层； 在所述第一导热层上沉积第一热偶材料并图形化，以形成第一热偶层；在所述第一热偶层上形成第二导热层以及热偶垂直部，所述热偶垂直部包括所述第一热偶材料形成的第一垂直部和第二热偶材料形成的第二垂直部；在所述热偶垂直部上形成连接所述第一垂直部和第二垂直部的第二热偶层，其中所述第二热偶层与所述第一垂直部相连处为所述热电偶的热端，所述第二垂直部与所述第一热偶层相连处为热电偶的冷端；在所述热端上形成吸热层； 进行释放工艺，去除所述第一垂直部周围的所述第二导热层及其下方的所述第一导热曾，形成所述MEMS热电堆结构。
5.根据权利要求4所述的MEMS热电堆结构的制造方法，其特征在于，所述热偶垂直部通过两次单大马士革工艺形成，在所述第一热偶层上形成第二导热层以及热偶垂直部的步骤包括: 在所述第一热偶层上沉积所述第二导热层； 通过光刻刻蚀工艺在所述第二导热层中刻蚀出底部延伸至所述第一热偶层的第一热偶通孔； 在所述第一热偶通孔中填充所述第一热偶材料并平坦化，使得所述第一热偶材料的上表面与所述第二导热层的上表面平齐； 通过光刻刻蚀工艺在所述第二导热层中刻蚀出底部延伸至所述第一热偶层的第二热偶通孔； 在所述第二热偶通孔中填充所述第二热偶材料并平坦化，使所述第二热偶材料的上表面与所述第二导热层的上表面平齐。
6.根据权利要求5所述的MEMS热电堆结构的制造方法，其特征在于，所述第二热偶层通过单大马士革工艺形成，其包括: 沉积第三导热材料层； 通过光刻刻蚀工艺在所述第三导热材料层中刻蚀出第二热偶层图形，所述第二热偶图形底部与所述第一垂直部和第二垂直部接触； 在所述第二热偶层图形中填充所述第二热偶材料并平坦化，以形成第二热偶层且所述第二热偶层的上表面与所述第三导热层的上表面平齐。
7.根据权利要求6所述的MEMS热电堆结构的制造方法，其特征在于，在所述热端上形成吸热层的步骤包括: 在所述第三导热层及第二热偶层上沉积第一绝缘保护层； 在所述第一绝缘保护层上形成所述吸热层并图形化，使得所述吸热层位于所述热端上方； 在所述吸热层上沉积第二绝缘保护层；以及 形成贯穿所述第一绝缘层和第二绝缘层的释放窗口，其中所述吸热层包覆于所述第一绝缘层和第二绝缘层中。
8.根据权利要求7所述的MEMS热电堆结构的制造方法，其特征在于，所述释放工艺为通过所述释放窗口进行湿法工艺，以去除所述热端下方的所述第二导热层和第一导热层，使所述第一垂直部及其下方的第一热偶层悬空于所述半导体衬底上。
9.根据权利要求4所述的MEMS热电堆结构的制造方法，其特征在于，所述第一导热层和第二导热层为相同或不同种类的介质薄膜导热材料；所述介质薄膜导热材料为Si02薄膜、BN薄膜、AlN薄膜或无掺杂的单晶硅薄膜；所述第一热偶层和第二热偶层为硅薄膜或金属薄膜；所述吸热层为氮化硅薄膜或Ti/TiN薄膜或Ta/TaN薄膜。
【文档编号】H01L35/34GK103715348SQ201310753760
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2013年12月31日 优先权日:2013年12月31日
【发明者】袁超 申请人:上海集成电路研发中心有限公司