一种热电堆传感器及制备方法与流程

1.本发明涉及光电技术领域，特别涉及一种热电堆传感器及制备方法。


背景技术：

2.21世纪以来，随着半导体技术的不断进步，图像传感技术得到了飞速发展，经过近十年的研发，据统计，室温下大部分物体辐射波处在红外波段。热电堆是一种热释红外线传感器，它是由热电偶构成的一种器件。它在耳式体温计、放射温度计、电烤炉、食品温度检测等领域中，作为温度检测器件获得了广泛的应用。传统传感器模组一般都包括感应芯片，信号放大/读出电路等各自分离的元器件现有传感器封装大多数是传统的惰性气体的to封装，一般的惰性气体导热系数比较大，进而影响器件性能；导热系数比较小的惰性气体，价格又比较贵。


技术实现要素：

3.为了解决上述器件性能的问题，本发明提出了一种热电堆传感器制备方法，包括步骤提供热电堆结构板，所述热电堆结构板具有支撑结构和位于支撑结构之间的热辐射感应区；
4.提供顶盖结构，所述顶盖结构包括第二半导体基板，所述第二半导体基板具有深凹槽，所述深凹槽边缘的第二半导体基板上具有键合图形层；
5.提供底盖结构，所述底盖结构包括第二半导体基板，所述第三半导体基板具有深凹槽，所述深凹槽边缘的第三半导体基板上具有键合图形层，在所述深凹槽底部的第三表半导体基板表面具有吸气剂图形层；
6.键合顶盖结构、热电堆结构板及底盖结构，键合后顶盖结构的深凹槽和热电堆结构板构成第一空腔，热电堆结构板和底盖结构的深凹槽构成第二空腔，顶盖结构的深凹槽和热电堆结构板构成第一空腔，热电堆结构板和底盖结构的深凹槽构成第二空腔，所述热辐射感应区被第一空腔和第二空腔包围。
7.本技术的热电堆传感器，包括：
8.热电堆结构板，所述热电堆结构板具有支撑结构和位于支撑结构之间的热辐射感应区；
9.顶盖结构，所述顶盖结构包括第二半导体基板，所述第二半导体基板具有深凹槽，所述深凹槽边缘的第二半导体基板上具有键合图形层；
10.底盖结构，所述底盖结构包括第二半导体基板，所述第三半导体基板具有深凹槽，所述深凹槽边缘的第三半导体基板上具有键合图形层，在所述深凹槽底部的第三表半导体基板表面具有吸气剂图形层；
11.所述顶盖结构的深凹槽和热电堆结构板构成第一空腔，热电堆结构板和底盖结构的深凹槽构成第二空腔，顶盖结构的深凹槽和热电堆结构板构成第一空腔，热电堆结构板和底盖结构的深凹槽构成第二空腔，所述热辐射感应区被第一空腔和第二空腔包围。
12.本发明的热电堆传感器在一个芯片集成了感应功能，信号放大/读出电路和匹配电阻等功能，集成度高，成本低，性能好；并且硅晶圆级真空封装制造，硅晶圆不仅能透红外又降低了制造成本，另外是封装体是真空环境，性能相比传统封装性能有极大提高，用铝锗，金锡等键合材料比其他晶圆级键合材料的效果好。
附图说明
13.图1-图4为本发明实施例所提供的热电堆传感器的制备方法中各步骤对应的结构示意图。
具体实施方式
14.现在将参考附图描述本发明，其中，相同的参考标号始终用于表示相同的元件，并且其中所示结构不必按比例绘制。应当理解，该详细描述和相应的附图不以任何方式限制本发明的范围，并且详细描述和附图仅提供一些实例来说明本发明构思可以表现出来的一些方式。
15.本发明提供了许多用于实现本发明的不同特征的不同实施例或实例。下面描述了组件和布置的具体实例以简化本发明。当然，这些仅仅是实例，而不旨在限制本发明。例如，在以下描述中，在第二部件上方或者上形成第一部件可以包括第一部件和第二部件以直接接触的方式形成的实施例，并且也可以包括在第一部件和第二部件之间可以形成额外的部件，从而使得第一部件和第二部件可以不直接接触的实施例。此外，本发明可在各个实例中重复参考标号和/或字符。该重复是为了简单和清楚的目的，并且其本身不指示所讨论的各个实施例和/或配置之间的关系。
16.而且，为了便于描述，在此可以使用诸如“在
…
下方”、“在
…
下面”、“下部”、“之上”、“上部”等空间相对术语以描述如图所示的一个元件或部件与另一个(或另一些)元件或部件的关系。除了图中所示的方位外，空间相对术语旨在包括器件在使用或操作中的不同方位。装置可以以其他方式定向(旋转90度或在其他方位上)，并且在此使用的空间相对描述符可以同样地作出相应的解释。
17.请参考图1-图4，图1-图4是本发明实施例所提供的热电堆传感器的制备方法中各步骤对应的结构示意图。
18.如图1所示，提供热电堆结构板10，所述热电堆结构板10具有支撑结构110和位于支撑结构110之间的热辐射感应区120。
19.所述支撑结构110包括第一半导体基板111和形成在其上的支撑介质层112。所述热辐射感应区120包括绝缘介质层121及形成在绝缘介质层121上的半导体外延层122，所述第一半导体基板111的材料可以是本领域技术人员熟知的任意合适的半导体衬底材料，例如硅、锗、硅锗、砷化镓、磷化铟等体半导体衬底材料，还可以为半导体衬底和其它半导体层的叠层结构，半导体外延层是n型掺杂或p型掺杂，半导体外延层122可以通过外延工艺或者离子注入工艺形成。绝缘介质层122用于绝缘隔离及支撑，绝缘介质层122的材料包括氧化硅、氮化硅、氮氧化硅中的至少一种。
20.本实施例中，提供所述热电堆结构板的步骤包括：
21.提供第一半导体基板111，在本实施例中，第一半导体基板111为半导体衬底。在第
一半导体基板111上形成有堆叠的支撑介质层112，支撑介质层112和其下方的第一半导体基板111构成支撑结构110。在支撑结构110之间的第一半导体基板111表面上依次形成有绝缘介质层121以及电子传输层、光电转化层、光吸收层构成的半导体外延层122，从而构成热辐射感应区。
22.在本实施中，具体的，先在半导体衬底上形成绝缘介质材料层，例如sio2层，然后利用沉积、光刻、刻蚀等方法，例如在本实施例中，采用干法刻蚀，rf功率在50-100w，气体压强3-10mbar，气体可以选择cf4或者chf3等气体，进行刻蚀，形成支撑介质层112。然后通过磁控溅射、蒸镀等物理气相沉积或者化学气相沉积的方法形成电子传输层阵列，例如将带有底电极的基板送入mbe真空镀膜腔体中，控制真空度为2x10-5-5x10-5pa，采用五源同时蒸镀的方法，用cu，zn，cd，sn，se作为靶材，使用一步法生长前驱体。具体地，先对基板进行升温，升温至120-130摄氏度并稳定后，对上述五个源靶材分别预热20min后打开挡板，同时蒸镀20-30min，关闭挡板后取出，得到约1-2μm厚的电子传输层材料。当然，也可以利用其他工艺，例如3d打印或者物理气相沉积等方法形成电子传输层。然后，可以形成隔离墙，在隔离墙之间填充光电转化层阵列，例如可以通过3d打印的方式，打印工艺采用具有高打印分辨率的3d打印技术根据打印机校准文件打印测试图形及打印材料性能，选择合适的打印参数为：如打印速度为50-100mm/s；光电材料如pbs，采用平台加热及红外固化方式；平台加热温度为50-100℃。光电材料打印电压5-20v,材料的厚度100-150nm。所述光电转化层阵列可以由光电材料层和介电材料的叠层构成。其中，介电材料采用平台加热及紫外固化方式。由于形成的支撑介质层112的厚度大于像素单元的厚度，从而在支撑结构110之间形成凹陷的热辐射感应区。
23.然后，对第一半导体基板11未形成半导体外延层的一面进行减薄处理，例如具体可以采用键合载片后进行机械研磨的方法。在减薄后的半导体衬底表面和支撑介质层112表面形成键合材料，再进行图形化，从而在对应支撑结构的位置形成键合图形层，键合材料可以采用锗、铝、金、锡、铜其中的任意一种或者其合金，形成的方法可以为物理气相淀积，化学气相淀积、电镀等。在本实施例中，先通过沉积、光刻、刻蚀形成刻蚀图形层，然后利用物理气相沉积法，材料选择铝，选用机台真空在10-5-10-4pa条件下，直流功率为100-500w，射频功率300-600w，氩气流量100-150sccm制备，然后去除刻蚀图形层。本方案用铝、锗、金、锡等键合材料比其他晶圆级键合材料真空密封效果更好，材质本身out gas少，真空密封效果更好，从而可以有效的实现真空密封。在晶圆级键合过程中，形成可靠的密封是非常重要的，以确保器件的稳定性和可靠性。上述键合材料在加热过程中释放出来的气体相比其他材料更少，即材料本身的out gas量较少。通过选择out gas较少的材料作为键合材料，可以减少材料释放的气体对器件的影响，进而提高器件的性能和可靠性。然后去除热电堆结构底部的第一半导体基底，具体可以利用刻蚀的方法，从而使得热电堆结构类似于桥状的连接在支撑结构之间，具体可以采用化学机械去除、化学机械抛光(cmp)、干法蚀刻、液相蚀刻、离子注入/刻蚀等方法。
24.如图2所示，提供顶盖结构20，所述顶盖结构包括第二半导体基板210，所述第二半导体基板具有深凹槽230，所述深凹槽边缘的第二半导体基板上具有键合图形层220。
25.所述第二半导体基板可以是本领域技术人员熟知的任意合适的半导体衬底材料，例如硅、锗、硅锗、砷化镓、磷化铟等体半导体衬底材料，还可以半导体衬底和其它半导体层
的叠层结构。所述键合图形层可以为铝、锗、锡、金或者铜等。
26.在本实施例中，所述顶盖结构的形成步骤包括：
27.提供第二半导体基板210，在第二半导体基板210表面形成键合材料，可以采用锗、铝、金、锡、铜其中的任意一种或者其合金，形成的方法可以为物理气相淀积，化学气相淀积、电镀等，在本实施例中，先通过沉积、光刻、刻蚀形成刻蚀图形层，然后利用物理气相沉积法，材料选择铝，选用机台真空在10-5-10-4pa条件下，直流功率为100-500w，射频功率300-600w，氩气流量100-150sccm制备，然后去除刻蚀图形层，从而在键合区域预留键合图形层220，在本实施例中键合图形层为一个封闭的环形或矩形。对键合图形层中间的区域进行刻蚀，例如等离子体刻蚀，在第二半导体基板210表面形成深凹槽230。具体深凹槽的深度可以为：50um-200um，长宽大于或等于热辐射感应区面积。对第二半导体基板未形成深凹槽的一面进行减薄处理，例如具体可以采用键合载片后进行机械研磨的方法，研磨压力1-5bar，磨轮颗粒选择，10um-50um，在本实施例中，减薄后深凹槽底部的第二半导体基板的厚度为200-350um。
28.如图3所示，提供底盖结构30，所述底盖结构30包括第三半导体基板310，位于所述第三半导体基板310的键合图形层320，第三半导体基板310位于所述键合图形层320中间的部分具有深凹槽330，即所述深凹槽边缘的第三半导体基板上具有键合图形层。在深凹槽330底部的第三表半导体基板表面具有吸气剂图形层340。
29.所述第三半导体基板310可以是本领域技术人员熟知的任意合适的半导体衬底材料，例如硅、锗、硅锗、砷化镓、磷化铟等体半导体衬底材料，还可以半导体衬底和其它半导体层的叠层结构。所述键合图形层可以为锗或者金或者铜等。
30.在本实施例中，所述底盖结构30的形成步骤包括：
31.提供第三半导体基板310，在第三半导体基板310表面形成键合图形层320。所述键合图形层的键合材料可以采用锗、铝、金、锡、铜其中的任意一种或者其合金，例如，形成的方法可以为物理气相淀积，化学气相淀积、电镀等，在本实施例中，先通过沉积、光刻、刻蚀形成刻蚀图形层，然后利用物理气相沉积法，材料选择铝，选用机台真空在10-5-10-4pa条件下，直流功率为100-500w，射频功率300-600w，氩气流量100-150sccm制备，然后去除刻蚀图形层，从而在键合区域预留键合图形层320，在本实施例中键合图形层为一个封闭的环形或矩形。对键合图形层中间的区域进行刻蚀，例如等离子体刻蚀，在第二半导体基板310表面形成深凹槽330。具体深凹槽的深度可以为：50um-200um，长宽可以小于浅凹槽的长宽。对第三半导体基板未形成深凹槽的一面进行减薄处理，例如具体可以采用键合载片后进行机械研磨的方法，研磨压力1-5bar，磨轮颗粒选择，10um-50um，在本实施例中，减薄后深凹槽底部的第三半导体基板的厚度为200-350um。
32.接着，在深凹槽的底部形成吸气剂材料层，具体的吸气剂材料可以为锆铝合金，锆铁合金，锆石墨等，例如本实施例中采用铝合金、形成的方法为物理气相沉积法，参数可选用机台真空在10-5-10-4pa条件下，直流功率为100-500w，射频功率100-300w，氩气流量50-100sccm制备，形成的厚度1um-2um，例如1.2um、1.3um、1.5um。然后，利用沉积光刻胶层、光刻、刻蚀、清洗的方法，对吸气剂材料层进行图形化，形成形状的吸气剂图形层，在本实施例中，利用lift off(剥离法)方式去除，具体工艺参数：去胶液选择tmah(四甲基氢氧化铵)，超声功率是300-500瓦，去胶时间是10-60分钟。
33.现有传感器封装大多数是传统的惰性气体的to(小型的金属管状封装)封装，一般的惰性气体导热系数比较大，进而影响器件性能；导热系数比较小的惰性气体，价格又比较贵，本发明利用在深凹槽底部增加吸气剂材料，吸气剂和残留在密闭空腔的气体如氧气和水汽发生化学反应，以达到去除气体，提高真空度的目的。在本发明中，顶盖结构、底盖结构仅为方便理解本发明，在实施中并无方向限制，因此，无论在顶盖结构或是底盖结构内设置吸气剂材料层均在本发明的保护范围内。
34.接着，键合顶盖结构20、热电堆结构板10及底盖结构30，所述顶盖结构的键合图形层和热电堆结构支撑介质层上的键合图形层贴合，所述底盖结构的键合图形层和热电堆结构第一半导体基板底面上的键合图形层贴合，然后进行热处理，键合温度300-500度，压力0.5mpa-100mpa，时间5-60min，保护气体氮气或者氢气或氮氢混合气，使其键合。键合后顶盖结构的深凹槽和热电堆结构板构成第一空腔，热电堆结构板和底盖结构的深凹槽构成第二空腔，所述热辐射感应区被第一空腔和第二空腔包围。第二空腔的设置，能尽量减少上层结构对入射的热辐射的直接吸收，同时对入射的热辐射进行一定程度地储存，使得热电堆结构最大程度地接收入射的辐射热量，由此可以提高热电堆传感器的性能。
35.本发明进一步的在所述顶盖结构20的所述热辐射感应区，即像素单元上方的部分形成辐射穿透窗口410，所述辐射穿透窗口410适于透射红外辐射。所述辐射穿透窗口410的形状可以根据需要选择设置，例如圆形，矩形等，具体可以采用光刻和刻蚀的方法，在第二半导体基板上形成通孔。所述辐射穿透窗口上可以设置有红外增透膜420。所述辐射穿透窗口的材料包括半导体(例如硅、绪或环、绝缘体上硅等)或有机滤光材料(例如聚乙烯、聚丙烯等材料)中的一种或两种。在硅封盖表面制备透镜及生长增透膜，不仅增加了红外光通量，而且可以增加到达芯片表面强度，从而提供器件性能。
36.本发明的热电堆传感器及制备方法在一个芯片集成了感应功能，信号放大/读出电路和匹配电阻等功能，集成度高，成本低，性能好；并且硅晶圆级真空封装制造，硅晶圆不仅能透红外又降低了制造成本，另外是封装体是真空环境，性能相比传统封装性能有极大提高，用铝锗，金锡等键合材料比其他晶圆级键合材料的效果好。
37.在硅封盖表面制备透镜及生长增透膜，不仅增加了红外光通量，而且可以增加到达芯片表面强度，从而提供器件性能。
38.任何本领域技术人员，在不脱离本发明实施例的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明实施例的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
39.以上所述仅为本发明的优选实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在发明的专利保护范围内。

技术特征：
1.一种热电堆传感器的制备方法，其特征在于，包括步骤：提供热电堆结构板，所述热电堆结构板具有支撑结构和位于支撑结构之间的热辐射感应区；提供顶盖结构，所述顶盖结构包括第二半导体基板，所述第二半导体基板具有深凹槽，所述深凹槽边缘的第二半导体基板上具有键合图形层；提供底盖结构，所述底盖结构包括第二半导体基板，所述第三半导体基板具有深凹槽，所述深凹槽边缘的第三半导体基板上具有键合图形层，在所述深凹槽底部的第三表半导体基板表面具有吸气剂图形层；键合顶盖结构、热电堆结构板及底盖结构，键合后顶盖结构的深凹槽和热电堆结构板构成第一空腔，热电堆结构板和底盖结构的深凹槽构成第二空腔，所述热辐射感应区被第一空腔和第二空腔包围。2.根据权利要求1所述的热电堆传感器的制备方法，其特征在于，所述支撑结构包括第一半导体基板和形成在其上的支撑介质层，所述热辐射感应区包括绝缘介质层及形成在绝缘介质层上的半导体外延层。3.根据权利要求2所述的热电堆传感器的制备方法，其特征在于，所述顶盖结构的制备方法包括步骤：提供第二半导体基板；在第二半导体基板表面形成键合图形层；在第二半导体基板表面形成深凹槽，所述键合图形层位于所述深凹槽的边缘。4.根据权利要求3所述的热电堆传感器的制备方法，其特征在于，所述键合图形层的材料为锗、铝、金、锡、铜其中的任意一种或者其合金。5.根据权利要求4所述的热电堆传感器的制备方法，其特征在于，所述顶盖结构的所述热辐射感应区的对应位置具有辐射穿透窗口。6.根据权利要求5所述的热电堆传感器的制备方法，其特征在于，所述第一半导体基板、第二半导体基板和第三半导体基板为硅、锗、硅锗、砷化镓、磷化铟中任意一种半导体衬底材料。7.根据权利要求6所述的热电堆传感器的制备方法，其特征在于，所述吸气剂图形层的材料为锆铝合金，锆铁合金，锆石墨中的一种或者其混合。8.根据权利要求7所述的热电堆传感器的制备方法，其特征在于，所述吸气剂图形层的形成方法为物理气相沉积法。9.一种热电堆传感器，其特征在于，包括：热电堆结构板，所述热电堆结构板具有支撑结构和位于支撑结构之间的热辐射感应区；顶盖结构，所述顶盖结构包括第二半导体基板，所述第二半导体基板具有深凹槽，所述深凹槽边缘的第二半导体基板上具有键合图形层；底盖结构，所述底盖结构包括第二半导体基板，所述第三半导体基板具有深凹槽，所述深凹槽边缘的第三半导体基板上具有键合图形层，在所述深凹槽底部的第三表半导体基板表面具有吸气剂图形层；所述顶盖结构的深凹槽和热电堆结构板构成第一空腔，热电堆结构板和底盖结构的深
凹槽构成第二空腔，所述热辐射感应区被第一空腔和第二空腔包围。10.根据权利要求9所述的热电堆传感器，其特征在于，所述吸气剂图形层的材料为锆铝合金，锆铁合金，锆石墨中的一种或者其混合。

技术总结
本发明公开了一种短波红外探测器及其制备方法，包括：热电堆结构板，所述热电堆结构板具有支撑结构和热辐射感应区；顶盖结构，所述顶盖结构包括第二半导体基板，所述第二半导体基板具有深凹槽；底盖结构，所述底盖结构包括第二半导体基板，所述第三半导体基板具有深凹槽，在所述深凹槽底部的第三表半导体基板表面具有吸气剂图形层；所述顶盖结构的深凹槽和热电堆结构板构成第一空腔，热电堆结构板和底盖结构的深凹槽构成第二空腔，所述热辐射感应区被第一空腔和第二空腔包围，提高了器件的集成度和性能。度和性能。度和性能。


技术研发人员：请求不公布姓名
受保护的技术使用者：镭友芯科技（苏州）有限公司
技术研发日：2023.07.18
技术公布日：2023/9/14