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一种立体式 温度探测器及其制造方法

阅读：71发布：2020-09-14

专利汇可以提供一种立体式温度探测器及其制造方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本申请提供一种立体式温度探测器及其制造方法，该立体式温度探测器包括：基片；位于所述基片表面的第一介质层；第一介质层、第一层热电堆材料结构、第二介质层结构、第二层热电堆材料结构、以及第三介质层结构围成的空腔；所述空腔顶部具有第六凹槽以及填充所述第六凹槽的红外吸收层结构，所述红外吸收层结构具有第八凹槽；所述第一层热电堆材料结构通过所述第四凹槽与所述第二层热电堆材料结构连接。根据本申请，能够增加热电堆热偶对和热电堆隔热膜的长度，使其热导率降低，从而使热结和冷结的温差增加，提高温度探测器的灵敏度；并且，在其制造工艺中，可以提高工艺稳定性和器件性能。，下面是一种立体式温度探测器及其制造方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种立体式温度探测器的制造方法，该方法包括：
在基片(9)上沉积第一介质层(10)；
在所述第一介质层(10)上形成牺牲层结构(11)；
在所述牺牲层结构(11)的上表面和侧壁形成第一层热电堆材料结构(12)，所述第一层热电堆材料结构(12)具有使所述牺牲层结构的上表面的一部分露出的第一凹槽(13)，并且，所述第一层热电堆材料结构(12)还具有第一延伸部(12b)，所述第一延伸部(12b)覆盖所述牺牲层结构(11)底部外侧的一部分所述第一介质层(10)；
形成第二介质层结构(14)以覆盖所述第一层热电堆材料结构(12)表面以及露出的所述第一介质层(10)表面，所述第二介质层结构(14)具有第二凹槽(14b)、第三凹槽(15)和第四凹槽(16)，其中，所述第二凹槽(14b)使所述第一凹槽(13)露出，所述第三凹槽(15)使所述第一延伸部(12b)的一部分露出，所述第四凹槽(16)使位于所述第一凹槽(13)外侧的所述第一层热电堆材料结构(12)的一部分露出；
形成第二层热电堆材料结构(17)以覆盖所述第二介质层结构(14)，所述第二层热电堆材料结构(17)通过所述第四凹槽(16)与所述第一层热电堆材料结构(12)连接，所述第二层热电堆材料结构(17)具有第五凹槽(17b)和第二延伸部(17c)，其中，所述第五凹槽(17b)使所述第一凹槽(13)露出，所述第二延伸部(17c)位于覆盖所述第一介质层(10)的一部分所述第二介质层结构(14)的表面；
形成第三介质层结构(18)以覆盖所述第二层热电堆结构(17)，所述第三介质层结构(18)具有使所述第一凹槽(13)露出的第六凹槽(18b)，以及使所述第二延伸部(17c)的一部分露的第七凹槽(19)；
形成填充所述第六凹槽(18b)的红外吸收层结构(20)，所述红外吸收层结构(20)具有使所述牺牲层结构(11)的上表面的一部分露出的第八凹槽(21)；
经由所述第八凹槽(21)，去除所述牺牲层结构，形成空腔(22)。
2.如权利要求1所述的立体式温度探测器的制造方法，其中，
所述第一层热电堆材料结构(12)具有相邻的至少两个，所述第二层热电堆材料结构(17)具有相邻的至少两个，并且，所述第二层热电堆材料结构(17)与相邻的所述第一层热电堆材料结构(12)经由所述第三凹槽(15)连接，以形成串联的热偶对。
3.如权利要求1所述的立体式温度探测器的制造方法，其中，
所述红外吸收层的材料是钛(Ti)、氮化钛(TiN)、钽(Ta)、氮化钽(TaN)、金黑(Gold black)、硅黑(Silicon black)和介质层复合膜中的一种或两种以上。
4.如权利要求1所述的立体式温度探测器的制造方法，其中，
所述第一层热电堆材料结构和所述第二层热电堆材料结构分别是掺杂多晶硅、锑(Sb)及其化合物、铋(Bi)及其化合物、钛(Ti)及其化合物、钽(Ta)及其化合物、铝(Al)和金(Au)中的一种；
并且，所述第一层热电堆材料结构和所述第二层热电堆材料结构具有不同的塞贝克系数。
5.如权利要求1所述的立体式温度探测器的制造方法，其中，
所述第八凹槽(21)的横向面积与所述红外吸收层结构(20)的横向面积的比值为
1:10000-1:1000000。
6.如权利要求1所述的立体式温度探测器的制造方法，其中，
所述牺牲层结构(11)的厚度为0.1～100um。
7.如权利要求1所述的立体式温度探测器的制造方法，其中，
所述第六凹槽(18b)的横向面积小于所述第一凹槽(13)的横向面积。
8.一种立体式温度探测器，包括：
基片(9)；
位于所述基片(9)表面的第一介质层(10)；
位于所述第一介质层(10)表面的、自下而上依次层叠的第一层热电堆材料结构(12)、第二介质层结构(14)、第二层热电堆材料结构(17)、以及第三介质层结构(18)，并且，所述第一介质层(10)、所述第二介质层结构(14)、以及所述第三介质层结构(18)围成空腔(22)；
所述空腔顶部具有第六凹槽(18b)以及填充所述第六凹槽(18b)的红外吸收层结构(20)，所述红外吸收层结构(20)具有使所述空腔(22)与外界连通的第八凹槽(21)；
所述第二介质层结构(14)具有第三凹槽(15)和第四凹槽(16)，所述第四凹槽(16)位于所述空腔(22)的顶部，且位于所述第六凹槽(18b)的外侧，所述第三凹槽(15)位于所述空腔(22)的底部外侧，并且，所述第二层热电堆材料结构(17)通过所述第四凹槽(16)与所述第一层热电堆材料结构(12)连接。
9.如权利要求8所述的立体式温度探测器，其中，
所述第一层热电堆材料结构(12)具有相邻的至少两个，并且，所述第二层热电堆材料结构(17)具有相邻的至少两个，其中，所述第二层热电堆材料结构(17)与相邻的所述第一层热电堆材料结构(12)经由所述第三凹槽(15)连接，以形成串联的热偶对。
10.如权利要求8所述的立体式温度探测器，其中，
所述第一层热电堆材料结构(12)和所述第二层热电堆材料结构(17)分别是掺杂多晶硅、锑(Sb)及其化合物、铋(Bi)及其化合物、钛(Ti)及其化合物、钽(Ta)及其化合物、铝(Al)和金(Au)中的一种；
并且，所述第一层热电堆材料结构和所述第二层热电堆材料结构具有不同的塞贝克系数。

说明书全文

一种立体式温度探测器及其制造方法

技术领域

[0001] 本申请涉及半导体技术领域，尤其涉及一种立体式温度探测器及其制造方法。

背景技术

[0002] 温度探测一直以来是传感器行业热门的话题，其中红外探测技术由其非接触式测温更受广大设计、制造和使用者欢迎。热电堆温度传感器作为红外探测器的一种，以其制造工艺简单、成本低、使用方便、无1/f噪声等特点被广泛研究。

[0003] 热电堆温度传感器的主要工作原理为塞贝克(Seebeck)效应。该效应可以简述为：两种具有不同塞贝克系数(α1、α2)的材料一端相连一端开路，若两端存在温度差ΔT＝T1-T2，则会在开路端会产生一开路电势ΔV，即赛贝克效应。该结构构成一个热电偶，若将N个热电偶串联起来就形成热电堆，与单个热电偶相比可以产生更大的热电势，即ΔV＝N*(α1-α2)*ΔT。

[0004] 热电堆温度传感器按其设计的结构有封闭膜、悬梁和悬浮结构三种。其中悬梁和悬浮结构工艺难度较大，在大规模生产中良率不高，故现有技术采用封闭膜式结构进行设计和生产。

[0005] 在现有技术中，封闭膜热电堆温度传感器需要如图1所示通过双面工艺背面刻蚀硅材料1形成凹槽6或者如图2所示通过正面开孔湿法腐蚀或干法刻蚀方法形成空腔8。在凹槽或空腔的上方有一层薄膜5或7，热电堆2的热结放置在该薄膜中心以接受薄膜5或
7上的吸收层3吸收红外辐射产生的热量，冷结放置在硅衬底4或6a上热短路，保持与环境温度相同。

[0006] 应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本申请的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本申请的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。发明内容

[0007] 本申请的发明人发现，针对图1的结构，双面工艺光刻对准精度不高，实际制造过程中容易对偏，导致器件失效或性能降低；针对图2的结构，正面刻蚀技术无论湿法腐蚀(例如KOH、TMAH腐蚀等)，还是干法腐蚀(如XeF2)都难以对刻蚀深度和宽度精确控制，从而影响器件性能。此外，由于考虑到器件尺寸和单元晶圆上传感器的产量，传感器的尺寸被限定，其平面薄膜的尺寸也被限定，所以，热结和冷结之间的热导率增大，热结和冷结的温差不够大，导致传感器探测温度的灵敏度不高。

[0008] 本申请提出一种立体式温度探测器及其制造方法，通过微加工牺牲层技术形成空腔结构，并将热结和冷结分别设置在该空腔结构的顶部和底部外侧，由此，本申请的立体式温度探测器与现有技术中的平面薄膜式温度探测器相比，在相同区域内，能够增加热电堆热偶对和热电堆隔热膜的长度，使其热导率降低，从而使热结和冷结的温差增加，提高温度探测器的灵敏度；并且，在该立体式温度探测器的制造工艺中，可以避免双面工艺中的对准误差影响，也可以避免正面刻蚀工艺中的过刻蚀影响，从而提高器件性能和工艺稳定性。

[0009] 根据本申请实施例的一个方面，提供一种立体式温度探测器的制造方法，该方法包括：

[0010] 在基片(9)上沉积第一介质层(10)；

[0011] 在所述第一介质层(10)上形成牺牲层结构(11)；

[0012] 在所述牺牲层结构(11)的上表面和侧壁形成第一层热电堆材料结构(12)，所述第一层热电堆材料结构(12)具有使所述牺牲层结构的上表面的一部分露出的第一凹槽(13)，并且，所述第一层热电堆材料结构(12)还具有第一延伸部(12b)，所述第一延伸部(12b)覆盖所述牺牲层结构(11)底部外侧的一部分所述第一介质层(10)；

[0013] 形成第二介质层结构(14)以覆盖所述第一层热电堆材料结构(12)表面以及露出的所述第一介质层(10)表面，所述第二介质层结构(14)具有第二凹槽(14b)、第三凹槽(15)和第四凹槽(16)，其中，所述第二凹槽(14b)使所述第一凹槽(13)露出，所述第三凹槽(15)使所述第一延伸部(12b)的一部分露出，所述第四凹槽(16)使位于所述第一凹槽(13)外侧的所述第一层热电堆材料结构(12)的一部分露出；

[0014] 形成第二层热电堆材料结构(17)以覆盖所述第二介质层结构(14)，所述第二层热电堆材料结构(17)通过所述第四凹槽(16)与所述第一层热电堆材料结构(12)连接，所述第二层热电堆材料结构(17)具有第五凹槽(17b)和第二延伸部(17c)，其中，所述第五凹槽(17b)使所述第一凹槽(13)露出，所述第二延伸部(17c)位于覆盖所述第一介质层(10)的一部分所述第二介质层结构(14)的表面；

[0015] 形成第三介质层结构(18)以覆盖所述第二层热电堆结构(17)，所述第三介质层结构(18)具有使所述第一凹槽(13)露出的第六凹槽(18b)，以及使所述第二延伸部(17c)的一部分露的第七凹槽(19)；

[0016] 形成填充所述第六凹槽(18b)的红外吸收层结构(20)，所述红外吸收层结构(20)具有使所述牺牲层结构(11)的上表面的一部分露出的第八凹槽(21)；

[0017] 经由所述第八凹槽(21)，去除所述牺牲层结构，形成空腔(22)。

[0018] 根据本申请实施例的另一个方面，其中，

[0019] 所述第一层热电堆材料结构(12)具有相邻的至少两个，所述第二层热电堆材料结构(17)具有相邻的至少两个，并且，所述第二层热电堆材料结构(17)与相邻的所述第一层热电堆材料结构(12)经由所述第三凹槽(15)连接，以形成串联的热偶对。

[0020] 根据本申请实施例的另一个方面，其中，

[0021] 所述红外吸收层的材料是钛(Ti)、氮化钛(TiN)、钽(Ta)、氮化钽(TaN)、金黑(Gold black)、硅黑(Silicon black)和介质层复合膜中的一种或两种以上。

[0022] 根据本申请实施例的另一个方面，其中，

[0023] 所述第一层热电堆材料结构和所述第二层热电堆材料结构分别是掺杂多晶硅、锑(Sb)及其化合物、铋(Bi)及其化合物、钛(Ti)及其化合物、钽(Ta)及其化合物、铝(Al)和金(Au)中的一种；

[0024] 并且，所述第一层热电堆材料结构和所述第二层热电堆材料结构具有不同的塞贝克系数。

[0025] 根据本申请实施例的另一个方面，其中，

[0026] 所述第八凹槽(21)的横向面积与所述红外吸收层结构(20)的横向面积的比值为1:10000-1:1000000。

[0027] 根据本申请实施例的另一个方面，其中，

[0028] 所述牺牲层结构(11)的厚度为0.1um-100um。

[0029] 根据本申请实施例的另一个方面，其中，

[0030] 所述第六凹槽(18b)的横向面积小于所述第一凹槽(13)的横向面积。

[0031] 根据本申请实施例的又一个方面，提供一种立体式温度探测器，包括：

[0032] 基片(9)；

[0033] 位于所述基片(9)表面的第一介质层(10)；

[0034] 位于所述第一介质层(10)表面的、自下而上依次层叠的第一层热电堆材料结构(12)、第二介质层结构(14)、第二层热电堆材料结构(17)、以及第三介质层结构(18)，并且，所述第一介质层(10)、所述第二介质层结构(14)、以及所述第三介质层结构(18)围成空腔(22)；

[0035] 所述空腔顶部具有第六凹槽(18b)以及填充所述第六凹槽(18b)的红外吸收层结构(20)，所述红外吸收层结构(20)具有使所述空腔(22)与外界连通的第八凹槽(21)；

[0036] 所述第二介质层结构(14)具有第三凹槽(15)和第四凹槽(16)，所述第四凹槽(16)位于所述空腔(22)的顶部，且位于所述第六凹槽(18b)的外侧，所述第三凹槽(15)位于所述空腔(22)的底部外侧，并且，所述第二层热电堆材料结构(17)通过所述第四凹槽(16)与所述第一层热电堆材料结构(12)连接。

[0037] 本申请的有益效果在于：通过微加工牺牲层技术形成空腔结构，并将热结和冷结分别设置在该空腔结构的顶部和底部外侧，由此，使热结和冷结的温差增加，提高温度探测器的灵敏度，并且，提高器件性能和工艺稳定性。

[0038] 参照后文的说明和附图，详细公开了本申请的特定实施方式，指明了本申请的原理可以被采用的方式。应该理解，本申请的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内，本申请的实施方式包括许多改变、修改和等同。

[0039] 针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

[0040] 应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。

附图说明

[0041] 所包括的附图用来提供对本申请实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本申请的实施方式，并与文字描述一起来阐释本申请的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：

[0042] 图1是基于双面工艺制造的封闭膜热电堆温度传感器的立体结构示意图；

[0043] 图2是基于正面刻蚀工艺制造的封闭膜热电堆温度传感器的立体结构示意图；

[0044] 图3是本申请实施例的立体式温度探测器的俯视结构示意图；

[0045] 图4是本申请实施例的立体式温度探测器的纵剖面结构示意图；

[0046] 图5是本申请实施例的立体式温度探测器的侧视结构示意图；

[0047] 图6是本申请实施例的立体式温度探测器制造方法的一个流程示意图；

[0048] 图7A-图7O是本申请实施例的立体式温度探测器制造方法的每一步对应的器件结构示意图。

具体实施方式

[0049] 参照附图，通过下面的说明书，本申请的前述以及其它特征将变得明显。在说明书和附图中，具体公开了本申请的特定实施方式，其表明了其中可以采用本申请的原则的部分实施方式，应了解的是，本申请不限于所描述的实施方式，相反，本申请包括落入所附权利要求的范围内的全部修改、变型以及等同物。

[0050] 在本申请中，为了说明方便，将基片的设置各介质层的面称为“上表面”，将基片的与该“上表面”相对的面称为“下表面”，由此，“上”方向是指从“下表面”指向“上表面”的方向，“下”方向与“上”方向相反，并且，将“上”方向与“下”方向统称为“纵向”，将与所述半导体的“上表面”平行的方向称为“横向”。需要说明的是，在本申请中，“上”和“下”的设定是相对而言，仅是为了说明方便，并不代表具体使用或制造该立体式温度探测器时的方位。

[0051] 实施例1

[0052] 本申请实施例1提供一种立体式温度探测器的制造方法。图6是该立体式温度探测器制造方法的一个流程示意图，图7该立体式温度探测器制造方法的每一步对应的器件结构的纵剖面示意图。下面，结合图6和图7，对本实施例的立体式温度探测器的制造方法进行说明。

[0053] 步骤S601：在基片9上沉积第一介质层10，如图7A所示。

[0054] 在本实施例中，该基片可以是半导体制造领域中常用的晶圆，例如硅晶圆、绝缘体上的硅(Silicon-On-Insulator，SOI)晶圆、锗硅晶圆、锗晶圆或氮化镓(Gallium Nitride，GaN)晶圆等，本实施例对此并不限制。

[0055] 在本实施例中，可以采用半导体制造工艺中常用薄膜沉积方法在该基片9上沉积该第一介质层10，并且，该第一介质层10用于基片9与热电堆结构的电绝缘。

[0056] 步骤S602：在所述第一介质层10上形成牺牲层结构11。

[0057] 在本实施例中，该步骤S602可以包括如下步骤：

[0058] 1)旋涂牺牲层。

[0059] 在第一介质层10表面旋涂、并高温固化形成一层牺牲层11a，如图7B所示。

[0060] 2)形成牺牲层结构。

[0061] 通过掩模版光刻形成牺牲层图形，刻蚀该图形，形成牺牲层结构11，该牺牲层11用于形成后述的立体式温度探测器的空腔，如图7C所示。

[0062] 在本实施例中，该牺牲层结构11的横向宽度和传统工艺形成的热电堆凹槽类似，决定了空腔的横向宽度；该牺牲层结构11的厚度决定了热电堆结构的灵敏度增益，即，厚度越厚，增益越大，由此，通过调制该牺牲层结构11的厚度，能够提高该温度探测器的灵敏1/2
度。需要说明的是，考虑到该温度探测器中热电偶的电阻值R的热噪声Vn＝(4KTR) 对信噪比的影响，该厚度有一极值，该极值限制了该立体式温度探测器的最大灵敏度，例如，该牺牲层结构11的厚度可以是0.1um-100um，更具体地，例如可以是50um。

[0063] 步骤S603：形成第一层热电堆材料结构12。

[0064] 在本实施例中，该步骤S603可以包含如下步骤：

[0065] 1)沉积第一层热电堆材料12a。

[0066] 在已形成的牺牲层结构11基础上沉积一层热电堆材料12a，使其覆盖整个牺牲层结构，如图7D所示；并且，该第一层热电堆材料12a可以具有较大的塞贝克系数以增加温度探测器整体的灵敏度。

[0067] 2)形成第一层热电堆材料结构12。

[0068] 通过掩模版光刻形成第一层热电堆材料图形，刻蚀该图形，形成第一层热电堆材料结构12。如图7E所示，该第一层热电堆材料结构12形成于所述牺牲层结构11的上表面和侧壁，并且，所述第一层热电堆材料结构12具有使所述牺牲层结构的上表面的一部分露出的第一凹槽13，并且，所述第一层热电堆材料结构12还具有第一延伸部12b，所述第一延伸部12b覆盖所述牺牲层结构11底部外侧的一部分所述第一介质层10。

[0069] 如图7E所示，在一个具体的实施方式中，该第一凹槽13可以位于该牺牲层结构11的顶部的中心位置，由此，使工艺简便。

[0070] 步骤S604：形成第二介质层结构14。

[0071] 在本实施例中，该步骤S604可以包含如下步骤：

[0072] 1)沉积第二介质层14a。

[0073] 沉积第二介质层14a，使其覆盖第一层热电堆材料结构12并填充该第一凹槽13，如图7F所示。该第二介质层14a用于第一层热电堆材料结构12和后述的第二层热电堆材料结构的电绝缘。

[0074] 2)形成第二介质层结构14。

[0075] 通过掩模版光刻形成第二介质层图形，刻蚀该图形，形成第二层介质层结构14。如图7G所示，该第二介质层结构14覆盖所述第一层热电堆材料结构12表面以及露出的所述第一介质层10表面，所述第二介质层结构14具有第二凹槽14b、第三凹槽15和第四凹槽16，其中，所述第二凹槽14b使所述第一凹槽13露出，所述第三凹槽15使所述第一延伸部
12b的一部分露出，所述第四凹槽16使位于所述第一凹槽13外侧的所述第一层热电堆材料结构12的一部分露出；并且，在一个具体的实施方式中，该第四凹槽16可以位于该牺牲层结构11的顶部中心的边缘处。由此，该第三凹槽15和第四凹槽16分别成为用于第一层热电堆材料和第二层热电堆材料串联电连接的热结凹槽和冷结凹槽。

[0076] 步骤S605：形成第二层热电堆材料结构17。

[0077] 在本实施例中，该步骤S605可以包括如下步骤：

[0078] 1)沉积第二层热电堆材料17a。

[0079] 沉积第二层热电堆材料17a，使其覆盖上述第二凹槽14a-第四凹槽16，如图7H所示。

[0080] 2)形成第二层热电堆材料结构17。

[0081] 通过掩模版光刻形成第二层热电堆材料结构图形，刻蚀该图形，形成第二层热电堆材料结构17。如图7I所示，该第二层热电堆材料结构17覆盖所述第二介质层结构14，所述第二层热电堆材料结构17通过所述第四凹槽16与所述第一层热电堆材料结构12连接，并且，该第二层热电堆材料结构17具有第五凹槽17b和第二延伸部17c，其中，所述第五凹槽17b使所述第一凹槽13露出，所述第二延伸部17c位于覆盖所述第一介质层10的一部分所述第二介质层结构14的表面。

[0082] 在本实施例中，该第二层热电堆材料结构17与第一层热电堆材料结构12一起构成热电堆的热偶对，并且，在第四凹槽16处可以形成后述的热结，在该热偶对的另一端可以形成冷结。其中，在冷结处，该热偶对可以是开路，由此，可以由一个第二层热电堆材料结构17与一个第一层热电堆材料结构12单立的热偶对。此外，在本实施例中，该第一层热电堆材料结构(12)可以是相邻的至少两个，该第二层热电堆材料结构(17)也可以是相邻的至少两个，并且，该第二层热电堆材料结构(17)与相邻的该第一层热电堆材料结构(12)经由该第三凹槽(15)连接，以形成串联的热偶对，关于该串联的热偶对的连接形式，可以参考后述的图7L。

[0083] 在本实施例中，该第二层热电堆材料17还可以被用来制作热电堆的电极，用于后续封装引线及测试。

[0084] 步骤S606：形成第三介质层结构18。

[0085] 在本实施例中，该步骤S606可以包括如下步骤：

[0086] 1)沉积第三介质层18a。

[0087] 沉积第三介质层18a，使其覆盖整个热电堆器件结构，如图7J。

[0088] 2)形成第三介质层结构18。

[0089] 通过掩模版光刻形成第三介质层结构图形，刻蚀该图形，形成第三层介质层结构18。如图7K所示，该第三介质层结构18覆盖所述第二层热电堆结构17，并且，该第三介质层结构18具有使所述第一凹槽13露出的第六凹槽18b，以及使所述第二延伸部17c的一部分露的第七凹槽19。

[0090] 图7L是与图7K对应的俯视图，且图7K是图7L沿B-B方向的剖面图，如图7L和图7K所示，第二层热电堆结构17分为热结部17d、细条状的传导部17e、以及冷结部17f，在该第二层热电堆结构17的下方为第二介质层结构14和第一层热电堆结构12，其中，传导部17e将第二层热电堆结构17的热结部17d与相邻的第二层热电堆结构的冷结部17f连接，该冷结部17f经由第三凹槽15与位于其下的第一热电堆结构12连接，由此，形成串联的热偶对；并且第二介质层结构14和第三介质层结构18分布在整个牺牲层结构11的侧壁和上表面，以形成立体式支撑膜。在图7L和图7K中，23示出了热偶对处于牺牲层结构11顶部的部分，24示出了热偶对处于该牺牲层结构11的侧壁和底部外侧上的部分。

[0091] 在本实施例中，该第三介质层结构18能够用于该温度探测器的钝化层和保护层；并且，该第七凹槽19可以作为该温度探测器的电极露出凹槽，用于后续封装引线及测试。

[0092] 此外，在本实施例中，如图7K所示，所述第六凹槽18b的横向面积小于所述第一凹槽13的横向面积，从而使所述第一凹槽13的一部分露出，由此，该第三介质层结构18覆盖该第六凹槽18b的侧壁，以对该第六凹槽18b的侧壁进行钝化和保护。

[0093] 步骤S607：形成红外吸收层结构20。

[0094] 在本实施例中，该步骤S607可以包括如下步骤：

[0095] 1)沉积红外吸收层20a。

[0096] 沉积一层红外吸收层20a，使其覆盖整个结构，如图7M。

[0097] 2)形成红外吸收层结构20。

[0098] 通过掩模版光刻形成红外吸收层结构图形，刻蚀该图形，形成红外吸收层结构20。如图7N所示，覆盖第七凹槽19的红外吸收层被去除，以露出第二延伸部17c的一部分；形成的所述红外吸收层结构20填充所述第六凹槽18b，用于吸收红外辐射；并且，该红外吸收层结构20具有使所述牺牲层结构11的上表面的一部分露出的第八凹槽21，用于对该牺牲层结构11进行释放，例如，第八凹槽21可以形成在该红外吸收层结构20的中心。

[0099] 在本实施例中，所述第八凹槽21的横向面积与所述红外吸收层结构20的横向面积的比值非常小，故不影响温度探测器整体红外辐射的吸收，例如，该比值可以是1:10000-1:1000000，更具体地，例如可以是1:160000。

[0100] 此外，在本实施例中，该红外吸收层结构20不仅可以填充所述第六凹槽18b，还可以覆盖所述第三介质层结构18的上表面的一部分，例如，如图7N所示，该红外吸收层结构20还可以覆盖所述第四凹槽16对应的第三介质层结构18的一部分，即与该热偶对的热结对应的位置，由此，红外吸收层结构20所吸收的热量能够快速地传导到该热结，提高了该立体式温度探测器的响应速度。

[0101] 步骤S608：经由所述第八凹槽21，去除所述牺牲层结构11，形成空腔22，如图7O所示。

[0102] 在本实施例中，所述牺牲层结构11的材料可以是半导体制造工艺中常用的牺牲层材料，例如聚酰亚胺、非晶硅、多晶硅、氧化硅和光刻胶等材料中的一种或两种以上。并且，随着牺牲层结构11的材料的不同，在步骤S608中所使用的去除该牺牲层的方法也不同，具体的方法可参考现有技术，本实施例不再赘述。

[0103] 在本实施例中，该红外吸收层的材料可以是钛(Ti)、氮化钛(TiN)、钽(Ta)、氮化钽(TaN)、金黑(Gold black)、硅黑(Silicon black)和介质层复合膜等中的一种或两种以上。

[0104] 在本实施例中，该第一层热电堆材料结构和所述第二层热电堆材料结构可以分别是掺杂多晶硅、锑(Sb)及其化合物、铋(Bi)及其化合物、钛(Ti)及其化合物、钽(Ta)及其化合物、铝(Al)和金(Au)等材料中的一种；并且，所述第一层热电堆材料结构和所述第二层热电堆材料结构具有不同的塞贝克系数，由此，二者能够形成热偶对，以进行温度检测。

[0105] 根据上述说明可知，相比较传统的双面刻蚀背面凹槽的工艺，本申请的制造方法通过牺牲层旋涂、固化、光刻刻蚀、释放等步骤，制作出空腔，对准精度远高于双面工艺；相比传统的正面刻蚀技术，本申请的制造方法可以通过光刻胶掩模精确控制刻蚀宽度，没有过刻蚀的现象存在；因此，本申请的制造方法的工艺稳定性高，并且能保证器件的性能。

[0106] 下面，结合具体实例和图7，详细说明本实施例的封装方法的一个具体实施方式，在本具体实施方式中，牺牲层结构11采用聚酰亚胺(PI)，第一介质层10和第三介质层结构18采用氮化硅(Si3N4)，第二介质层结构14采用氧化硅(SiO2)，红外吸收层结构20采用金黑(Gold black)，第一层热电堆材料结构12采用掺杂硼的多晶硅(PolySi:B)，第二层热电堆材料结构17采用铝(Al)，并且，该基片9可以是硅晶圆。

[0107] 具体步骤如下：

[0108] 1)在硅晶圆9上用LPCVD或PECVD的方法沉积一层氮化硅薄膜，作为温度探测器的第一介质层10。

[0109] 2)在氮化硅10上滴胶、甩胶、高温固化一层聚酰亚胺牺牲层11a；通过掩模版光刻涂覆在牺牲层11a上的光刻胶图形，用RIE或IBE刻蚀该图形，形成牺牲层结构11。

[0110] 3)在已形成的牺牲层结构11基础上用LPCVD或PECVD的方法沉积一层多晶硅薄膜，并掺杂一定浓度的硼，使其形成掺硼的多晶硅薄膜，即第一层热电堆材料12a，其覆盖整个牺牲层结构11。通过掩模版光刻涂覆在该第一层热电堆材料12a上的光刻胶图形，用RIE或IBE刻蚀该图形，形成第一层热电堆材料结构12。该结构在牺牲层结构11上表面暴露出一凹槽图形，作为第一凹槽13。

[0111] 4)继续用LPCVD或PECVD的方法沉积一层氧化硅薄膜14a，使其覆盖掺硼的多晶硅薄膜结构12并填充露出的第一凹槽13。通过掩模版光刻涂覆在氧化硅薄膜14a上的光刻胶图形，用RIE或IBE刻蚀该图形，形成第二层介质层结构14。该结构除了露出第一凹槽13外，还在其与第一层热电堆材料相连处形成凹槽15和凹槽16。

[0112] 5)用蒸发或溅射的方法沉积一层铝薄膜17a，使其覆盖上述三个凹槽13，15，16。通过掩模版光刻涂覆在铝薄膜上的光刻胶图形，用RIE或IBE或湿法腐蚀的方法刻蚀该图形，以形成第一层热电堆材料结构17，其与掺硼的多晶硅薄膜12共同形成热偶对，并继续露出第一凹槽13。

[0113] 6)用LPCVD或PECVD的方法沉积一层氮化硅薄膜18a，使其覆盖整个热电堆器件结构。该介质层18a用于温度探测器的钝化层和保护层。通过掩模版光刻涂覆在氮化硅薄膜18a上的光刻胶图形，用RIE或IBE刻蚀该图形，形成第三介质层结构18。该结构在顶部继续暴露出第一凹槽13。并在底部暴露出凹槽19。

[0114] 7)在氮气低压气氛下，例如100-300Pa，用蒸发的方法沉积一层金薄膜20a，该金薄膜在氮气氛围中沉积颗粒增大，宏观下呈黑色，用于吸收红外辐射。该金黑薄膜20覆盖凹槽13和凹槽19。通过掩模版光刻涂覆在金黑薄膜20a上的光刻胶图形，用湿法或RIE或IBE的方法刻蚀该图形，使其暴露出电极，并在牺牲层11顶部形成红外吸收层20。此外，在红外吸收层的中央形成一微小的凹槽21，用于牺牲层结构11的释放。

[0115] 8)用氧等离子灰化的方法射频或微波释放牺牲层结构11，形成空腔22。

[0116] 9)涂胶保护，切割晶圆，丙酮溶液去除光刻胶，立体式温度探测器制作完成。

[0117] 实施例2

[0118] 本申请实施例2提供一种立体式温度探测器。图3是该立体式温度探测器的俯视结构示意图，图4是沿图3的A-A方向的纵剖面结构示意图，图5是该立体式温度探测器的侧视结构示意图。如图3-5所示，该立体式温度探测器包括：

[0119] 基片(9)；

[0120] 位于所述基片(9)表面的第一介质层10；

[0121] 位于所述第一介质层10表面的、自下而上依次层叠的第一层热电堆材料结构12、第二介质层结构14、第二层热电堆材料结构17、以及第三介质层结构18，并且，所述第一介质层10、所述第二介质层结构14、以及第三介质层结构18围成空腔22；

[0122] 所述空腔顶部具有第六凹槽18b以及填充所述第六凹槽18b的红外吸收层结构20，所述红外吸收层结构20具有使所述空腔22与外界连通的第八凹槽21；

[0123] 所述第二介质层结构14具有第三凹槽15和第四凹槽16，所述第四凹槽16位于所述空腔22的顶部，且位于所述第六凹槽18b的外侧，所述第三凹槽15位于所述空腔22的底部外侧，并且，所述第二层热电堆材料结构17通过所述第四凹槽16与所述第一层热电堆材料结构12连接。

[0124] 在本实施例中，第一介质层10负责热电堆与基片9的电绝缘，第二介质层结构14负责第一层热电堆材料结构12和第二层热电堆材料结构17的电绝缘，第三介质层结构18负责对热电堆结构起其钝化和保护的作用，并使得红外吸收层结构20与第一层热电堆材料结构12和第二层热电堆材料结构17电绝缘；并且第二介质层结构14和第三介质层结构18分布在整个空腔的侧壁和上表面形成立体式支撑层；第一层热电堆材料结构12和第二层热电堆材料结构17构成热电堆的热结和冷结，用于产生由温差引起的电动势差；红外吸收层结构20负责吸收由外界通过光学系统传输到热电堆探测器表面的红外辐射，并产生热量传导到热电堆的热结；空腔22负责形成热电堆隔热结构，以减少体效应产生的导热量。

[0125] 在本实施例中，该第一层热电堆材料结构12可以是相邻的至少两个，并且，该第二层热电堆材料结构17可以是相邻的至少两个，其中，该第二层热电堆材料结构17与相邻的该第一层热电堆材料结构12经由该第三凹槽15连接，以形成串联的热电偶对。

[0126] 关于实施例2中立体式温度探测器各部件的具体说明，可以参考实施例1，本实施例不再赘述。

[0127] 对于热偶双材料构成的热偶对而言，一般为长条形并有一定的厚度，其热导表达式为G＝λS/L，其中，λ为热导率，S为横截面积，L是物体的长度。因此，热偶对的热导Gtc为Gtc＝N(λ1S1/L1+λ2S2/L2)，可以看出，在材料、热偶对对数、材料横截面积确定的情况下，增加热偶对的长度可以减少热导。

[0128] 此外，一方面与悬梁和悬浮结构相比，封闭膜结构还多了一种热导，即支撑层热导。不同形状的支撑层其热导表达式也不同。在本申请中，可以采用正方形的红外吸收区结构，设a和b分别为封闭膜中心到热结区和冷结区的距离，λmem为支撑层的热导率，tmem为其厚度，则有Gmen＝8λmem*tmem/Ln(b/a)，对于立体式结构的热电堆探测器，封闭膜中心到热结区的距离与传统方法的热电堆一样，都为a，而到冷结区的距离由于其立体结构，增加为b+tPI，其中tPI指牺牲层的厚度。由上述公式可以看出，其封闭膜的热导值随着封闭膜的长度变长而降低。

[0129] 另一方面，灵敏度或响应率Rv是评价温度探测器性能的重要指标，其定义为输出电压ΔV与入射辐射功率P的比值，单位V/W，即Rv＝ΔV/P。ΔV即Seebeck效应产生的电势差，入射辐射功率P可以表示为P＝Gtotal*ΔT/(η*t)，两式联立，可以得到响应率和热导的关系式Rv＝η*t*N*(α1-α2)/Gtotal。由于热导减少，热电堆产生的温差增大，其探测器的灵敏度或响应率也相应增加。

[0130] 由上述分析可以看出，本申请的立体式温度探测器通过形成一立体空腔，增加了其支撑层的长度，与传统热电堆相比，在相同尺寸条件下，其薄膜的长度和热电堆双材料的长度得到增加，进而减少了热电堆器件的总热导值，增加了温度探测器探测温度的灵敏度。

[0131] 以上结合具体的实施方式对本申请进行了描述，但本领域技术人员应该清楚，这些描述都是示例性的，并不是对本申请保护范围的限制。本领域技术人员可以根据本申请的精神和原理对本申请做出各种变型和修改，这些变型和修改也在本申请的范围内。

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