專利名稱:一種氣體傳感器及其制造工藝的制作方法
技術領域:
本發(fā)明涉及生產、儲備、運輸有毒有害氣體過程中氣體的安全檢測領域,特別是一種氣體傳感器及其制造工藝。
背景技術:
隨著社會的飛速發(fā)展和科技的突飛猛進,人們的生活呈現(xiàn)出與以往孑然不同的變化,這種變化一方面極大地提高了人們的生活水平和質量;但另一方面也給自己的生活空間和環(huán)境造成了不可估量的影響,環(huán)境污染日趨嚴重。工業(yè)生產規(guī)模逐漸擴大,產品種類不斷增多,尤其是石油、化工、煤礦、汽車等工業(yè)的飛速發(fā)展導致火災事故的不斷發(fā)生,大氣環(huán)境遭到嚴重破壞。例如,化工生產中經常使用和產生一些易燃易爆、有毒有害氣體,這些氣體一旦超標、泄漏,將嚴重影響生產人員及周圍生活居民的身體健康,如果引起爆炸,將造成人員傷亡、生產停產和財產損失,其中煤礦瓦斯爆炸就是最熟悉的例子。再如,汽車產業(yè)的發(fā)展雖然給人們生活帶來極大的便利,但其產生尾氣造成的大氣污染問題不容忽視,尾氣中的N0X、SOx等有毒氣體可引起酸雨,CO2等更是造成溫室效應的罪魁禍首;另外,近年來,隨著人們生活水平的提高以及人們對家居環(huán)境裝飾要求的轉變,大量新型裝修和裝飾材料悄然走進住宅和公共建筑物,走近人們的生活,加之現(xiàn)代建筑密閉化的特點,使得室內空氣質量問題日益突出,而由于裝修后甲醛超標造成的惡性病例更是時有報道。這些氣體污染不僅危害人體健康,而且某種意義上阻礙了社會發(fā)展,更嚴重的將關系到生命的存亡。 人類對這些氣體的感知和承受能力是有限的,為了確保安全,防患于未然,人們研制了各種檢測方法和測試儀器,以便及時準確地檢測并控制環(huán)境中的各種有毒有害氣體氣體。傳感器經過多年的發(fā)展,已廣泛應用于各行業(yè)的生產、國防、醫(yī)療、生活和監(jiān)測機構等領域。而研究和開發(fā)這些用于環(huán)境監(jiān)測的氣體傳感器,更成為人們日益關心的問題。金屬氧化物半導體(M0Q納米薄膜氣體傳感器便是眾多氣體傳感器中應用最廣泛的一種。金屬氧化物半導體納米薄膜的氣敏性能往往需要被加熱到一定溫度才能發(fā)揮效果,因此需要在薄膜下制作微加熱板,以提供給氣敏薄膜足夠的溫度,這就帶來了一定的功率損耗。而功耗過大的問題一直制約著MOS氣體傳感器的進一步發(fā)展。為降低功耗,往往將硅基底的底部掏空,但傳統(tǒng)的絕熱層依然會將大量熱量傳導至硅基底形成不必要的功率損耗。改變絕熱層的形貌,近一步降低絕熱層的可以大幅度降低絕熱層傳熱能力,利用這種方式,設計出一種既制作工藝簡單,功耗低的的氣體傳感器很有工程應用意義。
發(fā)明內容
發(fā)明目的本發(fā)明所要解決的技術問題是針對現(xiàn)有技術的不足,提供一種氣體傳感器及其制造工藝。為了解決上述技術問題,本發(fā)明公開了一種氣體傳感器,由下至上依次為鋁層、第一二氧化硅層、硅基底、第二二氧化硅層、電極組層以及二氧化錫層;其中,鋁層、第一二氧化硅層以及硅基底為環(huán)形中空結構;
所述電極組層分為中心區(qū)和外圍區(qū);中心區(qū)包括叉指信號電極,位于叉指信號電極外圍的測溫電極以及位于測溫電極外圍的加熱電極;外圍區(qū)包括叉指信號電極引出叉指信號電極觸腳,測溫電極引出測溫電極觸腳以及加熱電極引出加熱電極觸腳;所述第二二氧化硅層位于相鄰電極觸腳之間的部分設置有窗口,第二二氧化硅層上相鄰的窗口之間的部分構成懸臂結構;二氧化錫層位于電極組層中心區(qū)上方。本發(fā)明中,所述叉指信號電極觸腳和測溫電極觸腳各有一對,加熱電極觸腳為兩對,兩對加熱電極觸腳對向設置;叉指信號電極觸腳和測溫電極觸腳對向設置,從而將兩對加熱電極觸腳間隔開,所述窗口設置有四個,分別設置在相鄰的兩對電極之間。本發(fā)明中,所述叉指信號電極的寬度為ΙΟμπι,測溫電極的寬度為ΙΟμπι,加熱電極的寬度為20 μ m,電極組的厚度為180nm 220nm。本發(fā)明中,所述第二二氧化硅層的懸臂結構的寬為50μπι,長為ΙΟΟμπι。本發(fā)明中,所述二氧化錫層的厚度為180nm 220nm。本發(fā)明還公開了一種氣體傳感器的制造工藝,包括以下步驟步驟(1),在硅基底上下表面生成二氧化硅層;步驟O),在硅基底上表面的二氧化硅層上涂光刻膠,將電極組形狀的掩模版蓋在光刻膠上曝光,溶解被光照部分的光刻膠;步驟(3),在步驟( 得到的產物的上表面生成鉬薄膜層;步驟,剝離步驟(3)得到的產物上的光刻膠并去除光刻膠上的鉬薄膜層,得到鉬電極組;步驟(5),在鉬電極組上制備、燒結二氧化錫層;在二氧化錫層上涂光刻膠、曝光并用氫碘酸將電極組中心區(qū)以及外圍區(qū)以外部分的二氧化錫刻蝕掉;步驟(6),在硅基底下表面二氧化硅層上沉積鋁層;步驟(7),在鋁層表面涂光刻膠、曝光,再將中心部分的鋁刻蝕掉,裸露出二氧化硅層一部分;步驟(8),將未被鋁覆蓋的二氧化硅層刻蝕掉;步驟(9),對硅基底未被下表面二氧化硅覆蓋的部分進行刻蝕,直至上表面的二氧化硅層為止;步驟(10),在硅基底上表面的二氧化硅層上涂光刻膠、曝光并刻蝕部分二氧化硅形成所懸臂結構。本發(fā)明所述制造工藝的步驟(5)中,采用溶膠凝膠法在電極組上旋涂、燒結,制備
二氧化錫薄膜;在二氧化錫薄膜上旋涂光刻膠,蓋上所需二氧化錫形狀的掩模板,曝光,再將曝光后的光刻膠溶解于顯影液,裸露出所需腐蝕掉的二氧化錫薄膜;放入氫碘酸中腐蝕掉裸露出的二氧化錫薄膜;放入丙酮中清洗掉剩余光刻膠,得到二氧化錫薄膜。本發(fā)明所述制造工藝的步驟(7)中,在鋁膜上涂光刻膠、曝光,使用 BCl3 Cl2 CHCl3 N2氣體組合在鋁層上刻蝕出窗口,裸露出二氧化硅層。本發(fā)明所述制造工藝的步驟(8)中,利用鋁層做掩模板,使用CHF3^2氣體組合將裸露出的二氧化硅層進行刻蝕,裸露出硅基底部分下表面。
本發(fā)明所述制造工藝的步驟(9)中,利用鋁層作為掩膜層,以SF6為刻蝕氣體方法,C4F8為鈍化氣體,對硅基底進行刻蝕直至硅基底上表面的二氧化硅層時停止。
本發(fā)明中,所述硅基底可以預先進行雙面剖光。本發(fā)明中,所述中空的通孔結構為通孔壁與上下表面呈90度。本發(fā)明中,所述的硅基底厚度為200 400 μ m,優(yōu)選為300 μ m ;所述二氧化硅層用于絕熱截止,厚度為500 900nm,優(yōu)選為700nm。本發(fā)明采用微機電系統(tǒng)(MicroElectronical Mechanical System, MEMS)工藝, 將金屬氧化物半導體納米薄膜氣體傳感器的核心部件集成在一個2mmX2mm的芯片之上, 利用加熱電極將金屬氧化物半導體納米薄膜加熱到所需的工作溫度,利用測溫電極反饋溫度信號,利用叉指電極減小薄膜的電阻值測量電阻的變化,并且將硅基底腐蝕空,從而可以減小傳感器的體積降低傳感器的功耗。有益效果本發(fā)明將加熱電極、叉指信號電極、測溫電極制作于一層,這樣就可以減少一層絕緣層及一層金屬層的制作,從而降低了制造復雜度,提高了成品率。為降低傳感器的使用功耗,在基底層上表面的二氧化硅層上的部分掏空,加工出懸臂梁結構,用以減少傳熱路徑,降低了傳感器的功耗。在傳統(tǒng)硅基金屬氧化物半導體氣體傳感器加工工藝中往往先制作好微熱板再沉積敏感薄膜,但經過硅的背面刻蝕,二氧化硅絕熱截止層,尤其是懸臂結構十分脆弱,往往經受不了旋涂,清洗等工藝,因此成品率較低。為解決這一問題,采取先沉積敏感薄膜后進行硅體加工的方法,可使懸臂結構在最后一步形成,并采用干法刻蝕的方法進行硅的體刻, 避免濕法刻蝕對敏感薄膜的離子污染。此外,干法刻蝕還可使硅基底通孔壁與硅基底上下表面呈90度,在保證膜片長度的同時減小芯片體積,從而在一片晶元上制作更多的傳感器芯片。本發(fā)明采用氣體傳感器加工工藝具有體積小、反應快、成本低、易批量生產等優(yōu)點。
下面結合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明做更進一步的具體說明,本發(fā)明的上述和 /或其他方面的優(yōu)點將會變得更加清楚。圖1為本發(fā)明實施例氣體傳感器結構爆炸示意圖。圖2為圖1中電極組層結構示意圖。圖3為圖1中硅基底上表面的二氧化硅層結構示意圖。圖如 圖4h為本發(fā)明實施例氣體傳感器的的制造工藝流程圖。
具體實施例方式實施例1 如圖1、圖2以及圖3所示,本發(fā)明金屬氧化物半導體納米薄膜氣體傳感器包括單晶硅硅基底4、硅基底上表面的二氧化硅層3、叉指信號電極2c、測溫電極加、加熱電極2b ; 所述的硅基底4具有通孔結構,該通孔結構為孔壁與基底上下表面垂直的正方形通孔。所述二氧化硅層3上設有窗口 3a,相鄰窗口之間的部分構成懸臂結構北。二氧化硅層3上表面設有叉指信號電極2c、測溫電極加和加熱電極2b組成的電極組2,電極組2上表面設有二氧化錫氣敏薄膜層1。所述測溫電極加、加熱電極2b以及叉指信號電極2c各自引出觸腳,依次為測溫電極的觸腳2d、加熱電極的觸腳加以及叉指信號電極的觸腳2f。如圖如 圖4h所示,所述硅基底4的下表面還設置有二氧化硅層5和鋁層6。電極組層分為中心區(qū)和外圍區(qū),其中叉指信號電極,位于叉指信號電極外圍的測溫電極以及位于測溫電極外圍的加熱電極組成中心區(qū),測溫電極的觸腳2d、加熱電極的觸腳2e以及叉指信號電極的觸腳 2f組成外圍區(qū)。所述二氧化錫層位于電極組層中心區(qū)上方。叉指信號電極,測溫電極以及加熱電極與各自電極的引腳之間的部分,正好設置在所述的二氧化硅層3上的懸臂結構上。電極組的厚度為200nm,叉指信號電極的電極寬度為10 μ m,電極間距為5 μ m。加熱電極的電極寬度為20 μ m,電極間距為10 μ m。測溫電極的電極寬度為10 μ m,電極間距為 IOum0 二氧化硅絕熱截止層的厚度為600nm。二氧化錫氣敏薄膜層的厚度為200nm。二氧化硅絕熱截止層上懸臂結構的寬度為50 μ m,長度為100 μ m。硅基底選用雙面拋光,晶向為 <1,0,0>的單晶硅,其厚度為350 μ m。本發(fā)明并不局限于實施例中所述的這些數據(包括厚度、寬度、間距等),只要在本發(fā)明范圍內的數據,都可以實現(xiàn)本發(fā)明產品的功能,本發(fā)明的電極布局也不局限于圖2 所示,電極如何布局也不是本發(fā)明的關鍵點,只要能實現(xiàn)傳感器功能的電極布局都在本發(fā)明的保護范圍之內。本實施例的具體制造工藝如下步驟1,以厚度為350 μ m,雙面拋光的P型[1,0,0]硅片作為基底,對其進行清洗、 漂洗并烘干,然后采用熱氧化法在氧化爐中采用1100°c的溫度在硅基底上下表面氧化生成 600nm厚的二氧化硅層,上表面生成的二氧化硅層可用于硅基底背面刻蝕時的自動截止層, 也可作為傳感器使用時隔絕加熱電極所產生的熱量傳導至硅基底的絕熱層,如圖4a所示;步驟2,在硅基底上表面的二氧化硅層上表面涂光刻膠,將制作好的電極組形狀的掩模版蓋在光刻膠上,進行曝光,被光照到的光刻膠成為可溶解于顯影液的物質,將曝光后的硅片放入顯影液中,溶解掉被光照后的光刻膠,因此裸露的二氧化硅膜為電極組形狀;步驟3,采用磁控濺射法(參見林峰,于月光,李世晨等,含氧氣直流磁控濺射薄膜鉬電阻制備及性能研究[J],金屬功能材料,2006,13 O) :25-28)在步驟2得到的產品的上表面依次生成20nm的鈦薄膜和200nm厚的鉬薄膜層;步驟4,光刻剝離法(Lift-off)(參見張鵬,王兢,平面工藝SnA薄膜甲醛氣敏元件的研究[J],傳感技術學報,2009.,22(1) 6-10)處理步驟3得到的產品,即清洗掉光刻膠并帶掉光刻膠上的鉬,得到所需的電極組。如圖4b所示 步驟5,采用溶膠-凝膠法(參見陶春旻,殷晨波,張子立等,Sn02納米薄膜氫敏特性的研究[J],功能材料,2011,42 (S4) =755-758)在電極組之上旋涂、燒結,制備二氧化錫薄膜,并在薄膜上旋涂光刻膠,蓋上所需二氧化錫形狀的掩模板,曝光,再將曝光后的光刻膠溶解于顯影液,從而裸露出所需腐蝕掉的二氧化錫薄膜,之后將基片放入濃度為57 %的氫碘酸中腐蝕直至腐蝕掉裸露出的二氧化錫薄膜,最后將基片放入丙酮中清洗掉剩余光刻膠,得到矩形的二氧化錫敏感薄膜。如圖如所示;步驟6,在硅基底的下表面二氧化硅層上采用磁控濺射的方法沉積一層鋁膜,該膜將作為硅體刻蝕時的掩膜層,如圖4d所示。步驟7,在鋁膜上涂光刻膠、曝光,再用BCl3 Cl2 CHCl3 N2 = 70sccm 5sccm IOsccm 0 50sccm的氣體組合,200W的功率及30Pa氣壓對鋁進行反應離子刻蝕(可以參見唐曉多,金屬鋁刻蝕工藝簡介[J],集成電路應用,2007,8 52)并形成一個窗口,裸露出二氧化硅層,如圖4e所示。步驟8,利用鋁薄膜層做掩模板,采用反應離子刻蝕的(RIE)方法(可以參見敬小成,姚若河,吳緯國,二氧化硅干法刻蝕參數的優(yōu)化研究[J],2005,30 (6) :37-44)將裸露出的二氧化硅層進行刻蝕,裸露出硅基底下表面的一部分,氣體組合為CHF3 O2 = 20sccm 3. 5sccm,功率為400W,壓強為5Pa,如圖4f所示。步驟9,利用鋁薄膜層作為掩膜層,使用電感耦合等離子體刻蝕(ICP)(可以參見劉歡,周震,劉惠蘭等,ICP刻蝕硅形貌控制研究[J] ,2011,24( :200-203)的方法對硅基底進行深度刻蝕,采用博世工藝,以SF6為刻蝕氣體,氣體流量為40sCCm,以C4F8 (八氟環(huán)丁烷)為鈍化氣體,氣體流量為kccm,當刻蝕至二氧化硅層時停止,如圖4g所示。步驟10,在二氧化硅絕熱層上表面涂光刻膠、曝光并在顯影液中清洗,露出一部分二氧化錫薄膜,再用反應離子刻蝕將露出的二氧化硅刻蝕掉形成懸臂結構,氣體組合為 CHF3 O2 = 20sccm 3. kccm,功率為 400W,壓強為 5Pa,如圖 4h 所示。本發(fā)明結構緊湊,體積小,功耗小,制造成品率高。使用該形狀的電極組使得在有限的面積之下最大限度的延長了加熱電極的長度,增加了加熱電極的有效加熱面積,提高了加熱效率;測溫電極處于加熱電極和叉指電極之間能更準確的反饋出金屬氧化物半導體納米薄膜的工作溫度;叉指信號電極處于電極組的中心能更好得發(fā)揮其功效。將叉指電極引腳設計成與其他電極引腳不同形狀便可由肉眼分清各個電極,有益于日后的封裝工作。 將二氧化硅絕熱截止層加工成懸臂結構使得傳熱面積大大降低,再加上二氧化硅本身的熱導率較低,益于將熱量集中于中心區(qū)域,減小加熱電極產生的熱量向于支撐的硅基底的傳導,從而降低與周圍空氣的熱對流帶走的熱量。將硅基底加工成通孔結構可使熱量只能通過二氧化硅懸臂結構傳導至硅基底。先沉積刻蝕二氧化錫氣敏薄膜再刻蝕二氧化硅層可避免懸臂結構在傳感器制作過程中的損壞。采用干法刻蝕技術對硅體進行加工可避免濕法刻蝕對二氧化錫氣敏薄膜產生離子污染,保證傳感器的可靠性。本發(fā)明提供了一種氣體傳感器及其制造工藝,具體實現(xiàn)該技術方案的方法和途徑很多,以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式,應當指出,對于本技術領域的普通技術人員來說,在不脫離本發(fā)明原理的前提下,還可以做出若干改進和潤飾,這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。本實施例中未明確的各組成部分均可用現(xiàn)有技術加以實現(xiàn)。
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權利要求
1.一種氣體傳感器,其特征在于,由下至上依次為鋁層、第一二氧化硅層、硅基底、第二二氧化硅層、電極組層以及二氧化錫層;其中,鋁層、第一二氧化硅層以及硅基底為環(huán)形中空結構;所述電極組層分為中心區(qū)和外圍區(qū);中心區(qū)包括叉指信號電極,位于叉指信號電極外圍的測溫電極以及位于測溫電極外圍的加熱電極;外圍區(qū)包括叉指信號電極引出叉指信號電極觸腳,測溫電極引出測溫電極觸腳以及加熱電極引出加熱電極觸腳;所述第二二氧化硅層位于相鄰電極觸腳之間的部分設置有窗口,第二二氧化硅層上相鄰的窗口之間的部分構成懸臂結構;二氧化錫層位于電極組層中心區(qū)上方。
2.根據權利要求1所述的一種氣體傳感器,其特征在于,所述叉指信號電極觸腳和測溫電極觸腳各有一對,加熱電極觸腳為兩對,兩對加熱電極觸腳對向設置;叉指信號電極觸腳和測溫電極觸腳對向設置,從而將兩對加熱電極觸腳間隔開,所述窗口設置有四個,分別設置在相鄰的兩對電極之間。
3.根據權利要求1所述的一種氣體傳感器,其特征在于,所述叉指信號電極的寬度為10 μ m,測溫電極的寬度為10 μ m,加熱電極的寬度為20 μ m,電極組的厚度為ISOnm 220nm。
4.根據權利要求1所述的一種氣體傳感器,其特征在于,所述第二二氧化硅層的懸臂結構的寬為50 μ m,長為100 μ m。
5.根據權利要求1所述的一種氣體傳感器,其特征在于,所述二氧化錫層的厚度為 180nm 220nm。
6.一種氣體傳感器的制造工藝,其特征在于,包括以下步驟步驟(1),在硅基底上下表面生成二氧化硅層;步驟O),在硅基底上表面的二氧化硅層上涂光刻膠,將電極組形狀的掩模版蓋在光刻膠上曝光,溶解被光照部分的光刻膠;步驟(3),在步驟( 得到的產物的上表面生成鉬薄膜層;步驟G),剝離步驟(3)得到的產物上的光刻膠并去除光刻膠上的鉬薄膜層,得到鉬電極組;步驟(5),在鉬電極組上制備、燒結二氧化錫層;在二氧化錫層上涂光刻膠、曝光并用氫碘酸將電極組中心區(qū)以及外圍區(qū)以外部分的二氧化錫刻蝕掉;步驟(6),在硅基底下表面二氧化硅層上沉積鋁層;步驟(7),在鋁層表面涂光刻膠、曝光,再將中心部分的鋁刻蝕掉,裸露出二氧化硅層一部分;步驟(8),將未被鋁覆蓋的二氧化硅層刻蝕掉;步驟(9),對硅基底未被下表面二氧化硅覆蓋的部分進行刻蝕,直至上表面的二氧化硅層為止;步驟(10),在硅基底上表面的二氧化硅層上涂光刻膠、曝光并刻蝕部分二氧化硅形成所懸臂結構。
7.根據權利要求1所述的一種氣體傳感器的制造工藝,其特征在于,步驟(5)中,采用溶膠凝膠法在電極組上旋涂、燒結,制備二氧化錫薄膜;在二氧化錫薄膜上旋涂光刻膠,蓋上所需二氧化錫形狀的掩模板,曝光,再將曝光后的光刻膠溶解于顯影液,裸露出所需腐蝕掉的二氧化錫薄膜; 放入氫碘酸中腐蝕掉裸露出的二氧化錫薄膜; 放入丙酮中清洗掉剩余光刻膠,得到二氧化錫薄膜。
8.根據權利要求7所述的一種氣體傳感器的制造工藝,其特征在于,步驟(7)中,在鋁膜上涂光刻膠、曝光,使用BC13:C12:CHC13:N2氣體組合在鋁層上刻蝕出窗口,裸露出二氧化硅層。
9.根據權利要求8所述的一種氣體傳感器的制造工藝,其特征在于,步驟(8)中,利用鋁層做掩模板,使用CHF3^2氣體組合將裸露出的二氧化硅層進行刻蝕,裸露出硅基底部分下表面。
10.根據權利要求1所述的一種氣體傳感器的制造工藝,其特征在于,步驟(9)中,利用鋁層作為掩膜層,以SF6為刻蝕氣體方法,C4F8為鈍化氣體,對硅基底進行刻蝕直至硅基底上表面的二氧化硅層時停止。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種氣體傳感器及其制造工藝,氣體傳感器包括硅基底、二氧化硅絕熱截至層、叉指信號電極、測溫電極、加熱電極;所述的硅基底具有通孔結構,硅基底的上表面包括通孔的頂部設有二氧化硅層,所述的二氧化硅層采用表面工藝加工成懸臂結構。二氧化硅層上表面設有叉指信號電極、測溫電極和加熱電極組成的電極組,電極組上表面設有二氧化錫層本發(fā)明工藝將加熱電極、叉指信號電極、測溫電極制作于一層,降低了制造復雜度,提高了成品率;將傳感器二氧化硅層腐蝕,形成懸臂結構,減小熱量的傳輸通道,使得傳感器的功耗更低。
文檔編號B81C1/00GK102426176SQ20111036686
公開日2012年4月25日 申請日期2011年11月18日 優(yōu)先權日2011年11月18日
發(fā)明者張子立, 朱斌, 楊柳, 殷晨波, 董寧寧, 陶春旻 申請人:南京工業(yè)大學