專利名稱：金屬氧化物半導(dǎo)體納米薄膜氣體傳感器用微加熱板的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微加熱板及其制造工藝，更具體地是涉及一種金屬氧化物半導(dǎo)體 氣體傳感器用微加熱板及其制造工藝，主要用于生產(chǎn)、儲備、運輸有毒有害氣體過程中氣體 的安全檢測領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在日常生活中碰到的還原性氣體多為有毒有害氣體或易燃易爆氣體，如工業(yè)排放 SO2, NOx和H2S氣體是造成環(huán)境污染的最重要的原因；常用做燃料的H2、CH4和CO —旦泄漏 遇明火會發(fā)生爆炸事故，其中CO極易與血紅蛋白結(jié)合從而造成煤氣中毒。而檢測這些氣體 的方法多少都存在需借助大型儀器分析、采用昂貴而復(fù)雜的監(jiān)測系統(tǒng)、靈敏度不高、費時費 力、難于集成，不適合現(xiàn)場實時快速檢測等缺點。而金屬氧化物半導(dǎo)體氣體傳感器具有精度 高、反應(yīng)快、體積小、質(zhì)量輕功耗低、選擇性好、穩(wěn)定性高、測試系統(tǒng)簡單等優(yōu)點，有很光明的 應(yīng)用前景。金屬氧化物半導(dǎo)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。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的微加熱板 一般采用多層設(shè)計，即在絕熱層上放置一個加熱電極，在加熱電極上沉淀一層絕緣層并采 用光刻工藝將絕緣層加工成所需要的形狀，再在絕緣層上制作一層叉指信號電極。這樣則 需要經(jīng)過兩次濺射和光刻工藝。而且這種結(jié)構(gòu)的傳感器，其氣敏薄膜上的溫度梯度較大，使 敏感薄膜不同區(qū)域的工作狀態(tài)不同，從而降低傳感器的工作效率。如果將加熱電極、叉指電 極、測溫電極放在一層雖可以簡化制作工藝，但加熱電極的有效加熱面積會受到限制從而 提供不了足夠的熱量，且薄膜表面的溫度分布會更加不利于薄膜性能的發(fā)揮。因此，設(shè)計 出一種既能簡化制作工藝，又能提供給薄膜足夠的溫度及均勻的溫度分布很有工程應(yīng)用意 義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種金屬氧化物半導(dǎo)體納米薄膜氣體傳感器 用微加熱板，以克服多層微加熱板結(jié)構(gòu)的加工步驟繁復(fù)和溫度分布不均勻的缺陷。本發(fā)明還要解決的技術(shù)問題是提供上述微加熱板的制造工藝。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下金屬氧化物半導(dǎo)體納米薄膜氣體傳感器用微加熱板，它包括硅基底、硅島、氮化硅 截止層、二氧化硅絕熱層、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(jié) 構(gòu)，硅基底的上表面包括通孔的頂部設(shè)有氮化硅截止層，氮化硅截止層上表面設(shè)有二氧化 硅絕熱層，二氧化硅絕熱層上表面設(shè)有叉指信號電極、測溫電極和加熱電極組成的電極組， 在硅基底通孔的頂部氮化硅截止層的下表面設(shè)有硅島，硅島位置與電機組工作區(qū)域?qū)?yīng)。其中，所述的硅基底為雙面拋光。其中，所述的通孔結(jié)構(gòu)為頂部面積小、底部面積大的梯形通孔結(jié)構(gòu)。
其中，所述的硅基底厚度為300 400 μ m,優(yōu)選為350 μ m ；所述氮化硅截止層厚度 為200 350nm，優(yōu)選為300nm ；所述二氧化硅絕熱層厚度為500 700nm，優(yōu)選為600nm，硅 島厚度為10 50 μ m，優(yōu)選10 μ m。其中，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200nm。上述金屬氧化物半導(dǎo)體納米薄膜氣體傳感器用微加熱板的制造工藝，它包括如下 步驟(1)采用低壓化學(xué)氣相沉積法在硅基底上表面生成氮化硅截止層；(2)采用等離子體增強化學(xué)氣相沉積法在氮化硅層上表面生成二氧化硅絕熱層；(3)在二氧化硅絕熱層上表面涂光刻膠，光刻，得到電極組的形狀；(4)采用磁控濺射法在步驟C3)得到的產(chǎn)品的上表面生成鉬薄膜層；(5)光刻剝離法處理步驟(4)得到的產(chǎn)品，得到所需的電極組；(6)在硅基底的下表面采用熱氧化法生成二氧化硅掩模層；(7)采用低壓化學(xué)氣相沉積法在二氧化硅掩模層下表面生成氮化硅掩模層；(8)在氮化硅掩模層下表面涂光刻膠，光刻，采用反應(yīng)離子刻蝕法將光刻后暴露出 的氮化硅腐蝕掉，裸露出二氧化硅掩模層；(9)在裸露的二氧化硅掩模層下表面涂光刻膠、光刻，再用緩沖氫氟酸溶液進行腐 蝕將不需要的二氧化硅腐蝕掉，裸露出硅基底的下表面；(10)用氫氧化鉀溶液對硅基底進行腐蝕得到硅島的初始形狀；(11)用緩沖氫氟酸溶液將步驟(10)保留的二氧化硅掩模層腐蝕掉；(12)用氫氧化鉀溶液繼續(xù)對硅基底進行腐蝕從而得到所需要的硅島。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(dǎo)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(dǎo)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?？稍诒景l(fā)明微加熱板的基礎(chǔ)上針對不同氣體生成不 同的金屬氧化物半導(dǎo)體薄膜。本發(fā)明的有益效果是與傳統(tǒng)多層微加熱板相似，本發(fā)明同樣由基底、加熱電極、叉指電極等幾個關(guān)鍵部 分組成。但是本發(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 層氮化硅絕緣層的制作，從而降低了制造復(fù)雜度，提高了成品率。為改進單層微加熱板溫度 分布不合理的情況，在傳感器工作區(qū)域的下方設(shè)計并制造出一個硅島結(jié)構(gòu)以傳導(dǎo)加熱電極 所產(chǎn)生的熱量，使得工作區(qū)域得到均勻的溫度分布。本發(fā)明采用MEMS工藝具有體積小、反 應(yīng)快、成本低、易批量生產(chǎn)等優(yōu)點。


圖1為本發(fā)明金屬氧化物半導(dǎo)體納米薄膜氣體傳感器用微加熱板示意圖。圖2為圖1產(chǎn)品的底部示意圖。圖3為本發(fā)明金屬氧化物半導(dǎo)體納米薄膜氣體傳感器用微加熱板的結(jié)構(gòu)爆炸圖。
圖4為本發(fā)明電極組結(jié)構(gòu)圖的一種示例。圖5為本發(fā)明微加熱板的制作流程圖。圖6不帶硅島時的溫度分布。圖7本發(fā)明帶硅島時的溫度分布。圖中1、電極組；2、二氧化硅絕熱層；3、氮化硅截止層；4、硅基底；5、硅島；6、加 熱電極；7、叉指信號電極；8、測溫電極。
具體實施例方式根據(jù)下述實施例，可以更好地理解本發(fā)明。然而，本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，實 施例所描述的內(nèi)容僅用于說明本發(fā)明，而不應(yīng)當(dāng)也不會限制權(quán)利要求書中所詳細描述的本 發(fā)明。實施例1 如圖1、圖2所示，本發(fā)明金屬氧化物半導(dǎo)體納米薄膜氣體傳感器包括硅基底4、硅 島5、氮化硅截止層3、二氧化硅絕熱層2、叉指信號電極7、測溫電極8、加熱電極6 ；所述的 硅基底1具有通孔結(jié)構(gòu)，該通孔結(jié)構(gòu)為頂部面積小、底部面積大的梯形通孔。硅基底的上表 面包括通孔的頂部設(shè)有氮化硅截止層3，氮化硅截止層3上表面設(shè)有二氧化硅絕熱層2，二 氧化硅絕熱層2上表面設(shè)有叉指信號電極7、測溫電極8和加熱電極6組成的電極組1，在 硅基底4通孔的頂部氮化硅截止層2的下表面設(shè)有硅島5，該硅島5為獨立的一塊硅片，與 硅基底1不相連接，與電極的加熱區(qū)域即將來使用過程中金屬氧化物半導(dǎo)體納米薄膜的工 作區(qū)域相對應(yīng)。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。力口 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ΙΟμπι。二氧化硅絕熱層的厚度為600m。氮化硅截止層的厚度為300nm。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。硅島依附于氮化硅截止層下，厚度為 IOum0本發(fā)明并不局限于實施例中所述的這些數(shù)據(jù)(包括厚度、寬度、間距等)，只要在本 發(fā)明范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)，都可以實現(xiàn)本發(fā)明產(chǎn)品的功能，本發(fā)明的電極布局也不局限于圖4所 示，電極如何布局也不是本發(fā)明的關(guān)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(nèi)。具體制造工藝如下(1)以厚度為350μπι，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，然后采用低壓化學(xué)氣相沉積法(LPCVD)在硅基底上表面生成300nm厚的氮化硅 截止層，如圖fe所示；(2)采用等離子體增強化學(xué)氣相沉積法(PACVD)在氮化硅層上表面生成600nm厚 的二氧化硅絕熱層，如圖恥所示；(3)在二氧化硅絕熱層上表面涂光刻膠，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(zhì)，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；(4)采用磁控濺射法在步驟( 得到的產(chǎn)品的上表面生成200nm厚的鉬薄膜層；(5)光刻剝離法(Lift-off)處理步驟(4)得到的產(chǎn)品，即清洗掉光刻膠并帶掉光
5刻膠上的鉬，得到所需的電極組；(6)在硅基底的下表面采用熱氧化法生成二氧化硅掩模層；(7)采用低壓化學(xué)氣相沉積法(LPCVD)在二氧化硅掩模層下表面生成氮化硅掩模 層；(8)在氮化硅掩模層下表面涂光刻膠，蓋上所需氮化硅形狀的掩模版，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氮化硅，之后采用反應(yīng)離子刻蝕 法將氮化硅腐蝕，裸露出上面的二氧化硅；(9)在裸露的二氧化硅掩模層下表面涂光刻膠，光刻成所需的形狀，再用緩沖氫氟 酸溶液(BHF)進行腐蝕將不需要的二氧化硅腐蝕掉，裸露出硅基底的下表面；(10)將步驟(9)得到的產(chǎn)品放入60°C、濃度為40% (w/w)氫氧化鉀溶液，對硅基 底進行腐蝕得到硅島的初始形狀；(11)用緩沖氫氟酸溶液(BHF)將步驟(10)保留的二氧化硅掩模層腐蝕掉；(12)將步驟(11)得到的產(chǎn)品放入60°C、濃度為52% (w/w)的用氫氧化鉀溶液繼 續(xù)對硅基底進行腐蝕，直到通過顯微鏡觀察硅島厚度達到10 μ m為止。該微加熱板結(jié)構(gòu)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(zhǔn)確的反饋出金屬氧化物半 導(dǎo)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。二氧化 硅絕熱層益于將熱量集中于中心區(qū)域，減小傳感器與周圍空氣的熱對流帶走的熱量。氮化 硅截止層不僅可以有效阻擋住氫氧化鉀的繼續(xù)腐蝕，還可以把加熱電極產(chǎn)生的熱量更好得 傳導(dǎo)給硅島并將硅島所均勻好的熱量再重新傳遞回敏感薄膜。將硅基底加工成棱臺行可降 低基底與空氣的熱對流而損失的熱量。將硅島厚度加工為10 μ m可在不影響均勻溫度分布 的情況下減小硅島上的熱量損失。圖6和圖7為利用有限元分析軟件ansys對上述結(jié)構(gòu)及不帶硅島的上述結(jié)構(gòu)進行 穩(wěn)態(tài)熱分析的結(jié)果對比。從結(jié)果中可以看出當(dāng)該結(jié)構(gòu)不帶硅島時溫度分布較為合理，最高 溫度集中于氣敏薄膜中央且分布較大，但是整個薄膜上的溫差較大，最高溫度與最低溫度 相差達60度，無法將薄膜的性能充分發(fā)揮。而帶硅島的該結(jié)構(gòu)溫度分布更為平均，整個薄 膜的溫差只有6度，使得薄膜能在同一狀態(tài)下工作從而使得薄膜性能得到充分的發(fā)揮。
權(quán)利要求
1.金屬氧化物半導(dǎo)體納米薄膜氣體傳感器用微加熱板，其特征在于它包括硅基底、硅 島、氮化硅截止層、二氧化硅絕熱層、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(jié)構(gòu)，硅基底的上表面包括通孔的頂部設(shè)有氮化硅截止層，氮化硅截止層上表面設(shè) 有二氧化硅絕熱層，二氧化硅絕熱層上表面設(shè)有叉指信號電極、測溫電極和加熱電極組成 的電極組，在硅基底通孔的頂部氮化硅截止層的下表面設(shè)有硅島。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬氧化物半導(dǎo)體納米薄膜氣體傳感器用微加熱板，其特征 在于所述的硅基底為雙面拋光。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬氧化物半導(dǎo)體納米薄膜氣體傳感器用微加熱板，其特征 在于所述的通孔結(jié)構(gòu)為頂部面積小、底部面積大的梯形通孔結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬氧化物半導(dǎo)體納米薄膜氣體傳感器用微加熱板，其特征 在于所述的硅基底厚度為300 400 μ m,所述氮化硅截止層厚度為200 350nm，所述二氧 化硅絕熱層厚度為500 700nm，硅島厚度為10 50 μ m。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬氧化物半導(dǎo)體納米薄膜氣體傳感器用微加熱板，其特 征在于所述叉指信號電極的寬度為ΙΟμπ ，測溫電極的寬度為ΙΟμπ ，加熱電極的寬度為 10 μ m,電極組的厚度為200nm。
6.權(quán)利要求1所述的金屬氧化物半導(dǎo)體納米薄膜氣體傳感器用微加熱板的制造工藝， 其特征在于它包括如下步驟(1)采用低壓化學(xué)氣相沉積法在硅基底上表面生成氮化硅截止層；(2)采用等離子體增強化學(xué)氣相沉積法在氮化硅層上表面生成二氧化硅絕熱層；(3)在二氧化硅絕熱層上表面涂光刻膠，光刻，得到電極組的形狀；(4)采用磁控濺射法在步驟C3)得到的產(chǎn)品的上表面生成鉬薄膜層；(5)光刻剝離法處理步驟⑷得到的產(chǎn)品，得到所需的電極組；(6)在硅基底的下表面采用熱氧化法生成二氧化硅掩模層；(7)采用低壓化學(xué)氣相沉積法在二氧化硅掩模層下表面生成氮化硅掩模層；(8)在氮化硅掩模層下表面涂光刻膠，光刻，采用反應(yīng)離子刻蝕法將光刻后暴露出的氮 化硅腐蝕掉，裸露出二氧化硅掩模層；(9)在裸露的二氧化硅掩模層下表面涂光刻膠、光刻，再用緩沖氫氟酸溶液進行腐蝕將 不需要的二氧化硅腐蝕掉，裸露出硅基底的下表面；(10)用氫氧化鉀溶液對硅基底進行腐蝕得到硅島的初始形狀；(11)用緩沖氫氟酸溶液將步驟(10)保留的二氧化硅掩模層腐蝕掉；(12)用氫氧化鉀溶液繼續(xù)對硅基底進行腐蝕從而得到所需要的硅島。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的金屬氧化物半導(dǎo)體納米薄膜氣體傳感器用微加熱板的制 造工藝，其特征在于所述的硅基底厚度為300 400 μ m、所述氮化硅截止層厚度為200 350nm，所述二氧化硅絕熱層厚度為500 700m。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的金屬氧化物半導(dǎo)體納米薄膜氣體傳感器用微加熱板的制造 工藝，其特征在于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200nm。
全文摘要
本發(fā)明公開一種金屬氧化物半導(dǎo)體納米薄膜氣體傳感器用微加熱板，包括硅基底、硅島、氮化硅截止層、二氧化硅絕熱層、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(jié)構(gòu)，硅基底的上表面包括通孔的頂部設(shè)有氮化硅截止層，氮化硅截止層上表面設(shè)有二氧化硅絕熱層，二氧化硅絕熱層上表面設(shè)有叉指信號電極、測溫電極和加熱電極組成的電極組，在硅基底通孔的頂部氮化硅截止層的下表面設(shè)有硅島。本發(fā)明還公開了上述微加熱板的制造工藝。本發(fā)明將加熱電極、叉指信號電極、測溫電極制作于一層，降低了制造復(fù)雜度，提高了成品率；在傳感器工作區(qū)域的下方設(shè)計并制造出一個硅島結(jié)構(gòu)以傳導(dǎo)加熱電極所產(chǎn)生的熱量，使得工作區(qū)域得到均勻的溫度分布。
文檔編號G01N27/14GK102070118SQ201010518328
公開日2011年5月25日 申請日期2010年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月26日
發(fā)明者張子立, 朱斌, 殷晨波, 董寧寧, 陶春旻 申請人:南京工業(yè)大學(xué)