CN102426176B

CN102426176B - 一种气体传感器及其制造工艺

Info

Publication number: CN102426176B
Application number: CN201110366861.8A
Authority: CN
Inventors: 殷晨波; 张子立; 朱斌; 陶春旻; 董宁宁; 杨柳
Original assignee: Nanjing Tech University
Current assignee: Nanjing Tech University
Priority date: 2011-11-18
Filing date: 2011-11-18
Publication date: 2013-03-27
Anticipated expiration: 2031-11-18
Also published as: CN102426176A

Abstract

本发明公开了一种气体传感器及其制造工艺，气体传感器包括硅基底、二氧化硅绝热截至层、叉指信号电极、测温电极、加热电极；所述的硅基底具有通孔结构，硅基底的上表面包括通孔的顶部设有二氧化硅层，所述的二氧化硅层采用表面工艺加工成悬臂结构。二氧化硅层上表面设有叉指信号电极、测温电极和加热电极组成的电极组，电极组上表面设有二氧化锡层本发明工艺将加热电极、叉指信号电极、测温电极制作于一层，降低了制造复杂度，提高了成品率；将传感器二氧化硅层腐蚀，形成悬臂结构，减小热量的传输通道，使得传感器的功耗更低。

Description

一种气体传感器及其制造工艺

技术领域

本发明涉及生产、储备、运输有毒有害气体过程中气体的安全检测领域，特别是一种气体传感器及其制造工艺。

背景技术

随着社会的飞速发展和科技的突飞猛进，人们的生活呈现出与以往孑然不同的变化，这种变化一方面极大地提高了人们的生活水平和质量；但另一方面也给自己的生活空间和环境造成了不可估量的影响，环境污染日趋严重。工业生产规模逐渐扩大，产品种类不断增多，尤其是石油、化工、煤矿、汽车等工业的飞速发展导致火灾事故的不断发生，大气环境遭到严重破坏。例如，化工生产中经常使用和产生一些易燃易爆、有毒有害气体，这些气体一旦超标、泄漏，将严重影响生产人员及周围生活居民的身体健康，如果引起爆炸，将造成人员伤亡、生产停产和财产损失，其中煤矿瓦斯爆炸就是最熟悉的例子。再如，汽车产业的发展虽然给人们生活带来极大的便利，但其产生尾气造成的大气污染问题不容忽视，尾气中的NO_x、SOx等有毒气体可引起酸雨，CO₂等更是造成温室效应的罪魁祸首；另外，近年来，随着人们生活水平的提高以及人们对家居环境装饰要求的转变，大量新型装修和装饰材料悄然走进住宅和公共建筑物，走近人们的生活，加之现代建筑密闭化的特点，使得室内空气质量问题日益突出，而由于装修后甲醛超标造成的恶性病例更是时有报道。这些气体污染不仅危害人体健康，而且某种意义上阻碍了社会发展，更严重的将关系到生命的存亡。人类对这些气体的感知和承受能力是有限的，为了确保安全，防患于未然，人们研制了各种检测方法和测试仪器，以便及时准确地检测并控制环境中的各种有毒有害气体气体。传感器经过多年的发展，已广泛应用于各行业的生产、国防、医疗、生活和监测机构等领域。而研究和开发这些用于环境监测的气体传感器，更成为人们日益关心的问题。金属氧化物半导体(MOS)纳米薄膜气体传感器便是众多气体传感器中应用最广泛的一种。

金属氧化物半导体纳米薄膜的气敏性能往往需要被加热到一定温度才能发挥效果，因此需要在薄膜下制作微加热板，以提供给气敏薄膜足够的温度，这就带来了一定的功率损耗。而功耗过大的问题一直制约着MOS气体传感器的进一步发展。为降低功耗，往往将硅基底的底部掏空，但传统的绝热层依然会将大量热量传导至硅基底形成不必要的功率损耗。改变绝热层的形貌，近一步降低绝热层的可以大幅度降低绝热层传热能力，利用这种方式，设计出一种既制作工艺简单，功耗低的的气体传感器很有工程应用意义。

发明内容

发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种气体传感器及其制造工艺。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种气体传感器，由下至上依次为铝层、第一二氧化硅层、硅基底、第二二氧化硅层、电极组层以及二氧化锡层；

其中，铝层、第一二氧化硅层以及硅基底为环形中空结构；

所述电极组层分为中心区和外围区；中心区包括叉指信号电极，位于叉指信号电极外围的测温电极以及位于测温电极外围的加热电极；外围区包括叉指信号电极引出叉指信号电极触脚，测温电极引出测温电极触脚以及加热电极引出加热电极触脚；

所述第二二氧化硅层位于相邻电极触脚之间的部分设置有窗口，第二二氧化硅层上相邻的窗口之间的部分构成悬臂结构；二氧化锡层位于电极组层中心区上方。

本发明中，所述叉指信号电极触脚和测温电极触脚各有一对，加热电极触脚为两对，两对加热电极触脚对向设置；叉指信号电极触脚和测温电极触脚对向设置，从而将两对加热电极触脚间隔开，所述窗口设置有四个，分别设置在相邻的两对电极之间。

本发明中，所述叉指信号电极的宽度为10μm，测温电极的宽度为10μm，加热电极的宽度为20μm，电极组的厚度为180nm～220nm。

本发明中，所述第二二氧化硅层的悬臂结构的宽为50μm，长为100μm。

本发明中，所述二氧化锡层的厚度为180nm～220nm。

本发明还公开了一种气体传感器的制造工艺，包括以下步骤：

步骤(1)，在硅基底上下表面生成二氧化硅层；

步骤(2)，在硅基底上表面的二氧化硅层上涂光刻胶，将电极组形状的掩模版盖在光刻胶上曝光，溶解被光照部分的光刻胶；

步骤(3)，在步骤(2)得到的产物的上表面生成铂薄膜层；

步骤(4)，剥离步骤(3)得到的产物上的光刻胶并去除光刻胶上的铂薄膜层，得到铂电极组；

步骤(5)，在铂电极组上制备、烧结二氧化锡层；在二氧化锡层上涂光刻胶、曝光并用氢碘酸将电极组中心区以及外围区以外部分的二氧化锡刻蚀掉；

步骤(6)，在硅基底下表面二氧化硅层上沉积铝层；

步骤(7)，在铝层表面涂光刻胶、曝光，再将中心部分的铝刻蚀掉，裸露出二氧化硅层一部分；

步骤(8)，将未被铝覆盖的二氧化硅层刻蚀掉；

步骤(9)，对硅基底未被下表面二氧化硅覆盖的部分进行刻蚀，直至上表面的二氧化硅层为止；

步骤(10)，在硅基底上表面的二氧化硅层上涂光刻胶、曝光并刻蚀部分二氧化硅形成所悬臂结构。

本发明所述制造工艺的步骤(5)中，采用溶胶凝胶法在电极组上旋涂、烧结，制备二氧化锡薄膜；

在二氧化锡薄膜上旋涂光刻胶，盖上所需二氧化锡形状的掩模板，曝光，再将曝光后的光刻胶溶解于显影液，裸露出所需腐蚀掉的二氧化锡薄膜；

放入氢碘酸中腐蚀掉裸露出的二氧化锡薄膜；

放入丙酮中清洗掉剩余光刻胶，得到二氧化锡薄膜。

本发明所述制造工艺的步骤(7)中，在铝膜上涂光刻胶、曝光，使用BCl₃:Cl₂:CHCl₃:N₂气体组合在铝层上刻蚀出窗口，裸露出二氧化硅层。

本发明所述制造工艺的步骤(8)中，利用铝层做掩模板，使用CHF₃:O₂气体组合将裸露出的二氧化硅层进行刻蚀，裸露出硅基底部分下表面。

本发明所述制造工艺的步骤(9)中，利用铝层作为掩膜层，以SF₆为刻蚀气体方法，C₄F₈为钝化气体，对硅基底进行刻蚀直至硅基底上表面的二氧化硅层时停止。

本发明中，所述硅基底可以预先进行双面剖光。

本发明中，所述中空的通孔结构为通孔壁与上下表面呈90度。

本发明中，所述的硅基底厚度为200～400μm，优选为300μm；所述二氧化硅层用于绝热截止，厚度为500～900nm，优选为700nm。

本发明采用微机电系统(Micro Electronical Mechanical System，MEMS)工艺，将金属氧化物半导体纳米薄膜气体传感器的核心部件集成在一个2mm×2mm的芯片之上，利用加热电极将金属氧化物半导体纳米薄膜加热到所需的工作温度，利用测温电极反馈温度信号，利用叉指电极减小薄膜的电阻值测量电阻的变化，并且将硅基底腐蚀空，从而可以减小传感器的体积降低传感器的功耗。

有益效果：本发明将加热电极、叉指信号电极、测温电极制作于一层，这样就可以减少一层绝缘层及一层金属层的制作，从而降低了制造复杂度，提高了成品率。为降低传感器的使用功耗，在基底层上表面的二氧化硅层上的部分掏空，加工出悬臂梁结构，用以减少传热路径，降低了传感器的功耗。

在传统硅基金属氧化物半导体气体传感器加工工艺中往往先制作好微热板再沉积敏感薄膜，但经过硅的背面刻蚀，二氧化硅绝热截止层，尤其是悬臂结构十分脆弱，往往经受不了旋涂，清洗等工艺，因此成品率较低。为解决这一问题，采取先沉积敏感薄膜后进行硅体加工的方法，可使悬臂结构在最后一步形成，并采用干法刻蚀的方法进行硅的体刻，避免湿法刻蚀对敏感薄膜的离子污染。此外，干法刻蚀还可使硅基底通孔壁与硅基底上下表面呈90度，在保证膜片长度的同时减小芯片体积，从而在一片晶元上制作更多的传感器芯片。本发明采用气体传感器加工工艺具有体积小、反应快、成本低、易批量生产等优点。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1为本发明实施例气体传感器结构爆炸示意图。

图2为图1中电极组层结构示意图。

图3为图1中硅基底上表面的二氧化硅层结构示意图。

图4a～图4h为本发明实施例气体传感器的的制造工艺流程图。

具体实施方式

实施例1：

如图1、图2以及图3所示，本发明金属氧化物半导体纳米薄膜气体传感器包括单晶硅硅基底4、硅基底上表面的二氧化硅层3、叉指信号电极2c、测温电极2a、加热电极2b；所述的硅基底4具有通孔结构，该通孔结构为孔壁与基底上下表面垂直的正方形通孔。所述二氧化硅层3上设有窗口3a，相邻窗口之间的部分构成悬臂结构3b。二氧化硅层3上表面设有叉指信号电极2c、测温电极2a和加热电极2b组成的电极组2，电极组2上表面设有二氧化锡气敏薄膜层1。所述测温电极2a、加热电极2b以及叉指信号电极2c各自引出触脚，依次为测温电极的触脚2d、加热电极的触脚2e以及叉指信号电极的触脚2f。如图4c～图4h所示，所述硅基底4的下表面还设置有二氧化硅层5和铝层6。电极组层分为中心区和外围区，其中叉指信号电极，位于叉指信号电极外围的测温电极以及位于测温电极外围的加热电极组成中心区，测温电极的触脚2d、加热电极的触脚2e以及叉指信号电极的触脚2f组成外围区。所述二氧化锡层位于电极组层中心区上方。叉指信号电极，测温电极以及加热电极与各自电极的引脚之间的部分，正好设置在所述的二氧化硅层3上的悬臂结构上。

电极组的厚度为200nm，叉指信号电极的电极宽度为10μm，电极间距为5μm。加热电极的电极宽度为20μm，电极间距为10μm。测温电极的电极宽度为10μm，电极间距为10μm。二氧化硅绝热截止层的厚度为600nm。二氧化锡气敏薄膜层的厚度为200nm。二氧化硅绝热截止层上悬臂结构的宽度为50μm，长度为100μm。硅基底选用双面抛光，晶向为<1，0，0>的单晶硅，其厚度为350μm。

本发明并不局限于实施例中所述的这些数据(包括厚度、宽度、间距等)，只要在本发明范围内的数据，都可以实现本发明产品的功能，本发明的电极布局也不局限于图2所示，电极如何布局也不是本发明的关键点，只要能实现传感器功能的电极布局都在本发明的保护范围之内。

本实施例的具体制造工艺如下：

步骤1，以厚度为350μm，双面抛光的P型[1，0，0]硅片作为基底，对其进行清洗、漂洗并烘干，然后采用热氧化法在氧化炉中采用1100℃的温度在硅基底上下表面氧化生成600nm厚的二氧化硅层，上表面生成的二氧化硅层可用于硅基底背面刻蚀时的自动截止层，也可作为传感器使用时隔绝加热电极所产生的热量传导至硅基底的绝热层，如图4a所示；

步骤2，在硅基底上表面的二氧化硅层上表面涂光刻胶，将制作好的电极组形状的掩模版盖在光刻胶上，进行曝光，被光照到的光刻胶成为可溶解于显影液的物质，将曝光后的硅片放入显影液中，溶解掉被光照后的光刻胶，因此裸露的二氧化硅膜为电极组形状；

步骤3，采用磁控溅射法(参见林峰，于月光，李世晨等，含氧气直流磁控溅射薄膜铂电阻制备及性能研究[J]，金属功能材料，2006，13(2)：25-28)在步骤2得到的产品的上表面依次生成20nm的钛薄膜和200nm厚的铂薄膜层；

步骤4，光刻剥离法(Lift-off)(参见张鹏，王兢，平面工艺SnO₂薄膜甲醛气敏元件的研究[J]，传感技术学报，2009.，22(1)：6-10)处理步骤3得到的产品，即清洗掉光刻胶并带掉光刻胶上的铂，得到所需的电极组。如图4b所示

步骤5，采用溶胶-凝胶法(参见陶春旻，殷晨波，张子立等，SnO2纳米薄膜氢敏特性的研究[J]，功能材料，2011，42(S4)：755-758)在电极组之上旋涂、烧结，制备二氧化锡薄膜，并在薄膜上旋涂光刻胶，盖上所需二氧化锡形状的掩模板，曝光，再将曝光后的光刻胶溶解于显影液，从而裸露出所需腐蚀掉的二氧化锡薄膜，之后将基片放入浓度为57％的氢碘酸中腐蚀直至腐蚀掉裸露出的二氧化锡薄膜，最后将基片放入丙酮中清洗掉剩余光刻胶，得到矩形的二氧化锡敏感薄膜。如图4c所示；

步骤6，在硅基底的下表面二氧化硅层上采用磁控溅射的方法沉积一层铝膜，该膜将作为硅体刻蚀时的掩膜层，如图4d所示。

步骤7，在铝膜上涂光刻胶、曝光，再用BCl₃∶Cl₂∶CHCl₃∶N₂＝70sccm∶5sccm∶10sccm∶0～50sccm的气体组合，200W的功率及30Pa气压对铝进行反应离子刻蚀(可以参见唐晓多，金属铝刻蚀工艺简介[J]，集成电路应用，2007，8：52)并形成一个窗口，裸露出二氧化硅层，如图4e所示。

步骤8，利用铝薄膜层做掩模板，采用反应离子刻蚀的(RIE)方法(可以参见敬小成，姚若河，吴纬国，二氧化硅干法刻蚀参数的优化研究[J]，2005，30(6)：37-44)将裸露出的二氧化硅层进行刻蚀，裸露出硅基底下表面的一部分，气体组合为CHF₃∶O₂＝20sccm∶3.5sccm，功率为400W，压强为5Pa，如图4f所示。

步骤9，利用铝薄膜层作为掩膜层，使用电感耦合等离子体刻蚀(ICP)(可以参见刘欢，周震，刘惠兰等，ICP刻蚀硅形貌控制研究[J]，2011，24(2)：200-203)的方法对硅基底进行深度刻蚀，采用博世工艺，以SF₆为刻蚀气体，气体流量为40sccm，以C₄F₈(八氟环丁烷)为钝化气体，气体流量为5sccm，当刻蚀至二氧化硅层时停止，如图4g所示。

步骤10，在二氧化硅绝热层上表面涂光刻胶、曝光并在显影液中清洗，露出一部分二氧化锡薄膜，再用反应离子刻蚀将露出的二氧化硅刻蚀掉形成悬臂结构，气体组合为CHF₃∶O₂＝20sccm∶3.5sccm，功率为400W，压强为5Pa，如图4h所示。

本发明结构紧凑，体积小，功耗小，制造成品率高。使用该形状的电极组使得在有限的面积之下最大限度的延长了加热电极的长度，增加了加热电极的有效加热面积，提高了加热效率；测温电极处于加热电极和叉指电极之间能更准确的反馈出金属氧化物半导体纳米薄膜的工作温度；叉指信号电极处于电极组的中心能更好得发挥其功效。将叉指电极引脚设计成与其他电极引脚不同形状便可由肉眼分清各个电极，有益于日后的封装工作。将二氧化硅绝热截止层加工成悬臂结构使得传热面积大大降低，再加上二氧化硅本身的热导率较低，益于将热量集中于中心区域，减小加热电极产生的热量向于支撑的硅基底的传导，从而降低与周围空气的热对流带走的热量。将硅基底加工成通孔结构可使热量只能通过二氧化硅悬臂结构传导至硅基底。先沉积刻蚀二氧化锡气敏薄膜再刻蚀二氧化硅层可避免悬臂结构在传感器制作过程中的损坏。采用干法刻蚀技术对硅体进行加工可避免湿法刻蚀对二氧化锡气敏薄膜产生离子污染，保证传感器的可靠性。

本发明提供了一种气体传感器及其制造工艺，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims

1.一种气体传感器，其特征在于，由下至上依次为铝层、第一二氧化硅层、硅基底、第二二氧化硅层、电极组层以及二氧化锡层；

其中，铝层、第一二氧化硅层以及硅基底为环形中空结构；

所述第二二氧化硅层位于相邻电极触脚之间的部分设置有窗口，第二二氧化硅层上相邻的窗口之间的部分构成悬臂结构；

二氧化锡层位于电极组层中心区上方。

2.根据权利要求1所述的一种气体传感器，其特征在于，所述叉指信号电极触脚和测温电极触脚各有一对，加热电极触脚为两对，两对加热电极触脚对向设置；叉指信号电极触脚和测温电极触脚对向设置，从而将两对加热电极触脚间隔开，所述窗口设置有四个，分别设置在相邻的两对电极之间。

3.根据权利要求1所述的一种气体传感器，其特征在于，所述叉指信号电极的宽度为10μm，测温电极的宽度为10μm，加热电极的宽度为20μm，电极组的厚度为180nm~220nm。

4.根据权利要求1所述的一种气体传感器，其特征在于，所述第二二氧化硅层的悬臂结构的宽为50μm，长为100μm。

5.根据权利要求1所述的一种气体传感器，其特征在于，所述二氧化锡层的厚度为180nm~220nm。

6.一种气体传感器的制造工艺，其特征在于，包括以下步骤：

步骤（1），在硅基底上下表面生成二氧化硅层；

步骤（2），在硅基底上表面的二氧化硅层上涂光刻胶，将电极组形状的掩模版盖在光刻胶上曝光，溶解被光照部分的光刻胶；

步骤（3），在步骤（2）得到的产物的上表面生成铂薄膜层；

步骤（4），剥离步骤（3）得到的产物上的光刻胶并去除光刻胶上的铂薄膜层，得到铂电极组；

步骤（5），在铂电极组上制备、烧结二氧化锡层；在二氧化锡层上涂光刻胶、曝光并用氢碘酸将电极组中心区以及外围区以外部分的二氧化锡刻蚀掉；

步骤（6），在硅基底下表面二氧化硅层上沉积铝层；

步骤（7），在铝层表面涂光刻胶、曝光，再将中心部分的铝刻蚀掉，裸露出二氧化硅层一部分；

步骤（8），将未被铝覆盖的二氧化硅层刻蚀掉；

步骤（9），对硅基底未被下表面二氧化硅覆盖的部分进行刻蚀，直至上表面的二氧化硅层为止；

步骤（10），在硅基底上表面的二氧化硅层上涂光刻胶、曝光并刻蚀部分二氧化硅形成悬臂结构。

7.根据权利要求6所述的一种气体传感器的制造工艺，其特征在于，步骤（5）中，采用溶胶凝胶法在电极组上旋涂、烧结，制备二氧化锡薄膜；

放入氢碘酸中腐蚀掉裸露出的二氧化锡薄膜；

放入丙酮中清洗掉剩余光刻胶，得到二氧化锡薄膜。

8.根据权利要求7所述的一种气体传感器的制造工艺，其特征在于，步骤（7）中，在铝膜上涂光刻胶、曝光，使用BCl₃:Cl₂:CHCl₃:N₂气体组合在铝层上刻蚀出窗口，裸露出二氧化硅层。

9.根据权利要求8所述的一种气体传感器的制造工艺，其特征在于，步骤（8）中，利用铝层做掩模板，使用CHF₃:O₂气体组合将裸露出的二氧化硅层进行刻蚀，裸露出硅基底部分下表面。

10.根据权利要求6所述的一种气体传感器的制造工艺，其特征在于，步骤（9）中，利用铝层作为掩膜层，以SF₆为刻蚀气体方法，C₄F₈为钝化气体，对硅基底进行刻蚀直至硅基底上表面的二氧化硅层时停止。