CN1093636C - “准球面型”微型气敏传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

“准球面型”微型气敏传感器及其制备方法，包括硅片1，在硅片1上部有一基础层2，在基础层2与隔离层4之间的加热测温电极3叉指电极5制作在隔离层4上，敏感薄膜6覆盖住叉指电极5，在硅片1与基础层2之间为一准球面型的空间7，在隔离层4上有小孔8与准球面型的空间7相通。本发明采用牺牲层技术制备“准球面型”膜片，该片的机械强度比平面型的要大，不易产生应力，制作工艺简单。

Description

“准球面型”微型气敏传感器及其制备方法

本发明属于气敏传感器，特别是具有“准球面型”膜片结构的微型气敏传感器。

电导型金属氧化物气敏传感器由于其结构简单、制作方便、寿命长等特点而得到广泛的应用。但是这类传统结构的气敏传感器也有功耗大、手工制作一致性差等不可避免的弱点。随着微电子、微机械加工和薄膜厚膜等技术的发展，出现了加热单元、温度传感器、测量电极和敏感薄膜集成一体的微型气敏传感器，功耗从传统器件的0.7-1瓦降低到几十毫瓦，而且工作温度可以精确测定和控制，不受环境影响。此外这类器件还具有批量生产成本低、一致性可靠性好、容易阵列化和智能化等独特优点。就金属氧化物半导体类微型气敏传感器而言，一般以硅片为基础，以降低功耗为目标，设计传感器结构。因此它具有多种结构形式，其中常见的一类是膜片(membrane)型结构。见图1。在膜片型器件的制备过程中，首先将加热测温电极，叉指电极等集成在硅片上，然后用各向异性腐蚀技术去掉背面的硅而形成膜片结构。膜片通常是氧化硅、氮化硅或氮氧化硅等材料和金属电极形成的多层结构，厚度一般为2-5微米。由于微型气敏传感器的制备工艺极为复杂，就膜片型结构来说，要有效降低功耗，要求膜片尽可能薄而且不能留有硅，因硅是良好的热导体，从而机械强度有限。同时在工作过程中，应力的存在也往往易使之破碎。而且制备这种传感器必须采用各向异性腐蚀技术从而对工艺提出了很高的要求。首先是要求双面对准光刻，然后是各向异性腐蚀过程中的正面保护。目前大多数采用KOH溶液作为腐蚀液，腐蚀时间常在10小时以上。因此正面的电极和敏感薄膜的保护是个重要的问题。

本发明的目的是提出一种用牺牲层技术制备“准球面型”结构，简化制作微型气敏传感器的工艺。

本发明的主要特点是包括硅片1，在硅片1上部有一基础层2，在基础层2与隔离层4之间的加热测温电极3，叉指电极5制作在隔离层4上，敏感薄膜6覆盖住叉指电极6，在硅片1与基础层2之间为一空隙7，在隔离层4上有小孔8与空隙7相通。

本发明采用牺牲层技术制备“准球面型”膜片，膜片的机械强度比平面型的要大，而且不易产生应力。新工艺对工艺条件的要求也大大降低，只需常规的微电子平面工艺；无需各向异性腐蚀因而不需要双面光刻机和复杂的正面保护。

附图1是现有技术气敏传感器结构示意图。

图中1—硅片    2-膜片基础层  3—加热测温电极

    4—隔离层  5—叉指电极   6—敏感薄膜

附图2是本发明气敏传感器结构示意图。

图中7—空隙，  8—小孔，其它图号与附图1相同。

图3是本发明的工艺流程图。

下面结合附图叙述本发明。由图2可知，本发明利用牺牲层技术，在硅片1上形成“准球面”膜片基础层，在硅片1与基础层2之间有一空隙7。空隙7高度为2-3微米。在隔离层4至牺牲层之间有小孔8，当气敏传感器制作完成后，通过小孔8将牺牲层腐蚀掉。小孔8至少为二个，根据工艺需要也可以是多个。最终获得的“球面型”膜片的机械强度比平面型的大，而且不易产生应力。

由图3可知，本发明工艺技术的主要步骤如下：

(1)首先在硅片上制备牺牲层。牺牲层材料依后序工艺的要求来选择。一般选易腐蚀的金属，如铜等。如果后序工艺是低温过程，也可以采用光刻胶。厚度一般取2-3微米。金属膜可以采用物理气相沉积(PVD)或化学气相沉积(CVD)方法制备。每个单元的尺寸为传感器的工作区大小的两倍左右。

(2)制备膜片基础层。选用抗腐蚀的介质材料，如氧化硅、氮化硅或氮氧化硅等，厚度1-2微米左右，可以用PVD或CVD方法沉积。

(3)刻腐蚀孔，在膜片层的每个单元刻出两个小孔，孔应尽量小依能否腐蚀掉牺牲层为准则。一般采用等离子体干法刻蚀，由于膜片基础层厚度大，刻孔困难，膜层基础层可以分两次沉积。刻完腐蚀孔后再加厚到所需厚度。

到此为止，“准球面”型膜片已经形成。以下制备加热电极，测温度电极，隔离层，叉指电极和敏感薄膜的各步工艺与现有的工艺类似。但是不需要各向异性腐蚀。

(4)在膜片基础层上制备加热和测温电极。一般采用剥离技术(lift-off)制备Pt电极。

(5)制备隔离层。用PVD或CVD方法制备氧化硅、氮化硅或是氮氧化硅膜，厚度0.5-1微米。

(6)制备叉指电极。采用Pt或金材料。

(7)腐蚀牺牲层。

(8)制备敏感薄膜。可以是各种金属氧化物半导体。

Claims (7)

1、一种微型气敏传感器，包括硅片(1)，在硅片(1)上部有一基础层(2)，在基础层(2)与隔离层(4)之间的加热测温电极(3)，叉指电极(5)制作在隔离层(4)上，敏感薄膜(6)覆盖住叉指电极(5)，硅片(1)与基础层(2)之间为一空隙(7)，在隔离层(4)上有小孔(8)与空隙(7)相通，其特征在于形成的膜片是准球面型。。

2、按权利要求1所述的微型气敏传感器，其特征是硅片(1)与基础层(2)之间的空隙高度为2-3微米。

3、按权利要求1所述的微型气敏传感器，其特征是所说的小孔(8)为1个或2个。

4、一种微型气敏传感器制备方法，其特征是所说的制备方法是：

(a)在硅片上制备准球面型的牺牲层；

(b)在牺牲层的上面制备膜片基础层；

(c)在基础层上刻腐蚀孔后形成准球面型膜片；

(d)制备加热电极、测温度电极、隔离层、叉指电极和敏感薄膜；

(e)通过腐蚀孔将牺牲层腐蚀掉；

5、按权利要求4所述的微型气敏传感器制备方法，其特征是牺牲层的材料是易腐蚀金属或光刻胶。

6、按权利要求5所述的微型气敏传感器制备方法，其特征是所说的易腐蚀金属是铜。

7、按权利要求4所述的微型气敏传感器制备方法，其特征是腐蚀孔为1个或2个。

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