CN109613086A - 气体敏感芯片及其制备方法 - Google Patents

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杨永超
刘继江
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Abstract

气体敏感芯片及其制备方法，涉及气体传感器领域。本发明是为了解决现有气体敏感芯片在筛选、传递和测试过程中，容易被损坏，进而导致成品率低的问题。本发明所述的气体敏感芯片，气体敏感单元的基底上沿三条连续的边留有宽度相同的基底键合区，透气封盖为一侧开口的长方体盖状结构，透气封盖顶部开有电气引出口、且透气封盖顶部的中心位置还开有透气孔，透气封盖的底部盖沿构成封盖键合区，透气封盖盖合在气体敏感单元上方，基底键合区与封盖键合区相互对应并实现键合连接，使得透气封盖中心与基底的中心正对、且气体敏感单元上的所有焊盘均位于电气引出口的下方。

Description

气体敏感芯片及其制备方法
技术领域
本发明属于气体传感器领域。
背景技术
气体传感器是气体检测仪器仪表的核心元器件，是国内外环境监测系统中公认的核心关键电子元器件，半导体氧化物气体传感器是最重要的气体传感器之一。近年来，随着微机械加工(MEMS)技术的发展，基于硅基的微结构气体传感器渐渐成为气体传感器的主流研究方向，并主要集中在新型制作工艺、新型电极材料、导热功能层以及气敏单元集成等方面。其中，悬臂梁式气体传感器由于具有功耗低、响应速度快等优点被广泛采用。但是，由于微热板厚度极薄(仅为几微米左右)，且整个微热板仅由几根悬臂梁进行支撑，因此会存在抗机械强度差、可靠性差等问题。虽然，通过合理的封装可以提高气体敏感芯片的可靠性，可是在芯片的筛选、传递以及测试等过程中，芯片还是极容易被损坏，从而极大的降低了成品率。
发明内容
本发明是为了解决现有气体敏感芯片在筛选、传递和测试过程中，容易被损坏，进而导致成品率低的问题，现提供气体敏感芯片及其制备方法。
气体敏感芯片，包括气体敏感单元和透气封盖，
气体敏感单元的基底1上沿三条连续的边留有宽度相同的基底键合区12，
透气封盖为一侧开口的长方体盖状结构，透气封盖顶部开有电气引出口15、且透气封盖顶部的中心位置还开有透气孔13，透气封盖的底部盖沿构成封盖键合区14，
透气封盖盖合在气体敏感单元上方，基底键合区12与封盖键合区14相互对应并实现键合连接，使得透气封盖中心与基底1的中心正对、且气体敏感单元上的所有焊盘9均位于电气引出口15的下方。
进一步的，气体敏感单元包括：基底1、支撑层、掩膜层、加热电极4、绝缘钝化层5、一对测试电极6和气体敏感功能层7；
基底1上开有上下贯通的中空腔10，支撑层覆盖在基底1的上表面，掩膜层覆盖在基底1的下表面，支撑层的面积小于基底1的表面积，使得在基底1上沿三条连续的边构成基底键合区12，
加热电极4为方波形结构，加热电极4固定在支撑层上表面，绝缘钝化层5同时覆盖在支撑层和加热电极4的上表面，绝缘钝化层5上开有四个与中空腔10连通的热隔离孔11，热隔离孔11孔形为等腰梯形，四个热隔离孔11以基底1的中心点为对称中心呈中心对称形式排布、且梯形的窄边均朝向对称中心，
一对测试电极6均固定在绝缘钝化层5的上表面，测试电极6为梳状结构，当一对测试电极6向支撑层投影时，一对测试电极6的投影分别位于加热电极4的两侧、且加热电极3相邻的两个方波之间均有一个测试电极6投影下来的齿，
气体敏感功能层7同时覆盖在加热电极4与一对测试电极6所在区域上方，加热电极4的两端连接有电极引线8，一对测试电极6的首末端反向设置，一对测试电极6的末端均连接有电极引线8，每个电极引线8的末端均连接有一个焊盘9，电极引线8和焊盘9均位于绝缘钝化层5上表面。
进一步的，支撑层和掩膜层均包括氧化绝缘层2和氮化硅绝缘层3，氧化绝缘层2覆盖在基底1的表面，氮化硅绝缘层3覆盖在氧化绝缘层2的表面。
进一步的，基底1为N型[100]单晶硅片。
进一步的，相邻的两个热隔离孔11之间的部分作为支撑梁，四根电极引线8分别沿四根支撑梁布置。
进一步的，绝缘钝化层5上开有引线孔，电极引线8穿过引线孔与加热电极4电气连接。
进一步的，透气封盖的材料为BF33玻璃或PYREX7740玻璃。
进一步的，基底键合区12的面积大于封盖键合区14的面积，电气引出口15的面积大于所有焊盘9所在区域的面积。
上述气体敏感芯片的制备方法，包括气体敏感单元制备步骤和键合步骤：
气体敏感单元制备步骤具体为：
在基底1的上表面制备支撑层，在基底1的下表面制备掩膜层，
在支撑层上沉积Cr和Pt复合薄膜，利用干法刻蚀刻除多余的金属，获得加热电极4，
在裸露的支撑层和加热电极4沉积二氧化硅，以获得绝缘钝化层5，通过光刻法在绝缘钝化层5上刻蚀出两个引线孔，两个引线孔分别与加热电极4的两端连通，
在绝缘钝化层5上沉积Cr和Pt复合薄膜，利用光刻法刻除多余的金属，获得测试电极6、电极引线8和焊盘9，
利用光刻法刻蚀出热隔离区域和待键合区域的轮廓，然后将轮廓内的支撑层和绝缘钝化层5刻除，直至露出基底1的上表面，形成热隔离孔11和基底键合区12，
利用光刻法在掩膜层上刻蚀出空腔区域，利用干刻法将空腔区域内的掩膜层刻除，直至露出基底1的下表面，利用KOH在80℃的条件下将空腔区域内的基底1腐蚀完全，获得中空腔10，
将SnO2敏感材料滴涂在加热电极4与一对测试电极6所在区域上方，并加热至400℃烧结，自然冷却至室温，获得气体敏感功能层7，完成气体敏感单元的制备；
键合步骤具体为：
将基底键合区12与封盖键合区14正对，利用阳极键合机对气体敏感单元和透气封盖进行键合，并在360℃的条件下保温30min，实现气体敏感单元和透气封盖的键合连接，完成气体敏感芯片的制备。
进一步的，在基底1的上下表面制备支撑层和掩膜层的具体方法为：
利用热氧化法在基底1的上下表面制备氧化绝缘层2，利用化学气相沉积法在氧化绝缘层2的外表面沉积氮化硅绝缘层3。
本发明提出了一种气体敏感芯片及其制备方法，其优点如下：
1、将悬臂梁式气体敏感单元与透气玻璃封盖进行硅--玻璃键合，能够实现对气体敏感单元的有效保护，提高气体敏感芯片的可靠性，避免气体敏感芯片在筛选、传递以及测试中发生损坏；
2、在采用硅-玻璃键合的方式对气体敏感单元进行保护，可简化后续封装设计，降低了气体传感器的整体尺寸；
3、采用圆片级键合方法，具有可批量加工、提高了生产效率。
附图说明
图1为气体敏感芯片的剖面图；
图2为未覆盖气体敏感功能层时，气体敏感单元的主视图；
图3为气体敏感单元的剖面图；
图4为测试电极与加热电极相互配合时的结构示意图；
图5为透气封盖的仰视图；
图6为图5的A-A向剖视图。
具体实施方式
具体实施方式一：参照图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的气体敏感芯片，包括气体敏感单元和透气封盖，
气体敏感单元包括：N型[100]单晶硅基底1、氧化绝缘层2、氮化硅绝缘层3、加热电极4、绝缘钝化层5、一对测试电极6和气体敏感功能层7；
结合图2和图3所示，N型[100]单晶硅基底1上开有上下贯通的中空腔10，形成中空硅杯结构，以降低气体敏感芯片的功耗。
氧化绝缘层2覆盖在N型[100]单晶硅基底1的上下表面，氮化硅绝缘层3覆盖在氧化绝缘层2的外表面，N型[100]单晶硅基底1的上表面的氧化绝缘层2和氮化硅绝缘层3共同构成支撑层，N型[100]单晶硅基底1的上表面的氧化绝缘层2和氮化硅绝缘层3共同构成掩膜层。支撑层面积小于N型[100]单晶硅基底1的表面积，使得在N型[100]单晶硅基底1上沿三条连续的边留有宽度相同的基底键合区12。
加热电极4为方波形结构，加热电极4固定在N型[100]单晶硅基底1上层的氮化硅绝缘层3上表面。
绝缘钝化层5同时覆盖在上层裸露的氮化硅绝缘层3和加热电极4的上表面，绝缘钝化层5上开有四个与中空腔10连通的热隔离孔11，热隔离孔11用于隔热，以降低热损耗和功耗。热隔离孔11的孔形为等腰梯形，四个热隔离孔11以N型[100]单晶硅基底1的中心点为对称中心呈中心对称形式排布、且梯形的窄边均朝向对称中心方向。
一对测试电极6均固定在绝缘钝化层5的上表面，利用绝缘钝化层5将加热电极4和一对测试电极6进行电气隔离。
测试电极6为梳状结构，当两个测试电极6同时向氮化硅绝缘层3上投影时，两个测试电极6的投影能够分别落在加热电极4的两侧、且加热电极4相邻的两个波峰和波谷之间均有一个测试电极6投影下来的齿，如图4所示。
气体敏感功能层7同时覆盖在加热电极4与一对测试电极6所在区域上方。
加热电极4的两端各连接有一根电极引线8，一对测试电极6的首末端反向设置，一对测试电极6的末端各自连接有一根电极引线8，共4根电极引线8，相邻的两个热隔离孔11之间的部分作为支撑梁，四根电极引线8分别沿四根支撑梁布置，绝缘钝化层5上开有引线孔，电极引线8穿过引线孔与加热电极4电气连接。每根电极引线8的末端均连接有一个焊盘9，一对测试电极6、电极引线8和焊盘9均位于绝缘钝化层5上表面。
如图5和6所示，透气封盖的材料为BF33玻璃或PYREX7740玻璃，透气封盖为一侧开口的长方体盖状结构，透气封盖顶部开有电气引出口15、且透气封盖顶部的中心位置还开有圆形或方形的透气孔13，透气封盖的底部盖沿构成封盖键合区14，透气封盖盖合在气体敏感单元上方，基底键合区12与封盖键合区14相互对应并实现键合连接，使得透气封盖中心与N型[100]单晶硅基底1正对、且所有焊盘9均位于电气引出口15的下方。基底键合区12的面积大于封盖键合区14的面积，以此保证两者之间具有良好的接触。电气引出口15的面积大于所有焊盘9所在区域的面积。
具体实施方式二：具体实施方式一所述的气体敏感芯片的制备方法，该方法包括气体敏感单元制备步骤、透气封盖制备步骤和键合步骤：
气体敏感单元制备步骤具体为：
采用清洗液对N型[100]单晶硅基底1进行标准清洗，
利用热氧化法在N型[100]单晶硅基底1的上下表面制备氧化绝缘层2，利用化学气相沉积法在氧化绝缘层2的外表面沉积氮化硅绝缘层3。
在支撑层上沉积Cr和Pt复合薄膜，利用干法刻蚀刻除多余的金属，获得加热电极4，
在裸露的支撑层和加热电极4沉积二氧化硅，以获得绝缘钝化层5，通过光刻法在绝缘钝化层5上刻蚀出两个引线孔，两个引线孔分别与加热电极4的两端连通，
在绝缘钝化层5上沉积Cr和Pt复合薄膜，利用光刻法刻除多余的金属，获得测试电极6、电极引线8和焊盘9，
利用光刻法刻蚀出热隔离区域和待键合区域的轮廓，然后将轮廓内的支撑层和绝缘钝化层5刻除，直至露出N型[100]单晶硅基底1的上表面，形成热隔离孔11和基底键合区12，基底键合区12表面即为硅-玻璃阳极键合所需的硅材料。
利用光刻法在掩膜层上刻蚀出空腔区域，利用干刻法将空腔区域内的掩膜层刻除，直至露出N型[100]单晶硅基底1的下表面，利用KOH在80℃的条件下将空腔区域内的N型[100]单晶硅基底1腐蚀完全，获得中空腔10，
将SnO2敏感材料滴涂在加热电极4与一对测试电极6所在区域上方，并加热至400℃烧结，自然冷却至室温，获得气体敏感功能层7，完成气体敏感单元的制备；
透气封盖制备步骤具体为：
采用清洗液对玻璃体进行标准清洗；
采用机械加工方式对在玻璃体上加工出中空腔体形成玻璃盖体结构，盖体的底部边沿作为封盖键合区14，
然后再该盖体上加工透气孔13和电气引出口15，以获得透气封盖。
键合步骤具体为：
利用光刻机将基底键合区12与封盖键合区14相互对准，利用阳极键合机对气体敏感单元和透气封盖进行键合，并在360℃的条件下保温30min，实现气体敏感单元和透气封盖的键合连接，完成气体敏感芯片的制备。

Claims (10)

1.气体敏感芯片，其特征在于，包括气体敏感单元和透气封盖，
气体敏感单元的基底(1)上沿三条连续的边留有宽度相同的基底键合区(12)，
透气封盖为一侧开口的长方体盖状结构，透气封盖顶部开有电气引出口(15)、且透气封盖顶部的中心位置还开有透气孔(13)，透气封盖的底部盖沿构成封盖键合区(14)，
透气封盖盖合在气体敏感单元上方，基底键合区(12)与封盖键合区(14)相互对应并实现键合连接，使得透气封盖中心与基底(1)的中心正对、且气体敏感单元上的所有焊盘(9)均位于电气引出口(15)的下方。
2.根据权利要求1所述的气体敏感芯片，其特征在于，气体敏感单元包括：基底(1)、支撑层、掩膜层、加热电极(4)、绝缘钝化层(5)、一对测试电极(6)和气体敏感功能层(7)；
基底(1)上开有上下贯通的中空腔(10)，支撑层覆盖在基底(1)的上表面，掩膜层覆盖在基底(1)的下表面，支撑层的面积小于基底(1)的表面积，使得在基底(1)上沿三条连续的边构成基底键合区(12)，
加热电极(4)为方波形结构，加热电极(4)固定在支撑层上表面，绝缘钝化层(5)同时覆盖在支撑层和加热电极(4)的上表面，绝缘钝化层(5)上开有四个与中空腔(10)连通的热隔离孔(11)，热隔离孔(11)孔形为等腰梯形，四个热隔离孔(11)以基底(1)的中心点为对称中心呈中心对称形式排布、且梯形的窄边均朝向对称中心，
一对测试电极(6)均固定在绝缘钝化层(5)的上表面，测试电极(6)为梳状结构，当一对测试电极(6)向支撑层投影时，一对测试电极(6)的投影分别位于加热电极(4)的两侧、且加热电极(3)相邻的两个方波之间均有一个测试电极(6)投影下来的齿，
气体敏感功能层(7)同时覆盖在加热电极(4)与一对测试电极(6)所在区域上方，加热电极(4)的两端连接有电极引线(8)，一对测试电极(6)的首末端反向设置，一对测试电极(6)的末端均连接有电极引线(8)，每个电极引线(8)的末端均连接有一个焊盘(9)，电极引线(8)和焊盘(9)均位于绝缘钝化层(5)上表面。
3.根据权利要求2所述的气体敏感芯片，其特征在于，支撑层和掩膜层均包括氧化绝缘层(2)和氮化硅绝缘层(3)，氧化绝缘层(2)覆盖在基底(1)的表面，氮化硅绝缘层(3)覆盖在氧化绝缘层(2)的表面。
4.根据权利要求1、2或3所述的气体敏感芯片，其特征在于，基底(1)为N型[100]单晶硅片。
5.根据权利要求2或3所述的气体敏感芯片，其特征在于，相邻的两个热隔离孔(11)之间的部分作为支撑梁，四根电极引线(8)分别沿四根支撑梁布置。
6.根据权利要求2或3所述的气体敏感芯片，其特征在于，绝缘钝化层(5)上开有引线孔，电极引线(8)穿过引线孔与加热电极(4)电气连接。
7.根据权利要求1、2或3所述的气体敏感芯片，其特征在于，透气封盖的材料为BF33玻璃或PYREX7740玻璃。
8.根据权利要求1、2或3所述的气体敏感芯片，其特征在于，基底键合区(12)的面积大于封盖键合区(14)的面积，电气引出口(15)的面积大于所有焊盘(9)所在区域的面积。
9.权利要求2所述的气体敏感芯片的制备方法，其特征在于，包括气体敏感单元制备步骤和键合步骤：
气体敏感单元制备步骤具体为：
在基底(1)的上表面制备支撑层，在基底(1)的下表面制备掩膜层，
在支撑层上沉积Cr和Pt复合薄膜，利用干法刻蚀刻除多余的金属，获得加热电极(4)，
在裸露的支撑层和加热电极(4)沉积二氧化硅，以获得绝缘钝化层(5)，通过光刻法在绝缘钝化层(5)上刻蚀出两个引线孔，两个引线孔分别与加热电极(4)的两端连通，
在绝缘钝化层(5)上沉积Cr和Pt复合薄膜，利用光刻法刻除多余的金属，获得测试电极(6)、电极引线(8)和焊盘(9)，
利用光刻法刻蚀出热隔离区域和待键合区域的轮廓，然后将轮廓内的支撑层和绝缘钝化层(5)刻除，直至露出基底(1)的上表面，形成热隔离孔(11)和基底键合区(12)，
利用光刻法在掩膜层上刻蚀出空腔区域，利用干刻法将空腔区域内的掩膜层刻除，直至露出基底(1)的下表面，利用KOH在80℃的条件下将空腔区域内的基底(1)腐蚀完全，获得中空腔(10)，
将SnO2敏感材料滴涂在加热电极(4)与一对测试电极(6)所在区域上方，并加热至400℃烧结，自然冷却至室温，获得气体敏感功能层(7)，完成气体敏感单元的制备；
键合步骤具体为：
将基底键合区(12)与封盖键合区(14)正对，利用阳极键合机对气体敏感单元和透气封盖进行键合，并在360℃的条件下保温30min，实现气体敏感单元和透气封盖的键合连接，完成气体敏感芯片的制备。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，在基底(1)的上下表面制备支撑层和掩膜层的具体方法为：
利用热氧化法在基底(1)的上下表面制备氧化绝缘层(2)，利用化学气相沉积法在氧化绝缘层(2)的外表面沉积氮化硅绝缘层(3)。
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