CN112255287A - 一种基于多孔硅的硅基叉指电极及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于多孔硅的硅基叉指电极及其制造方法，所述硅基叉指电极包括硅衬底、多孔硅层、金微带叉指电极、氧化硅层以及输入/输出接口，所述多孔硅层位于所述硅衬底的上方，且所述多孔硅层与所述金微带叉指电极形态相匹配；所述氧化硅层位于所述多孔硅层和所述金微带叉指电极之间，所述金微带叉指电极的两端设有输入/输出接口。本发明中通过采用普通低电阻P型硅为衬底，可以有效降低器件制备成本，此外，所制备的多孔硅结构可以显著的提高器件的表面粗糙度和面表比，从而提高电极的电学性能；同时还降低了制造成本。

Description

一种基于多孔硅的硅基叉指电极及其制造方法
技术领域
本发明涉及精细电路技术领域，尤其涉及一种基于多孔硅的硅基叉指电极及其制造方法。
背景技术
叉指电极是指状或梳状的面内有周期性图案的电极，它是通过电化学工艺加工获得的超精细电路。作为电信号传输核心部件，广泛应用于生物医疗检测、环境在线监测，食品安全检测，安全监测等重要领域。
传统的平面硅基叉指电极或SOI硅基叉指电极在传感器领域有很好的应用，但是和复合气敏材料的结合不是很完美，不能形成较好的复合结构，并使器件性能不能更进一步提升。
近十多年来，随着MEMS(微机电系统)工艺和MEMS器件的逐渐成熟，给硅微电极的小型化、集成化提供了契机。MEMS技术在不牺牲器件性能的前提下，比较容易实现硅基叉指电极的制备和应用。但是普通的硅平面电极表面光滑，存在和复合材料结合不够紧密的问题。
目前，为解决硅基叉指电极的这一问题，一般采用不同衬底的方法来解决。但是始终存在面表比较小，结合不够紧密这一缺点。多孔硅具有超高的面表比（大于500m2/cm3），相比较于多孔氧化铝，不仅具有更高的面表比还具有更好的兼容性，而且多孔硅可以由普通硅片来制备，可以显著降低衬底成本，从而降低整个器件的制造成本。
发明内容
针对上述存在的问题，本发明旨在提供一种基于多孔硅的硅基叉指电极及其制造方法，该硅基叉指电极可以有效的提升硅基复合结构器件的结合紧密度，提升器件性能，同时降低了制造成本。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种基于多孔硅的硅基叉指电极，其特征在于：包括硅衬底、多孔硅层、金微带叉指电极、氧化硅层以及输入/输出接口，所述多孔硅层位于所述硅衬底的上方，且所述多孔硅层与所述金微带叉指电极形态相匹配；所述氧化硅层位于所述多孔硅层和所述金微带叉指电极之间，所述金微带叉指电极的两端设有输入/输出接口。
进一步的，所述硅衬底为普通的P100型硅片，电阻率为0.01Ωcm~0.1Ωcm；所述硅衬底的厚度为约为400um。
进一步的，所述多孔硅层的厚度为3~7微米，所述多孔硅层的孔隙率为50%~70％，所述多孔硅层孔隙的孔径为8~200nm。
进一步的，所述多孔硅层的厚度为5微米，所述多孔硅层的孔隙率为60%，所述多孔硅层孔隙的孔径为30-50nm。
进一步的，所述氧化硅层厚度为300~500nm。
进一步的，所述氧化硅层厚度为400nm。
进一步的，所述金微带叉指电极和所述输入/输出接口的材料为导电材料，所述导电材料层的厚度≥3μm。
进一步的，一种基于多孔硅的硅基叉指电极的制造方法，其特征在于，包括以下步骤，
S1：硅衬底的预处理；
S2：在预处理好的硅衬底上采用超声辅助双槽阳极电化学腐蚀形成多孔硅层；
S3：将多孔硅层表面氧化形成氧化硅层；
S4：在氧化硅层真空蒸镀形成金微带叉指电极和输入/输出接口。
进一步的，步骤S1的具体操作包括，
S11：将硅片切割成适合腐蚀的尺寸，在超声环境下分别用丙酮和无水乙醇进行清洗15分钟以上；
S12：将超声清洗后的硅片放入稀释后的氢氟酸溶液中进行清洗腐蚀5-10分钟；所述氢氟酸溶液的体积比浓度为3%；
S13：用大量去离子水将硅片清洗干净，保存在无水乙醇中备用。
进一步的，步骤S2中电化学腐蚀的腐蚀液为浓度50％的氢氟酸与乙醇按照1:1~1:3配比形成；电化学腐蚀的电流密度10-80mA/cm2，腐蚀时间1-5分钟；电化学腐蚀的温度为0℃。
本发明的有益效果是：
1、本发明中的叉指电极通过在P型普通硅片上制备多孔硅层，然后在多孔硅上制备相应的金微带结构，从而形成基于多孔硅的微带硅基金叉指电极；采用普通低电阻P型硅为衬底，可以有效降低器件制备成本，此外，所制备的多孔硅结构可以显著的提高器件的表面粗糙度和面表比，从而提高电极的电学性能。
2、本发明中的叉指电极所采用的多孔硅具有超高的面表比（大于500m2/cm3），相比较于多孔氧化铝，不仅具有更高的面表比还具有更好的兼容性，而且多孔硅可以由普通硅片来制备，可以显著降低衬底成本，从而降低整个器件的制造成本。
3、本发明中的叉指电极多孔硅层与半导体氧化物进行复合，产生协同效应，再加上其巨大的面表比，可以提高传感器的气敏特性；氧化硅层主要起到绝缘作用，衬底起到支撑作用。多孔硅层还能够与集成电路工艺相兼容，是生物兼容性优异的材料，在生物检测和集成化应用中可以进一步的拓展应用。
附图说明
图1为本发明基于多孔硅的硅基叉指电极的结构俯视图；
图2为本发明图1中基于多孔硅的硅基叉指电极沿AA’方向的截面剖视图；
图3为本发明基于多孔硅的硅基叉指电极制造方法流程图。
图4为本发明采用本发明中的电极与采用普通的陶瓷基底纳米氧化锌气敏传感器在对NO2进行检测的对比结果。
其中：101-硅衬底，102-多孔硅层，103-金微带叉指电极，104-氧化硅层，105-输入/输出接口。
具体实施方式
为了使本领域的普通技术人员能更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的描述。
参照附图1-2所示的一种基于多孔硅的硅基叉指电极，包括硅衬底101、多孔硅层102、金微带叉指电极103、氧化硅层104以及输入/输出接口105；
所述硅衬底101为普通的P100型硅片，电阻率为0.05Ωcm；所述硅衬底的厚度为400um。
进一步的，所述多孔硅层102位于所述硅衬底101的上方，且所述多孔硅层102与所述金微带叉指电极103形态相匹配；所述多孔硅层102的厚度为5微米，孔隙率为60％，所述多孔硅层102孔隙的孔径为30-50nm。
进一步的，所述多孔硅层102的表面为氧化硅层104，所述氧化硅层104为所述多孔硅层102氧化而得，所述氧化硅层104厚度为300nm。
进一步的，所述金微带叉指电极103和输入/输出接口105位于所述氧化硅层104的上方，且所述输入/输出接口105位于所述金微带叉指电极103的两端，所述金微带叉指电极103和所述输入/输出接口105的材料为导电材料，在本实施例中具体为金，且所述金层的厚度约为3μm。
该基于多孔硅的硅基叉指电极的工作原理为：
本发明中叉指电极和其它基底的叉指电极工作原理一致，是指状或梳状的面内有周期性图案的电极，可以应用于生物医疗检测、环境在线监测，食品安全检测，安全监测等重要领域。其不同点在于采用不同的衬底，特殊的材料与结构将产生不同的电气效应，本申请中的多孔硅和纳米氧化锌、氧化铜等半导体气敏材料可能产生协同效应，从而提高气敏特性。
本实施例中还提供了一种基于多孔硅的硅基叉指电极的制造方法，如附图3所示，包括以下步骤，
S11：硅衬底的预处理；
具体的，S11：将硅片切割成2cm × 2cm的尺寸，适合腐蚀，在超声环境下分别用丙酮和无水乙醇进行清洗15分钟以上；
S12：将超声清洗后的硅片放入稀释后的氢氟酸溶液中进行清洗腐蚀5-10分钟，所述氢氟酸溶液的体积比浓度为3%；
S13：用大量去离子水将硅片清洗干净，保存在无水乙醇中备用。
进一步的，步骤S2：在预处理好的硅衬底上采用超声辅助双槽法电化学腐蚀形成多孔硅层；腐蚀液为浓度55％的氢氟酸与乙醇按照1:1配比形成；电化学腐蚀的电流密度50mA/cm2，电化学腐蚀的温度为0℃，腐蚀时间4分钟，最终形成的多孔硅层厚度为5微米。
进一步的，步骤S3：将多孔硅层表面采用马弗炉空气氧化或者双氧水氧化，形成氧化硅层；具体的：将多孔硅放入马弗炉中，500℃温度下氧化3小时，自然冷却；或者将多孔硅硅片放入体积比为30%的双氧水中氧化12小时。
进一步的，步骤S4：在氧化硅层真空蒸镀形成金微带叉指电极和输入/输出接口，具体的，将硅片置于蒸镀室，在高真空条件下，根据蒸镀速率蒸镀5-10分钟。
进一步的，对本实施例中的基于多孔硅的硅基叉指电极进行性能检测，具体的，
采用普通的陶瓷基底纳米氧化锌气敏传感器在对NO2进行检测对比发现，结果如附图4所示，从附图4中可以看出，在100ppm浓度下，陶瓷基底纳米氧化锌气敏传感器的响应为5.3，而多孔硅基底纳米氧化锌气敏传感器的响应达到23.3，由于多孔硅的协同效应，多孔硅监测灵敏度大幅度提升。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种基于多孔硅的硅基叉指电极，其特征在于：包括硅衬底(101)、多孔硅层(102)、金微带叉指电极(103)、氧化硅层(104)以及输入/输出接口(105)，所述多孔硅层(102)位于所述硅衬底(101)的上方，且所述多孔硅层(102)与所述金微带叉指电极(103)形态相匹配；所述氧化硅层(104)位于所述多孔硅层(102)和所述金微带叉指电极(103)之间，所述金微带叉指电极(103)的两端设有输入/输出接口(105)。
2.根据权利要求1所述的一种基于多孔硅的硅基叉指电极，其特征在于：所述硅衬底(101)为普通的P100型硅片，电阻率为0.01Ωcm～0.1Ωcm；所述硅衬底(101)的厚度为约为400um。
3.根据权利要求1所述的一种基于多孔硅的硅基叉指电极，其特征在于：所述多孔硅层(102)的厚度为3～7微米，所述多孔硅层(102)的孔隙率为50％～70％，所述多孔硅层(102)孔隙的孔径为8～200nm。
4.根据权利要求3所述的一种基于多孔硅的硅基叉指电极，其特征在于：所述多孔硅层(102)的厚度为5微米，所述多孔硅层(102)的孔隙率为60％，所述多孔硅层(102)孔隙的孔径为30-50nm。
5.根据权利要求1所述的一种基于多孔硅的硅基叉指电极，其特征在于：所述氧化硅层(104)厚度为300～500nm。
6.根据权利要求5所述的一种基于多孔硅的硅基叉指电极，其特征在于：所述氧化硅层(104)厚度为400nm。
7.根据权利要求1所述的一种基于多孔硅的硅基叉指电极，其特征在于：所述金微带叉指电极(103)和所述输入/输出接口(105)的材料为导电材料，所述导电材料层的厚度≥3μm。
8.如权利要求1-7任一项所述的一种基于多孔硅的硅基叉指电极的制造方法，其特征在于，包括以下步骤，
S1：硅衬底的预处理；
S2：在预处理好的硅衬底上采用超声辅助双槽阳极电化学腐蚀形成多孔硅层；
S3：将多孔硅层表面氧化形成氧化硅层；
S4：在氧化硅层真空蒸镀形成金微带叉指电极和输入/输出接口。
9.根据权利要求8所述的一种基于多孔硅的硅基叉指电极的制造方法，其特征在于，步骤S1的具体操作包括，
S11：将硅片切割成适合腐蚀的尺寸，在超声环境下分别用丙酮和无水乙醇进行清洗15分钟以上；
S12：将超声清洗后的硅片放入稀释后的氢氟酸溶液中进行清洗腐蚀5-10分钟；所述氢氟酸溶液的体积比浓度为3％；
S13：用大量去离子水将硅片清洗干净，保存在无水乙醇中备用。
10.根据权利要求8所述的一种基于多孔硅的硅基叉指电极的制造方法，其特征在于，步骤S2中电化学腐蚀的腐蚀液为浓度50％的氢氟酸与乙醇按照1:1～1:3配比形成；电化学腐蚀的电流密度10-80mA/cm2，腐蚀时间1-5分钟；电化学腐蚀的温度为0℃。
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