CN113203769B - 一种高气密性的微型热导检测器及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高气密性的微型热导检测器及其制作方法，先在硅基底上制备热敏电阻和电极，再刻蚀出键合区域；通过腐蚀出气流通道、缓冲通道和密封通道释放微桥；硅基底和玻璃封帽直接键合封装。其中：1)气体通道由外侧的密封通道、中间的缓冲通道、内侧的气流通道三个口径依次减小的通道构成；2)硅基底的宽度大于玻璃封帽的宽度；3)采用金属作为掩膜，有效地去除硅表面的氮化硅膜并保护键合区域。本发明微型热导检测器，不仅能够避免密封胶容易堵塞检测器气体管道的问题，还明显地提高硅基底与玻璃封帽的键合强度，解决了检测器气流通道底部密封工艺难度大、密封性差的问题，有效地提升了微型热导检测器的气密性和成品率。

Description

一种高气密性的微型热导检测器及其制作方法
技术领域
本发明属于微电子机械系统/气体检测/集成芯片技术领域，具体涉及一种高气密性的微型热导检测器及其制作方法。
背景技术
热导检测器(TCD)是气相色谱仪中应用较为广泛的一类检测器。热导检测器利用被检测气体组分与载气的热导率的差别，检测气体组分的浓度变化。而且，在不损坏被检测气体的情况下，还可以检测几乎所有种类的气体。由于该器件的通用性好，所以被广泛地应用于石油、化工、食品等行业。但是，传统的热导检测器往往体积大、重量重、移动不便，不利于气体的现场检测。
近年，可移动、小型化的热导检测器越来越受到关注。由于热导检测器对混合物中的物质浓度敏感，而不是对样品的总质量敏感，所以热导检测器特别适合小型化。此外，微型热导检测器(μTCD)可以采用微细加工技术进行制造，极大地降低了热导池体积，并且有效地提高了检测的响应速率、降低了器件的功耗。与传统的检测器相比较，微型热导检测器具有便携、性能稳定、价格便宜等优势。微型热导检测器的高灵敏性和便携性，使它非常适用于卫生服务、国土安全、工业污染监测和环境分析。
现有的微型热导检测器虽然在热导池体积、微桥结构、热敏电阻等方面已获得很大发展，但是仍然存在以下问题：(1)气体通道通常被设计成直线型，即整个气流通道的口径相同。采用这种通道口径一致的结构，在利用密封胶对通道进行密封时，由于金属导气管的外径与气流通道的口径相差不大，加剧了“毛细效应”，从而导致密封胶极易流入气流通道、堵塞管道，降低了器件的成品率；(2)由于检测器的器件体积小，所以在制作过程中，都是先将检测器固定在基板上，再在每个通道的入口分别插入一根金属管。最后，通过人工点胶，密封通道入口。而且，由于传统的检测器的硅基底与玻璃封帽的宽度相同，检测器的表面也没有预留特殊的密封胶的密封区域。这导致检测器通道底部的密封难度加大，加剧了人工点胶误差，使得器件密封性差、成品率低；(3)在湿法制备微桥之后，键合界面还保留有氮化硅或氧化硅薄膜，并且该氮化硅或氧化硅薄膜在微桥成型之后便极难被去除。所以，硅基底只能通过隔着一层氮化硅或氧化硅薄膜与玻璃封帽进行键合。由于硅与玻璃之间没有直接接触，导致两者的阳极键合强度降低，玻璃封帽容易由此脱落，进一步降低了检测器的密封性和成品率。
发明内容
本发明的目的在于：针对上述微型热导检测器存在的问题，提供一种高气密性的微型热导检测器及其制作方法。该检测器可以避免密封胶流入、堵塞气体管道，提高检测器的成品率；而且，还降低了检测器通道底部封装的难度和人工点胶的误差，提升检测器的密封性；重要的是，能够有效地去除硅基片表面的氮化硅、氧化硅或者氮氧化硅薄膜，使硅和玻璃在没有其它膜层隔离、直接接触的情况下，进行阳极键合，从而增强了键合强度，进一步提升检测器的密封性和成品率。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种高气密性的微型热导检测器，包括硅基底，位于硅基底之上的热敏电阻膜、电极膜、微桥结构和玻璃封帽。所述硅基底中设置气体通道，其特征在于，所述气体通道由外侧的密封通道C、中间的缓冲通道B、内侧的气流通道A三个口径依次减小的通道构成；所述硅基底的宽度M大于玻璃封帽的宽度N。
优选地，所述热导检测器的气体入口处的外侧的密封通道的口径C和中间的缓冲通道的口径B的比值I＝C:B，I的取值范围为1.01～10；中间的缓冲通道的口径B和内侧的气流通道的口径A的比值H＝B:A，H的取值范围为1.01～10。
优选地，所述热导检测器的硅基底的宽度M与玻璃封帽的宽度N的比值L＝M:N，L的取值范围为1.01～50；玻璃封帽上气流沟道的口径D和硅基底上密封通道的口径C的比值G＝D:C，G的取值范围为1～10。
进一步地，所述玻璃封帽通过键合区域与硅基底结合，硅基底的键合区域的表面为硅，在形成检测器的键合区域之后，再采用金属膜进行填充和保护。其中，位于中间的第一键合区域的宽度E1与气流通道的口径A的比值J＝E1:A，J的取值范围为0.5～50；位于两侧的第二键合区域的宽度E2与气流通道的口径A的比值K＝E2:A，K的取值范围为1～100。
优选地，所述检测器的热敏电阻膜的材料为铂、钨、钛、铝、镍、银、铁镍合金、镍铬合金、钛钨合金、铼钨合金、氧化钒、氧化钛、硅化钛、氮化钨、硅化钨中的具有高电阻温度系数的一种或几种热敏电阻材料；所述检测器的电极膜的材料为铝、铁、锌、铜、金、铂、钛、镍铬合金、氮化钛、硅化钛中的一种或者几种复合导电材料。
优选地，所述检测器的微桥结构的构成材料为氮化硅、氧化硅、氮氧化硅薄膜中的一种或几种。
优选地，所述热导检测器中，硅基底表面的热敏电阻膜、电极膜、微桥结构和玻璃封帽结构通过化学气相沉积、电子束蒸发、磁控溅射、干法刻蚀、湿法腐蚀等方法制备得到；所述玻璃封帽结构中设置气流沟道，通过干法刻蚀、湿法腐蚀或激光刻蚀等方法制备得到。
一种高气密性的微型热导检测器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)清洗硅片；
(2)在经步骤(1)清洗的硅片的表面旋涂一层光刻胶，光刻显影出热敏电阻和电极的图形；然后，采用反应离子刻蚀技术，刻蚀硅的深度为0.2～4μm；去除光刻胶；
(3)在经步骤(2)处理的硅片的表面，采用化学气相沉积法沉积厚度为0.1～2μm的第一绝缘薄膜层；
(4)在经步骤(3)制备的第一绝缘薄膜层的表面，旋涂一层光刻胶，光刻显影出热敏电阻和电极的图形；然后，采用电子束蒸发或者磁控溅射的方法，先后沉积厚度为0.1～2μm的一层热敏电阻膜和厚度为0.1～2μm的一层电极膜；去除光刻胶；
(5)在经步骤(4)得到的复合结构的表面，采用化学气相沉积法沉积厚度为0.1～2μm的第二绝缘薄膜层；
(6)在经步骤(5)制备的第二绝缘薄膜层的表面，旋涂一层光刻胶，光刻显影出电极焊盘图形；再采用反应离子刻蚀技术刻蚀第二绝缘薄膜层，暴露出电极焊盘；去除光刻胶；
(7)在经步骤(6)得到的复合结构的表面，旋涂一层光刻胶，光刻显影出键合区域图形；然后，采用反应离子刻蚀技术，刻蚀掉第一绝缘薄膜层和第二绝缘薄膜层，暴露出键合区域；
(8)在经步骤(7)制作的键合区域的表面，采用电子束蒸发、磁控溅射或者电化学沉积方法，沉积厚度为0.1～2μm的一层金属膜；去除光刻胶；
(9)在经步骤(8)处理后得到的复合结构的表面，旋涂一层光刻胶，光刻显影后；再利用反应离子刻蚀技术刻蚀掉露出的第一绝缘薄膜层和第二绝缘薄膜层；然后，去除光刻胶，得到微桥结构的图形；
(10)以经步骤(9)处理后的两层绝缘薄膜层和一层金属膜作为掩膜，采用KOH或者TMAH(四甲基氢氧化铵)作为腐蚀液，腐蚀硅基底以形成本发明的气体通道结构，制作出悬浮的微桥结构；
(11)在步骤(10)之后，采用金属腐蚀液，腐蚀在硅基底的键合区域表面的金属膜；
(12)玻璃封帽结构的制作：
a.清洗玻璃；
b.在上步清洗后的玻璃的表面，沉积厚度为0.1～0.5μm的一层铬金属膜；然后，再沉积一层厚度为0.1～2μm的金膜或者镍膜；
c.在上步得到的两层金属膜的表面，旋涂一层光刻胶，光刻显影出气流沟道的图形，再采用干法刻蚀法刻蚀掉两层金属膜；去除光刻胶；
d.以两层金属膜作为掩膜，先采用HF溶液腐蚀玻璃；然后，用金属腐蚀液除去两层金属膜；
(13)将步骤(12)得到的玻璃封帽结构的键合区域和硅基底表面的键合区域进行对准，在硅基底和玻璃封帽之间没有存在其它膜层隔离的情况下，采用阳极键合技术，使硅基底和玻璃封帽直接键合，完成检测器的封装。
进一步地，步骤(3)所述第一绝缘薄膜层为氮化硅、氧化硅或者氮氧化硅薄膜；步骤(5)所述第二绝缘薄膜层为氮化硅、氧化硅或者氮氧化硅薄膜；
进一步地，步骤(8)中的金属膜为铁、铬或者铜膜。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果为：
1.本发明在微型热导检测器的入口和出口处均设置口径不同、由外往里依次减小的三种通道。其中，中间的缓冲通道的口径B大于内侧的气流通道的口径A，会使插入的金属导气管的外壁与中间的缓冲通道侧壁的距离增大，从而降低密封胶密封管道时的“毛细效应”，由此避免密封胶流入气流通道、堵塞管道。而且，还能保证插入的金属导气管深入微型热导检测器内部通道的距离保持一致，防止由于气流流过热敏电阻的速度的不同而导致的测量误差。此外，外侧的密封通道的口径C大于中间的缓冲通道的口径B，可以使密封胶更加容易渗透到插入的金属导气管的外径的底部，从而降低检测器的底部封装的难度，使检测器的管道处密封性更好。因此，通过本发明设计的微型热导检测器的气体通道从其入口处向内依次递减的三种通道口径，可以提升检测器的成品率、检测性能和密封性。
2.本发明的检测器的硅基底的宽度大于玻璃封帽的宽度，会使插入的金属导气管的外径底部与硅直接接触。由此使得密封胶容易流入金属导气管与密封通道之间的间隙，降低管道底部封装难度，并降低了人工密封的误差，显著地提升检测器的气密性。
3.本发明在通过湿法腐蚀硅基底、制作微桥之前，先制作出键合区域；同时，为了避免后续的湿法腐蚀硅工艺对键合区域产生的负面影响，采用耐碱腐蚀的金属膜填充和保护通道。该措施不仅可以避免腐蚀液对键合区域的硅产生腐蚀，还能在不损伤器件的前提下去除填充金属膜，从而优化了制作工艺。该方法不仅解决了在湿法腐蚀制作微桥之后难以除去键合区域的表面氮化硅或氧化硅膜的难题，还能够在硅基底和玻璃封帽之间没有存在其它膜层隔离、两者直接接触的情况下，进行阳极键合，由此提升了阳极键合的硅衬底与玻璃封帽的结合强度，避免玻璃脱落，提升了检测器的气密性和成品率。
附图说明
图1为本发明实施例的高气密性的微型热导检测器的俯视结构示意图；
图2为本发明实施例的高气密性的微型热导检测器的截面结构示意图。
其中，1-硅基底，2-氮化硅薄膜，3-电极膜，4-热敏电阻薄膜，5-玻璃封帽，A-内侧的密封通道口径，B-中间的缓冲通道口径，C-外侧的气流通道口径，D-玻璃封帽的气流沟道口径，E1-第一键合区域，E2-第二键合区域，M-硅基底的宽度，N-玻璃封帽的宽度。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
一种高气密性的微型热导检测器，所述微型热导检测器是先在硅基底上制备热敏电阻膜和电极膜，再刻蚀出键合区域；然后，通过腐蚀出气流通道、缓冲通道和密封通道释放悬浮的微桥；最后，使硅基底和玻璃封帽在没有膜层隔离的情况下，直接键合封装得到的。其特征在于，所述检测器的气体入口由外侧的密封通道C、中间的缓冲通道B、内侧的气流通道A三个口径依次减小的通道构成；检测器单元硅基底的宽度M大于玻璃封帽的宽度N；采用金属作为掩膜，有效地去除硅表面的氮化硅膜并保护键合区域。
实施例
本实施例一种高气密性的微型热导检测器的制备方法，具体包括以下步骤：
1.硅基表面材料及结构的制备：
(1)先用丙酮超声清洗硅片10min，再用异丙醇超声清洗硅片10min；
(2)在经步骤(1)清洗的硅片的表面，旋涂一层光刻胶，光刻显影出热敏电阻和电极的图形；然后，采用反应离子刻蚀技术，刻蚀硅的深度为0.2～4μm；再去除光刻胶；
(3)在经步骤(2)处理的硅片的表面，采用化学气相沉积法沉积厚度为0.1～2μm的第一层氮化硅薄膜；
(4)在经步骤(3)制备的第一层氮化硅薄膜的表面，旋涂一层光刻胶，光刻显影出热敏电阻和电极的图形；然后，采用电子束蒸发或者磁控溅射技术，在氮化硅薄膜的表面，先后沉积一层厚度为0.1～2μm的热敏电阻薄膜和一层厚度为0.1～2μm的电极膜；去除光刻胶；
(5)在经步骤(4)得到的复合结构的表面，采用化学气相沉积法沉积厚度为0.1～2μm的第二层氮化硅薄膜；
(6)在经步骤(5)制备的第二层氮化硅薄膜的表面，旋涂一层光刻胶，光刻显影出电极焊盘的图形；再采用反应离子刻蚀技术刻蚀第二层氮化硅薄膜，暴露出电极焊盘；去除光刻胶；
(7)在经步骤(6)得到的复合结构的表面，旋涂一层光刻胶，再光刻显影出键合区域的图形；然后，采用反应离子刻蚀技术，刻蚀掉第一层氮化硅薄膜和第二层氮化硅薄膜，暴露出键合区域；
(8)在经步骤(7)制作的键合区域的表面，采用电子束蒸发、磁控溅射或者电化学沉积方法，沉积厚度为0.1～2μm的一层铁金属膜；去除光刻胶；
(9)在经步骤(8)处理后得到的第二层氮化硅薄膜、电极焊盘和铁金属膜的表面，旋涂一层光刻胶，光刻显影后；再利用反应离子刻蚀技术刻蚀掉露出的第一层氮化硅薄膜和第二层氮化硅薄膜；然后，去除光刻胶，得到微桥结构的图形；
(10)以经步骤(9)处理后的两层氮化硅薄膜和一层铁金属膜作为掩膜，采用KOH作为腐蚀液，腐蚀硅基底以形成气流通道、缓冲通道、密封通道，制作出微桥结构；
(11)在步骤(10)之后，采用稀盐酸腐蚀液，腐蚀去除在硅基底的键合区域表面的铁金属膜；
(12)玻璃封帽结构的制作：
a.先用丙酮超声清洗玻璃10min，再用异丙醇超声清洗玻璃10min；
b.在上步清洗后的玻璃的表面，采用电子束蒸发法沉积厚度为0.1～0.5μm的一层铬金属膜；然后，再通过电化学的方法沉积一层厚度为0.1～2μm的金膜；
c.在上步得到的Au/Cr两层金属膜的表面，旋涂一层光刻胶，光刻显影出气流沟道的图形，再采用干法刻蚀法，刻蚀金和铬；去除光刻胶；
d.以Au/Cr两层金属膜作为掩膜，先采用HF溶液腐蚀玻璃；然后，采用王水腐蚀液，去除玻璃表面的Au/Cr两层金属膜；
(13)在硅基底的表面材料及微结构和玻璃封帽的表面的气流沟道制作完成之后，将步骤(12)得到的玻璃封帽结构的键合区域和硅基底表面的键合区域进行对准，在硅基底和玻璃封帽之间没有存在其它膜层隔离的情况下，采用阳极键合技术，使硅基底和玻璃封帽直接键合，完成检测器的封装。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过参照本发明的优选实施例已经对本发明进行了描述，但本领域的普通技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其做出各种各样的改变，而不偏离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种高气密性的微型热导检测器，包括硅基底，位于硅基底之上的热敏电阻膜、电极膜、微桥结构和玻璃封帽，所述硅基底中设置气体通道，其特征在于，所述气体通道由外侧的密封通道、中间的缓冲通道、内侧的气流通道三个口径依次减小的通道构成；俯视状态下，硅基底在气体通道方向上的长度大于玻璃封帽在气体通道方向上的长度，且玻璃封帽覆盖硅基底内侧的气流通道和中间的缓冲通道；
中间的缓冲通道的口径大于内侧的气流通道的口径，使插入的金属导气管的外壁与中间的缓冲通道侧壁的距离增大，从而降低密封胶密封管道时的“毛细效应”，避免密封胶流入气流通道、堵塞管道。
2.根据权利要求1所述的高气密性的微型热导检测器，其特征在于，所述外侧的密封通道的口径C和中间的缓冲通道的口径B的比值I＝C:B，I的取值范围为1.01～10；中间的缓冲通道的口径B和内侧的气流通道的口径A的比值H＝B:A，H的取值范围为1.01～10。
3.根据权利要求1所述的高气密性的微型热导检测器，其特征在于，所述微型热导检测器的硅基底在气体通道方向上的长度M与玻璃封帽在气体通道方向上的长度N的比值L＝M:N，L的取值范围为1.01～50；玻璃封帽上气流沟道的口径D和硅基底上密封通道的口径C的比值G＝D:C，G的取值范围为1～10。
4.根据权利要求1所述的高气密性的微型热导检测器，其特征在于，所述玻璃封帽通过键合区域与硅基底结合，硅基底的键合区域的表面为硅。
5.根据权利要求4所述的高气密性的微型热导检测器，其特征在于，位于中间的第一键合区域的宽度E1与气流通道的口径A的比值J＝E1:A，J的取值范围为0.5～50；位于两侧的第二键合区域的宽度E2与气流通道的口径A的比值K＝E2:A，K的取值范围为1～100。
6.根据权利要求1所述的高气密性的微型热导检测器，其特征在于，所述微型热导检测器的热敏电阻膜的材料为铂、钨、钛、铝、镍、银、铁镍合金、镍铬合金、钛钨合金、铼钨合金、氧化钒、氧化钛、硅化钛、氮化钨、硅化钨中的一种或几种；电极膜的材料为铝、铁、锌、铜、金、铂、钛、镍铬合金、氮化钛、硅化钛中的一种或几种。
7.根据权利要求1所述的高气密性的微型热导检测器，其特征在于，所述微型热导检测器的微桥结构的构成材料为氮化硅、氧化硅、氮氧化硅薄膜中的一种或几种。
8.一种如权利要求1所述的高气密性的微型热导检测器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)清洗硅片；
(2)在经步骤(1)清洗的硅片的表面旋涂一层光刻胶，光刻显影出热敏电阻和电极的图形；然后，采用反应离子刻蚀技术，刻蚀硅的深度为0.2～4μm；去除光刻胶；
(3)在经步骤(2)处理的硅片的表面，采用化学气相沉积法沉积厚度为0.1～2μm的第一绝缘薄膜层；
(4)在经步骤(3)制备的第一绝缘薄膜层的表面，旋涂一层光刻胶，光刻显影出热敏电阻和电极的图形；然后，采用电子束蒸发或者磁控溅射的方法，先后沉积厚度为0.1～2μm的一层热敏电阻膜和厚度为0.1～2μm的一层电极膜；去除光刻胶；
(5)在经步骤(4)得到的复合结构的表面，采用化学气相沉积法沉积厚度为0.1～2μm的第二绝缘薄膜层；
(6)在经步骤(5)制备的第二绝缘薄膜层的表面，旋涂一层光刻胶，光刻显影出电极焊盘图形；再采用反应离子刻蚀技术刻蚀第二绝缘薄膜层，暴露出电极焊盘；去除光刻胶；
(7)在经步骤(6)得到的复合结构的表面，旋涂一层光刻胶，光刻显影出键合区域的图形；然后，采用反应离子刻蚀技术，刻蚀掉第一绝缘薄膜层和第二绝缘薄膜层，暴露出键合区域；
(8)在经步骤(7)制作的键合区域的表面，采用电子束蒸发、磁控溅射或者电化学沉积方法，沉积厚度为0.1～2μm的一层金属膜；去除光刻胶；
(9)在经步骤(8)处理后得到的复合结构的表面，旋涂一层光刻胶，光刻显影后；再利用反应离子刻蚀技术刻蚀掉露出的第一绝缘薄膜层和第二绝缘薄膜层；然后，去除光刻胶，得到微桥结构的图形；
(10)以经步骤(9)处理后的两层绝缘薄膜层和一层金属膜作为掩膜，采用KOH或者TMAH作为腐蚀液，腐蚀硅基底，制作出悬浮的微桥结构；
(11)在步骤(10)之后，采用金属腐蚀液，腐蚀硅基底的键合区域表面的金属膜；
(12)玻璃封帽结构的制作：
a.清洗玻璃；
b.在上步清洗后的玻璃的表面，沉积厚度为0.1～0.5μm的一层铬金属膜；然后，再沉积一层厚度为0.1～2μm的金膜或者镍膜；
c.在上步得到的两层金属膜的表面，旋涂一层光刻胶，光刻显影出气流沟道的图形，再采用干法刻蚀法刻蚀掉两层金属膜；去除光刻胶；
d.以两层金属膜作为掩膜，先采用HF溶液腐蚀玻璃；然后，用金属腐蚀液除去两层金属膜；
(13)将步骤(12)得到的玻璃封帽结构的键合区域和硅基底表面的键合区域进行对准，采用阳极键合技术，使硅基底和玻璃封帽直接键合，完成微型热导检测器的封装。
9.根据权利要求8所述的高气密性的微型热导检测器的制作方法，其特征在于，步骤(3)所述第一绝缘薄膜层为氮化硅、氧化硅或者氮氧化硅薄膜；步骤(5)所述第二绝缘薄膜层为氮化硅、氧化硅或者氮氧化硅薄膜。
10.根据权利要求8所述的高气密性的微型热导检测器的制作方法，其特征在于，步骤(8)中的金属膜为铁、铬或者铜膜。
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