CN113406156B - 一种mems气体传感器及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及气体传感器技术领域，尤其涉及一种MEMS气体传感器及制作方法，该方法包括：衬底，介质层，形成于所述衬底上；绝缘层，形成于所述介质层上；气敏电极，所述气敏电极嵌入至所述绝缘层中，且所述气敏电极的上表面与所述绝缘层的上表面处于同一水平面。本发明使气敏电极下沉至绝缘层中，使绝缘层上表面是平坦的；在后续沉积气敏膜时，使得气敏膜厚均和密度均能均匀分布，还会导致形成的气敏膜的膜表面积增大，提高气体传感器的敏感度。
Description
技术领域
本发明涉及气体传感器技术领域，尤其涉及一种MEMS气体传感器及制作方法。
背景技术
蒸发(Evaporation)与剥离工艺(lift-off)组合是一种常用的制作气敏叉指电极的方法。该方法会形成突出于绝缘层的铂叉指电极，或气敏叉指电极，也称为凸型叉指电极。再在凸型叉指电极上采用掠射角沉积(Glancing Angle Deposition，简称GLAD)方式沉积三维柱状气敏膜层，气敏层会随着凸型叉指电极的起伏会而起伏，导致气敏膜层凸凹不平，即气敏膜层的厚度和密度都不能均匀分布。同时，掠射角沉积方式将导致气敏材料在叉指条周边会形成很强的边缘生长效应，导致气敏膜孔隙率不均匀，降低了气敏膜的比表面积。
发明内容
本申请实施例通过提供一种MEMS气体传感器及制作方法，解决了现有技术中在气敏叉指电极上形成的气敏膜层的厚度和密度分布不均匀，同时气敏膜的比表面积低的的技术问题，实现了气敏叉指电极上沉积的气敏膜具有很好的正向生长效应，显著提高气敏膜层厚度均匀性和密度均匀性，增大了气敏膜的表面积的技术效果。
第一方面，本发明实施例提供一种MEMS气体传感器，包括：
衬底，
介质层，形成于所述衬底上；
绝缘层，形成于所述介质层上；
气敏电极，所述气敏电极嵌入至所述绝缘层中，且所述气敏电极的上表面与所述绝缘层的上表面处于同一水平面。
优选的，所述气敏电极包括气敏叉指电极；
所述传感器还包括：
气敏膜，形成于所述气敏叉指电极上。
优选的，所述衬底中设有空腔，所述空腔设置在所述气敏叉指电极对应的区域中。
优选的，所述传感器还包括：
释放通孔，所述释放通孔形成在所述气敏叉指电极外，贯穿所述介质层和所述绝缘层且连通所述空腔。
优选的，所述传感器还包括：
加热电极，所述加热电极设置在所述绝缘层中。
基于同一发明构思，第二方面，本发明还提供一种MEMS气体传感器的制作方法，包括：
在衬底上形成介质层；
在所述介质层上形成绝缘层；
在所述绝缘层中，形成气敏电极凹槽；
在所述气敏电极凹槽内，形成嵌入在所述绝缘层中的气敏电极，其中，所述气敏电极的上表面与所述绝缘层的上表面处于同一水平面。
优选的，所述气敏电极包括气敏叉指电极；
在所述形成嵌入在所述绝缘层中的气敏电极之后，还包括：
通过气敏电极硬掩膜版，在所述气敏叉指电极上形成气敏膜。
优选的，在所述形成嵌入在所述绝缘层中的气敏电极之后，还包括：
通过将厚光刻胶作掩膜及干法刻蚀工艺，在所述气敏叉指电极外形成释放通孔；
将腐蚀液通过所述释放通孔流入所述衬底中，形成空腔；
其中，所述释放通孔贯穿所述介质层和所述绝缘层且连通所述空腔。
优选的，在所述衬底上形成介质层之后，还包括：
通过将厚光刻胶作掩膜及干法刻蚀工艺，在所述介质层上方形成加热电极。
优选的，所述在所述介质层上形成绝缘层，包括：
在所述加热电极上形成所述绝缘层，其中，所述加热电极设置在所述绝缘层中。
本发明实施例中的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本发明提供一种MEMS气体传感器及制作方法，其包括，衬底、介质层、绝缘层和气敏电极，其中，气敏电极是下沉在绝缘层中的，且气敏电极的上表面与绝缘层的上表面处于同一水平面。这样使后续沉积气敏膜时，使得气敏膜厚均和密度均能均匀分布，还会导致形成的气敏膜的膜表面积增大，提高气体传感器的敏感度。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考图形表示相同的部件。在附图中：
图1示出了本发明实施例中的MEMS气体传感器的结构示意图；
图2示出了本发明实施例中的气敏叉指电极的结构示意图；
图3示出了本发明实施例中的MEMS气体传感器的制作方法的步骤流程示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
实施例一
本发明第一实施例提供了一种MEMS气体传感器，如图1所示，包括：具有空腔107的衬底101、介质层102、绝缘层103、加热电极104、气敏电极105、气敏膜108和释放通孔106。
衬底101为硅半导体材料。
介质层102，形成于衬底101上，其主要元素为二氧化硅SiO2。
绝缘层103，形成于介质层102上，其主要元素为氮化硅SiN。
在介质层102形成之后，通过将厚光刻胶作掩膜及干法刻蚀工艺，在介质层102上方形成加热电极104。具体地，在介质层102的上表面旋涂一层光刻胶，将光通过掩膜版，曝光光刻胶，显影露出微加热器槽。接着在光刻胶上通过蒸发技术沉积一层金属，其中在微加热器槽内也需要沉积金属。然后，通过去胶和剥离工艺，形成在介质层102上方的加热电极104。
在加热电极104形成之后，在加热电极104上形成绝缘层103。这样，加热电极104设置在绝缘层103中。
在绝缘层103形成之后，在绝缘层103中，通过将厚光刻胶镨Pr作掩膜及干法刻蚀工艺，形成气敏电极凹槽。具体地，在绝缘层103的上表面旋涂一层光刻胶，通过曝光显影露出气敏电极槽，再通过干法刻蚀技术，在绝缘层103中，根据气敏电极槽刻出气敏电极凹槽。其中，气敏电极凹槽的厚度可根据干法刻蚀设备的刻蚀速度确定。例如，刻蚀速度为5微米/秒，刻蚀1秒，则气敏电极凹槽的厚度为5微米。
在气敏电极凹槽形成之后，气敏电极凹槽中存在光刻胶，需再次曝光显影露出气敏电极凹槽内。在气敏电极凹槽内，沉积金属，该金属主要为钛Ti和铂Pt，形成嵌入在绝缘层103中的气敏电极105，其中，气敏电极105的上表面与绝缘层103的上表面处于同一水平面。具体地，在气敏电极凹槽内，采用蒸发或者溅射方法沉积Ti和Pt，其中在气敏电极凹槽内也需要沉积Ti和Pt。然后，通过去胶和剥离工艺，形成嵌入在绝缘层103中的气敏电极105。
若气敏电极凹槽中的光刻胶厚度较厚，再次曝光后不能显影露出气敏电极凹槽，需要用去胶液去除气敏电极凹槽中和绝缘层103上的光刻胶。在重新涂一层薄薄的光刻胶，接着曝光显影露出气敏电极凹槽。然后，在气敏电极凹槽内沉积金属，形成气敏电极105。
在本实施例中，气敏电极105是嵌入在绝缘层103中，且气敏电极105的上表面与绝缘层103的上表面处于同一水平面，为后续形成气敏膜108形成提供了基础，提高气敏膜108形成的效率。
另外，在实际工艺中，嵌入在绝缘层103中的气敏电极105的部分存在凸出于绝缘层103的现象，可在形成气敏电极105之后，采用化学机械抛光(Chemical MechanicalPolishing，简称CMP)技术进行抛光，使气敏电极105的上表面与绝缘层103的上表面处于同一水平面。
形成嵌入在绝缘层103中的气敏电极105时，实质已经对气体传感器进行分区，分为活化区和非活化区。在活化区中的气敏电极105为气敏叉指电极，活化区中的气敏叉指电极是如指状或梳状的面内有周期性图案的电极，如图2所示。而非活化区中的气敏电极105为普通的气敏电极。
针对活化区中的气敏叉指电极，还有一种形成方法，具体为：在气敏电极凹槽形成之后，去除光刻胶。在活化区，将带有孔隙的硬掩膜版按一定角度气体传感器固定好，或将硬掩模版和设备固定好；采用蒸发或者溅射方法沉积Ti和Pt，Ti作为粘附层，厚度约50埃，Ti和Pt会透过硬掩模版的孔隙沉积气敏电极凹槽中，形成气敏叉指电极。
在活化区外，即在气敏叉指电极外，通过将厚光刻胶作掩膜及干法刻蚀工艺，刻蚀释放通孔106。再将腐蚀液通过释放通孔106流入衬底101中，腐蚀液与衬底进行反应，形成空腔107。其中，腐蚀液为特种成分的硅刻蚀液。此时，释放通孔106贯穿介质层102和绝缘层103且与空腔107连通。并且，形成的空腔置于衬底中，且置于在气敏叉指电极对应的区域中，即活化区对应的区域中。
在本实施例中，通过释放通孔106和空腔107的形成，是为了防止微加热器热量的快速传递，降低器件的损耗。其中，将绝缘层103、加热电极104和气敏电极105称为微加热器。
在形成释放通孔106和空腔107后，将沉积的气敏叉指电极的气体传感器，退火合金。通过带有孔隙的硬掩膜版置于活化区上，即置于气敏叉指电极上，采用掠射角沉积(Glancing Angle Deposition，简称GLAD)方法沉积气敏膜108。这样形成的气敏膜108为蓬松膜，表面平整，高度一致性好，膜层密度和厚度分布均匀。该方法在形成气敏膜108时，还增加膜表面积，提高了气敏膜108与检测的气体的反应灵敏性。
本发明实施例中的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
在本实施例中，气敏电极是下沉在绝缘层中的，且气敏电极的上表面与绝缘层的上表面处于同一水平面。这样使后续沉积气敏膜时，使得气敏膜厚均和密度均能均匀分布，还会导致形成的气敏膜的膜表面积增大，提高气体传感器的敏感度。
实施例二
基于相同的发明构思，本发明第二实施例还提供了一种MEMS气体传感器的制作方法，如图3所示，包括：
S201：在衬底上形成介质层；
S202：在介质层上形成绝缘层；
S203：在绝缘层中，形成气敏电极凹槽；
S204：在气敏电极凹槽内，形成嵌入在绝缘层中的气敏电极，其中，气敏电极的上表面与绝缘层的上表面处于同一水平面。
在步骤S202之后，即在衬底上形成介质层之后，还包括：
通过将厚光刻胶作掩膜及干法刻蚀工艺，在介质层上方形成加热电极。具体地，在介质层的上表面旋涂一层光刻胶，将光通过掩膜版，曝光光刻胶，显影露出微加热器槽。接着在光刻胶上通过蒸发技术沉积一层金属，其中在微加热器槽内也需要沉积金属。然后，通过去胶和剥离工艺，形成在介质层上方的加热电极。
在加热电极形成之后，在加热电极上形成绝缘层。这样，加热电极设置在绝缘层中。
在绝缘层形成之后，在绝缘层中，通过将厚光刻胶镨Pr作掩膜及干法刻蚀工艺，形成气敏电极凹槽。具体地，在绝缘层的上表面旋涂一层光刻胶，通过曝光显影露出气敏电极槽，再通过干法刻蚀技术，在绝缘层中，根据气敏电极槽刻出气敏电极凹槽。其中，气敏电极凹槽的厚度可根据干法刻蚀设备的刻蚀速度确定。
在气敏电极凹槽形成之后，气敏电极凹槽中存在光刻胶，需再次曝光显影露出气敏电极凹槽内。在气敏电极凹槽内，沉积金属，该金属主要为钛Ti和铂Pt，形成嵌入在绝缘层中的气敏电极，其中，气敏电极的上表面与绝缘层的上表面处于同一水平面。具体地，在气敏电极凹槽内，采用蒸发或者溅射方法沉积Ti和Pt，其中在气敏电极凹槽内也需要沉积Ti和Pt。然后，通过去胶和剥离工艺，形成嵌入在绝缘层中的气敏电极。
形成嵌入在绝缘层中的气敏电极时，实质已经对气体传感器进行分区，分为活化区和非活化区。在活化区中的气敏电极为气敏叉指电极，活化区中的气敏叉指电极是如指状或梳状的面内有周期性图案的电极，如图2所示。而非活化区中的气敏电极为普通的气敏电极。
在活化区外，即在气敏叉指电极外，通过将厚光刻胶作掩膜及干法刻蚀工艺，刻蚀释放通孔。再将腐蚀液通过释放通孔流入衬底中，形成空腔。此时，释放通孔贯穿介质层和绝缘层且与空腔连通。
在本实施例中，通过释放通孔和空腔的形成，是为了保证在衬底中不散热，避免气体传感器中的电流流速过快，产生损耗。
在形成释放通孔和空腔后，将沉积的气敏叉指电极的气体传感器，退火合金。通过带有孔隙的硬掩膜版置于活化区上，即置于气敏叉指电极上，采用掠射角沉积(GlancingAngle Deposition，简称GLAD)方法沉积气敏膜。这样形成的气敏膜为蓬松膜，表面平整，高度一致性好，膜层密度和厚度分布均匀。该方法在形成气敏膜时，还增加膜表面积，提高了气敏膜与检测的气体的反应灵敏性。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (2)
1.一种MEMS气体传感器，其特征在于，包括：
衬底，
介质层，形成于所述衬底上；
绝缘层，形成于所述介质层上；
气敏电极，所述气敏电极嵌入至所述绝缘层中，且所述气敏电极的上表面与所述绝缘层的上表面处于同一水平面，所述气敏电极包括气敏叉指电极；
所述传感器还包括：气敏膜，形成于所述气敏叉指电极上，其中，所述气敏膜的形成方法为掠射角沉积方法；
所述衬底中设有空腔，所述空腔设置在所述气敏叉指电极对应的区域中；
所述传感器还包括：
释放通孔，所述释放通孔形成在所述气敏叉指电极外，贯穿所述介质层和所述绝缘层且连通所述空腔；
加热电极，所述加热电极设置在所述绝缘层中。
2.一种MEMS气体传感器的制作方法，其特征在于，包括：
在衬底上形成介质层；
通过将厚光刻胶作掩膜及干法刻蚀工艺，在所述介质层上方形成加热电极；
在所述介质层上形成绝缘层，包括：在所述加热电极上形成所述绝缘层，其中，所述加热电极设置在所述绝缘层中；
在所述绝缘层中，形成气敏电极凹槽；
在所述气敏电极凹槽内，形成嵌入在所述绝缘层中的气敏电极，其中，所述气敏电极的上表面与所述绝缘层的上表面处于同一水平面，所述气敏电极包括气敏叉指电极；
在所述形成嵌入在所述绝缘层中的气敏电极之后，还包括：
通过气敏电极硬掩膜版和掠射角沉积方法，在所述气敏叉指电极上形成气敏膜；
通过将厚光刻胶作掩膜及干法刻蚀工艺，在所述气敏叉指电极外形成释放通孔；
将腐蚀液通过所述释放通孔流入所述衬底中，形成空腔；
其中，所述释放通孔贯穿所述介质层和所述绝缘层且连通所述空腔。
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