CN114812843B - 基于多层膜热防护的高温传感器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于多层膜热防护的高温传感器及其制备方法，属于传感器技术领域，设置在衬底上的栅电极；介电层的一部分设置在衬底上，介电层的另一部分设置在栅电极上；设置在衬底上的源电极和漏电极；设置在介电层之上的底部第一防护薄膜、底部第二防护薄膜；设置在底部第二防护薄膜和源电极、漏电极上的外界温度敏感层；顶部第一防护薄膜、顶部第二防护薄膜，顶部第一防护薄膜的一部分和顶部第二防护薄膜的一部分均设置在衬底上，顶部第一防护薄膜的另一部分和顶部第二防护薄膜的另一部分均设置在所述外界温度敏感层上。本发明通过在石墨烯上表面和下表面制备多层纳米防护薄膜，避免环境中杂质粒子对其的污染及与O2在高温下的直接接触。

Description

基于多层膜热防护的高温传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种基于纳米多层膜防护的石墨烯或其他二维纳米材料的高温传感器及其制作方法。
背景技术
随着“物联网”、“人工智能”等概念的发展与普及，人们对数据量的需求与日俱增，传感器作为数据采集的端口，已经应用于生活的方方面面。研究人员在不断追求传感器灵敏度、稳定性、精确度等常用指标的同时，更加注重其应用范围的扩展，希望将传感器运用于极端环境中(高温高压强辐射等)。以高温环境为例，目前以热电偶为主流的测温元件，存在体积大、精度低、成本高等缺点。MEMS传感器具有体积小、集成度高，与IC设计工艺兼容，可批量化生产，成为人们研究的热点。
高性能传感器的发展依赖于敏感材料的技术革新与发展。除了早期的半导体材料、陶瓷材料、光导纤维外，单晶硅成为了MEMS传感器主流的敏感材料，但是硅材料在大于500℃时会发生严重的塑性变形，不能满足高温等极端环境下测试的需求。近年来，随着智能材料的不断发展，以石墨烯、二硫化钼、黑磷为代表的新型二维纳米薄膜材料因其独特的结构特点，拥有优异的电学、热学、力学性能。例如，二维纳米薄膜材料超大的比表面积使得传感元件具有更高的灵敏度；此外，二维纳米薄膜材料受到光、热、力等环境因素的刺激，会引起内部载流子迁移率的变化，从而引起电学性能的改变，有利于实现新型MEMS传感器的研发。
新器件结构是MEMS传感器发展的另一个方向。现有MEMS传感器大多采用硅薄膜、质量块的结构通过压阻、电容、谐振或光电结构等原理来实现物理量的测量，通过引入外围电路来对采集的信号进行放大，同时会将噪声信号放大，降低了传感器的精确度。常规的传感器敏感材料往往直接与空气接触，空气中的O2、H2O、N2等杂质粒子会对二维纳米薄膜材料进行掺杂，严重影响材料的热学、力学和电学性能。此外，石墨烯等二维纳米薄膜材料在高温环境下会与O2发生化学反应，从而裂解失效。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于纳米多层膜防护的石墨烯或其他二维纳米材料的高温传感器及其制作方法，以解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：
一方面，本发明提供一种基于多层膜热防护的高温传感器，包括：
衬底；
设置在所述衬底上的栅电极；
介电层，所述介电层的一部分设置在衬底上，所述介电层的另一部分设置在栅电极上；
设置在衬底上的源电极和漏电极；
设置在介电层之上的底部第一防护薄膜、底部第二防护薄膜；
设置在底部第二防护薄膜和源电极、漏电极上的外界温度敏感层；
顶部第一防护薄膜、顶部第二防护薄膜，所述顶部第一防护薄膜的一部分和所述顶部第二防护薄膜的一部分均设置在衬底上，所述顶部第一防护薄膜的另一部分和所述顶部第二防护薄膜的另一部分均设置在所述外界温度敏感层上。
优选的，所述衬底的制作材料为Al2O3或SiC。
优选的，所述介电层的制作材料为二氧化硅、二氧化铪或三氧化二中的一种。
优选的，所述栅电极、漏电极和源电极中，粘附层的制作材料为铬，导电层的制作材料为铂。
优选的，所述粘附层材料厚度为10-30nm，导电层材料厚度为50-150nm。
优选的，外界温度敏感层夹在底部第二防护薄膜和顶部第一防护薄膜之间，形成三明治结构，且底部第二防护薄膜的面积、顶部第一防护薄膜的面积均大于外界温度敏感层的面积。
优选的，所述外界温度敏感层的制作材料为石墨烯。
优选的，所述底部第一防护薄膜、所述底部第二防护薄膜、所述顶部第一防护薄膜、所述顶部第二防护薄膜的制作材料均为为Si3N4。
第二方面，本发明提供一种如上所述的基于多层膜热防护的高温传感器的制作方法，包括如下步骤：
S1：清洗晶圆：将晶圆置于配比为1:4的双氧水和硫酸混合液中，在85℃下将晶圆煮15min，去除表面污迹，用去离子水冲洗、烘干，得到衬底；
S2：制作栅电极：通过光刻技术在晶圆上形成光刻胶图案；利用电子束蒸发或者磁控溅射技术沉积金属材料；采用剥离工艺去除光刻胶及附在光刻胶上的金属材料，留下电极图形，完成栅电极的制备；
S3：制作介电层：通过原子层沉积技术或等离子增强化学气相淀积技术沉积介电层；利用光刻技术在介电层区域形成光刻胶掩膜层；采用感应耦合等离子体刻蚀技术去除无光刻胶覆盖的介电层；用丙酮清洗光刻胶，并用Plasma去胶机去除介电层上残留的光刻胶，留下介电层图形，完成介电层的制备；
S4：制作源电极和漏电极：通过光刻技术在晶圆上形成光刻胶图案；利用电子束蒸发或者磁控溅射技术沉积金属材料；采用剥离工艺去除光刻胶及附在光刻胶上的金属材料，留下电极图形，完成源电极和漏电极的制备；
S5：制作底部纳米多层防护薄膜材料层：通过等离子增强化学气相淀积技术或磁控溅射法沉积底部第一防护薄膜、底部第二防护薄膜；利用光刻技术在底部第二防护薄膜区域形成光刻胶掩膜层；采用感应耦合等离子体刻蚀技术去除无光刻胶覆盖的底部第一防护薄膜、底部第二防护薄膜；用丙酮清洗光刻胶，并用Plasma去胶机去除底部第二防护薄膜上残留的光刻胶，留下底部第一防护薄膜、底部第二防护薄膜上的图形，完成底部第一防护薄膜、底部第二防护薄膜的制备；
S6：转移并图形化外界温度敏感层：在源电极、漏电极以及介电层上转移外界温度敏感层；采用光刻技术，以光刻胶作为阻挡层，用O2等离子体刻蚀技术刻蚀无光刻胶覆盖的外界温度敏感层；用丙酮清洗外界温度敏感层表面的光刻胶，完成外界温度敏感层的转移和图形化；
S7：制作顶部纳米多层防护薄膜材料层：通过等离子增强化学气相淀积技术或磁控溅射法沉积顶部第一防护薄膜、顶部第二防护薄膜；利用光刻技术在顶部第二防护薄膜区域形成光刻胶掩膜层；采用感应耦合等离子体刻蚀技术去除无光刻胶覆盖的顶部第一防护薄膜、顶部第二防护薄膜；用丙酮清洗光刻胶，并用Plasma去胶机去除顶部第二防护薄膜上残留的光刻胶，留下顶部第一防护薄膜、顶部第二防护薄膜图形，完成顶部第一防护薄膜、顶部第二防护薄膜的制备。
本发明有益效果：防护结构利用微纳平面加工技术，通过在石墨烯上表面和下表面制备多层纳米防护薄膜，形成一种三明治结构，避免环境中杂质粒子对其的污染及与O2在高温下的直接接触；通过不断优化纳米多层保护膜的材料、形状、厚度以及组合方式等物理因素，探究不同生长工艺及参数对成膜质量的影响，有望获得更好的防护性能。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例所述的基于纳米多层膜防护的石墨烯或其他二维纳米材料的高温传感器的结构示意图(爆炸分离模式)。
图2为本发明实施例所述的基于纳米多层膜防护的石墨烯或其他二维纳米材料的高温传感器的制作方法示意图。
图3a为本发明实施例所述的清洗Al2O3或SiC衬底示意图。
图3b为本发明实施例所述的制作栅电极示意图。
图3c为本发明实施例所述的制作介电层示意图。
图3d为本发明实施例所述的制作源电极和漏电极示意图。
图3e为本发明实施例所述的制作底部纳米多层防护膜示意图。
图3f为本发明实施例所述的转移并图形化石墨烯或其他二维纳米材料示意图。
图3g为本发明实施例所述的制作顶部纳米多层防护膜示意图。
图3h为本法民实施例所述的基于纳米多层膜防护的石墨烯或其他二维纳米材料的高温传感器的结构示意图(爆炸分离模式)。
图4为本发明实施例所述的器件在不同温度下的稳定性示意图。
图5为本发明实施例所述的器件在不同时间下的稳定性示意图。
其中：1-衬底；2-栅电极；3-介电层；4-源电极；5-漏电极；6-底部第一防护薄膜；7-底部第二防护薄膜；8-外界温度敏感层；9-顶部第一防护薄膜；10-顶部第二防护薄膜。
具体实施方式
下面详细叙述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。
还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件和/或它们的组。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
为便于理解本发明，下面结合附图以具体实施例对本发明作进一步解释说明，且具体实施例并不构成对本发明实施例的限定。
本领域技术人员应该理解，附图只是实施例的示意图，附图中的部件并不一定是实施本发明所必须的。
实施例1
如图1所示，本实施例1中，提供一种基于石墨烯或其他二维纳米材料热防护方法的高温传感器及制造方法，可以在较低成本下批量制造高温传感器。该传感器本质上属于MEMS传感器范畴，具有MEMS传感器基本的特性，并可以应用于高温环境下的传感，极大的发挥二维薄膜材料优异的电学特性，为高温环境下新型结构的微型传感器的设计与制造奠定了基础。
本实施例1中，基于上述防护方法设计并制备高温传感器，基于纳米多层膜防护的石墨烯或其他二维纳米材料的高温传感器，该高温传感器通过在石墨烯表面交替生长不同的耐高温无机纳米材料，解决了石墨烯易受杂质粒子污染以及在高温环境下氧化失效的问题，具体包括：
Al2O3或SiC衬底1；
设置在Al2O3或SiC衬底1上的栅电极2；
一部分设置在Al2O3或SiC衬底1上，另一部分设置在栅电极2上的介电层3；
设置在Al2O3或SiC衬底1上的源电极4和漏电极5；
设置在介电层3之上的底部第一防护薄膜6、底部第二防护薄膜7；
设置在底部第二防护薄膜7和源电极4、漏电极5上的由石墨烯或其他二维纳米材料制作的外界温度敏感层8；
一部分设置在Al2O3或SiC衬底1上，另一部分设置在所述外界温度敏感层8上的顶部第一防护薄膜9、顶部第二防护薄膜10；
衬底材料为Al2O3或SiC等耐高温非金属材料；介电层3为SiO2等介电层材料，或者Al2O3、HfO2等高介电常数且耐高温的介电层材料；栅电极2、源电极4和漏电极5采用铬/金(Cr/Au)、铬/铂(Cr/Pt)、钛/铂(Ti/Pt)等常用电极材料制作，金属材料铬(Cr)、钛(Ti)、金(Au)和铂(Pt)的熔点分别为1857℃、1668℃、1064℃和1772℃。其中铬(Cr)、钛(Ti)等黏附层材料厚度为10-30nm，金(Au)、铂(Pt)等导电层材料厚度为50-150nm。石墨烯或其他二维纳米材料8使用湿法转移的方法转移至底部第二防护薄膜7和源电极4、漏电极5之上。
设置在石墨烯或其他二维纳米材料上下表面的底部第一防护薄膜6、底部第二防护薄膜7和顶部第一防护薄膜9、顶部第二防护薄膜10分别采用Si3N4+Si3N4，Si3N4+TiN，Si3N4+AlN的组合，其中Si3N4薄膜采用PECVD方法制备，TiN和AlN采用PVD技术制备，Si3N4+Si3N4组合厚度分别为50nm和100nm，Si3N4+TiN组合厚度为100nm和50nm，Si3N4+AlN组合的厚度为100nm和220nm。
石墨烯或其他二维纳米材料层(即外界温度敏感层)夹在底部第二防护薄膜7和顶部第一防护薄膜9之间，形成三明治结构，且热防护薄膜面积大于石墨烯或其他二维纳米材料，实现对其的全覆盖，避免外界杂质粒子污染及高温下O2从边缘处进入与温敏材料接触。
本实施例1中，基于纳米多层膜防护的石墨烯或其他二维纳米材料的高温传感器的制造方法，该方法包括以下步骤：
S1：清洗Al2O3或SiC晶圆：将Al2O3或SiC晶圆1置于配比为1:4的双氧水和硫酸混合液中，在85℃下将Al2O3或SiC晶圆1煮15min，去除表面污迹，用去离子水冲洗、烘干；
S2：制作栅电极：通过光刻技术在Al2O3或SiC晶圆1上形成光刻胶图案；利用电子束蒸发或者磁控溅射技术沉积金属材料；采用剥离工艺去除光刻胶及附在光刻胶上的金属材料，留下电极图形，完成栅电极2的制备；
S3：制作介电层：通过原子层沉积技术(ALD)或等离子增强化学气相淀积技术(PECVD)沉积介电层3，厚度为5-50nm；利用光刻技术在介电层3区域形成光刻胶掩膜层；采用感应耦合等离子体刻蚀(ICP)技术去除无光刻胶覆盖的介电层3；用丙酮清洗光刻胶，并用Plasma去胶机去除介电层3上残留的光刻胶，留下介电层3图形，完成介电层3的制备；
S4：制作源电极和漏电极：通过光刻技术在Al2O3或SiC晶圆1上形成光刻胶图案；利用电子束蒸发或者磁控溅射技术沉积金属材料；采用剥离工艺去除光刻胶及附在光刻胶上的金属材料，留下电极图形，完成源电极4和漏电极5的制备；
S5：制作底部纳米多层防护薄膜材料层：通过等离子增强化学气相淀积技术(PECVD)或磁控溅射法(PVD)沉积底部第一防护薄膜6、底部第二防护薄膜7，总厚度为80-100nm；利用光刻技术在底部第二防护薄膜7区域形成光刻胶掩膜层；采用感应耦合等离子体刻蚀(ICP)技术去除无光刻胶覆盖的底部第一防护薄膜6、底部第二防护薄膜7；用丙酮清洗光刻胶，并用Plasma去胶机去除底部第二防护薄膜7上残留的光刻胶，留下底部防护薄膜的图形，完成底部防护薄膜的制备；
S6：转移并图形化石墨烯或其他二维纳米材料层：在源电极4、漏电极5以及介电层3上转移石墨烯或其他二维纳米材料层；采用光刻技术，以光刻胶作为阻挡层，用O2等离子体刻蚀技术刻蚀无光刻胶覆盖的石墨烯或其他二维纳米材料层；用丙酮清洗石墨烯或其他二维纳米材料层表面的光刻胶，完成石墨烯或其他二维纳米材料层的转移和图形化；
S7：制作顶部纳米多层防护薄膜材料层：通过等离子增强化学气相淀积技术(PECVD)或磁控溅射法(PVD)沉积顶部第一防护薄膜9、顶部第二防护薄膜10，总厚度为100-400nm；利用光刻技术在顶部第二防护薄膜10区域形成光刻胶掩膜层；采用感应耦合等离子体刻蚀(ICP)技术去除无光刻胶覆盖的顶部防护薄膜；用丙酮清洗光刻胶，并用Plasma去胶机去除顶部第二防护薄膜上残留的光刻胶，留下顶部防护薄膜图形，完成顶部纳米多层防护薄膜的制备；
综上，本实施例1中，提供了基于纳米多层膜防护的石墨烯或其他二维纳米材料的高温传感器，侧重于设计并制备器件防护结构。基于纳米多层膜的石墨烯或其他二维纳米材料的热防护方法，该方法通过在石墨烯上表面和下表面交替生长不同的耐高温无机纳米材料，如氮化铝(AlN)、氮化硅(Si3N4)、氮化钛(TiN)等，形成一种三明治结构，隔绝了石墨烯与空气的的直接接触，一方面解决了石墨烯易受环境因素污染失效的问题，另一方面解决了石墨烯在高温环境下氧化失效的问题。并进一步探究了不同防护层组合对石墨烯的防护效果。以此防护方法为基础，本实施例1中，设计了基于石墨烯或其他二维纳米材料的高温传感器，该传感器作为一种平面二维埋栅式场效应管，包括蓝宝石(Al2O3)或碳化硅(SiC)衬底、介电层、栅电极、源电极、漏电极、石墨烯或其他二维纳米材料层、石墨烯或其他二维纳米材料上下表面的纳米多层防护膜结构。本实施例1中基于石墨烯或其他二维纳米材料热防护方法的高温传感器的制作方法，可以在较低成本下批量制备石墨烯或其他二维纳米材料敏感元件，将场效应管稳定性好、适用性广的优点同二维纳米材料优异的电学特性相结合，大幅度的提高了传感器的灵敏度；可以实现在高温高压等极恶劣环境下的有效传感，极大的拓宽了传感器的应用范围。
实施例2
如图1所示，本实施例2中一种基于纳米多层膜防护的石墨烯或其他二维纳米材料高温传感器，该方法通过在石墨烯表面交替生长不同的耐高温无机纳米材料，来隔绝石墨烯与空气的的直接接触，解决了石墨烯易受杂质粒子污染以及在高温环境下氧化失效的问题，具体包括：Al2O3或SiC衬底1；设置在Al2O3或SiC衬底1上的栅电极2；一部分设置在Al2O3或SiC衬底1上，另一部分设置在栅电极2上的介电层3；设置在Al2O3或SiC衬底1上的源电极4和漏电极5；设置在介电层3之上的底部底部第一防护薄膜、底部第二防护薄膜；设置在底部第二防护薄膜7和源电极4、漏电极5上的石墨烯或其他二维纳米材料8；一部分设置在Al2O3或SiC衬底1上，另一部分设置在所述石墨烯或其他二维纳米材料8上的顶部第一防护薄膜9、顶部第二防护薄膜10；
本实施例2中，衬底1的材料为Al2O3或SiC等耐高温非金属材料；介电层3为SiO2等介电层材料，或者Al2O3、HfO2等高介电常数且耐高温的介电层材料；栅电极2、源电极4和漏电极5采用铬/金(Cr/Au)、铬/铂(Cr/Pt)、钛/铂(Ti/Pt)等常用电极材料制作，金属材料铬(Cr)、钛(Ti)、金(Au)和铂(Pt)的熔点分别为1857℃、1668℃、1064℃和1772℃。其中铬(Cr)、钛(Ti)等黏附层材料厚度为10-30nm，金(Au)、铂(Pt)等导电层材料厚度为50-150nm。
本实施例2中，传感器的感测部分制作原理如下：使用石墨烯或其他二维纳米材料制作外界温度敏感层，使用湿法转移的方法转移至Al2O3或SiC衬底1和底部第二防护薄膜7之上。石墨烯或其他二维纳米材料的热膨胀系数和基底有所差异，高温下石墨烯或其他二维纳米材料内部产生应力，从而使石墨烯或其他二维纳米材料电导率发生改变；由于石墨烯或其他二维纳米材料存在的电声子耦合，本征激发等效应，温度的改变会影响其内部载流子浓度，使得电阻发生变化，从而能够将温度参量转化为电信号输出，实现对温度的有效检测。
本发明中，传感器的防护部分制作原理如下：设置在石墨烯或其他二维纳米材料上下表面的多层纳米膜分别采用Si3N4+Si3N4，Si3N4+TiN，Si3N4+AlN的组合，其中Si3N4薄膜采用PECVD方法制备，TiN和AlN采用PVD技术制备，Si3N4+Si3N4组合厚度分别为50nm和100nm，Si3N4+TiN组合厚度为100nm和50nm，Si3N4+AlN组合的厚度为100nm和220nm。
如图2所示，本发明实施例2中，还提供了基于纳米多层膜防护的石墨烯或其他二维纳米材料的高温传感器的制造方法，该方法包括以下步骤：
S1：如图3a所示，清洗Al2O3或SiC晶圆：
S101：将Al2O3或SiC晶圆1置于配比为1:4的双氧水和硫酸混合液中，在85℃下将蓝宝石晶圆1煮15min，去除表面污迹，用去离子水冲洗、烘干；
S2：如图3b所示，制作栅电极：
S201：通过光刻技术在Al2O3或SiC晶圆1上形成光刻胶图案；
S202：利用电子束蒸发或者磁控溅射技术沉积金属材料；
S203：采用剥离工艺去除光刻胶及附在光刻胶上的金属材料，留下电极图形，完成栅电极2的制备；
S3：如图3c所示，制作介电层：
S301：通过原子层沉积技术(ALD)或等离子增强化学气相淀积技术(PECVD)沉积介电层3，厚度为5-50nm；
S302：利用光刻技术在介电层3区域形成光刻胶掩膜层；
S303：采用感应耦合等离子体刻蚀(ICP)技术去除无光刻胶覆盖的介电层3；
S304：用丙酮清洗光刻胶，并用Plasma去胶机去除介电层3上残留的光刻胶，留下介电层3图形，完成介电层3的制备；
S4：如图3d所示，制作源电极和漏电极：
S401：通过光刻技术在Al2O3或SiC晶圆1上形成光刻胶图案；
S402：利用电子束蒸发或者磁控溅射技术沉积金属材料；
S403：采用剥离工艺去除光刻胶及附在光刻胶上的金属材料，留下电极图形，完成源电极4和漏电极5的制备；
S5：如图3e所示，制作底部纳米多层防护膜：
S501：通过磁控溅射法(PVD)或等离子增强化学气相淀积技术(PECVD)沉积底部纳米多层防护膜(包括底部第一防护薄膜、底部第二防护薄膜)，总厚度为80-100nm；
S502：利用光刻技术在底部纳米防护膜7区域形成光刻胶掩膜层；
S503：采用感应耦合等离子体刻蚀(ICP)技术去除无光刻胶覆盖的底部纳米多层防护膜；
S504：用丙酮清洗光刻胶，并用Plasma去胶机去除底部第二防护膜7上残留的光刻胶，留下底部纳米多层防护膜图形，完成底部纳米多层防护膜的制备；
S6：如图3f所示，转移并图形化石墨烯或其他二维纳米材料层：
S601：在源电极4、漏电极5以及底部纳米防护膜7上转移石墨烯或其他二维纳米材料
S602：采用光刻技术，以光刻胶作为阻挡层，用O2等离子体刻蚀技术刻蚀无光刻胶覆盖的石墨烯或其他二维纳米材料层；
S603：用丙酮清洗石墨烯或其他二维纳米材料层表面的光刻胶，完成石墨烯或其他二维纳米材料层的转移和图形化；
S7：如图3g所示，制作顶部纳米多层防护膜：
S701：通过磁控溅射法(PVD)或等离子增强化学气相淀积技术(PECVD)沉积顶部纳米多层防护膜(包括顶部第一防护薄膜、顶部第二防护薄膜)，总厚度为100-400nm；
S702：利用光刻技术在顶部纳米防护膜10区域形成光刻胶掩膜层；
S703：采用感应耦合等离子体刻蚀(ICP)技术去除无光刻胶覆盖的顶部纳米多层防护膜；
S704：用丙酮清洗光刻胶，并用Plasma去胶机去除顶部纳米防护膜10上残留的光刻胶，留下顶部纳米多层防护膜9、10图形，完成顶部纳米多层防护膜9、10的制备；
综上所述，本发明实施例提供的基于纳米多层膜的石墨烯或其他二维纳米材料的热防护方法。以石墨烯材料为例，该方法利用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)、磁控溅射技术(PVD)等方法在石墨烯上下表面沉积一定厚度的不同种类的耐高温无机纳米材料，形成三明治结构，一方面解决了石墨烯易受环境杂质污染的问题，另一方面隔绝了石墨烯在高温环境下与O2的直接接触，避免其被氧化而失效。
性能检测实验：将器件放入马沸炉中，从室温(25℃)开始，每隔50℃将器件取出冷却，使用半导体参数分析仪测量器件的I-V特性曲线，并记录电阻值。器件在每个温度节点的热处理时间为90s。此外，记录了带有防护层的器件在7天内的电阻值变化，并与未添加防护层结构的器件做了对比。实验结果如图4、图5所示。
测试结果分析：从样品的光学显微镜图像来看，器件在600℃下退火处理90s后氮化硅形貌依旧保持完好，没有发生结构的明显改变。从I-V特性曲线来看，在不同温度处理下，器件的电阻有稍微变小的趋势，并没有发生石墨烯被氧化导致器件电阻无穷大的情况，器件的线性度良好。此外，测试了7天内器件的电阻变化。未添加防护层结构的器件由于受到环境杂质的掺杂污染，器件电阻具有很大的波动；而具有防护层结构的器件电阻未发生明显的变化。
上述实验表明，100nm Si3N4+50nm TiN的复合防护层组合以及100nm Si3N4+220nmAlN复合防护层组合对石墨烯具有良好的防护性能，其耐受温度可达600℃。针对目前大多数传感器只适用于低于200℃的环境下，基于此防护方法的MEMS传感器可以在600℃甚至更高温度下稳定运行，大大拓宽了传感器的应用范围。以此防护方法为基础制备而成的高温传感器、高温高压传感器在国防军事、铁路交通、工业生产中具有广泛的应用前景。
将石墨烯或其他二维纳米材料与场效应管相结合，利用场效应管本身具备的放大能力，不需要额外引入外围放大电路，有效的规避了外部电路引入带来的噪声问题。场效应管作为电压控制型器件，可通过在栅极施加电压来该改变场效应管的放大系数，从而扩大其检测范围。同时石墨烯或其他二维纳米材料能对物理量变化做出及时的反应，二者的结合能够有效的提高传感器的灵敏度。
提出的防护方法基于微纳平面加工技术，与传统IC制备工艺相兼容，可大批量、阵列化制备MEMS传感器件，具有体积小、成本低等优点。此外，针对石墨烯的防护方法同样适用于其他二维纳米材料，可以根据不同的应用环境，更换不同的敏感材料，扩宽传感器的应用范围。基于此防护方法的石墨烯或其他二维纳米材料元件亦可应用于高温环境下的压力、流量等传感检测，应用范围广泛。此外，防护层的引入并不会对石墨烯或其他二维纳米材料造成明显的杂质掺杂，石墨烯仍具有较好的电学和热学特性，制备而成的高温传感器具有较高的灵敏度和较强的稳定性。
基于此防护方法制备的高温传感器具有较高的灵敏度，高温下的电阻-温度特性线性度良好，对微小的温度变化能够做出及时的反应。其中石墨烯的温敏机理可通过电声子耦合、热膨胀效应、本征激发、电子-带电粒子相互作用等机理综合解释，具有较强的理论依据。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域技术人员在不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于多层膜热防护的高温传感器，其特征在于，包括：
衬底(1)；
设置在所述衬底(1)上的栅电极(2)；
介电层(3)，所述介电层(3)的一部分设置在衬底(1)上，所述介电层(3)的另一部分设置在栅电极(2)上；
设置在衬底(1)上的源电极(4)和漏电极(5)；
设置在介电层(3)之上的底部第一防护薄膜(6)、底部第二防护薄膜(7)；
设置在底部第二防护薄膜(7)和源电极(4)、漏电极(5)上的外界温度敏感层(8)；
顶部第一防护薄膜(9)、顶部第二防护薄膜(10)，所述顶部第一防护薄膜(9)的一部分和所述顶部第二防护薄膜(10)的一部分均设置在衬底(1)上，所述顶部第一防护薄膜(9)的另一部分和所述顶部第二防护薄膜(10)的另一部分均设置在所述外界温度敏感层(8)上。
2.根据权利要求1所述的基于多层膜热防护的高温传感器，其特征在于，所述衬底的制作材料为Al2O3或SiC。
3.根据权利要求1所述的基于多层膜热防护的高温传感器，其特征在于，所述介电层的制作材料为二氧化硅、二氧化铪或三氧化二铝中的一种。
4.根据权利要求1所述的基于多层膜热防护的高温传感器，其特征在于，所述栅电极、漏电极和源电极中，粘附层的制作材料为铬，导电层的制作材料为铂。
5.根据权利要求4所述的基于多层膜热防护的高温传感器，其特征在于，所述粘附层材料厚度为10-30nm，导电层材料厚度为50-150nm。
6.根据权利要求1所述的基于多层膜热防护的高温传感器，其特征在于，外界温度敏感层夹在底部第二防护薄膜和顶部第一防护薄膜之间，形成三明治结构，且底部第二防护薄膜的面积、顶部第一防护薄膜的面积均大于外界温度敏感层的面积。
7.根据权利要求1或6所述的基于多层膜热防护的高温传感器，其特征在于，所述外界温度敏感层的制作材料为石墨烯。
8.根据权利要求6所述的基于多层膜热防护的高温传感器，其特征在于，所述底部第一防护薄膜、所述底部第二防护薄膜、所述顶部第一防护薄膜、所述顶部第二防护薄膜的制作材料均为为Si3N4。
9.一种如权利要求1至8任一项所述的基于多层膜热防护的高温传感器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：清洗晶圆：将晶圆置于配比为1:4的双氧水和硫酸混合液中，在85℃C下将晶圆煮15min，去除表面污迹，用去离子水冲洗、烘干，得到衬底；
S2：制作栅电极：通过光刻技术在晶圆上形成光刻胶图案；利用电子束蒸发或者磁控溅射技术沉积金属材料；采用剥离工艺去除光刻胶及附在光刻胶上的金属材料，留下电极图形，完成栅电极的制备；
S3：制作介电层：通过原子层沉积技术或等离子增强化学气相淀积技术沉积介电层；利用光刻技术在介电层区域形成光刻胶掩膜层；采用感应耦合等离子体刻蚀技术去除无光刻胶覆盖的介电层；用丙酮清洗光刻胶，并用Plasma去胶机去除介电层上残留的光刻胶，留下介电层图形，完成介电层的制备；
S4：制作源电极和漏电极：通过光刻技术在晶圆上形成光刻胶图案；利用电子束蒸发或者磁控溅射技术沉积金属材料；采用剥离工艺去除光刻胶及附在光刻胶上的金属材料，留下电极图形，完成源电极和漏电极的制备；
S5：制作底部纳米多层防护薄膜材料层：通过等离子增强化学气相淀积技术或磁控溅射法沉积底部第一防护薄膜、底部第二防护薄膜；利用光刻技术在底部第二防护薄膜区域形成光刻胶掩膜层；采用感应耦合等离子体刻蚀技术去除无光刻胶覆盖的底部第一防护薄膜、底部第二防护薄膜；用丙酮清洗光刻胶，并用Plasma去胶机去除底部第二防护薄膜上残留的光刻胶，留下底部第一防护薄膜、底部第二防护薄膜上的图形，完成底部第一防护薄膜、底部第二防护薄膜的制备；
S6：转移并图形化外界温度敏感层：在源电极、漏电极以及介电层上转移外界温度敏感层；采用光刻技术，以光刻胶作为阻挡层，用O2等离子体刻蚀技术刻蚀无光刻胶覆盖的外界温度敏感层；用丙酮清洗外界温度敏感层表面的光刻胶，完成外界温度敏感层的转移和图形化；
S7：制作顶部纳米多层防护薄膜材料层：通过等离子增强化学气相淀积技术或磁控溅射法沉积顶部第一防护薄膜、顶部第二防护薄膜；利用光刻技术在顶部第二防护薄膜区域形成光刻胶掩膜层；采用感应耦合等离子体刻蚀技术去除无光刻胶覆盖的顶部第一防护薄膜、顶部第二防护薄膜；用丙酮清洗光刻胶，并用Plasma去胶机去除顶部第二防护薄膜上残留的光刻胶，留下顶部第一防护薄膜、顶部第二防护薄膜图形，完成顶部第一防护薄膜、顶部第二防护薄膜的制备。
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CN105047562B (zh) * 2015-06-26 2018-03-30 中国电子科技集团公司第十三研究所 半悬浮石墨烯场效应晶体管制备方法
CN105675160B (zh) * 2016-01-18 2019-02-05 西安交通大学 含高温保护薄膜组的钨铼薄膜热电偶传感器及制备方法
CN106093150A (zh) * 2016-06-14 2016-11-09 北京交通大学 一种自组装石墨烯场效应管型生化传感器制造方法
CN112179956B (zh) * 2020-09-29 2021-11-19 西安交通大学 基于掺铝氧化锌多孔纳米薄膜的mems甲醛传感器的制备方法
CN113594266B (zh) * 2021-07-15 2024-01-02 苏州鼎芯光电科技有限公司 一种半导体光电芯片的保护层及其半导体的制备工艺
CN113755793B (zh) * 2021-08-27 2022-10-14 电子科技大学 一种薄膜传感器用抗氧化自修复防护层及其制备方法

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