CN115144443A - 气体传感器及其制作方法 - Google Patents

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刘林
冯思敏
孙富钦
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Abstract

本发明公开了一种气体传感器及其制作方法，该制作方法包括：在衬底的表面依次制作悬臂支撑层、图形化的加热电极、绝缘层和图形化的测试电极；在测试电极的表面覆盖一层牺牲层；围绕所述测试电极刻蚀所述绝缘层、悬臂支撑层和衬底，并在位于所述测试电极下方的衬底内形成凹槽，形成悬置于凹槽上方的悬臂结构；在所述凹槽和牺牲层的表面进行疏水处理；去除所述牺牲层，牺牲层下方测试电极暴露的表面上表现为区别于其他疏水部位的亲水；在亲水区域的测试电极上制备气敏材料层。本发明为一种基于牺牲层的气体传感器的制作方法，能够快速、批量制备出稳定性、一致性和可重复的气体传感器。

Description

气体传感器及其制作方法
技术领域
本发明是关于气体检测技术领域，特别是关于一种气体传感器及其制作方法。
背景技术
基于金属氧化物半导体的气体传感器，作为市场上应用最广泛的气体传感器，通过气体分子与敏感材料之间的电荷转移引起电位变化，可以转换为可检测的电学信号。目前，通过MEMS(微机电系统，Micro-Electro-Mechanical System)加工技术，可以批量化获得微热板，但如何在指定的测试区域引入敏感材料，获得批量、稳定、一致的气体传感器仍是需要解决的问题。
现有的方法包括滴铸、浸渍、旋涂、喷墨打印、薄膜沉积和原位生长。然而，这些样品加载技术仍然存在着严重的问题，如覆盖率差、材料消耗、昂贵和非批量制造。例如，在悬浮的微尺度传感器上，通过手工滴涂的方式形成良好的传感膜是相当困难的。虽然喷墨打印方法具有样品消耗低、通量高的优点，但它需要昂贵的设备和高度专业化的纳米材料悬浮液。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种气体传感器及其制作方法，其能够克服现有技术中敏感材料覆盖率低、成本高等技术问题。
为实现上述目的，本发明的实施例提供了一种气体传感器的制作方法，包括：
在衬底的表面依次制作悬臂支撑层、图形化的加热电极、绝缘层和图形化的测试电极；
在测试电极的表面覆盖一层牺牲层；
围绕所述测试电极刻蚀所述绝缘层、悬臂支撑层和衬底，并在位于所述测试电极下方的衬底内形成凹槽，形成悬置于凹槽上方的悬臂结构；
在所述凹槽和牺牲层的表面形成疏水层；
去除所述牺牲层，在测试电极暴露的表面上形成气敏材料层。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述凹槽的截面为矩形。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述测试电极包括中心测试电极以及与所述中心测试电极电连接的引线电极，
所述引线电极采用L形金属片，该L形金属片的两个臂分别对应延伸于凹槽相邻的两个侧边。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述引线电极的内角凸伸有第一应力释放区，所述中心测试电极通过金属引线电性连接于所述第一应力释放区。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述凹槽的内角凸伸有第二应力释放区，由所述悬臂支撑层和绝缘层形成的悬臂梁连接于所述第二应力释放区和悬臂结构之间。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述衬底为晶圆衬底，在晶圆衬底上形成阵列分布的气体传感器。
在本发明的一个或多个实施方式中，相邻的气体传感器之间定义有切割沟道，在形成所述的气敏材料层后，还包括：沿所述切割沟通对所述的绝缘层、悬臂支撑层和衬底进行切割，形成多个单粒的气体传感器。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述悬臂支撑层包括：通过干氧氧化在衬底表面形成的第一SiO2层；在第一SiO2层表面依次沉积形成的第二SiO2层和Si3N4层。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述牺牲层采用单晶硅、多晶硅、光刻胶或金属。
为实现上述目的，本发明的实施例还提供了一种通过上述任一所述制作方法获得的气体传感器。
与现有技术相比，本发明提供了一种基于牺牲层的气体传感器的制作方法，能够快速、批量制备出稳定性、一致性和可重复的气体传感器。
附图说明
图1a至图1l是根据本发明一实施方式的气体传感器制作流程中的中间结构示意图；
图2是根据本发明一实施方式的气体传感器的立体结构示意图；
图3是根据本发明一实施方式的凹槽的局部结构示意图；
图4是根据本发明一实施方式的测试电极的局部结构示意图；
图5是根据本发明实施例2和3的器件结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
实施例1
如图1a至图1l所示，根据本发明优选实施方式的一种气体传感器的制作方法，包括如下的步骤。
步骤s1，结合图1a所示，提供一衬底11，衬底11材料可以采用2寸、4寸、6寸或8寸的硅晶圆片。
采用干氧氧化方法在衬底11的两面分别生长一定厚度的第一SiO2层12和13。
采用PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，等离子体增强化学的气相沉积法)在第一SiO2层12的表面依次沉积形成第二SiO2层14和Si3N4层15。
第一SiO2层12、第二SiO2层14和Si3N4层15构成了悬臂支撑层。需要说明的是，悬臂支撑层还可以为其他的氧化物或氮化物或二者的混合物。
采用剥离工艺(lift-off)，在Si3N4层15的表面旋涂光刻胶层16。
步骤s2，结合图1b所示，对光刻胶层16依次进行曝光、显影形成光刻图案。
步骤s3，结合图1c所示，利用图案化的光刻胶层16，通过磁控溅射制备加热金属电极阵列，去胶，有光刻胶的地方会连带表面的金属被去胶液剥离，没有光刻胶的地方则留下金属，从而进行图案化的加热电极17。
加热电极17为金(Au)、银(Ag)、铂(Pt)、铜(Cu)、铝(Al)、钼(Mo)、钛(Ti)、铬(Cr)中的任何一种或多种。本实施例中，加热电极17采用Pt。
在另一实施例中，图案化的加热电极17还可以采用刻蚀工艺制作，包括：先在Si3N4层15表面沉积金属，然后旋涂光刻胶并光刻、曝光、显影做成掩膜，利用刻蚀工艺去除掉未被遮挡地方的目标金属，最后去除掉掩膜。
两种工艺相比，前者工艺(先形成图案化光刻胶)简单，但图形化金属的边缘粗糙，并且剥离效果依赖于图形结构以及光刻胶和金属的厚度比。后者工艺(刻蚀工艺)复杂，但图形化效果更好。因此，采用Lift-off工艺作为优选的实施例，以光刻胶做掩膜，通过紫外光刻对光刻胶进行图案化，然后采用磁控溅射沉积金属作为加热电极。
步骤s4，结合图1d所示，通过PECVD方法在加热电极17和Si3N4层15暴露的表面上覆盖一层绝缘层18。
绝缘层18的为氮化硅或氧化硅绝缘层，并用CMP设备对表面进行平坦化处理。
采用Lift-off工艺，在绝缘层18的表面旋涂光刻胶层19。
步骤s5，结合图1e所示，对光刻胶层19依次进行曝光、显影形成光刻图案。
步骤s6，结合图1f所示，再通过磁控溅射制备测试电极110，去胶。
测试电极110为金(Au)、银(Ag)、铂(Pt)、铜(Cu)、铝(Al)、钼(Mo)、钛(Ti)、铬(Cr)中的任何一种或多种。本实施例中，测试电极110采用Pt。
步骤s7，结合图1g所示，旋涂光刻胶(图未示)，依次曝光、显影在中心测试区域形成图案，并对应在测试区的测试电极110上沉积牺牲层111，去胶。
测试区域只有测试电极中心区域，不包括引线电极和金属引线。本实施中的测试电极为具备较高检测灵敏度的电极，如叉指电极或梳状电极。
牺牲层111材料为单晶硅、多晶硅、光刻胶、金属等。
步骤s8，结合图1h所示，在测试电极110的四周定义出腐蚀窗口，本实施例中，腐蚀窗口为环绕测试电极110的矩形窗口，并保留出用以制作悬臂梁114的区域。
旋涂光刻胶(图未示)，依次曝光、显影形成具有腐蚀窗口的图案，然后使用反应离子刻蚀(RIE)依次刻蚀掉绝缘层18、Si3N4层15、第二SiO2层14和第一SiO2层12，并暴露出衬底11的表面，可以使用三氟甲烷作为刻蚀气体，衬底11作为刻蚀的结束端。
结合图2所示(衬底11的分解出来的示意图)，刻蚀完成后，形成四根连接悬臂结构113的悬臂梁114，悬臂梁114自下至上依次包括第一SiO2层12、第二SiO2层14、Si3N4层15、加热电极17的引线、绝缘层18和测试电极110的引线。
步骤s9，结合图1i所示，使用湿法腐蚀(TMAH 25％)进一步刻蚀衬底11形成凹槽112，并释放出悬臂结构113和悬臂梁114，上方未被RIE刻蚀的Si3N4层15、第二SiO2层14和第一SiO2层12作为衬底11的掩膜层，由于刻蚀液对硅的<100>和<111>的刻蚀速率不同，因此形成一个去顶的倒金字塔结构的凹槽112。
结合图2所示，悬臂结构113通过悬臂梁114连接，且整体悬浮在凹槽112的上方，悬臂结构113自下至上依次包括第一SiO2层12、第二SiO2层14、Si3N4层15、加热电极17、绝缘层18和测试电极110。
在一实施例中，悬臂结构113为一矩形体，具有大致方形的截面，悬臂结构113的侧边与凹槽112的内壁平行且具有大致相同的间距。悬臂结构113的四个顶角分别通过一所述悬臂梁114与凹槽112的内角之间连接，以使得悬臂结构113可以悬置于凹槽112上。
结合图3所示，所述凹槽112的内角向内凸伸有第二应力释放区1121，悬臂梁114连接于所述第二应力释放区1121和悬臂结构113之间。
该技术方案中，凹槽112的内角通过切角处理，可以防止断口处在加热及降温的过程中由于应力失配导致应力集中，造成端口处发生断裂，降低器件的使用寿命。
在一实施例中，第二应力释放区1121具有弧形的外表面，其具有扇形的横截面。
结合图4所示，测试电极110包括中心测试电极1101和引线电极1102，中心测试电极1101和引线电极1102之间通过金属引线1103电连接。其中，中心测试电极1101形成于悬臂结构113上，金属引线1103形成于悬臂梁114上，引线电极1102形成于凹槽112的外围。
一实施例中，引线电极1102采用L形金属片，该L形金属片的两个臂分别对应延伸于凹槽112相邻的两个侧边。
引线电极1102的内角凸伸有第一应力释放区11021，所述中心测试电极1101通过金属引线1103电性连接于所述第一应力释放区11021。
该实施例中，引线电极1102的内角通过切角处理，可以防止断口处在加热及降温的过程中由于应力失配导致应力集中，造成端口处发生断裂，降低器件的使用寿命。
在一实施例中，第一应力释放区11021具有弧形的外表面，其具有扇形的横截面。
步骤s10，结合图1j所示，在器件顶部暴露的表面，包括凹槽112的底面和侧壁形成疏水层115。
疏水材料可以为全氟硅烷偶联剂，氟碳涂料中PTFE、FEP、ECTE、ETFE、PFA等。比如，使用全氟硅烷偶联剂对器件表面反应，会与表面亲水的羟基反应，从而达到疏水的目的。
步骤s11，结合图1k所示，然后使用Cr的湿法刻蚀液TFN去除牺牲层111，用去离子水即可清洗干净，留下图案化的亲疏水区域。此时受Cr保护的区域为亲水，其他区域为疏水的，进而达到区分的作用。
步骤s12，结合图1l所示，在测试电极110暴露的表面上形成气敏材料层116。
具体地，可以将器件置于滴胶机下进行气敏材料溶液的悬滴，或放置于由气敏材料所配的悬浊液中浸泡，此时亲水区域由于浸润性好留下气敏材料，而疏水区域干净，从而达到批量化、一致性、可重复的效果。
气敏材料层116在气体吸附前后表面发生的氧化还原反应导致其电导率变化。基于此半导体性质，气敏材料层116用于将目标气体信息的变化转换成自身电导率的变化；其中，目标气体信息包括目标气体的种类和/或浓度。具体地，气敏材料层116的材料可以为N型半导体、P型半导体等。
工作时，可以对加热电极的两端施加电压，加热电极产生焦耳热，通过固体传热将热量传递到测试电极区域，使金属氧化物达到对特定气体的响应状态，通过与待测气体的接触改变载流子的状态，从而转变为能够被观察的电学信号。
实施例2
结合图5所示，衬底11材料采用硅晶圆片时，可以在同一硅晶圆片上同时制作出阵列分布的多个气体传感器，每个气体传感器的结构与实施例1相同，不再赘述。
相邻的气体传感器之间定义有切割沟道，在形成所述的气敏材料层后，还包括：沿所述切割沟通对所述的绝缘层、悬臂支撑层和衬底进行切割，形成多个单粒的气体传感器。
这种先封装后切割的方法可以获得更小的尺寸，大大提高了硅基气体传感器芯片的质量，且芯片的一致性较好。
实施例3
结合图5所示，衬底11材料采用硅晶圆片时，可以在同一硅晶圆片上同时制作出阵列分布的多个气体传感器，每个气体传感器的结构与实施例1相同，不再赘述。
工作时，对硅晶圆片上阵列分布的加热电极施加不同的电压，从而使得每个气体传感器所能达到的稳定温度有所差异，进而做到对不同气体的选择性响应。
实施例4
一种气体传感器，采用实施例1所提供的制作方法制备得到。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (10)

1.一种气体传感器的制作方法，其特征在于，包括：
在衬底的表面依次制作悬臂支撑层、图形化的加热电极、绝缘层和图形化的测试电极；
在测试电极的表面覆盖一层牺牲层；
围绕所述测试电极刻蚀所述绝缘层、悬臂支撑层和衬底，并在位于所述测试电极下方的衬底内形成凹槽，形成悬置于凹槽上方的悬臂结构；
在所述凹槽和牺牲层的表面形成疏水层；
去除所述牺牲层，在测试电极暴露的表面上沉积气敏材料层。
2.如权利要求1所述的气体传感器的制作方法，其特征在于，所述凹槽的截面为矩形。
3.如权利要求2所述的气体传感器的制作方法，其特征在于，所述测试电极包括中心测试电极以及与所述中心测试电极电连接的引线电极，
所述引线电极采用L形金属片，该L形金属片的两个臂分别对应延伸于凹槽相邻的两个侧边。
4.如权利要求3所述的气体传感器的制作方法，其特征在于，所述引线电极的内角凸伸有第一应力释放区，所述中心测试电极通过金属引线电性连接于所述第一应力释放区。
5.如权利要求2所述的气体传感器的制作方法，其特征在于，所述凹槽的内角凸伸有第二应力释放区，由所述悬臂支撑层和绝缘层形成的悬臂梁连接于所述第二应力释放区和悬臂结构之间。
6.如权利要求1所述的气体传感器的制作方法，其特征在于，所述衬底为晶圆衬底，在晶圆衬底上形成阵列分布的气体传感器。
7.如权利要求6所述的气体传感器的制作方法，其特征在于，相邻的气体传感器之间定义有切割沟道，在形成所述的气敏材料层后，还包括：
沿所述切割沟通对所述的绝缘层、悬臂支撑层和衬底进行切割，形成多个单粒的气体传感器。
8.如权利要求1所述的气体传感器的制作方法，其特征在于，所述悬臂支撑层包括：
通过干氧氧化在衬底表面形成的第一SiO2层；
在第一SiO2层表面依次沉积形成的第二SiO2层和Si3N4层。
9.如权利要求1所述的气体传感器的制作方法，其特征在于，所述牺牲层采用单晶硅、多晶硅、光刻胶或金属；和/或
所述疏水涂料采用全氟硅烷偶联剂或氟碳涂料中PTFE、FEP、ECTE、ETFE、PFA。
10.一种权利要求1至9任一所述制作方法获得的气体传感器。
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