CN1538934A - 制造悬浮多孔硅微结构的方法及其在气体传感器中的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于制造桥形或悬臂形悬浮多孔硅薄膜的正面硅显微机械加工方法及使用这种些薄膜的热传感器设备。悬浮多孔硅薄膜的制造方法包括如下步骤：(a)在一硅基底(1)的至少一个预定区域内形成一多孔硅层(2)，(b)使用标准影印石版技术围绕所述多孔硅区域(2)或在所述多孔硅区域(2)内界定蚀刻窗口(5)，(c)在多孔硅层下(2)，通过使用干蚀刻技术选择性地蚀刻硅基底(1)，以分离多孔硅薄膜，并在所述多孔硅层下形成洞(6)。更进一步地，本发明还提供一种基于具有最小热损失的悬浮多孔硅薄膜，制造热传感器的方法，因为所提出的方法结合了由于多孔硅的低热传导性和悬浮薄膜的使用而带来的优点。而且，本发明所提出的正面显微机械加工方法简化了制造工艺。还描述了使用所提出的方法的多种类型的热传感器设备，如量热型气体传感器，导电型气体传感器和热传导传感器。

Description

制造悬浮多孔硅微结构的方法及其在气体传感器中的应用
发明领域
本发明涉及一种制造悬浮多孔硅薄膜的方法及使用这种方法所制造的设备。
背景技术
为了制造显微机械加工的气体传感器，在形成用于支撑加热器的薄膜的方法的发展上进行了许多努力。特别是使用了两种不同的结构(Simon等人，传感器和致动器(Sensor andActuator)B 73，第1页，2001)：紧密型薄膜，这种薄膜沿硅基底的周边重叠在硅基底上，和悬浮型薄膜(也称作三脚架型和微热板型)。在后者中，薄膜元件通过支架的方式与硅基底连接，薄膜的中部悬浮在蚀刻在基底的洞的上方。
紧密型薄膜通过在晶片背面对硅进行各向异性的(结晶学)蚀刻的方式形成。通常使用诸如KOH和EDP的湿蚀刻剂。适合这些蚀刻剂的蚀刻阻止剂为氮化硅，氧化硅或硼掺杂硅。为了形成薄膜，使用了两种不同的工艺。第一种，也是比较普遍的一种，是用氧化硅和/或氮化硅作为薄膜和绝缘材料来获得典型厚度在1和2μm之间的薄膜[(a)G.Sberveglieri等人，微系统技术(Microsyst.Technolog.)，第183页，1997，(b)J.Gardner，传感致动器(Sens.Actuators)B 26/27，第135页，1995和(c)D.Lee，传感致动器(Sens.Actuators)B 49，第147页，1996]。第二种方法，也是最近使用的一种，是使用通过对硅阳极化和其后的氮化而获得的厚度在25和30μm之间的氮化多孔硅(Maccagnani等人，第13届固态传感器欧洲会议学报(Proceed.of the 13th European Conference on Solid-StateTransducers)，荷兰1999)。氧化硅，氮化硅和氮化多孔硅都具有低热导性，可在加热区域和薄膜边缘之间提供良好的绝热。
另一方面，悬浮薄膜的处理是完全从正面进行。因此，悬浮薄膜通常被说成与CMOS处理更兼容(Gaitan等人，美国专利5,464,966)。悬浮薄膜通过从正面用各向异性湿蚀刻剂KOH或EDP形成，或通过牺牲蚀刻氧化层而形成。多孔硅的牺牲蚀刻是获得悬浮薄膜的另一种可能(Nassiopoulou等人，专利号PCT/GR/00040，WIPO于12/11/1998公布，希腊专利OBI1003010)。悬浮多晶和单晶薄膜已经被Kaltsas和Nassiopoulou使用这种工艺制造出来[(α)G.Kaltsas和A.G.Nassiopoulou，Mat.Res.Soc.Symp.Proc.，459，第249页，1997，(β)G.Kaltsas和A.G.Nassiopoulou，传感致动器(Sens.Actuators)：A65，第175页，1998]和悬浮氮化薄膜被Gardeniers等人(J.G.E.Gardeniers等人，传感致动器(Sens.Actuators)：A60，第235页，1997)制造出来。悬浮薄膜的典型横向尺寸在100和200μm范围内。
使用悬浮薄膜通常优于使用紧密型薄膜。原因在于悬浮型薄膜的热量损失被降到最小，因为热量损失只发生在薄膜的支架处，与紧密型薄膜相比，紧密型薄膜的热量损失沿着周边发生。
高多孔硅(有孔率约65％)有与氧化硅相似的非常好的热性能。在传感器的应用中，它被用于两种方式：作为硅基底上的局部热绝缘材料[(a)Nassiopoulou等人，专利号PCT/GR/00040，WIPO于12/11/1998公告，希腊专利OBI 1003010，(b)G.Kaltsas和A.GNassiopoulou，传感致动器(Sens.Actuators)A 76，第133页，1999]和作为形成悬浮薄膜的牺牲层。最近，氮化的多孔硅薄膜使用背面蚀刻被制造出来。Maccagnani等人(Maccagnani等人，第13届固态传感器欧洲会议学报(Proc.of the 13th European Conference onSolid-State Transducers)，荷兰1999)通过用KOH进行背面蚀刻制造紧密型氮化多孔硅薄膜。上述方法的缺陷在于在大量的硅被从背面蚀刻前需要双面对准，且由于溢出的侧壁而需要更多的空间(形成薄膜所需的横向尺寸需要大出40％)。等离子体蚀刻技术如高表面率硅蚀刻由于可以形成垂直壁，因此可以代替湿蚀刻，与湿蚀刻技术相比在晶片上允许更大密度的传感器。另一种处理方法，用于使用正面显微机械加工技术制造紧密型薄膜，由Baratto等人(C.Baratto，固体薄膜(Thin Solid Films)，第261页，2001)提出，是基于在形成多孔硅层后对硅基底进行电抛光来在多孔硅下形成洞。但是对于紧密型薄膜，与前面所述的基底接触面积减小的悬浮薄膜相比，由于薄膜的支撑面积所产生的热量损失增加[(a)G.Kaltsas和A.G.Nassiopoulou，Mat.Res.Soc.Symp.Proc.，459，第249页，1997，(b)J.G.E.Gardeniers等人，传感致动器(Sens.Actuators)：A60，第235页，1997]。
大量通过等离子体蚀刻而进行的显微机械加工已经成功地用于分离叠加在深埋的重掺杂n+层上的轻掺杂硅结构。这种方法是基于与在Cl2/BCl3等离子体中轻掺杂硅进行各向异性蚀刻相比，n+层所具有的高横向蚀刻率(Y.X.Li等人，传感器和致动器(Sensors andActuators)A57，第223页，1996)。但是，由于重掺杂n+层的相对缓慢的横向蚀刻和对于掩摸材料(PECVD氧化层)的处理的可选择性的相对小，被分离结构的横向尺寸限制在大约4μm。另外，在F基底等离子体中结合使用高表面率各向异性和各向同性蚀刻的方法已经应用于从多层基底(Si-SiO2-polySi-SiO2-Si夹层晶片)中分离出不需依靠支撑物的微悬臂和桥(C.Cui等人，传感器和致动器(Sensors and Actuators)A70，第61页，1998)。在这种情况下，被分离的结构在各向同性蚀刻处理后保持完整无缺，是由于它们被SiO2层或氟化碳等离子体沉积层所保护。虽然这种方法使制造和分离高表面率微结构成为可能，但它还是基于制造多层基底的复杂处理。通常来说，如果单晶硅结构被从正面用硅蚀刻选择性掩模如SiO2所保护(F.Ayazi，等人，JMEMS 9(3)，第288页，2000)，从基底上分离单晶硅结构可以从晶片的正面通过组合的有方向性和各向同性的硅干蚀刻来获得。
在本发明中，被分离的结构由多孔硅构成，这大大简化了处理过程：对多孔硅使用的各向同性硅蚀刻处理的高选择性使得要被分离的结构不需要任何保护。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种制造桥形或悬臂形悬浮多孔硅薄膜的方法，基于正面显微机械加工，通过干蚀刻技术进行薄膜分离。
本发明的另一个目的是提供一种制造气体传感器的方法，使用悬浮多孔硅薄膜。
本发明的另一个目的是提供一种制造热传导传感器的方法，在悬浮多孔硅薄膜的顶部使用加热器。
本发明所描述的方法使将薄膜用于热传感器成为可能，这包括两个主要创新：
(a)使制造桥形或悬臂形，具有好的机械伸展性(与SiO2或Si3N4薄膜相比)的悬浮多孔硅薄膜成为可能，并与紧密型薄膜相比将热损失减到最小。
(b)使用正面显微机械加工技术用于以最大的器件密度制造悬浮多孔硅结构。
附图简要说明
图1A到1C是阐明制造悬浮多孔硅薄膜的方法的剖视图。
图2A到2C是不同的多孔硅薄膜的平面图。
图3A到3C是阐明制造量热式气体传感器的过程，使用加热器和/或电阻器作为热传感元件。
图4是量热式传感器的平面图。
图5A到5C是阐明制造电导型气体传感器的过程的剖视图。
图6是阐明热传导传感器的剖视图。
具体实施方式
图1A到1C是阐明制造悬浮多孔硅薄膜的方法的示意图。作为基底材料1，使用了掺杂的单晶硅或多晶硅。基底中的浓缩掺杂剂可以是n型或p型，浓度大于1014cm-2。多孔硅2成型于所述基底的预定面积上。不同掩模技术被用于在局部形成多孔硅。这些技术包括不同的层面，如Si3N4 SiO2，SiGe，SiC，多晶硅及它们的结合的沉积和成型，同时使用离子插入技术。掩模材料或多晶硅的局部成型方法不作为对本发明所描述方法的限制。
图1A所示为基底1和界定的多晶硅区域2。根据本发明所述的一个实施例，用于多晶硅局部成型的掩模(图1A中未示出)可以由二氧化硅层和复合硅层组成。在形成多孔硅区域后，一隔离层3沉积在多孔硅顶部(图1B)。隔离层3可以是SiO2，或Si3N4，或它们的任意组合。然后，光阻材料4沉积在晶片上，并用标准的影印石版技术开设蚀刻窗口5。根据多晶硅薄膜2的图案和几何特性，蚀刻窗口5被放在多晶硅薄膜2的周边或在薄膜内的预定位置(图1B)。用于在局部形成多孔硅的对隔离层3和掩模的去除，可以通过湿或干蚀刻技术达到。然后蚀刻窗口5向下延伸到硅基底1，与多孔硅薄膜2毗连。在这一点，多孔结构下的硅材料被通过各向异性/各向同性结合的干蚀刻处理除去。发明者所做的实验表明，热处理的多孔硅的蚀刻率比各向异性的硅基底的蚀刻率慢100倍，甚至比各向同性蚀刻还慢。由于这个原因多孔薄膜在硅基底进行横向等离子体蚀刻时保持实质上不受影响。图1C所示为分离的多孔硅薄膜的剖视图，其中显示了在多孔硅2下形成的洞6。图2A到2C显示从上面看不同图案的悬浮多孔硅结构，其中我们可以看到硅基底1，多孔硅薄膜2和多孔硅支架7。薄膜悬浮在洞6上面。
本发明所描述的成功完成这种方法的关键参数之一，是对干蚀刻条件进行优化。只要满足这样的蚀刻条件，与多孔硅蚀刻相比，该处理方法对硅蚀刻具有更高的选择性，则可以使用各种各样的处理方法。例如，使用一种富含氟的气体如硫磺六氟化物，它的流量在100-300sccm，处理压力在1-10Pa之间。等离子体的产生最好发生在高频(13.56MHz)，输出在500W和2000W之间。同时，用于离子加速的低基底电压被提供给基底电极。基底电压最好在30V到60V之间。
在干蚀刻的过程中发现了一个现象，即蚀刻率依赖于蚀刻窗口的尺寸。这个现象在过去的高表面率硅蚀刻中被发现过，并被认为是RIE滞后。发明人进行的实验证明在硅的横向蚀刻中也存在这种影响。但是，蚀刻窗口的尺寸对硅蚀刻率的影响对本发明所描述的方法不产生任何影响。相反的，通过仔细设计蚀刻窗口的位置和尺寸，可以得益于这种依赖关系并有选择地分离出具有特定形状和尺寸的悬浮微结构。
另一个成功完成所提出的方法的关键参数是对多孔硅层的机械特性的优化。很明显，多孔硅薄膜的结构特性(多孔性，厚度，孔的尺寸)及其后的热处理必须根据层的形状和几何特性进行优化。借助本发明所提出的方法，悬浮多孔硅薄膜被成型在厚度范围从几纳米到几微米，最高到几毫米。
在本发明的另一个实施例中，制造了量热型气体传感器。在这种情况下，如图3A所示，在局部成型多孔硅区域2后沉积了隔离层3。隔离层3可以是SiO2，或Si3N4，或它们的任意组合。但最好使用具有非常低的热传导性的隔离材料。一个加热器8被设置在所述隔离层3上(图3A)。加热器是由掺杂多晶硅或任何传导层或复合层，如Pt/Ti组成。然后，一个隔离层9沉积在加热器8上(图3B)。所述隔离层9的沉积方法取决于加热器的特性。例如，如果加热器是由多晶硅制成的，隔离层可以是用LPCVD或LTO工艺沉积的SiO2。然后，一个催化层10沉积在隔离层9上(图3B)。在所描述的具体实施例中，催化材料的选择可以在一个很大的材料范围内，如Pt，Pd。催化材料的选择取决于要测量气体的特性。对催化材料的唯一限制，根据本发明所述的方法，是在其后的过程中，特别是在既可以使用湿蚀刻技术(例如通过暴露有机溶剂如丙酮)，也可以使用干蚀刻技术(如O2等离子体)进行除去光阻材料时保持不受影响。催化层的图案既可以通过提起技术，也可以通过标准的影印石版技术，必要时结合湿蚀刻来获得。由于催化层10表面的气体催化反应所产生和吸收的热量造成的温度变化，可以通过安装在设备中的热电阻器8或第二电阻器，一个设置在设备中的传感电阻器(图3中未示出)，来测得。或者，一体的热电堆可被用来测量由于催化反应产生的温度变化。
如图3C所示，在沉积和形成所述催化层10后，光阻材料4沉积在晶片上并使用标准的影印石版技术开设蚀刻窗口5。多孔硅薄膜的分离如前述完成。图3C所示为气体传感器的剖视图，其中我们可以看到形成在多孔硅2下的洞6。图4为设备的平面图，其中我们可以看到硅基底1，多孔硅薄膜2，多孔硅支架7和指示的加热器8的形状。
在本发明的另一个实施例中，制造了电导型气体传感器。形成多孔硅区域2和加热器8的制造过程与前述过程相似(图5A)。在加热器上沉积隔离层9后，传导电极11被沉积和成型(图5B)。催化材料10沉积在电极上(图5B)。催化材料的选择取决于被测的气体，且可以在大范围的材料(如SnO2)或者电特性取决于周围气体的任何材料中选择。多孔硅薄膜的分离按如前所述的方式进行。图5C所示为多孔硅薄膜分离后的气体传感器的剖视图，其中可以看到在多孔硅薄膜2下形成的洞6。
如图6所示，在本发明的另一个实施例中，热传导传感器可以通过在悬浮在洞6上的多孔硅薄膜2上沉积Pt电阻器12而形成。在电阻器和多孔硅薄膜2之间有一隔离层3。为了调整传感器的响应时间，可以改变悬浮多孔硅薄膜2的尺寸。
虽然到目前为止我们进行的描述集中在多孔硅薄膜的分离，由于其对SiO2/Si3N4硅的干蚀刻具有高的可选择性，也可以使用本发明所描述的方法来分离由氧化硅，氮化物或任何这些材料组成的悬浮薄膜。
本发明描述了一些较佳实施例。但本发明不局限于所描述的实施例。本发明的保护范围由所附的权利要求书界定。
权利要求书
(按照条约第19条的修改)
1.一种用于制造桥形或悬臂形悬浮多孔硅薄膜的正面硅显微机械加工方法，包括如下步骤：(a)在一硅基底的至少一个预定区域内形成一多孔硅层，(b)使用标准影印石版技术围绕所述多孔硅区域或在所述多孔硅区域内界定蚀刻窗口，(c)在多孔硅层下，通过使用干蚀刻技术选择性地蚀刻硅基底，以分离多孔硅薄膜，并在所述多孔硅层下形成洞。
2.根据权利要求1所述的用于制造桥形或悬臂形悬浮多孔硅薄膜的正面硅显微机械加工方法，还包括在所述多孔硅薄膜上形成成型传导层；所述的成型传导层被用作用于制造热传感器设备的加热器。
4.一种基于权利要求1所述的使用正面硅显微机械加工方法所制造的桥形或悬臂形的悬浮多孔硅薄膜的气体传感器设备，包括：(a)一硅基底，(b)一在硅基底的洞上提供局部绝热的悬浮薄膜，(c)一在所述悬浮薄膜上的成型传导层，(d)一在所述传导层上的隔离层，(e)一在所述隔离层上的催化材料，(f)一热传感元件，以感觉由于周围的空气随催化材料反应而引起的温度变化。
5.根据权利要求4所述的气体传感器设备，其特征在于所述传感元件为Pt电阻器。
6.根据权利要求4所述的气体传感器设备，其特征在于所述热传感元件包括一些热电偶，所述热电偶的一个接点在悬浮多孔硅薄膜上，另一个接点在大面积硅上。
7.一种基于权利要求1所述的使用正面硅显微机械加工方法所制造的桥形或悬臂形的悬浮多孔硅薄膜的气体传感器设备，包括：(a)一硅基底，(b)一在硅基底的洞上提供局部绝热的悬浮薄膜，(c)一在所述悬浮薄膜上的成型传导层，(d)一在所述传导层上的隔离层，(e)在所述隔离层上的金属电极和(f)一在所述电极上的催化材料，所述催化材料的电阻系数取决于周围气体。
8.一种基于权利要求1所述的使用正面硅显微机械加工方法所制造的桥形或悬臂形的悬浮多孔硅薄膜的热传导传感器，包括：(a)一硅基底，(b)一在硅基底的洞上提供局部绝热的悬浮薄膜，(c)一在所述悬浮薄膜上的成型传导层，其中所述成型传导层为Pt电阻器；所述多孔硅薄膜的尺寸为了将热损失减到最小和调整传感器的响应时间可以被改变。

Claims (8)

1.一种用于制造桥形或悬臂形悬浮多孔硅薄膜的正面硅显微机械加工方法，包括如下步骤：(a)在一硅基底的至少一个预定区域内形成一多孔硅层，(b)使用标准影印石版技术围绕所述多孔硅区域或在所述多孔硅区域内界定蚀刻窗口，(c)在多孔硅层下，通过使用干蚀刻技术选择性地蚀刻硅基底，以分离多孔硅薄膜，并在所述多孔硅层下形成洞。
2.根据权利要求1所述的用于制造桥形或悬臂形悬浮多孔硅薄膜的正面硅显微机械加工方法，还包括在所述多孔硅薄膜上形成成型传导层；所述的成型传导层被用作用于制造热传感器设备的加热器。
3.根据权利要求2所述的在多孔硅薄膜上的成型传导层的用途是用作制造热传感器的加热器，如气体或热传导传感器。
4.一种气体传感器设备，包括：(a)一个具有至少一个多孔硅区域的硅基底，(b)一个所述多孔硅区域的桥形或悬臂形的悬浮薄膜，所述多孔硅的悬浮薄膜是通过对所述硅基底的正面干蚀刻而制造，(c)一在所述悬浮薄膜上的成型传导层，(d)一在所述传导层上的隔离层，(e)一在所述隔离层上的催化材料，(f)一热传感元件，以感觉由于周围的空气随催化材料反应而引起的温度变化。
5.根据权利要求4所述的气体传感器，其特征在于所述传感元件为Pt电阻器。
6.根据权利要求4所述的气体传感器设备，其特征在于所述热传感元件包括一些热电偶，所述热电偶的一个接点在悬浮多孔硅薄膜上，另一个接点在大面积硅上。
7.一种气体传感器设备，包括：(a)一个具有至少一个多孔硅区域的硅基底，(b)一个所述多孔硅区域的桥形或悬臂形的悬浮薄膜，所述多孔硅的悬浮薄膜是通过对所述硅基底的正面干蚀刻而制造，(c)一在所述悬浮薄膜上的成型传导层，(d)一在所述传导层上的隔离层，(e)在所述隔离层上的金属电极和(f)一在所述电极上的催化材料，所述催化材料的电阻系数取决于周围气体。
8.一种热传导传感器，包括：(a)一个具有至少一个多孔硅区域的硅基底，(b)一个所述多孔硅区域的桥形或悬臂形的悬浮薄膜，所述多孔硅的悬浮薄膜是通过对所述硅基底的正面干蚀刻而制造，(c)一在所述悬浮薄膜上的成型传导层，其中所述成型传导层为Pt电阻器；所述多孔硅薄膜的尺寸为了调整传感器的响应时间可以被改变。
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