CN1684285A - 微结构气敏传感器阵列芯片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于气敏传感器技术领域，是微结构气敏传感器阵列的芯片结构及制备方法。该芯片由硅片、加热电极、测量电极和气敏薄膜等组成，其在做基底的硅片中间部位有≥1个隔开独立的贯通孔，在各通孔上依次覆有：支撑膜、绝缘膜；支撑膜中心有加热电极，绝缘膜中心有测量电极，测量电极上覆盖气敏薄膜，在加热电极与测量电极间有绝缘膜；各个加热电极和气敏薄膜分别与通孔相对设置。本发明用微电机械系统(MEMS)加工技术大批量生产微结构气敏传感器阵列，采用金属薄膜作为加热电极和测量电极，有很好的耐高温性，与多晶硅加热的传感器及阵列相比稳定性大大提高。本发明传感器阵列中气敏薄膜用阵列自身的加热电极进行退火处理，大大简化了加工工艺。

Description

微结构气敏传感器阵列芯片及其制备方法

技术领域

本发明属于气敏传感器技术领域，尤其涉及微结构气敏传感器阵列的芯片结构及制备方法。

背景技术

气敏传感器已广泛应用于环境监测、防灾报警、化工、食品加工等领域。在各种气敏传感器中，金属氧化物传感器以其结构简单、价格低廉等特点而得到关注。由于大多数金属氧化物气敏材料(SnO₂、ZnO、Fe₂O₃等)需要在150～450左右的温度下工作，使得金属氧化物传感器功耗比较大(一般在0.5W～1W)，同时这种气敏传感器的选择性只能通过搀杂、催化和选择最佳工作温度等方法加以优化，无法根本解决。这些缺陷阻碍了气敏传感器的推广应用；尤其是目前在航空航天、环境监测和楼宇安全方面对低功耗的微结构气敏传感器及阵列都有很急切的需求。

采用气敏传感器阵列和模式识别技术的电子鼻系统能够克服单个传感器选择性、稳定性差的缺点，大大提高气体检测的精度和准确性；而微电机械系统(MEMS)加工技术的发展为实现低功耗的微结构气敏传感器阵列提供了可能。

发明内容

本发明的目的是提供一种微结构气敏传感器阵列结构及其制备方法，该结构的微结构气敏传感器阵列可以采用本发明的制备方法实现低成本、大批量制备。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：提供一种微结构气敏传感器阵列芯片，由硅片、支撑膜、加热电极、绝缘膜、测量电极和气敏薄膜组成，其在做基底的硅片中间部位有≥1个隔开独立的贯通孔，在硅片的各通孔上表面上依次覆有：支撑膜、绝缘膜；支撑膜中心部设有加热电极，绝缘膜中心部设有测量电极，测量电极上覆盖有气敏薄膜，在加热电极与测量电极之间有一绝缘膜；各个加热电极和测量电极分别与通孔相对设置。

所述的气敏传感器阵列芯片，其所述支撑膜为低应力氮化硅或者氮化硅/氧化硅复合膜。

所述的气敏传感器阵列芯片，其所述绝缘膜为低应力氮化硅或者氮化硅/氧化硅复合膜。

所述的气敏传感器阵列芯片，当为一个贯通孔时，阵列中加热电极与测量电极以及气敏薄膜处于同一个膜片结构上。

所述的气敏传感器阵列芯片，其所述阵列中的加热电极与测量电极以及气敏薄膜为复数个，且每个加热电极、测量电极以及气敏薄膜都是相对独立的。

所述的气敏传感器阵列芯片，当为n个贯通孔时，阵列中的n个加热电极与n个测量电极以及n个气敏薄膜分别处于n个膜片结构上。

所述的气敏传感器阵列芯片，其所述加热电极为炉盘形，而且从边缘到中心电极的宽度逐渐增大以改善工作区的温度均匀性。

一种微结构气敏传感器阵列芯片的制备方法，是采用微电机械系统技术(MEMS)制作，其特征在于包括步骤：

1)准备硅片，硅片≤300微米厚，为100晶向的双面抛光片；

2)对硅片热氧化，在炉温1145～1155，采用O₂/H₂O/O₂交替氧化，热氧化至≤300nm厚的氧化硅；

3)在2)步所得成品的上表面淀积氮化硅，低压化学气相沉积(LPCVD)的氮化硅厚度≤500nm；

4)进行第一次光刻，制备金属加热电极，正性光刻胶，胶膜厚度在1～5μm之间，最佳为2μm；

5)淀积氮化硅或氮氧硅作为绝缘膜，等离子体增强化学气相沉积(PECVD)厚度≤500nm低应力氮氧硅或氮化硅/氧化硅作为绝缘膜；

6)进行第二次光刻，刻蚀电极通孔，正性光刻胶，胶膜厚度在2～5μm之间，最佳为4μm，用SF₆反应离子刻蚀绝缘膜；

7)进行第三次光刻，制备金属测量电极，正性光刻胶，胶膜厚度在1～5μm之间，最佳为2μm，用SF₆反应离子刻蚀绝缘膜；

8)第四次背面光刻，正性光刻胶，胶膜厚度在2～5μm之间，最佳为4μm；

9)背面刻蚀氮化硅、腐蚀氧化硅、各向异性腐蚀硅，用SF₆反应离子刻蚀氮化硅膜，用氢氟酸(HF)缓冲液腐蚀氧化硅，然后用氢氧化钾(KOH)溶液各向异性腐蚀硅形成膜片结构；

10)淀积气敏薄膜并进行处理；

11)裂片，封装。

所述的气敏传感器阵列芯片制备方法，其在3)步中，炉温840～860，源为SiH₄、NH₃及N₂。

所述的气敏传感器阵列芯片制备方法，其第10步中所述处理为退火处理，或不作处理。

所述的气敏传感器阵列芯片制备方法，其采用硅片掩膜的方法制备气敏薄膜。

所述的气敏传感器阵列芯片制备方法，其所述退火处理，是利用传感器阵列自身的加热电极实现对气敏薄膜的退火处理。

所述的气敏传感器阵列芯片制备方法，其在第4)、7)步之后，溅射Ta/Pt，剥离制备加热电极，用O₂反应离子刻蚀处理表面，再进行第5)、8)步。

所述的气敏传感器阵列芯片制备方法，其所述的溅射Ta/Pt厚度为≤200nm。

所述的气敏传感器阵列芯片制备方法，其在第9)步中，于各个传感器阵列芯片之间腐蚀出浅槽，以简化后续工艺。

所述的气敏传感器阵列芯片制备方法，其所述的浅槽，其深度为硅片厚度的0.1～0.9倍。

所述的气敏传感器阵列芯片制备方法，其所述的采用硅片掩膜的方法制备气敏薄膜是：第一步，气敏薄膜及搀杂成分采用物理气相沉积方法制备，采用掩膜方法实现气敏薄膜的成形；第二步，对气敏薄膜进行退火处理；第三步，对气敏薄膜进行老练处理。

所述的气敏传感器阵列芯片制备方法，其所述第二步中对气敏薄膜进行退火处理，是将制备了气敏薄膜的传感器阵列器放入退火炉中进行退火，或是利用芯片上的加热电极进行气敏薄膜的原位退火。

所述的气敏传感器阵列芯片制备方法，其在第5)步中，所述氮化硅/氧化硅作为绝缘膜，是于2)步所得成品的上表面射频溅射氧化硅后，LPCVD淀积氮化硅。

所述的气敏传感器阵列芯片制备方法，其所述溅射氧化硅厚度≤100nm，淀积氮化硅厚度≤300nm。

本发明的优点与积极效果：本发明提供了一种低功耗微结构气敏传感器阵列芯片及其加工方法，实现了用微电机械(MEMS)加工技术低成本大批量生产微结构气敏传感器阵列。与传统的气敏传感器及阵列相比，本发明可以使传感器阵列在功能基本不变的前提下功耗大大降低，而且本发明各单元工作区(气敏薄膜所在区域)热质量很小，工作温度可以根据需要快速调制(可达～100赫兹)。本发明采用金属薄膜作为加热电极和测量电极，具有很好的耐高温特性，与采用多晶硅加热的传感器及阵列相比稳定性大大提高。本发明传感器阵列上敏感材料可以利用阵列自身的加热电极进行退火处理，大大简化器件的加工工艺。

附图说明

图1为本发明微结构气敏传感器阵列膜片结构示意图；

图2为本发明微结构气敏传感器阵列结构示意图，其中(a)为单膜片结构，(b)为多膜片结构；

图3为本发明微结构气敏传感器阵列制备工艺示意图；

图4为本发明微结构气敏传感器阵列气敏薄膜制备中所用的一种硅掩膜版示意图。

具体实施方法

结合附图说明本发明的具体实施方法：

图1为本发明其中一个单元的膜片结构示意图。图中，4为加热电极，7为测量电极，3为压焊块。本发明的每个单元均有独立的加热电极4，便于调整本发明各个单元的工作温度；本发明各单元采用炉盘形加热电极4，而且从边缘到中心电极4的宽度逐渐增大，边缘电极的电流密度大于中心区域电极的电流密度，相应发热量也比较大，这样改善了各单元工作区(有气敏薄膜的区域)的温度均匀性。

图2为本发明微结构气敏传感器阵列的两种具体实施例的结构示意图。其中(a)为单膜片结构，(b)为多膜片结构。

单膜片结构的微结构气敏传感器阵列，由硅片1、支撑膜2、加热电极4、绝缘膜6、测量电极7和气敏薄膜8等组成。其中，硅片1做基底，为方形，中间有一贯通孔9。硅片1的上表面被氧化硅/氮化硅支撑膜2覆盖，支撑膜2中心部，与通孔9相对设有加热电极4；加热电极4上表面被绝缘膜6覆盖，绝缘膜6中心部为测量电极7，测量电极7也与通孔相对设置，测量电极7上覆盖有气敏薄膜8，加热电极4及测量电极7上连有压焊块3。加热电极4与测量电极7之间有一绝缘膜6。

单膜片结构的微结构气敏传感器阵列中的加热电极4与测量电极7以及气敏薄膜8可以为复数个，且每个加热电极4、测量电极7以及气敏薄膜8都是相对独立的。

多膜片结构的微结构气敏传感器阵列与单膜片结构的微结构气敏传感器阵列所不同的是，在做基底的硅片1中间部位有复数个隔开独立的贯通孔9，本实施例中为四个孔。其它结构相同，在硅片1的各通孔9上表面上依次为：氧化硅/氮化硅支撑膜2、绝缘膜6、测量电极7，支撑膜2中心部设有加热电极4，绝缘膜6中心部设有测量电极7，测量电极7上覆盖有气敏薄膜8，各个加热电极4、测量电极7及对应的气敏薄膜8分别与通孔9相对设置。

图3为微结构气敏传感器阵列制备工艺示意图，其中，(a)为热氧化氧化硅、LPCVD淀积氮化硅，一次光刻；(b)为溅射Ta/Pt薄膜，剥离形成加热电极；(c)为PECVD淀积低应力氮氧硅薄膜作为绝缘膜，二次光刻，刻蚀电极通孔；(d)为三次光刻，剥离制备Ta/Pt电极作为测量电极；(e)为四次背面光刻，刻蚀氮化硅、腐蚀氧化硅形成腐蚀窗口；(f)为从背面各向异性腐蚀硅后形成的膜片结构；(g)为制备气敏薄膜。下面是制备低功耗微结构气敏传感器阵列的代表工艺流程：

1)准备硅片(300微米厚，100晶向的双面抛光片)；

2)热氧化300nm的氧化硅(炉温1150，采用O₂/H₂O/O₂交替氧化)；

3)LPCVD淀积500nm的氮化硅(炉温850，源为SiH₄、NH₃及N₂)；

4)一次光刻加热电极(正性光刻胶，胶膜厚度在1微米到5微米之间，典型值为2微米)；

5)溅射Ta/Pt(200nm)，剥离制备加热电极，用O₂反应离子刻蚀(RIE)处理表面；

6)PECVD淀积500nm低应力氮氧硅作为绝缘膜；

另外一种可采用的方法是射频溅射100nm氧化硅后LPCVD淀积300nm氮化硅作为绝缘膜；

7)二次光刻加热电极通孔(正性光刻胶，胶膜厚度在2微米到5微米之间，典型值为4微米)，用SF₆反应离子刻蚀(RIE)绝缘膜；

8)三次光刻测量电极(正性光刻胶，胶膜厚度在1微米到5微米之间，典型值为2微米)；

9)溅射Ta/Pt(200nm)，剥离制备测量电极，用O₂反应离子刻蚀(RIE)处理表面；

10)四次光刻背面腐蚀窗口(正性光刻胶，胶膜厚度在2微米到5微米之间，典型值为4微米)，用SF₆反应离子刻蚀(RIE)氮化硅膜，用氢氟酸(HF)缓冲液腐蚀氧化硅，然后用氢氧化钾(KOH)溶液各向异性腐蚀硅形成膜片结构；

在此工艺步骤中，在各个传感器阵列芯片之间腐蚀出浅槽(其深度可以从硅片厚度的0.1倍到硅片厚度的0.9倍)以简化后续工艺。

11)沉积气敏薄膜并退火处理(退火处理也可省略)；

12)裂片，封装，气敏薄膜老练。

本发明的具体实施方法中，由于步骤10中已在各个传感器阵列芯片间腐蚀出浅槽，步骤12中不需划片即可实现裂片。

本发明的一种气敏薄膜具体制备方法描述如下：

1.金属氧化物气敏薄膜及搀杂成分采用物理气相沉积(PVD)方法制备(可以是磁控溅射但不仅限于磁控溅射)，采用掩膜方法实现气敏薄膜的成形。

一种掩膜版由硅片制成，硅掩膜版上的各种图形由各向异性腐蚀或者深刻蚀而成。一种用于图1所示传感器阵列的硅掩膜版结构如图4所示，它由两片硅片键合或粘结在一起组成，一片硅片起着限制传感器阵列芯片移动的作用，另外一片硅片将传感器阵列芯片上不需要沉积敏感膜的地方挡住。

在图4中，(a)为掩膜版顶视图，(b)为掩膜版正视剖面图，(c)为掩膜版局部放大的正视剖面图，(d)、(e)、(f)、(g)、(h)为掩膜版局部放大的顶视图，(d)为在阵列芯片的四个单元上均沉积气敏薄膜的掩膜版情况，(e)为在阵列芯片的三个单元上沉积气敏薄膜的掩膜版情况，(f)、(g)为两种在阵列芯片的两个单元上沉积气敏薄膜的掩膜版情况，(h)为在阵列芯片的一个单元上沉积气敏薄膜的掩膜版情况。

根据需要可以在阵列芯片的所有单元上一次沉积相同的气敏薄膜，也可分别在阵列芯片的各个单元上沉积不同气敏薄膜。

2.在气敏传感器阵列制备金属氧化物气敏薄膜后进行退火处理。

退火有两种方法可供选择：一种是将制备了气敏薄膜的传感器阵列器放入退火炉中进行退火，另外一种方法是利用本发明芯片上的加热电极进行气敏薄膜的原位退火。

3.气敏薄膜的老练处理。

本发明的气敏薄膜制备方法的优点与积极效果：

本发明的掩膜方法与采用光刻胶掩膜的剥离技术相比优点有：1采用光刻胶掩膜的剥离技术很容易造成传感器阵列的膜片结构的破损，本方法不存在此问题；2采用光刻胶掩膜的剥离技术容易造成对气敏薄膜的污染，本方法不存在此问题；3采用光刻胶掩膜的剥离技术对气敏薄膜沉积时的一些条件要求比较严格(如因光刻胶不耐高温而要求传感器阵列的温度不能过高)，本方法对气敏薄膜沉积时的条件要求较低，便于在各种条件下沉积气敏薄膜。

本发明使用的硅片掩膜方法与金属(如铝箔或者铝板)掩膜方法相比优点有：1硅片掩膜版采用MEMS工艺加工，精度比较高；2与金属箔(如铝箔)相比硅片不易变形，操作方便；3与有一定厚度的金属板(如铝板)相比硅片容易加工，成本低。硅片可以采用各向异性腐蚀加工，而金属板只能采用线切割或者电火花加工等精密机械加工方式加工尺寸在1毫米以下的方孔；4采用硅片掩膜不会污染气敏薄膜，而金属掩膜有可能影响气敏薄膜的性能。

Claims (20)

1.一种微结构气敏传感器阵列芯片，由硅片、支撑膜、加热电极、绝缘膜、测量电极和气敏薄膜组成，其特征在于在做基底的硅片中间部位有≥1个隔开独立的贯通孔，在硅片的各通孔上表面上依次覆有：支撑膜、绝缘膜；支撑膜中心部设有加热电极，绝缘膜中心部设有测量电极，测量电极上覆盖有气敏薄膜，在加热电极与测量电极之间有一绝缘膜；各个加热电极和测量电极分别与通孔相对设置。

2.如权利要求1所述的气敏传感器阵列芯片，其特征在于：所述支撑膜为低应力氮化硅或者氮化硅/氧化硅复合膜。

3.如权利要求1所述的气敏传感器阵列芯片，其特征在于：所述绝缘膜为低应力氮化硅或者氮化硅/氧化硅复合膜。

4.如权利要求1所述的气敏传感器阵列芯片，其特征在于：当为一个贯通孔时，阵列中加热电极与测量电极以及气敏薄膜处于同一个膜片结构上。

5.如权利要求4所述的气敏传感器阵列芯片，其特征在于：所述阵列中的加热电极与测量电极以及气敏薄膜为复数个，且每个加热电极、测量电极以及气敏薄膜都是相对独立的。

6.如权利要求1所述的气敏传感器阵列芯片，其特征在于：当为n个贯通孔时，阵列中的n个加热电极与n个测量电极以及n个气敏薄膜分别处于n个膜片结构上。

7.如权利要求1所述的气敏传感器阵列芯片，其特征在于：所述加热电极为炉盘形，而且从边缘到中心电极的宽度逐渐增大以改善工作区的温度均匀性。

8.一种微结构气敏传感器阵列芯片的制备方法，是采用微电机械系统技术制作，其特征在于包括步骤：

1)准备硅片，硅片≤300微米厚，为100晶向的双面抛光片；

2)对硅片热氧化，在炉温1145～1155，采用O₂/H₂O/O₂交替氧化，热氧化至≤300nm厚的氧化硅；

3)在2)步所得成品的上表面淀积氮化硅，低压化学气相沉积的氮化硅厚度≤500nm；

4)进行第一次光刻，制备金属加热电极，正性光刻胶，胶膜厚度在1～5μm之间，最佳为2μm；

5)淀积氮化硅或氮氧硅作为绝缘膜，等离子体增强化学气相沉积厚度≤500nm低应力氮氧硅或氮化硅/氧化硅作为绝缘膜；

6)进行第二次光刻，刻蚀电极通孔，正性光刻胶，胶膜厚度在2～5μm之间，最佳为4μm，用SF₆反应离子刻蚀绝缘膜；

7)进行第三次光刻，制备金属测量电极，正性光刻胶，胶膜厚度在1～5μm之间，最佳为2μm，用SF₆反应离子刻蚀绝缘膜；

8)第四次背面光刻，正性光刻胶，胶膜厚度在2～5μm之间，最佳为4μm；

9)背面刻蚀氮化硅、腐蚀氧化硅、各向异性腐蚀硅，用SF₆反应离子刻蚀氮化硅膜，用氢氟酸(HF)缓冲液腐蚀氧化硅，然后用氢氧化钾(KOH)溶液各向异性腐蚀硅形成膜片结构；

10)淀积气敏薄膜并进行处理；

11)裂片，封装。

9.如权利要求8所述的气敏传感器阵列芯片制备方法，其特征在于：在3)步中，炉温840～860，源为SiH₄、NH₃及N₂。

10.如权利要求8所述的气敏传感器阵列芯片制备方法，其特征在于：第10步中所述处理为退火处理，或不作处理。

11.如权利要求8所述的气敏传感器阵列芯片制备方法，其特征在于：采用硅片掩膜的方法制备气敏薄膜。

12.如权利要求10所述的气敏传感器阵列芯片制备方法，其特征在于：所述退火处理，是利用传感器阵列自身的加热电极实现对气敏薄膜的退火处理。

13.如权利要求8所述的气敏传感器阵列芯片制备方法，其特征在于：在第4)、7)步之后，溅射Ta/Pt，剥离制备加热电极，用O₂反应离子刻蚀处理表面，再进行第5)、8)步。

14.如权利要求13所述的气敏传感器阵列芯片制备方法，其特征在于：所述的溅射Ta/Pt厚度为≤200nm。

15.如权利要求8所述的气敏传感器阵列芯片制备方法，其特征在于：在第9)步中，于各个传感器阵列芯片之间腐蚀出浅槽，以简化后续工艺。

16.如权利要求15所述的气敏传感器阵列芯片制备方法，其特征在于：所述的浅槽，其深度为硅片厚度的0.1～0.9倍。

17.如权利要求11所述的气敏传感器阵列芯片制备方法，其特征在于：所述的采用硅片掩膜的方法制备气敏薄膜是：第一步，气敏薄膜及搀杂成分采用物理气相沉积方法制备，采用掩膜方法实现气敏薄膜的成形；第二步，对气敏薄膜进行退火处理；第三步，对气敏薄膜进行老练处理。

18.如权利要求11所述的气敏传感器阵列芯片制备方法，其特征在于：所述第二步中对气敏薄膜进行退火处理，是将制备了气敏薄膜的传感器阵列器放入退火炉中进行退火，或是利用芯片上的加热电极进行气敏薄膜的原位退火。

19.如权利要求8所述的气敏传感器阵列芯片制备方法，其特征在于：在第5)步中，所述氮化硅/氧化硅作为绝缘膜，是于2)步所得成品的上表面射频溅射氧化硅后，低压化学气相沉积氮化硅。

20.如权利要求19所述的气敏传感器阵列芯片制备方法，其特征在于：所述溅射氧化硅厚度≤100nm，淀积氮化硅厚度≤300nm。

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