WO2019015138A1 - 传感器的制造方法及传感器 - Google Patents

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Abstract

一种传感器的制造方法及传感器，传感器的制造方法包括气敏和湿敏器件形成步骤；气敏和湿敏器件形成步骤包括器件区域形成步骤、器件构成步骤；器件区域形成步骤包括湿敏器件区域(11)形成步骤、气敏器件区域(12)形成步骤；器件构成步骤包括湿敏器件形成步骤、气敏器件形成步骤。通过将湿敏电容和气敏电阻用完全兼容的工艺制作在同一硅片(1)上，不需要特殊工艺，使得结构简单可靠；气敏材料(10)的注入和形成采用自对准工艺，使得气敏图形稳定，尺寸一致。只需低于400℃的低温来处理的气敏材料(10)，与常规半导体铝布线工艺兼容，不需要用到如金等贵金属，可达到降低成本等有益效果。

Description

传感器的制造方法及传感器 技术领域
本发明涉及一种传感器制造方法，具体地，涉及一种温湿气敏器件的制造方法及传感器。
背景技术
用金属氧化物气敏原理来检测气体的传感器已经被研究多时，相关的专利也有申请和授予。因为金属氧化物的气敏特性只有在较高的温度下才能表现出来，通常的气体传感器需要有加热功能和绝热功能。因此，气体传感器的结构比较复杂。一般的结构具有以下几个部分：硅背面空腔结构、金属加热层、连线金属层以及气敏材料层。传统的此类气敏传感器有以下两个缺点：1、为了使得气敏器件得到热隔离，需要使用MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)工艺制作硅空腔，工艺复杂，与传统的集成电路工艺不兼容；2、工作温度一般在200℃到500℃，虽然是暂短的脉冲加热，但是足以把芯片本身的温度提高，使得不可能把温度和湿度传感器集成在一起。
环境的质量与人们的生活和工作舒适度，健康息息相关。近几年来，随着人们对环境的要求越来越高，人们希望能有简单可靠，价格便宜的方法和产品可以检测环境空气的质量，比如检测一氧化碳、可燃性气体、乙醇、二氧化氮等这些有毒气体在空气中的含量。利用金属氧化物的气敏特性来测量此类气体含量是一种比较常用的方法。但是，此类传感器制造工艺冗长，结构复杂，一致性和可靠性低。此外，由于工作温度需要在200℃以上，此类气敏器件不可能与温湿度器件集成在一起。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种温湿气敏器件的制造方法及传感器。
根据本发明提供的一种传感器的制造方法，包括气敏和湿敏器件形成步骤；
所述气敏和湿敏器件形成步骤包括器件区域形成步骤、器件构成步骤；
所述器件区域形成步骤包括湿敏器件区域形成步骤、气敏器件区域形成步骤；
所述器件构成步骤包括湿敏器件形成步骤、气敏器件形成步骤。
优选地，湿敏器件形成步骤、气敏器件形成步骤、湿敏器件区域形成步骤、气敏器件区域形成步骤均包括固化器件步骤。
优选地，气敏器件形成步骤包括注入气敏材料步骤。
优选地，还包括积层步骤、接触孔形成步骤。
优选地，
在积层步骤中：
在基层上依次沉积第一介质层、第一金属层以及第二介质层；
在接触孔形成步骤中：
在所述第二介质层上形成接触孔；
所述接触孔使所述第一金属层露出；
所述第二金属层沉积在所述第二介质层上，并且形成设定图形；
所述第一金属层露出的部分经所述接触孔与所述第二金属层相连接；
所述第三介质层沉积在所述第二金属层上。
优选地，
在湿敏器件区域形成步骤中：
在所述第三介质层的表面的一部分上涂覆湿敏材料，形成湿敏器件区域；
在湿敏器件形成步骤中：
所述湿敏材料沿着所述第二金属层的设定图形形成湿敏器件。
优选地，
在气敏器件区域形成步骤中：
在所述第三介质层的表面的另一部分和所述湿敏材料上涂覆光敏材料，形成设定图形，构成气敏器件区域。
优选地，
在注入气敏材料步骤中：
将气敏器件区域形成步骤中的所述气敏器件区域的所述第二金属层上的所述第三介质层去除，露出所述第二金属层；
露出所述第二金属层的区域为气敏器件区域；
在所述气敏器件区域上注入气敏材料，形成气敏器件。
优选地，
在固化器件步骤中：
所述湿敏器件形成步骤中的湿敏器件、注入气敏材料步骤中的气敏器件、湿敏器件区域形成步骤中的湿敏器件区域、气敏器件区域形成步骤中的气敏器件区域这四者通过设定温度和设定时间烘烤，使四者固化。
本发明还提供了一种传感器，所述传感器是利用上述的传感器的制造方法制成的传感器。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、湿敏电容和气敏电阻用完全兼容的工艺制作在同一硅片上，不需要特殊的MEMS工艺，使得结构简单可靠。
2、气敏材料的注入和形成采用自对准工艺，使得气敏图形稳定，尺寸一致。
3、使用只需要低于400℃的低温处理的气敏材料，与常规半导体铝布线工艺兼容，不需要用到如金钯铂等贵金属，可以降低成本.
4、整个集成的温湿气三合一传感器在常温下工作，不需要加热，使得温湿气三个互相关联的数据得以有效补偿，提高测量精度。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明在基层上生长第一介质层、第一金属层后的结构示意图。
图2为本发明在第一金属层上生产第二介质层、形成接触孔以及形成第二金属层后的结构示意图。
图3为本发明在注入湿敏材料后的结构示意图。
图4为本发明在注入光敏材料后的结构示意图。
图5为本发明在注入气敏材料后的结构示意图。
图6为本发明在进行封装步骤后的结构示意图。
图7为本发明的多种实施例中的一种实施例。
图8为本发明的多种实施例中的一种实施例。
图9为本发明的多种实施例中的一种实施例。
图10为本发明的多种实施例中的一种实施例。
图中所示：
Figure PCTCN2017105987-appb-000001
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
一种传感器的制造方法，所述传感器的制造方法，优选为温湿气敏器件的制造方法，包括气敏和湿敏器件形成步骤；所述气敏和湿敏器件形成步骤包括器件区域形成步骤、器件构成步骤；所述器件区域形成步骤包括湿敏器件区域形成步骤、气敏器件区域形成步骤；所述器件构成步骤包括湿敏器件形成步骤、气敏器件形成步骤。
所述湿敏器件形成步骤、气敏器件形成步骤、湿敏器件区域形成步骤、气敏器件区域形成步骤均包括固化器件步骤。气敏器件形成步骤包括注入气敏材料步骤。
一种温湿气敏器件的制造方法，还包括积层步骤、接触孔形成步骤。
在积层步骤中：在基层1上依次沉积第一介质层2、第一金属层3以及第二介质层4；在接触孔形成步骤中：在所述第二介质层4上形成接触孔5；所述接触孔5使所述第一金属层3露出；所述第二金属层6沉积在所述第二介质层4上，并且形成设定图形；所述第一金属层3露出的部分经所述接触孔5与所述第二金属层6相连接；所述第三介质层7沉积在所述第二金属层6上。
在湿敏器件区域形成步骤中：在所述第三介质层7的表面的一部分上涂覆湿敏材料 8，形成湿敏器件区域11；在湿敏器件形成步骤中：所述湿敏材料8沿着所述第二金属层6的设定图形形成湿敏器件。
在气敏器件区域形成步骤中：在所述第三介质层7的表面的另一部分和所述湿敏材料8上涂覆光敏材料9，形成设定图形，构成气敏器件区域12。
在注入气敏材料步骤中：将气敏器件区域形成步骤中的所述气敏器件区域12的所述第二金属层6上的所述第三介质层7去除，露出所述第二金属层6；露出所述第二金属层6的区域为气敏器件区域12；在所述气敏器件区域12上注入气敏材料10，形成气敏器件。
在固化器件步骤中：所述湿敏器件形成步骤中的湿敏器件、注入气敏材料步骤中的气敏器件、湿敏器件区域形成步骤中的湿敏器件区域11、气敏器件区域形成步骤中的气敏器件区域12这四者通过设定温度和设定时间烘烤，使四者固化。
本发明还提供了一种传感器，所述传感器优选的为温湿气敏三合一传感器，所述温湿气敏三合一传感器是利用上述的温湿气敏器件的制造方法制成的传感器。
此外所述基层1优选的为硅片；所述硅片尺寸可为任意尺寸，例如，6寸、8寸、12寸等，所述硅片可为P型半导体或者N型半导体。上述中的金属层，例如第一金属层3、第二金属层6优选的为金属薄膜，所述金属薄膜的材料可为任何金属材料，例如，钛坞、铝等，所述金属薄膜的厚度可为任意厚度，例如在0.1至2.0微米之间。上述中的介质层，例如第一介质层2、第二介质层4、第三介质层7可为任何介质材料，例如，氧化硅等，所述介质材料的厚度可为任意厚度，例如厚度在0.1至2.0微米之间等。
下面为本发明提供的温湿气敏器件的制造方法中的重要几个步骤，但并不限定于下述将要描述的重要几个步骤，其他本发明未提及到的步骤，无论以何种顺序出现均在本发明的保护范围内，并且其他没有按照本发明的重要步骤顺序所排列的发明，也在本发明的保护范围内。
步骤1：在硅片上生长第一介质层2。
步骤2：用物理气相沉积技术(Physical Vapor Deposition，PVD)工艺淀积第一金属薄膜。
步骤3：在第一金属薄膜上做第一次光刻和干法刻蚀，从而形成图1所示的结构。此层金属用作连线和湿度器件的加热去湿功能。
步骤4：在第一金属薄膜上面用等离子增强化学的气相沉积法(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD)工艺淀积第二层介质薄膜。
步骤5：在第二层介质层上做第二次光刻和刻蚀,得到接触孔5。此接触孔5把第一层金属薄膜暴露出来。
步骤6：用PVD工艺淀积第二金属薄膜。
步骤7：在所述第二金属薄膜上做第三次光刻和干法刻蚀，得到第二金属薄膜层叉指图形。在有接触孔5的地方，第一金属薄膜连接第二金属薄膜，从而构成如图2所示的结构。
步骤8：用PVD工艺淀积第三介质层7。
步骤9：如图9所示，涂布湿敏材料8，做第四次光刻，得到湿敏区域14和湿敏器件区域11。湿敏材料8填充至第二金属薄膜的叉指结构中，形成湿敏电容。
步骤10：随后，在一定的温度下做真空或氮气气氛烘烤，使湿敏材料固化。烘烤温度在300℃至400℃之间，时间在60分钟到300分钟之间。
步骤11：涂布光敏材料9，做第五次光刻，构成气敏区域15、气敏器件区域12，构成如图4所示中的结构。
步骤12：在一定的温度下做真空或氮气气氛烘烤，使光敏材料9固化，烘烤温度在300℃至400℃之间，时间在60分钟到300分钟之间。
步骤13：随后，用干法刻蚀去除气敏区域15的覆盖第二金属薄膜上面的第三介质层7，把该区域的第二金属薄膜表面暴露出来；
步骤14：用滴针20在气敏区域15注入气敏材料10；气敏材料填充在气敏区域15的第二金属薄膜的叉指结构，形成气敏电阻。
步骤15：在一定的温度下做真空或氮气气氛烘烤，使气敏材料10固化，烘烤温度在100℃至300℃之间，时间在60分钟到300分钟之间，形成如图5所示的结构。至此，单片的集成湿敏和气敏的器件结构制造完成。
步骤16：把上述的硅片用导电胶粘贴在常规的封装衬底17上，把另外一片温度传感器芯片19粘贴在金属衬底的另一边。
步骤17：用常规的金属线18把上述两个芯片：温度传感器芯片19、基层1所在的芯片以及外接电极连接在一起；金属线可为任何材质，例如，铜线、金线等。
步骤18：用常规的集成电路注塑封装工艺，对特制的带封装孔13模具注入封装材料16，切割后，单封装的集成温度湿度和气体传感器的三合一器件完成工艺。所述封装材料16优选的为塑料。
上述步骤16至步骤18为本发明中的封装步骤，本领域技术人员可以结合现有技术 实现所述封装步骤，因此不再赘述。
此外，所述气敏材料10的注入采用自对准工艺，使得与现有技术相比，本发明的气敏图形更加稳定，尺寸一致。
上述提到的步骤中所用的工艺如PVD工艺/PVD方法等，所述步骤中并不限定于PVD工艺或者/PVD方法等，相应步骤还可以用化学气相沉积方法(Chemical Vapor Deposition，CVD)方法等，这些方法均在本发明的保护范围内。此外上述所述的区域，湿敏器件区域11、湿敏区域14、气敏器件区域12、气敏区域15可以为任何形状，例如圆形、方形、矩形等，从而成为本发明中的多种实施例，如图7至图10所示。上述中的湿敏材料可为聚酰亚胺材料或其他对湿度敏感的材料，所述湿敏材料的厚度为任意厚度，例如1.0至5.0微米之间等。上述步骤中所述的温度可为任意温度，并不限定于上述所提到的温度；上述中所提到的烘烤气氛可为任意气体，例如氩气等，并不限定于上述所述的真空或氮气；上述提到的时间，例如烘烤时间，并不限定于上述中提到的时间，可为任何时间；上述中所述的光敏材料9可为任何材料，优选的为聚酰亚胺材料，所述的光敏材料可为任何厚度，例如，2.0微米至20微米之间等；所述的气敏材料可为碳纳米材料，金属氧化物纳米材料，或参杂和非参杂的其他纳米材料，所述气敏材料的厚度可为任何厚度，例如，10纳米至10微米之间等；上述的封装彻底17为金属衬底，所述金属可为任何金属；这些都均在本发明的保护范围内。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

  1. 一种传感器的制造方法，其特征在于，包括气敏和湿敏器件形成步骤；
    所述气敏和湿敏器件形成步骤包括器件区域形成步骤、器件构成步骤；
    所述器件区域形成步骤包括湿敏器件区域形成步骤、气敏器件区域形成步骤；
    所述器件构成步骤包括湿敏器件形成步骤、气敏器件形成步骤。
  2. 根据权利要求1所述的，其特征在于，湿敏器件形成步骤、气敏器件形成步骤、湿敏器件区域形成步骤、气敏器件区域形成步骤均包括固化器件步骤。
  3. 根据权利要求1所述的温湿气敏器件的制造方法，其特征在于，气敏器件形成步骤包括注入气敏材料步骤。
  4. 根据权利要求1所述的温湿气敏器件的制造方法，其特征在于，还包括积层步骤、接触孔形成步骤。
  5. 根据权利要求4所述的温湿气敏器件的制造方法，其特征在于，
    在积层步骤中：
    在基层(1)上依次沉积第一介质层(2)、第一金属层(3)以及第二介质层(4)；
    在接触孔形成步骤中：
    在所述第二介质层(4)上形成接触孔(5)；
    所述接触孔(5)使所述第一金属层(3)露出；
    所述第二金属层(6)沉积在所述第二介质层(4)上，并且形成设定图形；
    所述第一金属层(3)露出的部分经所述接触孔(5)与所述第二金属层(6)相连接；
    所述第三介质层(7)沉积在所述第二金属层(6)上。
  6. 根据权利要求1所述的温湿气敏器件的制造方法，其特征在于，
    在湿敏器件区域形成步骤中：
    在所述第三介质层(7)的表面的一部分上涂覆湿敏材料(8)，形成湿敏器件区域(11)；
    在湿敏器件形成步骤中：
    所述湿敏材料(8)沿着所述第二金属层(6)的设定图形形成湿敏器件。
  7. 根据权利要求1所述的温湿气敏器件的制造方法，其特征在于，
    在气敏器件区域形成步骤中：
    在所述第三介质层(7)的表面的另一部分和所述湿敏材料(8)上涂覆光敏材料(9)， 形成设定图形，构成气敏器件区域(12)。
  8. 根据权利要求3或7所述的温湿气敏器件的制造方法，其特征在于，
    在注入气敏材料步骤中：
    将气敏器件区域形成步骤中的所述气敏器件区域(12)的所述第二金属层(6)上的所述第三介质层(7)去除，露出所述第二金属层(6)；
    露出所述第二金属层(6)的区域为气敏器件区域(12)；
    在所述气敏器件区域(12)上注入气敏材料(10)，形成气敏器件。
  9. 根据权利要求1所述的温湿气敏器件的制造方法，其特征在于，
    在固化器件步骤中：
    所述湿敏器件形成步骤中的湿敏器件、注入气敏材料步骤中的气敏器件、湿敏器件区域形成步骤中的湿敏器件区域(11)、气敏器件区域形成步骤中的气敏器件区域(12)这四者通过设定温度和设定时间烘烤，使四者固化。
  10. 一种传感器，其特征在于，所述传感器是利用权利要求1至9的任一项所述的传感器的制造方法制成的传感器。
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