Mems氣體傳感器及其制作方法

Mems氣體傳感器及其制作方法
【專利摘要】本發明涉及氣體檢測技術領域，提供了MEMS氣體傳感器及其制作方法，MEMS氣體傳感器包括，單晶硅襯底；上氮化硅層與上氧化硅層，由下至上疊置于所述單晶硅襯底上表面；下氮化硅層，置于所述單晶硅襯底下表面；加熱電極，置于所述上氧化硅層上；絕緣層，置于所述加熱電極上；測量電極，置于所述絕緣層上；氣體敏感層，置于所述測量電極上，且與所述測量電極電連接；隔熱腔，位于所述上氮化硅層下方，將所述下氮化硅層及所述單晶硅襯底腐刻形成。本發明中，氣體傳感器本身精度高、重量輕、尺寸小，功耗低、效能高、成本低、能夠大批量生產。
【專利說明】
MEMS氣體傳感器及其制作方法
技術領域
[0001] 本發明設及氣體檢測技術領域，更具體地說，是設及一種MEMS氣體傳感器及其制 作方法。
【背景技術】
[0002] MEMS(Micro-Electro-Mechanical System,微機電系統）氣體傳感器是基于微電 子技術及微加工技術制造的氣體傳感器。氣體傳感器的原理是利用金屬氧化物薄膜制成的 阻抗器件，在一定的溫度下，氣體分子在表面與金屬氧化物反應引起電阻率的變化，從而實 現對氣體的探測。
[0003] 雖然隨著MEMS技術的發展，氣體傳感器的生產工藝逐步優化，但是目前氣體傳感 器在批量化生產、高精度、集成化和低功耗等方面仍存在改進的空間。

【發明內容】

[0004] 本發明的目的在于提供一種MEMS氣體傳感器及其制作方法，旨在解決現有技術 中氣體傳感器在批量化生產、高精度、集成化和低功耗不優的問題。 陽0化]為解決上述技術問題，本發明的技術方案是：提供一種MEMS氣體傳感器，包括，
[0006] 單晶娃襯底；
[0007] 上氮化娃層與上氧化娃層，由下至上疊置于所述單晶娃襯底上表面；
[0008] 下氮化娃層，置于所述單晶娃襯底下表面；
[0009] 加熱電極，置于所述上氧化娃層上；
[0010] 絕緣層，置于所述加熱電極上，絕緣層上設有連接孔；
[0011] 測量電極，置于所述絕緣層上，且通過所述連接孔與所述加熱電極連通；
[0012] 氣體敏感層，置于所述測量電極上，且與所述測量電極電連接；
[0013] 隔熱腔，位于所述上氮化娃層下方，將所述下氮化娃層及所述單晶娃襯底腐刻形 成。
[0014] 具體地，所述加熱電極為多晶娃離子形成，且滲雜有憐，且憐所占濃度比例為 1%~3%。
[0015] 具體地，所述氣體敏感層材料為二氧化錫或=氧化鶴。
[0016] 本發明還提供了一種MEMS氣體傳感器的制造方法，包括W下工藝步驟：
[0017] Sl :預備單晶娃襯底，并于所述單晶娃襯底的上表面與下表面分別沉積上氮化娃 層與下氮化娃層；
[0018] S2 :于所述上氮化娃層沉積上氧化娃層；
[0019] S3 :于所述上氧化娃層上制備加熱電極；
[0020] S4 :于所述加熱電極上制備絕緣層，且于所述絕緣層上設置連接孔；
[0021] S5:于所述絕緣層上制備測量電極，所述測量電極于所述連接孔處與所述加熱電 極導通；
[0022] S6 :于所述測量電極上制備氣體敏感層；
[0023] S7 :將S6步驟中產物底部進行腐蝕，形成位于所述上氮化娃層下方的隔熱腔；
[0024] S8 :將S7步驟中刻蝕后的產物進行退火處理，并冷卻形成所述的MEMS氣體傳感 器。
[00巧]具體地，所述S3步驟中的加熱電極為多晶娃離子形成，且滲雜有憐，且憐所占濃 度比例為1 %~3%。
[0026] 具體地，所述S5步驟中，測量電極采用蒸發或瓣射薄膜沉積系統沉積IOOnm~ 1000 nm的金或銷金而形成。
[0027] 具體地，所述S6步驟中，所述氣體敏感層材料為=氧化鶴或二氧化錫。
[0028] 具體地，所述S7步驟中，采用氨氧化鐘或四甲基氨氧化錠溶液進行刻蝕。
[0029] 具體地，所述S8步驟中，退火處理中退火溫度由100°C~150°C上升至600°C~ 800°C時保持兩個小時，并在空氣中保持600°C~800°C兩小時。
[0030] 本發明中，采用上述方法制作的氣體傳感器，具有W下有益效果：
[0031] 一、可大批量并行制造，可達到系統級集成，封裝集成度高，可與忍片工藝兼容；
[0032] 二、氣體傳感器本身精度高、重量輕、尺寸小，功耗低、效能高、成本低，能夠大批量 生產。
[0033] S、能實現對CO, N02, CH4等多種氣體的探測。
【附圖說明】
[0034] 圖1是本發明實施例提供的MEMS氣體傳感器的制造方法示意圖；
[0035] 10-單晶娃襯底； Ila-上氮化娃層； Ilb-下氮化娃層；
[0036] 12a-上氧化娃層； 13-加熱電極； 14-絕緣層；
[0037] 15-測量電極； 16-氣體敏感層； 17-隔熱腔。
【具體實施方式】
[003引為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，W下結合附圖及實施例，對 本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用W解釋本發明，并 不用于限定本發明。
[0039] 需要說明的是，當元件被稱為"固定于"或"設置于"另一個元件，它可W直接在另 一個元件上或者可能同時存在居中元件。當一個元件被稱為"連接于"另一個元件，它可W 是直接連接到另一個元件或者可能同時存在居中元件。
[0040] 還需要說明的是，本實施例中的左、右、上、下等方位用語，僅是互為相對概念或是 W產品的正常使用狀態為參考的，而不應該認為是具有限制性的。
[OOW 圖1G，為本發明提供的MEMS氣體傳感器的縱向剖視圖。其包括單晶娃襯底10、由 下至上沉積于單晶娃襯底10上表面的上氮化娃層Ila與上氧化娃層12a ;沉積于單晶娃襯 底10下表面的下氮化娃層Ub ;置于上氧化娃層12a的加熱電極13 ;置于加熱電極13上 的絕緣層14 ;置于絕緣層14上的測量電極15,測量電極15與加熱電極13呈導通狀；置于 測量電極15上的氣體敏感層16,氣體敏感層16且與測量電極15電連接；位于上氮化娃層 Ila下方的隔熱腔17,隔熱腔17將單晶娃襯底10、下氮化娃層1化穿透。
[0042] 其中，加熱電極13為多晶娃離子形成，且滲雜有憐，且憐所占濃度比例為1%至 3%。需要說明的是，該加熱電極13是通過注入電流產生焦耳熱量。
[0043] 其中，氣體敏感層16包含有二氧化錫、=氧化鶴。
[0044] 參照圖1，本發明還提供了上述MEMS氣體傳感器的制造方法，其包括W下工藝步 驟： W45] 如圖1A，Sl :預備單晶娃襯底10,并于單晶娃襯底10的上表面與下表面分別沉積 上氮化娃層Ila與下氮化娃層Ilb ;
[0046] 本實施案例中：單晶娃襯底10選取雙面拋光的6英寸n型娃片，材料參數為<100〉 晶向，光潔度< 0.05 ym，平整度《±2 ym，無損傷，厚度為500 +IOym,電阻率為1~ 5 Q cm。娃片清洗干凈后，采用 LPCVDiXow Pressure Qiemical Vapor Deposition,低壓力 化學氣相沉積法）于娃片上表面與下表面分別沉積l〇〇nm-600nm的低應力氮化娃層。同時， 上氮化娃層Ila與下氮化娃層1化作為阻擋層，在后序濕法刻蝕工藝中對單晶娃襯底10起 到保護作用。
[0047] 如圖1B，S2 :于上氮化娃層Ila上沉積上氧化娃層12a ;
[0048] 在此步驟中，采用LPCVD法在上氮化娃層Ila沉積上氧化娃層12a。由于本發明實 施例中，氣體傳感器整個器件需要進行濕法刻蝕，在Sl步驟中沉積低應力氮化娃后再采用 LPCVD沉積低應力氧化娃，運樣，整個器件薄膜應力低于200Mpa，結構穩定性更好。同時，氧 化娃和氮化娃的導熱性遠不如娃故又能起到防止熱量散失的作用。
[0049] 如圖1C，S3 :于上氧化娃層12a上制備加熱電極13 ;
[0050] 在此步驟中，同樣采用LPCVD法于上氧化娃層12a上沉積8k的多晶娃離子，同 時，離子注入濃度比例為1%至3%的憐來增強導電性能。運是因為多晶娃導電與金屬不 同，它除了要依靠自由電子外，還要依靠空穴來導電，當多晶娃含有極微量的雜質時，就可 使其電導率有很大的變化，能有效的降低電阻率，故滲雜憐，可W提高導電率。且當憐的濃 度為1%至3%時，電阻率《 8000 .cm,導電效果最佳。然后經過正膠甩膠，前烘光刻顯影 后，后烘工藝后進行反應離子刻蝕，對多晶娃離子層刻蝕出圖形后去膠成型所述的加熱電 極13。氣體傳感器工作時，多晶娃加熱電極13不僅能給氣體傳感器提供最佳的工作溫度使 其達到最佳工作狀態，并能使吸附在敏感膜上的氣體分子獲得足夠的能量脫附。 陽化U 如圖1D，S4 :于加熱電極13上制備絕緣層14 ;
[0052]在此步驟中，義用陽CVD (Plasma Enhanced Qiemical Vapor D巧osition，等離子 體增強化學氣相沉積法）于加熱電極13上沉積一層I. 5 y m的二氧化娃，二氧化娃具有較 好的絕緣性能，作為絕緣層14置于加熱電極13上。同時在沉積后利甩膠，前烘光刻后顯影， RIE等離子刻蝕二氧化娃層，并于二氧化娃層上形成連接孔141，加熱電極13沉積于連接孔 141處，目的便于測量電極15通過連接孔141給加熱電極13提供電流加熱。 陽化引如圖1E，S5 :于絕緣層14上制備與加熱電極13絕緣的測量電極15 ;
[0054] 在此步驟中，采用瓣射的方式或者熱蒸發的方式于絕緣層14上沉積IOOnm~ 1000 nm的金或者銷金。測量電極使用金或者銷金是因為金或者銷金的密度比較高，柔初性 很好，做打孔引線的時候不會刻穿而影響其他的膜層。具體地，先于絕緣層14上甩正膠，用 陰版光掩膜進行剝離工藝，先甩膠，前烘后顯影光刻后進行后烘，正面涂膠保護金電極，涂 膠過程中應避免出現氣泡影響保護效果，并在80°C~100°C高溫下進行烘干，縮短固化時 間。此處，選用金屬金做測量電極15,是因為金抗氧化性能較好，能準確測量氣體敏感層16 的電阻變化率。 陽05引如圖1F，S6 :于測量電極15上制備氣體敏感層16 ;
[0056] 在此步驟中，氣體敏感層材料為二氧化錫或=氧化鶴等金屬氧化物，并同時添加 有貴金屬，貴金屬可為具有催化作用的Pt、Pd等，加入貴金屬的作用是，降低二氧化錫或S 氧化鶴的半導體勢壘，促進氣體傳感器的選擇性。具體操作時，將二氧化錫、=氧化鶴及貴 金屬加工成祀材，通過蒸鍛的方式成型于測量電極15上。貴金屬的滲加質量比為1%-5%， 提高氣敏敏感性。當氣體敏感層的厚度為5um-8um的時候，敏感度最高。
[0057] 需要說明的是，Pt、Pd是很好的氧化催化劑，如果添加的量過多，會使被測的可燃 氣體在其上發生顯著的燃燒反應，使氣敏層溫度大幅升高，導致性能劣化，故通常情況下 Pt、Pd等貴金屬的滲雜量W不超過5%為佳。
[0058] 如圖1G，S7 :將S6步驟中產物底部進行腐蝕，形成位于上氮化娃層Ila下方的隔 熱腔17 ;
[0059] 在此步驟中，于S6步驟中產物上表面旋涂一層保護膠，用于保護氣體敏感層16不 受強堿腐蝕。于S6步驟中產物的背面上正膠，前烘光刻出二氧化娃濕法刻蝕的窗口顯影后 烘后，用濃度為20%，溫度80攝氏度的KOH溶液進行娃刻蝕，直到刻蝕到上層LPCVD沉積的 氮化娃運層為止。濕法體娃刻蝕后用氧離子釋放阻擋層。需要說明的是，上述KOH溶液也 可W采用四甲基氨氧化錠溶液替代。運兩種溶液可W刻蝕出斜梯形的結構，且工藝造價低， 適合于大量生產，在KOH或者四甲基氨氧化錠溶液在濃度為20%~30%，溫度80°C的時候 娃片的刻蝕速率大概為1 ym/min時，刻蝕效果最好。 W60] S8 :將S7步驟中刻蝕后的產物進行退火處理，并冷卻形成所述的MEMS氣體傳感 器。
[0061] 需要說明的是，在進行退火處理前，還包括對上述S7中產物進行切割，切割成多 個氣體傳感器半成品的步驟。此處，優先采用激光切割，不會污染氣體敏感層16,且切割處 平整，效率高。
[0062] 在S8步驟中，將切割好的各氣體傳感器半成品進行退火工藝，退火處理是由 100°C~150°C上升至600°C~800°C時保持兩個小時，并在空氣中保持600°C~800°C兩小 時，最后自然冷卻，氣體敏感層16上即得到孔狀的敏感薄膜。
[0063] 表1二氧化錫薄膜或=氧化鶴薄膜的體電阻阻值范圍與退火處理的對應表
[0064]
[00化]目前的生產工藝中均沒有退火工藝，由表1中可W清楚的看到，當不進行退火 工藝的時候，二氧化錫薄膜或=氧化鶴薄膜的體電阻阻值范圍為較小，且在固定范圍內 3kQ~化Q ;而進行退火處理時，隨著退火溫度的升高，二氧化錫薄膜或=氧化鶴的體 電阻阻值范圍逐漸增大，當達到700°C，二氧化錫薄膜或=氧化鶴的體電阻阻值范圍為 化Q~20kQ。而且當退火溫度為4〇o°c、5〇(rc、6〇(rc、7〇(rc時，氣體傳感器各自的線性度 均比較好，隨著退火溫度的提高，二氧化錫薄膜或=氧化鶴薄膜對于氨氣、甲燒等可燃氣體 的靈敏度大幅度提高。
[0066] 綜上，采用上述方法制作的上述氣體傳感器，具有W下有益效果：
[0067] 一、可大批量并行制造，可達到系統級集成，封裝集成度高，可與忍片工藝兼容； 陽068] 二、氣體傳感器本身精度高、重量輕、尺寸小，功耗低、效能高、成本低。 W例 S、能實現對CO, N02, CH4等多種氣體的探測。
[0070] W上僅為本發明的較佳實施例而已，并不用W限制本發明，凡在本發明的精神和 原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1. 一種MEMS氣體傳感器，其特征在于，包括， 單晶娃襯底； 上氮化硅層與上氧化硅層，由下至上疊置于所述單晶硅襯底上表面； 下氮化硅層，置于所述單晶硅襯底下表面； 加熱電極，置于所述上氧化硅層上； 絕緣層，置于所述加熱電極上，絕緣層上設有連接孔； 測量電極，置于所述絕緣層上，且通過所述連接孔與所述加熱電極連通； 氣體敏感層，置于所述測量電極上，且與所述測量電極電連接； 隔熱腔，位于所述上氮化硅層下方，將所述下氮化硅層及所述單晶硅襯底腐刻形成。2. 如權利要求1所述的MEMS氣體傳感器，其特征在于，所述加熱電極為多晶硅離子形 成，且摻雜有磷，且磷所占濃度比例為1%至3%。3. 如權利要求1所述的MEMS氣體傳感器，其特征在于，所述氣體敏感層材料為二氧化 錫或三氧化鎢。4. 如權利要求1所述的MEMS氣體傳感器的制造方法，其特征在于，包括以下工藝步 驟： 51 :預備單晶硅襯底，并于所述單晶硅襯底的上表面與下表面分別沉積上氮化硅層與 下氮化硅層； 52 :于所述上氮化硅層沉積上氧化硅層； 53 :于所述上氧化硅層上制備加熱電極； 54 :于所述加熱電極上制備絕緣層，且于所述絕緣層上設置連接孔； 55 :于所述絕緣層上制備測量電極，所述測量電極于所述連接孔處與所述加熱電極導 通； 56 :于所述測量電極上制備氣體敏感層； 57 :將S6步驟中產物底部進行腐蝕，形成位于所述上氮化硅層下方的隔熱腔； 58 :將S7步驟中刻蝕后的產物進行退火處理，并冷卻形成所述的MEMS氣體傳感器。5. 如權利要求4所述的MEMS氣體傳感器的制造方法，其特征在于，所述S3步驟中的加 熱電極為多晶硅離子形成，且摻雜有磷，且磷所占濃度比例為1%~3%。6. 如權利要求4所述的MEMS氣體傳感器的制造方法，其特征在于，所述S5步驟中，測 量電極采用蒸發或派射薄膜沉積系統沉積l〇〇nm~lOOOnm的金或鉬金而形成。7. 如權利要求4所述的MEMS氣體傳感器的制造方法，其特征在于，所述S6步驟中，所 述氣體敏感層材料為三氧化鎢或二氧化錫。8. 如權利要求4所述的MEMS氣體傳感器的制造方法，其特征在于，所述S7步驟中，采 用氫氧化鉀或四甲基氫氧化銨溶液進行刻蝕。9. 如權利要求4所述的MEMS氣體傳感器的制造方法，其特征在于，所述S8步驟中，退 火處理中退火溫度由100°C~150°C上升至600°C~800°C時保持兩個小時，并在空氣中保 持600 °C~800 °C兩小時。
【文檔編號】G01N27/04GK105987935SQ201510083553
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2015年2月16日
【發明人】張紹達, 高勝國, 鐘克創, 古瑞琴
【申請人】鄭州煒盛電子科技有限公司