一種mems氣體傳感器的制造方法
【專(zhuān)利摘要】本實(shí)用新型涉及氣體檢測(cè)【技術(shù)領(lǐng)域】，公開(kāi)了一種MEMS氣體傳感器，包括單晶硅襯底；多孔硅層，形成于單晶硅襯底的上表面且向下具有厚度；絕熱槽，倒扣形成于單晶硅襯底的下表面，絕熱槽底面位于多孔硅層的正下方，絕熱槽包括一個(gè)或多個(gè)溝槽組；下絕緣層，覆蓋多孔硅層及單晶硅襯底的上表面，下絕緣層由下到上依次包括第一二氧化硅層、第二二氧化硅層和氮化硅層；以及設(shè)置于下絕緣層上方的加熱層、上絕緣層和氣體敏感層。本實(shí)用新型中多孔硅和隔熱槽的結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了隔熱效果，下絕緣層有效防止在高溫下隔熱層發(fā)生翹曲脫離加熱層，同時(shí)多孔硅層的支撐防止下絕緣層受力不均引起變形破裂，提高器件的使用壽命。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種MEMS氣體傳感器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及氣體檢測(cè)【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種MEMS氣體傳感器。

【背景技術(shù)】
[0002]人類(lèi)生產(chǎn)、居住、生活的各種環(huán)境充斥著各種氣體，對(duì)于氣體的檢測(cè)，特別是對(duì)有毒、有害、易燃易爆氣體的探測(cè)是保證人們安全生產(chǎn)、健康居住、舒適生活的重要手段。目前對(duì)氣體的檢測(cè)有傳統(tǒng)的大型檢測(cè)設(shè)備例如基于質(zhì)譜、能譜和色譜的氣體檢測(cè)儀器，但是這些儀器由于體積龐大、價(jià)格較高，限制了它們的普及和發(fā)展。于是近些年也發(fā)展出了一些小型的氣體傳感器，氣體傳感器廣泛應(yīng)用于石油、石化、燃?xì)?、冶金、電力、汽?chē)工業(yè)、環(huán)境衛(wèi)生、氣象檢測(cè)、醫(yī)療健康、智能家居、信息技術(shù)等領(lǐng)域。已有的氣體傳感器中，以半導(dǎo)體氣體傳感器應(yīng)用最為廣泛。它具有功耗低、體積小、重復(fù)性好、靈敏度高、成本低、易于批量生產(chǎn)、加工工藝穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。半導(dǎo)體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(yīng)引起電阻率的變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體的探測(cè)。由于氣體分子與金屬氧化物反應(yīng)需要較高的溫度，為了實(shí)現(xiàn)在較低的溫度下工作，需要在氣體敏感薄膜下制作微加熱板以為氣體薄膜提供足夠的溫度。
[0003]MEMS的技術(shù)包括微電子技術(shù)和微加工技術(shù)兩大部分，硅基加工技術(shù)是在微電子加工技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種微加工技術(shù)，主要依靠光刻、擴(kuò)散、氧化、薄膜生長(zhǎng)、干法刻蝕、濕法刻蝕和蒸發(fā)濺射等工藝技術(shù)。采用MEMS技術(shù)制作的微結(jié)構(gòu)氣體傳感器，將加熱元件和敏感元件集成為一體，優(yōu)化了氣體傳感器的性能，能極大提高氣體傳感器的靈敏度、可靠性和一致性。
[0004]現(xiàn)有技術(shù)中，為降低功耗，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)保溫普遍采用絕熱槽。目前基于MEMS加工技術(shù)制作的硅基氣體傳感器普遍采用的結(jié)構(gòu)是懸臂梁結(jié)構(gòu):在單晶硅基底的上表面沉積一層二氧化硅膜層或氮化硅膜層作為下絕緣層，在單晶硅基底的下表面制備絕熱槽。制備絕熱槽時(shí)可使用背面濕法刻蝕工藝，也可先對(duì)下絕緣層蝕刻出懸臂梁，再往下濕法刻蝕出倒金字塔式絕熱槽，這兩種絕熱槽可以更好的防止熱量的散失以降低功耗。下絕緣層上方通過(guò)剝離工藝(lift-off)加工出鉬加熱絲層，通過(guò)給加熱絲通電即可產(chǎn)生熱量，形成氣體傳感器工作所需要的溫度。在鉬加熱絲表面上又沉積一層二氧化硅層或氮化硅層作為上絕緣層，最后沉積氣體敏感層。例如申請(qǐng)?zhí)枮?01110366861.8的中國(guó)專(zhuān)利公開(kāi)了的氣體傳感器及其制造工藝便采用了絕熱槽的工藝。但是這種方法蝕刻出絕熱槽后加熱層與氣體敏感層僅靠一層薄膜結(jié)構(gòu)的二氧化硅層或氮化硅層支撐，而該薄膜僅在兩端被懸臂結(jié)構(gòu)的支撐襯底支撐，這種薄膜結(jié)構(gòu)的絕緣層力學(xué)性能較差，在器件受到震動(dòng)或者碰撞時(shí)易發(fā)生破裂導(dǎo)致器件失效。除此之外，由于隔熱層與加熱絲的熱膨脹系數(shù)的差異，在高溫下隔熱層易發(fā)生翹曲使加熱絲易從隔熱層脫落，同樣導(dǎo)致器件失效。其次，懸臂結(jié)構(gòu)的絕熱槽利用懸臂之間的空氣隔熱，由于空間較大，空氣流動(dòng)較快，也會(huì)造成熱量散失較快，影響隔熱效果。
[0005]綜上，現(xiàn)有技術(shù)中的氣體傳感器的隔熱結(jié)構(gòu)主要存在以下問(wèn)題:
[0006](I)穩(wěn)定性差，由于受力不均勻引起器件發(fā)生變形破裂，導(dǎo)致器件失效；
[0007](2)隔熱效果差，絕熱槽間的空氣間隔較大導(dǎo)致熱量散失較快，影響隔熱效果。實(shí)用新型內(nèi)容
[0008]為克服現(xiàn)有技術(shù)中氣體傳感器的不足，本實(shí)用新型目的是:提供一種MEMS氣體傳感器，采用孔壁表面形成有二氧化硅薄膜的多孔硅層以及在其下方加工絕熱槽作為絕熱層以提高絕熱效果并起一個(gè)支撐，采用兩層二氧化硅和一層氮化硅作為下絕緣層以防止金屬層在高溫下發(fā)生翹曲。
[0009]為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本實(shí)用新型提供了一種MEMS氣體傳感器，包括:單晶硅襯底；多孔硅層，其形成于所述單晶硅襯底的上表面且向下具有厚度，所述多孔硅層的上表面及孔壁表面形成有二氧化硅薄膜；絕熱槽，其形成于所述單晶硅襯底的下表面，所述絕熱槽為倒扣槽，所述絕熱槽底面位于所述多孔硅層的正下方，所述絕熱槽槽壁及底面設(shè)有一個(gè)或多個(gè)溝槽組，其中每個(gè)溝槽組包括多個(gè)平行排列的溝槽；下絕緣層，包括第一二氧化硅層、第二二氧化硅層和氮化硅層，所述第一二氧化硅層覆蓋所述多孔硅層及所述單晶硅襯底的上表面，所述第二二氧化硅層設(shè)置在所述第一二氧化硅層和氮化硅層之間；加熱層，設(shè)置于所述下絕緣層的上表面，且所述加熱層位于所述多孔硅層的正上方區(qū)域內(nèi)；上絕緣層，所述上絕緣層設(shè)置于所述加熱層的上表面；氣體敏感層，設(shè)置于所述上絕緣層的上表面，且所述氣體敏感層位于所述加熱層的正上方區(qū)域內(nèi)。
[0010]下絕緣層中對(duì)所述多孔硅層施加壓縮應(yīng)力的第一二氧化硅層厚度范圍為0.2-0.6 μ m，對(duì)所述多孔硅層施加拉伸應(yīng)力的第二二氧化硅層厚度范圍為0.2-0.6 μ m，所述氮化硅層厚度范圍為0.1-ο.5μπι，其原理是第一層二氧化硅層是由高密度電漿化學(xué)氣相沉積制程或等離子增強(qiáng)化學(xué)氣象沉積制程生成的；第二層二氧化硅層是由亞大氣壓化學(xué)氣相沉積制程生成的。
[0011]所述多孔硅層上表面形成厚度范圍為40-100 μ m的多孔硅，多孔硅的孔隙率為50% -90%。
[0012]所述加熱層為厚度范圍為200_500nm的Pt加熱電阻層，且所述Pt加熱電阻層與所述下絕緣層之間設(shè)置有一層厚度范圍為20-50nm的Ti粘接層，或者，所述加熱層為厚度范圍為500-1000nm的多晶硅加熱電阻層。
[0013]所述上絕緣層為二氧化硅層或氮化硅層，所述上絕緣層的厚度范圍為100_800nm。
[0014]所述加熱層的上表面邊緣具有若干缺口，自所述缺口處引出加熱層電極。
[0015]所述氣體敏感層的下表面邊緣具有氣體敏感層電極，所述氣體敏感層為50_300nm厚的 SnO2、WO3、In2O3 或 ZnO 層。
[0016]采用上述技術(shù)方案，本實(shí)用新型具有如下有益效果:①在單晶硅襯底上設(shè)置多孔硅層，多孔硅層均勻分布于單晶硅襯底上，可以穩(wěn)定地支撐其上的下絕緣層薄膜，從而有效避免器件因受到震動(dòng)或者碰撞時(shí)薄膜狀絕緣層發(fā)生破裂造成氣體傳感器失效，提高氣體傳感器的抗震能力和穩(wěn)定性，降低對(duì)其工作環(huán)境的要求。另外，還可以有效避免氣體傳感器在高溫工作時(shí)下絕緣層變形翹曲導(dǎo)致的加熱層脫落，從而提高氣體傳感器的使用壽命；②由于多孔硅的孔隙細(xì)密，其間的空氣流動(dòng)較慢，使其具有良好的隔熱性能。采用多孔硅層作為隔熱層，將加熱層設(shè)置于多孔硅層的正上方區(qū)域內(nèi)，可以起到更好的保溫隔熱的效果，從而增加氣體傳感器的探測(cè)靈敏度；③在多孔硅層的上表面及孔壁表面覆蓋一層二氧化硅薄膜，可以有效解決暴露在空氣中的孔壁熱導(dǎo)率較高導(dǎo)致的熱量損耗，進(jìn)一步地降低功耗，增強(qiáng)隔熱效果；④與傳統(tǒng)的絕熱槽相比，由于絕熱層的溝槽細(xì)密，其間的空氣流動(dòng)較慢，使其具有良好的隔熱性能；⑤將加熱層設(shè)置于絕熱層的正上方區(qū)域內(nèi)，可以起到更好的保溫隔熱的效果，從而提高加熱性能；⑥在單晶硅襯底上刻蝕多孔硅層作為隔熱層，同時(shí)作為支撐層，可以節(jié)省氣體傳感器空間，簡(jiǎn)化氣體傳感器整體結(jié)構(gòu)；⑦采用硅基材料作為氣體傳感器材料，易于通過(guò)MEMS加工技術(shù)制作，加工工藝成熟，加工效率高。綜上所述，本實(shí)用新型多孔硅層的支撐可以防止下絕緣層受力不均勻引起變形破裂，下絕緣層的三層復(fù)式結(jié)構(gòu)也可以有效防止在高溫下隔熱層發(fā)生翹曲使加熱絲脫落，導(dǎo)致器件失效，同時(shí)多孔硅和隔熱槽的結(jié)構(gòu)又大大增強(qiáng)了隔熱效果。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0017]為了更清楚地說(shuō)明本實(shí)用新型的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本實(shí)用新型的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其它附圖。
[0018]圖1是本實(shí)用新型實(shí)施例提供的MEMS氣體傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖2是本實(shí)用新型實(shí)施例提供的MEMS氣體傳感器中絕熱槽槽壁、槽底的溝槽的三種局部放大結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖3為制備本實(shí)用新型的MEMS氣體傳感器過(guò)程中，步驟SI完成后的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖4為制備本實(shí)用新型的MEMS氣體傳感器過(guò)程中，步驟S2完成后的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖5為制備本實(shí)用新型的MEMS氣體傳感器過(guò)程中，步驟S4完成后的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖6為制備本實(shí)用新型的MEMS氣體傳感器過(guò)程中，步驟S5完成后的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖7為制備本實(shí)用新型的MEMS氣體傳感器過(guò)程中，步驟S6完成后的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖8為制備本實(shí)用新型的MEMS氣體傳感器過(guò)程中，步驟S7完成后的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026]圖中附圖標(biāo)記對(duì)應(yīng)為:1_單晶硅襯底，2-多孔硅層，3-絕熱槽，4-下絕緣層，5-加熱層，6-加熱層電極，7-上絕緣層，8-氣敏層電極，9-氣體敏感層，31-溝槽，41-第一二氧化硅層，42-第二二氧化硅層，43-氮化硅層。

【具體實(shí)施方式】
[0027]下面將結(jié)合本實(shí)用新型實(shí)施例中的附圖，對(duì)本實(shí)用新型實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本實(shí)用新型一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本實(shí)用新型中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本實(shí)用新型保護(hù)的范圍。
[0028]實(shí)施例1:圖1為本實(shí)用新型MEMS氣體傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖，由圖中可清楚看出本實(shí)用新型的MEMS氣體傳感器，包括:單晶硅襯底I ;多孔硅層2，其形成于所述單晶硅襯底I的上表面且向下具有厚度，所述多孔硅層2的上表面及孔壁表面形成有二氧化硅薄膜；絕熱槽3，其形成于所述單晶硅襯底I的下表面，所述絕熱槽3為倒扣槽，所述絕熱槽3底面位于所述多孔硅層2的正下方，所述絕熱槽3槽壁及底面設(shè)有一個(gè)或多個(gè)溝槽組，其中每個(gè)溝槽組包括多個(gè)平行排列的溝槽31 ;下絕緣層4，包括第一二氧化硅層41、第二二氧化硅層42和氮化硅層43，所述第一二氧化硅層41覆蓋所述多孔硅層2及所述單晶硅襯底I的上表面，所述第二二氧化硅層42設(shè)置在所述第一二氧化硅層41和氮化硅層43之間；加熱層5，設(shè)置于所述下絕緣層4的上表面，且所述加熱層5位于所述多孔硅層2的正上方區(qū)域內(nèi)；上絕緣層7，所述上絕緣層7設(shè)置于所述加熱層5的上表面；氣體敏感層9，設(shè)置于所述上絕緣層7的上表面，且所述氣體敏感層9位于所述加熱層5的正上方區(qū)域內(nèi)。
[0029]絕熱槽3的隔熱效果與其溝槽31的深度、寬度及溝槽間距有關(guān)。在保證工藝實(shí)現(xiàn)的前提下，溝槽31越深、寬度越小、間距越小、隔熱效果越好。請(qǐng)參見(jiàn)圖2中的第一種溝槽結(jié)構(gòu)，是多個(gè)平行排列的直線狀溝槽，為了保證較好的隔熱效果，所述溝槽31的溝槽深度為20 μ m,寬度為300nm,溝槽間距為I μ m。
[0030]下絕緣層中第一二氧化硅層41厚度范圍為0.6 μ m，第二二氧化硅層42厚度范圍為0.6 μ m，所述氮化硅層43厚度范圍為0.5 μ m，其中第一層二氧化硅層是由高密度電漿化學(xué)氣相沉積制程或等離子增強(qiáng)化學(xué)氣象沉積制程生成的，其對(duì)所述多孔硅層2施加壓縮應(yīng)力；第二層二氧化硅層是由亞大氣壓化學(xué)氣相沉積制程生成的，其對(duì)所述多孔硅層2施加拉伸應(yīng)力。
[0031]所述多孔硅層2上表面形成厚度范圍為40的多孔硅，多孔硅的孔隙率為50%。
[0032]所述加熱層5為厚度范圍為500nm的多晶硅加熱電阻層。
[0033]所述上絕緣層7為二氧化硅層或氮化硅層，所述上絕緣層7的厚度范圍為lOOnm。
[0034]所述加熱層5的上表面邊緣具有若干缺口，自所述缺口處引出加熱層電極6。
[0035]所述氣體敏感層9的下表面邊緣具有氣體敏感層電極8，所述氣體敏感層9為50nm厚的ZnO層。
[0036]制備本實(shí)施例的MEMS氣體傳感器，包括以下步驟:
[0037]S1、清洗單晶硅襯底；
[0038]S2、在單晶硅襯底的上表面制備多孔硅層；
[0039]S3、在多孔硅層的上表面及孔壁表面制備二氧化硅薄膜；
[0040]S4、在單晶硅襯底的下表面加工倒扣的倒金字塔式絕熱槽；
[0041]S5、在經(jīng)步驟S4處理的單晶硅襯底的上表面依次沉積兩層二氧化硅層和氮化硅層作為下絕緣層；
[0042]S6、在下絕緣層的上表面制備加熱層，使所述加熱層位于所述多孔硅層的正上方區(qū)域內(nèi)；
[0043]S7、在加熱層的上表面，沉積二氧化硅層或者氮化硅層作為上絕緣層，在上絕緣層上相對(duì)于加熱層上表面緣邊位置設(shè)置若干缺口以引出加熱層電極；
[0044]S8、在上絕緣層的上表面制備氣體敏感層電極和氣體敏感層，所述氣體敏感層位于所述加熱層的正上方區(qū)域內(nèi)。
[0045]所述步驟S2具體包括:在單晶硅襯底上表面勻膠光刻定義出多孔硅層的形狀及位置，通過(guò)電化學(xué)腐蝕的方法制作多孔硅作為絕熱層；所述步驟S4具體包括:利用深槽加工工藝在單晶硅襯底下表面形成絕熱槽，使絕熱槽的底部位于多孔硅層的正下方。
[0046]所述步驟S5中，在單晶硅襯底上表面的第一層二氧化硅層是由高密度電漿化學(xué)氣相沉積制程或等離子增強(qiáng)化學(xué)氣象沉積制程生成；第二層二氧化硅層是由亞大氣壓化學(xué)氣相沉積制程生成。
[0047]所述步驟S6具體包括:在下絕緣層上沉積一層500nm厚的多晶硅，在下絕緣層上勻膠光刻定義出加熱電阻的形狀及位置作為阻擋層；利用離子反應(yīng)刻蝕去掉多余的多晶硅得到加熱電阻。
[0048]所述步驟S8具體包括:在絕緣層上勻膠光刻定義出溫度敏感層和氣體敏感層電極的形狀及位置，磁控派射沉積一層50nm厚的金屬Ti和一層400nm厚的金屬Au,再采用剝離工藝去除光刻膠得到氣體敏感層電極；勻膠光刻定義出氣體敏感層的位置，采用磁控濺射的方式濺射一層金屬氧化物，所述金屬氧化物具體為50nm厚的ZnO層，除此也可以選擇Sn02、WO3、或In2O3等物質(zhì)，再采用剝離工藝去除光刻膠得到氣體敏感層。
[0049]在氣體敏感層表面以滴定的方式添加含有貴金屬催化劑的溶液，所述催化劑具體為氯鉬酸或氯鈀酸，通過(guò)熱氧化處理使催化劑以氧化物形式分散在氣體敏感層表面。
[0050]實(shí)施例2:圖1為本實(shí)用新型MEMS氣體傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖，由圖中可清楚看出本實(shí)用新型的MEMS氣體傳感器，包括:單晶硅襯底I ;多孔硅層2，其形成于所述單晶硅襯底I的上表面且向下具有厚度，所述多孔硅層2的上表面及孔壁表面形成有二氧化硅薄膜；絕熱槽3，其形成于所述單晶硅襯底I的下表面，所述絕熱槽3為倒扣槽，所述絕熱槽3底面位于所述多孔硅層2的正下方，所述絕熱槽3槽壁及底面設(shè)有一個(gè)或多個(gè)溝槽組，其中每個(gè)溝槽組包括多個(gè)平行排列的溝槽；下絕緣層4，包括第一二氧化硅層41、第二二氧化硅層42和氮化硅層43，所述第一二氧化硅層41覆蓋所述多孔硅層2及所述單晶硅襯底I的上表面，所述第二二氧化硅層42設(shè)置在所述第一二氧化硅層41和氮化硅層43之間；加熱層5，設(shè)置于所述下絕緣層4的上表面，且所述加熱層5位于所述多孔硅層2的正上方區(qū)域內(nèi)；上絕緣層7，所述上絕緣層7設(shè)置于所述加熱層5的上表面；氣體敏感層9，設(shè)置于所述上絕緣層7的上表面，且所述氣體敏感層9位于所述加熱層5的正上方區(qū)域內(nèi)。
[0051]絕熱槽3的隔熱效果與其溝槽的深度、寬度及溝槽間距有關(guān)。在保證工藝實(shí)現(xiàn)的前提下，溝槽越深、寬度越小、間距越小、隔熱效果越好。請(qǐng)參見(jiàn)圖2中的第二種溝槽結(jié)構(gòu)，是兩個(gè)相交的直線狀溝槽組，每個(gè)溝槽組包括多個(gè)相互平行的溝槽，為了保證較好的隔熱效果，所述絕熱溝槽的溝槽深度為100 μ m,寬度為100nm,溝槽間距為5 μ m。
[0052]下絕緣層中第一二氧化硅層41厚度范圍為0.2 μ m，第二二氧化硅層42厚度范圍為0.2 μ m，所述氮化硅層43厚度范圍為0.1 μ m，其中第一層二氧化硅層是由高密度電漿化學(xué)氣相沉積制程或等離子增強(qiáng)化學(xué)氣象沉積制程生成的，其對(duì)所述多孔硅層2施加壓縮應(yīng)力；第二層二氧化硅層是由亞大氣壓化學(xué)氣相沉積制程生成的，其對(duì)所述多孔硅層2施加拉伸應(yīng)力。
[0053]所述多孔硅層2上表面形成厚度范圍為ΙΟΟμπι的多孔硅，多孔硅的孔隙率為90%。
[0054]所述加熱層5為厚度范圍為300nm的Pt加熱電阻層，且所述Pt加熱電阻層與所述下絕緣層之間設(shè)置有一層厚度范圍為50nm的Ti粘接層。
[0055]所述上絕緣層7為二氧化硅層或氮化硅層，所述上絕緣層7的厚度范圍為lOOnm。
[0056]所述加熱層5的上表面邊緣具有若干缺口，自所述缺口處引出加熱層電極6。
[0057]所述氣體敏感層9的下表面邊緣具有氣體敏感層電極8，所述氣體敏感層9為200nm厚的ZnO層。
[0058]制備本實(shí)施例的MEMS氣體傳感器，包括以下步驟:
[0059]S1、清洗單晶硅襯底；
[0060]S2、在單晶硅襯底的上表面制備多孔硅層；
[0061]S3、在多孔硅層的上表面及孔壁表面制備二氧化硅薄膜；
[0062]S4、在單晶硅襯底的下表面加工倒扣的倒金字塔式絕熱槽；
[0063]S5、在經(jīng)步驟S4處理的單晶硅襯底的上表面依次沉積兩層二氧化硅層和氮化硅層作為下絕緣層；
[0064]S6、在下絕緣層的上表面制備加熱層，使所述加熱層位于所述多孔硅層的正上方區(qū)域內(nèi)；
[0065]S7、在加熱層的上表面，沉積二氧化硅層或者氮化硅層作為上絕緣層，在上絕緣層上相對(duì)于加熱層上表面緣邊位置設(shè)置若干缺口以引出加熱層電極；
[0066]S8、在上絕緣層的上表面制備氣體敏感層電極和氣體敏感層，所述氣體敏感層位于所述加熱層的正上方區(qū)域內(nèi)。
[0067]所述步驟S2具體包括:在單晶硅襯底上表面勻膠光刻定義出多孔硅層的形狀及位置，通過(guò)電化學(xué)腐蝕的方法制作多孔硅作為絕熱層；所述步驟S4具體包括:利用深槽加工工藝在單晶硅襯底下表面形成絕熱槽，使絕熱槽的底部位于多孔硅層的正下方。
[0068]所述步驟S5中，在單晶硅襯底上表面的第一層二氧化硅層是由高密度電漿化學(xué)氣相沉積制程或等離子增強(qiáng)化學(xué)氣象沉積制程生成；第二層二氧化硅層是由亞大氣壓化學(xué)氣相沉積制程生成。
[0069]所述步驟S6具體包括:在下絕緣層上勻膠光刻定義出加熱電阻的形狀及位置，磁控濺射沉積一層50nm厚的金屬Ti和300nm厚的金屬Pt，采用剝離工藝去除光刻膠，得到金屬鉬加熱電阻。
[0070]所述步驟S8具體包括:在絕緣層上勻膠光刻定義出溫度敏感層和氣體敏感層電極的形狀及位置，磁控派射沉積一層20nm厚的金屬Ti和一層150nm厚的金屬Au,再采用剝離工藝去除光刻膠得到氣體敏感層電極；勻膠光刻定義出氣體敏感層的位置，采用磁控濺射的方式濺射一層金屬氧化物，所述金屬氧化物具體為200nm厚的ZnO層，除此也可以選擇Sn02、WO3、或In2O3等物質(zhì)，再采用剝離工藝去除光刻膠得到氣體敏感層。
[0071]在氣體敏感層表面以滴定的方式添加含有貴金屬催化劑的溶液，所述催化劑具體為氯鉬酸或氯鈀酸，通過(guò)熱氧化處理使催化劑以氧化物形式分散在氣體敏感層表面。
[0072]實(shí)施例3:圖1為本實(shí)用新型MEMS氣體傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖，由圖中可清楚看出本實(shí)用新型的MEMS氣體傳感器，包括:單晶硅襯底I ;多孔硅層2，其形成于所述單晶硅襯底I的上表面且向下具有厚度，所述多孔硅層2的上表面及孔壁表面形成有二氧化硅薄膜；絕熱槽3，其形成于所述單晶硅襯底I的下表面，所述絕熱槽3為倒扣槽，所述絕熱槽3底面位于所述多孔硅層2的正下方，所述絕熱槽3槽壁及底面設(shè)有一個(gè)或多個(gè)溝槽組，其中每個(gè)溝槽組包括多個(gè)平行排列的溝槽；下絕緣層4，包括第一二氧化硅層41、第二二氧化硅層42和氮化硅層43，所述第一二氧化硅層41覆蓋所述多孔硅層2及所述單晶硅襯底I的上表面，所述第二二氧化硅層42設(shè)置在所述第一二氧化硅層41和氮化硅層43之間；加熱層5，設(shè)置于所述下絕緣層4的上表面，且所述加熱層5位于所述多孔硅層2的正上方區(qū)域內(nèi)；上絕緣層7，所述上絕緣層7設(shè)置于所述加熱層5的上表面；氣體敏感層9，設(shè)置于所述上絕緣層7的上表面，且所述氣體敏感層9位于所述加熱層5的正上方區(qū)域內(nèi)。
[0073]絕熱槽3的隔熱效果與其溝槽的深度、寬度及溝槽間距有關(guān)。在保證工藝實(shí)現(xiàn)的前提下，溝槽越深、寬度越小、間距越小、隔熱效果越好。請(qǐng)參見(jiàn)圖2中的第三種溝槽結(jié)構(gòu)，是多個(gè)由外向內(nèi)漸變縮小的回狀溝槽，為了保證較好的隔熱效果，所述絕熱溝槽的溝槽深度為100 μ m,寬度為100nm,溝槽兩相鄰的平行邊的間距為5 μ m。
[0074]下絕緣層中第一二氧化硅層41厚度范圍為0.6 μ m，第二二氧化硅層42厚度范圍為0.6 μ m，所述氮化硅層43厚度范圍為0.5 μ m，其中第一層二氧化硅層是由高密度電漿化學(xué)氣相沉積制程或等離子增強(qiáng)化學(xué)氣象沉積制程生成的，其對(duì)所述多孔硅層2施加壓縮應(yīng)力；第二層二氧化硅層是由亞大氣壓化學(xué)氣相沉積制程生成的，其對(duì)所述多孔硅層2施加拉伸應(yīng)力。
[0075]所述多孔硅層2上表面形成厚度范圍為100 μ m的多孔硅，多孔硅的孔隙率為80%。
[0076]所述加熱層5為厚度范圍為900nm的多晶硅加熱電阻層。
[0077]所述上絕緣層7為二氧化硅層或氮化硅層，所述上絕緣層7的厚度范圍為800nm。
[0078]所述加熱層5的上表面邊緣具有若干缺口，自所述缺口處引出加熱層電極6。
[0079]所述氣體敏感層9的下表面邊緣具有氣體敏感層電極8，所述氣體敏感層9為200nm厚的WO3層。
[0080]制備本實(shí)施例的MEMS氣體傳感器，包括以下步驟:
[0081]S1、清洗單晶硅襯底；
[0082]S2、在單晶硅襯底的上表面制備多孔硅層；
[0083]S3、在多孔硅層的上表面及孔壁表面制備二氧化硅薄膜；
[0084]S4、在單晶硅襯底的下表面加工倒扣的倒金字塔式絕熱槽；
[0085]S5、在經(jīng)步驟S4處理的單晶硅襯底的上表面依次沉積兩層二氧化硅層和氮化硅層作為下絕緣層；
[0086]S6、在下絕緣層的上表面制備加熱層，使所述加熱層位于所述多孔硅層的正上方區(qū)域內(nèi)；
[0087]S7、在加熱層的上表面，沉積二氧化硅層或者氮化硅層作為上絕緣層，在上絕緣層上相對(duì)于加熱層上表面緣邊位置設(shè)置若干缺口以引出加熱層電極；
[0088]S8、在上絕緣層的上表面制備氣體敏感層電極和氣體敏感層，所述氣體敏感層位于所述加熱層的正上方區(qū)域內(nèi)。
[0089]所述步驟S2具體包括:在單晶硅襯底上表面勻膠光刻定義出多孔硅層的形狀及位置，通過(guò)電化學(xué)腐蝕的方法制作多孔硅作為絕熱層；所述步驟S4具體包括:利用深槽加工工藝在單晶硅襯底下表面形成絕熱槽，使絕熱槽的底部位于多孔硅層的正下方。
[0090]所述步驟S5中，在單晶硅襯底上表面的第一層二氧化硅層是由高密度電漿化學(xué)氣相沉積制程或等離子增強(qiáng)化學(xué)氣象沉積制程生成；第二層二氧化硅層是由亞大氣壓化學(xué)氣相沉積制程生成。
[0091]所述步驟S6具體包括:在下絕緣層上沉積一層900nm厚的多晶娃,在下絕緣層上勻膠光刻定義出加熱電阻的形狀及位置作為阻擋層；利用離子反應(yīng)刻蝕去掉多余的多晶硅得到加熱電阻。
[0092]所述步驟S8具體包括:在絕緣層上勻膠光刻定義出溫度敏感層和氣體敏感層電極的形狀及位置，磁控派射沉積一層50nm厚的金屬Ti和一層500nm厚的金屬Au,再采用剝離工藝去除光刻膠得到氣體敏感層電極；勻膠光刻定義出氣體敏感層的位置，采用磁控濺射的方式濺射一層金屬氧化物，所述金屬氧化物具體為200nm厚的WO3層，除此也可以選擇SnO2, ZnO、或In2O3等物質(zhì)，再采用剝離工藝去除光刻膠得到氣體敏感層。
[0093]在氣體敏感層表面以滴定的方式添加含有貴金屬催化劑的溶液，所述催化劑具體為氯鉬酸或氯鈀酸，通過(guò)熱氧化處理使催化劑以氧化物形式分散在氣體敏感層表面。
[0094]本實(shí)用新型多孔硅層的支撐可以防止下絕緣層受力不均勻引起變形破裂，下絕緣層的三層復(fù)式結(jié)構(gòu)也可以有效防止在高溫下隔熱層發(fā)生翹曲使加熱絲脫落，導(dǎo)致器件失效，同時(shí)多孔硅和隔熱槽的結(jié)構(gòu)又大大增強(qiáng)了隔熱效果。
[0095]以上所揭露的僅為本實(shí)用新型的幾種較佳實(shí)施例而已，當(dāng)然不能以此來(lái)限定本實(shí)用新型之權(quán)利范圍，因此依本實(shí)用新型權(quán)利要求所作的等同變化，仍屬本實(shí)用新型所涵蓋的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種MEMS氣體傳感器，其特征在于，包括: 單晶娃襯底⑴； 多孔硅層(2)，其形成于所述單晶硅襯底(I)的上表面且向下具有厚度，所述多孔硅層(2)的上表面及孔壁表面形成有二氧化硅薄膜； 絕熱槽(3)，其形成于所述單晶硅襯底⑴的下表面，所述絕熱槽(3)為倒扣槽，所述絕熱槽(3)底面位于所述多孔硅層(2)的正下方，所述絕熱槽(3)槽壁及底面設(shè)有一個(gè)或多個(gè)溝槽組，其中每個(gè)溝槽組包括多個(gè)平行排列的溝槽(31)； 下絕緣層(4)，包括第一二氧化硅層(41)、第二二氧化硅層(42)和氮化硅層(43)，所述第一二氧化硅層(41)覆蓋所述多孔硅層(2)及所述單晶硅襯底(I)的上表面，所述第二二氧化硅層(42)設(shè)置在所述第一二氧化硅層(41)和氮化硅層(43)之間； 加熱層(5)，設(shè)置于所述下絕緣層(4)的上表面，且所述加熱層(5)位于所述多孔硅層(2)的正上方區(qū)域內(nèi)； 上絕緣層(7)，設(shè)置于所述加熱層(5)的上表面； 氣體敏感層(9)，設(shè)置于所述上絕緣層(7)的上表面，且所述氣體敏感層(9)位于所述加熱層(5)的正上方區(qū)域內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的MEMS氣體傳感器，其特征在于，下絕緣層中對(duì)所述多孔硅層(2)施加壓縮應(yīng)力的第一二氧化娃層(41)厚度范圍為0.2-0.6 μ m,對(duì)所述多孔娃層(2)施加拉伸應(yīng)力的第二二氧化硅層(42)厚度范圍為0.2-0.6 μ m，所述氮化硅層(43)厚度范圍為 0.1-0.5 μ m。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的MEMS氣體傳感器，其特征在于，所述多孔硅層(2)上表面形成厚度范圍為40-100 μ m的多孔硅，多孔硅的孔隙率為50% -90%。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的MEMS氣體傳感器，其特征在于，所述加熱層(5)為厚度范圍為200-500nm的Pt加熱電阻層，且所述Pt加熱電阻層與所述下絕緣層之間設(shè)置有一層厚度范圍為20-50nm的Ti粘接層，或者，所述加熱層(5)為厚度范圍為500_1000nm的多晶硅加熱電阻層。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的MEMS氣體傳感器，其特征在于，所述上絕緣層(7)為二氧化硅層或氮化硅層，所述上絕緣層(7)的厚度范圍為100-800nm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的MEMS氣體傳感器，其特征在于，所述加熱層(5)的上表面邊緣具有若干缺口，自所述缺口處引出加熱層電極(6)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3中任意一項(xiàng)所述的MEMS氣體傳感器，其特征在于，所述氣體敏感層(9)的下表面邊緣具有氣體敏感層電極(8)，所述氣體敏感層(9)為50-300nm厚的 SnO2、WO3、In2O3 或 ZnO 層。
【文檔編號(hào)】B81B7/00GK204128996SQ201420455861
【公開(kāi)日】2015年1月28日 申請(qǐng)日期:2014年8月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月13日
【發(fā)明者】祁明鋒, 張珽, 沈方平, 劉瑞, 丁海燕, 谷文 申請(qǐng)人:蘇州能斯達(dá)電子科技有限公司