氣敏元件及其製造方法
2023-10-11 15:09:14 2
專利名稱：氣敏元件及其製造方法
技術領域：
本發明涉及一種氣敏元件及其製造方法；並且更具體地說涉及高靈敏度、低能耗、低熱容和低熱損耗的氣敏元件及其製造方法，其中通過採用半導體製造工藝使加熱線和讀出線與基片分開形成，並且氣敏材料的陶瓷塊形成遍布在加熱線和讀出線上面。
參照
圖1，該圖給出了在名稱為「氣敏元件」的美國專利No.5759367中所披露的一種普通氣敏元件100的剖視圖。該普通的氣敏元件包括形成在矽基片上的絕緣玻璃薄膜4、由金(Au)製成的形成在絕緣玻璃薄膜4的頂部上的加熱薄膜8，10、絕緣層14、形成在絕緣層14的頂部上的探測電極18，20以及包圍著探測電極18，20的氣敏薄膜16。在該氣敏元件100中，加熱薄膜6使氣敏薄膜16變熱，並且根據流進其中的氣體的變化通過採用探測電極18，20來探測出氣敏薄膜16的變化。
如上所述的氣敏元件100的缺點在於，氣敏薄膜16設置在探測電極18，20上面，從而製造工藝變得複雜。也就是說，使加熱薄膜8，10和探測電極18，20形成圖案分別需要一個掩模。而且，由於氣敏薄膜16形成在加熱薄膜6的頂部表面上並且加熱薄膜6的底部部分直接與絕緣玻璃薄膜4接觸，所以進入矽基片中的熱損耗變得相當大。
因此，本發明的另一個目的在於提供一種製造高靈敏度且熱容和損耗最小的氣敏元件的方法。
根據本發明的實施方案，提供一種氣敏元件，它包括設有通過以預定深度形成圖案而形成的凹槽的矽基片；形成在除了凹槽之外的矽基片的頂部上的絕緣層；第一形成圖案的導電層，它越過凹槽並且固定在絕緣層上，從而與矽基片電絕緣；第二形成圖案的導電層，它越過凹槽並且固定在絕緣層上，從而與矽基片和第一形成圖案的導電層電絕緣；以及形成在第一和第二形成圖案的導電層的預定部分上的氣體探測部分。
根據本發明的另一個實施方案，提供一種製造氣敏元件的方法，該方法包括以下步驟a)在矽基片上形成絕緣層；b)通過使一部分絕緣層形成圖案來形成窗口；c)在由窗口暴露出的矽基片和絕緣層上形成第一和第二金屬圖案；d)通過將矽基片浸入鹼性水溶液中以使暴露到窗口的基片形成圖案並且形成窗口形凹槽，從而使第一和第二金屬圖案與矽基片分開；以及e)在形成在凹槽上面的第一和第二金屬圖案的預定部分上形成氣體探測部分。
從下面實施方案的說明中並參照附圖將更加清楚本發明的其它目的和方面。
圖1為普通氣敏元件的剖視圖；圖2為根據本發明的氣敏元件的透視圖；圖3A-3E為用於說明製造本發明氣敏元件的方法的沿著圖1I-I線剖開的剖視圖；並且圖4A-4F為根據本發明的實施方案的氣敏元件的探測部分的剖視圖。
參照圖2，該圖顯示出本發明的氣敏元件200。在該圖中，絕緣層212形成在矽基片210的頂部上。例如，絕緣層212由諸如二氧化矽、氮化矽、碳化矽等材料製成。絕緣層212形成的厚度大約在0.1-10μm的範圍內，優選為2μm。此外，該矽基片優選具有100晶體取向。
在矽基片210的中心中，具有在剝離絕緣層212之後形成的凹槽220。該凹槽220為具有預定深度的矩形。為了便於製造，該凹槽優選形成為矩形，但是可以形成為圓形或其它形狀。在該矩形凹槽上面，設有彼此平行的加熱線216和讀出線218。該加熱線216和讀出線218與基片210隔開地在矩形凹槽220的上面延伸。
如圖2中所示，加熱線216和讀出線218分別與形成在絕緣層212的頂部上的金屬片214a、214b、214c和214d連接。金屬片214a、214b、214c和214d形成在絕緣層212上，從而與矽基片210電絕緣並且與外部電源或外部電路電連接。這裡，在單元體中優選形成有包括有金屬片214a、214b、214c和214d、加熱線216和讀出線218的金屬圖案。也就是說，金屬片214a、214b和加熱線216形成在一個單元體中，同時讀出線218和其它金屬片214c、214d形成在一個單元體中。
如上的金屬圖案優選由例如鉑(Pt)、塗覆有金(Au)或鈀(Pd)的鎳(Ni)以及摻有硼(B)的多晶矽薄膜材料製成。優選的是，金屬圖案的厚度大約為0.1-20μm，最優選為5μm。此外，陶瓷塊222設置在相互平行的加熱線216和讀出線218上面。這裡，陶瓷塊222具有由例如乙醇、甲烷、LPG等可燃材料和例如SnO2、ZnO、Fe2O3等半導體材料製成的氣敏材料，用於探測二氧化碳(CO2)。並且為了改善氣敏材料的靈敏度，可以摻雜含量為0.5-1wt％的催化材料例如Pt，Pd。
陶瓷氣敏元件的工作機理如下所示。當給加熱線216供應電流時，由於加熱線216的電阻而產生出熱量，並且陶瓷塊222的溫度也升高。這時，包含用於探測的氣體在內的空氣流進陶瓷塊222，從而使陶瓷塊222的電阻率改變，其中通過測量出加熱線216和讀出線218之間的電阻來測量出陶瓷塊222的電阻率。
例如，在下面描述了測量陶瓷塊222的電阻率的方法。首先，將加熱線216的兩個端部連接在加熱電源上，然後這樣製作出電路，讀出線218的一個端部與基片的外部電阻(R1)連接，並且向外部電阻(R1)的端部施加電壓(Vcc)。這時，如已經描述的一樣，加熱電壓(VH)由加熱電源提供，從而由加熱線216的電阻產生出的熱量使得陶瓷塊222的溫度上升到探測溫度。在該溫度下，在外部電阻的端部處測量出電壓(Vcc)，從而就能夠估算出陶瓷塊222的電阻(Rs)。一般來說，假設加熱電阻(RH)為幾個或幾十個歐姆(Ω)，則陶瓷塊222的電阻超過幾十個kΩ，並且VH大大低於Vcc，通過下式計算出Vout，從而能夠估算出陶瓷塊222的電阻(Rs)。
Vout≈[Rs/(R1+Rs)]×Vcc
要注意的是，上式可以用來在上述假設條件下近似地估算出數值，但是可以通過使用一種沒有任何上述假設的更複雜的等式來計算出更精確的數值。
因此，由於陶瓷塊222的電阻率變化與空氣中含有的特定氣體的含量有關，所以就可以從所測量出的電阻中計算出空氣中特定氣體的含量。
接著，參照圖3A-3E，這些圖是用來說明製造本發明氣敏元件的方法的剖視圖。
參照圖3A，其厚度總體為0.1-10μm優選為2μm的絕緣層211、212形成在具有100晶體取向的矽基片210的兩個側面上。這裡，絕緣層211、212由例如二氧化矽、氮化矽、碳化矽等材料製成。
在隨後的步驟中，參照圖3B，使形成在矽基片210的一個側面上的一個絕緣層212的中心部分局部地形成圖案以獲得窗口219和形成圖案的絕緣層213。這時，一部分矽基片210通過窗口219暴露出。通過採用在半導體製造過程中所採用的普通方法例如光刻和蝕刻工藝來使絕緣層212形成圖案。
之後，參照圖3C，將金屬圖案形成在窗口219和形成圖案的絕緣層213上面，其中該金屬圖案包括形成在窗口219頂部上的加熱線216和讀出線218、形成在絕緣層213頂部上的金屬片214a、214b、214c和214d。這裡，如上所述的加熱線216形成為電阻線以便向陶瓷塊222提供熱量，並且讀出線218形成用來測量陶瓷塊222的電阻變化。並且金屬片214a、214b、214c和214d形成在形成圖案的絕緣層213的頂部上以便與矽基片210電絕緣。此外，金屬片214a、214b、214c和214d不僅支撐著加熱線和讀出線而且還提供了用來與外部電源或其它外部電路連接的裝置。優選的是，為了便於製造，如上所述的金屬圖案在金屬片214a、214b和加熱線216的單元體中以及在金屬片214c、214d和讀出線218的單元體中製造。厚度優選為0.1-20μm，最優選為5μm。金屬圖案優選由例如鉑(Pt)、摻有金(Au)或鈀(Pd)的鎳(Ni)以及摻有硼(B)的多晶矽薄膜材料製成。此外，為了提高金屬圖案和形成圖案的絕緣層213之間的粘附力，可以採用塗覆有Cr的Pt，其中Cr的厚度優選大約為0.02μm。
在下面的步驟中，參照圖3D，將整個矽基片210浸在鹼性水溶液中，並且使通過窗口219暴露的部分矽基片以預定的深度形成圖案。這裡，例如二氧化矽層的絕緣層和例如Pt的金屬圖案在鹼性水溶液中沒有被蝕刻，從而在矽基片210上形成具有預定深度的凹槽。因此，如圖2和圖3D所示的加熱線216和讀出線218通過凹槽220與矽基片隔開。這裡所用的鹼性水溶液是氫氧化鉀水溶液或乙二胺和鄰苯二酚的混合溶液。例如，當該基片在80℃下在氫氧化鉀水溶液中浸泡2個小時時，可以獲得厚度大約為150μm的凹槽。
在隨後的步驟中，參照圖3E，在將糊狀陶瓷前體小滴滴在加熱線216和讀出線218的預定範圍上之後，通過熱處理形成陶瓷塊222。這裡，陶瓷前體例如是由具有90wt％的SnO2作為氣敏材料、9wt％的矽溶膠作為粘接劑以及1wt％的PdCl2作為催化劑的混合物製成的。在陶瓷前體具有上述組分的情況下，添加預定量的包含5％乙基纖維素的α萜品醇，然後粘度變成幾百cps。之後，在使該前體成糊狀之後將該前體滴在加熱線216和讀出線218上面。在滴完陶瓷前體小滴之後進行熱處理的條件沒有限制，只要能夠使在陶瓷糊中所包含的溶劑能夠揮發。
如上所述，除了陶瓷塊的成形之外，通過採用例如基於半導體製造方法的微加工技術的方法製作出本發明的氣敏元件。因此，用在本發明的氣敏元件200中的加熱線216、讀出線218和陶瓷塊222的體積非常小。另外，加熱線216、讀出線218和陶瓷塊222與矽基片隔開，從而熱容和損耗較小。而且，因為在本發明的氣敏元件200中採用了陶瓷塊作為氣敏材料，所以其探測和物理性能要優於其它採用薄膜陶瓷的氣敏元件。此外，本發明的方法的優點在於，使窗口219和金屬圖案形成圖案只需要兩個掩模。另外，作為半導體製造方法的優點的成批處理型的巨大生產率仍然適用於製造本發明的氣敏元件200，從而可以降低製造成本。
同時，參照圖4A-4F，這些圖給出了一種根據本發明的另一個實施方案的包括加熱線216、讀出線218和陶瓷塊222的探測部分。如圖2所示，如果加熱線和讀出線相互平行地形成並且在其上形成有陶瓷塊222，則只有一部分熱量用來加熱陶瓷塊222，並且陶瓷塊222的溫度變得不均勻，因為電阻在加熱線216上面是不均勻地分布的。這個問題可以通過如圖4A-4F所述一樣改進探測部分的結構來克服。
參照圖4A，加熱線316彎曲成「U」形，讀出線318的支線318a插入在其凹形中。在這種結構中，電阻集中在陶瓷塊322上，另外熱量分散在陶瓷塊322的範圍上，從而可以避免該問題，並且可以提高探測性能而且可以降低熱量損失。而且，為了提高電阻聚集度以及熱量在陶瓷塊322上的均勻分布，如圖4B所示可以將加熱線416形成為Z形彎曲狀，並且可以從一個方向將讀出線418的支線418a插入其凹形中。另外，可以將加熱線516形成為Z形彎曲狀，並且可以從兩個方向將兩個讀出線518的支線插進其凹形中。
如圖4D-4F中所示，由於陶瓷塊622、722、822的電阻率變化取決於使陶瓷塊均勻加熱，所以將加熱線616、716、816在陶瓷塊622、722、822中的厚度設計成比讀出線618、718、818的厚度更厚。因此，在本發明的實施方案中，讀出線618、718、818的寬度和厚度優選分別大約為10μm和5μm。另外，如果讀出線618、718、818的寬度和厚度為10μm和5μm的話，則加熱線616、716、816的寬度和厚度分別優選大約為20μm和5μm。
如上所述，本發明的優點在於，加熱線與矽基片隔開，並且陶瓷的氣敏材料形成為塊狀，從而使熱容和熱量損失最小化以獲得能耗較低且製造成本較低的氣敏元件。因此，本發明的氣敏元件可以廣泛地應用在例如可攜帶的氣體探測設備的裝置上。而且，與現有技術的氣敏元件相比，還有另一個優點，在製造該氣敏元件的方法中對於使窗口和金屬圖案形成圖案來說只需要兩個掩模，另外，半導體製造工藝例如批量處理的巨大生產率實際上仍然可以適用於本發明，因此可以降低製造成本。
雖然只是針對特定的優選實施方案對本發明進行了說明，但是在不脫離由下面權利要求提出的本發明的精神和範圍的情況下可以做出其它改進和變化。
權利要求
1.一種氣敏元件，包括矽基片，它設有通過以預定深度形成圖案而形成的凹槽；形成在除了所述凹槽之外的矽基片的頂部上的絕緣層；第一形成圖案的導電層，它越過凹槽並且固定在絕緣層上，從而與矽基片電絕緣；第二形成圖案的導電層，它越過凹槽並且固定在絕緣層上，從而與矽基片和所述第一形成圖案的導電層電絕緣；形成在第一和第二形成圖案的導電層的預定部分上的氣體探測部分。
2.如權利要求1所述的氣敏元件，其中所述第一形成圖案的導電層用來向氣體探測部分提供熱量。
3.如權利要求2所述的氣敏元件，其中所述第二形成圖案的導電層用作讀出線，用來根據氣體狀態來探測出氣體探測部分的變化。
4.如權利要求3所述的氣敏元件，其中所述第一形成圖案的導電層覆蓋所述第二形成圖案的導電層。
5.如權利要求1所述的氣敏元件，其中所述矽基片具有100的晶體取向。
6.如權利要求1所述的氣敏元件，其中所述第一和第二形成圖案的導電層還包括一對金屬片以與外部電路電連接。
7.如權利要求6所述的氣敏元件，其中所述第一和第二形成圖案的導電層由從鉑(Pt)、摻有金(Au)或鈀(Pd)的鎳(Ni)以及摻有硼(B)的多晶矽組成的組中選出的材料製成。
8.如權利要求1所述的氣敏元件，其中所述第一和第二形成圖案的導電層形成為平行的直線形狀，或者形成為第二形成圖案的導電層插進所述第一形成圖案的導電層的凹形空間中的形狀，或者形成為第二形成圖案的導電層插進所述第一形成圖案的導電層的一個凹形空間或兩個凹形空間的形狀。
9.如權利要求1所述的氣敏元件，其中絕緣層由從二氧化矽、氮化矽和碳化矽組成的組中選出的材料製成。
10.一種製造氣敏元件的方法，該方法包括以下步驟a)在矽基片上形成絕緣層；b)通過使一部分絕緣層形成圖案來形成窗口；c)在由窗口暴露出的矽基片和絕緣層上形成第一和第二金屬圖案；d)通過將矽基片浸到鹼性水溶液中以使暴露到窗口的基片形成圖案並且形成窗口形狀的凹槽，從而使第一和第二金屬圖案與矽基片分開；並且e)在形成在所述凹槽上面的第一和第二金屬圖案的預定部分上形成氣體探測部分。
11.如權利要求10所述的方法，其中所述矽基片具有100晶體取向。
12.如權利要求10所述的方法，其中所述絕緣層由從二氧化矽、氮化矽和碳化矽組成的組中選出的材料製成。
13.如權利要求10所述的方法，其中第一和第二形成圖案的導電層由從鉑(Pt)、摻有金(Au)或鈀(Pd)的鎳(Ni)以及摻有硼(B)的多晶矽組成的組中選出的材料製成。
14.如權利要求10所述的方法，其中所述第一形成圖案的導電層與所述第二形成圖案的導電層電絕緣。
15.如權利要求10所述的方法，其中鹼性水溶液是氫氧化鉀K溶液或乙二胺和鄰苯二酚的混合溶液。
全文摘要
一種氣敏元件包括設有凹槽的矽基片、絕緣層、第一和第二形成圖案的導電層以及用於感應從中穿過的氣體的探測部分。在所述氣敏元件中,絕緣層形成在沒有形成凹槽的矽基片的頂部部分上。所述第一和第二形成圖案的導電層在所述凹槽上面延伸,從而實際上與矽基片分開。探測部分形成在所述第一和第二形成圖案的導電層的部分上。
文檔編號G01N27/12GK1379731SQ00814534
公開日2002年11月13日 申請日期2000年10月17日 優先權日1999年10月19日
發明者李源培, 李昊駿 申請人:世主安吉尼爾林株式會社, 世主實業株式會社