一種mems氣體傳感器及其加工方法

2023-12-02 16:25:46 1

一種mems氣體傳感器及其加工方法
【專利摘要】本發明涉及氣體檢測【技術領域】，公開了一種MEMS氣體傳感器及其加工方法，包括單晶矽襯底；多孔矽層，形成於單晶矽襯底的上表面且具有一定深度，多孔矽層的上表面及孔壁表面形成有二氧化矽薄膜，且多孔矽層與所述單晶矽襯底的上表面平齊；下絕緣層，覆蓋多孔矽層及所述單晶矽襯底的上表面；以及設置於下絕緣層上方的加熱層、上絕緣層及氣體敏感層。本發明的多孔矽層可以穩定地支撐下絕緣層薄膜及其上的其他氣體傳感器元件，避免傳感器受力不均勻導致的變形破裂及在高溫工作時下絕緣層變形翹曲導致的加熱層脫落。同時，所述多孔矽層的孔壁表面覆有二氧化矽薄膜，可以起到更好的保溫隔熱效果，降低功耗，提高氣體傳感器的探測靈敏度和使用壽命。
【專利說明】一種MEMS氣體傳感器及其加工方法

【技術領域】
[0001] 本發明涉及氣體檢測【技術領域】，具體涉及一種MEMS氣體傳感器及其加工方法。

【背景技術】
[0002] 大氣汙染，空氣品質與人們的生活息息相關，易燃易爆性氣體更是關係到工業生 產、國防安全等，因此對氣體的檢測有著極其重要的作用。目前對氣體的檢測除了傳統的大 型檢測設備例如基於質譜、能譜和色譜的氣體檢測儀器，但是這些儀器由於體積龐大、價格 較高，限制了它們的普及和發展。近些年也發展出了一些小型的氣體傳感器。在各種氣體 傳感器中，半導體氣體傳感器的應用最為廣泛。它具有功耗低、體積小、重複性好、靈敏度 高、成本低、易於批量生產、加工工藝穩定等優點。半導體氣體傳感器的原理是利用金屬氧 化物薄膜製成的阻抗器件，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。由於氣體分子與金屬氧化物反應需要較高的溫度，為了 實現在較低的溫度下工作，需要在氣體敏感薄膜下製作微加熱板以為氣體薄膜提供足夠的 溫度。
[0003] 微機電系統（MEMS, Micro-Electro-Mechanical System)是一種先進的製造技術 平臺。MEMS的技術包括微電子技術和微加工技術兩大部分。微電子技術的主要內容有：氧 化層生長、光刻掩膜製作、光刻選擇摻雜（屏蔽擴散、離子注入）、薄膜（層）生長、連線製作 等。微加工技術的主要內容有：娃表面微加工和娃體微加工（各向異性腐蝕、犧牲層）技 術、晶片鍵合技術、製作高深寬比結構的深結構曝光和電鑄技術（LIGA)等。利用微電子技 術可製造集成電路和許多傳感器。矽基加工技術是在微電子加工技術基礎上發展起來的一 種微加工技術，主要依靠光刻、擴散、氧化、薄膜生長、幹法刻蝕、溼法刻蝕和蒸發濺射等工 藝技術。
[0004] 隨著MEMS技術與微電子的發展，體積小，功耗低且易與其他材料或器件組合的微 加熱式氣體傳感器越來越受到重視。但使用微加熱板會帶來一定的功率損耗。申請號為 201110241625. 3的中國專利公開了一種在娃基底上、加熱電極和信號電極共居於同一介質 平面上的矽基共平面低功耗微型氣體傳感器晶片，其可實現較低溫度工作，但其未設置隔 熱層或絕熱層，由於半導體氣體傳感器工作溫度較高，熱量損耗較大，因而無法降低功耗。
[0005] 現有技術中，為降低功耗，實現結構保溫普遍採用絕熱槽。目前基於MEMS加工技 術製作的矽基氣體傳感器普遍採用的結構是：在單晶矽基底的上表面沉積一層氮化矽膜層 作為下絕緣層，在單晶矽基底的下表面製備絕熱槽。製備絕熱槽時可使用背面溼法刻蝕工 藝，也可先對下絕緣層蝕刻出懸臂梁，再往下溼法刻蝕出倒金字塔式絕熱槽。兩種絕熱槽可 以更好的防止熱量的散失以降低功耗。下絕緣層上方通過剝離工藝（lift-off)加工出鉬 加熱絲層，通過給加熱絲通電即可產生熱量，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氮化矽層作為上絕緣層，最後沉積溫度敏感層和氣體敏感層。例如申 請號為201110366861.8的中國專利公開了的氣體傳感器及其製造工藝便採用了絕熱槽的 工藝。但是這種方法蝕刻出絕熱槽後加熱層與氣體敏感層僅靠一層薄膜結構的氮化矽層支 撐，而該薄膜僅在兩端被懸臂結構的支撐襯底支撐，這種薄膜結構的絕緣層力學性能較差， 在器件受到震動或者碰撞時易發生破裂導致器件失效。除此之外，由於隔熱層與加熱絲的 熱膨脹係數的差異，在高溫下隔熱層易翹曲使加熱絲易從隔熱層脫落，同樣導致器件失效。 其次，懸臂結構的絕熱槽利用懸臂之間的空氣隔熱，由於空間較大，空氣流動較快，也會造 成熱量散失較快，影響隔熱效果。再次，該種絕熱槽的製備工藝複雜，對控制條件要求較高， 從而增加加工難度。
[0006] 綜上，現有技術中的氣體傳感器的隔熱結構主要存在以下問題：
[0007] (1)穩定性差，由於受力不均勻引起器件發生變形破裂，導致器件失效。
[0008] (2)隔熱效果差，絕熱槽間的空氣間隔較大導致熱量散失較快，影響隔熱效果。
[0009] (3)加工工藝複雜，絕熱槽的製備工藝複雜，製備時間較長。


【發明內容】

[0010] 為了解決現有技術中氣體傳感器存在的諸多問題，本發明提供一種MEMS氣體傳 感器及其加工方法，採用孔壁表面形成有二氧化矽薄膜的多孔矽層作為絕熱層，同時作為 支撐層，可以延長氣體傳感器的壽命，增加靈敏度。
[0011] 本發明的發明人發現：與單晶矽相比，多孔矽的多孔結構使其具有良好的隔熱性 能，可以作為傳感器的隔熱層。與傳統絕熱槽相比，多孔矽的孔隙細密，可以有效減少空氣 流動速度，增強隔熱效果。且多孔矽製備工藝簡單，成本低廉，可以通過簡單的電化學方法 在矽襯底刻蝕，短時間內形成較厚的多孔矽層。採用孔矽作為隔熱層，由於所述多孔矽層設 置於所述加熱層下方，而多孔矽具有良好的隔熱性能，可以有效減少所述加熱層熱量流失， 減少功耗。且多孔矽層均勻分布在單晶矽襯底的上表面，可以穩定地支撐其上的絕緣層及 其他氣體傳感器組件，從而提高氣體傳感器的穩定性，增加其使用壽命。
[0012] 另外，二氧化矽也是一種隔熱材料，導熱係數低於單晶矽。在多孔矽層的上表面及 孔壁表面覆蓋一層二氧化矽薄膜，可以有效解決暴露在空氣中的多孔矽表面導致的熱量損 耗，進一步地降低功耗，提高氣體傳感器的探測靈敏度。
[0013] 基於以上思路，本發明提出了的技術方案是：一種MEMS氣體傳感器，包括：單晶 娃襯底；多孔娃層，形成於所述單晶娃襯底的上表面且具有一定深度，所述多孔娃層的上表 面及孔壁表面形成有二氧化矽薄膜，且所述多孔矽層與所述單晶矽襯底的上表面平齊；下 絕緣層，覆蓋所述多孔矽層及所述單晶矽襯底的上表面；加熱層，設置於所述下絕緣層的上 表面，且所述加熱層位於所述多孔矽層的正上方區域內；上絕緣層，覆蓋所述加熱層的上表 面；氣體敏感層，設置於所述上絕緣層的上表面，且所述氣體敏感層位於所述加熱層的正上 方區域內。
[0014] 所述氣體傳感器還包括：溫度敏感層，設置於所述上絕緣層的上表面；氣體敏感 層電極，設置於所述上絕緣層的上表面，且所述氣體敏感層電極和所述溫度敏感層位於所 述加熱層正上方區域內的不同位置，且所述氣體敏感層覆蓋所述氣體敏感層電極及兩電極 之間的所述上絕緣層的上表面，從而連通所述氣體敏感層電極。
[0015] 本發明的所述加熱層位於所述多孔矽層的正上方區域內，使得所述多孔矽層能夠 更穩定地支撐加熱層，有效防止器件受到震動碰撞時因為沒有有效支撐而發生的破裂，還 可以有效避免氣體傳感器在高溫工作時下絕緣層變形翹曲導致的加熱層脫落。同時，所述 加熱層位於所述多孔矽層的正上方區域內，還能保證充分的隔熱效果。
[0016] 為了保證較好的隔熱效果，所述多孔娃層的厚度為20-100 μ m，優選為50 μ m。多 孔矽的隔熱效果與孔隙率成正比，當孔隙率為90%時，其熱導率可低至lW(m · K)，本發明 的多孔矽層的孔隙率為50% -90%，優選為90%，且所述覆蓋在多孔矽上表面及孔壁表面 的二氧化矽薄膜的厚度為100_500nm，優選為200nm。
[0017] 本發明的所述溫度敏感層和氣體敏感層以及氣體敏感層電極均位於所述加熱層 的正上方區域內，從而保證充分的加熱和隔熱效果。
[0018] 為了便於加熱層引線，本發明的所述上絕緣層邊緣具有若干缺口形成加熱層引線 窗。
[0019] 本發明還提供了一種MEMS氣體傳感器的加工方法，包括以下步驟：
[0020] S1、在單晶矽襯底的上表面製備多孔矽層；
[0021] S2、在製備好的多孔矽層的上表面及孔壁表面製備二氧化矽薄膜；
[0022] S3、在具有所述多孔矽層的單晶矽襯底的上表面製備下絕緣層；
[0023] S4、在製備好的下絕緣層的上表面製備加熱層，所述加熱層位於所述多孔矽層的 正上方區域內；
[0024] S5、在製備好的加熱層的上表面，按照步驟S3的方法製備上絕緣層；
[0025] S6、在製備好的上絕緣層的上表面製備氣體敏感層，所述氣體敏感層位於所述加 熱層的正上方區域內。
[0026] 本發明所述方法在步驟S5後還包括以下步驟：
[0027] 在製備好的上絕緣層的上表面製備溫度敏感層和氣體敏感層電極，所述氣體敏感 層電極和所述溫度敏感層位於所述加熱層正上方區域內的不同位置，且所述氣體敏感層覆 蓋所述氣體敏感層電極及兩電極之間的所述上絕緣層的上表面，從而連通所述氣體敏感層 電極。
[0028] 所述步驟S1中的製備所述多孔矽層的方法為電化學方法。
[0029] 本發明的所述加熱層位於所述多孔矽層的正上方區域內，使得所述多孔矽層能夠 更穩定地支撐加熱層，有效防止器件受到震動碰撞時因為沒有有效支撐而發生的破裂，還 可以有效避免氣體傳感器在高溫工作時下絕緣層變形翹曲導致的加熱層脫落。同時，所述 加熱層位於所述多孔矽層的正上方區域內，還能保證充分的隔熱效果。
[0030] 為了保證較好的隔熱效果，所述步驟S1中製備得到的所述多孔矽層的厚度為 20-100 μ m，優選為50 μ m。多孔矽的隔熱效果與孔隙率成正比，當孔隙率為90%時，其熱導 率可低至lwAm · K)。本發明的多孔矽層孔隙率為50% -90%，優選為90%。
[0031] 所述步驟S2中的製備二氧化矽薄膜的方法為熱氧化方法，且所述二氧化矽薄膜 的厚度為l〇〇_5〇〇nm。
[0032] 本發明的所述溫度敏感層和氣體敏感層以及氣體敏感層電極均位於所述加熱層 的正上方區域內，從而保證充分的加熱和隔熱效果。
[0033] 為了便於加熱層引線，本發明在步驟S5中製備所述上絕緣層時邊緣保留若干缺 口形成加熱層引線窗。
[0034] 實施本發明，可達到以下有益效果：
[0035] (1)在單晶矽襯底上設置多孔矽層，由於多孔矽層均勻分布於單晶矽襯底上，受力 均勻，因此可以穩定地支撐其上的下絕緣層薄膜，從而有效避免器件受到震動或者碰撞時 薄膜狀絕緣層發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定性，降低 對其工作環境的要求。另外，還可以有效避免氣體傳感器在高溫工作時下絕緣層變形翹曲 導致的加熱層脫落，從而提高氣體傳感器的使用壽命。
[0036] (2)由於多孔矽的孔隙細密，其間的空氣流動較慢，使其具有良好的隔熱性能。採 用多孔矽層作為隔熱層，將加熱層設置於多孔矽層的正上方區域內，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靈敏度。
[0037] (3)在多孔矽層的上表面及孔壁表面覆蓋一層二氧化矽薄膜，可以有效解決暴露 在空氣中的孔壁熱導率較高導致的熱量損耗，進一步地降低功耗，增強隔熱效果。
[0038] (4)與傳統的絕熱槽相比，多孔矽層的製備工藝簡單，成本低廉，更容易控制，從而 可以有效地提升生產效率，降低成本。
[0039] (5)在單晶矽襯底上刻蝕多孔矽層作為隔熱層，同時作為支撐層，可以節省氣體傳 感器空間，簡化氣體傳感器整體結構。
[0040] (6)採用矽基材料作為氣體傳感器材料，易於通過MEMS加工技術製作，加工工藝 成熟，加工效率高。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0041] 為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現 有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本 發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以 根據這些附圖獲得其它附圖。
[0042] 圖1是本發明的MEMS氣體傳感器的結構示意圖；
[0043] 圖2是本發明的MEMS氣體傳感器中多孔矽層的局部放大結構示意圖；
[0044] 圖3是本發明的MEMS氣體傳感器加工方法中步驟S1完成後的結構示意圖；
[0045] 圖4是本發明的MEMS氣體傳感器加工方法中步驟S1完成後的多孔矽層的局部放 大結構示意圖；
[0046] 圖5是本發明的MEMS氣體傳感器加工方法中步驟S2完成後的結構示意圖；
[0047] 圖6是本發明的MEMS氣體傳感器加工方法中步驟S2完成後的多孔矽層的局部放 大結構示意圖；
[0048] 圖7是本發明的MEMS氣體傳感器加工方法中步驟S3完成後的結構示意圖；
[0049] 圖8是本發明的MEMS氣體傳感器加工方法中步驟S4完成後的結構示意圖；
[0050] 圖9是本發明的MEMS氣體傳感器加工方法中步驟S5中製備好上絕緣層後的結構 示意圖；
[0051] 圖10是本發明的MEMS氣體傳感器加工方法中步驟S5後製備好溫度敏感層和氣 體敏感層的結構示意圖；
[0052] 圖11是本發明的MEMS氣體傳感器加工方法中步驟S6完成後的結構示意圖；
[0053] 圖12是本發明的MEMS氣體傳感器帶有第二粘接層的氣體傳感器的結構示意圖；
[0054] 圖13是本發明的MEMS氣體傳感器帶有第一粘接層和第二粘接層的氣體傳感器的 結構示意圖。
[0055] 圖中的附圖標記對應為：1-單晶矽襯底，2-多孔矽層，21-二氧化矽薄膜，3-下絕 緣層，31-第一粘接層，4-加熱層，5-上絕緣層，51-第二粘接層，6-加熱層引線窗，7-溫度 敏感層，8-氣體敏感層電極，9氣體敏感層。

【具體實施方式】
[0056] 下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完 整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於 本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動的前提下所獲得的所有其 他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
[0057] 實施例1
[0058] 如圖1、2所不，本發明實施例1公開了一種MEMS氣體傳感器，包括：
[0059] 單晶矽襯底1 ;多孔矽層2,形成於所述單晶矽襯底1的上表面且具有一定深度，所 述多孔矽層2的上表面及孔壁表面形成有二氧化矽薄膜21，且所述多孔矽層2的上表面與 所述單晶矽襯底1的上表面平齊；下絕緣層3,覆蓋所述多孔矽層2及所述單晶矽襯底1的 上表面；加熱層4,設置於所述下絕緣層3的上表面，且所述加熱層4位於所述多孔矽層2的 正上方區域內；上絕緣層5,覆蓋所述加熱層4的上表面；氣體敏感層9,設置於所述上絕緣 層5的上表面，且所述氣體敏感層9位於所述加熱層4的正上方區域內。所述氣體傳感器 還包括：溫度敏感層7,設置於所述上絕緣層5的上表面；氣體敏感層電極8,設置於所述上 絕緣層5的上表面，且所述氣體敏感層電極8和所述溫度敏感層7位於所述加熱層4正上 方區域內的不同位置，且所述氣體敏感層9覆蓋所述氣體敏感層電極8及兩電極之間的所 述上絕緣層5的上表面，從而連通所述氣體敏感層電極8。
[0060] 本發明的所述加熱層4位於所述多孔矽層2的正上方區域內，使得所述多孔矽層 2能夠更穩定地支撐加熱層，有效防止器件受到震動碰撞時因為沒有有效支撐而發生的破 裂，還可以有效避免氣體傳感器在高溫工作時下絕緣層變形翹曲導致的加熱層脫落。同時， 所述加熱層4位於所述多孔矽層2的正上方區域內，還能保證充分的隔熱效果。
[0061] 所述多孔矽層2的厚度為20 μ m。多孔矽的隔熱效果與孔隙率成正比，當孔隙率為 90%時，其熱導率可低至lwAm ·Κ)。本發明實施例1的所述多孔矽層2的孔隙率為50%， 且所述二氧化矽薄膜21的厚度為100nm。
[0062] 由於加熱層一般電導率較高，為了保證安全，在所述單晶矽襯底1及所述多孔矽 層2上設置下絕緣層3。由於二氧化矽具有較好的絕緣性能，所述的下絕緣層3是厚度為 100_500nm的二氧化娃，本實施例中優選為lOOnm。
[0063] 可選的，所述下絕緣層3也可以是厚度為100-800nm的氮化矽膜層。
[0064] 加熱層用來對氣體傳感器加熱，保證氣體傳感器能在較低溫度下工作。所述加熱 層4為100-500nm的多晶矽加熱絲層，本實施例中選為200nm。
[0065] 由於加熱層一般電導率較高，為了保證安全，在所述加熱層4上設置上絕緣層5。 由於二氧化矽具有較好的絕緣性能，所述的上絕緣層5是厚度為100-500nm的二氧化矽，本 實施例中優選為l〇〇nm。
[0066] 可選的，所述上絕緣層5也可以是厚度為100-800nm的氮化矽膜層。
[0067] 為了便於加熱層引線，本發明的所述上絕緣層邊緣具有若干缺口形成加熱層引線 窗6。
[0068] 所述溫度敏感層7為測溫電阻，通過測量其阻值可以得到加熱層4的溫度。優選 的，所述溫度敏感層7和所述氣體敏感層電極8為厚度150-500nm的金屬鉬，本實施例中優 選為150nm。
[0069] 可選的，所述溫度敏感層7和所述氣體敏感層電極8也可以是能實現上述功能的 其他金屬膜層。
[0070] 可選的，為了使所述溫度敏感層7和所述氣體敏感層電極8更加穩固地連接到所 述上絕緣層5上，在所述溫度敏感層7和所述氣體敏感層電極8與所述上絕緣層5之間設 置第二粘接層51，優選為鈦粘接層，厚度優選為50nm，如圖12所示。
[0071] 通過測量待測氣體分子在所述氣體敏感層9的表面與其發生反應引起的電阻率 的變化，實現對氣體的探測。優選的，所述氣體敏感層9為20-300nm的Sn0 2，本實施例中選 為20nm。所述氣體敏感層9覆蓋所述氣體敏感層電極8及兩電極之間的所述上絕緣層5的 表面，從而連通所述氣體敏感層電極8。
[0072] 可選的，或者所述氣體敏感層9可以為其他氣敏材料。
[0073] 本發明還提供了一種MEMS氣體傳感器的加工方法，包括以下步驟：
[0074] S1、在單晶矽襯底的上表面製備多孔矽層，如圖3、4所示；
[0075] S2、在製備好的多孔矽層的上表面及孔壁表面製備二氧化矽薄膜21，如圖5、6所 示；
[0076] S3、在具有所述多孔矽層2的單晶矽襯底1的上表面製備下絕緣層3,如圖7所示；
[0077] S4、在製備好的下絕緣層3的上表面製備加熱層4,所述加熱層4位於所述多孔矽 層2的正上方區域內，如圖8所示；
[0078] S5、在製備好的加熱層4的上表面，按照步驟S3的方法製備上絕緣層5 ;
[0079] 優選的，為了便於加熱層引線，本發明在步驟S5中製備所述上絕緣層時邊緣保留 若干缺口形成加熱層引線窗6,如圖9所示。
[0080] 優選的，本發明在製備好的上絕緣層5的上表面製備溫度敏感層7和氣體敏感層 電極8,所述氣體敏感層電極8和所述溫度敏感層7位於所述加熱層4正上方區域內的不同 位置，如圖10所示。
[0081] S6、在製備好的上絕緣層5的上表面製備氣體敏感層9,所述氣體敏感層9位於所 述加熱層4的正上方區域內，且所述氣體敏感層9覆蓋所述氣體敏感層電極8兩電極之間 的所述上絕緣層的上表面，從而連通所述氣體敏感層電極8，如圖11所示。
[0082] 可選的，所述單晶矽襯底1的尺寸可以為2寸、4寸或6寸。
[0083] 所述的方法還包括：在所述S1步驟前，利用酸溶液、有機溶劑和去離子水等溶液 對所述單晶矽襯底進行清洗，然後用氮氣吹乾。
[0084] 所述步驟S1中的製備所述多孔矽層2的方法為電化學方法，具體為：採用齊納擊 穿產生空穴工藝來製備，腐蝕液為1 % HF溶液，電壓為2V。
[0085] 可選的，所述多孔矽層2也可以採用光化學腐蝕法、刻蝕法或水熱腐蝕法製備。
[0086] 所述步驟S2中的製備二氧化矽薄膜的方法為熱氧化方法，製備得到的所述二氧 化矽薄膜的厚度為l〇〇nm。具體過程為：將具有所述多孔矽層2的單晶矽襯底1使用熱氧 化工藝退火，溫度為900攝氏度，時間為5小時。
[0087] 所述步驟S1中，製備所述多孔矽層2時，所述加熱層4落在所述多孔矽層2的正 上方區域內，使得所述多孔矽層2能夠更穩定地支撐加熱層4,有效防止器件受到震動碰撞 時因為沒有有效支撐而發生的破裂。同時，所述加熱層4位於所述多孔矽層2的正上方區 域內，還能保證充分的隔熱效果。
[0088] 所述步驟S1中製備得到的所述多孔矽層2的厚度為20 μ m。多孔矽的隔熱效果與 孔隙率成正比，當孔隙率為90%時，其熱導率可低至lW(m · K)。本發明的所述多孔矽層2 的孔隙率為50%，且所述二氧化矽薄膜21的厚度為100nm。
[0089] 為了保證安全，在所述單晶矽襯底1及所述多孔矽層2上設置下絕緣層3。由於二 氧化矽具有較好的絕緣性能，可以用做絕緣層。步驟S3中製備下絕緣層3的方法為：在所 述單晶娃襯底1及所述多孔娃層2上磁控溉射沉積一層二氧化娃，其厚度為100-500nm，本 實施例中優選為l〇〇nm。
[0090] 可選的，所述下絕緣層3也可以是厚度為100-800nm的氮化矽膜層。
[0091] 所述步驟S4中製備所述加熱層的方法為：在所述下絕緣層上沉積一層多晶矽，在 多晶矽上勻膠光刻定義出加熱層的形狀及位置作為阻擋層，利用離子反應刻蝕去掉多餘的 多晶矽得到多晶矽加熱絲層，所述多晶矽加熱絲層的厚度為100_500nm，本實施例中優選為 200nm〇
[0092] 為了保證安全，在所述加熱層4上設置上絕緣層5。由於二氧化矽具有較好的絕緣 性能，可以用做絕緣層。步驟S5中製備上絕緣層5的方法為：在所述加熱層4上磁控濺射 沉積一層二氧化矽，其厚度為100-500nm，本實施例中優選為lOOnm。
[0093] 可選的，所述上絕緣層5也可以是厚度為100-800nm的氮化矽膜層。
[0094] 可選的，為了使所述溫度敏感層7和所述氣體敏感層電極8更加穩固地連接到所 述上絕緣層5上，在所述步驟S5之後，還包括：在所述上絕緣層5上製備第二粘接層51，制 備方法為：在所述上絕緣層5上磁控濺射沉積一層金屬鈦形成第二粘接層51，厚度優選為 50nm，如圖12所示。
[0095] 所述溫度敏感層7為測溫電阻，通過測量其阻值可以得到加熱層4的溫度。所述 步驟S5後製備溫度敏感層7和所述氣體敏感層電極8的方法為：在上述步驟製得的第二粘 接層51的上表面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，磁控濺射 沉積一層金屬鉬，採用剝離工藝去除光刻膠，得到金屬鉬測溫電阻以及氣體敏感層電極。所 述溫度敏感層7和所述氣體敏感層電極8的厚度150-500nm，本實施例中優選為150nm。
[0096] 可選的，所述溫度敏感層7和所述氣體敏感層電極8也可以為能實現上述功能的 其他金屬膜層。
[0097] 通過測量待測氣體分子在所述氣體敏感層9表面與其發生反應引起的電阻率的 變化，實現對氣體的探測。所述氣體敏感層9覆蓋所述氣體敏感層電極8及兩電極之間的所 述上絕緣層5的表面，從而連通所述氣體敏感層電極8。所述步驟S6中製備氣體敏感層9 的方法為：勻膠光刻定義出氣體敏感層的位置，採用磁控濺射的方式濺射一層金屬氧化物， 採用剝離工藝去除光刻膠得到氣體敏感層9。優選的，所述金屬氧化物為20-300nm的Sn0 2， 優選為20nm。
[0098] 可選的，所述金屬氧化物可以為其他氣敏材料。
[0099] 實施本發明，可達到以下有益效果：
[0100] (1)在單晶矽襯底上設置多孔矽層，由於多孔矽層均勻分布於單晶矽襯底上，受力 均勻，因此可以穩定地支撐其上的下絕緣層薄膜，從而有效避免器件受到震動或者碰撞時 薄膜狀絕緣層發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定性，降低 對其工作環境的要求。另外，還可以有效避免氣體傳感器在高溫工作時下絕緣層變形翹曲 導致的加熱層脫落，從而提高氣體傳感器的使用壽命。
[0101] (2)由於多孔矽的孔隙細密，其間的空氣流動較慢，使其具有良好的隔熱性能。採 用多孔矽層作為隔熱層，將加熱層設置於多孔矽層的正上方區域內，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靈敏度。
[0102] (3)在多孔矽層的上表面及孔壁表面覆蓋一層二氧化矽薄膜，可以有效解決暴露 在空氣中的孔壁熱導率較高導致的熱量損耗，進一步地降低功耗，增強隔熱效果。
[0103] (4)與傳統的絕熱槽相比，多孔矽層的製備工藝簡單，成本低廉，更容易控制，從而 可以有效地提升生產效率，降低成本。
[0104] (5)在單晶矽襯底上刻蝕多孔矽層作為隔熱層，同時作為支撐層，可以節省氣體傳 感器空間，簡化氣體傳感器整體結構。
[0105] (6)採用矽基材料作為氣體傳感器材料，易於通過MEMS加工技術製作，加工工藝 成熟，加工效率高。
[0106] 實施例2
[0107] 如圖1、2所不，本發明實施例2公開了一種MEMS氣體傳感器，包括：
[0108] 單晶矽襯底1 ;多孔矽層2,形成於所述單晶矽襯底1的上表面且具有一定深度，所 述多孔矽層2的上表面及孔壁表面形成有二氧化矽薄膜21，且所述多孔矽層2的上表面與 所述單晶矽襯底1的上表面平齊；下絕緣層3,覆蓋所述多孔矽層2及所述單晶矽襯底1的 上表面；加熱層4,設置於所述下絕緣層3的上表面，且所述加熱層4位於所述多孔矽層2的 正上方區域內；上絕緣層5,覆蓋所述加熱層4的上表面；氣體敏感層9,設置於所述上絕緣 層5的上表面，且所述氣體敏感層9位於所述加熱層4的正上方區域內。所述氣體傳感器 還包括：溫度敏感層7,設置於所述上絕緣層5的上表面；氣體敏感層電極8,設置於所述上 絕緣層5的上表面，且所述氣體敏感層電極8和所述溫度敏感層7位於所述加熱層4正上 方區域內的不同位置，且所述氣體敏感層9覆蓋所述氣體敏感層電極8及兩電極之間的所 述上絕緣層5的上表面，從而連通所述氣體敏感層電極8。
[0109] 本發明的所述加熱層4位於所述多孔矽層2的正上方區域內，使得所述多孔矽層 2能夠更穩定地支撐加熱層，有效防止器件受到震動碰撞時因為沒有有效支撐而發生的破 裂，還可以有效避免氣體傳感器在高溫工作時下絕緣層變形翹曲導致的加熱層脫落。同時， 所述加熱層4位於所述多孔矽層2的正上方區域內，還能保證充分的隔熱效果。
[0110] 為了保證較好的隔熱效果，所述多孔矽層2的厚度為ΙΟΟμπι。多孔矽的隔熱效果 與孔隙率成正比，當孔隙率為90%時，其熱導率可低至lW(m ·Κ)。本發明的所述多孔矽層 2的孔隙率為90 %，且所述二氧化矽薄膜21的厚度為500nm。
[0111] 由於加熱層一般電導率較高，為了保證安全，在所述單晶矽襯底1及所述多孔矽 層2上設置下絕緣層3。由於二氧化矽具有較好的絕緣性能，所述的下絕緣層3是厚度為 100_500nm的二氧化娃，本實施例中選為500nm。
[0112] 可選的，所述下絕緣層3也可以是厚度為100-800nm的氮化矽膜層。
[0113] 加熱層用來對氣體傳感器加熱，保證氣體傳感器能在較低溫度下工作。所述加熱 層4為50-200nm厚的金屬鉬加熱絲層，本實施例中選為200nm。
[0114] 可選的，為了使所述加熱層4更加穩固地連接到所述下絕緣層3上，在所述下絕緣 層3的上表面上與所述加熱層4相對應的位置設置第一粘接層31，優選為鈦粘接層，厚度優 選為50nm，如圖13所示。
[0115] 由於加熱層一般電導率較高，為了保證安全，在所述加熱層4上設置上絕緣層5。 由於二氧化矽具有較好的絕緣性能，所述的上絕緣層5是厚度為100-500nm的二氧化矽，本 實施例中優選為500nm。
[0116] 可選的，所述上絕緣層5也可以是厚度為100-800nm的氮化矽膜層。
[0117] 為了便於加熱層引線，本發明的所述上絕緣層邊緣具有若干缺口形成加熱層引線 窗6。
[0118] 所述溫度敏感層7為測溫電阻，通過測量其阻值可以得到加熱層4的溫度。優選 的，所述溫度敏感層7和所述氣體敏感層電極8為厚度150-500nm的金屬鉬，本實施例中優 選為500nm。
[0119] 可選的，所述溫度敏感層7和所述氣體敏感層電極8也可以是能實現上述功能的 其他金屬膜層。
[0120] 可選的，為了使所述溫度敏感層7和所述氣體敏感層電極8更加穩固地連接到所 述上絕緣層5上，在所述溫度敏感層7和所述氣體敏感層電極8與所述上絕緣層5之間設 置第二粘接層51，優選為鈦粘接層，厚度優選為50nm，如圖13所示。
[0121] 通過測量待測氣體分子在所述氣體敏感層9的表面與其發生反應引起的電阻率 的變化，實現對氣體的探測。優選的，所述氣體敏感層9為20-300nm的Sn0 2，優選為300nm。 所述氣體敏感層9覆蓋所述氣體敏感層電極8及兩電極之間的所述上絕緣層5的表面，從 而連通所述氣體敏感層電極8。
[0122] 可選的，或者所述氣體敏感層9可以為其他氣敏材料。
[0123] 本發明還提供了一種MEMS氣體傳感器的加工方法，包括以下步驟：
[0124] S1、在單晶矽襯底的上表面製備多孔矽層，如圖3、4所示；
[0125] S2、在製備好的多孔矽層的上表面及孔壁表面製備二氧化矽薄膜21，如圖5、6所 示；
[0126] S3、在具有所述多孔矽層2的單晶矽襯底1的上表面製備下絕緣層3,如圖7所示；
[0127] S4、在製備好的下絕緣層3的上表面製備加熱層4,所述加熱層4位於所述多孔矽 層2的正上方區域內，如圖8所示；
[0128] S5、在製備好的加熱層4的上表面，按照步驟S3的方法製備上絕緣層5 ;
[0129] 優選的，為了便於加熱層引線，本發明在步驟S5中製備所述上絕緣層時邊緣保留 若干缺口形成加熱層引線窗6,如圖9所示。
[0130] 優選的，本發明在製備好的上絕緣層5的上表面製備溫度敏感層7和氣體敏感層 電極8,所述氣體敏感層電極8和所述溫度敏感層7位於所述加熱層4正上方區域內的不同 位置，如圖10所示。
[0131] S6、在製備好的上絕緣層5的上表面製備氣體敏感層9,所述氣體敏感層9位於所 述加熱層4的正上方區域內，且所述氣體敏感層9覆蓋所述氣體敏感層電極8兩電極之間 的所述上絕緣層的上表面，從而連通所述氣體敏感層電極8，如圖11所示。
[0132] 可選的，所述單晶矽襯底1的尺寸可以為2寸、4寸或6寸。
[0133] 所述的方法還包括：在所述S1步驟前，利用酸溶液、有機溶劑和去離子水等溶液 對所述單晶矽襯底進行清洗，然後用氮氣吹乾。
[0134] 所述步驟S1中的製備所述多孔矽層2的方法為電化學方法，具體為：採用齊納擊 穿產生空穴工藝來製備，腐蝕液為5% HF溶液，電壓為5V。
[0135] 可選的，所述多孔矽層2也可以採用光化學腐蝕法、刻蝕法或水熱腐蝕法製備。
[0136] 所述步驟S2中的製備二氧化矽薄膜的方法為熱氧化方法，製備得到的所述二氧 化矽薄膜的厚度為500nm。具體為：將具有所述多孔矽層2的單晶矽襯底1使用熱氧化工 藝退火，溫度為1200攝氏度，時間為10小時。
[0137] 所述步驟S1中，製備所述多孔矽層2時，所述加熱層4落在所述多孔矽層2的正 上方區域內，使得所述多孔矽層2能夠更穩定地支撐加熱層4,有效防止器件受到震動碰撞 時因為沒有有效支撐而發生的破裂。同時，所述加熱層4位於所述多孔矽層2的正上方區 域內，還能保證充分的隔熱效果。
[0138] 為了保證較好的隔熱效果，所述步驟S1中製備得到的所述多孔矽層2的厚度 為100 μ m。多孔矽的隔熱效果與孔隙率成正比，當孔隙率為90 %時，其熱導率可低至lw/ (m · K)，因此，本發明實施例2的所述多孔矽層2的孔隙率為90%。
[0139] 為了保證安全，在所述單晶矽襯底1及所述多孔矽層2上設置下絕緣層3。由於二 氧化矽具有較好的絕緣性能，可以用做絕緣層。步驟S3中製備下絕緣層3的方法為：在所 述單晶矽襯底1及所述多孔矽層2上磁控濺射沉積一層二氧化矽，其厚度為100-500nm，優 選為500nm。
[0140] 可選的，所述下絕緣層3也可以是厚度為100-800nm的氮化矽膜層。
[0141] 可選的，為了使所述加熱層4更加穩固地連接到所述下絕緣層3上，在所述下絕緣 層3的上表面與所述加熱層4對應的位置磁控濺射沉積第一粘接層31，優選為鈦粘接層，厚 度優選為50nm，如圖13所示。
[0142] 所述步驟S4中製備所述加熱層的方法為：在所述下絕緣層上勻膠光刻定義出加 熱層的形狀及位置，磁控濺射沉積一層金屬鉬，採用剝離工藝去除光刻膠，得到金屬鉬加熱 絲層。優選的，所述金屬鉬加熱絲層厚度為50-200nm，優選為200nm。
[0143] 為了保證安全，在所述加熱層4上設置上絕緣層5。由於二氧化矽具有較好的絕緣 性能，可以用做絕緣層。步驟S5中製備上絕緣層5的方法為：在所述加熱層4上磁控濺射 沉積一層二氧化矽，其厚度為100-500nm，優選為500nm。
[0144] 可選的，所述上絕緣層5也可以是厚度為100-800nm的氮化矽膜層。
[0145] 可選的，為了使所述溫度敏感層7和所述氣體敏感層電極8更加穩固地連接到所 述上絕緣層5上，在所述步驟S5之後，還包括：在所述上絕緣層5上製備第二粘接層51，制 備方法為：在所述上絕緣層5上磁控濺射沉積一層金屬鈦形成第二粘接層51，厚度優選為 50nm，如圖13所示。
[0146] 所述溫度敏感層7為測溫電阻，通過測量其阻值可以得到加熱層4的溫度。所述 步驟S5後中製備溫度敏感層7和所述氣體敏感層電極8的方法為：在上述步驟製得的第二 粘接層51的上表面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，磁控濺 射沉積一層金屬鉬，採用剝離工藝去除光刻膠，得到金屬鉬測溫電阻以及氣體敏感層電極。 優選的，所述溫度敏感層7和所述氣體敏感層電極8的厚度150-500nm，本實施例中優選為 500nm〇
[0147] 可選的，所述溫度敏感層7和所述氣體敏感層電極8也可以為能實現上述功能的 其他金屬膜層。
[0148] 通過測量待測氣體分子在所述氣體敏感層9表面與其發生反應引起的電阻率的 變化，實現對氣體的探測。所述氣體敏感層9覆蓋所述氣體敏感層電極8及兩電極之間的所 述上絕緣層5的表面，從而連通所述氣體敏感層電極8。所述步驟S6中製備氣體敏感層9 的方法為：勻膠光刻定義出氣體敏感層的位置，採用磁控濺射的方式濺射一層金屬氧化物， 採用剝離工藝去除光刻膠得到氣體敏感層9。優選的，所述金屬氧化物為20-300nm的Sn0 2， 優選為300nm。
[0149] 可選的，所述金屬氧化物可以為其他氣敏材料。
[0150] 實施本發明，可達到以下有益效果：
[0151] (1)在單晶矽襯底上設置多孔矽層，由於多孔矽層均勻分布於單晶矽襯底上，受力 均勻，因此可以穩定地支撐其上的下絕緣層薄膜，從而有效避免器件受到震動或者碰撞時 薄膜狀絕緣層發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定性，降低 對其工作環境的要求。另外，還可以有效避免氣體傳感器在高溫工作時下絕緣層變形翹曲 導致的加熱層脫落，從而提高氣體傳感器的使用壽命。
[0152] (2)由於多孔矽的孔隙細密，其間的空氣流動較慢，使其具有良好的隔熱性能。採 用多孔矽層作為隔熱層，將加熱層設置於多孔矽層的正上方區域內，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靈敏度。
[0153] (3)在多孔矽層的上表面及孔壁表面覆蓋一層二氧化矽薄膜，可以有效解決暴露 在空氣中的孔壁熱導率較高導致的熱量損耗，進一步地降低功耗，增強隔熱效果。
[0154] (4)與傳統的絕熱槽相比，多孔矽層的製備工藝簡單，成本低廉，更容易控制，從而 可以有效地提升生產效率，降低成本。
[0155] (5)在單晶矽襯底上刻蝕多孔矽層作為隔熱層，同時作為支撐層，可以節省氣體傳 感器空間，簡化氣體傳感器整體結構。
[0156] (6)採用矽基材料作為氣體傳感器材料，易於通過MEMS加工技術製作，加工工藝 成熟，加工效率高。
[0157] 以上所揭露的僅為本發明一種較佳實施例而已，當然不能以此來限定本發明之權 利範圍，因此依本發明權利要求所作的等同變化，仍屬本發明所涵蓋的範圍。
【權利要求】
1. 一種MEMS氣體傳感器，其特徵在於，包括： 單晶娃襯底（1); 多孔矽層（2)，形成於所述單晶矽襯底（1)的上表面且具有一定深度，所述多孔矽層 (2)的上表面及孔壁表面形成有二氧化矽薄膜（21)，且所述多孔矽層（2)與所述單晶矽襯 底（1)的上表面平齊； 下絕緣層（3)，覆蓋所述多孔矽層（2)及所述單晶矽襯底（1)的上表面； 加熱層（4)，設置於所述下絕緣層（3)的上表面，且所述加熱層（4)位於所述多孔矽層 (2)的正上方區域內； 上絕緣層（5)，覆蓋所述加熱層（4)的上表面； 氣體敏感層（9)，設置於所述上絕緣層（5)的上表面，且所述氣體敏感層（9)位於所述 加熱層（4)的正上方區域內。
2. 如權利要求1所述的MEMS氣體傳感器，其特徵在於，所述氣體傳感器還包括： 溫度敏感層（7)，設置於所述上絕緣層（5)的上表面； 氣體敏感層電極（8)，設置於所述上絕緣層（5)的上表面，且所述氣體敏感層電極（8) 和所述溫度敏感層（7)位於所述加熱層（4)正上方區域內的不同位置，且所述氣體敏感層 (9)覆蓋所述氣體敏感層電極（8)及兩電極之間的所述上絕緣層（5)的上表面，從而連通所 述氣體敏感層電極（8)。
3. 如權利要求1或2所述的MEMS氣體傳感器，其特徵在於，所述多孔矽層（2)的厚度 為20-100 μ m，孔隙率為50% -90%，且所述二氧化矽薄膜（21)的厚度為100-500nm。
4. 如權利要求1或2所述的MEMS氣體傳感器，其特徵在於，所述上絕緣層（5)邊緣具 有若干缺口形成加熱層引線窗（6)。
5. -種MEMS氣體傳感器的加工方法，其特徵在於，包括以下步驟： 51、 在單晶矽襯底的上表面製備多孔矽層； 52、 在製備好的多孔矽層的上表面及孔壁表面製備二氧化矽薄膜； 53、 在具有所述多孔矽層的單晶矽襯底的上表面製備下絕緣層； 54、 在製備好的下絕緣層的上表面製備加熱層，所述加熱層位於所述多孔矽層的正上 方區域內； 55、 在製備好的加熱層的上表面，按照步驟S3的方法製備上絕緣層； 56、 在製備好的上絕緣層的上表面製備氣體敏感層，所述氣體敏感層位於所述加熱層 的正上方區域內。
6. 如權利要求5所述MEMS氣體傳感器的加工方法，其特徵在於，所述方法在步驟S5後 還包括以下步驟： 在製備好的上絕緣層的上表面製備溫度敏感層和氣體敏感層電極，製備得到的所述氣 體敏感層電極和所述溫度敏感層位於所述加熱層正上方區域內的不同位置，且所述氣體敏 感層覆蓋所述氣體敏感層電極及兩電極之間的所述上絕緣層的上表面，從而連通所述氣體 敏感層電極。
7. 如權利要求5或6所述的MEMS氣體傳感器的加工方法，其特徵在於，所述步驟S1中 的製備所述多孔矽層的方法為電化學方法。
8. 如權利要求5或6所述的MEMS氣體傳感器的加工方法，其特徵在於，所述步驟S1中 製備得到的所述多孔矽層的厚度為20-100 μ m，孔隙率為50% -90%。
9. 如權利要求5或6所述的MEMS氣體傳感器的加工方法，其特徵在於，所述步驟S2中 的製備二氧化矽薄膜的方法為熱氧化方法，且所述二氧化矽薄膜的厚度為100_500nm。
10. 如權利要求5或6所述的MEMS氣體傳感器的加工方法，其特徵在於，在步驟S5中 製備所述上絕緣層時邊緣保留若干缺口形成加熱層引線窗。
【文檔編號】G01N27/14GK104142359SQ201410345483
【公開日】2014年11月12日 申請日期:2014年7月18日 優先權日:2014年7月18日
【發明者】沈方平, 張珽, 祁明鋒, 劉瑞, 丁海燕, 谷文 申請人:蘇州能斯達電子科技有限公司