CN114014257B 一种硅基mems气体传感器芯片的制备方法及应用 （华中科技大学）

(19)国家知识产权局(12)发明专利(10)授权公告号CN114014257B(65)同一申请的已公布的文献号(43)申请公布日2022.02.08(73)专利权人华中科技大学地址430074湖北省武汉市洪山区珞喻路1037号(72)发明人段国韬张征张彦林吕国梁(74)专利代理机构华中科技大学专利中心专利代理师祝丹晴G01N27/12(2006.01)BasedonPdNanoparticlesModifFilmPatterns.ADVANCEDSCIENCE.2023,第10卷(第26期),2302614.审查员胡世聪(54)发明名称一种硅基MEMS气体传感器芯片的制备方法及应用本发明公开了一种硅基MEMS气体传感器芯支撑层表面晶圆级沉积金属形成加热电极；S3、在加热电极表面晶圆级沉积绝缘层；S4、在绝缘层表面晶圆级制备腐蚀窗口和测试电极；S5、在测试电极表面晶圆级沉积粘结层；S6、在粘结层表面整体制备气敏薄膜；S7、在腐蚀窗口处通入腐蚀液，对气敏薄膜所在区域下方的硅晶圆基片传感器芯片；其中，粘结层与气敏薄膜的材料相同。本发明所得的气体传感器芯片兼具高稳定和在硅晶圆基片上表面沉积绝缘材料，形在硅晶圆基片上表面沉积绝缘材料，形成覆盖于硅品圆基片之上的悬臂支撑层在上述悬臂支撑层表面品圆级沉积金属形成加热电极在上述加热电极表面品圆级沉积绝缘层，使绝缘层覆盖悬臂支撑层和加热电极在上述绝缘层表面晶圆级制备腐蚀窗口和测试电极在上述测试电极表面晶圆级沉积粘结层在上述粘结层表面整体制备气敏薄膜在上述腐蚀窗口处通入腐蚀液，对气敏薄膜所在区域下方的硅晶圆基片进行湿法腐蚀后，得到气体传感器晶圆对气体传感器品圆进行划片处理，得到硅基MEMS气体传感器芯片2S1、在硅晶圆基片上表面沉积绝缘材料，形成覆盖于硅晶圆基片之上的悬臂支撑层；S2、在所述悬臂支撑层表面晶圆级沉积金属形成加热电极；S3、在所述加热电极表面晶圆级沉积绝缘层，使所述绝缘层覆盖所述悬臂支撑层和所述加热电极；S4、在所述绝缘层表面晶圆级制备腐蚀窗口和测试电极；所述腐蚀窗口位于所述加热电极的四周，并贯穿所述绝缘层和所述悬臂支撑层；所述测试电极位于所述加热电极的正S5、在所述测试电极表面晶圆级沉积粘结层；S6、在所述粘结层表面光刻整体制备气敏薄膜；S7、在所述腐蚀窗口处通入腐蚀液，对所述气敏薄膜所在区域下方的硅晶圆基片进行湿法腐蚀，使得所述气敏薄膜所在区域下方的硅晶圆基片完全腐蚀，从而释放悬臂，得到气体传感器晶圆；S8、对所述气体传感器晶圆进行划片处理，得到硅基MEMS气体传感器芯片，从而实现在一个硅晶圆基片上同时制备多个硅基MEMS气体传感器芯片；其中，所述粘结层的材料与所述气敏薄膜的材料相同。2.根据权利要求1所述的硅基MEMS气体传感器芯片的制备方法，其特征在于，所述绝缘材料为氧化物或氮化物或二者的混合物。3.根据权利要求2所述的硅基MEMS气体传感器芯片的制备方法，其特征在于，所述绝缘材料为ONO复合膜。4.根据权利要求1所述的硅基MEMS气体传感器芯片的制备方法，其特征在于，所述加热电极的材料为钛-铂金属。5.根据权利要求1所述的硅基MEMS气体传感器芯片的制备方法，其特征在于，所述测试电极为叉指电极或梳状电极。6.一种硅基MEMS气体传感器芯片，其特征在于，采用权利要求1-5任意一项所述的硅基3一种硅基MEMS气体传感器芯片的制备方法及应用技术领域[0001]本发明属于气体检测技术领域，更具体地，涉及一种硅基MEMS气体传感器芯片的制备方法及应用。背景技术[0002]金属氧化物半导体薄膜气体传感器具有灵敏度高、响应速度快等优点，已被广泛应用于工业安全、生物医疗、智慧城市等领域。而随着后摩尔时代的到来以及“MorethanMoore”思路的提出，面向全方位智能传感的新型智能传感器成为重要的发展方向，作为智能传感器的重要组成部分，气体传感器将向小型化、低功耗、集成化方向进一步发展。[0003]传统的硅基MEMS气体传感器芯片制备方法，通常利用刷涂或滴涂的方式将已经制备好的气体敏感材料转移至硅基器件表面。此步骤需要基于单个器件操作，成本较高、效率低下、无法光刻图案化，因此较难实现传感器的批量化生产。另外由于薄膜厚度与密度不均匀，易导致同一器件的不同区域以及不同器件之间材料的比表面积差异大，传感器稳定性和一致性受到影响。发明内容[0004]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种硅基MEMS气体传感器芯片的制备方法及应用，用以解决现有技术制备得到的硅基MEMS气体传感器芯片的稳定性较差的技术问题。[0005]为了实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种硅基MEMS气体传感器芯片的制[0006]S1、在硅晶圆基片上表面沉积绝缘材料，形成覆盖于硅晶圆基片之上的悬臂支撑[0007]S2、在上述悬臂支撑层表面晶圆级沉积金属形成加热电极；[0008]S3、在上述加热电极表面晶圆级沉积绝缘层，使绝缘层覆盖悬臂支撑层和加热电[0009]S4、在上述绝缘层表面晶圆级制备腐蚀窗口和测试电极；其中，腐蚀窗口位于加热电极的四周，并贯穿绝缘层和悬臂支撑层；测试电极位于加热电极的正上方；[0010]S5、在上述测试电极表面晶圆级沉积粘结层；[0012]S7、在上述腐蚀窗口处通入腐蚀液，对气敏薄膜所在区域下方的硅晶圆基片进行湿法腐蚀后，得到气体传感器晶圆；[0014]其中，粘结层的材料与气敏薄膜的材料相同。[0015]进一步优选地，绝缘材料为氧化物或氮化物或二者的混合物。4[0018]进一步优选地，测试电极为叉指电极或梳状[0019]进一步优选地，步骤S7包括：在上述腐蚀窗口处进行湿法腐蚀，使得气敏薄膜所在区域下方的硅晶圆基片完全腐蚀，从而释放悬臂。[0020]第二方面，本发明提供了一种硅基MEMS气体传感器芯片，采用本发明第一方面所提供的硅基MEMS气体传感器芯片的制备方法制备得到。感器包括从下至上依次分布的硅晶圆基片单元、悬臂支撑单元、加热电极、绝缘层、测试电[0022]其中，粘结层的材料与气敏薄膜的材料相同；气敏薄膜所在区域下方的硅晶圆基片单元区域存在凹坑；悬臂支撑单元为悬臂结构，通过悬臂梁固定在凹坑上方。[0023]总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：[0024]1、本发明提供了一种硅基MEMS气体传感器芯片的制备方法，体敏感薄膜后，再湿法腐蚀释放悬臂，完成气敏薄膜与器件的晶圆级集成；在完整晶圆上制备气敏薄膜，可以保证不同器件之间的颗粒分布均匀、薄膜厚度和比表面积维持一致，显著提升传感器的一致性和工作稳定性。[0025]2、本发明所提供的硅基MEMS气体传感器芯片的制备方法，在测试电极与气敏薄膜之间制备与气敏薄膜相同材料的粘结层，利用相同材料的分子间强相互作用力代替传统的弱物理接触，通过加强界面结合力实现气敏薄膜耐腐蚀性的提高，避免后续化学腐蚀造成的薄膜脱落，使得气敏薄膜可以在释放悬臂结构之前制备完成，并不受后续工艺的影响，保持其高灵敏的气敏性能。[0026]3、本发明所提供的硅基MEMS气体传感器芯片的制备方法，相较于传统的单个器件转移材料，晶圆级制备气敏薄膜具有高效率、可批量化的优势，另外此方法制备出的传感器具备晶圆级封装的潜力，未来可进一步缩小器件尺寸，降低制造成本。[0027]4、本发明所提供的硅基MEMS气体传感器芯片的制备方法中，各步骤所采用的薄膜度调制电路、测量与数据的工艺集成提供了发展方向，拓展了智能传感器的研究思路。附图说明[0028]图1为本发明实施例1提供的一种硅基MEMS气体传感器芯片的制备方法流程图；[0029]图2为本发明实施例1提供的硅晶圆沉积悬臂支撑层示意图；[0030]图3为本发明实施例1提供的制备加热电极的示意图；[0031]图4为本发明实施例1提供的沉积绝缘层的示意图；[0032]图5为本发明实施例1提供的刻蚀腐蚀窗口的示意图；[0033]图6为本发明实施例1提供的沉积测试电极的示意图；[0034]图7为本发明实施例1提供的沉积粘结层的示意图；[0035]图8为本发明实施例1提供的制备气敏薄膜的示意图；[0036]图9为本发明实施例1提供的湿法腐蚀体硅形成悬臂梁结构示意图；5[0037]图10为本发明实施例3提供的硅基MEMS气体传感器芯片的结构示意图；[0038]图11为本发明实施例3提供的气体传感器的结构示意图；[0039]图12为本发明实施例3提供的硅晶圆基片示意图；[0040]图13为本发明实施例3提供的悬臂梁支撑层示意图；[0041]图14为本发明实施例3提供的加热电极示意图；[0042]图15为本发明实施例3提供的绝缘层示意图；[0043]图16为本发明实施例3提供的测试电极示意图。具体实施方式[0044]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。[0047]S1、在硅晶圆基片上表面沉积绝缘材料，形成覆盖于硅晶圆基片之上的悬臂支撑[0048]具体地，如图2所示，在基片硅晶圆1表面制备悬臂支撑层2。绝缘材料可以为氧化物或氮化物或二者的混合物，优选为ONO复合膜。本实施例中，以4-12英寸硅晶圆为基片上通过热氧化生长、PECVD或LPCVD工艺制备氧化硅、氮化硅或复合膜支撑层(总厚度[0049]S2、在上述悬臂支撑层表面晶圆级光刻并沉积金属形成加热电极；其中，加热电极的材料可以为具备良好焦耳热效率的材料，如钛-铂金属、多晶硅等；本实施例中优选为钛-铂金属；[0050]具体地，如图3所示，在悬臂支撑层2表面制备加热电极3(中心加热区域面积10um~300um)。本实施例中，使用lift-off工艺或金属刻蚀工艺进行钛/铂金属的淀积(厚度为100nm～500nm),使其用作加热电极3。[0051]S3、在上述加热电极表面晶圆级沉积绝缘层，使绝缘层覆盖悬臂支撑层和加热电[0052]具体地，绝缘层的制备过程如图4所示，在加热电极3上方制备绝缘层4(厚度为设备对表面进行平坦化处理。[0053]S4、在上述绝缘层表面晶圆级制备腐蚀窗口和测试电极；其中，腐蚀窗口位于加热电极的四周，并贯穿绝缘层和悬臂支撑层；测试电极位于加热电极的正上方；[0054]具体地，如图5所示，在绝缘层4表面光刻并干法刻蚀制备腐蚀窗口(腐蚀窗口尺寸100um～500um)。本实施例中，首先利用光刻工艺定义悬臂结构腐蚀窗口的尺寸、形状和形成位置，再通过RIE或ICP等干法刻蚀工艺去除悬臂结构腐蚀窗口对应位置的绝缘层4和悬臂支撑层2,使得悬臂结构腐蚀窗口位置处的硅暴露于上表面，以便于后续湿法腐蚀完成悬6[0055]如图6所示，在所述绝缘层4表面光刻并沉积金属形成测试电极5(测试电极区域面等金属的淀积(厚度为100nm~500nm),使其用作测试电极5。本实施中的测试电极为具备较高检测灵敏度的电极，如叉指电极或梳状电极。[0057]具体地，如图7所示，在测试电极5表面制备粘结层6(粘结层面积10um～300um,厚度为6nm～200nm)。本实施例中，使用光刻剥离工艺进行粘结层的沉积和图案化，作为后续沉积气敏薄膜7的基底材料。[0058]S6、在上述粘结层表面整体制备气敏薄膜；气敏薄膜的面积与粘结层的面积相同。[0059]具体地，如图8所示，在粘结层6表面制备气敏薄膜7(气敏薄膜面积10um～300um,厚度为20nm～500nm)。本实施例中，使用光刻图案化，结合磁控溅射及高温烧结工艺，进行气敏薄膜7的沉积和图案化，以此实现气体传感器的传感功能。[0060]需要说明的是，通过在测试电极与气敏薄膜之间制备与气敏薄膜相同材料的粘结层，提升了二者的界面结合力，实现了对气敏薄膜基底性能的强化，使得气敏薄膜可以在释放悬臂结构之前制备完成，并不受后续工艺的影响，保持其高灵敏气敏性能。粘结层的材料与气敏薄膜的材料相同(可以为氧化铟、氧化锡等材料),与气敏薄膜具有更好的界面结合力，同时也不会影响气敏薄膜的半导体性质。[0061]S7、在上述腐蚀窗口处通入腐蚀液，对气敏薄膜所在区域下方的硅晶圆基片进行同构成气体传感器晶圆；蚀窗口处进行湿法腐蚀，使得气敏薄膜所在区域下方的硅晶圆基片完全腐蚀，从而释放悬臂。本实施例中，将KOH或TMAH等腐蚀溶液浸入悬臂结构腐蚀窗口的对应区域，对基片硅晶圆1的中心区域体硅进行各向异性湿法腐蚀，将上方的悬臂支撑层2、加热电极3、绝缘层4、[0063]需要说明的是，上述图2-图9均以硅基MEMS气体传感器芯片上的一个气体传感器为例进行的图示说明(各气体传感器的制备同时进行，过程均相同),在制备过程中，在一个硅晶圆基片上可以同时制备多个硅基MEMS气体传感器芯片。[0065]具体地，在气体传感器晶圆制备完成后，利用划片、封装等工艺形成硅基MEMS气体传感器芯片。可以先对气体传感器晶圆进行划分切割，再对切割得到的气体传感器阵列进行封装，得到硅基MEMS气体传感器芯片；也可以先对气体传感器晶圆整体进行封装后，再划片分割得到硅基MEMS气体传感器芯片；这种先封装后切割的方法可以获得更小的尺寸，大大提高了硅基MEMS气体传感器芯片的质量，且芯片的一致性较好。[0066]传统的气体传感器如厚膜传感器，往往具有高稳定，但结构过于致密而灵敏度不足；而薄膜传感器往往疏松多孔具有高灵敏度，但界面结合力不足、制备工艺不成熟、无法批量生产，导致稳定性较差。本发明通过沉积粘结层和气敏薄膜，可实现高稳定、高灵敏传感器芯片的制备，实现半导体气敏薄膜和硅基MEMS器件的有效集成，同时保持半导体气敏7本、高稳定等卓越优势，所得的气体传感器芯片兼具高稳定和高灵敏等优良气敏性能，实现了硅基气体敏感薄膜的兼容制造。[0067]实施例2、[0068]一种硅基MEMS气体传感器芯片，采用实施例1所提供的硅基MEMS气体传感器芯片的制备方法制备得到。[0069]相关技术方案同实施例1,这里不做赘述。[0070]实施例3、[0071]如图10所示，一种硅基MEMS气体传感器芯片，包括阵列式排布的气体传感器；气体传感器包括从下至上依次分布的硅晶圆基片单元、悬臂支撑单元、加热电极、绝缘层、测试[0072]其中，最上层为气敏薄膜；气敏薄膜在气体吸附前后表面发生的氧化还原反应导致其电导率变化；基于此半导体性质，气敏薄膜用于将目标气体信息的变化转换成自身电导率的变化；其中，目标气体信息包括目标气体的种类[0073]粘结层的材料与气敏薄膜的材料相同，用于提高气敏薄膜的界面结合力，避免后续工艺造成气敏薄膜脱落。另外，由于粘结层的材料选择与气敏薄膜相同，因此并不会影响气敏薄膜的半导体性质。[0074]测试电极用于利用两电极读取气敏薄膜在目标气体吸附前后的电导率的变化，从而得到目标气体信息；优选地，测试电极可以为叉指电极。[0075]加热电极的材料优选为钛-铂金属，用于利用金属电极的焦耳热效应提供气体传感器所需的工作温度。[0076]绝缘层位于测试电极与加热电极之间，用于是隔绝加热电极与测试电极的电气连接，避免加热电压和测试电极正负两极间的信号串扰，影响传感器的加热和检测信号的传[0077]气敏薄膜所在区域下方的硅晶圆基片单元区域存在凹坑；悬臂支撑单元为悬臂结敏薄膜，防止结构塌陷、悬臂断裂。通过形成悬臂结构可以大大减少导热损失，提高气体传感器的测量精度。悬臂支撑单元的材料为绝缘材料，具体可以为氧化物或氮化物或二者的[0078]需要说明的是，本实施例中的硅基MEMS气体传感器芯片可以由实施例1中所述的硅基MEMS气体传感器芯片的制备方法制备得到，实施例1中所述的硅晶圆基片包括多个硅晶圆基片单元，硅晶圆基片单元为硅晶圆基片的最小单元；同样地，实施例1中所述的悬臂支撑层包括多个悬臂支撑单元，悬臂支撑单元为悬臂支撑层的最小单元。通过实施例1中所硅基MEMS气体传感器芯片中的各硅晶圆基片单元共同构成实施例1中所述的硅晶圆基片；各硅基MEMS气体传感器芯片中的各悬臂支撑单元共同构成实施例1中所述的悬臂支撑层。[0079]具体地，如图11所示，在一种可选实施方式下，气体传感器包括：硅晶圆基片单元[0080]硅晶圆基片单元1’为与半导体气敏薄膜兼容的硅基MEMS气体传感器基片，为硅晶8的凹坑为湿法腐蚀形成的悬空区域。悬空区域上方为悬臂支撑单元2’刻蚀而成的悬臂梁结[0081]悬臂支撑单元2’设置于基片硅晶圆1上方。需要说明的是，对于腐蚀窗口的开口尺寸、窗口数量、形状、不做限制，腐蚀窗口形成中心支撑区域空区域相对应。本实施方式中，如图13所示，中心位置外侧一周平均围绕有四个腐蚀窗口，作为四悬臂结构湿法腐蚀的窗口。四个腐蚀窗口形成的悬臂结构用以支撑上方的加热电极[0082]加热电极3设置于悬臂支撑单元2'上方。如图14所示，加热电极3包括中心加热区域31;中心加热区域的斜对角处分别设置有一个矩形引线区域32(共有两个矩形引线区域);通过对加热电极3两端施加电压，实现对中心加热区域上方的气敏薄膜7提供一定的工作温度。对于中心加热区域和引线区域的形状均不做限制，尺寸、形成位置与悬臂支撑单元2'腐蚀窗口形成的中心支撑区域相对应。[0083]绝缘层4设置于悬臂支撑层2和加热电极3上方，与二者均直接接触。如图15所示，本实施方式下，中心绝缘区域有四个窗口，同样作为四悬臂结构湿法腐蚀的窗口，围成的中心绝缘区域用于隔绝下方加热电极3和上方测试电极5。绝缘层4中心绝缘区域的开口尺寸、形状、形成位置与悬臂支撑单元2'相同。[0084]测试电极5设置于绝缘层4上方。如图16所示，测试电极5包括中心测试区域51;中心测试区域的斜对角处分别设置有一个矩形引线区域52(共有两个矩形引线区域);中心测试区域与上方粘结层6相接触，用于传递气敏薄膜7的电阻信号。对于中心测试区域和引线区域的尺寸、形状均不做限制，形成位置与绝缘层4和悬臂支撑单元2’形成的悬臂结构相对[0085]所述粘结层6设置于测试电极5和气敏薄膜7之间。粘结层6制备在测试电极5的中心测试区域之上，与测试电极直接相连，作为气敏薄膜7的基底材料，防止湿法腐蚀工艺导致其脱落。粘结层6的材料选择