专利名称：金属氧化物半导体纳米薄膜气体传感器用微加热板的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种微加热板及其制造工艺，更具体地是涉及一种金属氧化物半导体 气体传感器用微加热板及其制造工艺，主要用于生产、储备、运输有毒有害气体过程中气体 的安全检测领域。
背景技术：
在日常生活中碰到的还原性气体多为有毒有害气体或易燃易爆气体，如工业排放 SO2, NOx和H2S气体是造成环境污染的最重要的原因；常用做燃料的H2、CH4和CO —旦泄漏 遇明火会发生爆炸事故，其中CO极易与血红蛋白结合从而造成煤气中毒。而检测这些气体 的方法多少都存在需借助大型仪器分析、采用昂贵而复杂的监测系统、灵敏度不高、费时费 力、难于集成，不适合现场实时快速检测等缺点。而金属氧化物半导体气体传感器具有精度 高、反应快、体积小、质量轻功耗低、选择性好、稳定性高、测试系统简单等优点，有很光明的 应用前景。金属氧化物半导体纳米薄膜的气敏性能往往需要被加热到一定温度才能发挥效 果，因此需要在薄膜下制作微加热板，以提供给气敏薄膜足够的温度。传统结构的微加热板 一般采用多层设计，即在绝热层上放置一个加热电极，在加热电极上沉淀一层绝缘层并采 用光刻工艺将绝缘层加工成所需要的形状，再在绝缘层上制作一层叉指信号电极。这样则 需要经过两次溅射和光刻工艺。而且这种结构的传感器，其气敏薄膜上的温度梯度较大，使 敏感薄膜不同区域的工作状态不同，从而降低传感器的工作效率。如果将加热电极、叉指电 极、测温电极放在一层虽可以简化制作工艺，但加热电极的有效加热面积会受到限制从而 提供不了足够的热量，且薄膜表面的温度分布会更加不利于薄膜性能的发挥。因此，设计 出一种既能简化制作工艺，又能提供给薄膜足够的温度及均勻的温度分布很有工程应用意 义。

发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种金属氧化物半导体纳米薄膜气体传感器 用微加热板，以克服多层微加热板结构的加工步骤繁复和温度分布不均勻的缺陷。本发明还要解决的技术问题是提供上述微加热板的制造工艺。为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下金属氧化物半导体纳米薄膜气体传感器用微加热板，它包括硅基底、硅岛、氮化硅 截止层、二氧化硅绝热层、叉指信号电极、测温电极、加热电极；所述的硅基底具有通孔结 构，硅基底的上表面包括通孔的顶部设有氮化硅截止层，氮化硅截止层上表面设有二氧化 硅绝热层，二氧化硅绝热层上表面设有叉指信号电极、测温电极和加热电极组成的电极组， 在硅基底通孔的顶部氮化硅截止层的下表面设有硅岛，硅岛位置与电机组工作区域对应。其中，所述的硅基底为双面抛光。其中，所述的通孔结构为顶部面积小、底部面积大的梯形通孔结构。
其中，所述的硅基底厚度为300 400 μ m,优选为350 μ m ；所述氮化硅截止层厚度 为200 350nm，优选为300nm ；所述二氧化硅绝热层厚度为500 700nm，优选为600nm，硅 岛厚度为10 50 μ m，优选10 μ m。其中，所述叉指信号电极的宽度为ΙΟμπι;测温电极的宽度为ΙΟμπι;加热电极的 宽度为20 μ m ；电极组的厚度为200nm。上述金属氧化物半导体纳米薄膜气体传感器用微加热板的制造工艺，它包括如下 步骤(1)采用低压化学气相沉积法在硅基底上表面生成氮化硅截止层；(2)采用等离子体增强化学气相沉积法在氮化硅层上表面生成二氧化硅绝热层；(3)在二氧化硅绝热层上表面涂光刻胶，光刻，得到电极组的形状；(4)采用磁控溅射法在步骤C3)得到的产品的上表面生成钼薄膜层；(5)光刻剥离法处理步骤(4)得到的产品，得到所需的电极组；(6)在硅基底的下表面采用热氧化法生成二氧化硅掩模层；(7)采用低压化学气相沉积法在二氧化硅掩模层下表面生成氮化硅掩模层；(8)在氮化硅掩模层下表面涂光刻胶，光刻，采用反应离子刻蚀法将光刻后暴露出 的氮化硅腐蚀掉，裸露出二氧化硅掩模层；(9)在裸露的二氧化硅掩模层下表面涂光刻胶、光刻，再用缓冲氢氟酸溶液进行腐 蚀将不需要的二氧化硅腐蚀掉，裸露出硅基底的下表面；(10)用氢氧化钾溶液对硅基底进行腐蚀得到硅岛的初始形状；(11)用缓冲氢氟酸溶液将步骤(10)保留的二氧化硅掩模层腐蚀掉；(12)用氢氧化钾溶液继续对硅基底进行腐蚀从而得到所需要的硅岛。本发明采用微机电系统(MicroElectronical Mechanical System, MEMS)工艺， 将金属氧化物半导体纳米薄膜气体传感器的核心部件集成在一个2mmX2mm的芯片之上， 利用加热电极将金属氧化物半导体纳米薄膜加热到所需的工作温度，利用测温电极反馈温 度信号，利用叉指电极减小薄膜的电阻值测量电阻的变化，并且将硅基底腐蚀空，从而可以 减小传感器的体积降低传感器的功耗。可在本发明微加热板的基础上针对不同气体生成不 同的金属氧化物半导体薄膜。本发明的有益效果是与传统多层微加热板相似，本发明同样由基底、加热电极、叉指电极等几个关键部 分组成。但是本发明将加热电极、叉指信号电极、测温电极制作于一层，这样就可以减少一 层氮化硅绝缘层的制作，从而降低了制造复杂度，提高了成品率。为改进单层微加热板温度 分布不合理的情况，在传感器工作区域的下方设计并制造出一个硅岛结构以传导加热电极 所产生的热量，使得工作区域得到均勻的温度分布。本发明采用MEMS工艺具有体积小、反 应快、成本低、易批量生产等优点。


图1为本发明金属氧化物半导体纳米薄膜气体传感器用微加热板示意图。图2为图1产品的底部示意图。图3为本发明金属氧化物半导体纳米薄膜气体传感器用微加热板的结构爆炸图。
图4为本发明电极组结构图的一种示例。图5为本发明微加热板的制作流程图。图6不带硅岛时的温度分布。图7本发明带硅岛时的温度分布。图中1、电极组；2、二氧化硅绝热层；3、氮化硅截止层；4、硅基底；5、硅岛；6、加 热电极；7、叉指信号电极；8、测温电极。
具体实施例方式根据下述实施例，可以更好地理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实 施例所描述的内容仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本 发明。实施例1 如图1、图2所示，本发明金属氧化物半导体纳米薄膜气体传感器包括硅基底4、硅 岛5、氮化硅截止层3、二氧化硅绝热层2、叉指信号电极7、测温电极8、加热电极6 ；所述的 硅基底1具有通孔结构，该通孔结构为顶部面积小、底部面积大的梯形通孔。硅基底的上表 面包括通孔的顶部设有氮化硅截止层3，氮化硅截止层3上表面设有二氧化硅绝热层2，二 氧化硅绝热层2上表面设有叉指信号电极7、测温电极8和加热电极6组成的电极组1，在 硅基底4通孔的顶部氮化硅截止层2的下表面设有硅岛5，该硅岛5为独立的一块硅片，与 硅基底1不相连接，与电极的加热区域即将来使用过程中金属氧化物半导体纳米薄膜的工 作区域相对应。电极组的厚度为200nm。叉指信号电极的电极宽度为10 μ m,电极间距为5 μ m。力口 热电极的电极宽度为20 μ m，电极间距为10 μ m。测温电极的电极宽度为10 μ m，电极间距 为ΙΟμπι。二氧化硅绝热层的厚度为600m。氮化硅截止层的厚度为300nm。硅基底选用双 面抛光，晶向为<1，0，0>的单晶硅，其厚度为350 μ m。硅岛依附于氮化硅截止层下，厚度为 IOum0本发明并不局限于实施例中所述的这些数据(包括厚度、宽度、间距等)，只要在本 发明范围内的数据，都可以实现本发明产品的功能，本发明的电极布局也不局限于图4所 示，电极如何布局也不是本发明的关键点，只要能实现传感器功能的电极布局都在本发明 的保护范围之内。具体制造工艺如下(1)以厚度为350μπι，双面抛光的P型[1，0，0]硅片作为基底，对其进行清洗、漂 洗并烘干，然后采用低压化学气相沉积法(LPCVD)在硅基底上表面生成300nm厚的氮化硅 截止层，如图fe所示；(2)采用等离子体增强化学气相沉积法(PACVD)在氮化硅层上表面生成600nm厚 的二氧化硅绝热层，如图恥所示；(3)在二氧化硅绝热层上表面涂光刻胶，将制作好的电极组形状的掩模版盖在光 刻胶上，进行曝光，被光照到的光刻胶成为可溶解于显影液的物质，将曝光后的硅片放入显 影液中，溶解掉被光照后的光刻胶，因此裸露的二氧化硅膜为电极组形状；(4)采用磁控溅射法在步骤( 得到的产品的上表面生成200nm厚的钼薄膜层；(5)光刻剥离法(Lift-off)处理步骤(4)得到的产品，即清洗掉光刻胶并带掉光
5刻胶上的钼，得到所需的电极组；(6)在硅基底的下表面采用热氧化法生成二氧化硅掩模层；(7)采用低压化学气相沉积法(LPCVD)在二氧化硅掩模层下表面生成氮化硅掩模 层；(8)在氮化硅掩模层下表面涂光刻胶，盖上所需氮化硅形状的掩模版，曝光，再将 曝光后的光刻胶溶解于显影液，从而裸露出所需腐蚀掉的氮化硅，之后采用反应离子刻蚀 法将氮化硅腐蚀，裸露出上面的二氧化硅；(9)在裸露的二氧化硅掩模层下表面涂光刻胶，光刻成所需的形状，再用缓冲氢氟 酸溶液(BHF)进行腐蚀将不需要的二氧化硅腐蚀掉，裸露出硅基底的下表面；(10)将步骤(9)得到的产品放入60°C、浓度为40% (w/w)氢氧化钾溶液，对硅基 底进行腐蚀得到硅岛的初始形状；(11)用缓冲氢氟酸溶液(BHF)将步骤(10)保留的二氧化硅掩模层腐蚀掉；(12)将步骤(11)得到的产品放入60°C、浓度为52% (w/w)的用氢氧化钾溶液继 续对硅基底进行腐蚀，直到通过显微镜观察硅岛厚度达到10 μ m为止。该微加热板结构紧凑，体积小，功耗小，制造成品率高。使用该形状的电极组使得 在有限的面积之下最大限度的延长了加热电极的长度，增加了加热电极的有效加热面积， 提高了加热效率；测温电极处于加热电极和叉指电极之间能更准确的反馈出金属氧化物半 导体纳米薄膜的工作温度；叉指信号电极处于电极组的中心能更好得发挥其功效。二氧化 硅绝热层益于将热量集中于中心区域，减小传感器与周围空气的热对流带走的热量。氮化 硅截止层不仅可以有效阻挡住氢氧化钾的继续腐蚀，还可以把加热电极产生的热量更好得 传导给硅岛并将硅岛所均勻好的热量再重新传递回敏感薄膜。将硅基底加工成棱台行可降 低基底与空气的热对流而损失的热量。将硅岛厚度加工为10 μ m可在不影响均勻温度分布 的情况下减小硅岛上的热量损失。图6和图7为利用有限元分析软件ansys对上述结构及不带硅岛的上述结构进行 稳态热分析的结果对比。从结果中可以看出当该结构不带硅岛时温度分布较为合理，最高 温度集中于气敏薄膜中央且分布较大，但是整个薄膜上的温差较大，最高温度与最低温度 相差达60度，无法将薄膜的性能充分发挥。而带硅岛的该结构温度分布更为平均，整个薄 膜的温差只有6度，使得薄膜能在同一状态下工作从而使得薄膜性能得到充分的发挥。
权利要求
1.金属氧化物半导体纳米薄膜气体传感器用微加热板，其特征在于它包括硅基底、硅 岛、氮化硅截止层、二氧化硅绝热层、叉指信号电极、测温电极、加热电极；所述的硅基底具 有通孔结构，硅基底的上表面包括通孔的顶部设有氮化硅截止层，氮化硅截止层上表面设 有二氧化硅绝热层，二氧化硅绝热层上表面设有叉指信号电极、测温电极和加热电极组成 的电极组，在硅基底通孔的顶部氮化硅截止层的下表面设有硅岛。
2.根据权利要求1所述的金属氧化物半导体纳米薄膜气体传感器用微加热板，其特征 在于所述的硅基底为双面抛光。
3.根据权利要求1所述的金属氧化物半导体纳米薄膜气体传感器用微加热板，其特征 在于所述的通孔结构为顶部面积小、底部面积大的梯形通孔结构。
4.根据权利要求1所述的金属氧化物半导体纳米薄膜气体传感器用微加热板，其特征 在于所述的硅基底厚度为300 400 μ m,所述氮化硅截止层厚度为200 350nm，所述二氧 化硅绝热层厚度为500 700nm，硅岛厚度为10 50 μ m。
5.根据权利要求1所述的金属氧化物半导体纳米薄膜气体传感器用微加热板，其特 征在于所述叉指信号电极的宽度为ΙΟμπ ，测温电极的宽度为ΙΟμπ ，加热电极的宽度为 10 μ m,电极组的厚度为200nm。
6.权利要求1所述的金属氧化物半导体纳米薄膜气体传感器用微加热板的制造工艺， 其特征在于它包括如下步骤(1)采用低压化学气相沉积法在硅基底上表面生成氮化硅截止层；(2)采用等离子体增强化学气相沉积法在氮化硅层上表面生成二氧化硅绝热层；(3)在二氧化硅绝热层上表面涂光刻胶，光刻，得到电极组的形状；(4)采用磁控溅射法在步骤C3)得到的产品的上表面生成钼薄膜层；(5)光刻剥离法处理步骤⑷得到的产品，得到所需的电极组；(6)在硅基底的下表面采用热氧化法生成二氧化硅掩模层；(7)采用低压化学气相沉积法在二氧化硅掩模层下表面生成氮化硅掩模层；(8)在氮化硅掩模层下表面涂光刻胶，光刻，采用反应离子刻蚀法将光刻后暴露出的氮 化硅腐蚀掉，裸露出二氧化硅掩模层；(9)在裸露的二氧化硅掩模层下表面涂光刻胶、光刻，再用缓冲氢氟酸溶液进行腐蚀将 不需要的二氧化硅腐蚀掉，裸露出硅基底的下表面；(10)用氢氧化钾溶液对硅基底进行腐蚀得到硅岛的初始形状；(11)用缓冲氢氟酸溶液将步骤(10)保留的二氧化硅掩模层腐蚀掉；(12)用氢氧化钾溶液继续对硅基底进行腐蚀从而得到所需要的硅岛。
7.根据权利要求6所述的金属氧化物半导体纳米薄膜气体传感器用微加热板的制 造工艺，其特征在于所述的硅基底厚度为300 400 μ m、所述氮化硅截止层厚度为200 350nm，所述二氧化硅绝热层厚度为500 700m。
8.根据权利要求6所述的金属氧化物半导体纳米薄膜气体传感器用微加热板的制造 工艺，其特征在于所述叉指信号电极的宽度为ΙΟμπι，测温电极的宽度为ΙΟμπι，加热电极 的宽度为20 μ m,电极组的厚度为200nm。
全文摘要
本发明公开一种金属氧化物半导体纳米薄膜气体传感器用微加热板，包括硅基底、硅岛、氮化硅截止层、二氧化硅绝热层、叉指信号电极、测温电极、加热电极；所述的硅基底具有通孔结构，硅基底的上表面包括通孔的顶部设有氮化硅截止层，氮化硅截止层上表面设有二氧化硅绝热层，二氧化硅绝热层上表面设有叉指信号电极、测温电极和加热电极组成的电极组，在硅基底通孔的顶部氮化硅截止层的下表面设有硅岛。本发明还公开了上述微加热板的制造工艺。本发明将加热电极、叉指信号电极、测温电极制作于一层，降低了制造复杂度，提高了成品率；在传感器工作区域的下方设计并制造出一个硅岛结构以传导加热电极所产生的热量，使得工作区域得到均匀的温度分布。
文档编号G01N27/14GK102070118SQ201010518328
公开日2011年5月25日 申请日期2010年10月26日 优先权日2010年10月26日
发明者张子立, 朱斌, 殷晨波, 董宁宁, 陶春旻 申请人:南京工业大学