一种mems气体传感器及其制作方法
【专利摘要】本发明涉及气体检测【技术领域】，具体涉及一种MEMS气体传感器，包括单晶硅衬底；多孔硅层，形成于单晶硅衬底的上表面且向下具有厚度；绝热槽，倒扣形成于单晶硅衬底的下表面，绝热槽底面位于多孔硅层的正下方，绝热槽包括一个或多个沟槽组；下绝缘层，覆盖多孔硅层及单晶硅衬底的上表面，下绝缘层由下到上依次包括第一二氧化硅层、第二二氧化硅层和氮化硅层；以及设置于下绝缘层上方的加热层、上绝缘层和气体敏感层，还相应公开了所述MEMS气体传感器的制造方法。本发明中多孔硅和隔热槽的结构增强了隔热效果，下绝缘层有效防止在高温下隔热层发生翘曲脱离加热层，同时多孔硅层的支撑防止下绝缘层受力不均引起变形破裂，提高器件的使用寿命。
【专利说明】一种MEMS气体传感器及其制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及气体检测【技术领域】，具体涉及一种MEMS气体传感器及其制作方法。
【背景技术】
[0002]人类生产、居住、生活的各种环境充斥着各种气体，对于气体的检测，特别是对有毒、有害、易燃易爆气体的探测是保证人们安全生产、健康居住、舒适生活的重要手段。目前对气体的检测有传统的大型检测设备例如基于质谱、能谱和色谱的气体检测仪器，但是这些仪器由于体积庞大、价格较高，限制了它们的普及和发展。于是近些年也发展出了一些小型的气体传感器，气体传感器广泛应用于石油、石化、燃气、冶金、电力、汽车工业、环境卫生、气象检测、医疗健康、智能家居、信息技术等领域。已有的气体传感器中，以半导体气体传感器应用最为广泛。它具有功耗低、体积小、重复性好、灵敏度高、成本低、易于批量生产、加工工艺稳定等优点。半导体气体传感器的原理是利用金属氧化物薄膜制成的阻抗器件，在一定的温度下，气体分子在表面与金属氧化物反应引起电阻率的变化，从而实现对气体的探测。由于气体分子与金属氧化物反应需要较高的温度，为了实现在较低的温度下工作，需要在气体敏感薄膜下制作微加热板以为气体薄膜提供足够的温度。
[0003]MEMS的技术包括微电子技术和微加工技术两大部分，硅基加工技术是在微电子加工技术基础上发展起来的一种微加工技术，主要依靠光刻、扩散、氧化、薄膜生长、干法刻蚀、湿法刻蚀和蒸发溅射等工艺技术。采用MEMS技术制作的微结构气体传感器，将加热元件和敏感元件集成为一体，优化了气体传感器的性能，能极大提高气体传感器的灵敏度、可靠性和一致性。
[0004]现有技术中，为降低功耗，实现结构保温普遍采用绝热槽。目前基于MEMS加工技术制作的硅基气体传感器普遍采用的结构是悬臂梁结构:在单晶硅基底的上表面沉积一层二氧化硅膜层或氮化硅膜层作为下绝缘层，在单晶硅基底的下表面制备绝热槽。制备绝热槽时可使用背面湿法刻蚀工艺，也可先对下绝缘层蚀刻出悬臂梁，再往下湿法刻蚀出倒金字塔式绝热槽，这两种绝热槽可以更好的防止热量的散失以降低功耗。下绝缘层上方通过剥离工艺(lift-off)加工出钼加热丝层，通过给加热丝通电即可产生热量，形成气体传感器工作所需要的温度。在钼加热丝表面上又沉积一层二氧化硅层或氮化硅层作为上绝缘层，最后沉积气体敏感层。例如申请号为201110366861.8的中国专利公开了的气体传感器及其制造工艺便采用了绝热槽的工艺。但是这种方法蚀刻出绝热槽后加热层与气体敏感层仅靠一层薄膜结构的二氧化硅层或氮化硅层支撑，而该薄膜仅在两端被悬臂结构的支撑衬底支撑，这种薄膜结构的绝缘层力学性能较差，在器件受到震动或者碰撞时易发生破裂导致器件失效。除此之外，由于隔热层与加热丝的热膨胀系数的差异，在高温下隔热层易发生翘曲使加热丝易从隔热层脱落，同样导致器件失效。其次，悬臂结构的绝热槽利用悬臂之间的空气隔热，由于空间较大，空气流动较快，也会造成热量散失较快，影响隔热效果。
[0005]综上，现有技术中的气体传感器的隔热结构主要存在以下问题:
[0006](I)稳定性差，由于受力不均匀引起器件发生变形破裂，导致器件失效；
[0007](2)隔热效果差，绝热槽间的空气间隔较大导致热量散失较快，影响隔热效果。
【发明内容】
[0008]为克服现有技术中气体传感器的不足，本发明目的是:提供一种MEMS气体传感器，采用孔壁表面形成有二氧化硅薄膜的多孔硅层以及在其下方加工绝热槽作为绝热层以提高绝热效果并起一个支撑，采用两层二氧化硅和一层氮化硅作为下绝缘层以防止金属层在高温下发生翘曲。
[0009]为了解决上述技术问题，本发明提供了一种MEMS气体传感器，包括:单晶硅衬底；多孔硅层，其形成于所述单晶硅衬底的上表面且向下具有厚度，所述多孔硅层的上表面及孔壁表面形成有二氧化硅薄膜；绝热槽，其形成于所述单晶硅衬底的下表面，所述绝热槽为倒扣槽，所述绝热槽底面位于所述多孔硅层的正下方，所述绝热槽槽壁及底面设有一个或多个沟槽组，其中每个沟槽组包括多个平行排列的沟槽；下绝缘层，包括第一二氧化硅层、第二二氧化硅层和氮化硅层，所述第一二氧化硅层覆盖所述多孔硅层及所述单晶硅衬底的上表面，所述第二二氧化硅层设置在所述第一二氧化硅层和氮化硅层之间；加热层，设置于所述下绝缘层的上表面，且所述加热层位于所述多孔硅层的正上方区域内；上绝缘层，所述上绝缘层设置于所述加热层的上表面；气体敏感层，设置于所述上绝缘层的上表面，且所述气体敏感层位于所述加热层的正上方区域内。
[0010]所述多孔硅层上表面形成厚度范围为40-100 μ m的多孔硅，多孔硅的孔隙率为50% -90% ;所述第一二氧化硅层厚度范围为0.2-0.6 μ m，所述第二二氧化硅层厚度范围为0.2-0.6 μ m，所述氮化硅层厚度范围为0.1-0.5 μ m ;所述气体敏感层为50_300nm厚的SnO2> WO3> In2O3 或 ZnO 层。
[0011]所述加热层为厚度范围为200-500nm的Pt加热电阻层，且所述Pt加热电阻层与所述下绝缘层之间设置有一层厚度范围为20-50nm的Ti粘接层，或者，所述加热层为厚度范围为500-1000nm的多晶硅加热电阻层。
[0012]所述加热层的上表面边缘具有若干缺口，自所述缺口引出加热层电极；所述气体敏感层的下表面边缘具有气体敏感层电极。
[0013]相应地，本发明还提供了一种MEMS气体传感器的制造方法，包括以下步骤:S1、清洗单晶硅衬底；S2、在单晶硅衬底的上表面制备多孔硅层；S3、在多孔硅层的上表面及孔壁表面制备二氧化硅薄膜；S4、在单晶硅衬底的下表面加工倒扣的绝热槽；S5、在经步骤S4处理的单晶硅衬底的上表面依次沉积两层二氧化硅层和氮化硅层作为下绝缘层；S6、在下绝缘层的上表面制备加热层，使所述加热层位于所述多孔硅层的正上方区域内；S7、在加热层的上表面，沉积二氧化硅层或者氮化硅层作为上绝缘层，在上绝缘层上相对于加热层上表面缘边位置设置若干缺口以引出加热层电极；S8、在上绝缘层的上表面制备气体敏感层电极和气体敏感层，所述气体敏感层位于所述加热层的正上方区域内。
[0014]所述步骤S2具体包括:在单晶硅衬底上表面匀胶光刻定义出多孔硅层的形状及位置，通过电化学腐蚀的方法制作多孔硅作为绝热层；所述步骤S4具体包括:利用深槽加工工艺在单晶硅衬底下表面形成绝热槽，使绝热槽的底部位于多孔硅层的正下方。
[0015]所述步骤S5中，在单晶硅衬底上表面的第一层二氧化硅层是由高密度电浆化学气相沉积制程或等离子增强化学气象沉积制程生成；第二层二氧化硅层是由亚大气压化学气相沉积制程生成。
[0016]在所述步骤S6中可以通过以下任意一种方案来制备加热层:M1、在下绝缘层上匀胶光刻定义出加热电阻的形状及位置，磁控溅射沉积一层20-50nm厚的金属Ti和200-500nm厚的金属Pt，采用剥离工艺去除光刻胶，得到金属钼加热电阻;M2、在下绝缘层上沉积一层500-1000nm厚的多晶硅，在下绝缘层上匀胶光刻定义出加热电阻的形状及位置作为阻挡层；利用离子反应刻蚀去掉多余的多晶硅得到加热电阻。
[0017]所述步骤S8具体包括:在绝缘层上匀胶光刻定义出温度敏感层和气体敏感层电极的形状及位置，磁控派射沉积一层20-50nm厚的金属Ti和一层150_500nm厚的金属Au,再采用剥离工艺去除光刻胶得到气体敏感层电极；匀胶光刻定义出气体敏感层的位置，采用磁控派射的方式派射一层金属氧化物，所述金属氧化物具体为50-300nm厚的Sn02、WO3>In2O3或ZnO层，再采用剥离工艺去除光刻胶得到气体敏感层。
[0018]在气体敏感层表面以滴定的方式添加含有贵金属催化剂的溶液，所述催化剂具体为氯钼酸或氯钯酸，通过热氧化处理使催化剂以氧化物形式分散在气体敏感层表面。
[0019]采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果:①在单晶硅衬底上设置多孔硅层，多孔硅层均匀分布于单晶硅衬底上，可以稳定地支撑其上的下绝缘层薄膜，从而有效避免器件因受到震动或者碰撞时薄膜状绝缘层发生破裂造成气体传感器失效，提高气体传感器的抗震能力和稳定性，降低对其工作环境的要求。另外，还可以有效避免气体传感器在高温工作时下绝缘层变形翘曲导致的加热层脱落，从而提高气体传感器的使用寿命；②由于多孔硅的孔隙细密，其间的空气流动较慢，使其具有良好的隔热性能。采用多孔硅层作为隔热层，将加热层设置于多孔硅层的正上方区域内，可以起到更好的保温隔热的效果，从而增加气体传感器的探测灵敏度在多孔硅层的上表面及孔壁表面覆盖一层二氧化硅薄膜，可以有效解决暴露在空气中的孔壁热导率较高导致的热量损耗，进一步地降低功耗，增强隔热效果；④与传统的绝热槽相比，由于绝热层的沟槽细密，其间的空气流动较慢，使其具有良好的隔热性能；⑤将加热层设置于绝热层的正上方区域内，可以起到更好的保温隔热的效果，从而提高加热性能；⑥在单晶硅衬底上刻蚀多孔硅层作为隔热层，同时作为支撑层，可以节省气体传感器空间，简化气体传感器整体结构；⑦采用硅基材料作为气体传感器材料，易于通过MEMS加工技术制作，加工工艺成熟，加工效率高。综上所述，本发明多孔硅层的支撑可以防止下绝缘层受力不均匀引起变形破裂，下绝缘层的三层复式结构也可以有效防止在高温下隔热层发生翘曲使加热丝脱落，导致器件失效，同时多孔硅和隔热槽的结构又大大增强了隔热效果。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。
[0021]图1是本发明实施例提供的MEMS气体传感器的结构示意图；
[0022]图2是本发明实施例提供的MEMS气体传感器中绝热槽槽壁、槽底的沟槽的三种局部放大结构示意图；
[0023]图3为本发明的MEMS气体传感器制作方法中步骤SI完成后的结构示意图；
[0024]图4为本发明的MEMS气体传感器制作方法中步骤S2完成后的结构示意图；
[0025]图5为本发明的MEMS气体传感器制作方法中步骤S4完成后的结构示意图；
[0026]图6为本发明的MEMS气体传感器制作方法中步骤S5完成后的结构示意图；
[0027]图7为本发明的MEMS气体传感器制作方法中步骤S6完成后的结构示意图；
[0028]图8为本发明的MEMS气体传感器制作方法中步骤S7完成后的结构示意图。
[0029]图中附图标记对应为:1_单晶硅衬底，2-多孔硅层，3-绝热槽，4-下绝缘层，5-加热层，6-加热层电极，7-上绝缘层，8-气敏层电极，9-气体敏感层，31-沟槽，41-第一二氧化硅层，42-第二二氧化硅层，43-氮化硅层。
【具体实施方式】
[0030]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0031]实施例1:图1为本发明MEMS气体传感器的结构示意图，由图中可清楚看出本发明的MEMS气体传感器，包括:单晶硅衬底I ;多孔硅层2，其形成于所述单晶硅衬底I的上表面且向下具有厚度，所述多孔硅层2的上表面及孔壁表面形成有二氧化硅薄膜；绝热槽3，其形成于所述单晶硅衬底I的下表面，所述绝热槽3为倒扣槽，所述绝热槽3底面位于所述多孔硅层2的正下方，所述绝热槽3槽壁及底面设有一个或多个沟槽组，其中每个沟槽组包括多个平行排列的沟槽31 ;下绝缘层4，包括第一二氧化硅层41、第二二氧化硅层42和氮化硅层43，所述第一二氧化硅层41覆盖所述多孔硅层2及所述单晶硅衬底I的上表面，所述第二二氧化硅层42设置在所述第一二氧化硅层41和氮化硅层43之间；加热层5，设置于所述下绝缘层4的上表面，且所述加热层5位于所述多孔硅层2的正上方区域内；上绝缘层7，所述上绝缘层7设置于所述加热层5的上表面；气体敏感层9，设置于所述上绝缘层7的上表面，且所述气体敏感层9位于所述加热层5的正上方区域内。
[0032]绝热槽3的隔热效果与其沟槽31的深度、宽度及沟槽间距有关。在保证工艺实现的前提下，沟槽31越深、宽度越小、间距越小、隔热效果越好。请参见图2中的第一种沟槽结构，是多个平行排列的直线状沟槽，为了保证较好的隔热效果，所述沟槽31的沟槽深度为20 μ m,宽度为300nm,沟槽间距为I μ m。
[0033]所述多孔硅层2上表面形成厚度范围为40 μ m的多孔硅，多孔硅的孔隙率为80%;所述第一二氧化硅层41厚度范围为0.6 μ m，所述第二二氧化硅层42厚度范围为0.6 μ m，所述氮化硅层43厚度范围为0.5 μ m ;所述气体敏感层9为300nm厚的ZnO层，气体敏感层9材料除了可以选取ZnO，也可以选择Sn02、WO3或In2O3作为气体敏感层9材料。
[0034]所述加热层5为厚度范围为300nm的Pt加热电阻层，且所述Pt加热电阻层与所述下绝缘层之间设置有一层厚度范围为50nm的Ti粘接层。
[0035]所述加热层5的上表面边缘具有若干缺口，自所述缺口引出加热层电极6 ;所述气体敏感层9的下表面边缘具有气体敏感层电极8。
[0036]本发明还提供了一种MEMS气体传感器的制造方法，图3为本发明MEMS气体传感器的制作过程图，由图中可以清楚地看出，MEMS气体传感器的制造方法，包括以下步骤:
[0037]S1、清洗单晶硅衬底；
[0038]S2、在单晶硅衬底的上表面制备多孔硅层；
[0039]S3、在多孔硅层的上表面及孔壁表面制备二氧化硅薄膜；
[0040]S4、在单晶硅衬底的下表面加工倒扣的倒金字塔式绝热槽；
[0041]S5、在经步骤S4处理的单晶硅衬底的上表面依次沉积两层二氧化硅层和氮化硅层作为下绝缘层；
[0042]S6、在下绝缘层的上表面制备加热层，使所述加热层位于所述多孔硅层的正上方区域内；
[0043]S7、在加热层的上表面，沉积二氧化硅层或者氮化硅层作为上绝缘层，在上绝缘层上相对于加热层上表面缘边位置设置若干缺口以引出加热层电极；
[0044]S8、在上绝缘层的上表面制备气体敏感层电极和气体敏感层，所述气体敏感层位于所述加热层的正上方区域内。
[0045]所述步骤S2具体包括:在单晶硅衬底上表面匀胶光刻定义出多孔硅层的形状及位置，通过电化学腐蚀的方法制作多孔硅作为绝热层；所述步骤S4具体包括:利用深槽加工工艺在单晶硅衬底下表面形成绝热槽，使绝热槽的底部位于多孔硅层的正下方。
[0046]所述步骤S5中，在单晶硅衬底上表面的第一层二氧化硅层是由高密度电浆化学气相沉积制程或等离子增强化学气象沉积制程生成；第二层二氧化硅层是由亚大气压化学气相沉积制程生成。
[0047]所述步骤S6具体包括:在下绝缘层上匀胶光刻定义出加热电阻的形状及位置，磁控溅射沉积一层50nm厚的金属Ti和300nm厚的金属Pt，采用剥离工艺去除光刻胶，得到金属钼加热电阻。
[0048]所述步骤S8具体包括:在绝缘层上匀胶光刻定义出温度敏感层和气体敏感层电极的形状及位置，磁控派射沉积一层50nm厚的金属Ti和一层400nm厚的金属Au,再采用剥离工艺去除光刻胶得到气体敏感层电极；匀胶光刻定义出气体敏感层的位置，采用磁控溅射的方式溅射一层金属氧化物，所述金属氧化物具体为200nm厚的ZnO层，除此也可以选择Sn02、WO3、或In2O3等物质，再采用剥离工艺去除光刻胶得到气体敏感层。
[0049]在气体敏感层表面以滴定的方式添加含有贵金属催化剂的溶液，所述催化剂具体为氯钼酸或氯钯酸，通过热氧化处理使催化剂以氧化物形式分散在气体敏感层表面。
[0050]实施例2:图1为本发明MEMS气体传感器的结构示意图，由图中可清楚看出本发明的MEMS气体传感器，包括:单晶硅衬底I ;多孔硅层2，其形成于所述单晶硅衬底I的上表面且向下具有厚度，所述多孔硅层2的上表面及孔壁表面形成有二氧化硅薄膜；绝热槽3，其形成于所述单晶硅衬底I的下表面，所述绝热槽3为倒扣槽，所述绝热槽3底面位于所述多孔硅层2的正下方，所述绝热槽3槽壁及底面设有一个或多个沟槽组，其中每个沟槽组包括多个平行排列的沟槽31 ;下绝缘层4，包括第一二氧化硅层41、第二二氧化硅层42和氮化硅层43，所述第一二氧化硅层41覆盖所述多孔硅层2及所述单晶硅衬底I的上表面，所述第二二氧化硅层42设置在所述第一二氧化硅层41和氮化硅层43之间；加热层5，设置于所述下绝缘层4的上表面，且所述加热层5位于所述多孔硅层2的正上方区域内；上绝缘层7，所述上绝缘层7设置于所述加热层5的上表面；气体敏感层9，设置于所述上绝缘层7的上表面，且所述气体敏感层9位于所述加热层5的正上方区域内。
[0051]绝热槽3的隔热效果与其沟槽31的深度、宽度及沟槽间距有关。在保证工艺实现的前提下，沟槽越深、宽度越小、间距越小、隔热效果越好。请参见图2中的第二种沟槽结构，是两个相交的直线状沟槽组，每个沟槽组包括多个相互平行的沟槽31，为了保证较好的隔热效果，所述沟槽31的沟槽深度为100 μ m,宽度为100nm,沟槽间距为5 μ m。
[0052]所述多孔硅层2上表面形成厚度范围为100 μ m的多孔硅，多孔硅的孔隙率为50% ;所述第一二氧化硅层41厚度范围为0.6 μ m，所述第二二氧化硅层42厚度范围为
0.6 μ m，所述氮化硅层43厚度范围为0.5 μ m ;所述气体敏感层9为50nm厚的ZnO层，气体敏感层9材料除了可以选取ZnO，也可以选择Sn02、WO3或In2O3作为气体敏感层9材料。
[0053]所述加热层5为厚度范围为500nm的多晶硅加热电阻层。
[0054]所述加热层5上表面边缘具有若干缺口形成的加热层电极6 ;所述气体敏感层9下表面边缘具有气体敏感层电极8。
[0055]本发明还提供了一种MEMS气体传感器的制造方法，图3为本发明MEMS气体传感器的制作过程图，由图中可以清楚地看出，MEMS气体传感器的制造方法，包括以下步骤:
[0056]S1、清洗单晶硅衬底；
[0057]S2、在单晶硅衬底的上表面制备多孔硅层；
[0058]S3、在多孔硅层的上表面及孔壁表面制备二氧化硅薄膜；
[0059]S4、在单晶硅衬底的下表面加工倒扣的倒金字塔式绝热槽；
[0060]S5、在经步骤S4处理的单晶硅衬底的上表面依次沉积两层二氧化硅层和氮化硅层作为下绝缘层；
[0061]S6、在下绝缘层的上表面制备加热层，使所述加热层位于所述多孔硅层的正上方区域内；
[0062]S7、在加热层的上表面，沉积二氧化硅层或者氮化硅层作为上绝缘层，在上绝缘层上相对于加热层上表面缘边位置设置若干缺口以引出加热层电极；
[0063]S8、在上绝缘层的上表面制备气体敏感层电极和气体敏感层，所述气体敏感层位于所述加热层的正上方区域内。
[0064]所述步骤S2具体包括:在单晶硅衬底上表面匀胶光刻定义出多孔硅层的形状及位置，通过电化学腐蚀的方法制作多孔硅作为绝热层；所述步骤S4具体包括:利用深槽加工工艺在单晶硅衬底下表面形成绝热槽，使绝热槽的底部位于多孔硅层的正下方。
[0065]所述步骤S5中，在单晶硅衬底上表面的第一层二氧化硅层是由高密度电浆化学气相沉积制程或等离子增强化学气象沉积制程生成；第二层二氧化硅层是由亚大气压化学气相沉积制程生成。
[0066]所述步骤S6具体包括:在下绝缘层上沉积一层500nm厚的多晶娃,在下绝缘层上匀胶光刻定义出加热电阻的形状及位置作为阻挡层；利用离子反应刻蚀去掉多余的多晶硅得到加热电阻。
[0067]所述步骤S8具体包括:在绝缘层上匀胶光刻定义出温度敏感层和气体敏感层电极的形状及位置，磁控派射沉积一层20nm厚的金属Ti和一层150nm厚的金属Au,再采用剥离工艺去除光刻胶得到气体敏感层电极；匀胶光刻定义出气体敏感层的位置，采用磁控溅射的方式溅射一层金属氧化物，所述金属氧化物具体为200nm厚的ZnO层，除此也可以选择Sn02、WO3、或In2O3等物质，再采用剥离工艺去除光刻胶得到气体敏感层。
[0068]在气体敏感层表面以滴定的方式添加含有贵金属催化剂的溶液，所述催化剂具体为氯钼酸或氯钯酸，通过热氧化处理使催化剂以氧化物形式分散在气体敏感层表面。
[0069]实施例3:图1为本发明MEMS气体传感器的结构示意图，由图中可清楚看出本发明的MEMS气体传感器，包括:单晶硅衬底I ;多孔硅层2，其形成于所述单晶硅衬底I的上表面且向下具有厚度，所述多孔硅层2的上表面及孔壁表面形成有二氧化硅薄膜；绝热槽3，其形成于所述单晶硅衬底I的下表面，所述绝热槽3为倒扣槽，所述绝热槽3底面位于所述多孔硅层2的正下方，所述绝热槽3槽壁及底面设有一个或多个沟槽组，其中每个沟槽组包括多个平行排列的沟槽31 ;下绝缘层4，包括第一二氧化硅层41、第二二氧化硅层42和氮化硅层43，所述第一二氧化硅层41覆盖所述多孔硅层2及所述单晶硅衬底I的上表面，所述第二二氧化硅层42设置在所述第一二氧化硅层41和氮化硅层43之间；加热层5，设置于所述下绝缘层4的上表面，且所述加热层5位于所述多孔硅层2的正上方区域内；上绝缘层7，所述上绝缘层7设置于所述加热层5的上表面；气体敏感层9，设置于所述上绝缘层7的上表面，且所述气体敏感层9位于所述加热层5的正上方区域内。
[0070]绝热槽3的隔热效果与其沟槽31的深度、宽度及沟槽间距有关。在保证工艺实现的前提下，沟槽31越深、宽度越小、间距越小、隔热效果越好。请参见图2中的第三种沟槽结构，是多个由外向内渐变缩小的回状沟槽，为了保证较好的隔热效果，所述沟槽31的沟槽深度为100 μ m,宽度为100nm,沟槽两相邻的平行边的间距为5 μ m。
[0071]所述多孔硅层2上表面形成厚度范围为100 μ m的多孔硅，多孔硅的孔隙率为90% ;所述第一二氧化硅层41厚度范围为0.6 μ m，所述第二二氧化硅层42厚度范围为0.6 μ m，所述氮化硅层43厚度范围为0.5 μ m ;所述气体敏感层9为300nm厚的ZnO层，气体敏感层9材料除了可以选取ZnO，也可以选择Sn02、WO3或In2O3作为气体敏感层9材料。
[0072]所述加热层5为厚度范围为500nm的多晶硅加热电阻层。
[0073]所述加热层5上表面边缘具有若干缺口形成的加热层电极6 ;所述气体敏感层9下表面边缘具有气体敏感层电极8。
[0074]本发明还提供了一种MEMS气体传感器的制造方法，图3为本发明MEMS气体传感器的制作过程图，由图中可以清楚地看出，MEMS气体传感器的制造方法，包括以下步骤:
[0075]S1、清洗单晶硅衬底；
[0076]S2、在单晶硅衬底的上表面制备多孔硅层；
[0077]S3、在多孔硅层的上表面及孔壁表面制备二氧化硅薄膜；
[0078]S4、在单晶硅衬底的下表面加工倒扣的倒金字塔式绝热槽；
[0079]S5、在经步骤S4处理的单晶硅衬底的上表面依次沉积两层二氧化硅层和氮化硅层作为下绝缘层；
[0080]S6、在下绝缘层的上表面制备加热层，使所述加热层位于所述多孔硅层的正上方区域内；
[0081]S7、在加热层的上表面，沉积二氧化硅层或者氮化硅层作为上绝缘层，在上绝缘层上相对于加热层上表面缘边位置设置若干缺口以引出加热层电极；
[0082]S8、在上绝缘层的上表面制备气体敏感层电极和气体敏感层，所述气体敏感层位于所述加热层的正上方区域内。
[0083]所述步骤S2具体包括:在单晶硅衬底上表面匀胶光刻定义出多孔硅层的形状及位置，通过电化学腐蚀的方法制作多孔硅作为绝热层；所述步骤S4具体包括:利用深槽加工工艺在单晶硅衬底下表面形成绝热槽，使绝热槽的底部位于多孔硅层的正下方。
[0084]所述步骤S5中，在单晶硅衬底上表面的第一层二氧化硅层是由高密度电浆化学气相沉积制程或等离子增强化学气象沉积制程生成；第二层二氧化硅层是由亚大气压化学气相沉积制程生成。
[0085]所述步骤S6具体包括:在下绝缘层上沉积一层900nm厚的多晶娃,在下绝缘层上匀胶光刻定义出加热电阻的形状及位置作为阻挡层；利用离子反应刻蚀去掉多余的多晶硅得到加热电阻。
[0086]所述步骤S8具体包括:在绝缘层上匀胶光刻定义出温度敏感层和气体敏感层电极的形状及位置，磁控派射沉积一层50nm厚的金属Ti和一层500nm厚的金属Au,再采用剥离工艺去除光刻胶得到气体敏感层电极；匀胶光刻定义出气体敏感层的位置，采用磁控溅射的方式溅射一层金属氧化物，所述金属氧化物具体为200nm厚的ZnO层，除此也可以选择Sn02、WO3、或In2O3等物质，再采用剥离工艺去除光刻胶得到气体敏感层。
[0087]在气体敏感层表面以滴定的方式添加含有贵金属催化剂的溶液，所述催化剂具体为氯钼酸或氯钯酸，通过热氧化处理使催化剂以氧化物形式分散在气体敏感层表面。
[0088]本发明多孔硅层的支撑可以防止下绝缘层受力不均匀引起变形破裂，下绝缘层的三层复式结构也可以有效防止在高温下隔热层发生翘曲使加热丝脱落，导致器件失效，同时多孔硅和隔热槽的结构又大大增强了隔热效果。
[0089]以上所揭露的仅为本发明的几种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
【权利要求】
1.一种MEMS气体传感器，其特征在于，包括: 单晶娃衬底⑴； 多孔硅层(2)，其形成于所述单晶硅衬底(I)的上表面且向下具有厚度，所述多孔硅层(2)的上表面及孔壁表面形成有二氧化硅薄膜； 绝热槽(3)，其形成于所述单晶硅衬底⑴的下表面，所述绝热槽(3)为倒扣槽，所述绝热槽(3)底面位于所述多孔硅层(2)的正下方，所述绝热槽(3)槽壁及底面设有一个或多个沟槽组，其中每个沟槽组包括多个平行排列的沟槽(31)； 下绝缘层(4)，包括第一二氧化硅层(41)、第二二氧化硅层(42)和氮化硅层(43)，所述第一二氧化硅层(41)覆盖所述多孔硅层(2)及所述单晶硅衬底(I)的上表面，所述第二二氧化硅层(42)设置在所述第一二氧化硅层(41)和氮化硅层(43)之间； 加热层(5)，设置于所述下绝缘层(4)的上表面，且所述加热层(5)位于所述多孔硅层(2)的正上方区域内； 上绝缘层(7)，设置于所述加热层(5)的上表面； 气体敏感层(9)，设置于所述上绝缘层(7)的上表面，且所述气体敏感层(9)位于所述加热层(5)的正上方区域内。
2.根据权利要求1所述的MEMS气体传感器，其特征在于，所述多孔硅层(2)上表面形成厚度范围为40-100 μ m的多孔硅，多孔硅的孔隙率为50% -90% ;所述第一二氧化硅层(41)厚度范围为0.2-0.6 μ m，所述第二二氧化硅层(42)厚度范围为0.2-0.6 μ m，所述氮化硅层(43)厚度范围为0.1_0.5μπι;所述上绝缘层(7)为二氧化硅层或氮化硅层，所述上绝缘层(7)的厚度范围为100-800nm ;所述气体敏感层(9)为50_300nm厚的Sn02、WO3> In2O3或ZnO层。
3.根据权利要求1或2所述的MEMS气体传感器，其特征在于，所述加热层(5)为厚度范围为200-500nm的Pt加热电阻层，且所述Pt加热电阻层与所述下绝缘层之间设置有一层厚度范围为20-50nm的Ti粘接层，或者，所述加热层(5)为厚度范围为500_1000nm的多晶硅加热电阻层。
4.根据权利要求1或3所述的MEMS气体传感器，其特征在于，所述加热层(5)的上表面边缘具有若干缺口，自所述缺口处引出加热层电极￠);所述气体敏感层(9)的下表面边缘具有气体敏感层电极(8)。
5.—种MEMS气体传感器的制造方法，其特征在于，包括以下步骤: 51、清洗单晶硅衬底； 52、在单晶硅衬底的上表面制备多孔硅层； 53、在多孔硅层的上表面及孔壁表面制备二氧化硅薄膜； 54、在单晶硅衬底的下表面加工倒扣的绝热槽； 55、在经步骤S4处理的单晶硅衬底的上表面依次沉积两层二氧化硅层和氮化硅层作为下绝缘层； 56、在下绝缘层的上表面制备加热层，使所述加热层位于所述多孔硅层的正上方区域内； 57、在加热层的上表面，沉积二氧化硅层或者氮化硅层作为上绝缘层，在上绝缘层上相对于加热层上表面缘边位置设置若干缺口以引出加热层电极； S8、在上绝缘层的上表面制备气体敏感层电极和气体敏感层，所述气体敏感层位于所述加热层的正上方区域内。
6.根据权利要求5所述的MEMS气体传感器的制造方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括:在单晶硅衬底上表面匀胶光刻定义出多孔硅层的形状及位置，通过电化学腐蚀的方法制作多孔硅层；所述步骤S4具体包括:利用深槽加工工艺在单晶硅衬底下表面形成绝热槽，使绝热槽的底部位于多孔硅层的正下方。
7.根据权利要求5或6所述的MEMS气体传感器的制造方法，其特征在于，所述步骤S5中，在单晶硅衬底上表面的第一层二氧化硅层是由高密度电浆化学气相沉积制程或等离子增强化学气象沉积制程生成；第二层二氧化硅层是由亚大气压化学气相沉积制程生成。
8.根据权利要求5或7所述的MEMS气体传感器的制造方法，其特征在于，在所述步骤S6中可以通过以下任意一种方案来制备加热层: Ml、在下绝缘层上匀胶光刻定义出加热电阻的形状及位置，磁控溅射沉积一层20-50nm厚的金属Ti和200-500nm厚的金属Pt，采用剥离工艺去除光刻胶，得到金属钼加热电阻； M2、在下绝缘层上沉积一层500-1000nm厚的多晶硅，在下绝缘层上匀胶光刻定义出加热电阻的形状及位置作为阻挡层；利用离子反应刻蚀去掉多余的多晶硅得到加热电阻。
9.根据权利要求5或8所述的MEMS气体传感器的制造方法，其特征在于，所述步骤S8具体包括:在绝缘层上匀胶光刻定义出温度敏感层和气体敏感层电极的形状及位置，磁控溅射沉积一层20-50nm厚的金属Ti和一层150_500nm厚的金属Au，再采用剥离工艺去除光刻胶得到气体敏感层电极；匀胶光刻定义出气体敏感层的位置，采用磁控溅射的方式溅射一层金属氧化物，所述金属氧化物具体为50-300nm厚的Sn02、WO3> In2O3或ZnO层，再采用剥离工艺去除光刻胶得到气体敏感层。
10.根据权利要求5或9所述的MEMS气体传感器的制造方法，其特征在于，在气体敏感层表面以滴定的方式添加含有贵金属催化剂的溶液，所述催化剂具体为氯钼酸或氯钯酸，通过热氧化处理使催化剂以氧化物形式分散在气体敏感层表面。
【文档编号】B81B7/00GK104181203SQ201410397034
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2014年8月13日 优先权日:2014年8月13日
【发明者】祁明锋, 张珽, 沈方平, 刘瑞, 丁海燕, 谷文 申请人:苏州能斯达电子科技有限公司