一种兼容MEMS工艺的背部悬膜气体传感器制备方法与流程

一种兼容mems工艺的背部悬膜气体传感器制备方法技术领域1.本发明涉及mems(micro‑electro‑mechanic system微机电系统)加工技术，特别涉及一种兼容mems工艺的背部悬膜气体传感器制备方法。背景技术：2.随着世界经济的迅速发展，日益增加的气体排放造成了严重的空气污染。这些气体来自于工厂的副产品、汽车尾气等多种来源，大多数为有毒有害、易燃易爆气体，严重地威胁着这人们的生产、生活安全。因此进行对各类易燃易爆、有毒有害气体气体的在线检测和预警对于保证生产和人们生命安全至关重要。气体传感器作为气体信息采集与分析的直接装置，在环境保护、工业生产、生命安全中扮演着十分重要的角色。其是通过敏感材料吸附目标气体，因起其载流子浓度的变化，进而可以将目标气体的浓度信息转换为电阻信号。3.mems技术的发展使着气体传感器向着微型化、低功耗、集成化和智能化的方向发展。基于mems技术的微型化气体传感器不仅保证气敏薄膜的一致性，而且极大的降低了气体传感器的价格，已经成为未来气体传感器的发展趋势。目前常用的降低功耗的方法是在硅片背面去除大量的硅，形成的结构有两类，一类是基于硅片背面湿法腐蚀的悬膜结构，第二类是基于硅片正面湿法腐蚀的悬臂梁结构。由于湿法腐蚀过程刻蚀速率不易控制，很容易造成图形失真，没有一致性，更为重要的是此过程需要进行正面保护，无法与mems工艺兼容。另一方面，因为正面结构硅基底的大量去除使得加热板仅仅依靠四条悬空梁支撑，腐蚀速率不可控和热变形使得其结构极不稳定，良品率不高且无法大批量生产。4.低功耗、成本低廉是发展的方向，基于mems技术的高一致性、高良品率是成本低廉的保障，微型化是低功耗、集成化的基础，而集成化是智能化的前提。因此，气体传感器发展的最为核心的问题是在mems技术下制备出具有高一致性、高良品率、低功耗且可大批量生产的气体传感器。技术实现要素：5.本发明的目的在于提供一种兼容mems工艺的背部悬膜气体传感器制备方法，旨在彻底解决气体传感器的低功耗与良品率、大批量生产不兼容的问题。结构简单，大批量生产的情况下，又能基于mems技术保持所制备出的气体传感器具有很高的一致性，同时基于mems技术微型化的气体传感器降低了功耗，减小了尺寸，具有价格低廉的特点，整个生产过程无需人工干扰，机械化自动生产，以在工业生产中进行大批量的兼容mems工艺的背部悬膜气体传感器制备。6.本发明是通过下述技术方案来实现的。7.一种兼容mems工艺的背部悬膜气体传感器制备方法，其特征在于，包括以下步骤：8.1)选取经过双面热氧化和氮化处理的硅片；9.2)在硅片正面sio2‑si3n4双层复合薄膜上，采用pecvd方法制备sio2和si3n4，并进行退火；10.3)在退火得到的硅片正面采用光刻工艺处理，得到敏感材料图形；11.4)在步骤3)得到的硅片表面溅射敏感材料；12.5)采用剥离工艺剥离敏感材料，并进行退火处理；13.6)在经退火得到的硅片正面采用光刻工艺处理，得到加热丝及引线盘、测试电极及引线盘图形；14.7)将步骤6)得到的硅片正面进行电子束蒸镀cr粘接层，然后在cr粘接层上蒸镀au层；15.8)采用剥离工艺剥离cr粘接层和au层，并进行热处理；16.9)将经热处理得到的硅片表面匀涂epg535光刻胶，并烘干；17.10)在步骤1)处理后的硅片背面匀涂az4620光刻胶，并烘干；18.11)将步骤10)得到的硅片表面进行曝光、显影、烘干；19.12)将经曝光、显影、烘干后得到的硅片表面进行氧等离子体轰击；20.13)将步骤12)得到的硅片表面通过干法刻蚀去掉si3n4层，然后通过boe标准溶液去除sio2层；21.14)通过干法刻蚀去掉si，得到背面绝热槽，去胶划片即完成背部悬膜气体传感器的制备。22.优选的，所述步骤1)中，经过双面热氧化制备的sio2层为400nm‑600nm，经过双面氮化制备的si3n4层为100nm‑200nm。23.优选的，所述步骤2)中，sio2层为400nm‑600nm，si3n4层为100nm‑200nm。24.优选的，所述步骤10)中，在匀胶机的转速为500r/min‑600r/min下匀涂az4620光刻胶6s‑10s；然后在转速为1000r/min‑1500r/min下匀涂az4620光刻胶50s‑60s，在90℃‑95℃温度下烘干3min‑5min。25.优选的，所述步骤11)中，曝光时间为35s‑40s，使用5％‑10‰naoh溶液显影30‑50s，在130℃‑150℃温度下烘干30min‑60min。26.优选的，所述步骤12)中，氧等离子体轰击功率为200w‑300w，轰击时间为30s‑40s。27.优选的，所述步骤13)中，使用反应等离子体刻蚀工艺刻蚀si3n4层，刻蚀气体为sf6，刻蚀功率为120w‑160w，刻蚀时间为140s‑160s。28.优选的，所述步骤13)中，所述标准boe溶液为49％hf水溶液和40％nh4f水溶液按照质量比为1:6的比例配制，将去掉si3n4层的硅片浸泡其中50s‑120s。29.优选的，所述步骤14)中，使用反应耦合等离子体工艺刻蚀si，刻蚀功率为2kw‑2.5kw，刻蚀时间为1.2h‑2h。30.本发明由于采取以上技术方案，其具有以下有益效果：31.1.采用干法刻蚀si制备工艺，避免了湿法腐蚀中的正面保护，整体的的制备过程兼容mems工艺。32.2.采用溅射方法对整片晶圆进行均匀机械化镀膜，成膜一致性好，可批量生产的同时保证了晶圆里众多气体传感器具有高一致性。33.3.采用boe溶液腐蚀sio2层相比如干法刻蚀具有自动停止优势，干法刻蚀由于机器设备不稳定等因素无法保证，残留或过分刻蚀都会影响后续湿法腐蚀的工艺，boe溶液的腐蚀选择性很好的保证sio2刚好去除，使得气体传感器整体的制备工艺参数稳定。34.4.背部悬膜结构相比如正面悬臂梁结构性能更加可靠，最后一步干法刻蚀si在干燥环境下进行，刻蚀完即可去胶划片，无需后续人工操作，降低了薄膜毁坏的可能，提高了气体传感器的良品率。35.5.背部悬膜结构释放掉导热好的si，在气体传感器工作时极大的减少了热量散失，低功耗下即可工作，节能环保，降低了使用成本。附图说明36.此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：37.图1为本发明一种兼容mems工艺的背部悬膜气体传感器剖面图；38.图2为本发明一种兼容mems工艺的背部悬膜气体传感器的加热丝、加热丝引线盘、测试电极、测试电极引线盘、敏感材料的平面结构图；39.图3为本发明制备一种兼容mems工艺的背部悬膜气体传感器流程图；40.图4(a)‑图4(m)为本发明一种兼容mems工艺的背部悬膜气体传感器的制备工艺流程图；41.图中：1、5、7，氮化硅层；2、4、6，氧化硅层；3，硅片；8，加热丝；9，敏感材料层；10，测试电极；11，加热丝引线盘；12，试电极引线盘。具体实施方式42.下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。43.如图1、图2所示，本发明是一种兼容mems工艺的背部悬膜气体传感器，包括硅片3，氧化硅层2、4、6，氮化硅层1、5、7，加热丝8、敏感材料层9、测试电极10、加热丝引线盘11和测试电极引线盘12；测试电极10和敏感材料层9在正面氮化硅层7上方中心叠层设置；梳齿‑插齿复合状结构的测试电极10设在敏感材料层9上方；加热丝8呈剪刀状在测试电极10外围环绕两层；梳齿‑插齿复合状测试电极10的引出端设于加热丝8的剪刀口；加热丝8和测试电极10分别连接一对对称分布的引线盘11和12；氮化硅层1、氧化硅层2、硅片3均在中部开了一个矩形槽，将槽中的材料完全释放至氧化硅层5。44.下面给出本发明一种兼容mems工艺的背部悬膜气体传感器的制备方法，如图3所示，包括如下步骤：45.1)选取经过双面热氧化和氮化处理的厚度400‑500um硅片，经过双面热氧化制备的sio2层为400nm‑600nm，经过双面氮化制备的si3n4层为100nm‑200nm，见图4(a)；46.2)在硅片正面sio2‑si3n4双层复合薄膜上，采用pecvd方法制备sio2和si3n4，并在400℃‑700℃下退火5h‑8h，见图4(b)；47.3)通过光刻工艺处理2)中得到的硅片正面，将硅片正面分别采用低速500r/min‑600r/min、6s，高速1000r/min‑1200r/min、30s‑40s匀涂epg535型光刻胶，硅片在95℃‑120℃下烘5min，然后用设计好的敏感材料掩膜版在光刻胶上曝光7s‑9s，将曝光后的硅片放置在3‰‑5‰naoh溶液中显影30s‑40s，氮气吹干后在100℃‑120℃下烘10min‑20min，得到敏感材料图形，见图4(c)；48.4)对步骤3)得到的硅片进行正面溅射敏感材料，功率大小为100w‑150w，溅射时间20min‑25min，氩气流量为20‑25sccm，硅片衬底转速为20r/min‑25r/min，得到sno2厚度为70‑80nm；见图4(d)；49.5)通过剥离工艺处理步骤4)得到的硅片，硅片依次放入丙酮浸泡12min‑20min，超声30s‑40s，循环2‑4次；然后在无水乙醇中浸泡30s‑40s，用去离子水冲洗，氮气吹干、在100℃‑120℃下高温烘干10min‑20min，并400℃‑700℃下进行退火2h‑4h，见图4(e)；50.6)通过光刻工艺处理步骤5)得到的硅片正面，硅片正面分别采用低速400r/min‑500r/min、6s‑8s，高速1000r/min‑1200r/min、30s‑40s匀涂epg535型光刻胶，硅片在90℃‑95℃下烘5min‑7min，然后用设计好的加热丝、测试电极等的掩膜版在光刻胶上曝光7s‑9s，将曝光后的硅片放置在3‰‑5‰naoh溶液中显影20s‑30s，氮气吹干后在100℃‑120℃下烘10min‑20min，得到加热丝及引线盘、测试电极及引线盘，见图4(f)；51.7)将步骤6)得到的硅片正面进行电子束蒸镀cr粘接层，然后在cr层上蒸镀au层，cr层厚度为50nm‑60nm，au层厚度为220nm‑250nm；见图4(g)；52.8)通过剥离工艺处理步骤7)得到的硅片，依次放入丙酮中浸泡10min‑15min，超声30s‑40s，循环3‑4次；然后在无水乙醇中浸泡8s‑10s，用去离子水冲洗，氮气吹干、在90℃‑100℃下高温烘干10min‑15min，并300℃‑400℃下进行退火10min‑20min，见图4(h)；53.9)将步骤8)得到的硅片正面分别采用低速500r/min‑600r/min、5s‑8s，高速1000r/min‑1200r/min、30s‑40s进行匀涂epg535光刻胶并在90℃‑100℃的温度下烘干4min‑6min，见图4(i)；54.10)将步骤9)得到的硅片背面在匀胶机的转速为500r/min‑600r/min匀涂az4620光刻胶6s‑10s；然后在转速为1000r/min‑1500r/min匀涂az4620光刻胶50s‑60s，90℃‑95℃温度下烘干3min‑5min，见图4(j)；55.11)将步骤10)得到的硅片背面进行曝光、显影、烘干，曝光时间为35s‑40s，使用5～10‰naoh溶液显影30s‑50s，在130℃‑150℃下烘干30min‑60min，见图4(k)；56.12)将步骤11)得到的硅片背面进行氧等离子体轰击，轰击功率为200w‑300w，轰击时间为30s‑40s；57.13)将步骤12)得到的硅片背面通过干法刻蚀去掉si3n4层，然后通过boe标准溶液去除sio2层，标准boe溶液按照质量比为49％hf水溶液：40％nh4f水溶液为1:6的比例配制，将去掉si3n4层的硅片浸泡其中50s‑120s。使用反应离子刻蚀(rie)工艺刻蚀si3n4层，刻蚀气体为sf6，刻蚀功率为120w‑160w，刻蚀时间为140s‑160s，见图4(l)；58.14)将步骤13)得到的硅片通过反应耦合等离子体(icp)工艺刻蚀si，刻蚀功率为2kw‑2.5kw，刻蚀时间为1.2h‑2h，得到背面绝热槽，去胶划片即完成一种兼容mems工艺的背部悬膜气体传感器的制备，见图4(m)。59.下面通过不同实施例对本发明方法做进一步说明。60.实施例161.1)选取n型掺杂，晶向100，电阻1‑5ohm.cm，厚度500um的硅片，然后双面热氧化，形成的氧化层厚度为400nm，双面lpcvd沉积si3n4，形成的氮化层厚度为150nm；62.2)在正面sio2‑si3n4双层复合薄膜上，采用pecvd方法制备500nmsio2和150nmsi3n4，在500℃下退火6h；63.3)将硅片正面分别采用低速600r/min、6s，高速1200r/min、40s匀涂epg535型光刻胶，硅片在120℃下烘5min，然后用设计好的敏感材料掩膜版在光刻胶上曝光8s，将曝光后的硅片放置在4‰naoh溶液中显影30s，氮气吹干后在120℃下烘20min，得到设计好的敏感材料图形；64.4)将步骤3)得到的硅片放入到溅射机内进行正面溅射sno2敏感材料，采用射频溅射，功率大小为100w，溅射时间25min，氩气流量为20sccm，硅片衬底转速为20r/min，得到sno2厚度为70nm；65.5)将步骤4)得到的硅片依次放入丙酮浸泡20min，超声40s，循环4次；剥离，然后在无水乙醇中浸泡30s，用去离子水冲洗，氮气吹干、在100℃下高温烘干20min，并在700℃下进行退火2h；66.6)将步骤5)得到的硅片正面分别采用低速500r/min、6s，高速1000r/min、40s匀涂epg535型光刻胶，硅片在95℃下烘5min，然后用设计好的加热丝、测试电极等的掩膜版在光刻胶上曝光7s，将曝光后的硅片放置在5‰naoh溶液中显影20s，氮气吹干后在110℃下烘10min，得到设计好的具有加热丝、测试电极等图形；67.7)对步骤6)中得到的硅片正面电子束蒸镀cr和au，cr层厚度为50nm，au层厚度为230nm；68.8)将步骤7)得到的硅片依次放入丙酮中浸泡10min，超声40s，循环4次；剥离，然后在无水乙醇中浸泡10s，用去离子水冲洗，氮气吹干、在100℃下高温烘干15min，并在300℃下进行15min的热处理；69.9)将硅片正面分别采用低速500r/min、8s，高速1000r/min、40s匀涂epg535型光刻胶，硅片在95℃下烘5min；70.10)将步骤9)硅片背面采用低速600r/min、6s，高速1500r/min、55s匀涂az4620光刻胶，95℃下烘干4min。71.11)将步骤10)硅片背面在刻蚀掩膜版下曝光，时间为38s，使用7‰naoh溶液显影30s，在150℃下烘干40min。72.12)将步骤11)得到的硅片使用氧等离子体在260w条件下轰击40s。73.13)将步骤12)得到的硅片使用反应等离子体刻蚀(rie)工艺刻蚀si3n4层，刻蚀气体为sf6，刻蚀功率为140w，刻蚀时间为150s；按照49％hf水溶液：40％nh4f水溶液为1:6的比例配置标准boe溶液，将去掉si3n4层的硅片浸泡其中70s，去掉sio2。74.14)将步骤13)得到的硅片使用反应耦合等离子体(icp)工艺刻蚀si，刻蚀功率为2.5kw，刻蚀时间为1.5h。75.将芯片置于待测气体中，给加热丝两端施加电压，加热丝瞬间产生高温，敏感材料区域瞬间产生高温，在确保产生300℃高温下，采用此工艺方法制备出的背部悬膜气体传感器的功耗为36mw，相比如无悬膜结构的气体传感器功耗降低85％。76.实施例277.1)选取n型掺杂，晶向100，电阻1‑5ohm.cm，厚度450um的硅片，然后双面热氧化，形成的氧化层厚度为600nm，双面lpcvd沉积si3n4，形成的氮化层厚度为200nm；78.2)在正面sio2‑si3n4双层复合薄膜上，采用pecvd方法制备600nmsio2和100nmsi3n4，在700℃下退火5h。79.3)将硅片正面分别采用低速550r/min、6s，高速1000r/min、30s匀涂epg535型光刻胶，硅片在95℃下烘5min，然后用设计好的敏感材料掩膜版在光刻胶上曝光7s，将曝光后的硅片放置在5‰naoh溶液中显影30s，氮气吹干后在100℃下烘15min，得到设计好的敏感材料图形；80.4)将步骤3)得到的硅片放入到溅射机内进行正面溅射sno2敏感材料，采用射频溅射，功率大小为120w，溅射时间20min，氩气流量为25sccm，硅片衬底转速为25r/min，得到sno2厚度为80nm；81.5)将步骤4)得到的硅片依次放入丙酮浸泡12min，超声30s，循环3次；剥离，然后在无水乙醇中浸泡30s，用去离子水冲洗，氮气吹干、在110℃下高温烘干10min，并在400℃下进行退火4h；82.6)将步骤5)得到的硅片正面分别采用低速450r/min、6s，高速1200r/min、30s匀涂epg535型光刻胶，硅片在90℃下烘5min，然后用设计好的加热丝、测试电极等的掩膜版在光刻胶上曝光7s，将曝光后的硅片放置在4‰naoh溶液中显影30s，氮气吹干后在120℃下烘20min，得到设计好的具有加热丝、测试电极等图形；83.7)对步骤6)中得到的硅片正面电子束蒸镀cr和au，cr层厚度为50nm，au层厚度为250nm；84.8)将步骤7)得到的硅片依次放入丙酮中浸泡12min，超声30s，循环4次；剥离，然后在无水乙醇中浸泡8s，用去离子水冲洗，氮气吹干、在100℃下高温烘干10min，并在400℃下进行10min的热处理；85.9)将硅片正面分别采用低速500r/min、8s，高速1200r/min、30s匀涂epg535型光刻胶，硅片在100℃下烘4min；86.10)将步骤9)硅片背面采用低速600r/min、6s，高速1200r/min、50s匀涂az4620光刻胶，90℃下烘干5min；87.11)将步骤10)硅片背面在刻蚀掩膜版下曝光，时间为35s，使用10‰naoh溶液显影40s，在130℃下烘干30min；88.12)将步骤11)得到的硅片使用氧等离子体在300w条件下轰击30s；89.13)将步骤12)得到的硅片使用反应等离子体刻蚀(rie)工艺刻蚀si3n4层，刻蚀气体为sf6，刻蚀功率为120w，刻蚀时间为160s；按照49％hf水溶液：40％nh4f水溶液为1:6的比例配置标准boe溶液，将去掉si3n4层的硅片浸泡其中120s，去掉sio2；90.14)将步骤13)得到的硅片使用反应耦合等离子体(icp)工艺刻蚀si，刻蚀功率为2.0kw，刻蚀时间为2h。91.将芯片置于待测气体中，给加热丝两端施加电压，加热丝瞬间产生高温，敏感材料区域瞬间产生高温，在确保产生300℃高温下，采用此工艺方法制备出的背部悬膜气体传感器的功耗为38mw，相比如无悬膜结构的气体传感器功耗降低84％。92.实施例393.1)选取n型掺杂，晶向100，电阻1‑5ohm.cm，厚度400um的硅片，然后双面热氧化，形成的氧化层厚度为500nm，双面lpcvd沉积si3n4，形成的氮化层厚度为100nm；94.2)在正面sio2‑si3n4双层复合薄膜上，采用pecvd方法制备400nmsio2和200nmsi3n4，在400℃下退火8h；95.3)将硅片正面分别采用低速500r/min、6s，高速1100r/min、40s匀涂epg535型光刻胶，硅片在100℃下烘5min，然后用设计好的敏感材料掩膜版在光刻胶上曝光9s，将曝光后的硅片放置在3‰naoh溶液中显影40s，氮气吹干后在110℃下烘10min，得到设计好的敏感材料图形；96.4)将步骤3)得到的硅片放入到溅射机内进行正面溅射sno2敏感材料，采用射频溅射，功率大小为150w，溅射时间20min，氩气流量为25sccm，硅片衬底转速为20r/min，得到sno2厚度为75nm；97.5)将步骤4)得到的硅片依次放入丙酮浸泡15min，超声35s，循环2次；剥离，然后在无水乙醇中浸泡40s，用去离子水冲洗，氮气吹干、在120℃下高温烘干15min，并在500℃下进行退火3h；98.6)将步骤5)得到的硅片正面分别采用低速400r/min、8s，高速1200r/min、30s匀涂epg535型光刻胶，硅片在90℃下烘7min，然后用设计好的加热丝、测试电极等的掩膜版在光刻胶上曝光9s，将曝光后的硅片放置在5‰naoh溶液中显影30s，氮气吹干后在120℃下烘20min，得到设计好的具有加热丝、测试电极等图形；99.7)对步骤6)中得到的硅片正面电子束蒸镀cr和au，cr层厚度为60nm，au层厚度为220nm；100.8)将步骤7)得到的硅片依次放入丙酮中浸泡15min，超声30s，循环3次；剥离，然后在无水乙醇中浸泡9s，用去离子水冲洗，氮气吹干、在90℃下高温烘干15min，并在350℃下进行20min的热处理；101.9)将硅片正面分别采用低速550r/min、5s，高速1100r/min、40s匀涂epg535型光刻胶，硅片在90℃下烘6min；102.10)将步骤9)硅片背面采用低速550r/min、10s，高速1000r/min、60s匀涂az4620光刻胶，95℃下烘干3min。103.11)将步骤10)硅片背面在刻蚀掩膜版下曝光，时间为40s，使用5‰naoh溶液显影50s，在140℃下烘干60min。104.12)将步骤11)得到的硅片使用氧等离子体在200w条件下轰击35s。105.13)将步骤12)得到的硅片使用反应等离子体刻蚀(rie)工艺刻蚀si3n4层，刻蚀气体为sf6，刻蚀功率为160w，刻蚀时间为140s；按照49％hf水溶液：40％nh4f水溶液为1:6的比例配置标准boe溶液，将去掉si3n4层的硅片浸泡其中50s，去掉sio2。106.14)将步骤13)得到的硅片使用反应耦合等离子体(icp)工艺刻蚀si，刻蚀功率为2.2kw，刻蚀时间为1.2h。107.将芯片置于待测气体中，给加热丝两端施加电压，加热丝瞬间产生高温，敏感材料区域瞬间产生高温，在确保产生300℃高温下，采用此工艺方法制备出的背部悬膜气体传感器的功耗为40mw，相比如无悬膜结构的气体传感器功耗降低83％。108.采用本发明方法制备的兼容mems工艺的背部悬膜气体传感器具有低功耗、高良品率且可批量化生产的优异性能，与现有技术相比，其功耗降低了不少于83％，因此，本发明方法是一种制备兼容mems工艺的背部悬膜气体传感器性能优良的方法。109.本发明结构简单，局部高温、易于封装，彻底解决低功耗气体传感器与mems工艺不兼容的问题，在大批量生产的情况下，又能基于mems技术保持所制备出的气体传感器具有很高的一致性和良品率，同时基于mems技术微型化的气体传感器降低了功耗，减小了尺寸，具有价格低廉的特点，整个生产过程无需人工干扰，机械化自动生产，以在工业生产中进行大批量的兼容mems工艺的背部悬膜气体传感器制备。110.本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。