[發(fā)明專利]全硅MEMS甲烷傳感器及瓦斯檢測應(yīng)用和制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410607031.3
• 申請日: 2014-10-31
• 公開（公告）號: CN104316575A
• 公開（公告）日: 2015-01-28
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 馬洪宇
• 申請（專利權(quán)）人: 中國礦業(yè)大學(xué)
• 主分類號: G01N27/14
• 分類號: G01N27/14;B81C1/00
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 32249
• 代理人: 楊曉玲

1.一種全硅MEMS甲烷傳感器，其特征在于：其包括硅元件（101）、固定端（102）與硅框架支座（103）；所述硅框架支座（103）為SOI基片，包括硅襯底（31）、設(shè)在硅襯底（31）上的埋層氧化硅（32）及埋層氧化硅（32）之上的頂層硅（33），頂層硅（33）為單晶硅；

所述固定端（102）設(shè)在硅框架支座（103）上的埋層氧化硅（32）上；所述固定端（102）包括硅層（21）、硅層（21）外的氧化硅層（23）及用作電引出焊盤的金屬Pad（22）；固定端（102）的硅層（21）設(shè)在埋層氧化硅（12）之上；所述固定端（102）的硅層（21）內(nèi)設(shè)有摻雜硅層（24）；所述電引出焊盤的金屬Pad（22）設(shè)在硅層（21）之上的氧化硅層（23）上；金屬層（22）與固定端（102）的摻雜硅層（24）直接接觸并構(gòu)成歐姆接觸，二者接觸部分沒有氧化硅層（23）；?

所述硅元件（101）包括硅層（21）、硅層（21）外的氧化硅層（23）及鈍化保護層（25），所述硅元件（101）設(shè)有硅加熱器（1011）、兩個對稱設(shè)置的用于支撐硅加熱器（1011）并為硅加熱器（1011）提供電連接的硅懸臂（1012），所述硅懸臂（1012）的長度至少300um；所述單個的硅懸臂（1012）的一端與硅加熱器（1011）相連，另一端與硅框架支座（103）上的固定端（102）相連，兩個硅懸臂（1012）將硅加熱器（1011）懸于空氣中；兩個硅懸臂（1012）較佳為平行并排、與硅加熱器（1011）整體構(gòu)成U形懸臂結(jié)構(gòu)；所述鈍化保護層（25）為氧化硅，或氧化鉿，或氧化硅/氧化鋁復(fù)合層，或氧化鉿/氧化鋁復(fù)合層，或氧化鉿/氮化硅復(fù)合層，或氧化鋁/氮化硅復(fù)合層，或氧化硅/氮化硅復(fù)合層，或氧化硅、氧化鉿、氧化鋁、氮化硅幾種材料組合形成的復(fù)合層；其中氧化硅的厚度至少10nm，氧化鉿的厚度至少為5um，氧化鋁厚度至少6nm，氮化硅厚度至少10nm，整個鈍化保護層的厚度不超過1um；

所述硅元件（101）的硅層（21）與固定端（102）的硅層（21）同是SOI基片的頂層硅（33）的一部分，即同是硅框架支座（103）的頂層硅（33）的一部分，是由頂層硅（33）加工成形的，厚度相同；但不與硅框架支座（103）的其它頂層硅（33）相連通；兩個固定端（102）的硅層（21）之間只與硅元件的硅層（21）相連通。

2.一種全硅MEMS甲烷傳感器甲烷檢測應(yīng)用方法，其特征在于：通過在所述全硅MEMS甲烷傳感器的兩個固定端（102）上施加電壓或電流使硅元件（101）工作于電流-電阻特性曲線中轉(zhuǎn)折點左側(cè)的工作點區(qū)域，使硅元件（101）的硅加熱器（1011）發(fā)熱，加熱溫度在500攝氏度以上；所述轉(zhuǎn)折點為電阻隨電流或電壓增大而出現(xiàn)的電阻最大點，當(dāng)電流或電壓繼續(xù)增大時，電阻不再繼續(xù)增大反而減小；當(dāng)有甲烷氣體出現(xiàn)時，全硅MEMS甲烷傳感器的硅加熱器（1011）的溫度降低，使硅元件的電阻發(fā)生變化；使用兩個所述的全硅MEMS甲烷傳感器的硅元件（101）構(gòu)成惠斯通電橋檢測橋臂檢測甲烷濃度，其中一個全硅MEMS甲烷傳感器的硅元件（101）與環(huán)境空氣接觸，另一個全硅MEMS甲烷傳感器的硅元件（101）為氣密性封裝、封裝內(nèi)的氣體與環(huán)境空氣隔絕密封，當(dāng)出現(xiàn)甲烷氣體時惠斯通檢測電橋的輸出電壓由于與環(huán)境空氣接觸的硅元件（101）電阻降低而發(fā)生變化，惠斯通檢測電橋的輸出電壓隨甲烷濃度增大而降低，實現(xiàn)對甲烷氣體的檢測。

3.如權(quán)利要求1所述的全硅MEMS甲烷傳感器的制備方法，其特征在于包括三種制備方法；

制備方法（一）的步驟為：

第一步，在SOI基片正面上的頂層硅（33）上制備氧化硅層（23）；

第二步，圖形化頂層硅（33）之上的氧化硅層（23），形成摻雜或離子注入所需的窗口；

第三步，摻雜或離子注入形成摻雜硅層（24）；

第四步，通過淀積、濺射或蒸發(fā)在SOI基片正面上形成金屬層；

第五步，圖形化第四步形成的金屬層，形成電引出焊盤的金屬Pad（22），退火后形成歐姆接觸；

第六步，光刻形成正面刻蝕窗口（104）圖形，刻蝕去除掉正面刻蝕窗口（104）圖形內(nèi)的氧化硅層（23），隨后采用RIE（Reactive?Ion?Etching，反應(yīng)離子刻蝕）方法干法刻蝕繼續(xù)去除掉頂層硅（33），刻蝕停止于埋層氧化硅（32），刻蝕后在埋層氧化硅層（32）上形成硅元件（101）、固定端（102）的結(jié)構(gòu)圖形、并刻蝕去除掉與背面刻蝕窗口對應(yīng)的窗口內(nèi)的其余氧化硅層（23）及頂層硅（33），所形成的硅元件（101）及與其連接的兩個固定端（102）與埋層氧化硅層（32）上的其余頂層硅不相連，同一個硅元件（101）的兩個固定端（102）不與硅框架支座（103）上的其余頂層硅相連，也不通過硅框架支座（103）上的其余頂層硅相連；?

第七步，在SOI基片的正面上制備刻蝕保護層，所述刻蝕保護層覆蓋整個SOI硅片的正面；

第八步，在SOI基片背面光刻形成背面刻蝕窗口（105）圖形后，采用濕法刻蝕或ICP(Inductively?Coupled?Plasma，感應(yīng)耦合等離子體刻蝕)或DRIE（Deep?Reactive?Ion?Etching，深反應(yīng)離子刻蝕）等干法刻蝕方法刻蝕去除掉背面刻蝕窗口所露出的SOI基片的硅襯底（31），刻蝕停止于埋層氧化硅（32）；所述背面刻蝕窗口（105）與正面刻蝕窗口（104）在SOI硅基片背面投影的圖形中心相重合，背面刻蝕窗口（105）大于正面刻蝕窗口（104）；

第九步，采用氫氟酸溶液或氫氟酸氣霧濕法刻蝕從SOI基片背面露出的埋層氧化硅層（32），釋放出硅元件（101）；

第十步，去除第七步所制備的刻蝕保護層，干燥；

第十一步，對暴露出的硅進行氧化，形成薄層氧化硅層；

第十二步，采用保護層覆蓋SOI基片的正面，所述保護層覆蓋除硅元件（101）之外的SOI基片正面部分；

第十三步，采用ALD（原子層沉積）方法制備氧化鉿薄膜，或制備氧化鋁薄膜，或制備氧化鉿/氧化鋁復(fù)合薄膜，或制備氧化硅/氧化鉿/氧化鋁復(fù)合薄膜，通過第十一步與本步驟或通過第十一步與本步驟中的其中一個步驟形成鈍化保護層（25）；制備的鈍化保護層（25）覆蓋硅元件（101）外表面；

第十四步，去除第十二步使用的保護層，干燥；

第十五步，沿劃線槽（106）對SOI基片進行劃片，裂片后得到本發(fā)明所述的大量的甲烷傳感器；

或制備方法（二）的步驟為：

第一步，在SOI基片正面上的頂層硅（33）上制備氧化硅層（23）；

第二步，圖形化頂層硅（33）之上的氧化硅層（23），形成摻雜或離子注入所需的窗口；

第三步，摻雜或離子注入形成摻雜硅層（24）；

第四步，光刻形成正面刻蝕窗口（104）圖形，刻蝕去除掉正面刻蝕窗口（104）圖形內(nèi)的氧化硅層（23），隨后采用RIE（Reactive?Ion?Etching，反應(yīng)離子刻蝕）方法干法刻蝕繼續(xù)去除掉頂層硅（33），刻蝕停止于埋層氧化硅（32），刻蝕后在埋層氧化硅層（32）上形成硅元件（101）、固定端（102）的結(jié)構(gòu)圖形、并刻蝕去除掉與背面刻蝕窗口對應(yīng)的窗口內(nèi)的其余氧化硅層（23）及頂層硅（33），所形成的硅元件（101）及與其連接的兩個固定端（102）與埋層氧化硅層（32）上的其余頂層硅不相連，同一個硅元件（101）的兩個固定端（102）不與硅框架支座（103）上的其余頂層硅相連，也不通過硅框架支座（103）上的其余頂層硅相連；

第五步，在SOI基片的正面（頂層硅的上面）制備刻蝕保護層，所述刻蝕保護層覆蓋整個SOI硅片的正面；

第六步，在SOI基片背面光刻形成背面刻蝕窗口（105）圖形后，采用濕法刻蝕或ICP(Inductively?Coupled?Plasma，感應(yīng)耦合等離子體刻蝕)或DRIE（Deep?Reactive?Ion?Etching，深反應(yīng)離子刻蝕）等干法刻蝕方法刻蝕去除掉背面刻蝕窗口所露出的SOI基片的硅襯底（31），刻蝕停止于埋層氧化硅（32）；

第七步，采用氫氟酸溶液或氫氟酸氣霧濕法刻蝕從硅襯底（31）露出的埋層氧化硅層（32），釋放出懸空的硅元件（101）；?

第八步，去除第五步所形成的刻蝕保護層；

第九步，對暴露出的硅進行氧化，形成薄層氧化硅層；?

第十步，采用保護層覆蓋SOI基片的正面，所述保護層覆蓋除懸空的硅元件（101）之外的SOI基片正面部分?

第十一步，采用ALD（原子層沉積）方法在硅元件（101）的外表面制備氧化鋁或氧化鉿薄膜；

第十二步，采用PECVD(?Plasma?Enhanced?Chemical?Vapor?Deposition，等離子體增強化學(xué)氣相沉積法)在400～450℃時在懸空的硅元件（101）的外表面制備氮化硅；通過第九步、第十一步與本步驟或上述三個步驟的組合制備成氧化硅/氮化硅復(fù)合薄膜，或氧化硅/氧化鋁/氮化硅復(fù)合薄膜，或氧化鉿/氮化硅復(fù)合薄膜，或氧化硅/氧化鉿/氧化鋁/氮化硅符合薄膜，形成鈍化保護層（25）；制備的鈍化保護層（25）覆蓋硅元件（101）外表面；

第十三步，去除第十步使用的保護層，干燥；

第十四步，在SOI基片正面制備光刻膠，光刻后形成電引出焊盤的金屬Pad（22）的圖形；?

第十五步，通過濺射或沉積制備金屬層；

第十六步，去除所述第十四步制備的光刻膠，僅在固定端（102）上形成電引出焊盤的金屬Pad（22），干燥，退火后形成歐姆接觸；

第十七步，沿劃線槽（106）對SOI基片進行劃片，裂片后得到本發(fā)明所述的大量的甲烷傳感器；?

或制備方法（三）的步驟為：

第一步至第十三步同制備方法（二）的第一步至第十三步，

第十四步，制備掩蔽版，所述掩蔽版的圖形與SOI基片上的電引出焊盤的金屬Pad（22）的圖形相同；

第十五步，制備電引出焊盤的金屬Pad（22），將第十四步所述掩蔽版置于SOI基片正面之上并對準(zhǔn)后濺射金屬，僅在固定端（102）之上形成電引出焊盤的金屬Pad（22），退火后形成歐姆接觸；

第十六步，沿劃線槽（106）對SOI基片進行劃片，裂片后得到本發(fā)明所述的數(shù)量眾多的甲烷傳感器。