微热板气体传感器的MEMS工艺研究

摘要

气体传感器广泛应用于检测可燃性气体、有毒气体以及大气成分。以MEMS工艺为基础的微热板式气体传感器以其低功耗、体积小、易集成的特点成为当前气体传感器领域的研究热点。大多数MEMS气体传感器采用铂金为加热丝，采用背面体硅加工技术实现微热板的悬空。钨是一种性能稳定的加热丝材料，替代铂金可降低成本;并且背面体硅加工存在尺寸偏大和功耗较高等问题。本文分别以化学性质稳定的钨和铂金作为加热丝，采用正面体硅腐蚀结构，对制造微热板过程中的MEMS工艺进行了研究。
　　首先，根据微热板气体传感器的设计要求以及大连理工大学微系统中心MEMS工艺线的加工能力，设计了器件的层次和平面结构。利用Mentor Graphics设计软件，绘制了以4寸晶圆为基底的微热板气体传感器掩模版图。版图共分为三层，分别为加热丝层、腐蚀窗层、气敏电极层，其中的微热板采用四臂支撑结构，加热丝采用蛇形走线，宽度为7μm，微热板中心尺寸为100μm*100μm。
　　其次，根据现有设备条件，利用MEMS工艺开始微热板的制作，主要加工工艺包括:热氧化隔离工艺、制备氮化硅支撑层、铂金和钨加热丝加工、制备介质保护层、开腐蚀窗、制备气敏电极、切片、正面体硅腐蚀工艺、打印气敏材料、以及封装。加工过程中，考虑到微热板的结构稳定性以及残余应力的释放，调整了氧化硅以及氮化硅的沉积厚度和相对比例;考虑到加热丝的成膜质量以及图形化效果，采用了射频磁控溅射和剥离的方式;考虑到腐蚀悬空所用的碱性溶液在加热条件下会腐蚀钨，采用加入硅酸和过硫酸铵来降低溶液PH值的方法，既保护了钨也实现了正面体硅腐蚀。实现了MEMS工艺下铂金丝和钨丝微热板的全流程制作。
　　最后，对引线封装后的芯片进行测试，包括加热丝阻值一致性测试、温阻特性测试、稳定性测试、功耗测试、热响应时间以及气敏测试。结果表明，正面体硅加工的MEMS技术可以获得集成度高、功耗低、热响应速度快、灵敏度高的微热板气体传感器。采用铂金加热丝的器件，在300℃以下的温阻特性稳定，并且由于铂金优异的耐腐蚀特性，在加工腐蚀过程中成品率极高。采用溅射工艺制备的钨加热丝电阻率显著高于体材料值，并且温敏特性不理想，这是由于溅射制备的钨薄膜处于亚稳态，可以通过溅射后高温热退火或者改变钨的镀膜工艺获得稳定的钨丝，从而制造出性能优良的钨丝微热板气体传感器。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题的意义

1．2 课题背景

1．2．1 传统的半导体式传感器

1．2．2 微型气体传感器的发展

1．2．3 微热板传感器的结构与工艺

1．3 本文的主要研究内容

2 微热板式气体传感器的结构设计

2．1 微热板气体传感器工作原理

2．2 材料及工艺的选取

2．3 器件结构设计

2．3．1 微热板的层次结构

2．3．2 微热板的平面版图设计

3 微热板式气体传感器的平面加工工艺

3．1 硅片选择及清洗

3．2 热氧化隔离层制备

3．2．1 热氧化

3．2．2 氧化层图形化

3．3 氮化硅支撑层制备

3．4 加热丝工艺

3．4．1 溅射镀膜原理及设备

3．4．2 溅射工艺流程

3．4．3 溅射参数对加热丝的影响

3．4．4 加热丝图形化工艺

3．5 介质保护层制备

3．6 开腐蚀窗

3．7 气敏电极制备

4 传感器的体加工工艺与封装

4．1 切片

4．2 正面体硅腐蚀

4．2．1 腐蚀液的确定

4．2．2 腐蚀效果

4．3 气敏薄膜的制备

4．4 芯片的封装引线

4．4．1 芯片的封装

4．4．2 压焊

5 测试与分析

5．1 钨电阻丝微热板性能测试

5．2 铂金丝微热板气体传感器测试

5．2．1 铂金的电阻值一致性

5．2．2 铂金的温阻特性

5．2．3 铂金电阻的高温稳定性

5．2．4 铂金丝微热板的功耗与热响应时间

5．2．5 气敏测试

结论

参考文献

致谢