MEMS硅基气体传感器制作工艺详解：膜式结构与悬浮式结构对比

随着90年代光电子技术的迅速发展，红外气体传感器以及光纤气体传感器等新型传感器产品相继问世，并凭借其非接触测量、抗干扰能力强等特点，在高端工业监控及科研领域占据了重要地位。进入21世纪以来，尤其是近十年间，随着物联网、人工智能等新一代信息技术的深度融合，气体传感器朝着微型化、智能化、网络化方向快速发展，不仅提升了各类气体检测设备的功能性和可靠性，更是在智慧城市、智能家居等多个新兴应用场景中发挥了关键作用，从而进一步推动了整个气体传感器行业的繁荣壮大。

本文主要介绍了两款硅基气体传感器的制作工艺，图1.1所示分别为膜式结构和悬浮式结构的传感器俯视图，膜式结构就是微热版中间的加热平台与周围绝缘层直接作为一个整体与衬底相连，悬浮式结构就是通过几个悬臂梁作为支撑实现中间加热平台悬空。

  (a)膜式结构                         （b）悬浮式结构

图1.1  气体传感器俯视图

(a)膜式结构                           （b）悬浮式结构

图1.2 气体传感器截面示意图

MEMS硅基气体传感器膜式结构芯片主要通过热氧，LPCVD，光刻，刻蚀等工艺制作而成，其加热电极和测试电极位于不同层通过绝缘层隔离。工艺流程如图1.3所示：

图1.3 工艺流程示意图

1.硅片选择和清洗

本文六寸FZ双抛硅片，类型为P型(100),厚度400um。其100晶相衬底既可通过深硅刻蚀形成垂直背腔结构，也可以通过各向异性腐蚀形成倒梯形湿法腐蚀背腔结构。通过丙酮，异丙醇超声清洗，去离子水冲洗，氮气枪吹干，最后150℃热板烘烤5min干燥处理。

2.绝缘层制备

为避免器件短路和寄生电容的发生和起到良好的支撑性能，采用热氧+LPCVD沉积一层SiO2/SiN:1+0.6um作为绝缘层和支撑层。

3.切割道制备

在六寸晶圆上制作形成全流程制备后需要将其切割成单颗小芯片并进行封装，已经形成悬空膜结构后为避免其他切割方式破坏只能选择

激光隐切，这就需要在晶圆制备时就要打开切割道内的膜层避免激光透不过切割道无法完成最终切割。

4.加热电极制备

加热电极先择Ti/Pt：10/100nm，Ti作为过渡金属增强和底部绝缘层的粘附性，Pt具有良好的线性温阻特性，是良好的加热阻丝材料。旋涂LOR20B+AZ5214光刻胶作为加热线路的剥离光刻层，通过MA6光刻机进行曝光，显影使其图形化。金属蒸发前进行O2 plasma处理去除底部底膜后放入蒸发设备中沉积Ti/Pt，然后湿法剥离出加热线路。                                                                                       

5.绝缘层沉积及开窗

绝缘层选择PEVCD生长的SiO2,厚度为300nm，起到隔绝测试电极和加热电极。在此基础上需要将加热电极pad区域的绝缘层刻蚀掉方便后续封装测试。

6.测试电极制备

测试电极为叉指电极厚度为Ti/Au：20/300nm，其厚度也方便后续封装打线，电极图形化同样采用剥离工艺。

7.气敏材料涂覆图形化刻蚀

   通过丝网印刷或者表面沉积等方法在晶圆表面制备一层薄的ZnO敏感涂层，并制作光刻掩膜图形，通过IBE刻蚀将除中间电极区域以外包括pad区域的气敏材料刻蚀干净。

8.背面空腔刻蚀

在晶圆背面通过光刻形成空腔窗口图形化，通过反应离子刻蚀将窗口层的钝化层刻蚀开露出底层硅，通过DRIE刻蚀至正面支撑层氧化硅形成垂直空腔结构，去除掩膜层形成最终芯片结构。

图1.4膜式气体传感器截面流程图

本文设计的MEMS硅基气体传感器悬浮式结构采用了正面腐蚀形成空腔结构，工艺流程如图1.5所示。

图1.5  工艺流程示意图

该结构加热电极和测试电极也设计成了同层，与上述加热和测试电极分别在两个不同绝缘层相比可以有效避免寄生电容带来的信号干扰，制作工艺更加简洁化，为了避免线路同层带来的气敏材料掉落在两个电极之间的缝隙造成工作短路，将加热电极设计成环绕在测试电极四周，这样可以通过绝缘层隔绝加热电极和气敏材料的接触从而避免此现象出现。

除此之外与上述结构相比，悬浮式正面开腔在工艺过程中有两个重要的步骤：

1.正面悬臂梁制作

通过正面腐蚀窗口的设计进行KOH和TMAH的腐蚀验证，KOH工艺参数为32％KOH水溶液腐蚀温度80℃腐蚀75min窗口底部腐蚀平整，但支撑层结构中间有褶皱和下拉，应该与KOH溶液腐蚀支撑层下层SiO2使得膜层厚度不均匀产生一定的形变。

图1.6 悬浮式正面腐蚀版图及SEM腐蚀形貌

调整腐蚀工艺，选择与支撑层腐蚀选择比更低的TMAH腐蚀液在25％浓度85℃下腐蚀165min，优化了膜层形变以及褶皱的现象。

图1.7  TMAH腐蚀窗口形貌

2.pt电极剥离工艺

将加热电极和测试电极放置在同一层，线条宽度及间距会减小，在含Pt的多层金属进行lift-off的时候，容易出现金属翼尖，使后续钝化和金属互连等工艺出现问题，最终导致器件失效。

图1.8 加热测试电极同层设计示意图

图1.9 Pt剥离形貌图

在工艺过程中使用LOR10A+AZ5214双层胶光刻显影坚膜，溅射Ti/Pt：20/600nm，上层钝化层SiO2生长1um，SEM图片显示由于两侧金属翼尖明显；后续钝化层未能覆盖Pt线。

图1.10  金属翼尖SEM图

产生金属翼尖可能与双层胶底层与上层之间没有形成有效的剥离胶型加上坚膜后表面光刻胶收缩坍塌影响沉积形貌。通过优化LOR20B+AZ5214双层胶和负胶ROL-7133的光刻形貌以及烘烤沉积温度，金属剥离形貌进一步解决。

(a)LOR20B+AZ5214               (b)  ROL-7133

图1.11金属剥离SEM图

文章介绍的两种不同设计的MEMS硅基气体传感器芯片，主要优势在于其灵敏度高，响应快，体积小，能耗低，稳定性强等，其能够在极低浓度下依然可以快速检测，为工业生产，环境检测等领域做出重要贡献。