基于掺铝氧化锌多孔纳米薄膜的MEMS甲醛传感器的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于掺铝氧化锌多孔纳米薄膜的MEMS甲醛传感器的制备方法，该传感器自下至上为SiO

【技术实现步骤摘要】
基于掺铝氧化锌多孔纳米薄膜的MEMS甲醛传感器的制备方法
本专利技术涉及一种甲醛传感器，特别是一种基于掺铝氧化锌多孔纳米薄膜的MEMS甲醛传感器的制备方法。
技术介绍
甲醛是一种无色易燃的化学物质，具有还原性和刺激性气味，人体暴露于甲醛会影响免疫系统反应。它是人类的致癌物，可引起血癌、淋巴癌及鼻咽癌。如果甲醛的暴露量超过允许的暴露极限，就会对人体的鼻子、眼睛和喉咙造成非常大的刺激。世界卫生组织建议，甲醛的安全极限是8小时内2ppm的暴露，室内水平在30分钟内不得超过80ppb。因此，高性能甲醛传感器的开发对于环境安全和人体健康显得尤为重要。甲醛的暴露量超过3ppm可以在人体中诱导细胞毒性作用。该气体主要用于生产商业树脂，例如，用于制造刨花板和各种涂料。它是几乎每个居民家庭中最常见的室内空气污染物。HCHO的来源包括刨花板、油漆、空气清新剂、窗帘、床单等。一项研究表明，若是所从事的职业长期接触HCHO，也可诱导白血病的产生。考虑到甲醛对健康的不利影响，最重要的是研发一种可实现ppb级别检测甲醛的气体传感器。前人研究者已经探索了各种气体传感材料和平台，以实现可靠且高度灵敏的HCHO传感器。尽管可以使用多种感测原理及对应方法，但大多数甲醛传感器仍采用金属氧化物传感材料，因为它们易于制造且成本低廉。半导体金属氧化物传感器由于其响应快速且结构简单的优点已经应用于绝大部分气体检测领域，并且随着纳米技术日新月异的发展，半导体金属氧化物敏感材料朝着纳米化、薄膜化等方向不断扩展，灵敏度不断提高。为人类检测更低浓度的气体，保证日常工作和生活环境的安全起到了重要的促进作用。与此同时，将半导体金属氧化物气敏材料与基于MEMS的微加热器进行集成，为实现物联网与智慧城市建设对气体传感器微型化、低功耗的要求提供了可能，对于实现一致性高的低功耗微型气体传感器的晶圆级批量化生产具有重要的研究意义。传统MEMS微加热器集成工艺的半导体金属氧化物甲醛传感器采用的是上下布置的方式，即加热电极位于敏感电极下方，两者之间有绝缘层，通常绝缘层为氮化硅材料。虽然结构较为直观，加热面积集中在一定区域，但是由于增加了工艺步骤，对于后期的工艺实施增加了难度，因为采用上下结构将加热丝埋入绝缘层中会造成支撑薄膜非常复杂的应力状态，从而增加薄膜破损的几率，因此选用合适的制备方法无论是对于要求快捷性，亦或者未来应用于工业生产，显得尤为重要。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种基于掺铝氧化锌多孔纳米薄膜的MEMS甲醛气体传感器的制备方法，通过采用Pd贵金属对掺铝氧化锌薄膜进行掺杂和表面改性，制备出气敏性能一致性好的低功耗MEMS甲醛气体传感器，提高气体传感器的响应；提高了反应速度与灵敏度，能够检测到ppb级别的甲醛浓度。为达到以上目的，本专利技术是采取如下技术方案予以实现的：一种基于掺铝氧化锌多孔纳米薄膜的MEMS甲醛传感器的制备方法，包括下述步骤：(1)在Si基底的上、下两面分别利用热氧化法制备第一层双面SiO2薄膜，接着用低压化学气相淀积法在上下两面制备第二层双面Si3N4薄膜，形成SiO2-Si3N4的正面支撑层薄膜与背面掩蔽层薄膜；(2)在正面支撑层薄膜之上利用等离子体增强化学气相淀积法依次制备SiO2-Si3N4薄膜，制备完毕后退火热处理；(3)在Si3N4薄膜上，利用电极掩膜版采用涂粘附剂、匀胶、光刻、显影工艺制备出包括敏感测试电极、加热电极和测温电极的电极图案，然后烘干；(4)在烘干后的电极图案上，利用电子束蒸发沉积Cr和Au薄膜；(5)在沉积Cr-Au薄膜电极后，进行光刻胶剥离，烘干；(6)利用敏感层掩膜版和已经制备的电极图案进行套刻对准，利用旋涂粘附剂、匀胶、光刻、显影工艺制备出敏感层图案，并烘干；(7)将微球通过旋涂的方式涂到烘干后的敏感层图案上，并干燥；(8)对旋涂微球的敏感层图案进行处理，调节微球大小，在设定时间和功率条件下进行刻蚀；(9)利用磁控溅射法共溅射敏感材料ZnO和Al2O3，分别调节ZnO靶及Al2O3靶的溅射功率、衬底温度、溅射压力、溅射机中氩气与氧气的比例以及溅射时间；(10)在溅射的ZnO及Al2O3层上，再溅射一层Pd层，通过调整溅射时间控制溅射Pd层的厚度；(11)利用剥离操作去除光刻胶，留下敏感电极处的敏感材料；(12)再使用甲苯进行超声处理，去除微球，得到多孔的ZnO及Al2O3复合敏感薄膜，进行烘干并退火处理；(13)利用光刻工艺在背面掩蔽层薄膜上制备绝热槽窗口图案；(14)利用干法刻蚀工艺刻蚀掩蔽层；(15)将光刻胶和聚二甲基硅氧烷涂覆在Si基底正面及侧边区域，使用四甲基氢氧化铵溶液进行湿法腐蚀，在Si基底3背面形成绝热槽；(16)去除聚二甲基硅氧烷及光刻胶，经激光划片分割后得到掺铝氧化锌多孔纳米薄膜的MEMS甲醛传感器。上述工艺中的进一步方案还在于:所述步骤(1)中，硅基底为N(100)型硅片，厚度为400±10μm；其中SiO2薄膜厚度为500nm±10nm，Si3N4薄膜厚度为150nm±10nm。所述步骤(2)中，SiO2薄膜厚度为500nm±10nm，Si3N4薄膜厚度为150nm±10nm；硅片于500℃-600℃温度，先通1小时100％的N2，接着通3-5小时5-10％的O2，最后通1小时100％的N2退火处理5-7小时。所述步骤(3)中，粘附剂为六甲基二硅胺烷，在500-600r/min旋涂6-8s，再在1500-1800r/min旋涂40-45s，在120℃-125℃下烘干10-15min。步骤(3)和(6)中，匀胶选择EPG535光刻胶，设置低速500-600r/min旋转6-8s，高速1000-1200r/min旋转40-45s，在95-98℃下烘5-8min，光刻时曝光时间为7-8s，采用5‰的NaOH溶液显影20-25s，最后在110-115℃下烘干20-25min。所述步骤(4)中，Cr作为粘附剂沉积10-50nm，Au作为电极材料沉积15-250nm。所述步骤(5)、(11)和(16)中，采用剥离步骤为：丙酮清洗5-7min，超声1-2min，酒精清洗5-7min，超声1-2min，去离子水清洗5-10min，重复步骤2-3次；气吹吹干，110-115℃下烘10-15min。所述步骤(7)中，采用聚苯乙烯微球水溶液，微球含量为2-5wt％，微球直径为200-500nm，通过匀胶机旋涂至硅基底上，300-500r/min旋涂30-40s；室温下干燥2小时。所述步骤(8)中，使用氧等离子体刻蚀法或者使用反应离子刻蚀法进行微球的刻蚀，刻蚀时间为6-10min，功率为70-90W。所述步骤(9)中，ZnO溅射功率为100-150W，Al2O3溅射功率为30-100W，二者同时共溅射9-14min；设置衬底的温度为25-110℃；压力为3mTorr-30mTorr；溅射Ar:O2的比例分别本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于掺铝氧化锌多孔纳米薄膜的MEMS甲醛传感器的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：/n(1)在Si基底的上、下两面分别利用热氧化法制备第一层双面SiO

【技术特征摘要】
1.一种基于掺铝氧化锌多孔纳米薄膜的MEMS甲醛传感器的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：
(1)在Si基底的上、下两面分别利用热氧化法制备第一层双面SiO2薄膜，接着用低压化学气相淀积法在上下两面制备第二层双面Si3N4薄膜，形成SiO2-Si3N4的正面支撑层薄膜与背面掩蔽层薄膜；
(2)在正面支撑层薄膜之上利用等离子体增强化学气相淀积法依次制备SiO2-Si3N4薄膜，制备完毕后退火热处理；
(3)在Si3N4薄膜上，利用电极掩膜版采用涂粘附剂、匀胶、光刻、显影工艺制备出包括敏感测试电极、加热电极和测温电极的电极图案，然后烘干；
(4)在烘干后的电极图案上，利用电子束蒸发沉积Cr和Au薄膜；
(5)在沉积Cr-Au薄膜电极后，进行光刻胶剥离，烘干；
(6)利用敏感层掩膜版和已经制备的电极图案进行套刻对准，利用旋涂粘附剂、匀胶、光刻、显影工艺制备出敏感层图案，并烘干；
(7)将微球通过旋涂的方式涂到烘干后的敏感层图案上，并干燥；
(8)对旋涂微球的敏感层图案进行处理，调节微球大小，在设定时间和功率条件下进行刻蚀；
(9)利用磁控溅射法共溅射敏感材料ZnO和Al2O3，分别调节ZnO靶及Al2O3靶的溅射功率、衬底温度、溅射压力、溅射机中氩气与氧气的比例以及溅射时间；
(10)在溅射的ZnO及Al2O3层上，再溅射一层Pd层，通过调整溅射时间控制溅射Pd层的厚度；
(11)利用剥离操作去除光刻胶，留下敏感电极处的敏感材料；
(12)再使用甲苯进行超声处理，去除微球，得到多孔的ZnO及Al2O3复合敏感薄膜，进行烘干并退火处理；
(13)利用光刻工艺在背面掩蔽层薄膜上制备绝热槽窗口图案；
(14)利用干法刻蚀工艺刻蚀掩蔽层；
(15)将光刻胶和聚二甲基硅氧烷涂覆在Si基底正面及侧边区域，使用四甲基氢氧化铵溶液进行湿法腐蚀，在Si基底3背面形成绝热槽；
(16)去除聚二甲基硅氧烷及光刻胶，经激光划片分割后得到掺铝氧化锌多孔纳米薄膜的MEMS甲醛传感器。


2.根据权利要求1所述的一种基于掺铝氧化锌多孔纳米薄膜的MEMS甲醛传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，硅基底为N(100)型硅片，厚度为400±10μm；其中SiO2薄膜厚度为500nm±10nm，Si3N4薄膜厚度为150nm±10nm。


3.根据权利要求1所述的一种基于掺铝氧化锌多孔纳米薄膜的MEMS甲醛传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，SiO2薄膜厚度为500nm±10nm，Si3N4薄膜厚度为150nm±10nm；
硅片于500℃-600℃温度，先通1小时100％的N2，接着通3-5小时5-10％的O2，最后通1小时100％的N2退火处理5-7小时。


4.根据权利要求1所述的一种基于掺铝氧化锌多孔纳...

【专利技术属性】
技术研发人员：张铭，王久洪，唐闫焜，王海容，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61