一种微米级半导体传感器及其制备方法与流程

本公开属于半导体传感器制造技术领域，特别涉及一种微米级半导体传感器及其制备方法。

背景技术：

半导体刻蚀工艺主要分为干法刻蚀与湿法刻蚀。其中，干法刻蚀主要包括离子束溅射刻蚀(物理作用)、等离子体刻蚀(化学作用)、反应离子刻蚀(物理化学作用)；湿法刻蚀主要包括化学刻蚀、电解刻蚀。湿法刻蚀的优点是选择性好、重复性好、生产效率高、设备简单、成本低。湿法刻蚀的缺点是钻刻严重、会产生大量的化学废液。

干法刻蚀的优点是各向异性好，选择比高，可控性、灵活性、重复性好，易实现自动化，无化学废液，处理过程不引入污染物，洁净度高。但是干法刻蚀的缺点是成本太高，不利于大规模生产。

技术实现要素：

基于此，本公开揭示了一种微米级半导体传感器的制备方法，包括如下步骤：

s100、将硅片清洗烘干，涂底，旋转涂光刻胶，在光刻胶上覆盖掩膜版，对准掩膜版，曝光，去除掩膜版，显影，硬烘，得到预刻蚀硅板；

s200、采用刻蚀剂对步骤s100得到的预刻蚀硅板进行深硅，去胶，激光打孔、划片，得传感器电极预制硅板；

s300、在步骤s200中得到的预制硅板表面进行溅射镀膜，镀上一层导电金属膜，封装，得到微米级半导体传感器。

本公开还揭示一种微米级半导体传感器；

所述传感器包括依次设置的收集电极、提取电极、放电阴极；

所述收集电极包括收集电极硅层，所述收集电极硅层朝向提取电极的一侧表面具有方形凹槽，且收集电极硅层朝向提取电极的一侧的表面及方形凹槽的内表面均镀覆有ti/cu/au镀膜；

所述提取电极包括提取电极硅层，在提取电极的两个表面均镀覆有ti/cu/au镀膜；

所述提取电极中心与收集电极方形凹槽对应位置处设置有圆形通孔，提取电极与收集电极之间设置有绝缘层，绝缘层设置于提取电极两端与收集电极两端对应的位置处；

所述放电阴极包括有放电阴极硅层，所述放电阴极硅层的表面刻蚀有硅柱阵列，且放电阴极硅层的两个表面均镀覆有ti/cu/au镀膜；

所述放电阴极两端分别设置有圆形通孔；

所述放电阴极与提取电极之间设置有聚酯薄膜绝缘层。

本公开具有以下技术效果：

1、本公开所述的微米级半导体传感器的制备方法加工精度高，而且该方法加工效率高，适合于大规模生产。

2、本公开所述的微米级半导体传感器采用三电极结构，将硅板刻蚀到设计的形状之后，对收集电极内表面以及提取电极两面进行ti/ni/au膜的镀膜加工，放电阴极表面直接采取icp刻蚀工艺，加工出微米级硅柱体，在硅柱体表面镀膜，形成微米级金属电极，起放电作用。在提取电极与收集电极分别加一电压，使提取电极与放电阴极之间、提取电极与收集电极之间分别产生电场，放电阴极发生电离，提取电极吸收电子，收集电极收集正离子产生电流，这样减少了离子对放电阴极电极的碰撞，延长了传感器使用寿命。在同一电压、温度下，不同的气体浓度对应不同的收集电极电流，当达到单值时，即可使用此传感器来测量气体浓度。

附图说明

图1为本公开一个实施例中的微米级半导体传感器的结构示意图；

图2为图1中的微米级半导体传感器翻转后的结构示意图；

其中：1-收集电极、2-提取电极、3-放电阴极、101-收集电极硅层、102-镀覆有镀膜的收集电极、103-方形凹槽、201-提取电极硅层、202-镀覆有镀膜的提取电极，203-圆形通孔，204-石英玻璃绝缘层，301-电阴极硅层、302-镀覆有镀膜ti/cu/au的放电阴极硅层表面，303-圆形通孔，304-石英玻璃绝缘层，305-放电针阵列；

图3为本公开一个实施例中的微米级半导体传感器的制备方法流程图；

图4为本公开一个实施例中的微米级半导体传感器的制备方法中掩膜版结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本公开的技术方案进行进一步的说明。

在一个实施例中，本公开揭示了一种微米级半导体传感器的制备方法，包括如下步骤：

s100、将硅片清洗烘干，涂底，旋转涂光刻胶，在光刻胶上覆盖掩膜版，对准掩膜版，曝光，去除掩膜版，显影，硬烘，得到预刻蚀硅板；

s200、采用刻蚀剂对步骤s100得到的预刻蚀硅板进行深硅，去胶，激光打孔、划片，得传感器电极预制硅板；

s300、在步骤s200中得到的预制硅板表面进行溅射镀膜，镀上一层导电金属膜，封装，得到微米级半导体传感器。

本实施例公开的微米级半导体传感器的制备方法，采用先在硅板表面涂胶，然后光刻，之后通过溅射镀膜，得到的传感器电极加工精度高，能够满足微米级半导体传感器的质量需求。在光刻之后，对于硅板来说，光刻、剥离等刻蚀工艺无法准确控制深度，且较细的硅刻蚀之后通孔刻蚀需采用套刻，工艺复杂，成品率不高；故在刻蚀通孔时采用采用激光打孔技术，速度可以较快，且对硅板表面形貌影响小；在刻蚀盲孔的时候，一般采用控制度较高但速度较慢的刻蚀方式，以满足对深度以及底面光滑程度的要求。

所述步骤s200中采用icp刻蚀技术，使用的刻蚀剂为c4f8与sf6。

所述步骤s100中在显影后进行坚膜，所述坚膜的条件为：温度为110℃，坚膜时间为10min。

所述步骤s200中刻蚀的深度可以视具体的传感器类型和结构来定，其中提取电极为通孔、收集电极为10-300um盲孔，放电阴极一般为1-10um粗5-150um高，间距为10um-500um的硅柱阵列，采用表面溅射镀膜的方式制作放电针。

所述步骤s300中，在微米级半导体传感器的提取电极的两个表面及放电阴极和收集电极的内表面镀上ti/x/au膜。其中ti改为过渡层金属，溅射10nm，用于连接硅片及金属x；x为导电金属，可以使用cu、ni、au、al、zn、ge、fe等，根据放电阴极硅柱粗细，选择溅射500nm-10um，主要作为电流层导电用；au为最外层，溅射50nm，用于传感器封装，导电金线的连接；

所述步骤s300中，采用封装机对三电极进行封装，电极间隔离采用确定厚度(50-300um)的石英玻璃，采用绝缘涂胶(20±5um)粘贴电极与石英玻璃，减小不确定误差。采用pcb板作为基底，收集电极背贴pcb，盲孔向上，机器打印使用金线连接收集电极表面和pcb上预制的pad；在收集电极两个宽上涂胶，粘贴石英玻璃，二次涂胶，放置提取电极；再机器打印使用金线连接提取电极表面和pcb上预制的pad；在提取电极两个宽上涂胶，粘贴石英玻璃，二次涂胶，放置放电阴极，机器打印使用金线连接提取电极表面和pcb上预制的pad；制作成一基于pcb板，方便安装的传感器。

如图4所示：所述掩膜版为cr板。所述掩膜版采用proteldxp软件绘制掩膜版图形。掩膜版包括为五寸版的大圆和四寸板的小圆。对掩膜版进行划分的十字光标的线宽为1mm。所述掩膜版制作为正胶掩膜版。

所述曝光后，掩膜版正胶见光分解，分解后的物质冲洗掉，将掩膜版上的图形保留下来；掩膜版负胶见光交联，交联物质稳定，未交联的部分被冲洗掉，实现图形从掩膜版到硅片表面的转移。

在一个实施例中，所述步骤s200中的刻蚀剂为c4f8与sf6，其中c4f8以流量100sccm通5s，sf6以流量100sccm通8s，循环工作至刻蚀完成。

在本实施例中c4f8主要对硅片进行刻蚀(腐蚀)，刻蚀一定时间后会产生杂质干扰，使用sf6“清洗”硅片，将杂质吹走。

在一个实施例中，所述步骤s100还包括在显影后进行坚膜，所述坚膜的温度为90至300℃，坚膜的时间为5至30min。

在本实施例中，坚膜的温度和时间根据光刻胶的种类、面积、厚度决定。为了保证膜的稳定，不对后续加工产生干扰，且对掩膜版的图形达到完美转移的目的。根据掩膜版上图形的尺寸会选择光刻胶的种类，且进一步确认坚膜时间。

在一个实施例中，所述步骤s200中所得预制硅板包括传感器的放电阴极、提取电极以及收集电极。

在本实施例中，放电电极用于发射电子，提取电极用于吸收正离子，保护放电针，收集电极用于收集电子产生放电信号。

在一个实施例中，在步骤s200中放电阴极内表面刻蚀出1-10um粗，5-150um高，间距为10um-500um的硅柱阵列，并采用表面溅射镀膜的方式制作放电针尖。

在本实施例中，根据场发射原理，硅柱的深宽比越大、场强越集中、放电效果越好。而且理论上，不同粗细、高度、间距的针尖产生的极不均匀电场不一样，最后放电(传感器输出)电流也不一样。

在一个实施例中，所述步骤s300中的封装具体为：采用封装机对放电阴极、提取电极以及收集电极进行封装，电极间采用石英玻璃进行隔离。

在本实施例中，电极间采用石英玻璃进行隔离后，并将电极与石英玻璃进行粘贴。

在一个实施例中，所述步骤s300中的在预制硅板表面进行溅射镀膜，镀上一层导电金属膜具体为：在微米级半导体传感器的提取电极的两个表面及放电阴极和收集电极的内表面镀上ti/x/au膜；

其中，ti溅射10nm，用于连接硅片及金属x；

x为导电金属，包括cu、ni、au、al、zn、ge、fe，根据放电阴极硅柱粗细，选择溅射500nm-10um，作为电流层导电用；

au为溅射的最外层，溅射50nm，用于传感器封装。

在本实施例中，金属镀膜越厚导电越容易，但是过厚的镀膜会影响深宽比，对传感器输出电流信号大小产生影响，所以，金属镀膜的厚度需要设置在一个合适的范围内，更优的，ti溅射10nm，x溅射900nm，au溅射50nm。

在一个实施例中，所述步骤s300中的溅射采用磁控溅射方式。

在本实施例中，所述磁控溅射是物理气相沉积中的一种，磁控溅射法是实现了高速、低温、低损伤。因为是在低气压下进行高速溅射，必须有效地提高气体的离化率。磁控溅射通过在靶阴极表面引入磁场，利用磁场对带电粒子的约束来提高等离子体密度以增加溅射率。

在一个实施例中，本公开揭示了一种微米级半导体传感器，

所述传感器包括依次设置的收集电极、提取电极和放电阴极；

所述收集电极包括收集电极硅层，所述收集电极硅层朝向提取电极的一侧表面具有方形凹槽，且收集电极硅层朝向提取电极的一侧的表面及方形凹槽的内表面均镀覆有ti/cu/au镀膜；

所述提取电极包括提取电极硅层，在提取电极的两个表面均镀覆有ti/cu/au镀膜；

所述提取电极中心与收集电极方形凹槽对应位置处设置有圆形通孔，提取电极与收集电极之间设置有绝缘层，绝缘层设置于提取电极两端与收集电极两端对应的位置处；

所述放电阴极包括有放电阴极硅层，所述放电阴极硅层的表面刻蚀有硅柱阵列，且放电阴极硅层的两个表面均镀覆有ti/cu/au镀膜；

所述放电阴极两端分别设置有圆形通孔；

所述放电阴极与提取电极之间设置有聚酯薄膜绝缘层。

更优的，所述方形凹槽的槽深为200μm。

在本实施例中，所述的微米级半导体传感器采用三电极结构，将硅板刻蚀到设计的形状之后，对收集电极内表面以及提取电极两面进行ti/ni/au膜的镀膜加工，放电阴极表面直接采取icp刻蚀工艺，加工出微米级硅柱体，在硅柱体表面镀膜，形成微米级金属电极，起放电作用。在提取电极与收集电极分别加一电压，使提取电极与放电阴极之间、提取电极与收集电极之间分别产生电场，放电阴极发生电离，提取电极吸收电子，收集电极收集正离子产生电流，这样减少了离子对放电阴极电极的碰撞，延长了传感器使用寿命。在同一电压、温度下，不同的气体浓度对应不同的收集电极电流，当达到单值时，即可使用此传感器来测量气体浓度。

在一个实施例中，如图1和图2所示：本实施例的微米级半导体传感器包括依次设置的收集电极1、提取电极2、放电阴极3，收集电极包括收集电极硅层101，收集电极硅层朝向提取电极的一侧表面具有槽深为200μm的方形凹槽103，收集电极硅层朝向提取电极的一侧的表面及方形凹槽的内表面均镀覆有收集电极ti/cu/au镀膜102；提取电极包括提取电极硅层201以及镀覆在提取电极两面的提取电极ti/cu/au镀膜202，提取电极中心与收集电极方形凹槽对应位置设置有圆形通孔203，提取电极与收集电极之间设置有石英玻璃绝缘层204，绝缘层设置与提取电极两端与收集电极两端对应的位置处；放电阴极包括放电阴极硅层301以及设置在放电阴极硅层表面的ti/cu/au膜302，放电阴极两端分别设置有圆形通孔303，放电阴极与提取电极之间设置有石英玻璃绝缘层304，绝缘层设置在放电阴极两端与提取电极两端分别对应的位置处；放电阴极内表面有刻蚀镀膜形成的放电针阵列305。如图3所示，上述微米级半导体传感器的制备方法包括如下步骤：

上述微米级半导体传感器的制备方法包括如下步骤：

1)根据传感器的结构类型，根据放电阴极、提取电极、收集电极的结构，设计和制作掩膜版，采用proteldxp软件绘制掩膜版图形，使用十字光标对掩膜版进行划分，十字光标的线宽为1mm，掩膜版制作为正胶掩膜版，掩膜版为cr板；

2)在用来制备电极的硅板覆正性光刻胶epg533，在85℃的条件下前烘5min，在光刻胶上面覆盖步骤1)制得的掩膜版，曝光，去除掩膜版，显影，进行坚膜，坚膜的温度为110℃，时间为10min；

3)采用刻蚀剂c4h8与sf6对步骤2)得到的硅板上暴露出的硅板分别进行icp深硅刻蚀，之后去除光刻胶，得到刻蚀后的硅板；其中加工放电阴极的硅板表面分别刻蚀直径3um、深度10um、间距40um的硅柱阵列，在加工收集电极的硅片的内表面中心刻蚀深度200um的盲孔，在加工提取电极的硅片中心对应收集电极盲孔的位置刻蚀一通孔；

4)采用激光划片技术对步骤3)得到的刻蚀后的硅板进行划片，且对加工放电阴极的硅板激光打孔加工通孔；

5)在制备提取电极和放电阴极的硅板两面及制备收集电极的硅板内侧表面上镀上一层ti/cu/au膜，其中ti为10nm，cu为1um，au为50nm；

6)采用pcb板作为基底，收集电极背贴pcb，盲孔向上，机器打印使用金线连接收集电极表面和pcb上预制的pad；在收集电极两个宽上涂胶，粘贴厚度为80um的石英玻璃，二次涂胶，放置提取电极；再机器打印使用金线连接提取电极表面和pcb上预制的pad；在提取电极两个宽上涂胶，粘贴厚度为80um的石英玻璃，二次涂胶，放置放电阴极，机器打印使用金线连接提取电极表面和pcb上预制的pad；

7)步骤1)到步骤6)制作完成一批参数为：放电阴极放电电极(3um粗，10um高，间距40um)、电极间距120±10um的传感器，用于实验。

在一个实施例中，本实施例的微米级半导体传感器包括依次设置的收集电极、提取电极、放电阴极，收集电极包括收集电极硅层，收集电极硅层朝向提取电极的一侧表面具有槽深为200μm的方形凹槽，收集电极硅层朝向提取电极的一侧的表面及方形凹槽的内表面均镀覆有ti/cu/au镀膜；提取电极包括提取电极硅层以及镀覆在提取电极两面的ti/cu/au镀膜，提取电极中心与收集电极方形凹槽对应位置设置有圆形通孔，提取电极与收集电极之间设置有绝缘层，绝缘层设置于提取电极两端与收集电极两端对应的位置处；放电阴极包括放电阴极硅层以及表面刻蚀柱体及表面镀膜，形成金属镀膜硅半导体的放电针，放电阴极两端分别设置有圆形通孔，放电阴极与提取电极之间设置有绝缘层，绝缘层设置在放电阴极两端与提取电极两端分别对应的位置处。

上述微米级半导体传感器的制备方法包括如下步骤：

1)根据传感器的结构类型，根据放电阴极、提取电极、收集电极的结构，设计和制作掩膜版，采用proteldxp软件绘制掩膜版图形，使用十字光标对掩膜版进行划分，十字光标的线宽为1mm，掩膜版制作为正胶掩膜版，掩膜版为cr板；

2)在用来制备电极的硅板覆正性光刻胶ep6533，在85℃的条件下前烘5min，在光刻胶上面覆盖步骤1)制得的掩膜版，曝光，去除掩膜版，显影，进行坚膜，坚膜的温度为110℃，时间为10min；

3)采用刻蚀剂c4h8与sf6对步骤2)得到的硅板上暴露出的硅板分别进行icp深硅刻蚀，之后去除光刻胶，得到刻蚀后的硅板；其中加工放电阴极的硅板表面分别刻蚀直径3um、深度10um、间距40um的硅柱阵列，在加工收集电极的硅片的内表面中心刻蚀深度200um的盲孔，在加工提取电极的硅片中心对应收集电极盲孔的位置刻蚀一通孔；

4)采用激光划片技术对步骤3)得到的刻蚀后的硅板进行划片，且对加工放电阴极的硅板激光打孔加工通孔；

5)在制备提取电极和放电阴极的硅板两面及制备收集电极的硅板内侧表面上镀上一层ti/cu/au膜，其中ti为10nm，cu为1um，au为50nm；

6)采用pcb板作为基底，收集电极背贴pcb，盲孔向上，机器打印使用金线连接收集电极表面和pcb上预制的pad；在收集电极两个宽上涂胶，粘贴厚度为100um的石英玻璃，二次涂胶，放置提取电极；再机器打印使用金线连接提取电极表面和pcb上预制的pad；在提取电极两个宽上涂胶，粘贴厚度为100um的石英玻璃，二次涂胶，放置放电阴极，机器打印使用金线连接提取电极表面和pcb上预制的pad；

7)步骤1)到步骤6)制作完成一批参数为：放电阴极放电电极(3um粗，10um高，间距40um)、电极间距140±10um的传感器，用于实验。

在一个实施例中，本实施例的微米级半导体传感器包括依次设置的收集电极、提取电极、放电阴极，收集电极包括收集电极硅层，收集电极硅层朝向提取电极的一侧表面具有槽深为200μm的方形凹槽，收集电极硅层朝向提取电极的一侧的表面及方形凹槽的内表面均镀覆有ti/cu/au镀膜；提取电极包括提取电极硅层以及镀覆在提取电极两面的ti/cu/au镀膜，提取电极中心与收集电极方形凹槽对应位置设置有圆形通孔，提取电极与收集电极之间设置有绝缘层，绝缘层设置于提取电极两端与收集电极两端对应的位置处；放电阴极包括放电阴极硅层以及表面刻蚀柱体及表面镀膜，形成金属镀膜硅半导体的放电针，放电阴极两端分别设置有圆形通孔，放电阴极与提取电极之间设置有绝缘层，绝缘层设置在放电阴极两端与提取电极两端分别对应的位置处。

上述微米级半导体传感器的制备方法包括如下步骤：

1)根据传感器的结构类型，根据放电阴极、提取电极、收集电极的结构，设计和制作掩膜版，采用proteldxp软件绘制掩膜版图形，使用十字光标对掩膜版进行划分，十字光标的线宽为1mm，掩膜版制作为正胶掩膜版，掩膜版为cr板；

2)在用来制备电极的硅板覆正性光刻胶epg533，在85℃的条件下前烘5min，在光刻胶上面覆盖步骤1)制得的掩膜版，曝光，去除掩膜版，显影，进行坚膜，坚膜的温度为110℃，时间为10min；

3)采用刻蚀剂c4h8与sf6对步骤2)得到的硅板上暴露出的硅板分别进行icp深硅刻蚀，之后去除光刻胶，得到刻蚀后的硅板；其中加工放电阴极的硅板表面分别刻蚀直径3um、深度10um、间距40um的硅柱阵列，在加工收集电极的硅片的内表面中心刻蚀深度200um的盲孔，在加工提取电极的硅片中心对应收集电极盲孔的位置刻蚀一通孔；

4)采用激光划片技术对步骤3)得到的刻蚀后的硅板进行划片，且对加工放电阴极的硅板激光打孔加工通孔；

5)在制备提取电极和放电阴极的硅板两面及制备收集电极的硅板内侧表面上镀上一层ti/cu/au膜，其中ti为10nm，cu为1um，au为50nm；

6)采用pcb板作为基底，收集电极背贴pcb，盲孔向上，机器打印使用金线连接收集电极表面和pcb上预制的pad；在收集电极两个宽上涂胶，粘贴厚度为150um的石英玻璃，二次涂胶，放置提取电极；再机器打印使用金线连接提取电极表面和pcb上预制的pad；在提取电极两个宽上涂胶，粘贴厚度为150um的石英玻璃，二次涂胶，放置放电阴极，机器打印使用金线连接提取电极表面和pcb上预制的pad；

7)步骤1)到步骤6)制作完成一批参数为：放电阴极放电电极(3um粗，10um高，间距40um)、电极间距190±10um的传感器，用于实验。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解；其依然可以对上述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替代；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术所述的精神范围。