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      薄膜氣敏元件的研制

      2016-02-22 13:19:08潘英飛
      科技視界 2016年5期
      關(guān)鍵詞:氣敏薄膜研究

      潘英飛

      【摘 要】不同工藝薄膜氣敏元件的靈敏度存在最佳靈敏度的膜厚?詛*(1000?魡~2000?魡)差異;采用復(fù)合絕緣膜Si/SiO2/Al2O3襯底;采用薄膜的粉末濺射和研制薄膜氣敏元件的工藝流程。

      【關(guān)鍵詞】薄膜;氣敏;研究

      The processing technology of thin film gas-sensors

      PAN Ying-fei

      (Jinan Semiconductor Institute, Jinan Shandong 250014, China)

      【Abstract】There is film thickness difference of optimal sensivity of Fillm Air-sensitive Device with different technology: Adopt compound insulating film Si/SiO2/Al2O3 substrate; Adopt the process of powder sputtering of thin film and research of thin film gas-sensors.

      【Key words】Thin film; Gas sensor; Research

      0 前言

      氣敏元件用先進的可自動化的、集成化生成的,光刻與濺射相結(jié)合的薄膜元件技術(shù)取代目前國內(nèi)外流行的手工涂料,瓷管上燒結(jié)的TGS(Tagushi Gas Sensor)元件技術(shù)。氣敏層在稱底上的生成可用高能離子的薄膜濺射技術(shù)而有利于廣泛開發(fā)基材料,同時這類薄膜元件與TGS元件相比在性能上有靈敏、快速、低功耗、小的熱慣性等優(yōu)點。

      氣敏效應(yīng)有兩個方面:第一,電導氣敏;第二,溫變氣敏;因此我們開發(fā)、研制和應(yīng)用的元件有兩類:電導氣敏元件和溫變薄膜氣敏元件。

      溫變薄膜氣敏元件是一類新的還原氣體氣敏元件,是利用金屬氧化物氣敏薄膜在與還原氣體反應(yīng)中的放熱升溫現(xiàn)象來制作的,為了溫變△trea大,靈敏,盡量增大氣敏層的面積,為此我們采用了雙面拋光硅片,一面加工加熱器,另一面濺氣敏層。

      本文介紹兩個內(nèi)容:第一,對電導氣敏薄膜的性能測試和實驗的結(jié)果;第二,對電導氣敏薄膜元件的研制提出工藝流程并對一些工藝作了說明。

      1 薄膜氣敏元件的電導氣敏性能

      1.1 靈敏度Sn隨膜厚l的變化——存在最佳靈敏度的膜厚l*。

      氣敏材料靈敏度Sn被定義為:

      Sn=G/G0(1)

      其中G和G0各為材料在凈空氣中和在含還原氣體的空氣中的電導。

      圖1所示為不同材料、不同工藝氣敏薄膜的靈敏度Sn隨膜厚l變化的典型曲線。由圖1可見,其特點為:存在最佳膜厚l*,但其值隨材料、工藝而不同。下面是實驗結(jié)果:

      l*反應(yīng)濺射ZnO酒敏薄膜:140nm粉末濺射ZnO酒敏薄膜:150nm粉末濺射SnO2/CeO2酒敏薄膜:150nm粉末濺射SnO2/Pt CO敏薄膜:80nm粉末濺射Fe2O3酒敏薄膜:90nm

      由此可以說明薄膜氣敏材料最佳的膜厚l*:1000A~2000A。

      2 芯片架構(gòu)和工藝流程

      2.1 芯片結(jié)構(gòu)

      1.氣敏層SnO2/GeO2;2.Al2O3層;3.SiO2層;4.Pt/Ti復(fù)合膜W形加熱器;

      5.Pt/Ti復(fù)合膜;6.鍵合盤

      Si微電子平面技術(shù)移植到氣敏傳感器的研制大約(下轉(zhuǎn)第137頁)(上接第118頁)開始于1988年[2],其優(yōu)越性在于Si片易于獲得,且某些工藝(如氧化、腐蝕、光刻等)比較成熟。目前平面薄膜氣敏傳感器就電極與加熱器的相對位置來說,有兩類結(jié)構(gòu)方案[3-4];一類是橫向方案,兩者在同一平面上,其優(yōu)點是工藝相對簡單。另一類是縱向方案,兩者用絕緣層(一般為SiO2)隔開,其優(yōu)點是器件面積相對小,功耗小,但工藝相對復(fù)雜些。我們采用了橫向方案,具體如圖2所示。Si片厚0.4mm。芯片尺寸為0.4mm×0.6mm。

      2.2 工藝流程

      2.3 工藝說明

      2.3.1 雙面熱氧化,雙面濺Al2O3

      襯底要求絕緣性能好,而Si/SiO2(5000?魡)當溫度超過400℃時漏電(R<20M);于是采用復(fù)合絕緣層Si/SiO2/Al2O3。其中SiO2是在Si上熱氧化生成厚5000?魡,Al2O3(5000?魡)通過濺射在SiO2上生成,實驗結(jié)果表明,這種復(fù)合絕緣層絕緣性能良好。

      2.3.2 單面光刻形成Pt加熱器(H)

      沉積助剝膜→光刻(一次)→腐蝕→高能濺射Pt→剝離(助剝膠和光刻膠)。

      2.3.3 單面(另一面)濺射氣敏層

      二次光刻→粉末濺射氣敏層→剝離(光刻膠/氧化物)。

      2.3.4 熱處理

      溫度>500℃,時間10小時。

      2.3.5 劃片

      在劃片機上設(shè)置芯片尺寸0.4m×0.6m。

      3 結(jié)論

      通過三種基材料的實驗,給出了薄膜電導氣敏材料有下列性能:

      (1)存在最佳靈敏度的膜厚l*,其值為1000?魡~2000?魡。

      (2)提出了用來研制薄膜氣敏元件工藝流程,并對其中一些工藝作了說明。

      【參考文獻】

      [1]N.Taguchi U.S.Patent#3676820 Jully 11 1972[Z].

      [2]D.Grisel. An integrated low-power thin film CO gas sensor on silicon[J].Sens. Actuators ,1988,13:301-313.

      [3]U.Dibbern A sabstrate for thin film gas sensor in microelectronic technology[J]. Sens, Actuators B2, 1990:67-70.

      [4]I Simon, N.Banson, M. Bauel et al. Micromachined metal oxide gas sensors: opportunities to improve sensor performance[J].Sens. Actuators ,2001,B 73:1~26.

      [責任編輯:王楠]

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