Диссертация (1143290), страница 36
Текст из файла (страница 36)
В таблице 6.4 представлены основные технические характеристики подложек, полученных на ООО «Завод Кристалл» (г. Таганрог) по пред257ложенной технологии в сравнении с другими производственным предприятиями[20].Таблица 6.4 – Сравнение основных технических данных подложекПредложеннаятехнологияНПФ «Экситон»(г. Ставрополь)ООО «Электростекло» (г.Москва)ЗАО «Эпитекс»(г. Н.Новгород)ООО «ПрофильС» (г. Москва)Параллельность,минРазнотолщинность(TTV), мкмКоробление(WARP),мкмНеплоскостность,мкм/см<210-15<44Шероховатостьрабочих поверхностей(Ra), нм<1<315-25<58-15<3<315-25<58-15<3<520-25<810-20<5<520-25<810-20<5Следовательно, выполнена оптимизация технологического процесса получения подложек высокого качества из монокристаллического сапфира для электронной техники.
Предложено математическое и программное обеспечение, дающеевозможность обнаружить закономерности в процессах кристаллизации и обработки сапфира, которое более подробно приведено в приложении (см. приложение).6.3 Разработка конструкции и технологии изготовления газочувствительного датчика на основе подложек сапфираСпрос на портативные газовые датчики в настоящее время сильно вырос всвязи с необходимостью их использования в различных областях техники (дляпредотвращения взрывов и пожаров, при работе с взрывоопасными и ядовитымигазами), а также для мониторинга экологической обстановки в крупных городах.Основными неорганическими материалами, применяющимися в газовыхдатчиках и обладающими газочувствительными свойствами, являются оксиды металлов, проявляющие полупроводниковые свойства и обладающие шириной за258прещенной зоны порядка 3-4 эВ.
Наиболее широкое распространение в качествегазочувствительных материалов получили оксиды олова (SnO2), вольфрама (WO3),цинка (ZnO), индия (In2O3), меди (Cu2O, СuО), титана (TiO2), железа (Fe2O3), ихкомбинации и др. Так, например, пленки SnO2 используются для детектированиямолекул NH3, NO2, C2H5OH, CO, H2; пленки ZnO – для детектирования CO, NO2,NH3; пленки TiO2 – для детектирования CO и O2 и других газов; пленки SnO2-Fe2O3– для детектирования CO; пленки In2O3-Fe2O3 – для детектирования Cl2, O2 [288].Конструкции газовых датчиков в целом имеют общие черты, так как в большинстве случаев чувствительный элемент датчика представляет собой газочувствительный резистор (полупроводниковая пленка). Кроме этого, чувствительныйэлемент содержит два металлических электрода (платина Pt, палладий Pd или никель-хром Ni-Cr), контактирующих с газочувствительной пленкой, и резистивныйнагревательный элемент (платина Pt, оксид рутения RuO2, золото Au или никельхром Ni-Cr), электрически изолированный от полупроводниковой пленки.
В зависимости от конструкции газового датчика электроды формируются под или поверхгазочувствительной пленки, а нагревательный элемент находится на нерабочей(нижней) или на рабочей (верхней) стороне подложки. Электроды (контакты) к газочувствительной пленке имеют форму распределенного резистора в виде встречно-гребенчатой системы (контактно-металлизационная система), что позволяетснизить сопротивление датчика и увеличить его эффективную площадь. В качествеподложек для чувствительных элементов газовых датчиков могут применятьсякремниевые пластины, кварцевые, стеклянные подложки с толщиной 0,4-2,0 мм.Подложки на основе оксида алюминия (Al2O3) в последнее время являются востребованными.
Чувствительный элемент, как правило, помещается в корпус, имеющий сетку-фильтр для доступа детектируемого газа.Полупроводниковые материалы, такие как TiO2, MnO2, Fe2O3 в качестве чувствительного материала, наиболее популярны из-за технологичности и низкой стоимости, высокой химической стабильности, механической прочности, высокой ад-259гезии к сапфиру и т.д. Полупроводниковые газовые детекторы характеризуютсямалыми размерами, высокой чувствительностью и надежностью.В настоящее время широко распространены толстопленочные сенсоры, изготовленные с применением технологии трафаретной печати.
Одной из трудностейсоздания толстопленочных сенсоров является большая масса структуры, так какчувствительный элемент имеет размер 6 – 8 мм. Несмотря на простоту и дешевизну производства сенсоров указанного типа, имеется ряд недостатков, связанных сбольшой толщиной газочувствительного слоя. Созданный методом трафаретнойпечати газочувствительный слой имеет малое отношение площади поверхности кобъему. Значительный пассивный внутренний объём уменьшает проводимость,долго стабилизируется и накапливает молекулы газов, что снижает скорость отклика сенсора.При создании тонкопленочных сенсоров могут быть использованы основныетехнологические методы микроэлектроники: вакуумное напыление и фотолитография.
Применение более совершенных технологий способствует повышениюпроизводительности при изготовлении газочувствительного элемента, уменьшению его размеров и потребляемой мощности [288].Применение лазерного излучения для получения тонких пленок TiO2, Fe2O3на поверхности подложки способствует повышению производительности при изготовлении газочувствительного элемента, повышению качества окисла, воспроизводимости параметров пленки и их стабильности. Малая продолжительность лазерного отжига пленок на поверхности подложки исключает необходимость обеспечения вакуумных условий или специальной инертной атмосферы для предотвращения загрязнения поверхности нежелательными неконтролируемыми примесями.На рисунках 6.12 – 6.15 представлены разработанные технологические схемы формирования пленок на поверхности сапфира.
Характерными отличиями данных технологических схем получения пленок является применение лазерного излучения на оборудовании LIMO 100-532/1064, включающем инфракрасный260Nd:YAG лазер с длиной волны 1064 нм, длительностью импульса 45 нс и мощностью, которая может варьироваться в интервале от 0.1 до 100 Вт.
Для технологических схем на рисунках 6.12, 6.13 характерным отличием является получение пленок на поверхности сапфира из раствора. Импульсное облучение лазером границыраздела «твердое тело/жидкость» ведет к получению на его поверхности пленок,что является интересным для технологий тонкопленочной оптоэлектроники. Показано, что абляция сапфира и боросиликатного стекла лазерным излучением в жидкости является одним из методов создания микроструктур, которые требуют дальнейшего исследования их свойств и применения.
Лазерное облучение границы«сапфир/поглощающая жидкость» позволяет реализовать локальное эпитаксиальное осаждение оксидных пленок на поверхности сапфира с пространственным разрешением порядка диаметра лазерного пучка. Немаловажным фактором для получения микроструктур на поверхности сапфира и боросиликатного стекла являетсяотсутствие требований к вакуумному оборудованию при реализации данного метода.Технологический маршрут формирования пленки Fe2O3 на границе раздела«твердое тело/жидкость» с помощью излучения лазера представлен на рисунке6.12.Приготовление 3 %-ногопоглощающего раствора FeCl3Обезжиривание сапфировойподложки в изопропанолеПомещение сапфировой подложки в раствор FeCl3 в специальнооборудованный алюминиевый кожухМногократная обработка пластины (4 прохода) лазернымизлучением 1064 нм (мощность излучения 70-100 Вт, времявоздействия 30-40 сек.)Остывание подложки с пленкой (2 ч.)Рисунок 6.12 – Технологический маршрут формирования пленки Fe2O3 награнице раздела «твердое тело/жидкость» с помощью лазерного излучения261Технологический маршрут формирования пленки, содержащей марганец, награнице раздела «твердое тело/жидкость» с помощью лазерного излучения представлен на рисунке 6.13.Подготовка водного раствораKMnO4Обезжиривание сапфировойподложки в изопропанолеПомещение сапфировой подложки в раствор KMnO4 вспециально оборудованный алюминиевый кожухМногократная обработка пластины (10 проходов) лазернымизлучением 1064 нм (мощность излучения 70-100 Вт, времявоздействия 30-40 сек.)Остывание подложки с пленкой (2 ч.)Рисунок 6.13 – Технологический маршрут формирования пленки на границераздела «твердое тело/жидкость» с помощью лазерного излученияТехнологический процесс лазерного отжига пленки Fe2O3 можно представить в виде схемы на рисунке 6.14.
Воздействие лазерного излучения на материалыможет приводить к различным изменениям их кристаллической структуры. Показано (см. п. 5.4), что в зависимости от параметров лазерного излучения можно достигать улучшения качества поверхности пленок.262Приготовление 3 %-ногораствора FeCl3Обезжиривание сапфировойподложки в изопропанолеНанесение FeCl3 на сапфир ракельным ножом (трафаретнаяпечать), толщина трафарета 40 мкмСушка пленки Fe2O3 при 120-150 °Св течение 10-15 мин.Отжиг пленки Fe2O3 лазерным излучением 1064 нм (мощностьизлучения 50-90 Вт,время воздействия 30-40 сек.)Рисунок 6.14 – Схема технологического процесса формирования пленкиFe2O3Технологический процесс лазерного отжига пленки TiO2 можно представитьв виде схемы на рисунке 6.15.Приготовление нанопористойпасты TiO2Обезжиривание сапфировойподложки в изопропанолеНанесение нанопористой пасты TiO2 на сапфир ракельнымножом (трафаретная печать), толщина трафарета 40 мкмСушка пленки TiO2 при 120-150 °Св течение 10-15 мин.Отжиг пленки TiO2 лазерным излучением 1064 нм (мощностьизлучения 50-90 Вт,время воздействия 30-40 сек.)Рисунок 6.15 – Схема технологического процесса формирования пленки TiO2Принцип действия газового датчика с пленкой TiO2 основан на измененииэлектропроводности газочувствительной полупроводниковой пленки вследствиеадсорбции детектируемых молекул газа на её поверхности.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
