Диссертация (1143290), страница 37
Текст из файла (страница 37)
Для достаточно быст263рого протекания адсорбции содержащихся в воздухе газов на поверхности полупроводниковой пленки, обеспечивая быстродействие на уровне нескольких секунд,датчик нагревается до рабочей температуры (200-500 °С) при помощи нагревательного элемента. Протекание адсорбции зависит от концентрации детектируемого газа. В результате поверхностных эффектов изменяется электрическая проводимость полупроводниковой пленки.
Отклик датчика выражается через изменениеего сопротивления в зависимости от концентрации детектируемого газа. Зависимость сопротивления датчика от концентрации детектируемого газа линейна в логарифмическом масштабе для рабочего диапазона концентраций (от несколькихмиллионных долей (ppm) до нескольких тысяч ppm). При этом датчик проявляетчувствительность к разным типам газов одновременно, но оптимальная селективность к определенному типу обеспечивается, во-первых, путем получения определенной газочувствительной пленки на этапе изготовления и, во-вторых, выборомрабочей температуры датчика, что реализуется подачей на нагревательный элементопределенного постоянного напряжения.Таким образом, главными целями разработки газовых датчиков на основепленки TiO2 на сапфировой подложке являются снижение рабочей температуры,достижение высокой селективности к анализируемым газам и увеличение стабильности во времени.
Реализация поставленных целей определяет современные тенденции получения новых конструкций газовых датчиков и видов газочувствительных материалов. Улучшение сенсорных характеристик и снижение рабочих температур возможно при получении тонких (50-300 нм) газочувствительных пленокнаноразмерного строения с уникальными свойствами.Разработка конструкции чувствительного элемента газового сенсора включала в себя: определение толщины полупроводниковой пленки, определение рабочей температуры чувствительного элемента газового датчика, определение параметров контактно-металлизационной системы, определение параметров нагревательного элемента.264В результате исследований получено, что для обеспечения отклика на CO иO2 с концентрацией 10-100 ppm необходимо, чтобы выполнялся критерии:h ≤ 250 нм, где h – толщина пленки TiO2.
Показано, что максимальные значенияширины области пространственного заряда и газочувствительность TiO2 достигаются при температурах 300-350 °С, которая была выбрана как рабочая температурадля разрабатываемого чувствительного элемента газового датчика. Так как чувствительный элемент будет работать в составе электрической измерительной цепи,то для обеспечения простоты измерения сопротивления пленки TiO2 необходимо,чтобы её сопротивление лежало в диапазоне (107-108) Ом. Для обеспечения данного сопротивления используется металлический встречно-гребенчатый контакт сгеометрическими параметрами, позволяющими обеспечить как сопротивлениепленки в необходимом диапазоне значений, так и необходимую площадь поверхности пленки для адсорбции газа.
Для определения геометрии нагревательногоэлемента учитывались следующие параметры: рабочая температура сенсора от300 °С до 350 °С, размер сапфировой подложки 20 × 20 мм, толщина подложки500 мкм, перепад температуры по структуре менее 10 °С, материал нагревателя –никель Ni, питание нагревательного элемента 5 В.Таким образом, разработанная конструкция и технология предусматриваетполучение тонкопленочного газочувствительного слоя на основе диоксида титана(TiO2) на сапфировой подложке размером 20 × 20 × 0.5 мм. На верхнюю сторонучувствительного элемента наносится тонкая (100-250 нм) пленка TiO2 с платиновыми электродами (50-200 нм), а на нижней стороне формируется пленочный резистивный нагреватель на основе никеля Ni (300-400 нм).
Разработанная топологияи 3D визуализация в системе T-FLEX верхней и нижней сторон чувствительногоэлемента газового датчика представлены на рисунке 6.16.265Рисунок 6.16 – Топология и 3D визуализация верхней и нижней сторон чувствительного элемента газового датчикаПри корпусировании чувствительный элемент крепится с помощью меднойпроволоки диаметром 20-40 мкм к выводам металлического защитного корпуса.Газовый датчик взаимодействует с окружающей средой через металлическую сетку с ячейкой 70 мкм. Электрическая мощность, потребляемая датчиком, не больше150 мВт.Применение лазерного отжига для получения газочувствительных пленокпозволяет повысить производительность при изготовлении газочувствительногоэлемента, повысить качество окисла, воспроизводимость параметров пленки и ихстабильность.
Свойства, состав и структура растворов, а также формируемых изних пленок, описываются как химическими процессами, происходящими в данномрастворе, так и физико-химическими процессами, выполняемыми при дальнейшихтехнологических операциях и зависящими от:266- химического состава исходных компонентов в растворе;- порядка приготовления раствора;- времени созревания раствора;- способа и режимов нанесения плёнкообразующего раствора;- режимов термообработки (сушки, отжига).Первоначально приготовленный раствор в спиртоводной смеси ещё не является плёнкообразующим и при нанесении на подложку испаряется без осадка. Поэтому растворы пленкообразующих веществ можно применять лишь после окончания процесса их созревания.
Время созревания растворов может быть сокращеновведением в растворы катализаторов – незначительных добавок кислот или органических соединений.В работе предложен технологический маршрут получения пленки TiO2 лазерным отжигом. Для формирования пленки TiO2 в качестве плёнкообразующегореагента использовался тетраэтоксититан Ti(OC2H5)4, хорошо растворимый в этаноле C2H5OH. Раствор тетраэтоксититана созревает достаточно быстро – через 2-3часа после растворения. Однако его качество ухудшается через несколько дней илинедель.
Необходимо отметить, что гидролиз алкоксисоединений титана можетпротекать в растворах в присутствии незначительных количеств воды (в пределах0.1-2.5 %).Таким образом, в почти абсолютном этаноле, содержащем 2-4 % воды, легкообразуется 8-10 %-ный раствор Ti(OC2H5)4, однако при этом в большинстве случаев происходит выпадение осадка гидроксида титана. При добавлении незначительных количеств кислоты (HCl, CH3COOH или HNO3) частицы гидроксида растворяются, после чего раствор может сохраняться прозрачным в течение длительноговремени, т.е.
предупреждается выпадение осадка. В таблице 6.5 представлены необходимые соотношения компонентов раствора для получения пленки TiO2.267Таблица 6.5 – Состав компонентов пленкообразующего раствораФормулаC2H5OHH2OCH3COOHСмесьTi(OC2H5)4РастворМ,ρ,C,г/моль г/мл моль/лЖидкость460,789Жидкость181,0Жидкость601,05m,г72,081,8020,54Жидкость6,83781,26АС227,91,080,3V,Мл91,3561,8020,51493,676,33100,00Для приготовления 100 мл 0,3 М раствора Ti(OC2H5)4 требуется 6,837 г или6,33 мл Ti(OC2H5)4:m = M ∙ ν = M ∙ C ∙ Vр−ра = 227,9 ∙ 0,3 ∙ 0,1 = 6,837 г,и объём смеси растворителей и кислоты C2H5OH:H2O:CH3COOH = 40:1:0,3 (массовое соотношение) 93,67 мл.
Согласно данному соотношению массу H2O в 93,67 млсмеси найдем из следующего уравнения:m(H2 O) 40 ∙ m(H2 O) 0,3 ∙ m(H2 O)++= 93,67 мл,1 г/мл0,789 г/мл1,05 г/млm(H2 O) = 1,802 г,тогда m(C2H5OH) = 72,08 г и m(CH3COOH) = 0,54 г. Технологический маршрутформирования пленки TiO2 на сапфировой подложке представлен на рисунке 6.15в виде структурной схемы.Пленкообразующий раствор готовился добавлением Ti(OC2H5)4 к смеси растворителей и кислоты.
После перемешивания (20 мин.) происходит созреваниераствора в течение 2-3 часов при комнатной температуре (20-25 °С). Нанесениераствора на сапфировую подложку, предварительно обезжиренную в изопропаноле, осуществлялось центрифугированием со скоростью 2000-3000 об./мин. в течение 30 сек. Сушка первичной пленки производилась в термошкафу при температуре 100-120 °С, а последующий этап – лазерный отжиг при температуре 600 °С в течение 30-40 секунд.268Ti(OC2H5)4C2H5OHH2 OCH3COOHПриготовлениепленкообразующегораствораСозревание раствора(20-25 °С, 2-3 часа)Обезжиривание сапфировойподложки в изопропанолеНанесение раствора на подложку центрифугированием(2000-3000 об./мин., 30 сек.)Сушка в термошкафу(100-120 °С, 1 ч.)Лазерный отжиг(600 °С, 30-40 сек.)Остывание пленок TiO2 на воздухе (1 ч.)Рисунок 6.17 – Технологический маршрут формирования пленки TiO2В ходе созревания и термообработки (сушки, отжига) пленкообразующегораствора протекают следующие химические реакции [289]:1) гидролиз: Ti(OC2H5)4 + 4H2O → Ti(OH)4 + 4C2H5OH;2) поликонденсация: 2Ti(OH)4 → Ti2O(OH)6 + H2O;3) разложение: Ti(OH)4 → TiO2 + H2O.В результате формируется прозрачная пленка TiO2 толщиной порядка 100150 нм на сапфировой подложке для применения в газовом датчике.На рисунке 6.18 приведена схема технологического процесса изготовлениясенсора газа.269Очистка сапфировой подложкиФормирование резистивного нагревателяс помощью метода фотолитографии ивакуумного напыленияНанесение газочувствительной пленки насапфировую подложкуСушка и лазерный отжигНанесение слоя металлизации (созданиеэлектродов) с помощью методафотолитографии и вакуумного нанесенияСборка и контроль параметров сенсораРисунок 6.18 – Схема технологического процесса изготовления сенсора газаТаким образом, проведено экспериментальное исследование формированияпленок оксида железа, оксида титана и ряда других на сапфировой подложке с использованием лазерного излучения, разработаны технологические маршруты ихполучения для газочувствительных датчиков, тонкопленочных транзисторов, жидкокристаллических дисплеев.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
