Сенсоры водорода
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МИКРОЭЛЕКТРОННЫХ ДАТЧИКОВ ГАЗОВ
С. И. Рембеза, Д. Б. Просвирин, О. Г. Викин1, Г. А. Викин1, В. А. Буслов1
ВГТУ, Московский просп., Воронеж, 14, Россия, e-mail: strem@ns1.vstu.ac.ru 1 ГП НИИЭТ, Ленинский проспект, 119-а, Воронеж, Россия, e-mail: vesta@vmail.ru
Твердотельные датчики токсичных и взрывоопасных газов являются перспективным средством измерения предельно-допустимых концентраций газов в воздухе и применяются более 30 лет. Принципы их действия основаны на модуляции поверхностного электросопротивления оксидного полупроводника ^п02, ZnO и др.) при физической адсорбции или десорбции молекул газов. Каждый газ характеризуется температурой максимальной адсорбции (200-400 0С) на данном полупроводнике. В соответствии с принципом работы устройство датчика газов должно содержать контактную группу для газочувствительного слоя, нагреватель для получения температуры максимальной адсорбции контролируемого газа и для нагрева датчика до температуры десорбции, а также термометр или другой элемент для контроля температуры. Обычно изменение сопротивления сенсорного слоя пропорционально концентрации адсорбируемого газа.
Большинство применяемых в настоящее время датчиков газов изготавливается по керамической или тонкопленочной технологии. Мы предлагаем конструкции датчика, изготавливаемого по современной технологии изделий микроэлектроники с тонкопленочным газочувствительным слоем. Использование достижений микроэлектроники позволяет изготавливать групповым методом кристаллы малогабаритных, экономичных и малоинерционных интегральных датчиков газов.
Нами разработано несколько вариантов топологии кристаллов (рис. 1).
В качестве контактной группы обычно используют встречно-штыревую систему, которая обеспечивает надежный контакт к чувствительному элементу датчика газа и четкий контроль над изменением его сопротивления. Функции нагревательного элемента и измерителя температуры выполняют тонкопленочные резисторы. Сопротивление резисторов желательно иметь в заданных пределах. При применении различных материалов это достигается использованием пленок различной толщины и изменением их геометрических размеров.
Материал, из которого выполняется встречно-штыревая контактная группа, нагреватель и термодатчик, должен обладать стабильностью, не изменять свои свойства в процессе эксплуатации газового сенсора (при нагреве и остывании).
Технологически контактная группа, нагреватель, термодатчик и чувствительный слой изготавливаются методом магнетронного распыления, с последующими операциями фотолитографии по каждому из слоев.
Рис.1. Варианты конструкции интегрального датчика газов: 1 — встречно-штыгревая система, 2 — тон-копленочныге резисторы!
В настоящее время в производстве датчиков газов на основе SnO2 для изготовления металлизации широко используются благородные металлы, такие как платина и золото, которые позволяют получить химически стойкие, хорошо проводящие пленки.
Технологический маршрут изготовления газового сенсора с платиновой металлизацией приводился ранее [1]. Платина, при всех своих достоинствах, является еще и драгоценным металлом, поэтому в условиях массового производства стоит задача по замене его на более дешевый материал. Одним из металлов-заменителей может служить нихром, технология применения которого в условиях полупроводникового производства хорошо отработана и стоимость его невелика.
Рассмотрим технологическую схему изготовления микроэлектронного датчика газа с NiCr металлизацией.
1. Формирование партии — проверка дефектности кремниевых пластин.
2. Химическая отмывка: КАРО (H2SO4:H2O2) -ГМО - ПАС (H2O2:NH4OH:H2O).
3. Окисление (сухой-влажный-сухой d(SiO2) » 0,5 мкм).
4. Химическая отмывка.
5. Напыление NiCr (RS = 3-5 Ом/п).
6. ФОТОКОПИЯ «Контактная группа» (создание рисунка контактных площадок, нагревателя и термодатчика).
7. Напыление Al (d(Al) » 1,5 мкм).
8. ФОТОКОПИЯ «Контактные площадки».
ISJAEE Специальный выпуск (2003)
Второй международный симпозиум «Безопасность и экономика водородного транспорта»
IFSSEHT-2003
9. ФОТОКОПИЯ «Создание чувствительного слоя» — взрывная фотолитография (вскрытие окон в чувствительном слое SnO2 под контактные площадки).
Для получения толстого фоторезиста все фотолитографические операции (нанесение фоторезиста, совмещение и экспонирование, проявление, плазменное и термическое задубливание) проводятся последовательно два раза.
10. Напыление чувствительного слоя SnO2 ДОп02) « 0,3мкм).
11. Удаление фоторезиста (создание рисунка по
12. Химическая отмывка
13. Резка на кристаллы — скрайбирование при помощи алмазного диска.
14. Сборка газовых датчиков.
Из представленного технологического маршрута видно, что применение нихрома в качестве металлизации для датчиков газов имеет ряд особенностей. Преимущества его перед платиной заключаются в следующем: при напылении на пластины не требуется дополнительного адгезионного слоя (титана для платины); простота создания по нему рисунка на операции фотолитографии (химическое травление вместо ионно-лучевого травления Pt через Тьмаску). Наряду с премуществами нихром обладает и недостатками. Препятствием для замены может послужить способность нихрома окисляться при температурной обработке на воздухе, например, в ходе
стабилизационного отжига газочувствительного слоя SnO2 при температурах, близких к 500 0С, длительностью несколько часов, а также при нагреве до температуры десорбции газов. Предотвратить окисление можно, защитив поверхность металла от соприкосновения с атмосферой. Наиболее перспективным выглядит защита поверхности нихрома каким-либо покрытием, например пиролитически выращенным слоем SiO2 либо самим газочувствительным слоем SnO2, покрывающим всю поверхность кристалла датчика. Закрывать всю поверхность нихрома защитным покрытием невозможно, так как необходимо оставить контактные площадки под выводы, которые также должны не окисляться. Для защиты контактных площадок нами был использован алюминий, что увеличивает количество фотолитографий и несколько усложняет технологический маршрут.
Работа выполнена при частичной финансовой поддержке гранта МО РФ Т02-02.2-3484.
Список литературы
1. С. И. Рембеза, Д. Б. Просвирин, О. Г. Викин, Г. А. Викин, В. А. Буслов. Технологические схемы изготовления микроэлекронных датчиков газов//Тези-сы докладов IV международной научно-технической конференции «Электроника и информатика - 2002», МИЭТ, Москва, Россия, 19-21 ноября 2002 г., стр. 342-343.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.