薄膜氣敏元件的研制

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]