Создание газовых сенсоров на основе тонких пленок диоксида олова

• Автор: Сарач, Ольга Борисовна
• Шифр специальности: 01.04.10
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2003
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 180 с.

СОДЕРЖАНИЕ
] ВВЕДЕНИЕ

Глава 1 ДИОКСИД ОЛОВА И СЕНСОРЫ НА ЕГО ОСНОВЕ

1.1. Физические свойства диоксида олова

; 1.2. Модель обратимого процесса газовой чувствительности

'* 1.3. Модели электропроводности поликристаллического

| диоксида олова

1.4. Получение тонких пленок диоксида олова методом реактивного магнетронного распыления

1.5. Влияние примесей на свойства диоксида олова

1.6. Способы обеспечения селективности сенсора
Выводы к первой главе
Глава 2 ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ГАЗОВЫХ СЕНСОРОВ
НА ОСНОВЕ ТОНКИХ ПЛЕНОК БпОх
1 2.1 Формирование контактов и нагревателя
2.1.1. Конструкции газовых сенсоров
2.1.2. Магнетронное напыление платины
• 2.2. Реактивное магнетронное напыление пленок БпОх
2.2.1. Конструкция установки
2.2.2. Зависимость свойств получаемых пленок от
давления газовой смеси при напылении
2.2.3. Выбор температуры нагрева подложки при напылении
2.2.4. Предварительная обработка подложек
2.3. Легирование пленок БпОх в процессе напыления
методом составной мишени
0 2.4. Нанесение на поверхность БпОх тонкого слоя платины
2.5. Термообработка пленок БпОх
2.5.1. Конструкция установки для контролируемого отжига
2.5.2. Изменение сопротивления пленки БпОх при
нагреве на воздухе
2.5.3. Выбор режима отжига
Выводы ко второй главе

Глава 3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
ПАРАМЕТРОВ ТОНКИХ ПЛЕНОК БпОх
3 Л. Исследование состава пленок БпОх
3.2. Исследования структуры пленок БпОх
3.2.1. Измерение толщины пленок 8
3.2.2. Микроскопия
3.2.3. Определение размера кристаллитов методом рентгеновской дифракции
3.3. Исследования оптических свойств пленок ЬпОх
3.4. Электрическое сопротивление пленок БпОх
3.4.1. Температурные зависимости сопротивления
пленок ЬпОх на воздухе
3.4.2. Электрическое сопротивление пленок ЬпОх в вакууме
3.4.3. Температурные зависимости сопротивления
пленок ЬпОх в монооксиде углерода и в парах спирта
3.5. Обсуждение результатов
Выводы к третьей главе
Глава 4 ИССЛЕДОВАНИЯ ГАЗОВЫХ СЕНСОРОВ НА ОСНОВЕ
* ПЛЕНОК БпОх
4.1. Параметры сенсоров и постановка задачи их разработки
4.2. Установка для исследования газочувствительных свойств
4.3. Стабильность электрического сопротивления сенсоров
4.4. Чувствительность пленок БпОх к метану,
монооксиду углерода, парам спиртов и ацетона
4.4.1. Динамические характеристики
4.4.2. Чувствительность и ее температурная зависимость
4.5. Влияние аддитивов на чувствительность пленок БпОх
4.6. Использование матрицы сенсоров для повышения селективности
4.7. Обсуждение результатов
Выводы к четвертой главе
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. Решение целого ряда проблем, относящихся к защите окружающей среды, управлению технологическими процессами, контролю физиологического состояния человека, качества продуктов питания и т.д., требует создания электронных устройств, позволяющих регистрировать и классифицировать наличие химических веществ и их смесей в воздухе, анализировать запахи. В связи с этим, важное место в микроэлектронике и твердотельной электронике занимает в последние годы разработка технологии получения и исследование полупроводниковых пленок чувствительных к составу газовой среды.
Резистивные сенсоры на основе металлооксидных полупроводников (диоксид олова, оксид цинка) - наиболее перспективный тип газочувствительных приборов. Они просты в эксплуатации, совместимы по типу и уровню сигнала с вычислительной техникой, экономичны, имеют малые габариты и низкую себестоимость.
Большую часть серийно выпускаемых в мире датчиков получают прессованием и спеканием смеси порошка оксида металла и связывающего материала или по толстопленочной технологии [1,2,3]. Использование тонкопленочной технологии позволяет добиться повышения чувствительности, быстродействия, снижения потребляемой мощности благодаря выгодному отношению поверхности к объему [4,5].
Несмотря на многолетнюю историю исследований и попыток выпуска сенсоров на тонких пленках БпСЬ [6,7], проблема их надежного внедрения не может считаться решенной [8]. В основе проблемы лежат: чувствительность, стабильность и селективность, которые достаточно трудно реализуются одновременно и в большинстве случаев оптимизируются чисто эмпирически, вследствие весьма большой сложности, как процессов образования пленок, так и физики их взаимодействия с газами. В настоящее время нет единой точки зрения на процессы, определяющие механизмы электропроводности и газовой чувствительности поликристаллических металлооксидных полупроводников. Значительные трудности связаны с получением воспроизводимых и достаточно стабильных тонких пленок металлооксидов. Полупроводниковые датчики реагируют на присутствие в атмосфере

растворимости означает формирование кластеров (скопление типа БЬхОу), которые ограничивают подвижность носителей, понижая электрическую проводимость материала.
По данным рентгеновского анализа [17] эффективная донорная концентрация в пленках ниже, чем реальная концентрация примеси. Очевидно, это обусловлено тем, что примесь сурьмы не только замещает ионы олова как БЬ5+, возможно также выделение примеси на границах зерен или скопление её в междоузлиях решетки БпСЬ, кроме того возможно внедрение сурьмы в форме ионов 8Ь3+.
При концентрации сурьмы 3 ат.% и ниже и при температурах порядка 570 К сурьма замещает атомы олова как БЬ5+, при более высоких концентрациях примеси и температурах свыше 670 К наблюдается присутствие как ионов 8Ь5+, так и 8Ь3+ [17].
Чувствительность и другие характеристики тонких пленок зависят от физико-химической природы адсорбируемых частиц и от свойств полупроводника. Свойствами полупроводника можно управлять, например, с помощью нанесенных на поверхность металлических частиц, которые изменяют как электрофизические, так и каталитические свойства полупроводника. С целью увеличения адсорбционной активности полупроводниковые оксиды легируют благородными металлами РЧ, Рб, Аи, В1и [76].
Влияние благородных металлов на характеристики тонких пленок газовых датчиков в литературе было изучено в двух направлениях [77,78]:
1) понижение температуры, при которой чувствительность датчика становится максимальной; 2) увеличение газовой чувствительности. В результате систематических исследований было обнаружено, что эти эффекты связаны со способностью благородных металлов активировать различные виды газов. Установлено [79,80], что металлы образуют на поверхности оксидов кластеры, присутствие которых облегчает адсорбцию и диссоциацию газов-восстановителей.
Механизм чувствительности поверхностно легированных тонких пленок впервые был исследован в работах Моррисона С.Р. [77,81] и Уатагое [82]. Было предложено два механизма влияния нанесенных частиц на