Микроэлектронный чувствительный элемент датчика газообразного водорода

• Автор: Маринина, Лариса Александровна
• Шифр специальности: 05.11.14
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Пенза
• Количество страниц: 169 с. : ил.

Глава 1 Обзор и анализ методов преобразования, конструкций и технологий изготовления газочувствительных элементов
1.1. Выбор и анализ методов преобразования и информативных параметров
1.2. Обзор и анализ конструкций газочувствительных элементов
1.3. Перспективные микроэлектронные газочувствительные элементы на основе МОП-структур
1.4. Микроэлектронный датчик водорода на основе наноразмерных титановых трубок
1.5. Физико-химические реакции и модели взаимодействия водорода с материалами микроэлектронных датчиков
1.6. Особенности поглощения водорода пленками на основе палладия и его сплавов
1.7. Влияние водорода на электрическое сопротивление металлов и сплавов
1.8. Взаимодействие водорода с элементами полевых структур «металлдиэлектрик-полупроводник»
Глава 2 Разработка и исследование элементов и структур датчика газообразного водорода
2.1. Термочувствительный элемент
2.2. Нагревательный элемент
2.3. Водородочувствительные элементы
2.4. Моделирование структур и элементов датчика водорода
Глава 3 Разработка и исследование технологических процессов изготовления элементов и структур водородочувствительного элемента
3.1. Технологии, используемые в процессе изготовления ВЧЭ
3.2. Технология изготовления тонкопленочного резистивного ВЧЭ на изолирующих подложках

3.3. Технология изготовления резистивного ВЧЭ на основе

полупроводниковых структур
3.4. Технология изготовления ВЧЭ на основе МДП-транзистора с подвешенным затвором
3.4.1. Технологии активации поверхности окисла кремния и напыления палладия
3.4.2. Технология формирования палладиевого затвора
3.5. Формообразование структур ВЧЭ
3.5.1. Изотропное травление полупроводников и изоляторов
3.5.2. Анизотропное травление полупроводниковых материалов
3.5.3. Управление процессом профилирования ВЧЭ
3.6. Экспериментальная технология формирования микроэлектронного ВЧЭ
с использованием сплава палладий-серебро
Глава 4 Результаты изготовления и исследования экспериментальных образцов ВЧЭ датчика водорода
4.1. Водородный датчик на основе МДП структур
4.2. Особенности топологии ВЧЭ датчика водорода
4.3. Исследование экспериментальных образцов ВЧЭ
4.4. Основные метрологические характеристики емкостного ВЧЭ на основе
^ МДП-структур с палладиевым затвором
г Заключение и выводы
Принятые сокращения
Список литературы
Приложения А
Приложения.. В

Измерение и анализ газовых сред производится в самых различных отраслях науки и техники: в химическом, нефтехимическом и
металлургическом производствах, в технологии изготовления микроэлектронных компонентов, при анализе экологической обстановки и, выявлению взрывчатых веществ [35, 51, 81].
Потребность в полупроводниковых газовых сенсорах составляет десятки миллионов штук в год, а платежеспособный спрос на сенсоры в 2005...2010 гг. возрастет до нескольких миллиардов долларов США [11, 38, 91].
Практически все выпускаемые отечественные и зарубежные сигнализаторы газов основаны на и полупроводниковом принципах преобразования. Недостатком электрохимических и термохимических газочувствительных элементов (ГЧЭ) является их малое быстродействие.
Для создания ГЧЭ микроэлектронных газовых сенсоров наибольшее применение нашла окись олова (8п02) благодаря своей технологичности и совместимости с операциями микроэлектронной технологии [10, 12, 61, 62].
Основным недостатком БпОг является то, что в чистом виде она имеет слабую чувствительность к водороду. Для повышения чувствительности к водороду, в пленку 8п02 вводят легирующие элементы. Но для малых концентраций водорода в контролируемой среде введение в пленку 8п02 легирующих элементов не дает должного эффекта.
Более высоких характеристик по быстродействию, чувствительности и селективности при измерениях малых концентраций водорода, а также обеспечения управления процессом газоанализа можно достичь, используя водородочувствительные элементы (ВЧЭ) на основе полевых приборов (МОП-транзисторы), в которых в качестве чувствительного материала используется палладиевая пленка, нанесенная на управляющий электрод транзистора. Но при создании таких приборов основной задачей, пока до
Металлический кристалл объёмом V содержит N атомов металла. Если средний объём на атом металла равен Ü, то V=N-Q, и относительное изменение объёма, обусловленное водородом, атомная концентрация которого есть с = п/N, задаётся величиной:
— = С—
у ~ Q (1.21)
Для кубического кристалла со случайным распределением примесей внедрения достаточно определить изменение одного из размеров образца, например его длины АL/L. При малых изменениях AVIV~3(ALIL) и AL/L ~l/3(C-AV/V-Q). Экспериментально получено, что АЕ/П=0,19±0,01.
Описанный метод подходит для относительно больших образцов, при этом необходимо принять меры, предотвращающие влияние других факторов
на изменение объёма образца. Изменения длины можно измерить с
6 2 точностью 10' м. Для образцов длиной Z,=10‘ м типичное относительное
изменение, вызываемое концентрацией растворённого водорода С—2-103,
составляет AL/L ~10'4. Измерялось относительное изменение длины AL/L в
Pdo,9Agoti при различных температурах в зависимости от давления водорода,
т.е. для различных концентраций водорода в кристалле. Типичные
результаты измерений показаны на рис. 25 [29], из которых видно, что
изменения линейных размеров имеют линейный характер.
Негативное влияние растворённого в металле водорода проявляется на механических свойствах металлов. В частности, с ним связана "водородная хрупкость металлов", под которой понимают совокупность отрицательных явлений, обусловленных повышенным содержанием водорода в металле. Отмечается 14 различных явлений, наблюдаемых в металлах и связанных с вредным влиянием водорода [16].
Для палладия и его сплавов к ним относятся: снижение ударной вязкости и вязкости разрушения из-за образования гидридов; снижение пластичности при растяжении с малыми скоростями деформации; снижение сопротивления деформации, образование трещин, разрывов, пузырей (вздутий), охрупчивание в