Тонкопленочная технология изготовления функциональных элементов газовых сенсоров

• Автор: Куликов, Дмитрий Юрьевич
• Шифр специальности: 05.27.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Воронеж
• Количество страниц: 124 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ТОНКОПЛЕНОЧНЫЕ ГАЗОВЫЕ СЕНСОРЫ

1.1 Конструкции газовых сенсоров

1.2 Характеристика диоксида олова как сенсорного материала

1.3 Методы изготовления пленок диоксида олова.

1.4 Вакуумное нанесение тонких пленок.

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 1

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ И МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ТОНКИХ ПЛЕНОК

2.1 Конструкция кристалла газового сенсора

2.2 Изготовление металлических и полупроводниковых пленок.

2.3 Исследование газочувствительных свойств пленок диоксида олова
и газовых сенсоров а их основе.
ГЛАВА 3. КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ НАГРЕВАТЕЛЯ И КОНТАКТОВ К ЧУВСТВИТЕЛЬНОМУ ЭЛЕМЕНТУ ГАЗОВЫХ СЕНСОРОВ
3.1 Выбор конструкционных материалов для нагревателя
и контактов к чувствительному элементу газовых сенсоров
3.2 Технология формирования нагревателя и контактов
к чувствительному элементу газовых сенсоров
3.3 Термическая стабильность систем металлизации на основе платины
3.3.1 Системы металлизации Р1, УТЛ, МоР1.
3.3.2 Система металлизации ТМЧ
ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 3
ГЛАВА 4. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОНКИХ ПЛЕНОК ДИОКСИДА ОЛОВА ДЛЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА
ГАЗОВЫХ СЕНСОРОВ
4.1 Изготовление пленок диоксида олова методом реактивного магнетронного распыления.
4.2 Формирование топологии пленок диоксида олова
4.3 Термический отжиг пленок диоксида олова.
ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 4.
ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И ГАЗОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ СВОЙСТВ ТОНКИХ ПЛЕНОК ДИОКСИДА ОЛОВА И ГАЗОВЫХ СЕНСОРОВ НА ИХ ОСНОВЕ
5.1 Электрические и газочувствительные свойства
пленок диоксида олова.
5.2 Электрические и газочувствительные свойства газовых сенсоров
ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 5
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ


Оптимизированная схема технологического маршрута и режимы изготовления функциональных элементов могут быть использованы как основа для серийного производства отечественных тонкопленочных резистивных газовых сенсоров на основе диоксида олова и других металлооксидных полупроводников. В соответствии с предложенным технологическим маршрутом изготовлены макетные образцы тонкопленочных сенсоров газовых сред, которые могут быть использованы в устройствах индикации и аварийной сигнааизации для предупреждения чрезвычайных ситуаций. Корреляция между процентным содержанием атомов кислорода в пленках оксида олова и величиной напряжения на магнетроне при реактивном магнетронном распылении. Использование промежуточного слоя нитрида титана (ИЫ) для повышения стабильности электросопротивления тонкопленочной металлизации титан-платина (Ть-Рф в процессе длительной работы при температуре 0 °С. Зависимость электрических и газочувствительных свойств пленок диоксида олова от режимов нанесения и легирующих добавок кремния и сурьмы. Режимы и способы изготовления функциональных элементов сенсора: нагревателя состоящего из Тн-'ПМ-Р^ и газочувствительного элемента с улучшенной адгезией, заданными и стабильными электрическими параметрами. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и научно - технических семинарах: ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, аспирантов и студентов ВГТУ (Воронеж, -); XVI Научно -технической конференции с участием зарубежных специалистов "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления" (Москва, ); XXI Международной конференции "Релаксационные явления в твердых телах" (Воронеж, ), Международном научно-техническом семинаре «Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах» (Москва, ). Макетный образец газового сенсора, изготовленный в результате работы, отмечен дипломом победителя конкурса "Инновации - " на 7 Межрегиональной выставке "РОСПРОМЭКСПО" (Воронеж, ), а также Золотой медалью VI Московского международного салона инноваций и инвестиций (Москва, ВВЦ, ). По материалам диссертации опубликовано научных работ, в том числе 1- в издании, рекомендованном ВАК РФ. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежит: [1-] - изготовление образцов тонких металлических и полупроводниковых пленок и кристаллов тестовых структур газового сенсора, [1,7,9,] - экспериментальные исследования электрических свойств тонких пленок и обработка полученных результатов. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Работа изложена на 4 страницах, включая 5 таблиц, рисунков и список использованной литературы из наименований. Элементы конструкции всех тонкопленочных газовых сенсоров (ГС) на основе металлооксидных полупроводников обусловлены принципами их функционирования. В качестве чувствительного элемента используется полупроводниковая тонкая пленка оксида металла. Тонкими считаются пленки, общая толщина которых соизмерима с размером зерна слоя. Проводимость чувствительного элемента изменяется под действием хемосорбции молекул активных газов на поверхности. Хемосорбция является первой стадией гетерогенно-каталитических процессов, заканчивающихся хемодесорбцией. Для активации этих процессов необходима определенная энергия, поэтому все ГС работают при повышенных (относительно комнатной) температурах и имеют в своей конструкции нагреватель. Для измерения проводимости чувствительного элемента необходимы электрические контакты к нему. Поскольку селективность к определенному типу молекул газа достигается заданием температуры при которой чувствительность максимальна, в конструкции необходим измеритель температуры. Все функциональные элементы конструкции ГС располагаются на диэлектрической подложке. Использование различных конструкций и материалов для подложек обусловлено стремлением снизить энергопотребление ГС за счет уменьшения потерь тепловой энергии, выделяемой нагревателем. Первоначально кристалл сенсора, имеющий вес порядка нескольких миллиграмм, подвешивали на проволочных выводах, вдали от элементов корпуса [1, 2].