Главная » 2014 » Август » 15 » Скачать Тонкопленочная технология изготовления функциональных элементов газовых сенсоров. Куликов, Дмитрий Юрьевич бесплатно
5:25 AM
Скачать Тонкопленочная технология изготовления функциональных элементов газовых сенсоров. Куликов, Дмитрий Юрьевич бесплатно
Тонкопленочная технология изготовления функциональных элементов газовых сенсоров
Диссертация
Автор: Куликов, Дмитрий Юрьевич
Название: Тонкопленочная технология изготовления функциональных элементов газовых сенсоров
Справка: Куликов, Дмитрий Юрьевич. Тонкопленочная технология изготовления функциональных элементов газовых сенсоров : диссертация кандидата технических наук : 05.27.01 / Куликов Дмитрий Юрьевич; [Место защиты: Воронеж. гос. техн. ун-т] Воронеж, 2007 124 c. : 61 07-5/4896
Объем: 124 стр.
Информация: Воронеж, 2007
Содержание:
ВВЕДЕНРШ
ГЛАВА 1 ТОНКОПЛЕНОЧНЫЕ ГАЗОВЫЕ СЕНСОРЫ
11 Конструкции газовых сенсоров
12 Характеристика диоксида олова как сенсорного материала
13 Методы изготовления пленок диоксида олова
14 Вакуумное нанесение тонких нленок 26ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ
ГЛАВА 2 МЕТОДИКА ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЯПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ И МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ТОНКИХ ПЛЕНОК
21 Конструкция кристалла газового сенсора
22 Изготовление металлических и полупроводниковых пленок
23 Исследование газочувствительных свойств пленок диоксида оловаи газовых сенсоров на их основе
ГЛАВА 3 КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ НАГРЕВАТЕЛЯИ КОНТАКТОВ К ЧУВСТВИТЕЛЬНОМУ ЭЛЕМЕНТУГАЗОВЫХ СЕНСОРОВ
31 Выбор конструкционных материалов для нагревателяи контактов к чувствительному элементу газовых сенсоров
32 Технология формирования нагревателя и контактовк чувствительному элементу газовых сенсоров
33 Термическая стабильность систем металлизациина основе платины
331 Системы металлизации Nb-Pt, V-Pt, Mo-Pt
332 Система металлизации Ti-Pt 62ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ
ГЛАВА 4 ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОНКИХ ПЛЕНОКДИОКСИДА ОЛОВА ДЛЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА3ГАЗОВЫХ СЕНСОРОВ
41 Изготовление пленок диоксида олова методом реактивногомагнетронного распыления
42 Формирование топологии пленок диоксида олова
43 Термический отжиг пленок диоксида олова 85ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ
ГЛАВА 5 ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ИГАЗОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ СВОЙСТВ ТОНКИХ ПЛЕНОКДИОКСИДА ОЛОВА И ГАЗОВЫХ СЕНСОРОВ НА ИХ ОСНОВЕ
51 Электрические и газочувствительные свойствапленок диоксида олова
52 Электрические и газочувствительные свойства газовых сенсоров 100ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 106ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ
Введение:
Актуальность темыС развитием автоматизации многих сфер деятельности человека иповыщением требований безопасности значительно возрос спрос на датчикигазовых сред. Измерительным элементом датчика является газовый сенсор.Высокая чувствительность к токсичным и взрывоопасным газам резистивныхсенсоров на основе металлооксидных полупроводников позволяетиспользовать их в пожарной сигнализации и детекторах утечки природногогаза. В связи с этим ведущие мировые производители (Rilken Keiki, NipponMonitors, Figaro, Taguchi и др.) вот уже несколько десятилетий занимаютсяисследованиями, разработкой и производством сенсоров такого типа.В зависимости от технологии изготовления газовые сенсоры на основеметаллооксидных полупроводников можно разделить на три большиегруппы: керамические, толстопленочные и тонкопленочные. Серийновыпускаемые в мире сенсоры получают в основном по керамической итолстопленочной технологии. Главный недостаток данных технологийзаключается в сложности получения газочувствительного слоя с заранеезаданными и воспроизводимыми электрофизическими параметрами, чтоважно для серийного производства.Наиболее перспективными являются тонкопленочные сенсоры, т.к. засчет применения высокотехнологичных процессов изготовлениямикроэлектронных приборов может достигаться воспроизводимостьпараметров, массовость производства и низкая себестоимость газовыхсенсоров. Кроме того, экспериментально показано, что газочувствительныесвойства оксидов металлов улучшаются при переходе к ультрадисперснымслоям с размерами зерна порядка десятков нанометров. Это обусловлено тем,что процессы, определяющие изменение электрофизических свойств оксидовпри изменении состава окружающей среды, происходят на их поверхности, атонкопленочные слои имеют выгодное соотношение поверхности и объема.Тонкопленочная технология производства отличается оттолстопленочной используемыми материалами, технологией нанесения иформирования функциональных элементов газового сенсора: нагревателя,измерителя температуры, чувствительного элемента и контактов к нему.Несмотря на многолетнюю историю исследований, задача серийного выпускатонкопленочных сенсоров еще не решена.В настоящее время исследован широкий спектр оксидныхполупроводников для использования их в качестве чувствительногоматериала резистивных газовых сенсоров. Наибольшее практическоеприменение нашел диоксид олова (ЭпОг), что в первую очередь связано счрезвычайной чувствительностью его электропроводности к состояниюповерхности, контактирующей с газовой фазой, в относительно низкойобласти рабочих температур 200 - 500 "С. Среди способов изготовления тонких газочувствительных пленокдиоксида олова наиболее перспективным является метод реактивногомагнетронного распыления на постоянном токе. Это связано с простотой егореализации на основе промышленного оборудования для вакуумногонапыления, используемого в микроэлектронной технологии. Методзаключается в магнетронном распылении мишени из металлического олова всмеси газов: рабочего - аргона (Аг) и реактивного - кислорода (Ог). Однакобольшинство исследований этого метода изготовления газочувствительныхпленок производилось на экспериментальных и лабораторных установкахвакуумного напыления, которые значительно отличаются по своимтехническим характеристикам от оборудования, применяемого в серийномпроизводстве микроэлектронных приборов.Таким образом, вопросы разработки тонкопленочной технологииизготовления функциональных элементов газового сенсора - нагревателя,измерителя температуры, чувствительного элемента и электрическихконтактов к нему - являются актуальными.Работа выполнялась по плану работ ГБ 2004-34 "Исследованиеполупроводниковых материалов (Si, А^В^ А'^ В г^)? приборов и технологии ихизготовления" (№ г.р.0120.0412888) кафедры ГШЭ ВГТУ, а также всоответствии с программой регионального гранта РФФИ "Использованиенанокристаллических многокомпонентных композитов для разработкивысокочувствительных датчиков газов" (06-02- 96500 -р_центр_офи),Цель работы заключалась в разработке тонкопленочной технологииизготовления функциональных элементов сенсоров газовых сред наоборудовании, используемом в серийном производстве микроэлектронныхприборов.Для достижения поставленной цели в диссертации следовало решитьследующие задачи;1. Установить и оптимизировать технологические режимыизготовления пленок диоксида олова методом реактивногомагнетронного распыления (состав газовой смеси Аг+Ог, ток инапряжение разряда) с использованием промышленногооборудования,2. Исследовать долговременную термическую стабильность многослойныхметаллических пленок для использования их в качествеконструкционного материала нагревателя, измерителя температуры иэлектрических контактов к чувствительному элементу газового сенсора.3. Исследовать электрофизические и газочувствительные свойствалегированных пленок диоксида олова в зависимости от условий ихизготовления.4. Оптимизировать схему технологического маршрута изготовленияфункциональных элементов газового сенсора для улучшения ихадгезионных свойств и стабильности электрических параметров.5, Изготовить макетные образцы газовых сенсоров в соответствии сразработанным маршрутом изготовления функциональных элементов иисследовать их электрические и газочувствительные свойства.Объектами исследований служили тонкие многослойныеметаллические пленки и полупроводниковые пленки диоксида олова,изготовленные методом магнетронного распыления на постоянном токе.Научная новизна1. Установлена корреляция между процентным содержанием атомовкислорода в пленках оксида олова и величиной напряжения приреактивном магнетронном распылении. Полученные результатыпозволяют определять режимы нанесения пленок заданной стехиометрии.3. Впервые в качестве материала чувствительного элемента газового сенсораисследована и использована пленка диоксида олова с легируюш,ейдобавкой кремния в количестве 1 ат.%, обладающая стабильностьюпараметров и высокой газовой чувствительностью.4. Исследовано влияние условий изготовления пленок диоксида олова,легированных кремнием и сурьмой, на величину их электросопротивленияи газовой чувствительности. Выбраны условия синтеза пленок итермообработки, обеспечивающие оптимальные параметры игазочувствительные свойства.Практическая значимость1. Результаты работы могут быть использованы в других типах приборовкак при разработке технологии формирования металлизации, работающейв условиях повышенной температуры, так и при отработке режимовизготовления методом реактивного магнетронного распыления любыхметаллооксидных пленок и нанокомпозитов.2. Оптимизированная схема технологического маршрута и режимыизготовления функциональных элементов могут быть использованы какоснова для серийного производства отечественных тонкопленочныхрезистивных газовых сенсоров на основе диоксида олова и другихметаллооксидных полупроводников.3. В соответствии с предложенным технологическим маршрутомизготовлены макетные образцы тонкопленочных сенсоров газовых сред,которые могут быть использованы в устройствах индикации и аварийнойсигнализации для предупреждения чрезвычайных ситуаций.Основные положения и результаты, выиосимые на защиту1. Корреляция между процентным содержанием атомов кислорода впленках оксида олова и величиной напряжения на магнетроне приреактивном магнетронном распылении.3. Зависимость электрических и газочувствительных свойств пленок диоксидаолова от режимов нанесения и легирующих добавок кремния и сурьмы.4. Режимы и способы изготовления функциональных элементов сенсора:нагревателя состоящего из Ti-TiN-Pt, и газочувствительного элемента сулучшенной адгезией, заданными и стабильными электрическимипараметрами.Апробация работыОсновные результаты работы докладывались и обсуждались наследующих конференциях и научно - технических семинарах: ежегодныхнаучно-технических конференциях нрофессорско-нренодавательскогосостава, аспирантов и студентов ВГТУ (Воронеж, 2005-2007); XVI Научно технической конференции с участием зарубежных специалистов "Датчики ипреобразователи информации систем измерения, контроля и управления"(Москва, 2004); XXI Международной конференции "Релаксационные явленияв твердых телах" (Воронеж, 2004), 35 Международном научно-техническомсеминаре «Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковыхприборах» (Москва, 2006).Макетный образец газового сенсора, изготовленный в результатеработы, отмечен дипломом победителя конкурса "Инновации - 2006" на 7Межрегиональной выставке "РОСПРОМЭКСПО" (Воронеж, 2006), а такжеЗолотой медалью VI Московского международного салона инноваций иинвестиций (Москва, ВВЦ, 2006).ПубликацииПо материалам диссертации опубликовано 10 научных работ, в томчисле 1- в издании, рекомендованном ВАК РФ. В работах, опубликованных всоавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателюпринадлежит: [1-10] - изготовление образцов тонких металлических иполупроводниковых пленок и кристаллов тестовых структур газовогосенсора, [1,7,9,10] - экспериментальные исследования электрических свойствтонких пленок и обработка полученных результатов.Структура и объем диссертацииДиссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Работаизложена на 124 страницах, включая 5 таблиц, 59 рисунков и списокиспользованной литературы из 94 наименований.
