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，光刻與濺射相結合的薄膜元件技術取代目前國內外流行的手工涂料，瓷管上燒結的TGS（Tagushi Gas Sensor）元件技術。氣敏層在稱底上的生成可用高能離子的薄膜濺射技術而有利于廣泛開發基材料，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、小的熱慣性等優點。

氣敏效應有兩個方面：第一，電導氣敏；第二，溫變氣敏；因此我們開發、研制和應用的元件有兩類：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中的放熱升溫現象來制作的，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。

本文介紹兩個內容：第一，對電導氣敏薄膜的性能測試和實驗的結果；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。下面是實驗結果：

l*反應濺射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 芯片架構和工藝流程

2.1 芯片結構

1.氣敏層SnO2/GeO2；2.Al2O3層；3.SiO2層；4.Pt/Ti復合膜W形加熱器；

5.Pt/Ti復合膜；6.鍵合盤

Si微電子平面技術移植到氣敏傳感器的研制大約（下轉第137頁）（上接第118頁）開始于1988年[2]，其優越性在于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，有兩類結構方案[3-4]；一類是橫向方案，兩者在同一平面上，其優點是工藝相對簡單。另一類是縱向方案，兩者用絕緣層（一般為SiO2）隔開，其優點是器件面積相對小，功耗小，但工藝相對復雜些。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，實驗結果表明，這種復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

在劃片機上設置芯片尺寸0.4m×0.6m。

3 結論

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]