СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ДАТЧИКА ГАЗОВ Российский патент 1996 года по МПК G01N27/12 

Изобретение относится к области аналитической техники, а именно к способам изготовления полупроводниковых датчиков газов для анализа состава окружающей среды.

Известен способ изготовления полупроводниковых газовых датчиков, включающий нанесение пасты из газочувствительного материала на основе неорганического полупроводника (например, диоксида олова) на две металлические спирали, одна из которых является нагревателем, а другая измерительным электродом, и обжиг при высокой (более 900^oC) температуре [1] Такие агломеративные датчики используют для детектирования метана, пропана, водорода и т.д. Недостаток способа [1] в том, что с его помощью можно изготавливать лишь датчики, работающие при высоких температурах и обладающие низким (более 60^oС) быстродействием.

Наиболее близким к заявляемому является способ, включающий нанесение на твердотельную, преимущественно диэлектрическую подложку металлического пленочного нагревателя и системы контактов, а также напыление газочувствительного слоя, преимущественно органического полупроводника, например фталоцианина металла (меди или свинца) [2]
Датчики, изготовленные по этому способу функционируют при сравнительно низких (ниже 250^oС) температурах и имеют высокие значения таких параметров, как быстродействие и чувствительность к концентрации анализируемого газа. Преимуществом способа [2] является также возможность его применения как стандартной групповой технологии, аналогичной освоенной в полупроводниковой микроэлектронике создания дискретных приборов и интегральных схем.

Недостаток способа [2] низкий процент выхода годных датчиков из-за структурной нестабильности пленок органических полупроводников, которые могут разрушаться как в процессе изготовления (например, при скрайбировании кристаллов пластин на отдельные чувствительные элементы) и при испытаниях, так и при эксплуатации. Более того, структурная нестабильность, в частности нестабильность механических напряжений в пленках, может приводить к деградации их физико-химических свойств.

Техническим результатом является повышение процента выхода годных датчиков за счет стабилизации механических напряжений в пленках органических полупроводников.

Технический результат достигается тем, что на диэлектрическую подложку последовательно наносят металлический пленочный нагреватель с системой контактов, разделительный диэлектрический слой и газочувствительный слой. При этом разделительный диэлектрический слой выполнен пористым, а перед нанесением газочувствительного слоя проводят термообработку диэлектрического слоя при температуре не ниже рабочей температуры датчика. Пористый диэлектрик формируют анодной обработкой нанесенного материала. В качестве газочувствительного слоя используют органические полупроводники, а в качестве органического полупроводника используют фталоцианины металлов.

Пример 1. На кремниевых подложках КДБ-0,01 (001) путем анодной обработки в 30%-растворе фтористоводородной кислоты формировали слой пористого кремния толщиной 2,5-3,5 мкм. Далее пластины окисляли в парах воды при температуре 90^oС. На окисленный пористый кремний наносили вакуумным напылением пленки фталоцианина меди толщиной 0,21-0,29 мкм. Контрольными служили образцы кремний-фталоцианин без прослойки окисленного пористого кремния.

Релаксацию упругих напряжений в пленках фталоцианина фиксировали на рентгеновском двухкристальном спектрометре по изменениям макроизгиба структур в процессе выдержки при комнатной температуре и температурах, соответственно 80 и 150^oС. В таблице 1 приведены значения характерного времени релаксации напряжений в структурах, соответствующие длительности, в течение которой напряжения уменьшаются в е-раз.

Как видно из табл. 1, заявляемый способ позволяет существенно увеличить время релаксации механических напряжений в пленках фталоцианина, т.е. способ стабилизирует их свойства.

Пример 2.

На кремниевых КДБ-10 (001) подложках по технологии способа [2] и заявляемому способу изготавливали элементы с фталоцианином меди в качестве газочувствительного слоя после нанесения газочувствительной пленки пластины разрезали на кристаллы размером 3х4 мм и визуально, а также с помощью металлографического микроскопа МИМ-7, оценивали количество годных по качеству активной поверхности (разрывы, отслоения, трещины в пленке). Разбраковка показала, что при использовании способа-прототипа выход годных не превышает 54% а заявляемый способ обеспечивает повышение 92%
Пример 3. На кремниевой подложке с диэлектрической пленкой SiO₂ толщиной 0,8 мкм формировали платиновый нагреватель и систему контактов (толщина слоя платины 0,1-0,2 мкм). Вакуумным напылением при температуре подложки 200^oС наносили пленку алюминия толщиной около 2 мкм. С помощью фоторезистивной маски маскировались участки, соответствующие контактным площадкам кристалла чувствительного элемента, и производилось анодирование пленки алюминия в растворе сульфасалициловой кислоты при комнатной температуре и плотности тока 1,5-2,0 А/дм. Термообработка пластины производилась в течение 3 часов при температуре 250^oС на воздухе. На слой окиси алюминия вакуумным напылением наносили слой фталоцианина меди. Процент выхода годных после анодирования, т.е. создания пористости увеличился с 61 до 93% ТТТ1

Использование: в области аналитической техники, при изготовлении полупроводниковых датчиков газов для анализа состава окружающей среды. Сущность изобретения: последовательно наносят на диэлектрическую подложку металлический пленочный нагреватель с системой контактов, разделительный пористый диэлектрический слой и газочувствительный слой. При этом перед нанесением газочувствительного слоя проводят термообработку диэлектрического слоя при температуре не ниже рабочей температуры датчика. Пористый диэлектрик формируют анодной обработкой нанесенного материала. В качестве органического полупроводника используют фталоцианины металлов. Пористый диэлектрик формируют анодной обработкой нанесенного материала. 3 з.п.ф-лы, 1 табл.

1. Способ изготовления полупроводникового датчика газов, включающий последовательное нанесение на диэлектрическую подложку металлического пленочного нагревателя с системой контактов, разделительного диэлектрического слоя и газочувствительного слоя, отличающийся тем, что разделительный диэлектрический слой выполнен пористым, а перед нанесением газочувствительного слоя проводят термообработку диэлектрического слоя при температуре не ниже рабочей температуры датчика. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что пористый диэлектрик формируют анодной обработкой нанесенного материала. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве газочувствительного слоя используются органические полупроводники. 4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что в качестве органического полупроводника используются фталоцианины металлов.