CN100412227C - 对向靶磁控溅射制备三氧化钨薄膜气敏传感器的方法 - Google Patents

对向靶磁控溅射制备三氧化钨薄膜气敏传感器的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种对向靶磁控溅射制备三氧化钨薄膜气敏传感器的方法，属于气敏传感器技术。其制备过程包括：对单晶硅片依次在浓硫酸、去离子水、丙酮、乙醇中清洗；对Al2O3基片依次在丙酮、乙醇、去离子水中清洗；在超高真空对靶磁控溅射设备中，采用铂为靶材，在氩气为工作气体，用对向靶磁控溅射法在基片上制备叉指铂电极；之后在超高真空对靶磁控溅射设备中，采用钨为靶材，在氩气和氧气为工作气体，用对向靶磁控溅射法在有叉指铂电极的基片上制备三氧化钨薄膜；制备所得三氧化钨薄膜在空气中进行热处理，从而得到三氧化钨薄膜气敏传感器。本发明的优点在于，制得的薄膜均匀，纯度高，膜与基底附着性好，参数易控制。该气敏传感器对氨灵敏特性好。

Description

对向靶磁控溅射制备三氧化钨薄膜气敏传感器的方法
技术领域
本发明涉及一种对向靶磁控溅射制备三氧化钨薄膜气敏传感器的方法，属于气敏传感器技术。
背景技术
三氧化钨具有半导体特性，是一种很有潜力的敏感材料，对NOx、H2S、CO、NH3、C2H5OH等多种气体有敏感性。当三氧化钨暴露于气体中时，从空气中被吸附的氧作为一种电子的受主态处于三氧化钨材料的禁带，表面反应导致了受主态在部分表面覆盖度的变化，从而引起了电导率的变化。近年来，随着环保意识的增强，人们对气敏传感器提出了更广、更高的要求。基于三氧化钨对上述多种气体具有良好的敏感特性，以及薄膜型传感器具有一致性好、敏感性好、响应快、成本低等优点，国内外学者对三氧化钨薄膜气敏传感器的研究投入了极大的关注。多数采用的是溶胶凝胶法来制备三氧化钨薄膜，首先配制含有钨原子的高度分散均匀的溶液或者溶胶，经化学和物理方式的处理，在基片表面形成固态的高度分散均匀的薄膜。这种方法虽然所用设备简单，成本低，但是配制溶胶时选用的溶剂存在毒性，而且热处理时构成薄膜的颗粒会快速团聚，影响薄膜的质量；用真空蒸发法制备三氧化钨薄膜，这种方法工艺参数不容易控制、实验结果重复性较差、制备的薄膜与基片的附着性不够好。
发明内容
本发明的目的是提供一种对向靶磁控溅射制备三氧化钨薄膜气敏传感器的方法，利用该方法制得的三氧化钨薄膜具有良好的气敏特性。
本发明是通过以下技术方案加以实现，一种对向靶磁控溅射制备三氧化钨薄膜气敏传感器的方法，其特征在于包括以下过程：
1)将厚度为380～500μm的p型(100)晶面的单面抛光单晶硅片放入质量浓度为98％的硫酸与质量浓度为30％的双氧水按体积比3∶1的清洗液中，在室温条件下浸泡，直至不起气泡为止，除去表面的有机污染物；再用去离子水冲洗干净，然后放入质量浓度为20％的HF溶液中浸泡30秒除去表面的氧化层，用去离子水冲洗干净，将硅片放在丙酮溶液中超声清洗5分钟，再放入无水乙醇中超声清洗5分钟，最后再经去离子水冲洗，将硅片烘干备用。或将厚度为350～400μm的Al2O3基片用丙酮进行超声清洗10分钟，经去离子水冲洗，然后再用无水乙醇超声清洗10分钟，再经去离子水冲洗，烘干备用；
2)在经步骤1)清洗得到的硅片或者Al2O3基片表面紧贴上叉指铂电极掩膜，再将硅片或者Al2O3基片置于DPS-III型超高真空对向靶磁控溅射设备的真空室中，采用质量纯度为99.95％的金属铂作为靶材，在质量纯度为99.999％的氩气作为工作气体，并以本底真空度小于4×10-4Pa，溅射工作气压为1.0～2.0Pa，溅射功率为70W～80W，溅射时间5～8分钟，氩气气体流量为25ml/min，硅片或者Al2O3基片温度25℃的操作条件，向硅片或者Al2O3基片溅射铂得到厚度为0.1μm～0.3μm的叉指铂电极。
3)将步骤2)制得的有叉指铂电极的硅片或者Al2O3基片置于DPS-III型超高真空对向靶磁控溅射设备的真空室中，采用质量纯度为99.995％的钨作为靶材，在质量纯度为99.999％的氩气与质量纯度为99.995％的氧气作为工作气体，以本底真空度小于2×10- 4Pa，溅射工作气压为0.5～2.0Pa，溅射功率为170～250W，溅射时间5～90分钟，Ar、O2气体流量分别为45ml/min和5ml/min，或者分别为35ml/min和15ml/min，或者分别为25ml/min和25ml/min，及硅片或者Al2O3基片的温度为25～300℃为工艺条件，向有叉指铂电极的硅片或者Al2O3基片溅射钨得到厚度为0.04μm～0.6μm的三氧化钨薄膜层。
4)将步骤3)制备所得薄膜样品放入高温加热炉内，在干燥空气中加热至300～600℃，热处理3～8小时。从而得到三氧化钨薄膜气敏传感器。
本发明的优点在于，采用对靶磁控溅射方法得到的三氧化钨薄膜厚度均匀、纯度高，膜与基底之间附着性好，构成薄膜的微粒粒径较均匀，容易实现纳米微粒薄膜，工艺条件容易控制。在Al2O3基片上制备三氧化钨薄膜时，当热处理温度为400℃和膜厚为40nm时所制得的三氧化钨薄膜，该薄膜在工作温度为250℃，对氨的敏感性很好，当NH3的体积分数为5×10-5，其灵敏度达到300，响应-恢复时间分别达到15s和80s，是一种理想的氨敏元件。
附图说明
图1为本发明制备的三氧化钨薄膜气敏传感器结构示意图，图中：1为基片，2为三氧化钨薄膜层，3为叉指铂电极；
图2为实施例1所制得的三氧化钨薄膜气敏传感器在30～250℃的阻值变化曲线图；
图3为实施例4所制得的三氧化钨薄膜气敏传感器在不同工作温度下氨敏特性曲线；
图4为实施例4所制得的三氧化钨薄膜气敏传感器的三氧化钨薄膜层的扫描电子显微镜(SEM)照片；
具体实施方式
实施例1
1)采用厚度为420微米，长2.5cm，宽1.0cm，p型100单面抛光单晶硅片作为衬底，对硅基片表面进行如下处理：取质量浓度为98％的H2SO430毫升和质量浓度为30％的H2O210毫升配成清洗液，将硅基片放入清洗液中，在室温条件下浸泡，放置40分钟，除去了表面的有机污染物；将硅基片从混合酸中取出后用去离子水冲洗3遍，再放入体积为30毫升、质量浓度为20％的HF溶液中浸泡30秒除去表面的氧化层；再用去离子水冲洗干净；将硅基片放在体积为20毫升的丙酮溶液中超声清洗5分钟；将硅基片取出，再放入体积为20毫升的无水乙醇中超声清洗5分钟；最后经离子水冲洗，将硅基片烘干备用；在上述烘干的硅基片上紧贴上厚度为100微米的铁叉指掩膜。将贴有掩膜的硅基片置于DPS-III型超高真空对向靶磁控溅射设备的真空室中，以质量纯度为99.95％的金属铂作为靶材，质量纯度为99.999％的氩气作为工作气体，磁控溅射的具体步骤为：抽背底真空至2.5×10-4Pa，氩气气体流量为25ml/min，溅射工作气压为2.0Pa，溅射功率为80W，溅射时间7分钟，基片温度25℃，得到叉指铂电极。将上述制有叉指Pt电极的硅基片置于DPS-III型超高真空对向靶磁控溅射设备的真空室中，以质量纯度为99.995％的钨作为靶材，质量纯度为99.999％的氩气与质量纯度为99.995％的氧气作为工作气体，磁控溅射的具体步骤为：抽背底真空至1.4×10-5Pa，Ar、O2气体流量分别为35ml/min和15ml/min，溅射工作气压为1.0Pa，溅射功率为200W，溅射时间30分钟，基片温度200℃，得到三氧化钨薄膜层。将上述所得三氧化钨薄膜样品放入高温加热炉，在干燥空气中加热至400℃，热处理3小时。从而得到三氧化钨薄膜气敏传感器。得到的气敏传感器结构如图1所示。对上述三氧化钨气敏薄膜进行电阻温度特性测试，温度范围为：30～250℃，电阻温度曲线如图2所示。表现出明显的半导体特性。
实施例2
本实施例与实施例1相似，不同之处在于：步骤3中Ar、O2气体流量分别为25ml/min和25ml/min，溅射工作气压为0.5Pa，溅射功率为200W，溅射时间90分钟，基片温度200℃。
实施例3
本实施例与实施例1相似，不同之处在于：步骤1中选用Al2O3基片，将厚度为350μm，长2.5cm，宽1.0cm的Al2O3陶瓷基片用丙酮进行超声清洗10分钟，经去离子水冲洗，然后再用无水乙醇超声清洗10分钟，再经去离子水冲洗，烘干备用；步骤3中Ar、O2气体流量分别为45ml/min和5ml/min，溅射工作气压为1.0Pa，溅射功率为250W，溅射时间10分钟，基片温度25℃；步骤4中热处理温度300℃，热处理时间8小时。
实施例4
本实施例与实施例3相似，不同之处在于：步骤3中Ar、O2气体流量分别为35ml/min和15ml/min，溅射工作气压为1.0Pa，溅射功率为200W，溅射时间30分钟，基片温度200℃；步骤4中热处理温度为400℃，热处理时间为3小时。所得三氧化钨气敏薄膜表面形貌SEM照片如图4所示。将上述三氧化钨薄膜置于体积分数为5×10-5NH3中进行氨敏特性测试，所得灵敏度温度曲线如图3所示。
实施例5
本实施例与实施例3相似，不同之处在于：步骤3中Ar、O2气体流量分别为25ml/min和25ml/min，溅射工作气压为0.5Pa，溅射功率为230W，溅射时间70分钟，基片温度200℃；步骤4中热处理温度为400℃，热处理时间为3小时。

Claims (1)

1. 一种对向靶磁控溅射制备三氧化钨薄膜气敏传感器的方法，其特征在于包括以下具体工艺步骤：
1)将厚度为380～500μm的p型(100)晶面的单面抛光单晶硅片放入质量浓度为98％的硫酸与质量浓度为30％的双氧水按体积比3∶1的清洗液中，在室温条件下浸泡，直至不起气泡为止，除去表面的有机污染物；再用去离子水冲洗干净，然后放入质量浓度为20％的HF溶液中浸泡30秒除去表面的氧化层，用去离子水冲洗干净，将硅片放在丙酮溶液中超声清洗5分钟，再放入无水乙醇中超声清洗5分钟，最后再经去离子水冲洗，将硅片烘干备用；或将厚度为350～400μm的Al2O3基片用丙酮进行超声清洗10分钟，经去离子水冲洗，然后再用无水乙醇超声清洗10分钟，再经去离子水冲洗，烘干备用；
2)在经步骤1)清洗得到的硅片或者Al2O3基片表面紧贴上叉指铂电极掩膜，再将硅片或者Al2O3基片置于DPS-III型超高真空对向靶磁控溅射设备的真空室中，采用质量纯度为99.95％的金属铂作为靶材，在质量纯度为99.999％的氩气作为工作气体，并以本底真空度小于4×10-4Pa，溅射工作气压为1.0～2.0Pa，溅射功率为70W～80W，溅射时间5～8分钟，氩气气体流量为25ml/min，硅片或者Al2O3基片的温度为25℃的操作条件，向硅片或者Al2O3基片溅射铂得到厚度为0.1μm～0.3μm的叉指铂电极；
3)将步骤2)制得的有叉指铂电极的硅片或者Al2O3基片置于DPS-III型超高真空对向靶磁控溅射设备的真空室中，采用质量纯度为99.995％的钨作为靶材，在质量纯度为99.999％的氩气与质量纯度为99.995％的氧气作为工作气体，以本底真空度小于2×10- 4Pa，溅射工作气压为0.5～2.0Pa，溅射功率为170～250W，溅射时间5～90分钟，氩气、氧气气体流量分别为45ml/min和5ml/min，或者分别为35ml/min和15ml/min，或者分别为25ml/min和25ml/min，及硅片或者Al2O3基片的温度为25～300℃为工艺条件，向有叉指铂电极的基片溅射钨得到厚度为0.04μm～0.6μm的三氧化钨薄膜层；
4)将步骤3)制备所得薄膜样品放入高温加热炉内，在干燥空气中加热至300～600℃，热处理3～8小时，从而得到三氧化钨薄膜气敏传感器。
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