CN101399106B - 金和镍掺杂单晶硅片式负温度系数热敏电阻及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及金和镍掺杂单晶硅片式热敏电阻，该热敏电阻采用涂源高温扩散方法，将过渡金属元素金和镍作为掺杂剂，掺入n型单晶硅中，利用金和镍在n型单晶硅中的电补偿性质，制备出负温度系数热敏材料，然后在精密划片机上划片，芯片两端制作电极，其电极采用镍、银两层结构，实现了硅晶体和电极之间的欧姆接触。所用硅热敏功能材料以单晶硅半导体为基础，掺杂金和镍金属原子，形成深能级俘获中心，使材料产生热敏特性，经过严格控制掺杂原子在硅中的浓度及其分布，易于实现用氧化物陶瓷热敏材料难以实现的高B值低阻值元件，并提高热敏材料和元件的一致性、重复性、稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及一种金和镍掺杂单晶硅片式负温度系数热敏电阻及其制备方法，属于信息领域的传感器技术的热敏电阻领域。
背景技术
由于表面安装技术(SMT)的迅速发展。以往当作异型元件处理的元件群也逐渐发展为表面安装元件(SMD)，对其技术上的重新认识就成为迫在眉睫的工作。由于热敏电阻具有测温精度高、互换性好、可靠性高等特点，在温度测量、控制、补偿等方面应用十分广泛。
目前，热敏电阻在整个温敏器件领域已经占据40％以上的市场份额，随着智能化仪器仪表对高精度热敏器件需求的日益扩大，以及手持电话、掌上电脑(Personal Digital Assistants，PDA)、笔记本电脑和其它便携式信息及通信设备的迅速普及，进一步带动了温度传感器和热敏电阻的大量需求。作为温度补偿、电子元器件及电路保护用的片式热敏电阻国内仅少数几家公司试生产，品种数量和性能与国外相比差距甚大。
高B/低阻的片式热敏电阻由于灵敏度高，在浪涌保护电路和补偿电路中等大量使用，但迄今为止，国内外的片式热敏电阻均采用过渡金属氧化物的多层结构(与片式电容结构相同)。由于氧化物半导体的性质——低电阻率伴随着低B值，若要进一步降低阻值或者提高B值，多层结构将遇到不可克服的困难。而且多层结构采用流延工艺，由于内电极的渗透问题，端电极的延伸问题以及材料多孔性导致的瓷体机械强度差的问题成为片式热敏电阻制造的障碍。
掺有深能级杂质的补偿硅半导体，其电阻率对温度有程度不同的敏感性，其灵敏系数B值与深能级杂质的能级位置和掺杂浓度有关，这样就有可能通过选择适当的掺杂杂质和浓度得到高B值材料。相同材料系数B值的补偿硅热敏材料的电阻率要比氧化物材料的小得多，这样就能制造出高B值低阻值的单晶硅片式热敏电阻元件。
目前利用单晶硅高温扩散金和镍两种杂质的方法研制单晶硅片式热敏电阻还没有相关的技术报道。
发明内容
本发明的目的在于，研制一种金和镍掺杂单晶硅片式负温度系数热敏电阻，该热敏电阻采用开管涂源高温扩散方法，用金和镍的金属盐作为扩散源，高温条件下扩散进入n型单晶硅中，利用深能级杂质金和镍在硅中形成的补偿特性制成单晶硅热敏材料，再通过表面化学镀镍、划片、沾银，制成单晶硅片式负温度系数热敏电阻。
本发明所述的金和镍掺杂单晶硅片式负温度系数热敏电阻的制备方法，采用开管涂源高温扩散的方法，具体操作按下列步骤进行：
a、采用n型单晶硅片，用80目金刚砂将两面磨平、磨光，在去离子水中超声去沙5min，在丙酮中超声去油5min，用洗液煮沸15分钟，再用冷热去离子水清洗3-5次，最后用丙酮脱水待用；
b、将清洗好的硅片平放在滤纸上，采用NiCl2·6H2O浓度为2.1×10-4mol/ml的溶液和AuCl3·HCl·4H2O浓度为1.2×10-4mol/ml的溶液按体积比3:1的比例混合后滴在硅片的表面上，在红外灯下烘干至表面成均匀白色结晶状，在恒温环境下高温扩散，扩散温度为900—1000℃，时间为4—6小时；
c、对扩散好的硅片，表面用20目碳化硼把硅片表面打磨掉20um，用去离子水超声清洗，丙酮去油；
d、化学镀镍，在高精度划片机上划片，划片后的芯片在沾银机上沾银，即可制成金和镍掺杂单晶硅片式负温度系数热敏电阻。
步骤a单晶硅为n型直拉单晶硅，晶面为(111)面，电阻率的径向分布≤±5％。
步骤a中所用洗液为氨水、过氧化氢和去离子水，其配比为1:2:5。
步骤d制备银电极所使用的银浆为还原温度600℃的低温银浆。
本发明所述的金和镍掺杂单晶硅片式负温度系数热敏电阻，该电阻所用硅热敏功能材料以单晶硅半导体为基础，掺杂金和镍金属原子，形成深能级俘获中心，使材料产生热敏特性。经过严格控制掺杂原子在硅中的浓度及其分布，易于实现用氧化物陶瓷热敏材料难以实现的高B值低阻值元件，并提高热敏材料和元件的一致性、重复性、稳定性。
本发明的主要技术是将过渡族金属元素金和镍掺入n型单晶硅中，形成深能级施主复合中心，制成硅单晶热敏材料。然后用高精度的划片机进行划片，在硅芯片两端制作电极，制成金和镍掺杂单晶硅片式负温度系数热敏电阻。
本发明所述的片式单晶硅负温度系数热敏电阻具有以下特点：
1、运用了多重掺杂技术，以在硅中可形成深能级的过渡族金属作为掺杂剂，掺入n型单晶硅中，单一掺杂金所得材料电阻率较大，一致性较好，B值较高；而单一掺杂镍的材料电阻率较低，由于镍替位扩散和填隙扩散同时存在的影响，材料的一致性较差，按照一定比例对硅材料掺入深能级杂质金和镍，金原子占据了硅材料中的空位，抑制了替位式镍原子产生，镍原子以填隙的方式分布于硅材料中，金和镍形成的深能级复合中心在温度升高的时候都会释放电子，使晶体中电子浓度升高，电阻率下降，产生热敏特性，从而保证了具有低电阻率的同时又保持电阻率和B值的一致性。
2、采用了高温涂源扩散工艺，可直接通过向单晶硅材料中扩散过渡金属元素得到高B/低阻热敏电阻，其工艺相对简单，制成元件的成本将低于氧化物陶瓷材料热敏电阻元件。
3、单晶硅和金属电极的欧姆接触，先对硅片表面化学镀镍，划片后对芯片沾银，这样镍和硅已经形成欧姆接触，而镍和银都是金属，它们之间也是欧姆接触，这样借助于中间化学镀镍层实现了硅晶体和电极间比较好的欧姆接触。
采用本发明所述方法制成的金和镍掺杂单晶硅片式负温度系数热敏电阻，其尺寸规格为0805的电阻，25℃电阻值0.5-180kΩ，材料常数(B值)为4700-6000k；尺寸规格为0603的电阻，25℃电阻值1.5-220kΩ，材料常数(B值)为4750-6000k。该方法也适用于1206、0402、0201等其它尺寸规格的金和镍掺杂单晶硅片式热敏电阻的制备。
附图说明
图1为本发明金镍掺杂单晶硅片式负温度系数热敏电阻的剖面图：其中1为硅芯片，2为镀镍层，3为外层银电极。
具体实施方式
实施例1
采用电阻率为1Ω·cm的n型直拉单晶硅片，晶面为(111)面，电阻率的径向分布≤±5％，用80目金刚砂将两面磨平、磨光，在去离子水中超声去沙5min，在丙酮中超声去油5min，用以氨水、过氧化氢和去离子水按照1:2:5的配比配成的洗液煮沸15分钟，再用冷热去离子水清洗3-5次，最后用丙酮脱水待用；
将清洗好的硅片平放在滤纸上，采用NiCl2·6H2O浓度为2.1×10-4mol/ml的溶液和AuCl3·HCl·4H2O浓度为1.2×10-4mol/ml的溶液按体积比3:1的比例混合后滴在硅片的表面上，在红外灯下烘干至表面成均匀白色结晶状，在恒温环境下高温扩散，扩散温度为900℃，时间为4小时；
对扩散好的硅片，表面用20目碳化硼把硅片表面打磨掉20um表面的金属离子高浓层，用去离子水超声清洗，丙酮去油；
化学镀镍，在550℃下恒温15min，然后自然降温，使镍和硅形成良好的欧姆接触；
在高精度划片机上按0805规格划片，划片后的芯片在沾银机上用还原温度为600℃银浆制备银电极，即可得到金和镍掺杂单晶硅片式负温度系数热敏电阻。
在恒温油槽恒中测试元件电阻与温度之间的关系，测试显示25℃时电阻值为1050Ω，B值为5240k。
其它实施例用表表示：
| 原始电阻率Ω·cm | 扩散温度/℃ | 扩散时间/h | 尺寸规格/inch | 25℃电阻值/kΩ | B值/k |
| 1 | 900 | 4 | 0805 | 1.05 | 5240 |
| 1 | 900 | 5 | 0805 | 0.80 | 5180 |
| 1 | 900 | 6 | 0805 | 0.55 | 5140 |
| 1 | 1000 | 4 | 0805 | 5.21 | 5190 |
| 1 | 1000 | 5 | 0805 | 8.60 | 5240 |
| 1 | 1000 | 6 | 0805 | 13.15 | 5560 |
| 1 | 900 | 4 | 0603 | 2.50 | 5350 |
| 1 | 900 | 5 | 0603 | 1.63 | 5310 |
| 1 | 900 | 6 | 0603 | 1.51 | 5240 |
| 1 | 1000 | 4 | 0603 | 8.59 | 5070 |
| 1 | 1000 | 5 | 0603 | 13.62 | 5210 |
| 1 | 1000 | 6 | 0603 | 21.44 | 5240 |
| 10 | 900 | 4 | 0805 | 3.35 | 4950 |
| 10 | 900 | 5 | 0805 | 3.10 | 4900 |
| 10 | 900 | 6 | 0805 | 2.89 | 4850 |
| 10 | 1000 | 4 | 0805 | 16.79 | 5360 |
| 10 | 1000 | 5 | 0805 | 18.86 | 5400 |
| 10 | 1000 | 6 | 0805 | 19.41 | 5460 |
| 10 | 900 | 4 | 0603 | 6.82 | 5110 |
| 10 | 900 | 5 | 0603 | 5.26 | 5040 |
| 10 | 900 | 6 | 0603 | 3.87 | 4990 |
| 10 | 1000 | 4 | 0603 | 20.10 | 5420 |
| 10 | 1000 | 5 | 0603 | 29.13 | 5500 |
| 10 | 1000 | 6 | 0603 | 68.66 | 5870 |
| 20 | 900 | 4 | 0805 | 4.24 | 4910 |
| 20 | 900 | 5 | 0805 | 3.50 | 4800 |
| 20 | 900 | 6 | 0805 | 2.81 | 4740 |
| 20 | 1000 | 4 | 0805 | 24.44 | 5600 |
| 20 | 1000 | 5 | 0805 | 68.73 | 5800 |
| 20 | 1000 | 6 | 0805 | 180.70 | 6000 |
| 20 | 900 | 4 | 0603 | 10.22 | 4850 |
| 20 | 900 | 5 | 0603 | 9.68 | 4750 |
| 20 | 900 | 6 | 0603 | 7.55 | 4750 |
| 20 | 1000 | 4 | 0603 | 33.34 | 5570 |
| 20 | 1000 | 5 | 0603 | 74.21 | 5640 |
| 20 | 1000 | 6 | 0603 | 218.48 | 5820 |
Claims (5)
1.一种金和镍掺杂单晶硅片式负温度系数热敏电阻，其特征在于该热敏电阻是用金和镍的金属盐作为扩散源，掺入n型单晶硅中，利用深能级杂质在硅中形成的补偿特性制成单晶硅热敏材料，再通过表面化学镀镍电极、划片和沾银制成单晶硅片式负温度系数热敏电阻器。
2.根据权利1所述的金和镍掺杂单晶硅片式负温度系数热敏电阻的制备方法，其特征在于采用开管涂源高温扩散的方法，具体操作按下列步骤进行：
a、采用n型单晶硅片，用80目金刚砂将两面磨平、磨光，在去离子水中超声去沙5min，在丙酮中超声去油5min，用洗液煮沸15分钟，再用冷热去离子水清洗3-5次，最后用丙酮脱水待用；
b、将清洗好的硅片平放在滤纸上，采用NiCl2·6H2O浓度为2.1×10-4mol/ml的溶液和AuCl3·HCl·4H2O浓度为1.2×10-4mol/ml的溶液按体积比3:1的比例混合后滴在硅片的表面上，在红外灯下烘干至表面成均匀白色结晶状，在恒温环境下高温扩散，扩散温度为900—1000℃，时间为4—6小时；
c、对扩散好的硅片，表面用20目碳化硼把硅片表面打磨掉20um，用去离子水超声清洗，丙酮去油；
d、化学镀镍，在550℃下恒温15min，然后自然降温，使镍和硅形成良好的欧姆接触，在高精度划片机上划片，划片后的芯片在沾银机上沾银，即可制成金和镍掺杂单晶硅片式负温度系数热敏电阻。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于步骤a单晶硅为n型直拉单晶硅，晶面为(111)面，电阻率的径向分布≤±5％。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于步骤a中所用洗液为氨水、过氧化氢和去离子水，其配比为1:2:5。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于步骤d制备银电极所使用的银浆为还原温度600℃的低温银浆。
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