CN1683586A - 氧化锡纳米敏感薄膜制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种氧化锡纳米敏感薄膜制备方法,属于气敏传感器的敏感材料制备领域。本发明采用磁控反应溅射方法使金属锡氧化,在硅片上生成锡的纳米量级氧化物薄膜,再进一步氧化、退火,即可制造出纳米晶粒氧化锡薄膜,该氧化锡纳米敏感薄膜具有氧化锡颗粒度小,比表面积大,厚度均匀(误差在纳米量级)等特点,且表面平整度高,在100倍显微镜下观察没有裂痕,有利于提高气敏传感器的灵敏度和稳定性,通过溅射时间严格地控制膜厚,可重复性高,适合于批量生产。本发明与集成电路工艺相兼容,污染小,极大地降低气体传感器的生产成本,扩展了传感器的应用领域。
Description
所属技术领域
本发明属于气敏传感器的敏感材料制备领域,具体涉及一种氧化锡纳米敏感薄膜制备的方法。
背景技术
当今社会,人们的安全意识越来越高,用于易爆、易燃、有毒气体检测的传感器市场也就越来越活跃。开发新的气体传感器,应用新材料、新工艺和新技术,对气体传感器的机理做进一步研究的要求变得更加迫切。氧化锡材料的物理、化学稳定性较好,用氧化锡材料制成的气敏器件结构简单、制造成本低、可靠性高、机械性能良好,因此,氧化锡半导体气敏器件,一直是目前世界上产量大,应用面广的气敏器件。与其他类型气敏器件(如接触燃烧式气敏器件)相比,氧化锡气敏器件还具有寿命长,稳定性好,耐腐蚀性强。该气敏器件对气体检测是可逆的,而且吸附、脱附时间短,可连续长时间使用。随着气体传感器的小型化和低价位,它的应用领域更加广泛,常用的气体传感器的氧化锡材料可分为薄膜型、厚膜型、烧结型和结型,由于氧化锡气敏机理为表面电阻控制型,所以使用薄膜型敏感材料有利于提高传感器的灵敏度。因此,对于集成化的薄膜型氧化锡材料的制备方法的研究是必要的。
目前,氧化锡材料的制备方法很多,包括用金属锡制备氧化锡,用锡酸制备氧化锡,以及用锡的氯化物制备氧化锡,通常使用化学共沉淀法和熔胶-凝胶法。这些方法在制备过程中经常引入各种杂质,有的制备方法本身就含有杂质,如用氯化锡制备氧化锡导致氯离子的引入,使用马弗炉退火也会造成对材料的污染,且制备的氧化锡粉体材料的均匀性、团聚等问题也不容忽视。这些都不符合当今生产高精度传感器的要求,也不适应传感器集成化的要求。
发明内容
本发明克服了上述气体传感器的氧化锡薄膜制备方法在晶粒结晶性、表面活性及均一性等方面的缺陷,提供一种使用溅射方法制备氧化锡纳米敏感薄膜的方法,制得的氧化锡纳米敏感薄膜晶粒度小,比表面积大,晶粒均匀,益于提高气敏传感器的灵敏度。
本发明的目的还在于溅射退火工艺与集成电路工艺相兼容,符合大批量生产的要求,可有效地降低制造成本。
本发明的技术内容:一种氧化锡纳米敏感薄膜制备方法,包括:
(1)清洗和热氧化硅片;
(2)进行磁控反应溅射在硅片上生成锡的氧化物薄膜,溅射条件如下:
a、靶材为金属锡;
b、压强范围为0.5Pa~1.0Pa;
c、工作气体为惰性气体,反应气体为氧气,其中惰性气体质量百分比为50%~80%,氧气质量百分比为50%~20%;
d、放电功率为40W~70W;
(3)锡的氧化物薄膜在氧气中退火,退火温度范围为400℃~900℃,制得纳米晶粒氧化锡薄膜。
进一步包括:工作气体为氩气。
进一步包括:退火时间为1-2个小时。
进一步包括:膜厚可通过控制溅射时间调整。
进一步包括:可采用直流或交流磁控反应溅射。
所述硅片的清洗和热氧化包括:
(1)把四寸n型硅片单面抛光并清洗;
(2)将清洗过的硅片氧化生成600nm的SiO2;
(3)清洗热氧化过的硅片。
本发明的技术效果:本发明采用磁控反应溅射方法使金属锡氧化,在硅片上生成锡的纳米量级氧化物薄膜,再进一步氧化、退火,即可制造出纳米晶粒氧化锡薄膜,该氧化锡薄膜具有氧化锡颗粒度小,比表面积大,厚度均匀(误差在纳米量级)等特点,且表面平整度高,没有裂痕,有利于提高气敏传感器的灵敏度和稳定性。由于膜厚=溅射速率×溅射时间,通过溅射时间严格地控制膜厚,可重复性高,适合于批量生产。本发明与集成电路工艺相兼容,污染小,极大地降低气体传感器的生产成本,扩展了传感器的应用领域。
附图说明
图1为700℃下退火的氧化锡薄膜的X射线衍射(XRD)图,由图可知该氧化锡薄膜材料属于四方晶系:
图2为900℃退火的氧化锡扫描电子显微镜(SEM)照片,从照片可见,该氧化锡薄膜的晶粒度小,晶粒均匀;
图3为氧化锡的X射线光电子谱(XPS)分析图,由图可知,制备的薄膜的主要成份为SnO2。
具体实施方式
实施例1
把四寸n型硅片单面抛光,使用HF、H2SO4+H2O2的混合溶液清洗硅片表面,再用去离子水反复清洗,将清洗过的硅片送入扩散炉,氧化生成600nm的SiO2。取出硅片再次清洗,即在冷的浓硫酸溶液中浸泡两分钟,用去离子水反复冲洗。然后把硅片放入磁控溅射仪的行星式片台上进行直流反应溅射。溅射条件如下:金属锡为靶材(纯度99.999%),压强为0.5Pa;工作气体为氩气,反应气体为氧气,其中氩气质量百分比为80%,氧气质量百分比为20%,放电功率为40W,溅射时间为15分钟,把硅片取出在400℃条件下在氧气中致密退火2小时。即可生成厚度约为60nm(误差在零点几纳米量级)的氧化锡敏感薄膜。
实施例2
把四寸n型硅片单面抛光,使用HF、H2SO4+H2O2的混合溶液清洗硅片表面,再用去离子水反复清洗。将清洗过的硅片送入扩散炉,氧化生成600nm的SiO2。取出硅片再次清洗,即在冷的浓硫酸溶液中浸泡两分钟,用去离子水反复冲洗。然后把硅片放入溅射仪的行星式片台上进行直流反应溅射。溅射条件如下:金属锡为靶材(纯度99.999%),压强为0.6Pa;工作气体为氩气,反应气体为氧气,其中氩气质量百分比为75%,氧气质量百分比为25%,放电功率为45W,溅射时间为20分钟,把硅片取出在500℃条件下在氧气中致密退火1小时,在整个硅片上均匀地生成厚度约为80nm的氧化锡敏感薄膜。
实施例3
把四寸n型硅片单面抛光,使用HF、H2SO4+H2O2的混合溶液清洗硅片表面,再用去离子水反复清洗。将清洗过的硅片送入扩散炉,氧化生成600nm的SiO2。取出硅片再次清洗,即在冷的浓硫酸溶液中浸泡两分钟,用去离子水反复冲洗。然后把硅片放入溅射仪的行星式片台上进行直流反应溅射。溅射条件如下:金属锡为靶材(纯度99.999%),压强为0.7Pa;工作气体为氩气,反应气体为氧气,其中氩气质量百分比为70%,氧气质量百分比为30%,放电功率为50W,溅射时间为25分钟,把硅片取出在650℃条件下在氧气中致密退火2小时,生成厚度约为100nm的氧化锡敏感薄膜。
实施例4
把四寸n型硅片单面抛光,使用HF、H2SO4+H2O2的混合溶液清洗硅片表面,再用去离子水反复清洗。将清洗过的硅片送入扩散炉,氧化生成600nm的SiO2。取出硅片再次清洗,即在冷的浓硫酸溶液中浸泡两分钟,用去离子水反复冲洗。然后把硅片放入溅射仪的行星式片台上进行交流反应溅射。溅射条件如下:金属锡为靶材(纯度99.999%),压强为0.8Pa;工作气体为氩气,反应气体为氧气,其中氩气质量百分比为60%,氧气质量百分比为40%,放电功率为55W,溅射时间为30分钟,把硅片取出在700℃条件下在氧气中致密退火1.5小时,在整个硅片上均匀地生成约120nm厚的氧化锡敏感薄膜。
实施例5
把四寸n型硅片单面抛光,使用HF、H2SO4+H2O2的混合溶液清洗硅片表面,再用去离子水反复清洗。将清洗过的硅片送入扩散炉,氧化生成600nm的SiO2。取出硅片再次清洗,即在冷的浓硫酸溶液中浸泡两分钟,用去离子水反复冲洗。然后把硅片放入溅射仪的行星式片台上进行直流反应溅射。溅射条件如下:金属锡为靶材(纯度99.999%),压强为0.9Pa;工作气体为氩气,反应气体为氧气,其中氩气质量百分比为55%,氧气质量百分比为45%,放电功率为60W,溅射时间为35分钟,把硅片取出在750℃条件下在氧气中致密退火2小时,生成约140nm厚的氧化锡敏感薄膜。
实施例6
把四寸n型硅片单面抛光,使用HF、H2SO4+H2O2的混合溶液清洗硅片表面,再用去离子水反复清洗。将清洗过的硅片送入扩散炉,氧化生成600nm的SiO2。取出硅片再次清洗,即在冷的浓硫酸溶液中浸泡两分钟,用去离子水反复冲洗。然后把硅片放入溅射仪的行星式片片台上进行直流反应溅射。溅射条件如下:金属锡为靶材(纯度99.999%),压强为1.0Pa;工作气体为氩气,反应气体为氧气,其中氩气质量百分比为50%,氧气质量百分比为50%,放电功率为70W,溅射时间为40分钟,把硅片取出在900℃条件下在氧气中致密退火2小时,在整个硅片上均匀地生成约160nm厚的氧化锡敏感薄膜。
参考附图1、附图2和附图3,将上述实施例中生成的氧化锡敏感薄膜,进行测试,制备的薄膜的主要成份为SnO2,污染小,含碳量低,生产的氧化锡材料晶粒度在10nm左右,并且均匀分布在硅表面(在100倍显微镜下,整片都观察不到裂纹),表面平整度好,误差在纳米量级,有利于提高气体传感器的灵敏度。
Claims (6)
1.一种氧化锡纳米敏感薄膜制备方法,包括:
(1)预处理,清洗和热氧化硅片;
(2)进行磁控反应溅射,在硅片上生成锡的氧化物薄膜,溅射条件如下:
a、靶材为金属锡;
b、压强范围为0.5Pa~1.0Pa;
c、工作气体为惰性气体,反应气体为氧气,其中惰性气体质量百分比为50%~80%,氧气质量百分比为50%~20%;
d、放电功率为40W~70W;
(3)锡的氧化物薄膜在氧气中退火,退火温度范围为400℃~900℃,制得纳米晶粒氧化锡薄膜。
2.如权利要求1所述的氧化锡纳米敏感薄膜制备方法,其特征在于:膜厚通过控制溅射时间调整。
3.如权利要求1所述的氧化锡纳米敏感薄膜制备方法,其特征在于:工作气体为氩气。
4.如权利要求1或3所述的氧化锡纳米敏感薄膜制备方法,其特征在于:退火时间为1-2个小时。
5.如权利要求1所述的氧化锡纳米敏感薄膜制备方法,其特征在于:进行直流或交流磁控反应溅射。
6.如权利要求1所述的氧化锡纳米敏感薄膜制备方法,其特征在于:所述硅片的清洗和热氧化包括:
(1)把四寸n型硅片单面抛光并清洗;
(2)将清洗过的硅片氧化生成600nm的SiO2;
(3)清洗热氧化过的硅片。
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CN102061443A (zh) * | 2011-01-31 | 2011-05-18 | 华映光电股份有限公司 | 采用磁控溅射镀氧化锡膜的方法 |
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