JPH09196879A - Tin oxide thin film sensor for sensing hydrogen and its manufacture - Google Patents

Tin oxide thin film sensor for sensing hydrogen and its manufacture

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JPH09196879A
JPH09196879A JP34410296A JP34410296A JPH09196879A JP H09196879 A JPH09196879 A JP H09196879A JP 34410296 A JP34410296 A JP 34410296A JP 34410296 A JP34410296 A JP 34410296A JP H09196879 A JPH09196879 A JP H09196879A
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tin oxide
oxide thin
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錫 勤 高
Keichin Cho
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Shakkin So
錫 均 宋
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源 國 崔
Eishu In
英 秀 尹
Shunshoku Cho
俊 植 趙
Toshu Sai
東 洙 崔
Chinseki Zen
鎭 錫 全
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KANKOKU GAS KOSHA
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To improve the sensitivity to hydrogen by providing an insulating film existing on a semi-conductor substrate, a lower electrode existing on the insulating film, and a tin oxide thin film formed by an ion beam vapor deposition method. SOLUTION: An insulating film 102 preferably a silicon dioxide film is provided on a semi-conductor substrate 100. A lower electrode 104 preferably composed of platinum or palladium is provided on the insulating film 102. A tin oxide thin film 106 to perform a function as a sensor is spread on the electrode 104 and a portion of the insulating film 102 having no electrode 104 with thickness kept to 100-1000Å, representatively 400Å, to compose the hydrogen sensing tin oxide thin film sensor. The manufacturing method is desirably to form the insulating film 102 and the lower electrode 104 by an ion beam sputtering and the tin oxide thin film 106 by an ion beam vapor deposition method. Sputtering and vapor deposition made through ion beam are carried out under high vacuum.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、水素感知用薄膜セ
ンサおよびその製造方法に関する。さらに詳しくは、触
媒を用いずに、イオンビーム蒸着法によって製造された
酸化スズ薄膜を用いた、水素に対する優れた感度と選択
性を有する水素感知用の酸化スズ薄膜センサおよびその
製造方法に関する。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a thin film sensor for sensing hydrogen and a method for manufacturing the same. More specifically, the present invention relates to a tin oxide thin film sensor for hydrogen sensing, which uses a tin oxide thin film manufactured by an ion beam deposition method without using a catalyst and has excellent sensitivity and selectivity to hydrogen, and a method for manufacturing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】水素のような還元性ガスの感知用センサ
として、酸化スズ(SnO2)のような酸化物を、塊状ま
たは厚膜状に成形したものが使用されている。しかし、
これらは、粉末状の原料物質を加圧して成形した後、高
温で熱処理して焼結体にする必要があり、大量生産に適
さないばかりでなく、薄膜状のセンサに比べて、対象ガ
スに対する感度も低い。
2. Description of the Related Art As a sensor for detecting a reducing gas such as hydrogen, an oxide such as tin oxide (SnO 2 ) formed into a lump or a thick film is used. But,
These are not suitable for mass production because they need to be pressed into a powdery raw material and then heat-treated at a high temperature to form a sintered body. The sensitivity is also low.

【0003】数百〜数千Å程度の厚さを有する薄膜セン
サは、一般に感度、再現性および生産性が優れ、電力消
費量が低いうえに、原価的にも有利である。しかしなが
ら、水素の感知に適用し得る薄膜センサは、まだ発表さ
れていない。
A thin film sensor having a thickness of several hundred to several thousand liters is generally excellent in sensitivity, reproducibility and productivity, has low power consumption, and is advantageous in cost. However, a thin film sensor applicable to hydrogen sensing has not yet been announced.

【0004】酸化スズ薄膜に白金またはパラジウムを添
加して、センサとしての感度を増加させる方法が研究さ
れている。このような研究は、物理的スパッタリングま
たはCVDによって薄膜を作製しているために、該薄膜
の厚さ、方向性、結晶度、密度および超微細気孔などを
調節することが極めて難しく、その製造工程も極めて煩
雑である。
A method of adding platinum or palladium to a tin oxide thin film to increase the sensitivity as a sensor has been studied. In such studies, it is extremely difficult to control the thickness, orientation, crystallinity, density and ultrafine pores of the thin film because the thin film is produced by physical sputtering or CVD. Is extremely complicated.

【0005】一方、イオンビームを用いて、金属、半導
体および酸化物に、高品位で高密度の薄膜を形成し得る
ことが、本発明者らによって開示されている(S.K. Koh
ら,JVST-A 13 巻 4号, 2123-2127 (1995)参照)。
On the other hand, it has been disclosed by the present inventors that an ion beam can be used to form a high quality and high density thin film on a metal, a semiconductor and an oxide (SK Koh.
JVST-A Vol. 13, No. 4, 2123-2127 (1995)).

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、水素
に対する高い感度、選択性および再現性を有し、電力損
失が少なく、かつ大量生産に適する、薄膜型の水素感知
用センサ、およびその製造方法を提供することである。
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a thin film type hydrogen sensing sensor having high sensitivity, selectivity and reproducibility to hydrogen, low power loss, and suitable for mass production. It is to provide a manufacturing method.

【0007】[0007]

【発明を解決するための手段】本発明者らは、メタルガ
ンを用いて金属スズ(Sn)を蒸発させ、同時にガスイ
オンガンにより、酸素にエネルギーを加えてイオン化
し、基材表面で反応させて、室温で酸化スズ(SnO2)
蒸着薄膜を得ることを見出し(S.K. Kohら, Environmen
t Ungyong Mulli, 7巻 2号, 246-252 (1996)参照)、さ
らにこれを本発明の目的に適用し得ることを見出して、
本発明を完成するに至った。
The inventors of the present invention evaporate metallic tin (Sn) by using a metal gun, and at the same time, add energy to oxygen to ionize it by a gas ion gun to cause reaction on the surface of a substrate, Tin oxide (SnO 2 ) at room temperature
It was found to obtain vapor-deposited thin films (SK Koh et al., Environmen
t Ungyong Mulli, Vol. 7, No. 2, 246-252 (1996)), and further finding that this can be applied to the purpose of the present invention,
The present invention has been completed.

【0008】すなわち、本発明の水素感知用酸化スズ薄
膜センサは、半導体基板、該基板上に存在する絶縁膜、
該絶縁膜上に所定の間隔を隔てて存在する下部電極、な
らびに該下部電極および前記絶縁膜上に存在する酸化ス
ズ薄膜を含むか;または、半導体基板、該基板上に存在
する絶縁膜、該絶縁膜上に存在する酸化スズ薄膜、およ
び該酸化スズ薄膜状に所定の間隔を隔てて存在する上部
電極を含むことを特徴とする。また、その製造方法は、
半導体基板上に、絶縁膜を形成する工程;該絶縁膜上
に、所定の間隔を隔てて下部電極を形成する工程;なら
びに該下部電極および前記絶縁膜上にイオン蒸着を施し
て酸化スズ薄膜を形成する工程を順次行うか;または、
半導体基板上に、絶縁膜を形成する工程;該絶縁膜上に
酸化スズ薄膜を形成する工程;および該酸化スズ薄膜上
に、所定の間隔を隔てて上部電極を形成する工程を順次
行うことを特徴とする。
That is, the tin oxide thin film sensor for hydrogen sensing of the present invention comprises a semiconductor substrate, an insulating film existing on the substrate,
A lower electrode that is present on the insulating film at a predetermined distance, and a tin oxide thin film that is present on the lower electrode and the insulating film; or a semiconductor substrate, an insulating film that is present on the substrate, It is characterized by including a tin oxide thin film existing on the insulating film, and an upper electrode existing at a predetermined interval in the tin oxide thin film. Also, the manufacturing method is
A step of forming an insulating film on a semiconductor substrate; a step of forming a lower electrode on the insulating film at a predetermined interval; and an ion deposition on the lower electrode and the insulating film to form a tin oxide thin film. Forming steps sequentially; or
A step of forming an insulating film on a semiconductor substrate; a step of forming a tin oxide thin film on the insulating film; and a step of forming an upper electrode on the tin oxide thin film at a predetermined interval. Characterize.

【0009】[0009]

【発明の実施の形態】以下、図1〜3によって、本発明
の水素感知用酸化スズ薄膜センサの構造を、より詳細に
説明する。図1は、該センサの電極の代表例を示す平面
図、図2は、製造された酸化スズ薄膜センサの第1の実
施形態を示す断面図、図3は、製造された酸化スズ薄膜
センサの第2の実施形態を示す断面図である。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, the structure of the tin oxide thin film sensor for hydrogen sensing of the present invention will be described in more detail with reference to FIGS. FIG. 1 is a plan view showing a typical example of electrodes of the sensor, FIG. 2 is a sectional view showing a first embodiment of a manufactured tin oxide thin film sensor, and FIG. 3 is a manufactured tin oxide thin film sensor. It is sectional drawing which shows 2nd Embodiment.

【0010】本発明の第1の実施形態においては、図2
に示すように、半導体基板(100)、好ましくはシリ
コン基板上に、好ましくは0.1〜2μm 、代表的には
1μm の厚さの絶縁膜(102)、好ましくは二酸化ケ
イ素(SiO2)膜が存在する。該絶縁膜(102)上
に、好ましくは白金またはパラジウムからなる下部電極
(104)が、好ましくは300Å〜1μm 、代表的に
は600Åの厚さで存在し、該電極上および絶縁層の該
電極が存在しない部位の上に、センサの機能を果たす酸
化スズ(SnO2)薄膜(106)が、好ましくは100
〜1,000Å、代表的には400Åの厚さで存在し
て、水素感知用酸化スズ薄膜センサを構成する。
In the first embodiment of the present invention, FIG.
On a semiconductor substrate (100), preferably a silicon substrate, an insulating film (102) having a thickness of preferably 0.1 to 2 μm, typically 1 μm, preferably a silicon dioxide (SiO 2 ) film, as shown in FIG. Exists. A lower electrode (104), preferably made of platinum or palladium, is present on the insulating film (102) with a thickness of preferably 300Å to 1 μm, typically 600Å, and the lower electrode (104) on the electrode and the insulating layer is formed. A tin oxide (SnO 2 ) thin film (106), which functions as a sensor, is preferably formed on the portion where 100 μm is absent.
It exists at a thickness of ~ 1,000Å, typically 400Å, and constitutes a tin oxide thin film sensor for hydrogen sensing.

【0011】本発明の第2の実施形態においては、図3
に示すように、半導体基板(100)上に、絶縁膜(1
02)、酸化スズ薄膜(106)および上部電極(10
4)がその順序に存在して、水素感知用酸化スズ薄膜セ
ンサを構成する。各部分の材質、好ましい厚さおよび代
表的な厚さは、第1の実施形態と同様で、電極が酸化ス
ズ薄膜の上に存在している点のみが、第1の実施形態と
相違する。
In a second embodiment of the invention, FIG.
As shown in, an insulating film (1
02), tin oxide thin film (106) and upper electrode (10)
4) are present in that order to form a tin oxide thin film sensor for hydrogen sensing. The material, preferable thickness, and typical thickness of each portion are the same as those in the first embodiment, and are different from the first embodiment only in that the electrodes are present on the tin oxide thin film.

【0012】本発明の水素感知用酸化スズ薄膜センサの
製造方法においては、上述の第1または第2の実施形態
の順序により、好ましくは絶縁膜および上部電極または
下部電極をイオンビームスパッタリングにより、また酸
化スズ薄膜をイオンビーム蒸着法によって形成する。
In the method for manufacturing a tin oxide thin film sensor for sensing hydrogen according to the present invention, the insulating film and the upper electrode or the lower electrode are preferably formed by ion beam sputtering according to the order of the first or second embodiment described above. A tin oxide thin film is formed by the ion beam evaporation method.

【0013】これらのイオンビームによるスパッタリン
グおよび蒸着は、好ましくは10-4〜10-7Torr、さら
に好ましくは10-5〜10-6Torrの高真空で行われる。
温度変化に対して電気抵抗の傾斜が小さく、安定なセン
サ特性を有する酸化スズ薄膜を得るためには、イオンビ
ーム蒸着の際の酸素イオンのエネルギーは、0〜100
eVの範囲が好ましく、0eVが特に好ましい。さらに、こ
のような条件によって形成されるセンサの構造は、第2
の実施形態による上部電極を用いることが好ましく、該
上部電極が白金電極であることが特に好ましい。
These ion beam sputtering and vapor deposition are preferably carried out in a high vacuum of 10 -4 to 10 -7 Torr, more preferably 10 -5 to 10 -6 Torr.
In order to obtain a tin oxide thin film having a small slope of electric resistance with respect to temperature change and having stable sensor characteristics, the energy of oxygen ions during ion beam deposition is 0 to 100.
The range of eV is preferred and 0 eV is particularly preferred. Further, the structure of the sensor formed by such a condition is
It is preferable to use the upper electrode according to the embodiment of the present invention, and it is particularly preferable that the upper electrode is a platinum electrode.

【0014】通常、薄膜型センサを製造する場合、イオ
ンビームを施すと、低温領域下で、金属、半導体、およ
び酸化物にわたる各種物質の高品位、高密度の薄膜を製
造し得ることが知られている。
It is generally known that, when a thin film type sensor is manufactured, an ion beam can be applied to manufacture a high quality and high density thin film of various substances including metals, semiconductors and oxides in a low temperature region. ing.

【0015】本発明において、酸化スズ薄膜を製造する
ために用いられる製造装備としては、既存のイオン化さ
れたクラスタビーム(以下、ICBという)をイオン源
とするメタルガンと、冷中空陰極形態のガスイオンガン
を装着したハイブリッドイオンビーム源とが挙げられ
る。
In the present invention, the manufacturing equipment used to manufacture the tin oxide thin film includes a metal gun using an existing ionized cluster beam (hereinafter referred to as ICB) as an ion source, and a cold hollow cathode type gas ion gun. And a hybrid ion beam source equipped with.

【0016】該ガスイオンガンは、イオン化されたガス
イオンのエネルギーおよび電流密度を調節して、薄膜の
結晶性とは異なる多様な電気的および光学的性質を幅広
く調節し得るという長所があり、ICBの場合は、蒸着
物質の損失が少なく、高品質の薄膜を製造し得るという
長所がある。
The gas ion gun has the advantage that the energy and current density of ionized gas ions can be adjusted to widely adjust various electrical and optical properties different from the crystallinity of the thin film. In this case, there is an advantage that a thin film of high quality can be manufactured with less loss of deposition material.

【0017】さらに詳しく説明すると、まず、該ガスイ
オンガンは、たとえば5cmのグリッドが装着された冷中
空陰極の形態であって、代表的には、ガスイオンガンか
ら45cm程度離れた距離で、±20°の角度の範囲のイ
オン電流密度の均一性が90%であるブロードなイオン
源であり、放電電流および加速電圧を変化させてビーム
プロファイルを調節し、イオンを2kVまで加速し得るよ
うになっている。
More specifically, first, the gas ion gun is in the form of a cold hollow cathode equipped with a grid of, for example, 5 cm, and is typically ± 20 ° at a distance of about 45 cm from the gas ion gun. It is a broad ion source with 90% uniformity of ion current density in the range of the angle. It is possible to adjust the beam profile by changing the discharge current and the accelerating voltage and accelerate the ions to 2 kV. .

【0018】一方、該ICB源としては、たとえば加速
電極が3cmの直径を有する円筒状の形態であって、代表
的には、クラスタが発生するるつぼのノズルから45cm
離れた距離で50%のイオン電流密度を有するように、
基板を装着することが好ましい。
On the other hand, as the ICB source, for example, the accelerating electrode has a cylindrical shape having a diameter of 3 cm, and typically 45 cm from a crucible nozzle where clusters are generated.
To have an ion current density of 50% at a distance,
It is preferable to mount a substrate.

【0019】前述にようにして形成された酸化スズ薄膜
センサは、ドーピングを施さなくても有効に使用できる
が、さらにその電気的および化学的特性と、水素に対す
る感度とを向上させるために、ドーピングを施してもよ
い。ドーピングは、該酸化スズ薄膜をベースに、たとえ
ば、パラジウム、白金、銀およびアルミニウムから選ば
れる少なくとも1種の金属をドーパントとして注入する
ことによって行うことができる。
The tin oxide thin film sensor formed as described above can be effectively used without doping, but in order to further improve its electrical and chemical properties and sensitivity to hydrogen, doping May be given. Doping can be performed by implanting at least one metal selected from palladium, platinum, silver and aluminum as a dopant on the basis of the tin oxide thin film.

【0020】第1または第2の実施形態によって形成さ
れた酸化スズ薄膜センサの熱安定性の向上を図るため
に、該薄膜センサを空気中、好ましくは600℃以下、
さらに好ましくは300〜600℃、代表的には500
℃の温度で、好ましくは10分〜2時間、代表的には1
時間の熱処理を施してもよい。熱処理温度が600℃を
越えると、薄膜が完全にSnO2 となって結晶の欠陥が
なくなり、また結晶粒度が大きくなるため、対象ガスに
対する反応性が低下し、感度が低下する。
In order to improve the thermal stability of the tin oxide thin film sensor formed according to the first or second embodiment, the thin film sensor is placed in air, preferably at 600 ° C. or lower,
More preferably 300 to 600 ° C., typically 500
At a temperature of ℃, preferably 10 minutes to 2 hours, typically 1
Heat treatment may be performed for a time. When the heat treatment temperature exceeds 600 ° C., the thin film becomes SnO 2 completely, crystal defects disappear, and the crystal grain size increases, so that the reactivity with respect to the target gas decreases and the sensitivity decreases.

【0021】[0021]

【発明の効果】本発明によって提供される水素感知用酸
化スズ薄膜センサは、優れた酸化スズ薄膜および白金電
極またはパラジウム電極を備え、ドーピングまたは触媒
を施さずに、純粋な酸化スズ薄膜だけで用いても、水素
に対する電気的感度が高く、選択性と再現性が優れるな
ど、優秀なセンサ特性を有する。さらに、本発明の水素
感知用酸化スズ薄膜センサの製造方法は、大量生産に適
し、優れた生産性で、上記の酸化スズ薄膜センサを提供
できる。
The tin oxide thin film sensor for hydrogen sensing provided by the present invention comprises an excellent tin oxide thin film and a platinum electrode or a palladium electrode, and is used as a pure tin oxide thin film without doping or catalysis. However, it has excellent sensor characteristics such as high electrical sensitivity to hydrogen, excellent selectivity and reproducibility. Furthermore, the method for producing a tin oxide thin film sensor for hydrogen sensing of the present invention is suitable for mass production and can provide the above tin oxide thin film sensor with excellent productivity.

【0022】[0022]

【実施例】以下、実施例によって、本発明をさらに詳細
に説明する。本発明は、これらの実施例によって限定さ
れるものではない。
The present invention will be described in more detail with reference to the following examples. The present invention is not limited by these examples.

【0023】作製した水素感知用センサの、それぞれの
測定対象ガスに対する感度は、空気中および所定濃度の
対象ガス中の電気抵抗率を測定することにより、式
(I)によって算出した。
The sensitivities of the produced hydrogen sensing sensors to the respective target gases to be measured were calculated by the formula (I) by measuring the electric resistivity in air and in the target gas having a predetermined concentration.

【数1】 式中、Ra :空気中のセンサの電気抵抗率 Rg :測定対象ガスを含む空気中のセンサの電気抵抗率[Equation 1] Where R a is the electrical resistivity of the sensor in air R g is the electrical resistivity of the sensor in air containing the gas to be measured

【0024】センサの選択性は、各種のガスに対するセ
ンサの感度を比較することによって評価した。
The selectivity of the sensor was evaluated by comparing the sensitivity of the sensor to various gases.

【0025】実施例1 10mm×5mmのSi基板上に、10-6Torrの高真空で、
アルゴンと酸素の容量比3:2の混合ガス中でSiO2
をターゲットとしたイオンビームスパッタリングを行っ
て、厚さ1μm のSiO2 絶縁層を設けた。次に、該絶
縁層に、図1に示すパターンの、幅および間隔がいずれ
も0.5mmの電極を形成するようにスクリーンして、A
rイオンビームスパッタリングにより、白金を厚さ60
0Åに蒸着して下部電極とした。
Example 1 On a Si substrate of 10 mm × 5 mm, with a high vacuum of 10 −6 Torr,
SiO 2 in a mixed gas with a volume ratio of argon and oxygen of 3: 2
Was carried out by ion beam sputtering to form a SiO 2 insulating layer having a thickness of 1 μm. Next, a screen was formed on the insulating layer so as to form electrodes having a pattern shown in FIG.
The thickness of platinum is 60 by r-ion beam sputtering.
It was vapor-deposited on 0Å to make a lower electrode.

【0026】ついで、ガスイオンガンにより、酸素をイ
オン化してイオンビームエネルギー(Vi)をそれぞれ
0、300、500または1,000eVとして、ICB
るつぼに収容した純度99.995%以上のSnを照射
して蒸発させ、下部電極上、およびSiO2 絶縁層の該
下部電極を形成しなかった部位の上に、厚さ400Åの
酸化スズ薄膜を蒸着させた。この積層体を取り出して、
空気中において、500℃で1時間の熱処理を行い、断
面を図2に示す水素感知用センサを作製した。
Then, by a gas ion gun, oxygen is ionized to set the ion beam energy (Vi) to 0, 300, 500 or 1,000 eV, respectively, and ICB
A tin oxide thin film having a thickness of 400 Å is deposited on the lower electrode and on the portion of the SiO 2 insulating layer where the lower electrode is not formed by irradiating and vaporizing Sn having a purity of 99.995% or more contained in the crucible. It was vapor-deposited. Take out this stack,
A heat treatment was performed in air at 500 ° C. for 1 hour to produce a hydrogen sensing sensor whose cross section is shown in FIG.

【0027】このようにして得られた、下部電極として
白金を用い、酸化スズ薄膜を形成させる際のイオンビー
ムエネルギーを変化させて作製された4個の水素感知用
センサについて、電気抵抗を測定した。
The electrical resistance was measured for the four hydrogen sensing sensors thus obtained, which were prepared by using platinum as the lower electrode and changing the ion beam energy when the tin oxide thin film was formed. .

【0028】図4は、温度による電気抵抗の変化を示し
たものである。図4から、酸素イオンエネルギーが0eV
のときに、温度の変化に対する電気抵抗の傾斜が特に小
さく、安定した特性を表し、活性化エネルギーが極めて
低いことが明瞭である。
FIG. 4 shows changes in electric resistance with temperature. From Fig. 4, the oxygen ion energy is 0 eV.
At this time, the slope of the electric resistance with respect to the change in temperature is particularly small, which shows stable characteristics, and it is clear that the activation energy is extremely low.

【0029】実施例2 酸化スズ薄膜を形成させる際のイオンビームエネルギー
を300eVとしたほかは、各成分を形成させる条件を実
施例1と同様にし、電極の形成位置と電極物質を下記の
ように変えて、得られた3個のセンサの、温度による電
気抵抗の変化を比較した。 (1) 白金下部電極(第1の実施形態) (2) 白金上部電極(第2の実施形態) (3) パラジウム上部電極(第2の実施形態)
Example 2 The conditions for forming each component were the same as in Example 1 except that the ion beam energy for forming the tin oxide thin film was 300 eV, and the electrode formation position and the electrode material were as follows. Instead, the changes in the electrical resistances of the three obtained sensors with temperature were compared. (1) Platinum lower electrode (first embodiment) (2) Platinum upper electrode (second embodiment) (3) Palladium upper electrode (second embodiment)

【0030】その結果を図5に示す。図5から明らかな
ように、酸素イオンのエネルギーが300eVの場合、セ
ンサの構造は、図3に示す上部電極の形態がよく、該構
造において電極物質に白金を用いるのが最も好ましい。
FIG. 5 shows the result. As is clear from FIG. 5, when the energy of oxygen ions is 300 eV, the structure of the sensor is preferably in the form of the upper electrode shown in FIG. 3, and platinum is most preferably used as the electrode material in the structure.

【0031】実施例3 酸化スズ薄膜を形成させる際のイオンビームエネルギー
を0eVとし、第2の実施形態による白金上部電極を形成
させる方法によったほかは、各成分を形成させる条件を
実施例1と同様にして、酸化スズ薄膜を有するセンサを
作製した。このセンサを用いて、感知試験を行った。
Example 3 In addition to the method of forming the platinum upper electrode according to the second embodiment by setting the ion beam energy at the time of forming the tin oxide thin film to 0 eV, the conditions for forming each component are described in Example 1. A sensor having a tin oxide thin film was prepared in the same manner as in. A sensing test was conducted using this sensor.

【0032】水素、プロパンまたはメタンをそれぞれ
3,000ppm 含有する空気を用いて、それぞれの還元
性ガスについて、測定温度100〜500℃の範囲で感
度を測定した。
The sensitivity of each reducing gas was measured at a measuring temperature of 100 to 500 ° C. using air containing 3,000 ppm of hydrogen, propane or methane, respectively.

【0033】その結果を図6に示す。図6から明らかな
ように、プロパンは250℃、メタンは450℃までの
温度では感度が低く、それらの温度を越えると感度が急
に上昇して、500℃においてプロパンは47.33
%、メタンは21.23%の感度を示した。それに比べ
て水素は、センサ用薄膜として純粋な酸化スズを用い、
ドーピングなどを行わなかったのに、全温度領域におい
て99.3%以上の感度を示した。
The results are shown in FIG. As is clear from FIG. 6, propane has a low sensitivity up to 250 ° C. and methane has a low sensitivity up to 450 ° C., and the sensitivity sharply rises above these temperatures, and at 500 ° C., propane is 47.33.
%, Methane showed a sensitivity of 21.23%. In comparison, hydrogen uses pure tin oxide as a thin film for sensors,
Although no doping was performed, the sensitivity was 99.3% or more in the entire temperature range.

【0034】次に、測定温度150℃または250℃に
おいて、空気中の水素濃度を100〜5,000ppm の
間で変化させて、感度を測定した。その結果を図7に示
す。いずれの温度においても、高濃度ほど感度が高かっ
た。測定温度250℃において、特に好適な特性を示
し、微細濃度における測定も可能であった。
Next, at a measuring temperature of 150 ° C. or 250 ° C., the hydrogen concentration in the air was changed between 100 and 5,000 ppm, and the sensitivity was measured. FIG. 7 shows the result. At any temperature, the higher the concentration, the higher the sensitivity. At the measurement temperature of 250 ° C., particularly suitable characteristics were exhibited, and measurement at a fine concentration was also possible.

【0035】測定温度250℃において、水素濃度を1
00〜5,000ppm の範囲で段階的に上げ、5,00
0ppm から空気に戻した時の出力電圧の変化を図8に示
す。図8に、濃度を切り替えた際の応答時間(単位、
秒)および空気に戻した時の回復時間(単位、秒)を示
す。濃度により確実に区別される応答特性は、11秒以
内で優れており、回復特性は、4秒の速い回復時間を示
した。
At the measurement temperature of 250 ° C., the hydrogen concentration is set to 1
Gradual increase in the range of 00 to 5,000 ppm
Fig. 8 shows the change in output voltage when returning from 0ppm to air. FIG. 8 shows the response time (unit:
Seconds) and recovery time (unit: seconds) when returned to air. The response characteristics reliably distinguished by the concentration were excellent within 11 seconds, and the recovery characteristics showed a fast recovery time of 4 seconds.

【0036】水素濃度500ppm において、測定温度を
変化させながら、応答/回復特性を調査した結果を図9
および表1に示す。温度が高いほど速い応答/回復時間
を示し、250℃において、産業用に使用可能な限界で
ある20秒よりも短い、応答時間12秒および回復時間
2秒を示した。
FIG. 9 shows the results of investigation of response / recovery characteristics at a hydrogen concentration of 500 ppm while changing the measurement temperature.
And shown in Table 1. Higher temperatures showed faster response / recovery times, with a response time of 12 seconds and a recovery time of 2 seconds at 250 ° C., which was shorter than the industrially usable limit of 20 seconds.

【0037】[0037]

【表1】 [Table 1]

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の水素感知用酸化スズ薄膜センサの電極
の、代表的な平面図である。
FIG. 1 is a representative plan view of electrodes of a tin oxide thin film sensor for sensing hydrogen according to the present invention.

【図2】本発明の第1の実施形態による水素感知用酸化
スズ薄膜センサの構造を示す断面図である。
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a structure of a tin oxide thin film sensor for sensing hydrogen according to the first embodiment of the present invention.

【図3】本発明の第2の実施形態による水素感知用酸化
スズ薄膜センサの構造を示す断面図である。
FIG. 3 is a cross-sectional view showing the structure of a tin oxide thin film sensor for hydrogen sensing according to a second embodiment of the present invention.

【図4】本発明の白金下部電極を有するセンサの温度−
電気抵抗特性を示すグラフである。
FIG. 4 is a temperature of a sensor having a platinum lower electrode of the present invention-
It is a graph which shows an electric resistance characteristic.

【図5】電極位置および電極物質を変化させたセンサの
温度−電気抵抗特性を比較したグラフである。
FIG. 5 is a graph comparing the temperature-electrical resistance characteristics of sensors with different electrode positions and electrode materials.

【図6】酸素イオンエネルギー0eVで酸化スズ薄膜を形
成させ、白金上部電極を有するセンサの、水素、プロパ
ンおよびメタンに対する温度−感度特性を示すグラフで
ある。
FIG. 6 is a graph showing temperature-sensitivity characteristics of a sensor having a platinum upper electrode on which a tin oxide thin film is formed with oxygen ion energy of 0 eV, to hydrogen, propane, and methane.

【図7】酸素イオンエネルギー0eVで酸化スズ薄膜を形
成させ、白金上部電極を有するセンサの、水素濃度−感
度特性を示すグラフである。
FIG. 7 is a graph showing hydrogen concentration-sensitivity characteristics of a sensor having a platinum upper electrode on which a tin oxide thin film is formed with oxygen ion energy of 0 eV.

【図8】酸素イオンエネルギー0eVで酸化スズ薄膜を形
成させ、白金上部電極を有するセンサの、水素濃度−出
力電圧特性を示すグラフである。
FIG. 8 is a graph showing hydrogen concentration-output voltage characteristics of a sensor having a platinum upper electrode on which a tin oxide thin film is formed with oxygen ion energy of 0 eV.

【図9】酸素イオンエネルギー0eVで酸化スズ薄膜を形
成させ、白金上部電極を有するセンサの、各温度におけ
る応答/回復特性を示すグラフである。
FIG. 9 is a graph showing the response / recovery characteristics at various temperatures of a sensor having a platinum upper electrode on which a tin oxide thin film was formed with oxygen ion energy of 0 eV.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

100 半導体基板 102 絶縁膜 104 電極 106 酸化スズ薄膜 100 Semiconductor Substrate 102 Insulating Film 104 Electrode 106 Tin Oxide Thin Film

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 崔 源 國 大韓民国ソウル特別市陽川区木5洞903番 地 新市街地アパート303−1202 (72)発明者 尹 英 秀 大韓民国京畿道果川市別陽洞6番地 住公 アパート501−507 (72)発明者 趙 俊 植 大韓民国仁川廣域市南区朱安6洞1004−18 番地7/5 (72)発明者 崔 東 洙 大韓民国京畿道安山市高殘2洞670番地 住公アパート706−402 (72)発明者 全 鎭 錫 大韓民国京畿道安山市月彼洞440−19 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Choi Yuan-guk, New Town Apartment, 903 No. 5 Dong-gu, Yangcheon-gu, Seoul, Republic of Korea 303-1202 (72) Inventor, Yin Xu, Bei-dong 6, Gwacheon, Gyeonggi-do, Republic of Korea No. Sumiko Apartment 501-507 (72) Inventor Zhao Shun Ue 100-4-18, Juan An, South-gu, Incheon-gu, Incheon, Republic of Korea 7/4 (72) Inventor Choi Dong-soo 2 Takagatsu, Ansan City, Gyeonggi-do, Republic of Korea 670, Dong-dong Sungkook Apartment 706-402 (72) Inventor All Jin-suk 440-19, Tsukiji-dong, Ansan-si, Gyeonggi-do, Republic of Korea

Claims (18)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 半導体基板、該基板状に存在する絶縁
膜、該絶縁膜上に所定の間隔を隔てて存在する下部電
極、ならびに該下部電極および前記絶縁膜上に存在する
酸化スズ薄膜を含むことを特徴とする水素感知用酸化ス
ズ薄膜センサ。
1. A semiconductor substrate, an insulating film existing on the substrate, a lower electrode existing on the insulating film at a predetermined distance, and a tin oxide thin film existing on the lower electrode and the insulating film. A tin oxide thin film sensor for sensing hydrogen, which is characterized in that
【請求項2】 前記下部電極が、白金またはパラジウム
である、請求項1記載の水素感知用酸化スズ薄膜セン
サ。
2. The tin oxide thin film sensor for sensing hydrogen according to claim 1, wherein the lower electrode is platinum or palladium.
【請求項3】 前記下部電極の厚さが、300Å〜1μ
m である、請求項1記載の水素感知用酸化スズ薄膜セン
サ。
3. The lower electrode has a thickness of 300Å to 1 μm.
The tin oxide thin film sensor for sensing hydrogen according to claim 1, which is m 2.
【請求項4】 半導体基板、該基板上に存在する絶縁
膜、該絶縁膜上に存在する酸化スズ薄膜、および該酸化
スズ薄膜上に所定の間隔を隔てて存在する上部電極を含
むことを特徴とする水素感知用酸化スズ薄膜センサ。
4. A semiconductor substrate, an insulating film existing on the substrate, a tin oxide thin film existing on the insulating film, and an upper electrode existing on the tin oxide thin film at a predetermined interval. And a tin oxide thin film sensor for hydrogen sensing.
【請求項5】 前記上部電極が、白金またはパラジウム
である、請求項4記載の水素感知用酸化スズ薄膜セン
サ。
5. The tin oxide thin film sensor for sensing hydrogen according to claim 4, wherein the upper electrode is platinum or palladium.
【請求項6】 前記上部電極が、白金である、請求項5
記載の水素感知用酸化スズ薄膜センサ。
6. The upper electrode is platinum, as recited in claim 5.
A tin oxide thin film sensor for hydrogen sensing as described.
【請求項7】 前記上部電極の厚さが、300Å〜1μ
m である、請求項4記載の水素ガス感知用酸化スズ薄膜
センサ。
7. The upper electrode has a thickness of 300Å to 1 μm.
The tin oxide thin film sensor according to claim 4, wherein the tin oxide thin film sensor has m 2.
【請求項8】 前記絶縁膜の厚さが、0.1〜2μm で
ある、請求項1または4記載の水素感知用酸化スズ薄膜
センサ。
8. The tin oxide thin film sensor for sensing hydrogen according to claim 1, wherein the insulating film has a thickness of 0.1 to 2 μm.
【請求項9】 前記酸化スズ薄膜の厚さが、100〜
1,000Åである、請求項1または4記載の水素感知
用酸化スズ薄膜センサ。
9. The tin oxide thin film has a thickness of 100 to 100 nm.
The tin oxide thin film sensor for hydrogen sensing according to claim 1 or 4, which has a thickness of 1,000 Å.
【請求項10】 半導体基板上に、絶縁膜を形成する工
程;該絶縁膜上に、所定の間隔を隔てて下部電極を形成
する工程;ならびに該下部電極および前記絶縁膜上にイ
オン蒸着を施して酸化スズ薄膜を形成する工程を順次行
うことを特徴とする水素感知用酸化スズ薄膜センサの製
造方法。
10. A step of forming an insulating film on a semiconductor substrate; a step of forming a lower electrode on the insulating film at a predetermined interval; and ion deposition on the lower electrode and the insulating film. A method for manufacturing a tin oxide thin film sensor for hydrogen sensing, which comprises sequentially performing a step of forming a tin oxide thin film by means of the following method.
【請求項11】 前記下部電極を、イオンビームスパッ
タリング法を用いて形成する、請求項10記載の製造方
法。
11. The manufacturing method according to claim 10, wherein the lower electrode is formed by using an ion beam sputtering method.
【請求項12】 半導体基板上に、絶縁膜を形成する工
程;該絶縁膜上に酸化スズ薄膜を形成する工程;および
該酸化スズ薄膜上に、所定の間隔を隔てて上部電極を形
成する工程を順次行うことを特徴とする水素感知用酸化
スズ薄膜センサの製造方法。
12. A step of forming an insulating film on a semiconductor substrate; a step of forming a tin oxide thin film on the insulating film; and a step of forming an upper electrode on the tin oxide thin film at a predetermined interval. A method for manufacturing a tin oxide thin film sensor for hydrogen sensing, which comprises sequentially performing the steps.
【請求項13】 前記上部電極を、イオンビームスパッ
タリング法を用いて形成する、請求項12記載の製造方
法。
13. The manufacturing method according to claim 12, wherein the upper electrode is formed by using an ion beam sputtering method.
【請求項14】 前記酸化スズ薄膜を、高真空下で、ス
ズをイオンクラストビームソースにより蒸着しながら、
冷中空陰極タイプのイオンガンを用いて酸素をイオン化
させた後、試料の表面に照射して形成する、請求項10
または12記載の製造方法。
14. The tin oxide thin film is deposited under high vacuum while tin is deposited by an ion crust beam source,
11. The surface of a sample is irradiated with oxygen after ionizing oxygen using a cold hollow cathode type ion gun, and formed.
Or the manufacturing method according to 12.
【請求項15】 前記酸化スズ薄膜を、前記酸素イオン
のエネルギーが0〜100eVの状態で形成する、請求項
14記載の製造方法。
15. The method according to claim 14, wherein the tin oxide thin film is formed in a state where the energy of the oxygen ions is 0 to 100 eV.
【請求項16】 前記酸化スズ薄膜を形成した後、さら
に、空気中、600℃以下の温度で熱処理を施す工程を
追加する、請求項10たは12記載の製造方法。
16. The manufacturing method according to claim 10, further comprising a step of performing heat treatment in air at a temperature of 600 ° C. or lower after forming the tin oxide thin film.
【請求項17】 前記酸化スズ薄膜を形成した後、さら
に、該薄膜にドーパントを注入させる工程を行う、請求
項10または12記載の製造方法。
17. The manufacturing method according to claim 10, wherein after the tin oxide thin film is formed, a step of injecting a dopant into the thin film is further performed.
【請求項18】 前記ドーパントが、白金、パラジウ
ム、銀およびアルミニウムから選ばれる、請求項10ま
たは12記載の製造方法。
18. The method according to claim 10, wherein the dopant is selected from platinum, palladium, silver and aluminum.
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