薄膜气敏元件的研制

潘英飞

【摘 要】不同工艺薄膜气敏元件的灵敏度存在最佳灵敏度的膜厚？詛*（1000？魡～2000？魡）差异；采用复合绝缘膜Si/SiO2/Al2O3衬底；采用薄膜的粉末溅射和研制薄膜气敏元件的工艺流程。

【关键词】薄膜；气敏；研究

The processing technology of thin film gas-sensors

PAN Ying-fei

（Jinan Semiconductor Institute， Jinan Shandong 250014， China）

【Abstract】There is film thickness difference of optimal sensivity of Fillm Air-sensitive Device with different technology： Adopt compound insulating film Si/SiO2/Al2O3 substrate； Adopt the process of powder sputtering of thin film and research of thin film gas-sensors.

【Key words】Thin film； Gas sensor； Research

0 前言

气敏元件用先进的可自动化的、集成化生成的，光刻与溅射相结合的薄膜元件技术取代目前国内外流行的手工涂料，瓷管上烧结的TGS（Tagushi Gas Sensor）元件技术。气敏层在称底上的生成可用高能离子的薄膜溅射技术而有利于广泛开发基材料，同时这类薄膜元件与TGS元件相比在性能上有灵敏、快速、低功耗、小的热惯性等优点。

气敏效应有两个方面：第一，电导气敏；第二，温变气敏；因此我们开发、研制和应用的元件有两类：电导气敏元件和温变薄膜气敏元件。

温变薄膜气敏元件是一类新的还原气体气敏元件，是利用金属氧化物气敏薄膜在与还原气体反应中的放热升温现象来制作的，为了温变△trea大，灵敏，尽量增大气敏层的面积，为此我们采用了双面抛光硅片，一面加工加热器，另一面溅气敏层。

本文介绍两个内容：第一，对电导气敏薄膜的性能测试和实验的结果；第二，对电导气敏薄膜元件的研制提出工艺流程并对一些工艺作了说明。

1 薄膜气敏元件的电导气敏性能

1.1 灵敏度Sn随膜厚l的变化——存在最佳灵敏度的膜厚l*。

气敏材料灵敏度Sn被定义为：

Sn=G/G0（1）

其中G和G0各为材料在净空气中和在含还原气体的空气中的电导。

图1所示为不同材料、不同工艺气敏薄膜的灵敏度Sn随膜厚l变化的典型曲线。由图1可见，其特点为：存在最佳膜厚l*，但其值随材料、工艺而不同。下面是实验结果：

l*反应溅射ZnO酒敏薄膜：140nm粉末溅射ZnO酒敏薄膜：150nm粉末溅射SnO2/CeO2酒敏薄膜：150nm粉末溅射SnO2/Pt CO敏薄膜：80nm粉末溅射Fe2O3酒敏薄膜：90nm

由此可以说明薄膜气敏材料最佳的膜厚l*：1000A～2000A。

2 芯片架构和工艺流程

2.1 芯片结构

1.气敏层SnO2/GeO2；2.Al2O3层；3.SiO2层；4.Pt/Ti复合膜W形加热器；

5.Pt/Ti复合膜；6.键合盘

Si微电子平面技术移植到气敏传感器的研制大约（下转第137页）（上接第118页）开始于1988年[2]，其优越性在于Si片易于获得，且某些工艺（如氧化、腐蚀、光刻等）比较成熟。目前平面薄膜气敏传感器就电极与加热器的相对位置来说，有两类结构方案[3-4]；一类是横向方案，两者在同一平面上，其优点是工艺相对简单。另一类是纵向方案，两者用绝缘层（一般为SiO2）隔开，其优点是器件面积相对小，功耗小，但工艺相对复杂些。我们采用了横向方案，具体如图2所示。Si片厚0.4mm。芯片尺寸为0.4mm×0.6mm。

2.2 工艺流程

2.3 工艺说明

2.3.1 双面热氧化，双面溅Al2O3

衬底要求绝缘性能好，而Si/SiO2（5000？魡）当温度超过400℃时漏电（R<20M）；于是采用复合绝缘层Si/SiO2/Al2O3。其中SiO2是在Si上热氧化生成厚5000？魡，Al2O3（5000？魡）通过溅射在SiO2上生成，实验结果表明，这种复合绝缘层绝缘性能良好。

2.3.2 单面光刻形成Pt加热器（H）

沉积助剥膜→光刻（一次）→腐蚀→高能溅射Pt→剥离（助剥胶和光刻胶）。

2.3.3 单面（另一面）溅射气敏层

二次光刻→粉末溅射气敏层→剥离（光刻胶/氧化物）。

2.3.4 热处理

温度>500℃，时间10小时。

2.3.5 划片

在划片机上设置芯片尺寸0.4m×0.6m。

3 结论

通过三种基材料的实验，给出了薄膜电导气敏材料有下列性能：

（1）存在最佳灵敏度的膜厚l*，其值为1000？魡～2000？魡。

（2）提出了用来研制薄膜气敏元件工艺流程，并对其中一些工艺作了说明。

【参考文献】

[1]N.Taguchi U.S.Patent#3676820 Jully 11 1972[Z].

[2]D.Grisel. An integrated low-power thin film CO gas sensor on silicon[J].Sens. Actuators ，1988，13：301-313.

[3]U.Dibbern A sabstrate for thin film gas sensor in microelectronic technology[J]. Sens， Actuators B2， 1990：67-70.

[4]I Simon， N.Banson， M. Bauel et al. Micromachined metal oxide gas sensors： opportunities to improve sensor performance[J].Sens. Actuators ，2001，B 73：1～26.

[责任编辑：王楠]