CC BY
60
Исследование процессов получения пленок на сапфире для газочувствительных датчиков
Ю.В. Клунникова
Южный федеральный университет, Институт нанотехнологий, электроники и приборостроения, Таганрог
Аннотация: В статье представлены разработанные автором технологические маршруты формирования пленок на поверхности сапфира для газочувствительных датчиков с использованием лазерного излучения длиной волны 1064 нм. Определено, что лазерное излучение позволяет повысить производительность при изготовлении газочувствительных элементов, модифицировать кристаллическую и дефектную структуру материалов, повысить качество оксидной пленки, воспроизводимость параметров пленки и их стабильность.
Ключевые слова: сапфир, пленка, газочувствительный датчик, лазерное излучение, чувствительный элемент, технологический маршрут, полупроводниковые материалы.
Спрос на портативные газовые датчики в настоящее время сильно вырос в связи с необходимостью их использования в различных областях техники (для предотвращения взрывов и пожаров, при работе с взрывоопасными и ядовитыми газами), а также для мониторинга экологической обстановки в крупных городах.
Оксидные пленки ТЮ2, Мп02, Бе203 в качестве чувствительного материала наиболее популярны из-за технологичности и низкой стоимости, высокой химической стабильности, механической прочности, высокой адгезии к сапфиру и т.д. Подложки сапфира обладают комплексом определенных физических свойств (высокая температура плавления, химическая и радиационная стойкость, высокая твердость и прозрачность) и благодаря чему они находят широкое применение для газового сенсора. Полупроводниковые газовые детекторы характеризуются малыми размерами, высокой чувствительностью и надежностью [1-3].
Благодаря выгодному отношению поверхности материала к объему тонкие пленки окислов металлов наиболее пригодны для изготовления сенсоров. При создании тонкопленочных сенсоров могут быть использованы
основные технологические методы микроэлектроники: вакуумное напыление и фотолитография. Применение более совершенных технологий способствует повышению производительности при изготовлении газочувствительного элемента, уменьшению его размеров и потребляемой мощности [4-11].
Применение лазерного излучения для получения тонких пленок на поверхности подложки способствует повышению производительности при изготовлении газочувствительного элемента, воспроизводимости параметров пленки и их стабильности, повышению качества окисла. Малая продолжительность лазерного отжига пленок на поверхности подложки исключает необходимость обеспечения вакуумных условий или специальной инертной атмосферы для предотвращения загрязнения поверхности нежелательными неконтролируемыми примесями [12-13].
На рисунках 1-3 представлены разработанные технологические маршруты формирования пленок на поверхности сапфира. Характерными отличиями данных технологических маршрутов получения пленок является использование лазерного излучения на установке (модель LIMO 100-532/1064-U), которая включает в себя инфракрасный (ИК) Nd:YAG лазер с фиксированной длиной волны 1064 нм, длительностью импульса 45 нс и энергией в импульсе, которая могла бы задаваться программно в диапазоне от 0,1 до 100 Вт. Для технологических маршрутов на рисунках 1 - 2 характерным отличием является получение пленок на поверхности сапфира из раствора. Импульсное лазерное облучение границы раздела «твердое тело/жидкость» привело к осаждению на его поверхности пленок, что является интересным для технологий тонкопленочной оптоэлектроники. Абляция сапфира лазерным излучением в жидкости является одним из методов создания микроструктур, которые требуют дальнейшего исследования их свойств и применения. Лазерное облучение границы
«сапфир/поглощающая жидкость» позволяет реализовать локальное эпитаксиальное осаждение оксидных пленок на поверхности сапфира с пространственным разрешением порядка диаметра лазерного пучка.
Немаловажным фактором для получения микроструктур на поверхности сапфира является отсутствие вакуума при реализации данного метода с помощью лазерного излучения.
Технологический маршрут формирования пленки Бе203 на границе раздела «твердое тело/жидкость» с помощью лазерного излучения представлен на рисунке 1.
Рис. 1 - Технологический маршрут формирования пленки Бе203 на границе раздела «твердое тело/жидкость» с помощью лазерного излучения Технологический маршрут формирования пленки Мп02 на границе раздела «твердое тело/жидкость» с помощью лазерного излучения представлен на рисунке 2.
Рис. 2 - Технологический маршрут формирования пленки Мп02 на границе раздела «твердое тело/жидкость» с помощью лазерного излучения Технологический процесс лазерного отжига пленки Бе203 можно представить в виде схемы на рисунке 3. Воздействие лазерного излучения на материалы может приводить к различным изменениям их кристаллической структуры. Определено, что в зависимости от параметров лазерного излучения можно достигать улучшения качества поверхности пленок.
Приготовление 3 %-ного раствора БеСЬ
Нанесение БеСЬ на сапфир ракельным ножом (трафаретная печать), толщина трафарета 40
Сушка пленки Ре20з при 120-150 °С в течение 10-15
Спекание пленки Бе20з лазерным излучением 1064 нм (мощность
излучения 50-90 Вт, время воздействия 30-40 сек.)
Рис. 3 - Схема технологического процесса формирования пленки Fe203
Технологический процесс лазерного отжига пленки ТЮ2 можно представить в виде схемы на рисунке 4.
Обезжиривание сапфировой подложки в изопропаноле
Рис. 4 - Схема технологического процесса формирования пленки ТЮ2
Обезжиривание сапфировой подложки в изопропаноле
мкм
мин,
Приготовление нанопористой пасты ТЮ2
Разрабатываемый газовый сенсор имеет на 10% меньшее потребление мощности, чем известные аналоги, а повышение быстродействия обеспечивает более точный мониторинг окружающей среды. Варьируя состав и структуру газочувствительного слоя, можно управлять чувствительностью и селективностью сенсора к различным компонентам.
Таким образом, проведено экспериментальное исследование формирования пленок оксида железа, оксида марганца, оксида титана и ряда других на сапфировой подложке с использованием лазерного излучения, разработаны технологические маршруты их получения для газочувствительных датчиков, тонкопленочных транзисторов, жидкокристаллических дисплеев. Определено, что лазерное излучение позволяет повысить производительность при изготовлении газочувствительного элемента, модифицировать кристаллическую и дефектную структуру материалов, повысить качество окисла, воспроизводимость параметров пленки и их стабильность.
Результаты получены с использованием оборудования Научно-образовательного центра «Лазерные технологии», Центра коллективного пользования и Научно-образовательного центра «Нанотехнологии», Института нанотехнологий, электроники и приборостроения Южного федерального университета (г. Таганрог).
Статья написана в рамках выполнения проекта ФЦП Россия № 14.587.21.0025. Уникальный идентификатор проекта КЕМЕБ158716Х0025.
Литература
1. Крылов О.В. Гетерогенный катализ. Москва: ИКЦ «Академкнига», 2004. 679 с.
2. Гаськов А.М., Румянцева М.Н. Выбор материалов для твердотельных газовых сенсоров // Неорганические материалы. 2000. № 3. С. 369-378.
3. Петров В.В. Технологические основы создания твердотельных сенсоров газов на основе нанокомпозитных оксидных материалов. Диссертация на соискание ученой степени д.т.н. 2011. 337 с.
4. Угай Я.А. Введение в химию полупроводников. Москва: Высш. шк., 1975. С. 302.
5. Herrmann J.M., Desdier J., Fernanrez V.M. Oxygen gas sensing behavior of nanocrystalline tin oxide prepared by the gas phase condensation method // Nanostructured Material. 1977. V.8. № 6. pp. 675-686.
6. Алферов Ж.И., Копьев П.С., Сурис Р.А. Наноматериалы и нанотехнологии // Нано- и микросистемная техника. 2003. № 8. С. 3-13.
7. Wang Y.D., Wu X.H., Su Q., Li Y.-F., Zhou Z.L. Ammonia-sensing characteristics of Pt and SiO2 doped SnO2 materials // Solid-State Electronics. 2001. V.45. pp. 347-350.
8. Шатохин А.Н., Путилин Ф.Н., Рыжиков А.С. и др. Чувствительность к водороду тонких пленок SnO2, поверхностно легированных платиной методом лазерной абляции // Сенсор. 2003. № 3. С. 38-43.
9. Буслов В., Кожевников В., Куликов Д., Рембеза С., Русских Д. Полупроводниковые чувствительные элементы для датчиков газов и систем сигнализации // Современная электроника. 2008. № 7. С. 22-27.
10. Гусев Е.Ю., Михно А.С., Гамалеев В.А., Юрченко С.А. Исследования влияния относительной влажности воздуха на электрическое сопротивление нанокристаллических пленок ZnO, полученных методом реактивного магнетронного распыления // Инженерный вестник Дона, 2014, №4 URL: ivdon.ru/magazine/archive/ n4y2014/2554/.
11. Жилин Д.А., Лянгузов Н.В., Кайдашев Е.М., Распопова Е.А., Цатурян А. А., Серый Н.А. Получение и исследование оптических свойств массивов наночастиц Au на поверхности тонких пленок ZnO // Инженерный вестник Дона, 2014, №4 URL: ivdon.ru/magazine/archive/ n4y2014/2587/.
12. Клунникова Ю.В., Малюков С.П., Саенко А.В. Исследование процессов лазерной обработки материалов для микроэлектроники // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2014. № 8. С. 15-19.
13. Клунникова Ю.В., Малюков С.П., Саенко А.В. Моделирование процесса лазерной обработки сапфира // Известия ЮФУ. Технические науки. 2014. № 9. С. 39-45.
References
1.Krylov O.V. Geterogennyj kataliz [Heterogeneous catalysis]. Moskva: IKC «Akademkniga», 2004. 679 p.
2. Gas'kov A.M., Rumjanceva M.N. Neorganicheskie materialy. 2000. № 3. pp. 369-378.
3. Petrov V.V. Tehnologicheskie osnovy sozdanija tverdotel'nyh sensorov gazov na osnove nanokompozitnyh oksidnyh materialov [Technological bases of creation of solid-state gas sensors based on nanocomposite oxide materials]. Dissertacija na soiskanie uchenoj stepeni d.t.n. 2011. 337 p.
4. Ugaj Ja.A. Vvedenie v himiju poluprovodnikov [Introduction to the chemistry of semiconductors]. Moskva: Vyssh. shk., 1975. P. 302.
5. Herrmann J.M., Desdier J., Fernanrez V.M. Nanostructured Material. 1977. V.8. № 6. pp. 675-686.
6. Alferov Zh.I., Kop'ev P.S., Suris R.A. Nano- i mikrosistemnaja tehnika. 2003. № 8. pp. 3-13.
7. Wang Y.D., Wu X.H., Su Q., Li Y.-F., Zhou Z.L. Solid-State Electronics. 2001. V.45. pp. 347-350.
8. Shatohin A.N., Putilin F.N., Ryzhikov A.S. Sensor. 2003. № 3. pp. 38-43.
9.Buslov V., Kozhevnikov V., Kulikov D., Rembeza S., Russkih D. Sovremennaja jelektronika. 2008. № 7. pp. 22-27.
10.Gusev E.Ju., Mihno A.S., Gamaleev V.A., Jurchenko S.A. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2014, №4 URL: ivdon.ru/magazine/archive/ n4y2014/2554/.
11.2Ы1т Б.Л., Ljanguzov К.У., Kajdashev Е.М., Raspopova Е.А., Caturjan Л.Л., Seryj К.Л. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2014, №4 URL: ivdon.ru/magazine/archive/ п4у2014/2587/.
12. K1unnikova Ju.V., Ma1jukov S.P., Saenko Л.У. Izvestija SPbGJeTU «^ТЬ. 2014. № 8. рр. 15-19.
13. K1unnikova Ju.V., Ma1jukov S.P., Saenko Л.V. Izvestija JuFU. Tehnicheskie nauki. 2014. № 9. рр. 39-45.
