Способ изготовления чувствительного элемента датчика водородсодержащих газов

 

Использование: при изготовлении датчиков водородосодержащих газов. Сущность изобретения: при изготовлении чувствительного элемента датчика водородосодержащих газов на базе пористого кремния проводят ионную имплантацию палладия в пленку пористого кремния дозой ионов 100 - 300 мкКл/см² с энергией 30 - 100 кэВ.

Изобретение относится к электронной технике, в частности к технологии изготовления чувствительного элемента датчика водородосодержащих газов по тонкопленочной технологии. Изобретение может быть использовано в интегральных сенсорах, контроллерах утечки горячих и токсичных газов может найти применение в химической и др. отраслях промышленности.

Наиболее целесообразно его использовать в технологии создания тонко- и толстопленочных структур в водородных средах для контроля влажности среды, определения утечки водорода и др. водородосодержащих газов.

Известен способ изготовления чувствительного элемента датчика водородосодержащих газов на кремниевой подложке [1] включающей формирование на кремниевой подложке подзатворного диэлектрика из оксида кремния, палладиевого затвора путем вакуумного распыления палладия с последующим нанесением на палладиевый затвор и прилегающие к нему области оксида кремния тонкого пористого слоя таких металлов, как платина, иридий, родий. Именно толщина верхнего слоя пористого металла влияет на чувствительность датчика к аммиаку и водороду. Изготовленные по данному способу датчики химического состава газов более чувствительны к аммиаку. Более того, чувствительность датчика увеличивается с увеличением толщины благородного металла и при содержании аммиака в воздухе 5 х 10^-4 об. составляет 700 мВ.

Тем не менее, отклик таких датчиков уменьшается с увеличением парциального давления кислорода в окружающей среде и усиливается с повышением рабочей температуры.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ изготовления чувствительного элемента датчика водородосодержащих газов на базе пористого кремния [2] включающий формирование чувствительного элемента датчика-резистора из окисленного пористого кремния.

Главный недостаток известного способа изготовления датчиков на основе пористого кремния крайне низкая чувствительность их к водороду и водородосодержащим газам. Так при изменении концентрации водорода от 0 до 4 об. чувствительность датчика не превышает 5 мВ, а при изменении концентрации метана от 0 до 30 об. чувствительность датчика не превышает 12 мВ. Время восстановления таких датчиков при комнатной температуре составляет до 48 50 ч, а при 150^oC 3,5 ч. Не исключен и такой недостаток в известном способе изготовления датчиков, как большие механические напряжения в окисленном пористом кремнии, которые вызывают разрыв связей между активными элементами датчика и подложкой.

Задачей изобретения является создание способа изготовления чувствительного элемента датчика водородосодержащих газов на базе пористого кремния, наиболее чувствительного к водороду и водородсодержащим газам.

В результате осуществления предложенного способа получен технический результат, который выражается в расширении рабочего диапазона и повышения надежности чувствительного элемента датчика за счет исключения такой проблемы, как отслаивание в процессе работы чувствительного элемента датчика от подложки и за счет эффекта подавления механических напряжений в чувствительном элементе на границе раздела.

Сущность изобретения заключается в том, что чувствительный элемент датчика водородосодержащих газов на базе пористого кремния формируют путем имплантации ионов палладия в пленку пористого кремния дозой ионов 100 300 мкКл/см² с энергией 30 100 кэВ.

Введение ионов палладия в пленку пористого кремния при формировании чувствительного элемента датчика увеличивает его чувствительность к водороду и водородосодержащим газам. Варьируя содержание ионов палладия в пористом кремнии от 10¹⁵ до 10²⁰ ат/cм³, представляется возможным изготовить селективные датчики под аммиак, метан, бутан и водород, соответственно, что обусловлено увеличением активных центров на поверхности, так и в объеме пленки пористого кремния, как чувствительного элемента датчика.

Селективность датчика к конкретному газу определяется количественным содержанием ионов палладия в пористом кремнии.

Осуществление операции ионной имплантации позволяет провести аморфизацию пористого кремния по всему объему пленки и снять механические напряжения в структуре датчика в результате воздействия ионов палладия на кристаллическую решетку кремния.

Аморфизированный пористый кремний в процессе ионной имплантации палладия представляет собой мелкодисперсный микропористый материал, обеспечивающий интенсивное проникновение контролируемого газа (аммиака, метана, бутана, водорода) в объем активного элемента датчика вплоть до границы раздела с подложкой. Это дает возможность увеличить рабочий диапазон контроля количественного изменения водорода от 0 до 100 об. аммиака от 0 до 90 об. метана от 0 до 45 об. бутана от 0 до 45 об. При этом срок службы активного элемента датчика увеличивается до 10000 ч.

Атомы палладия равномерно распределяются в объеме пор пористого кремния и создают достаточное количество активных центров в пористом материале, лишая его недостатков, присущих пленкам палладия на оксиде кремния и др. материалах, и сохраняя свойства палладия, определяющего чувствительность активного элемента датчика.

Доза ионов палладия 100 300 мкКл/см² и энергия ионов 30 100 кэВ это оптимальные значения их величин, которые позволяют обеспечить селективность датчиков под конкретный водородосодоержащий газ и водород, их чувствительность, рабочий диапазон, например, по водороду от 0,1 до 100 об. и срок службы более 10000 ч.

Доза облучения меньше 100 мкКл/см² при ионной имплантации ионов палладия в пористый кремний не позволяет обеспечить содержание ионов палладия в пористом кремнии 10¹⁵ ат/см³. Содержание палладия меньше, чем 10¹⁵ ат/см³ не позволяет изготовить качественные датчики даже под водородосодержащие газы, такие, как аммиак, метан и бутан.

Доза ионов больше 300 мкКл/cм² при ионной имплантации палладия и пористый кремний вызывает его сегрегацию и тем самым не обеспечивает заданных требований к материалу активного элемента датчика, снижая эффективность его работы.

Энергия ионов меньше 30 кэВ при ионной имплантации палладия в пористый кремний не обеспечивает необходимую глубину проникновения палладия в пористый кремний. Энергия ионов больше 400 кэВ при ионной имплантации палладия в пористый кремний приводит к проникновению палладия в подложку, что нежелательно, так как влияет как на электрофизические параметры датчика, так и на срок их службы.

Реализация способа изготовления чувствительного элемента водородосодержащих газов по предлагаемому способу осуществлялась при изготовлении датчиков-резисторов размером 80 х 80 мкм² в интегральном исполнении под аммиак, бутан, метан и водород.

Для этой цели, в случае аммиака, палладий из источника хлористого палладия (PdCl₂) внедрен путем ионной имплантации в пористый кремний на глубину 0,5 1,0 мкм до концентрации 10¹⁵ 10¹⁶ ат/см³.

Для создания чувствительного элемента из пористого кремния под контроль концентрации метана ионная имплантация палладия осуществлялась на глубину 0,3 0,5 мкм до концентрации его в пористом кремнии 5 х 10¹⁶ 5 x 10¹⁷ ат/см³, а для контроля содержания бутана чувствительный элемент датчика готовится ионной имплантацией палладия на глубину 0,2 0,4 мкм до концентрации палладия в пористом кремнии 10¹⁷ 10¹⁸ ат/см³.

Для создания чувствительного элемента из пористого кремния под контроль концентрации водорода ионная имплантация палладия проводилась на глубину 0,1 0,2 мкм до концентрации палладия в пористом слое кремния 10¹⁸ - 10²⁰ ат/см³.

Используются пленки пористого кремния плотностью 0,8 1,6 г/см³, полученные в процессе химического анодирования кремния в электролитах на основе спиртовых растворов 48 фтористоводородной кислоты. В качестве спиртов, используемых для данных целей, можно привести следующие: этиловый, изопропиловый и пентиловый, преимущественно использовались растворы в соотношении 3 5 ч. фтористоворододной кислоты на одну часть спирта.

Окончательное формирование чувствительного элемента датчика осуществляется путем фотолитографических процессов и нанесением контактных площадок и металлических дорожек при формировании датчика с системой обрамления для управления датчиком.

Предлагаемый способ изготовления чувствительного элемента датчика водородосодержащих газов на кремниевой подложке позволяет путем регулирования количественного содержания палладия в пористом кремнии и глубины его внедрения в пористый кремний сформировать чувствительные элементы датчика под аммиак, метан, бутан и водород соответственно.

Предлагаемый способ позволяет таким образом сформировать чувствительные элементы под различные газы в виде матрицы датчиков и обеспечить контроль содержания аммиака, метана, бутана и водорода.

Использование метода ионной имплантации как метода внедрения палладия в объем пористого кремния позволяет значительно снизить расход палладия по отношению к известным способам изготовления датчиков с использованием пленок палладия, повысить надежность и срок наработки датчиков до 10000 ч, а также создать матрицу датчиков, которая позволяет контролировать содержание аммиака, метана, бутана и водорода одновременно.

Формула изобретения

Способ изготовления чувствительного элемента датчика водородсодержащих газов на базе пористого кремния, отличающийся тем, что проводят ионную имплантацию палладия в пленку пористого кремния дозой ионов 100 300 мкКл/см² с энергией 30 100 кэВ.