Исследование процессов получения пленок на сапфире для газочувствительных датчиков

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 TiO2, MnO2, Fe2O3 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 Fe2O3 на границе раздела «твердое тело/жидкость» с помощью лазерного излучения представлен на рисунке 1.

Рис. 1 — Технологический маршрут формирования пленки Fe2O3 на границе раздела «твердое тело/жидкость» с помощью лазерного излучения

Технологический маршрут формирования пленки MnO2 на границе раздела «твердое тело/жидкость» с помощью лазерного излучения представлен на рисунке 2.

Рис. 2 — Технологический маршрут формирования пленки MnO2 на границе раздела «твердое тело/жидкость» с помощью лазерного излучения

Технологический процесс лазерного отжига пленки Fe2O3 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.

Рис. 3 — Схема технологического процесса формирования пленки Fe2O3

Технологический процесс лазерного отжига пленки TiO2 можно представить в виде схемы на рисунке 4.

Рис. 4 — Схема технологического процесса формирования пленки TiO2

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 RFMEFI58716X0025.

Крылов О. В. Гетерогенный катализ. Москва: ИКЦ «Академкнига», 2004. 679 с.

Гаськов А.М., Румянцева М. Н. Выбор материалов для твердотельных газовых сенсоров // Неорганические материалы. 2000. № 3. С. 369−378.

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.

Угай Я.А.

Введение

в химию полупроводников. Москва: Высш. шк., 1975. С. 302.

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.

Алферов Ж.И., Копьев П. С., Сурис Р. А. Наноматериалы и нанотехнологии // Нанои микросистемная техника. 2003. № 8. С. 3−13.

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.

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.

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.

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/.

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/.

Клунникова Ю.В., Mалюков С.П., Саенко А. В. Исследование процессов лазерной обработки материалов для микроэлектроники // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2014. № 8. С. 15−19.

Клунникова Ю.В., Малюков С. П., Саенко А. В. Моделирование процесса лазерной обработки сапфира // Известия ЮФУ. Технические науки. 2014. № 9. С. 39−45.