Технология изготовления сенсоров (Раздел дипломной работы), страница 4

а – формирование маски;

б – нанесение слоя SnO₂ и стекловидной растворной пленки,

                        содержащей диффузиант;

          в – удаление слоя Si п/к со слоем стекловидной растворной пленки.

                                Слой SnO₂

                                Подложка

а)

Стекловидная растворная пленка

             Слой SnO₂                                                       

Слой Si п/к

Подложка

б)

 Слой SnO₂

                                                                                    Подложка

в)

Рис.4.3.

4.3. Растворные пленки.

4.3.1. Применение в техпроцессе изготовления сенсора.

Растворные пленки в технологии изготовления микросенсоров могут использоваться в трех основных вариантах:

1)  Легирование нагревательного полупроводникового слоя с целью управления его электрофизическими и эксплуатационными характеристиками;

2)  Легирование газочувствительных полупроводниковых слоев с целью управления их электрофизическими и эксплуатационными характеристиками;

3)  Формирование каталитических покрытий на поверхности газочувствительного слоя с целью повышения его чувствительности по отношению к интересующему нас газу.

4.3.2.Теоретические основы процесса пленкообразования.

Способностью формировать пленки на поверхности полупроводников и диэлектриков обладают любые растворы органических или неорганических соединений, молекулы которых имеют тенденцию к образованию полимерных молекул или полисольватированных групп в растворе и при испарении растворителей образуют гели со слабой склонностью к кристаллизации. Для получения кремнеземных пленок широко используются растворы гидролизующихся соединений, таких как алкоксисоединения, которые при гидролитической поликонденсации образуют силоксановые связи

- Si - O – Si -, являющиеся основными структурными элементами полисилоксанов, обеспечивающих пленкообразующие свойства. Наиболее применяемым алкоксисоединением кремния является тетраэтоксисилан (ТЭОС) – этиловый эфир ортокремниевой кислоты Si(OC₂H₅)₄.

В микроэлектронике обычно используют растворы ТЭОС в органических растворителях, воде и кислоте, вводимой в качестве кислого катализатора. Подобные растворы в зависимости от выбора и концентрации компонентов “созревают”, т. е. приобретают пленкообразующие свойства в течение некоторого времени, которое колеблется от нескольких часов до нескольких месяцев, в зависимости от состава растворов. В процессе хранения в пленкообразующих растворах происходит образование полимерных продуктов возрастающей степени конденсации вплоть до образования высокополимеров пространственного строения – гелей.

Для получения легированных кремнеземных пленок в пленкообразующие растворы на основе ТЭОС вводят примесные соединения в виде солей неорганических и огранических кислот, минеральных кислот, а также различных элементорганических соединений. В этих растворах на разной стадии созревания в равновесии могут находиться различные продукты сольватации и гидролиза. Процесс гидролиза и поликонденсации практически завершается в тонком слое на поверхности подложки в момент нанесения пленок из растворов.

4.3.3. Некоторые физико-химические и технологические аспекты формирования пленок.

В технологии микроэлектроники нанесение пленок из растворов осуществляют обычно методом центрифугирования на стандартном фотолитографическом оборудовании. Продукты гидролитической поликонденсации ТЭОС после испарения растворителей образуют на подложках полимерные пленки с равномерно распределенными молекулами неорганических примесных соединений.

Структура и состав пленок зависят, в том числе, от условий нанесения растворов: температуры и влажности окружающей среды. Рекомендации по режимам нанесения пленок зависят от состава растворов. Для растворов на основе ТЭОС и неорганических добавок примесных легирующих соединений предпочтительна температура ~22-25⁰С вплоть до 40⁰С и низкая относительная влажность воздуха [40-45%, вплоть до 57%], а для соединений на основе только кремнийорганических соединений, наоборот, влажность высокая [50-60%], а температура 18-20⁰С. Скорость вращения центрифуги выбирается экспериментально, обычно в пределах 1000-7000 об/мин, и зависит, прежде всего, от требований к толщине пленки.

4.3.4. Физико-химические процессы, протекающие в процессе термической обработки пленки.

Заключительным этапом в цикле создания легированных кремнеземных пленок из растворов является термическая обработка нанесенных на подложки полимерных пленок. Эту операцию осуществляют с целью улучшения сцепления пленок с подложкой, увеличения их механической прочности и химической стойкости, а также с целью уплотнения пленок и уменьшения их влагопоглощения.

Режим термообработки, характеризуемый температурой, газовой средой и продолжительностью, зависит от требований, предъявляемых к пленкам. Пленку могут лишь подсушивать при 200-250⁰С, либо подвергать обжигу при температуре ~800⁰С и более,  вплоть до 1200⁰С. В качестве газовой среды используют: воздух, кислород влажный и сухой, азот, их смеси, вакуум, инертные газы, например Ar.

В процессе термообработки для ряда элементов содержание легирующей примеси в пленках уменьшается по сравнению с расчетным количеством в растворе. Эти потери объясняют испарением примеси, которое тем больше, чем выше температура термообработки и концентрация примесей в исходной пленки. Однако, как показали исследования, концентрация легирующих примесей в растворе и в пленке находится в прямой зависимости от расчетного количества примесного вещества, вводимого в раствор.