氧化锡纳米敏感薄膜制备方法技术

本发明专利技术提供了一种氧化锡纳米敏感薄膜制备方法，属于气敏传感器的敏感材料制备领域。本发明专利技术采用磁控反应溅射方法使金属锡氧化，在硅片上生成锡的纳米量级氧化物薄膜，再进一步氧化、退火，即可制造出纳米晶粒氧化锡薄膜，该氧化锡纳米敏感薄膜具有氧化锡颗粒度小，比表面积大，厚度均匀（误差在纳米量级）等特点，且表面平整度高，在１００倍显微镜下观察没有裂痕，有利于提高气敏传感器的灵敏度和稳定性，通过溅射时间严格地控制膜厚，可重复性高，适合于批量生产。本发明专利技术与集成电路工艺相兼容，污染小，极大地降低气体传感器的生产成本，扩展了传感器的应用领域。（*该技术在2024年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于气敏传感器的敏感材料制备领域，具体涉及一种氧化锡纳米敏感薄膜制备的方法。
技术介绍
当今社会，人们的安全意识越来越高，用于易爆、易燃、有毒气体检测的传感器市场也就越来越活跃。开发新的气体传感器，应用新材料、新工艺和新技术，对气体传感器的机理做进一步研究的要求变得更加迫切。氧化锡材料的物理、化学稳定性较好，用氧化锡材料制成的气敏器件结构简单、制造成本低、可靠性高、机械性能良好，因此，氧化锡半导体气敏器件，一直是目前世界上产量大，应用面广的气敏器件。与其他类型气敏器件(如接触燃烧式气敏器件)相比，氧化锡气敏器件还具有寿命长，稳定性好，耐腐蚀性强。该气敏器件对气体检测是可逆的，而且吸附、脱附时间短，可连续长时间使用。随着气体传感器的小型化和低价位，它的应用领域更加广泛，常用的气体传感器的氧化锡材料可分为薄膜型、厚膜型、烧结型和结型，由于氧化锡气敏机理为表面电阻控制型，所以使用薄膜型敏感材料有利于提高传感器的灵敏度。因此，对于集成化的薄膜型氧化锡材料的制备方法的研究是必要的。目前，氧化锡材料的制备方法很多，包括用金属锡制备氧化锡，用锡酸制备氧化锡，以及用锡的氯化物制备氧化锡，通常使用化学共沉淀法和熔胶-凝胶法。这些方法在制备过程中经常引入各种杂质，有的制备方法本身就含有杂质，如用氯化锡制备氧化锡导致氯离子的引入，使用马弗炉退火也会造成对材料的污染，且制备的氧化锡粉体材料的均匀性、团聚等问题也不容忽视。这些都不符合当今生产高精度传感器的要求，也不适应传感器集成化的要求。
技术实现思路
本专利技术克服了上述气体传感器的氧化锡薄膜制备方法在晶粒结晶性、表面活性及均一性等方面的缺陷，提供一种使用溅射方法制备氧化锡纳米敏感薄膜的方法，制得的氧化锡纳米敏感薄膜晶粒度小，比表面积大，晶粒均匀，益于提高气敏传感器的灵敏度。本专利技术的目的还在于溅射退火工艺与集成电路工艺相兼容，符合大批量生产的要求，可有效地降低制造成本。本专利技术的
技术实现思路
一种，包括(1)清洗和热氧化硅片；(2)进行磁控反应溅射在硅片上生成锡的氧化物薄膜，溅射条件如下a、靶材为金属锡；b、压强范围为0.5Pa～1.0Pa；c、工作气体为惰性气体，反应气体为氧气，其中惰性气体质量百分比为50％～80％，氧气质量百分比为50％～20％；d、放电功率为40W～70W；(3)锡的氧化物薄膜在氧气中退火，退火温度范围为400℃～900℃，制得纳米晶粒氧化锡薄膜。进一步包括工作气体为氩气。进一步包括退火时间为1-2个小时。进一步包括膜厚可通过控制溅射时间调整。进一步包括可采用直流或交流磁控反应溅射。所述硅片的清洗和热氧化包括(1)把四寸n型硅片单面抛光并清洗；(2)将清洗过的硅片氧化生成600nm的SiO2；(3)清洗热氧化过的硅片。本专利技术的技术效果本专利技术采用磁控反应溅射方法使金属锡氧化，在硅片上生成锡的纳米量级氧化物薄膜，再进一步氧化、退火，即可制造出纳米晶粒氧化锡薄膜，该氧化锡薄膜具有氧化锡颗粒度小，比表面积大，厚度均匀(误差在纳米量级)等特点，且表面平整度高，没有裂痕，有利于提高气敏传感器的灵敏度和稳定性。由于膜厚＝溅射速率×溅射时间，通过溅射时间严格地控制膜厚，可重复性高，适合于批量生产。本专利技术与集成电路工艺相兼容，污染小，极大地降低气体传感器的生产成本，扩展了传感器的应用领域。附图说明图1为700℃下退火的氧化锡薄膜的X射线衍射(XRD)图，由图可知该氧化锡薄膜材料属于四方晶系图2为900℃退火的氧化锡扫描电子显微镜(SEM)照片，从照片可见，该氧化锡薄膜的晶粒度小，晶粒均匀；图3为氧化锡的X射线光电子谱(XPS)分析图，由图可知，制备的薄膜的主要成份为SnO2。具体实施例方式实施例1把四寸n型硅片单面抛光，使用HF、H2SO4+H2O2的混合溶液清洗硅片表面，再用去离子水反复清洗，将清洗过的硅片送入扩散炉，氧化生成600nm的SiO2。取出硅片再次清洗，即在冷的浓硫酸溶液中浸泡两分钟，用去离子水反复冲洗。然后把硅片放入磁控溅射仪的行星式片台上进行直流反应溅射。溅射条件如下金属锡为靶材(纯度99.999％)，压强为0.5Pa；工作气体为氩气，反应气体为氧气，其中氩气质量百分比为80％，氧气质量百分比为20％，放电功率为40W，溅射时间为15分钟，把硅片取出在400℃条件下在氧气中致密退火2小时。即可生成厚度约为60nm(误差在零点几纳米量级)的氧化锡敏感薄膜。实施例2把四寸n型硅片单面抛光，使用HF、H2SO4+H2O2的混合溶液清洗硅片表面，再用去离子水反复清洗。将清洗过的硅片送入扩散炉，氧化生成600nm的SiO2。取出硅片再次清洗，即在冷的浓硫酸溶液中浸泡两分钟，用去离子水反复冲洗。然后把硅片放入溅射仪的行星式片台上进行直流反应溅射。溅射条件如下金属锡为靶材(纯度99.999％)，压强为0.6Pa；工作气体为氩气，反应气体为氧气，其中氩气质量百分比为75％，氧气质量百分比为25％，放电功率为45W，溅射时间为20分钟，把硅片取出在500℃条件下在氧气中致密退火1小时，在整个硅片上均匀地生成厚度约为80nm的氧化锡敏感薄膜。实施例3把四寸n型硅片单面抛光，使用HF、H2SO4+H2O2的混合溶液清洗硅片表面，再用去离子水反复清洗。将清洗过的硅片送入扩散炉，氧化生成600nm的SiO2。取出硅片再次清洗，即在冷的浓硫酸溶液中浸泡两分钟，用去离子水反复冲洗。然后把硅片放入溅射仪的行星式片台上进行直流反应溅射。溅射条件如下金属锡为靶材(纯度99.999％)，压强为0.7Pa；工作气体为氩气，反应气体为氧气，其中氩气质量百分比为70％，氧气质量百分比为30％，放电功率为50W，溅射时间为25分钟，把硅片取出在650℃条件下在氧气中致密退火2小时，生成厚度约为100nm的氧化锡敏感薄膜。实施例4把四寸n型硅片单面抛光，使用HF、H2SO4+H2O2的混合溶液清洗硅片表面，再用去离子水反复清洗。将清洗过的硅片送入扩散炉，氧化生成600nm的SiO2。取出硅片再次清洗，即在冷的浓硫酸溶液中浸泡两分钟，用去离子水反复冲洗。然后把硅片放入溅射仪的行星式片台上进行交流反应溅射。溅射条件如下金属锡为靶材(纯度99.999％)，压强为0.8Pa；工作气体为氩气，反应气体为氧气，其中氩气质量百分比为60％，氧气质量百分比为40％，放电功率为55W，溅射时间为30分钟，把硅片取出在700℃条件下在氧气中致密退火1.5小时，在整个硅片上均匀地生成约120nm厚的氧化锡敏感薄膜。实施例5把四寸n型硅片单面抛光，使用HF、H2SO4+H2O2的混合溶液清洗硅片表面，再用去离子水反复清洗。将清洗过的硅片送入扩散炉，氧化生成600nm的SiO2。取出硅片再次清洗，即在冷的浓硫酸溶液中浸泡两分钟，用去离子水反复冲洗。然后把硅片放入溅射仪的行星式片台上进行直流反应溅射。溅射条件如下金属锡为靶材(纯度99.999％)，压强为0.9Pa；工作气体为氩气，反应气体为氧气，其中氩气质量百分比为55％，氧气质量百分比为45％，放电功率为60W，溅射时间为35分钟，把硅片取出在750℃条件下在氧气中致密退火2小时，生成约140nm厚的氧化锡敏感薄膜。实施例6把四寸n型硅片单面抛光，使用HF、H2S本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种氧化锡纳米敏感薄膜制备方法，包括：（１）预处理，清洗和热氧化硅片；（２）进行磁控反应溅射，在硅片上生成锡的氧化物薄膜，溅射条件如下：ａ、靶材为金属锡；ｂ、压强范围为０．５Ｐａ～１．０Ｐａ；ｃ、工作 气体为惰性气体，反应气体为氧气，其中惰性气体质量百分比为５０％～８０％，氧气质量百分比为５０％～２０％；ｄ、放电功率为４０Ｗ～７０Ｗ；（３）锡的氧化物薄膜在氧气中退火，退火温度范围为４００℃～９００℃，制得纳米晶粒氧化锡薄膜 。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘晓娣，张大成，王玮，于晓梅，闫桂珍，田大宇，罗葵，李婷，李修函，胡维，王阳元，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]