Chế tạo cảm biến khí loại một mặt bằng công nghệ vi điện tử trên cơ sở vật liệu Nano SnO2

Chế tạo cảm biến khí loại một mặt bằng công nghệ vi điện tử trên cơ sở vật liệu Nano SnO2 Chế tạo cảm biến khí loại một mặt bằng công nghệ vi điện tử trên cơ sở vật liệu Nano SnO2 Chế tạo cảm biến khí loại một mặt bằng công nghệ vi điện tử trên cơ sở vật liệu Nano SnO2 luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp

Trước hết tôi xin chân thành cảm ơn sâu sắc đến GS.TS Nguyễn Đức Chiến , TS Nguyễn Văn Hiếu, KS Nguyễn Văn Toán, những người đã hướng dẫn tận tình và giúp đỡ tôi để hoàn thành bản luận văn này

Tôi xin chân thành cảm ơn tới các thầy cô trong Viện Đào tạo Quốc tế về Khoa học vật liệu (ITIMS) đã truyền cho tôi vốn kiến thức quý báu và tạo mọi điều kiện học tập cho tôi trong suốt thời gian học tập tại viện

Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các anh chị trong nhóm Cảm biến khí, cùng toàn thể các anh chị, cán bộ đang công tác tại Viện Đào tạo Quốc tế về Khoa học Vật liệu (ITIMS) đã hướng dẫn, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành phần thực nghiệm của luận văn này

Và cuối cùng tôi xin cảm ơn gia đình, bạn bè, những người thân đã quan tâm, động viên, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập

Hà Nội, tháng 09 năm 2009 Học viên

Trần Quang Đạt

Mở đầu 1

I.1 Khái quát chung về cảm biến khí và các thông số đặc trưng 3

I.2 Cấu trúc, phương pháp chế tạo,và đặc tính nhạy khí của vật liệu SnO2 13

I.2.4.1 Ảnh hưởng của kích thước và độ xốp của hạt tới độ nhạy khí 18

ết kế và chế tạo cảm biến bằng công nghệ vi điện tử

II.2.3 Quy trình chế tạo cảm biến bằng công nghệ vi điện tử 32

III.1 Hình thái bề mặt và đặc trưng cấu trúc vật liệu của màng nhạy khí 48 III.1.1 Các kết quả của quá trình nghiên cứu chế tạo màng mỏng SnO2

III.1.2.1 Kết quả khảo sát hình thái bề mặt màng mỏng phún xạ

III.1.2.2 Kết quả khảo sát vi cấu trúc màng mỏng phún xạ SnO2 54

II.4.1 Khảo sát đặc trưng nhạy khí ga hóa lỏng của cảm biến SnO2 pha

MỞ ĐẦU

Cùng với sự phát triển của kinh tế thúc đẩy sự ra đời của các khu đô thị và

công nghiệp Điều này làm môi trường sống đang bị ô nhiễm nặng Mức độ ô nhiễm

của các khí như CO, CO2, NOx, SO2, NH4 đã tăng từ vài lần đến vài chục lần so

với mức độ cho phép của tiêu chuẩn quốc tế Việc đo đạc, giám sát và đánh giá mức

độ ô nhiễm môi trường sống và công nghiệp một cách có hệ thống đang là một yêu

cầu hết sức quan trọng và bức bách Môi trường sống và làm việc cần được bảo đảm

an toàn hơn thì lĩnh vực cảm biến là một phần không thể thiếu, trong đó có cảm

biến khí Cảm biến khí có vai trò quan trọng trong tất cả các lĩnh vực : y tế, sản xuất

công nghiệp, xử lý môi trường,

Thống kê năm 2007 cho thấy thị trường thế giới cho các loại cảm biến hoá

học đặc biệt là cảm biến khí là lớn hơn 15 tỷ USD Bên cạnh đó chưa kể đến những

đóng góp gián tiếp vô cùng to lớn của nó trong các lĩnh vực công nghiệp và cuộc

sống Có nhiều loại cảm biến khí tuy nhiên các loại cảm biến hoạt động trên cơ sở

thay đổi điện trở đang được phát triển nhanh chóng bởi các ưu điểm như: kích thước

nhỏ, cấu trúc đơn giản, tương thích với các hệ phân tích nhiều kênh, dễ mô hình hoá

các thông số kỹ thuật, thuận tiện cho việc chế tạo các thiết bị xách tay

Ở nước ta lĩnh vực cảm biến khí đang được đưa vào ứng dụng Nhưng linh

kiện cảm biến thường phải mua từ các nước khác, mà trong thực tế ta có ta có thể

chế tạo Các nghiên cứu trước đây chỉ chế tạo được đơn chiếc cảm biến, mà đơn

thuần chỉ để khảo sát được tính nhạy khí của vật liệu có cấu trúc nano, thường là

các oxit bán dẫn như SnO2, In2O3, ZnO, WO3, TiO2,…Trong đó, vật liệu SnO2 có

nhiều ưu điểm như khả năng nhạy cao, điện trở thấp, với tỷ lệ nghiên cứu cũng như

ứng dụng lớn hơn nhiều đối với các loại vật liệu khác [1] Để có thể chế tạo linh

kiện cảm biến với giá thành rẻ, có độ ổn định cao, cần phải chế tạo được số lượng

lớn linh kiện trên cùng quy trình Ngoài ra cùng với sự phát triển của các thế hệ cảm

biến, đòi hỏi cảm biến phải có khả năng tích hợp vào các mạch tích hợp Muốn vậy

cảm biến khí phải tiêu thụ công suất nhỏ, có điện trở màng nhạy thích hợp, có tốc

độ đáp ứng và hồi phục nhanh

Mục đích của đề tài nhằm nghiên cứu chế tạo hàng loạt linh kiện cảm biến

khí loại một mặt với độ lặp lại cao, ổn định, tiêu thụ công suất nhỏ để có thể mang

vào ứng dụng trong việc chế tạo cảm biến khí đang được quan tâm và là nhu cầu

cấp thiết Do đó đề tài : “Chế tạo cảm biến khí loại một mặt bằng công nghệ vi

cơ điện tử trên cơ sở vật liệu nano SnO 2” đã được lựa chọn

Luận văn bao gồm ba phần :

Chương I: Tổng quan - Trình bày về cảm biến khí, vật liệu SnO2 và các

phương pháp nghiên cứu, chế tạo

Chương II: Thực nghiệm - Các bước thực nghiệm và kỹ thuật đo đạc sử

dụng trong đề tài

Chương III: Kết quả và thảo luận - Các số liệu thu thập được phân tích và

đánh giá

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN I.1 Khái quát chung v ề cảm biến khí và các thông số đặc trưng

I.1.1 Gi ới thiệu, phân loại và ứng dụng cảm biến khí

Với tính ứng dụng thực tiễn cao cảm biến nói chung và cảm biến khí đang

ngày càng có một tầm quan trọng trong cuộc sống Cảm biến khí đã thu hút được sự

quan tâm của nhiều nhà khoa học trên thế giới [1]

Việc chế tạo cảm biến khí dựa trên nhiều nguyên lý khác nhau như: thay đổi

trở kháng, điện hoá, quang, quang hóa, quang điện hóa, hiệu ứng từ,… Tuy nhiên

cảm biến thay đổi điện kháng mà chủ yếu là điện trở đã và đang được sử dụng rộng

rãi với một vài ưu điểm như đơn giản, rẻ tiền, độ nhạy cao…[3]

Trong các loại vật liệu để chế tạo cảm biến thay đổi độ dẫn thì vật liệu ôxít

bán dẫn được dùng rộng rãi nhất Đặc biệt là SnO2 có khả năng chế tạo nhiều loại

cảm biến với các khí khác nhau[4] Để tăng khả năng nhạy và tính chọn lọc, các tạp

chất được lựa chọn đưa vào nền SnO2 Thông thường nhiệt độ làm việc của cảm

biến khí trên cơ sở ôxít bán dẫn rất khác nhau đối với từng loại khí cần đo Ví dụ

như màng dày SnO2 không pha tạp nhạy khí CH4 ở dải nhiệt độ khoảng 500oC trong

khi đó nếu pha tạp thêm Pd dải nhiệt độ làm việc tối ưu đã mở rộng hơn và có thể

cho độ nhạy cao ở nhiệt độ thấp cỡ 380oC

Bảng I.1 Khoảng nhiệt độ làm việc và loại tạp và công nghệ chế tạo của

cảm biến dựa trên vật liệu SnO 2 đối với các loại khí khác nhau[4][5]

Lo ại khí V ật liệu Kho ảng nhiệt độ làm việc ( o C)

H2

290-310

250 -400

Các số liệu chỉ ra trên bảng I.1 cho thấy với mỗi loại khí thường có một dải

nhiệt độ làm việc tối ưu, do vậy trong linh kiện cần dùng đến lò vi nhiệt Việc pha

tạp thêm các nguyên tố vào đã làm thay đổi dải nhiệt độ làm việc tối ưu và điều này

đúng với nhiều loại khí và nhiều loại tạp khác nhau

Trong thực tế, do yêu cầu công việc nên đối với mỗi loại khí ta cần phải khảo

sát nồng độ trong một dải nhất định Ví dụ trong lĩnh vực an toàn chúng ta phải

quan tâm đến khoảng nồng độ khí trong ngưỡng an toàn, trong y học cần chú ý đến

khoảng nồng độ có thể gây bệnh

Bảng I.2 Các lĩnh vực ứng dụng của cảm biến khí

- Điều khiển nồi hơi

- Kiểm tra lượng cồn trong hơi thở

Kiểm tra chất lượng khí

trong gia đình

- Máy lọc trong không khí

- Điều khiển thông hơi

- Phát hiện sự rò rỉ khí ga

Điều khiển môi trường

- Trong các trạm dự báo thời tiết

- Trong các trạm giám sát sự ô nhiễm của môi trường

Trong sản xuất công nghiệp - Điều khiển sự lên men

- Điều khiển các quy trình

Dựa trên một số tiêu chí khác nhau mà người ta chia cảm biến khí thành các

loại như trong bảng I.3

Bảng I.3 Phân loại cảm biến khí

Stt Loại cảm biến Nguyên lý hoạt động Vật liệu thường dùng

1 Cảm biến thay đổi

trở kháng

Dựa trên sự thay đổi độ dẫn của lớp màng trên bề mặt khi hấp phụ chất khí

Các oxide kim loại bán dẫn như: TiO2, SnO2,

ZnO, …

2 Cảm biến điện áp

(thạch anh)

Dựa trên sự thay đổi tần

số dao động của tinh thể thạch anh khi hấp phụ khí

Tinh thể thạch anh tần

số 9 MHz, lớp phủ chọn lọc đối với từng loại khí

3 Cảm biến xúc tác Dựa trên sự mất cân bằng

giữa hai phần tử nhạy và không nhạy khí

Thường là Al2O3 có phủ xúc tác: Pt, Pd, Ir, Pd-ThO2

4 Cảm biến điện phân

rắn

Dựa trên sự thay đổi áp suất của khí đo ở hai phía hai bên điện cực của điện phân rắn

ZrO2 - Y2O3, ZrO2 -

CaO

5 Cảm biến thuận từ Dựa trên tính thuận từ của

một số chất khí (chỉ có khí thuận từ mới bị tác động của từ trường )

I.1.2 Các loại cảm biến khí thông dụng

I.1.2.1 Cảm biến khí thay đổi độ dẫn

Các nhà nghiên cứu đã đưa ra nhiều hình dạng và kiểu dáng cảm biến khí thay

đổi độ dẫn khác nhau[5] Thông thường cảm biến khí thay đổi độ dẫn được phân

thành hai loại chính: cảm biến khí dạng khối và cảm biến khí dạng màng Cảm biến

khí dạng màng chia ra làm hai loại dựa theo độ dày của màng nhạy : màng dày (cỡ

vài µm đến vài chục µm) và màng mỏng (cỡ vài trăm nm) Hình I.1 đưa ra các dạng

lớp vật liệu nhạy khí trên cơ sở vật liệu ôxít bán dẫn

Hình I.1 Các lo ại cảm biến nhạy khí trên cơ sở vật liệu ôxít bán dẫn

Thông thường linh kiện cảm biến khí bao gồm các bộ phận chính sau:

- Lò vi nhiệt: Dùng để cung cấp nhiệt cho cảm biến đạt đến nhiệt độ làm việc

(nhiệt độ làm việc của cảm biến khí thường lớn hơn nhiệt độ môi

Nguyên lý làm việc

Cảm biến thay đổi độ dẫn hoạt động dựa trên tính chất thay đổi điện trở

màng của vật liệu khi hấp phụ khí ở nhiệt độ làm việc Ban đầu màng nhạy được

nung đến nhiệt độ làm việc trong môi trường không khí lúc này điện trở của màng

được xác định làm mức ‘0’, sau đó cấp nguồn dòng vào màng sẽ thu được mức điện

áp ngưỡng Khi đưa cảm biến vào môi trường khí cần khảo sát điện trở của màng

nhạy thay đổi nên điện áp ra cũng thay đổi So sánh điện áp thu được với mức điện

áp đã chuẩn hóa với từng nồng độ khí, có thể xác định được nồng độ khí của môi

trường

Với ưu điểm là đơn giản, rẻ tiền cảm biến khí được chế tạo trên cơ sở của vật

liệu oxit kim loại bán dẫn được sử dụng nhiều nhất Trong tất cả các loại oxit thì

oxit bán dẫn được xem là hoạt động bề mặt ổn định nhất (nhiệt độ hoạt động thường

khoảng 300oC – 500oC)

I.1.2.2.Cảm biến điện hóa

Cảm biến điện hóa chất điện ly lỏng

được phân làm 2 loại chính: cảm biến

dòng và cảm biến điện áp Ví dụ điển

hình nhất của cảm biến dòng là loại cảm

biến O2 để đo lượng O2 trong máu Cảm

biến dòng tạo ra tín hiệu dòng, tín hiệu

này liên quan đến nồng độ của khí phân

tích bởi định luật Faraday và định luật về

dịch chuyển khối lượng Mô hình về cấu

trúc của cảm biến dòng thể hiện ở hình

I.2 Hoạt động trong vùng dịch chuyển khối lượng được kiểm soát và do vậy tốc độ nhạy

khí sẽ tuyến tính với nồng độ khí Loại cảm biến này đang được phát triển với rất nhiều

dạng khác nhau và có thể cảm nhận được rất nhiều khí khác nhau như CO, NOx, H2S,

O2 các khí đặc biệt chứa hiđro và các loại hơi dung môi khác Ưu điểm của chúng là

Hình I.2 Lo ại cảm biến điện hoá dòng b ằng chất điện ly lỏng

Màng nhạy khí

Điện cực Điện cực chuẩn

kích thước nhỏ, tiêu tốn năng lượng ít, độ nhạy cao cũng như chi phí thấp và có thể dùng

làm cảm biến hơi độc hay khí dễ cháy nổ Với kỹ thuật vi chế, toàn bộ cảm biến có thể

được chế tạo trên một chip hay một phần của vi hệ phân tích tổng hợp (microfabricated

total analytical system µ-TAS)

I.1.2.3 C ảm biến điện cực lựa chọn ion

Hoạt động dựa vào thế của cảm biến

hóa học, thường được sử dụng để đo thế năng

tương tác tại phân biên bề mặt của điện cực

sinh ra do nguyên nhân tương tác trao đổi ion

lựa chọn Cấu tạo của cảm biến như hình I.3

Cảm biến ra đời trước nhiều loại khác và là

chủ đề được nhắc tới sớm nhất trong chủng

loại cảm biến điện hóa Việc thiết kế màng

mỏng có lựa chọn ion là mấu chốt để phát triển loại cảm biến này Đối lập với cảm

biến dòng, cảm biến điện áp làm việc ở điện áp có dòng bằng không Đây là một đại

diện điển hình của quá trình điện hóa cân bằng Điện thế tăng lên do phản ứng điện

hóa có thể xảy ra trên các dây, hoặc tại màng trong pha rắn, lỏng hay cô đặc Vì tín

hiệu được lấy ra tại vị trí cân bằng, những tín hiệu cuối cùng ít bị ảnh hưởng bởi

tính chất chuyển đổi khối lượng hay chiều của cảm biến và cung cấp cho đầu ra ở

các điều kiện cân bằng địa phương Tín hiệu phát ra là lực điện động, phụ thuộc vào

tính chất hoạt động của khí phân tích, được mô tả bởi phương trình Nernst Thời

gian đáp ứng dường như chỉ phụ thuộc vào tốc độ cân bằng có thể đạt được tại bề

mặt cảm biến

I.1.2.4 Cảm biến chất điện ly rắn

Cảm biến chất điện ly rắn để thay thế chất điện ly lỏng trong cảm biến điện

hóa mục đích có thể xây dựng được cảm biến điện hóa chất điện ly rắn với các ưu

Hình I.3 C ảm biến lựa chọn ion

Điện cực chuẩn Màng lựa chọn ion

điểm như hoạt động ở nhiệt độ cao và có thể hoạt động hoặc ở dạng đo dòng hoặc

đo điện áp (hình I.4)

Một ví dụ điển hình về cảm biến điện áp là loại vật liệu YSZ

(yttria-stabilized zirconia) trên nền cảm biến oxi đã được sử dụng rộng rãi trong việc điều

khiển tỷ lệ khí/năng lượng trong động cơ đốt trong Tốc độ đáp ứng được biểu diễn

bằng phương trình Nerst ở trạng thái cân bằng

Bề mặt của chất điện ly rắn được phủ bởi một pha ban đầu, pha này sẽ có

phản ứng phản ứng điện hóa và thay đổi khi có khí cần phân tích và sinh ra điện thế

trên bề mặt Độ nhạy và sự lựa chọn khí phụ thuộc vào pha ban đầu, ví dụ hệ

Na2CO3/NaSICON có thể được sử dụng để nhạy khí CO2 bởi vì khí cacbonat này có

thể tạo ra phản ứng điện hóa: CO32- = CO2 + 1/2O2 + 2e- Điều này cho phép sử

dụng một số dung dịch điện ly rắn bằng gốm thông dụng như YSZ, β-alumina hoặc

NASICON để xây dựng cảm biến cho nhiều loại khí, đặc biệt là các loại khí ô

nhiễm như CO2, CO, NOx, SOx, H2, Cl2 và NH3 Ưu điểm chính của phương

pháp này là có thể phát triển các phương pháp dò các khí ở môi trường độc hại mà

các loại cảm biến điện ly lỏng điển hình không làm được Trong việc thiết kế cảm

biến trộn thế, có ít nhất hai phản ứng điện hoá diễn ra ở các điện cực sao cho quá

trình trộn thế được thành lập bởi các phản ứng hoàn toàn Hoạt động xúc tác của vật

liệu trên điện cực đóng vai trò rất quan trọng, ví dụ cảm biến Pt/YSZ/Au có thể cảm

Hình I.4 C ảm biến chất điện ly rắn, (a) đo điện áp, (b) đo dòng

nhận được khí CO và hyđrocacbon hoạt động xúc tác khác nhau giữa điện cực Pt và

Au

I.1.3 Các đặc trưng của cảm biến khí

Với mỗi linh kiện cảm biến khí người ta đánh giá thông qua các thông số như

độ nhạy, tốc độ đáp ứng và thời gian hồi phục, tính chọn lọc và độ ổn định

1.1.3.1 Độ nhạy

Độ nhạy là khả năng phát hiện được khí ứng với một giá trị nồng độ nhất định

của nó (còn được gọi là đáp ứng khí) Độ nhạy được kí hiệu là S và được xác định

R

R

R −

Trong đó: Rair là điện trở của màng cảm biến trong không khí (Ra)

Rgas là điện trở của màng cảm biến khi xuất hiện khí thử (Rg)

Hình I.5 S ự thay đổi điện trở của màng cảm biến khi có khí thử

1.1.3.2 Tốc độ đáp ứng và thời gian hồi phục

Tốc độ đáp ứng là thời gian kể từ khi bắt đầu xuất hiện khí thử đến khi điện

trở của cảm biến đạt giá trị ổn định

Th ời gian hồi phục là thời gian tính từ khi ngắt khí cho tới khi điện trở của

cảm biến trở về trạng thái ban đầu

Đối với một cảm biến khí thì tốc độ đáp ứng và thời gian hồi phục càng nhỏ

thì hiệu quả hoạt động của cảm biến càng cao

1.1.3.3 Tính chọn lọc

Tính chọn lọc là khả năng nhạy của cảm biến đối với một loại khí xác định

trong hỗn hợp khí Sự có mặt của các khí khác không ảnh hưởng hoặc ít ảnh hưởng

đến sự thay đổi của cảm biến Khả năng chọn lọc của cảm biến phụ thuộc vào các

yếu tố như: vật liệu chế tạo, loại tạp chất, nồng độ tạp chất và nhiệt độ làm việc của

cảm biến

1.1.3.4 Tính ổn định

Tính ổn định là khả năng làm việc ổn định của cảm biến sau thời gian dài sử

dụng Kết quả đo cho giá trị như nhau trong các điều kiện môi trường như nhau

trong một thời gian dài

I.1.3.5 Nhi ệt độ làm việc tối ưu của cảm biến

Nhiệt độ làm việc là một yếu tố ảnh

hưởng rất lớn đến độ nhạy của cảm biến Với

mỗi cảm biến thì luôn có một nhiệt độ mà tại đó

độ nhạy đạt giá trị lớn nhất gọi là TM Đường độ

nhạy phụ thuộc vào nhiệt độ làm việc thường có

dạng như hình I.6 [6]

Hình I.6 Sự phụ thuộc của độ nhạy

theo nhiệt độ làm việc

I.2 C ấu trúc, phương pháp chế tạo và đặc tính nhạy khí của vật liệu SnO 2

I.2.1 V ật liệu SnO 2

I.2.1.1 C ấu trúc vật liệu SnO 2

Trong quá trình nghiên cứu vật liệu, cấu trúc là một thông số quan trọng quyết

định đến tính chất vật lý và hoá học [7] Trong phần này chúng tôi đưa ra một số

đặc điểm chính của vật liệu SnO2

Vật liệu SnO2 có pha rutile bền vững với cấu trúc tetragonal Hình I.7 chỉ ra

mô hình cấu trúc ô đơn vị của vật liệu này

 Cation Sn4+ chiếm vị trí (0,0,0) và (1/2,1/2,1/2) trong ô cơ bản

 Anion O2- chiếm các vị trí ±(u,u,0) và ±(1/2+u,1/2-u,1/2)

Trong đó u là thông số nội có giá trị 0,307

 Thông số mạng: a=b= 4.7384 Å và c= 3.1871 Å

 c/a =0.6726

I.2.1.2 Tính chất vật liệu SnO 2

Vật liệu SnO2 là bán dẫn loại n, bề rộng vùng cấm Eg= 3.6 eV Bản chất của

mức donor là do các sai hỏng mạng ở dạng nút khuyết Oxy Mức năng lượng của

donor nằm ngay sát vùng dẫn (cách vùng dẫn từ 0.03÷0.15 eV) do đó nó bị ion hoá

Hình I.7 Mô hình c ấu trúc ô đơn vị của vật liệu SnO 2

gần như hoàn toàn ở nhiệt độ phòng [8] Độ linh động của điện tử trong ôxít SnO2

µ= 80 cm2/V.s ở 500K và 200 cm2/V.s ở 300K SnO2 có độ ổn định hoá và nhiệt

cao Chính vì tính ổn định hoá và nhiệt cao mà vật liệu SnO2 hiện đang được nghiên

cứu rộng rãi trong các ứng dụng làm cảm biến khí

I.2.2 Các phương pháp chế tạo SnO 2

Có rất nhiều phương pháp chế tạo SnO2 như

I.2.2.1 Phương pháp sol-gel

Phương pháp này có nhiều ưu điểm như dễ làm, ổn định và có thể pha một số

tạp tương đối dễ dàng và độ ổn định và đồng đều của vật liệu cao[18] Quá trình

sol-gel tạo SnO2 gồm quá trình tạo sol và quá trình tạo gel Sol là một dung dịch

huyền phù bền vững của các hạt kích thước từ 10-9 m đến 10-6m phân tán trong môi

trường lỏng Chuyển động Brown tạo nên độ bền của sol Còn gel là hệ phân tán

trong đó pha phân tán và môi trường phân tán đồng đều vào nhau

Trong việc nâng cao độ nhạy và đặc tính làm việc của cảm biến khí thì pha tạp

đóng một vai trò rất quan trọng Hiện nay có nhiều phương pháp để pha tạp, mỗi

phương pháp có đặc trưng riêng và nhiều vấn đề được quan tâm Chế tạo SnO2

bằng phương pháp sol-gel cho ta dễ dàng đưa tạp vào, đồng thời các tạp phân bố có

độ đồng đều cao

I.2.2.2 Phương pháp ốc đảo và oxy hoá nhiệt (RGTO - Rheotaxial Growth and

Thermal Oxidation)

Phương pháp này có hai bước chính [15], đầu tiên kim loại Sn được bay hơi

lên đế có nhiệt độ đế lớn hơn nhiệt độ nóng chảy của Sn (Ts » 250oC > Tm =

232oC) Dưới điều kiện này, hơi Sn có xu hướng tạo thành từng đám có hình dạng

giọt cầu tách rời nhau Trong bước kế tiếp, những giọt Sn được oxy hoá bằng cách ủ

nhiệt trong không khí và màng SnO2 tinh thể được hình thành

I.2.3 Khái quát về tính nhạy khí của SnO 2

Vật liệu tinh thể nano nói chung và vật liệu SnO2 cấu trúc nano tinh thể nói

riêng dẫn điện theo hai cơ chế là dẫn bề mặt và dẫn khối Theo cơ chế dẫn bề mặt

thì các hạt tải được chuyển vận qua biên tiếp xúc của các hạt tinh thể, tuỳ thuộc vào

rào thế hình thành giữa các biên hạt mà sự chuyển vận này dễ dàng hay khó khăn,

đồng thời rào thế giữa các biên hạt chịu ảnh hưởng của các yếu tố bên ngoài như khí

hấp phụ trên biên hạt, điện trường đặt vào… Với cơ chế dẫn khối thì các hạt tải

được vận chuyển trong lòng các hạt tinh thể, như vậy độ dẫn khối phụ thuộc nhiều

vào nồng độ hạt tải tồn tại trong tinh thể Độ dẫn tổng cộng của vật liệu sẽ được

quyết định chính bởi cơ chế cho độ dẫn thấp hơn ứng với hai cơ chế dẫn trên là hai

cơ chế nhạy khí của vật liệu SnO2 :

I.2.3.1 Cơ chế nhạy bề mặt

Đây là cơ chế nhạy dựa trên sự thay đổi độ dẫn bề mặt do sự hấp phụ các loại

khí khác nhau làm thay đổi rào thế giữa các biên hạt (rào thế Schottky) [9]

Hình I.8 Sơ đồ rào thế Schottky tại biên hạt

Ở nhiệt độ làm việc thấp : 300 ÷ 600 °C cơ chế dẫn bề mặt đóng vai trò

quyết định tới độ dẫn của màng do lúc này các phân tử khí không đủ năng lượng để

khuếch tán vào trong khối tinh thể để phản ứng với các nguyên tử trong mạng tinh

thể mà nó chỉ được hấp phụ trên bề mặt, trao đổi điện tích với vùng lân cận bề mặt

hạt làm thay đổi nồng độ hạt tải của vùng đó dẫn tới thay đổi rào thế tại biên Khí

khử hoặc khí ôxy hoá bị hấp phụ hoá học trên bề mặt hạt tinhthể trao đổi điện tử với

hạt làm thay đổi nồng độ điện tích tại vùng lân cận biên hạt làm thay đổi rào thế

Schottky dẫn tới thay đổi độ dẫn của màng

Màng SnO2 xử lý nhiệt trong không khí luôn tồn tại ôxy hấp phụ trên bề mặt,

chúng tồn tại ở các dạng khác nhau như O2, O2-, O-, O2- (hình I.9) tuỳ điều kiện

nhiệt độ mà có thể xảy ra các phản ứng :

O2 + e = O2- => O2- + e = 2O- => 2O- + 2e = 2O

Ở nhiệt độ > 200 °C tồn tại chủ yếu O-

Các phân tử ôxy sẽ lấy điện tử tử biên hạt hình thành một rào thế bề mặt

(hình I.8) làm giảm độ dẫn của

màng Khi làm việc trong môi

trường khí khử sự thay đổi độ dẫn

của màng chủ yếu là do phản ứng

giữa O- với khí khử và nhường điện

tử cho mạng:

( H2 + O-  H2O + e- ) [19]

Khi bề mặt không có ôxy hấp phụ

trước thì khí khử sẽ lấy trực tiếp ion

ôxy và nhường điện tử cho mạng

tinh thể:

H2 + Ola2- = ( OlaH) - + e-

Trong đó O la2- là ion ôxy liên kết

trong mạng tinh thể Như vậy có một mối tương quan giữa độ dẫn điện của màng

với nồng độ khí trong môi trường Trong điều kiện làm việc ổn định thì lượng khí

hấp phụ tỉ lệ với áp suất riêng phần của khí đó trong môi trường

S

V nkT

A

σ = − (1.4)

Với σ là độ dẫn của vật liệu, A là hằng số chuẩn hoá,VS là thế bề mặt tỷ lệ

với loga của áp suất khí riêng phần trên bề mặt vật liệu

I.2.3.2 Cơ chế nhạy khối

Cơ chế dẫn khối là sự chuyển dịch của hạt dẫn bên

trong lòng các hạt tinh thể Dẫn khối quyết định bởi

nồng độ hạt dẫn có mặt trong hạt [10]

Ở nhiệt độ cao trên 700 °C, khí hấp phụ được hoạt

hoá mạnh dịch chuyển vào bên trong hạt, đồng thời các

VËt lý HÊp phô Ho¸ häc Kh«ng bÒn M¹ng

Hình I.9 Năng lượng của các pha khí

hấp phụ trên bề mặt

vị trí khuyết ôxy trong khối khuếch tán nhanh ra bề mặt và xảy ra phản ứng giữa khí

hấp phụ với nút khuyết dẫn tới sự thay đổi nồng độ hạt dẫn

+ Với ôxy, phản ứng O- + e = O- - chiếm ưu thế O- - + Vo + 2e = Ola dẫn tới

độ dẫn khối giảm nhanh, rào thế bề mặt đạt trạng thái ổn định do đó cơ chế nhạy

khối đóng vai trò quyết định tới độ dẫn

+ Với hyđrô : H2 + Ola - - = H2O + Vo , nồng độ nút khuyết tăng, độ dẫn tăng

mạnh

Sự phụ thuộc của độ dẫn vào nồng độ qua áp suất khí riêng phần :

A E

20/

=

với m = 4 ÷ 6 Trong đó EA là năng lượng liên kết Sn - O

( ) 1/4

2/

A E

=

Độ dẫn khối tỉ lệ với 1/P hoặc O2 1/P H2

I.2.4 Các yếu tố ảnh hưởng tới độ nhạy khí

I.2.4.1 Ảnh hưởng của kích thước và độ xốp của hạt tới độ nhạy khí

Độ nhạy và tính chọn lọc khí của vật liệu có thể cải thiện bằng cách đưa vào

các tạp chất khác nhau Các tạp chất thường dùng là Pt, Pd, Nb, Cu, Co, Ni, W

Ngoài ra, các nghiên cứu cho thấy ảnh hưởng của quá trình khuếch tán khí vào sâu

trong lớp vật liệu nhạy cũng quyết định nhiều đến tính chọn lọc, độ nhạy khí nhất là

với các khí có phân tử lượng lớn Vật liệu có độ xốp khác nhau thì khả năng khuếch

tán của các nguyên tử khí vào màng là khác nhau [2] Do kích thước lỗ xốp trong

vật liệu tạo ra bởi các hạt do đó khi khống chế được kích thước lỗ xốp thông qua

khống chế kích thước hạt ta có thể tạo ra được các vật liệu có độ chọn lọc và độ

nhạy cao với mỗi loại khí Theo lý thuyết khuếch tán cho thấy độ nhạy tăng khi kích

thước lỗ xốp tăng [11]

Các tính toán cho thấy rằng lớp nghèo điện tích của các hạt nano tinh thể do

hấp phụ ôxy có chiều sâu L ~ 3 nm (chiều dài Debye) Như vậy để dẫn điện trong

màng thì hạt dẫn phải vượt qua hai lớp nghèo trên mỗi hạt ứng với quãng đường là

2L ~ 6 nm Khi kích thước D của hạt ≤ 2L thì toàn bộ hạt nghèo điện tử khi hấp phụ

ôxy trên bề mặt Khí hấp phụ ảnh hưởng mạnh tới độ dẫn và việc nhả khí cũng dễ

dàng Do đó cho độ nhạy cao, đáp ứng nhanh Khi D > 2L (cỡ vài chục nm), hạt dẫn

theo 2 cơ chế tuỳ thuộc điều kiện nhiệt độ và áp suất riêng phần của ôxy Ôxy hấp

phụ trên bề mặt ảnh hưởng tới độ dẫn bề mặt ở nhiệt độ 300 - 600oC Khuếch tán

vào khối ảnh hưởng tới độ dẫn khối ở trên 700oC Như vậy màng cho độ nhạy thấp

hơn, đáp ứng chậm hơn Với D >> 2L, kích thước hạt tinh thể quá lớn do đó sự

khuếch tán khí vào trong khối rất khó, nồng độ hạt dẫn thay đổi không đáng kể Bởi

vậy chỉ có cơ chế bề mặt giữa các nhóm hạt tách biệt còn trong nhóm hạt tiếp xúc

nhau thì hạt dẫn chuyển dịch dễ dàng Màng cho độ nhạy thấp, đáp ứng chậm

Như vậy độ nhạy tăng khí kích thước hạt giảm nhất là khi kích thước hạt

giảm tới cỡ hai lần chiều dày Debye Tuy nhiên với các khí có phân tử lượng lớn thì

kích thước hạt khi điều khiển các kích thước lỗ xốp cũng rất quan trọng Với mỗi

loại khí cần khảo sát chúng ta cần đưa ra quy trình chế tạo và xử lý vật liệu thích

hợp để có thể đạt được kích thước hạt tối ưu

Hình I.10 Ảnh hưởng của kích thước hạt đến cơ chế nhạy khí

I.2.4.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ làm việc

Nhiệt độ làm việc là một yếu tố ảnh hưởng rất lớn đến độ nhạy của cảm biến

Thông thường đối với một cảm biến thì luôn có một nhiệt độ mà tại đó độ nhạy đạt

giá trị lớn nhất gọi là TM

Sự phụ thuộc vào nhiệt độ này có thể do nhiều nguyên nhân :

- Đầu tiên sự thay đổi theo nhiệt độ là do số lượng các ôxy hấp phụ và loại ôxy hấp

phụ ở nhiệt độ thấp (dưới 200 oC) thì ôxy chỉ hấp phụ dạng phân tử và với lượng ít,

khi nhiệt độ lên cao (trên 300 oC) thì có các ôxy hấp phụ dạng nguyên tử và có hoạt

tính cao hơn Tuy nhiên khi nhiệt độ quá cao (trên 600 oC) thì lượng ôxy hấp phụ lại

giảm Điều đó chứng tỏ là chỉ có một khoảng nhiệt độ mà ở đó lượng ôxy hấp phụ

lớn nhất khi mà năng lượng của ion hấp phụ phù hợp với năng lượng nhiệt

- Một mặt khi nhiệt độ tăng thì làm tăng khả năng phản ứng của ôxy hấp phụ với

khí đo (ở đây là khí khử) nhưng đồng thời lại có sự khuếch tán ôxy nhanh ra ngoài

làm giảm độ dẫn khối của vật liệu

- Một điểm nữa khi thay đổi nhiệt độ đó là khả năng khuếch tán của khí đo vào

trong khối vật liệu Khi nhiệt độ tăng thì tăng hệ số khuếch tán của khí vào trong

khối cảm biến nhưng đồng thời cũng tăng khả năng khí khuếch tán ngược trở lại

môi trường

Vì các lý do đó nên đối với từng loại khí đo, từng loại vật liệu, kích thước

hạt, kích thước cảm biến mà ta có một nhiệt độ tối ưu cho độ nhạy khí

Cũng do khoảng nhiệt độ nhạy tối ưu của các loại khí là khác nhau nên ta có

thể lợi dụng tính chất này để chọn lọc khí : thay đổi nhiệt độ làm việc đối với các

khí đo khác nhau

I.2.4.3 Ảnh hưởng của chiều dày màng

Trong các kích thước hình học của cảm biến thì bề dày màng là yếu tố quan

trọng nhất Bề dày màng ảnh hưởng rất lớn đến độ nhạy cũng như thời gian hồi đáp

Theo lý thuyết khuếch tán [11], ảnh hưởng của bề dày màng là do khả năng

khuếch tán của các khí đo vào trong khối cảm biến Mô hình của màng mỏng nhạy

khí như hình I.11

Hình I.11 Mô hình c ủa cảm biến khí dạng màng

Nếu phản ứng bề mặt tuân theo phương trình động học bậc nhất thì nồng độ của

khí đo theo thời gian và chiều sâu tính từ bề mặt được tính trên cơ sở phương trình

khuếch tán

K A K

x

C D t

t : là thời gian k: là hằng số x: là khoảng cách khuếch tán

DK: là hệ số khuếch tán Knudsen

DK là hàm của kích thước hạt và khối lượng nguyên tử M

DK=

2 / 1

23

Khí tới

Lớp màng xốp nhạy khí

Đế

và xem nồng độ ôxy bên trong màng giảm theo phản ứng bề mặt không đáng kể vì

nồng độ ôxy lớn (21%) trong khi nồng độ khí chỉ 1-1000 ppm ta có nghiệm:

m

m L x C

C S A

A

cosh

)1cosh(

Từ phương trình trên ta thấy khi m tăng hay L tăng thì giảm hiệu suất nhạy

của màng do đó độ nhạy giảm

Hình I.12 S ự suy giảm của nồng độ khí theo chiều sâu khuếch tán [11]

Nếu độ dẫn của màng tại các vị trí là σ(x) thì ta có sự phụ thuộc độ dẫn theo

nồng độ khí như sau:

σ(x)=σo(1+aCA) trong đó: σ(x) là độ dẫn trong khí

σo(x) là độ dẫn trong không khí

Từ đó ta có công thức tính độ nhạy :

m

aC R

R g

a

tanh

Sự phụ thuộc độ nhạy theo kích thước màng với một vài giá trị của (k/DK)1/2

như tính toán với vật liệu SnO2 khi có mặt của khí H2 và CO được trình bày trên

hình I.13 Ta thấy là khi bề dày màng mỏng càng nhỏ thì độ nhạy càng cao, tuy

nhiên khi màng mỏng thì ta gặp khó khăn là điện trở của màng cao Do đó việc đo

đạc khó, tín hiệu nhỏ, dẫn đến sai số lớn

Hình I.13 S ự phụ thuộc độ nhạy theo kích thước màng với

một vài giá trị của (k/D K ) 1/ 2[11]

Từ lý luận trên ta thấy là cần chọn bề dày màng cho phù hợp để vừa được độ

nhạy cao vừa có điện trở thích hợp Trong nhiều trường hợp ta phải phủ màng nhiều

lớp để được độ dày mong muốn

Ngoài ra chiều dày của màng cũng ảnh hưởng đến nhiệt độ làm việc tối ưu

của màng, thường thì chiều dày màng giảm thì nhiệt độ làm việc tối ưu tăng do

nhiệt độ làm việc tối ưu liên quan đến quá trình khuếch tán và phản ứng bề mặt

Tính toán lý thuyết chỉ ra sự ảnh hưởng chiều dày màng đến độ nhạy và nhiệt độ

làm việc tối ưu (hình I.16) Từ những nghiên cứu trên cho ta thấy chiều dày màng

ảnh hưởng nhiều đến đặc trưng nhạy khí của linh kiện Khi chiều dày màng giảm thì

độ nhạy tăng và khi đó nhiệt độ làm việc tối ưu cũng thay đổi theo

Hình I.14 S ự phụ thuộc của độ nhạy

và điện trở theo chiều dày màng [11]

Hình I.15 S ự ảnh hưởng chiều dày màng đến độ nhạy và nhiệt độ làm việc [11]

C HƯƠNG II: THỰC NGHIỆM II.1 Các công ngh ệ chế tạo vi điện tử

Phòng sạch - Việc chế tạo cảm biến cần phải thực hiện

trong phòng sạch Quy trình chế tạo đòi hỏi điều kiện môi trường nghiêm ngặt : độ ẩm, nhiệt độ, mật độ hạt bụi trong môi trường, độ rung, độ nhiễm điện từ Phòng sạch thông thường được thiết kế thành ba khu vực : phòng xám, phòng trắng và phòng vàng Trong đó phòng vàng là nơi

có điều kiện khắt khe nhất, cũng là nơi tiến hành các bước công nghệ trực tiếp với phiến chế tạo linh kiện

Xử lý bề mặt - Trước khi thực hiện một công đoạn chế tạo linh kiện trên một

phiến, đòi hỏi chất lượng bề mặt tốt Điều này đòi hỏi phải xử lý phiến - việc đầu tiên

người làm công nghệ cần thực hiện trong phòng sạch Công đoạn làm sạch bề mặt

phiến silicon thường được thực hiện nhờ các axit mạnh, các chất có tính ôxi hoá như

HNO3, H2SO4, H2O2 và HF Việc xử lý bề mặt sẽ giúp chúng ta loại bỏ những tạp vô

cơ, hữu cơ hoặc sai hỏng trên bề mặt tấm silicon trước khi thực hiện các bước công

nghệ tiếp theo

Ôxi hoá - Trong quá trình chế tạo mạch tích hợp người ta thường phải dùng

lớp SiO2 trên bề mặt tinh thể Si Lớp SiO2 này có hệ số dãn nở nhiệt gần bằng hệ

số giản nở nhiệt của Si, có tác dụng bảo vệ bề mặt các linh kiện bán dẫn dưới tác

dụng của môi trường bên ngoài, che chắn bề mặt Si trong quá trình khuếch tán định

xứ các tạp chất như P và B Ngoài ra lớp SiO2 còn được sử dụng làm cực (gate) cửa

cho bóng bán dẫn (transistor) Có nhiều phương pháp tạo ra lớp SiO2 nhưng phương

pháp được sử dụng rộng rãi nhất để nhận lớp SiO2 là phương pháp ôxy hoá ở nhiệt

độ cao (khoảng 10000C -11000C)

Hình II.1 Phòng vàng

Khuếch tán - Đây là kỹ thuật được sử dụng rộng rãi trong công nghệ bán

dẫn để chế tạo các vùng chuyển tiếp của transitor Có nhiều phương pháp để khuếch

tán tạp tạo vùng chuyển tiếp P-N khác nhau như phương pháp khuếch tán ở nhiệt độ

cao, phương pháp cấy ion Tuỳ thuộc vào đế silicon và mục đích của việc pha tạp

người làm công nghệ sẽ phải dùng hai loại tạp phổ biến nhất là Boron (B) hoặc

phốtpho (P) cho quá trình này

Quang khắc (photolithography) - Là tập hợp các quá trình quang hoá nhằm

tạo ra các chi tiết trên bề mặt phiến silicon có kích thước và hình dạng giống như

thiết kế Mặt nạ (mask) được thiết kế để truyền hình ảnh trên phiến Mặt nạ thường

là một tấm thuỷ tinh hữu cơ được phủ một màng crôm trên đó khắc hoạ những chi

tiết phù hợp với thiết kế của cảm biến

Người ta phủ lên trên bề mặt

phiến vật liệu có tính chất nhạy sáng

đặc biệt gọi là chất cản quang

(photoresist) – thường được gọi là

chất cảm quang Chất cảm quang phải

bảo đảm tính chất: nhạy quang, bền

vững trong các dung môi axít hoặc

kiềm Chất cảm quang có nhiệm vụ là

lớp bảo vệ có hình dạng cần thiết cho

bề mặt khỏi bị tác dụng của các dung

môi hoá học Người ta phân loại cảm

quang thành hai loại: cảm quang

dương và cảm quang âm dựa vào cơ

chế phản ứng xảy ra trong cảm quang

khi bị chiếu sáng và sự thay đổi tính

chất trong quá trình chiếu sáng

C ảm quang SiO 2

Đế Si Ánh sáng UV

Đế Si Ánh sáng UV

Sau khi chiếu sáng (thường bằng ánh sáng tử ngoại), phải sử dụng dung dịch

hiện (developer) để hiện hình những chi tiết tạo ra trên lớp cảm quang Quá trình

này giống như quá trình rửa ảnh trong kỹ thuật nhiếp ảnh Ở mặt nạ đầu tiên quá

trình quang khắc được thực hiện khá đơn giản: đặt phiến silicon lên gá, thiết lập các

điều kiện cần thiết như chân không, khí nén, chế độ tiếp xúc, công suất chiếu sáng,

thời gian chiếu sáng … và chiếu sáng

Tuy vậy để chế tạo một mạch tổ hợp người ta

phải dùng tới nhiều bộ mặt nạ khác nhau Để chế tạo

các chi tiết trên cùng một phiến đòi hỏi quá trình

truyền hình ảnh từ mặt nạ đến phiến phải chính xác

Để làm điều này người ta phải dùng một kỹ thuật

gọi là kỹ thuật đồng chỉnh (so mask hay mask

aligner) Kỹ thuật này được thực hiện thông qua những dấu hiệu gọi là dấu so (mask

marks) với sự trợ giúp quang học (kính hiển vi, CCD camera…) và hệ vi chỉnh cơ

khí theo các chiều X,Y và chỉnh méo Thông qua những dấu so đặc biệt này người

ta có thể chắc chắn được rằng mọi chi tiết trên phiến silicon nhận được từ các mặt

nạ khác nhau là trùng khít lên nhau

Ăn mòn – Trong nghệ vi điện tử, ăn mòn là một kỹ thuật rất hay được sử

dụng Có hai phương pháp ăn mòn chính là : ăn mòn ướt và ăn mòn khô

Ăn mòn ướt - Đây là kỹ thuật thông dụng nhất trong công nghệ bán dẫn

Ngay từ công đoạn phiến vừa mới được cưa ra khỏi thỏi silion từ nhà máy sản

xuất phiến, các hóa chất đã được sử dụng để mài nghiền và đánh bóng cuối cùng

chúng ta thu được một tấm silicon phẳng và nhẵn Đối với những thiết bị đơn lẻ

hoặc mạch tích hợp có kích thước đủ lớn (> 3 µm), hoá chất ăn mòn được sử dụng

để khắc những hoạ tiết và mở cửa sổ trên lớp vật liệu điện môi

Ăn mòn khô - trong kỹ thuật ăn mòn khô, phiến được đưa vào trong buồng

chân không, sau đó hỗn hợp khí dùng cho ăn mòn được đưa vào trong buồng phản

Hình II.3 M ặt nạ (mask)

ứng Ở chân không thích hợp, dưới tác dụng của nguồn cao tần, khí ăn mòn bị ion

hoá và chúng ta thu được hỗn hợp plasma của khí nói trên

Kỹ thuật màng mỏng – chủ yếu để tạo những lớp vật liệu có bề dày như

mong muốn lên trên một lớp vật liệu khác Đây là quá trình đòi hỏi khá nhiều kiến

thức bổ xung như kỹ thuật chân không, cấu trúc vật liệu…Các kỹ thuật cơ bản để

tạo màng mỏng ở đây gồm hai phương pháp – vật lý và hoá học Phương pháp vật

lý bao gồm: phún xạ (sputtering), bốc bay nhiệt (evaporation), phương pháp phun

tĩnh điện… Trong khi đó phương pháp hoá học có: lắng đọng hoá học pha hơi

(CVD), lắng đọng hoá học pha hơi áp suất thấp (LPCVD) và sol-gel

Đo đạc và khảo sát thông số công nghệ - đây là giai đoạn sau khi phiến đã

đi qua các bước công nghệ trong phòng sạch Các đặc tuyến I-V, C-V hoặc điện trở

(R), dòng dò, chế độ làm việc.…của linh kiện cần được khảo sát Sau đó là quá

trình tách rời các linh kiện khỏi phiến, đóng gói

II.2 Thi ết kế và chế tạo cảm biến bằng công nghệ vi điện tử

II.2.1 C ấu tạo cảm biến

Hiện nay, có rất nhiều loại cảm biến khí dạng màng mỏng hoạt động dựa trên

sự thay đổi điện trở được chế tạo Người ta phân loại dạng cảm biến khí này ra

thành 2 dạng chính: Dạng cảm biến khí dạng màng mỏng loại một mặt và loại hai

mặt

Cả hai dạng cảm biến này đều cấu tạo gồm 3 phần chính là điện cực, lò vi

nhiệt và lớp nhạy khí được tích hợp lên đế SiO2/Si/SiO2 Tuy nhiên mỗi cảm biến

lại có những đặc điểm riêng để phù hợp với mục đích sử dụng Ở cảm biến khí

màng mỏng loại một mặt thì lò vi nhiệt, điện cực và lớp nhạy khí nằm cùng trên

một mặt phiến SiO2/Si/ SiO2 Còn ở cảm biến khí màng mỏng loại hai mặt thì lớp

điện cực và lò vi nhiệt nằm về 2 mặt của đế SiO2/Si/SiO2 Cảm biến loại một mặt có

ưu điểm cấu trúc đơn giản, dễ chế tạo Trong đề tài này chúng tôi đã lựa chọn chế

tạo cấu trúc cảm biến loại một mặt (planar), đồng thời ứng dụng công nghệ vi cơ

điện tử ăn mòn mặt sau của cảm biến để giảm công suất tiêu thụ của cảm biến

Trên cơ sở lựa chọn đó, chúng tôi đưa ra cấu trúc cảm biến hoàn thiện như

trên hình II.4 [13, 20]

Hình II.4 C ấu tạo cảm biến

Cấu tạo cảm biến gồm 3 phần chính: Lò vi nhiệt được chế tạo bằng platin

được thiết kế bao quanh 2 điện cực platin, 2 điện cực này nằm dưới lớp màng nhạy

khí SnO2 Việc sử dụng lò vi nhiệt bằng platin nhằm tạo độ ổn định cho cảm biến

khi làm việc ở nhiệt độ cao Mặt sau của cảm biến được ăn mòn đến lớp SiO2

Hai cực của lò vi nhiệt được nối với hệ cấp nguồn, ứng với giá trị điện áp đầu

vào xác định, lò vi nhiệt sẽ có nhiệt độ xác định tương ứng Từ việc khảo sát mối

quan hệ điện áp và nhiệt độ của lò ta sẽ tìm được công suất hoạt động tối ưu nhất

của cảm biến Hai điện cực của cảm biến được nối với hệ đo gồm máy tính và máy

xử lý tín hiệu Việc ăn mòn mặt sau, tẩy bớt một số phần vật liệu không cần thiết

nhằm giúp cảm biến tiêu thụ ít công suất, dễ dàng lên đến nhiệt độ làm việc với điện

áp đầu vào nhỏ

II.2.2 Thi ết kế cấu trúc cảm biến và mask quang học

Với mục tiêu chế tạo được cảm biến với công suất tiêu thụ nhỏ thì hình dạng,

kích thước cũng như bề dày của lò vi nhiệt và điện cực platin là những yếu tố rất

quan trọng Phải làm sao để cảm biến đạt được nhiệt độ làm việc chỉ với điện áp đầu

vào trong khoảng 2,5V-10V Đó là một bài toán xuyên suốt trong quá trình công

nghệ của chúng tôi

Điện trở của lò vi nhiệt có thể xác định qua công thức :

l S

ρ (2.1)

Với platin điện trở suất có giá trị : ρ = 0,106 µΩm

Muốn thay đổi giá trị điện trở ta có thể thay đổi chiều dài l hoặc diện tích S

Để thay đổi chiều dài của lò vi nhiệt là phức tạp hơn là thay đổi diện tích vì vậy ta

sẽ thay đổi S để được diện trở phù hợp

S = D.T

D : là bề rộng của lò vi nhiệt; T : là chiều dày của màng platin

Chính vì vậy mà những thông số thiết kế và chế tạo như bề rộng của lò vi

nhiệt và chiều dày của màng platin ảnh hưởng rất lớn đến công suất hoạt động của

cảm biến Dựa trên những tính toán và tham khảo chúng tôi đưa ra cấu trúc cảm

biến với các thông số như trên hình II.5

Hình II.5 Các thông s ố của cảm biến (đơn vị đo µm ) a) Thông s ố cấu trúc mặt trên b) Thông s ố cấu trúc mặt dưới

Với cấu trúc chúng tôi định chế tạo điện trở của lò vi nhiệt có thể xác định

bằng công thức như sau : R= 22 [ ]

T[ μm] Ω (2.2) Trong đó T[µm] : là bề dày của lớp platin tính theo đơn vị micrô mét

Điện áp đặt vào cảm biến khí thường có giá trị nhất định, muốn khống chế

công suất tiêu thụ của cảm biến thường chỉ thay đổi điện trở của lò vi nhiệt Với

hình dạng phẳng của lò như trên, chúng tôi thay đổi bề dày lớp platin

Từ các thông số thiết kế và tính toán chúng tôi tiến hành thiết kế bộ mặt nạ

quang học (mask) Do chúng tôi sử dụng phiến Si 4 inch để chế tạo cảm biến nên

loại mask chúng tôi sử dụng có dạng hình vuông với kích thước 5x5 inch Để tạo

được cấu trúc cảm biến như mong muốn chúng tôi phải sử dụng bộ 3 mask quang

học (Hình II.6 và hình II.7) Mask thứ nhất là mask khắc hình dạng điện cực và lò vi

nhiệt, mask thứ hai là mask khắc hình vùng màng nhạy khí trên và mask thứ 3 để

khắc hình vùng cần ăn mòn mặt sau Phần điện cực, lò vi nhiệt và vùng nhạy khí

đều được chế tạo dựa trên kỹ thuật lift-off

1220

420 90

Hình II.6 Hình d ạng các mask sử dụng chế tạo cảm biến

Hình II.7 Hình d ạng phóng to các mask sử dụng chế tạo linh kiện cảm biến

(a) Mask t ạo hình dạng điện cực và lò vi nhiệt (b) Mask tạo vùng màng nhạy trên 2 điện cực (c) Mask tạo vùng ăn mòn mặt sau phiến

II.2.3 Quy trình chế tạo cảm biến bằng công nghệ vi điện tử

Tất cả quá trình chế tạo cảm biến từ xử lý phiến, ô-xi hóa phiến rồi đến các

quá trình quang khắc, phún xạ, ăn mòn…đều được chúng tôi tiến hành trong phòng

sạch tại viện đào tạo quốc tế về khoa học vật liệu (ITIMS) Để chế tạo được linh

kiện cảm biến như yêu cầu, từ phiến Silic ban đầu chúng tôi đã thực hiện quy trình

qua các bước công nghệ trung gian và cuối cùng được hàng trăm linh kiện cảm biến

có cấu trúc hoàn thiện trên đế SiO2/Si/ SiO2

Dưới đây là những bước công nghệ cơ bản để chế tạo được linh kiện cảm

biến như yêu cầu

Vật liệu: Phiến Silic được sử dụng để chế tạo cảm biến là phiến Silic 4 inch

định hướng (100), dày 380±10 µm, điện trở suất 1-5Ω.cm

H ệ mask: Cần 3 mask để chế tạo linh kiện cảm biến có cấu trúc như yêu cầu

Mask 1 : mask tạo hình dạng điện cực và lò vi nhiệt

Mask 2 : mask tạo vùng màng nhạy trên 2 điện cực

Mask 3: mask tạo vùng ăn mòn mặt sau phiến

Quy trình công ngh ệ

1 X ử lý bề mặt

Trước khi thực hiện các quy công nghệ trên phiến, phiến silic 4 inch được

rửa theo quy trình chuẩn SC (standard cleaning)

- Rửa phiến trong nước sạch ion trong 3 phút để làm sạch bụi bẩn cơ học,

sau đó quay khô

- Ngâm mẫu trong HNO3 100% ở nhiệt độ phòng, thời gian ngâm là 10 phút để

tẩy các chất hữu cơ và bụi bám trên bề mặt

- Rửa trong nước sạch ion 3 phút Quay khô

- Ngâm trong HNO3 65% (110oC) trong 10 phút (tẩy các kim loại nặng)

- Rửa trong nước sạch ion 3 phút Quay khô

- Ngâm trong HF 1% 1 phút để tẩy lớp oxit tự nhiên

- Rửa trong nước sạch ion Quay khô