CN112760603A - 一种多孔柱状氧化铟气敏薄膜的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多孔柱状氧化铟气敏薄膜的制备方法。采用射频掠射角磁控溅射技术，以氧化铟为靶材，将基片平面法线与靶材平面法线形成的掠射角控制在80°～90°，在硅基片表面沉积氧化铟薄膜，之后将试样置于马弗炉中在400～600℃条件下进行热处理。本发明制备的氧化铟气敏薄膜具有多孔柱状结构，能在150℃的较低温度下检测1ppm的二氧化氮气体，克服了传统粉末状气敏材料工作温度较高的缺点，同时本发明用于气体传感器领域可避免传统气敏粉末的二次转移过程，且与微电子工艺兼容、易于实现硅基集成、适用于工业大规模生产。

Description

一种多孔柱状氧化铟气敏薄膜的制备方法
技术领域
本发明涉及一种薄膜型气敏材料的制备方法，尤其涉及一种氧化铟气敏薄膜的制备方法。
背景技术
随着现代工业的发展，各种化石燃料的燃烧及工业生产过程中排放的有毒有害气体使得地球生态环境日益恶化。二氧化氮是一种常见的大气污染物，是形成酸雨、光化学烟雾的主要物质之一，长时间暴露在高浓度的二氧化氮环境中对人体的伤害极大。因此，对二氧化氮气敏材料的研究具有重要的意义和发展前景。
氧化铟由于对二氧化氮灵敏度高、响应速度快等优点，受到了研究人员的广泛关注。传统工业生产一般采用粉末状气敏材料进行气体传感器的制备，但随着气体传感器向微机电领域发展，气敏粉体的制备与微电子工艺不兼容的劣势越发明显。采用磁控溅射等方法在传感器芯片上原位生长氧化铟薄膜，不仅能解决工艺兼容性问题，同时更容易克服气敏粉体工作温度较高的缺点，因此具有巨大的研究价值。然而，采用常规磁控溅射制备的薄膜较为致密，不满足气敏材料多孔、大比表面积的特点，导致其灵敏度等气敏性能较低，而采用如CN 105803502 B公开的阳极氧化等辅助方法，制备的气敏薄膜虽然性能优异，但工艺较为复杂，且成本较高，不适用于工业大规模生产。因此，如何采用简单工艺制备出高灵敏氧化铟气敏薄膜，使其能应用于工业大规模生产，仍需进一步研究。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多孔柱状氧化铟气敏薄膜的制备方法，采用该方法制备的氧化铟气敏薄膜工作温度较低，对二氧化氮灵敏度较高，同时该方法与微电子工艺兼容、易于实现硅基集成、适用于工业大规模生产。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种多孔柱状氧化铟气敏薄膜的制备方法，该方法包括以下步骤：
1)将硅基片分别置于丙酮、无水乙醇、去离子水中超声清洗15min，之后用氮气吹干；
2)采用氧化铟靶材，以氩气和氧气作为工作气体，采用射频掠射角磁控溅射在硅基片表面沉积氧化铟薄膜，控制基片平面法线与靶材平面法线形成的掠射角为80°～90°；
3)将试样置于马弗炉中进行热处理，热处理温度为400～600℃，热处理时间为2～4h。
所述步骤2)中的溅射工作压强、氧气体积分数、溅射功率、掠射角及所述步骤3)中的热处理温度为影响薄膜气敏性能的主要参数。其中掠射角为最关键的工艺参数，其大小决定了薄膜在生长过程中能否形成多孔柱状结构，最终会显著影响薄膜的气敏性能，掠射角控制在80°～90°时氧化铟薄膜才能形成理想的多孔柱状结构；而溅射工作压强、氧气体积分数、溅射功率、热处理温度及时间均会在一定程度上影响薄膜多孔结构的形成，控制在合适的范围能够进一步提高薄膜的孔隙率，提升薄膜的气敏性能。
优选地，所述步骤2)中本底真空度小于4×10-4Pa，溅射工作压强为0.5～3Pa，氧气的体积分数为20％～60％，溅射功率为50～200W。
优选地，所述步骤2)中溅射工作压强为1Pa，氧气的体积分数为40％，溅射功率为100W，掠射角为85°。
优选地，所述步骤3)中热处理温度为450℃，升温速度为2℃/min，热处理时间为4h。
本发明的有益效果为：
本发明采用射频掠射角磁控溅射有利于控制气敏薄膜的均匀性和一致性，薄膜与基体的附着力高，同时所制备的氧化铟薄膜具备多孔柱状结构，可在150℃的较低温度下检测1ppm的二氧化氮气体，克服了传统粉末状气敏材料工作温度较高的缺点，该制备方法工艺简单，与硅基微电子工艺兼容，易于实现集成，适用于工业大规模生产。
附图说明
图1是实施例1的氧化铟气敏薄膜表面形貌照片；
图2是实施例1的氧化铟气敏薄膜截面形貌照片；
图3是实施例1的氧化铟气敏薄膜在150℃时对不同浓度二氧化氮气体的响应曲线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
实施例1
1)将硅基片分别置于丙酮、无水乙醇、去离子水中超声清洗15min，之后用氮气吹干；
2)采用纯度为99.99％的氧化铟靶材，以纯度为99.999％的氩气和氧气作为工作气体，采用射频掠射角磁控溅射在硅基片表面沉积氧化铟薄膜，控制基片与靶平面法线形成的掠射角为85°，本底真空度为3×10-4Pa，溅射工作压强为1Pa，氧气的体积分数为40％，溅射功率为100W，溅射时间为20min；
3)将试样置于马弗炉中在空气气氛下进行热处理，热处理温度为450℃，升温速度为2℃/min，时间为4h，结束后自然冷却至室温。
实施例1制得的氧化铟气敏薄膜表面形貌如图1所示。从图中可以看出氧化铟薄膜表面疏松多孔，且表面颗粒尺寸较为均匀，基本在50～100nm范围内。
实施例1制得的氧化铟气敏薄膜截面形貌如图2所示。从图中可以看出氧化铟薄膜为柱状结构，厚度约为400nm。
实施例1制得的氧化铟气敏薄膜在150℃的工作温度下对1～50ppm二氧化氮气体的动态响应曲线如图3所示，对1ppm、5ppm、10ppm、20ppm、50ppm二氧化氮的灵敏度分别为1.47、3.01、7.95、15.09、19.78(灵敏度S根据公式S＝Rg/Ra计算得出，其中Rg为氧化铟气敏薄膜在特定浓度的二氧化氮中的稳定电阻值，Ra为薄膜在空气中的稳定电阻值)，对1ppm二氧化氮的响应时间为20s。表明本发明制备的氧化铟气敏薄膜可在较低温度下对低浓度的二氧化氮进行检测，同时具有较快的响应速度。
实施例2
本实施例与实施例1的不同之处在于：步骤2)中掠射角为80°，所制备的氧化铟气敏薄膜在150℃下对1ppm的二氧化氮灵敏度为1.22。
实施例3
本实施例与实施例1的不同之处在于：步骤3)中热处理时间为2h，所制备的氧化铟气敏薄膜在150℃下对1ppm的二氧化氮灵敏度为1.34。
通过实施例2、3可以说明采用实施例1中的优选方案(掠射角设定为85°、热处理时间设定为4h)制备的氧化铟气敏薄膜气敏性能更高，该优选方案对于提高氧化铟气敏薄膜的孔隙率及对二氧化氮的灵敏度更有利。

Claims (4)

1.一种多孔柱状氧化铟气敏薄膜的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1)将硅基片分别置于丙酮、无水乙醇、去离子水中超声清洗15min，之后用氮气吹干；
2)采用氧化铟靶材，以氩气和氧气作为工作气体，采用射频掠射角磁控溅射在硅基片表面沉积氧化铟薄膜，控制基片平面法线与靶材平面法线形成的掠射角为80°～90°；
3)将试样置于马弗炉中进行热处理，热处理温度为400～600℃，热处理时间为2～4h。
2.根据权利要求1所述的多孔柱状氧化铟气敏薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中本底真空度小于4×10-4Pa，溅射工作压强为0.5～3Pa，氧气的体积分数为20％～60％，溅射功率为50～200W。
3.根据权利要求2所述的多孔柱状氧化铟气敏薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中溅射工作压强为1Pa，氧气的体积分数为40％，溅射功率为100W，掠射角为85°。
4.根据权利要求1所述的多孔柱状氧化铟气敏薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中热处理温度为450℃，升温速度为2℃/min，热处理时间为4h。
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