SE514042C2 - Sensoranordning - Google Patents

Description

514 042 2 filmerna, resulterar emellertid i tvâ viktiga och välkända problem. För det första är det svårt att ha en reproducerbar produktion av detta slag av anordning eftersom känsligheten för olika föreningar till en stor del beror på den exakta fördelningen av den katalytiska metallen över ytan. Känsligheten beror således på den exakta formen och fördelningen av de katalytiska metallkomen, parametrar som är mycket svår att styra under framställningsprocessen. För det andra är långtidsstabiliteten för anordningen begränsad, i synnerhet vid höjda temperaturer eftersom metallskiktet kontinuerligt undergår en omstruktureringsprocess, resulterande i en variation i tiden för den kemiska känsligheten för anordningen. Ett faktum är att för mycket tunna katalytiska metallfilmer kommer den termodynamiska jämvikten endast att uppnås när isolerade metallöar har bildats resulterande i att anordningen inte fungerar alls. Det fmns såle- des ett behov av mer reproducerbara och stabila porösa katalytiska fälteffektsensorer med ka- talytisk film.

Kort beskrivning av uppfmníngen Föreliggande uppfinning avser en gaskänslig fälteffektsensor med porös katalytisk film som ger förbättrad reproducerbarhet och långtidsstabilitet, i synnerhet vid höjda arbetstemperatu- rer. Dessa förbättringar âstadkommes genom deponering av ett tunt katalytiskt skikt på en isolator eller halvledare som har en lämplig och väldefinierad ytmorfologi. Denna morfologi tvingar den katalytiska filmen in i en väldeñnierad struktur under framställningsprocessen (därigenom förbättrande reproducerbarheten) och förhindrar metallen från att återstruktureras under drift (därigenom förbättrande lângtidsstabiliteten). En ytterligare fördel järnförd med den kända tekniken vid fálteffektssensorer med porös film är att mängden av katalytiskt mate- rial kan ökas för en given grad av porositet. Detta kommer att ytterligare förbättra stabiliteten för sensoranordníngen eftersom de blir mindre känsliga för förgiftningseffekter. En typisk an- ordning i enlighet med uppfinningen är schematiskt visad i fig 2.

I enlighet med det första syftet med uppñrmingen fabriceras en fälteffektgassensor genom de- ponerandet av ett tunt ledande skikt på ett halvledande underlag som har givits en lämplig morfologi genom användning av masknings-, litografr, och etsningstekniker. Den resulteran- de anordningen kan t. ex. drivas som en Schottlcybariiäranordning eller som en tunnlingsan- ordning om ett tunt isolerande skikt har adderats mellan halvledaren och det ledande skiktet.

Det ledande skiktet kan t. ex. bestå av katalytiska metaller, legeringar, eller föreningar eller 514 0.42 3 polymerer i vilket fall vilken halvledare som helst kan användas. Om ett katalytiskt aktivt halvledarsubstrat användes, kan det ledande skiktet vara katalytiskt aktivt eller inaktivt.

I enlighet med det andra syftet med uppfmningen fabriceras en fälteffektgassensor genom deponerandet av ett tunt ledande skikt på ett halvledande substrat som har givits en lämplig morfologi genom användning av en naturligt âstadkommen morfologi resulterande från t. ex. en etsningsprocess eller en deponeringsteknik. Den resulterande anordningen kan, t. ex. drivas som en Schottlqbairiäranordning eller som en tumlingsanordning om ett tunt isolerande skikt har adderats mellan halvledaren och det ledande skiktet. Det ledande skiktet kan t. ex. bestå av katalytiska metaller, legeringar eller föreningar eller polymerer i vilket fall vilken halvledare som helst kan användas. Om ett katalytiskt aktivt halvledande substrat användes, kan det ledande skiktet vara katalytiskt aktivt eller inaktivt.

I enlighet med det tredje syftet med uppfmningen fabriceras en falteffektgassensor genom de- ponerandet av ett tunt ledande skikt på ett isolerande skikt som växt till på ett halvledarsub- strat som har givits en lärnplig morfologi genom användning av masknings-, litografi- och etsningstekniker. Den resulterande anordningen kan t. ex. drivas som fälteffektnansistor eller som en kondensator. Det ledande skiktet kan t. ex. bestå av katalytiska metaller, legeringar, föreningar eller polymerer i vilket fall vilken isolator som helst kan användas. Om en kataly- tisk aktiv isolator användes, kan det ledande skiktet vara katalytiskt aktivt eller inaktivt.

I enlighet med en fjärde uppgift för denna uppñnning fabriceras en falteffektgassensor genom deponerandet av ett tunt ledande skikt på ett isolerande skikt som påväxt på ett halvledarsub- strat som har givits en lämplig morfologi genom användning av en naturligt erhållen morfo- logi resulterande från exempelvis en etsningsprocess eller en deponeringsteknik. Den resulte- rande anordningen kan t. ex. drivas som en falteffekttransistor eller som kondensator. Det le- dande skiktet kan t. ex. bestå av katalytiska metaller, legeringar eller föreningar eller polyme- rer i vilket fall vilken isolator som helst kan användas. Om en katalytisk aktiv isolator använ- des, kan det ledande skiktet vara katalytiskt aktivt eller inaktivt.

I enlighet med ett femte syfte för uppfinningen fabriceras en fálteffektgassensor genom depo- nerandet av ett tunt ledande skikt och ett isolerande skikt odlat på ett halvledarsubstrat där 514 042 4 det isolerande skiktet har givits en lämplig morfologi genom användning av masknings-, lito- grañ- och etsningstekniker. Den resulterande anordningen kan t. ex. drivas som en fálteffekt- transistor eller kondensator. Det ledande skiktet kan t. ex. bestå av katalytiska metaller, lege- ringar eller föreningar eller polymerer i vilket fall vilken isolator som helst kan användas. Om en katalytiskt aktiv isolator användes kan det ledande skiktet vara katalytiskt aktivt eller inaktivt.

I enlighet med ett sjätte syfte för uppfmningen kan en fálteffektgassensor fabriceras genom deponerandet av ett tunt ledande skikt på ett isolerande som växts på ett halvledande substrat där det isolerande skiktet har givits en lämplig morfologi genom användning av en naturligt erhállen morfologi resulterande från t. ex. en etsningsprocess eller en deponeringsteknik. Den resulterande anordningen kan t. ex. drivas som en fálteffektresistor eller som en kondensator.

Det ledande skiktet kan t. ex. bestå av katalytiska metaller, legeringar eller föreningar eller polymerer i vilket fall vilken isolator som helst kan användas. Om en katalytisk aktiv isolator användes kan det ledande skiktet vara katalytiskt aktivt eller inaktivt.

Exempel på anordningar framställda i enlighet med uppfinningen Exempel 1: ovan nämns att ett halvledande substrat eller isolerande skikt med lämplig morfo- logi kan åstadkommas med användning av masknings-, litografi- och etsningstekniker. Denna process skulle t. ex. kunna bestå av följande steg. En resist deponeras på materialet som skall ges en lämplig morfologi. Resisten mönstras med användning av elektronstrâllitografi, t. ex. genom exponerande med ett mönster av kvadrater eller cirklar med någon lämplig storlek, typiskt 100-1000 Å. Efter frarnkallandet av resisten, avlägsnas den oexponerade resisten och materialet under etsas till ett lämpligt djup, typiskt 100-1000 Ä. Den resulterande ytan kom- mer att bestå av en regelbunden samling av 100- 1000 Å höga utsprång åtskilda av diken. Di- kena kommer alla att vara förbundna med varandra och utsprången kommer att vara täckta med resisten. a) Om den ovan beskrivna maskerings-, litografi- och etsningsprocessen utförs med använd- ning av ett halvledarsubstrat, kan en falteffektgassensor i enlighet med det ovan beskrivna första syftet med uppfinningen produceras genom deponerandet av en tunn ledande film (med en tjocklek av 100-1000 Å) ovanpå den yta som resulterar från den ovanstående processen 514 042 5 lärnnande utsprången täckta av resisten. Efter deponerandet av den ledande filmen upplöses resisten med användning av ett lämpligt lösningsmedel så att metallen ovanför resisten avlägs- nas. Den resulterande strukturen kommer att bestå av ett halvledande substrat med ett galler av förbundna diken nästan fyllda med ett ledande material. Den resulterande Schottlcybarriär- anordningen (eller tunnlingsanordningen om ett tunt isolerande skikt har adderats före depone- randet av det ledande skiktet) kommer att ha en reproducerbar gaskänslighet eftersom struktu- ren och porositeten för det ledande skiktet definieras av dikena. Vidare kommer anordningen att ha en god långtidsstabilitet eftersom det ledande skiktet innehålls i dikena och därigenom inte kan struktureras om end vid drift vid hög temperatur. b) Om den ovan beskrivna litografm maskerings-, litografi- och etsningsprocessen genomförs med användning av ett halvledarsubstrat kan en fálteffektgassensor i enlighet med det ovan först beskrivna syftet med uppfmningen också åstadkommas genom deponerandet av en tunn ledande ñhn (tjocklek typiskt 100-1000 Ä) på ovansidan av ytan som erhålles från ovanstå- ende process efter det att resisten som täcker utsprången har avlägsnats med användning av lämpligt lösningsmedel. I detta fall kommer den ledande filmen att täcka hela ytan. Det ledande materialet som innesluts i de förbundna dikena kommer att visa samma stabilitet och reproducerbarhet som i exemplet 1(a) ovan. Det ledande materialet på ovansidan på ut- sprången kommer vid uppvärmning att struktureras om och dras iväg från utsprångens kanter på så sätt att kontakten med det ledande materialet i dikena gär förlorad. Detta skulle kunna leda till oönskade störningar i sensorsvaret beroende på t. ex. laddningseffekter. I syfte att eliminera sådana effekter, är det möjligt att avlägsna ledarmaterialet på toppen av utsprången, t. ex. genom sputtring vis snuddande infall eller genom polering. c) Om den ovan beskrivna maskerings-, litografi- och etsningsprocessen utförs med använd- ning av ett halvledarsubstrat, kan en fálteffektgassensor i enlighet med vad som ovan beskri- vits som det tredje syftet med uppfmningen åstadkommas genom att ett tunt isolerande skikt får växa på toppen av ytan som resulterar från den ovanstående processen efter det att resisten som täcker utsprången har avlägsnats med användning av ett lämpligt lösningsmedel. Isolatom kan antingen växas på med användning av deponeringsteknik såsom exempelvis magnetron- sputtring eller genom termisk pâväxning av en oxid av det halvledande substratet. Den resul- terande strukturen kommer att bestå av ett isolerande skikt med förbundna diken. På toppen 514 042 6 av denna yta kan ett ledande skikt deponeras. Den resulterande fálteffekttransistoranordningen eller -kondensatoranordningen kommer att ha en reproducerbar gaskänslighet eftersom struk- turen och porositeten för det ledande skíktet definieras av dikena. Vidare kommer anord- ningen att ha en god långtidsstabilitet eftersom det ledande skíktet är inneslutet i dikena och inte kan omstruktureras ens vid drift vid hög temperatur. Såsom i exemplet (b) ovan kommer det att finnas ledande material på ovansidan av utsprången som kommer att omstrukturera vid uppvärmning genom att det drar sig bort från utsprångens kanter men detta material kan av- lägsnas med användning av t. ex. ett extra sputtrings- eller poleringssteg. d) Om den beskrivna maskerings-, litograñ och etsningsprocessen utförs med användning av ett isolerande skikt, kan en falteffektgassensor i enlighet med ovan beskrivna femte syftet med uppfinningen åstadkommas att genom att växa på ett tunt skit på ovansidan av ytan som är resultatet av den ovanstående processen. Resisten som täcker utsprången kan avlägsnas som täcker utsprången kan avlägsnas före deponerandet av det ledande skíktet med användning av ett lämpligt lösningsmedel. Den resulterande falteffekttransistoranordningen eller -kondensa- toranordningen kommer ha en reproducerbar gaskänslighet eftersom strukturen och porosite- ten för det ledande skíktet definieras av dikena. Vidare kommer anordningen att ha en god långtidsstabilitet eftersom det ledande skíktet är inneslutet i dikena och därigenom inte kan omstrukturera ens vid drift med hög temperatur. Om resisten som täcker utsprången har av- lägsnats före deponerandet av det ledande skíktet kommer det att finnas ledande material på ovansidan av utsprången. Liksom i exemplen (b) och (c) ovan kommer detta ledande material att struktureras om vid uppvärmning genom att dra sig bort från kanterna vid utsprången, men detta material kan avlägsnas med ett extra sputtrings- eller poleringssteg.

Exempel 2: Ovan har det nämnts att halvledande substrat eller isolerande skikt med lämplig morfolo gi kan åstadkommas genom användning av en naturligt erhållen morfologi resulteran- de från t. ex. en etsningsprocess eller en deponeringsteknik. Exempel på etsningstelmiker är det välkända (foto-) elektrokemiska fabricerandet av porösa skikt av kisel och kiselkarbid. De resulterande skikten har inte den extremt regelbunda morfologi som den som kan erhållas med användning av maskerings- litografi- och etsningstelmik, men medelmorfologin kan kontrolle- ras med en hög grad av noggrannhet. Även om det är möjligt att göra mycket porösa skikt med användning av (foto-) elektrokemiska etsningsprocesser, är det tillräckligt för uppfin- 514 042 7 ningens syfte att framställa skikt med en ojämnhet i en skala på typiskt 100-1000 Å. När väl dessa grova skikt har framställts, kan fungerande fálteffektgassensoranordningar i enlighet med syftena 2, 4 och 6 i enlighet med uppfinningen fabriceras med analogi med exemplen 1(a)-(d) ovan.

Exempel 3: Ovan har det nämnts att ett halvledarsubstrat eller isolerande skikt med lämplig morfologi kan åstadkommas genom användning av naturligt åstadkommen morfologi resulte- rande från t. ex. en etsningsprocess eller deponeringsteknik. Ett exempel på en deponerings- teknik är det tidigare kända deponerandet av ceriumdioxidñlmer. Det har visat sig att det är möjligt att avsätta ceriumdioxid med företrädesexponerade (lll) ytor i pyramidala utsprång på toppen av amorf kiseldioxid. De pyramidala utsprången har typiskt en sidostorlek på 100- 800 Ä och en höjd på 50-250 Ä. Fungerande fälteffektgassensoreranordningar i enlighet med syftet 6 enligt uppfinningen kan fabriceras med användning av dessa naturligt mikrostrukture- rade ceriumdioxidfilmer i analogi med exemplet 1(d) ovan. Detta speciella exempel är särskilt intressant mot bakgrund av de kända katalytiska egenskaperna för ceriumdioxid, vilka modifi- eras t. ex. genom tillsâttandet av spårmängder av koppar på så sätt att ett brett område av olika selektiva sensorer kan tillverkas.

Exempel 4: Ett annat exempel på en deponeringsteknik som kan användas i syfte att åstad- komma en naturlig morfologi lämplig för framställandet av reproducerbara och stabila fält- effektsensorer är det välkända deponerandet av nanopartiklar. Flera tekniker existerar genom vilka partiklar med en reproducerbar storlek i omrâdet 100-1000 Å kan deponeras på en yta.

Fungerande falteffektgassensoranordningar i enlighet med syftet 6 för uppfinningen kan fabri- ceras med användning av sådan teknik på två sätt. Ett sätt är att deponera isoleringspartiklar på ovansidan av ett isolerande skikt varefter en sensor fabriceras i analogi med exemplet 1(d) ovan. Ett andra sätt är att deponera partiklar som kan tjänar som en etsmask på ovansidan av det isolerande skiktet på så sätt att de ytor som inte täcks av partiklarna kan etsas resulterande i ett förbindande nät av diken. Efter avlägsnandet av partiklama med användning av en andra etsningsprocedur, kan sensorer fabriceras genom deponerandet av ett tunt ledande skikt i ana- logi med exemplet 1(c) ovan. Om på ett liknande sätt partiklar som kan tjäna som en ets- ningsmask deponeras på ovansidan av ett halvledande substrat på så sätt att ytorna som ej täcks av partiklar kan etsas resulterande i ett förbundet nät av diken kan sensorer i enlighet 514 042 8 med det andra eller fjärde syftet på uppfinningen fabriceras i analogi med exemplen l(b) och 1(c) ovan.

Claims (10)

514 042 9 PATENTKRAV

1. Förfarande för fabrikation av en katalytisk fálteffektsensor, kännetecknat av framställandet av en mikrosuultmr med en väldefinierad ytmorfologi på en isolator eller halvledare på vilken därefter deponeras ett tunt katalytiskt skikt som i mikrostrukturens spår eller kanaler exempelvis bildar ett sammanhängande nät som av kanalema eller spåren hindras från omstrukturering.

2. Förfarande enligt krav 1, kännetecknat av att mikrostrukturen åstadkommes genom användning av maskerings-, litografi- och etsningsteknik.

3. Förfarande enligt något av föregående krav, kännetecknat av att mikrostrukturen åstadkommes som resultat av en deponeringsteknik, såsom exempelvis sputtring, åstadkommande en naturligt mikrostrukturerad och ojämn yta.

4. Förfarande enligt något av föregående krav, kännetecknat av att mikrostrukturen åstadkommes med ett etsningssteg exempelvis elektrokemisk eller fotoelektrokemisk etsning.

5. Förfarande enligt något av föregående krav, kännetecknat av mikrostrukturens framställning genom snabb torkning eller uppvärmning så att sprickor uppstår.

6. Förfarande enligt något av föregående krav, kännetecknat av ett förâldrande eller initierande av sensom medelst exempelvis värme så att det yttre ledande skiktet kan omstruktureras till en stabil konfiguration med väsentligen endast ledande material i kanalerna eller spåren i strukturen i kontinuerlig kontakt över sensorytan.

7. Förfarande enligt något av föregående krav, kännetecknat av ett poleringssteg i vilket exempelvis genom mekanisk eller sputtringspolering med lutad infallsvinkel metallskiktet på utsprången eller åsarna i mikrosnulrtiiren bearbetas bort reducerande risken för strukturändringar.

8. Katalytisk fálteffektsensor, kännetecknad av att den har ett yttre katalytiskt skikt anordnat på ett underliggande mikrostrukturerat isolator- eller halvledarskikt med en väldefmierad ytrnorfologi så att det katalytiska skiktet i mikrostrukturens spår eller kanaler exempelvis bildar ett sammanhängande nät som av kanalerna eller spåren hindras från omstrukturering.

9. Katalytisk fálteffektsensor, kännetecknad av att det yttre katalytiska skiktet polerats bort på isolatoms eller halvledarskiktets åsar eller utsprång så att det katalytiska skiktet P9816 514 042 10 kommer att ha formen av ett sammanhängande nät av ledande material som är försänkt i det underliggande skiktet.

10. Katalytisk falteffektsensor, kännetecknad av att mellan det yttre katalytiska skiktet och ett underlag av halvledarmaterial har ett tunt isolerande skikt lagts till. P9816