Analitikai szenzorok második rész

Átírás

1 Analitikai szenzorok második rész Galbács Gábor A szilícium fizikai tulajdonságai A szenzorok egy igen jelentős része ma a mikrofabrikáció eszközeivel, közvetlenül a mikroelektronikai félvezető struktúrákkal együtt, azokkal azonos anyagból és azonos módszerekkel készül. Mint ismeretes, a félvezető anyagok közül a szilícium alapú félvezetők a legnépszerűbbek, ami nem véletlen: a Si nagyon gyakori elem, előállítása tiszta kristályos y formában viszonylag y g olcsó és könnyű, y, ráadásul kémiailagg és fizikailagg is ellenálló (pl. olvadáspont 1410 C, forráspont 2355 C; rugalmatlan, a kristályai az acéléhoz hasonló szilárdságúak, stb.). *egykristály 1

2 A szilícium fizikai tulajdonságai A szilíciumnak ráadásul számos olyan fizikai jellemzője van, ami nagyon alkalmassá teszi szenzor struktúrák kialakítására. Például: Sugárzás jellegű stimulusok: Mechanikai jellegű stimulusok: Termikus jellegű stimulusok: Mágneses jellegű stimulusok: Kémiai stimulusok: fotovoltaikus és fotoelektromos hatás, fotokonduktív hatás, stb. piezorezisztív hatás, stb. Seebeck effektus, az elektromos vezetés hőmérsékletfüggése, stb. Hall effektus, stb. Ion szelektív érzékelés, stb. Ezek alapján igen sokféle szenzor és transducer (pl. nyomásmérő, hőmérsékletmérő, erőmérő, foto és ion szelektív szenzorok) készíthetők Si alapanyagból a mikrofabrikáció eszközeivel, amint erre a későbbiekben példákat is látunk. A sokoldalúság mellett két hátrányt is meg kell említeni: 1.) bár a fenti fizikai effektusok erősek, azok hőmérsékletfüggése is jelentős, 2.) A Si nem mutat piezoelektromos effektust. Az utóbbi probléma elhárítható kompozit eszközökkel: pl. egy alkalmas fém oxidjának vékonyrétegét (pl. ZnO) leválasztva a Si ra, előállítható a kívánt eszköz, ami a Si subsztrátban keletkező mechanikai feszültséget továbbítja a piezoelektromos vékonyréteg felé, így elektromos feszültséget produkál. A szilícium fizikai tulajdonságai Meg kell azt is jegyezni, hogy a szilíciumot nem csak a klasszikus egykristály (SCS, single crystral silicon) formában alkalmazzák a szenzorok kialakítására. Az ún. polikristályos szilícium (PS, polysilicon vagy polycrystralline silicon) forma is használatos, amelyet pl. szilán származékok (SiH 4 ) pirolíziséből származó Si krisztallitok leválasztásával állítanak elő. Az egykristályok előállítása (növesztése) leggyakrabban a Czochralski módszerrel történik. SiCl 4(g) + 2H 2(g) Si (s) + 4HCl (g) A szenzorok kialakításához a PS vagy SCS alapanyagot dópolva (mesterségesen szennyezve) használják fel. SiH 4

3 A szilícium fizikai tulajdonságai AzSCSésPSfizikaitulajdonságaitöbb szempontból is eltérőek, amelyeket egyes effektusokon és azok hőmérséklet függésén, illetve a szennyező anyagok koncentrációján keresztül az alábbi grafikonok is szemléltetnek. Látható pl.: eltérő a fajlagos ellenállásuk a szennyezőkoncentráció függvényében pozitív és negatív hőmérsékleti koefficiens is kialakítható az ellenállás hőmérséklet függése sokkal erőteljesebb PS esetén (SCS esetében közel nulla a tényező) jelentős piezorezisztív érzékenysége van a PS nek Fajlagos ellenállás (A) és annak relatív változása a hőmérséklet és a szennyezőkoncentráció függvényében (B) A fajlagos ellenállás változása a hőmérséklet és szennyezőkonc. függvényében (A), valamint piezorezisztív effektus PS ben (B) A szilícium alapanyag módosítása: dópolás A Si alapanyag módosításának legfontosabb módszerei közé tartozik a dópolás/szennyezés. A Si intrinsic félvezető, vagyis benne a negatív (elektronok) és pozitív (lyukak, vakanciák) töltéshordozók azonos számban fordulnak elő. Ha szennyezők bevitelével a töltéshordozók arányát eltoljuk, akkor szennyezéses félvezetőtő hozunk létre. A szennyezések koncentrációja a /cm 3 körüli, vagyis ppm nagyságrendű arácsalkotósi hoz képest (kb /cm 3 ). n típusú szennyezéses félvezető: a P, As vagy Sb atomokat építenek be, amelyek szabad elektronokat juttatnak a kristályrácsba p típusú szennyezéses félvezető: B, Al vagy Ga atomokat építenek be, amelyek lyukakat juttatnak a kristályrácsba

4 A szilícium alapanyag módosítása: dópolás A Si alapanyag dópolását általában az epitaxiális növesztésével (a rétegvastagság növelése) párhuzamosan, vagy azzal alternálva szokták megvalósítani. A következő elterjedt, fontosabb módszerei ismertek a dópolásra: A) pirolízissel az epitaxiális növesztés során: a PS előállításához hasonlóan, a szilán származék gázba hidrogént és pl. foszfin (n típusú réteghez) vagy pl. bór trietil (ptípusú réteghez) adalékot is kevernek, ami szintén pirolizálódik. A módszer előnye, hogy lényegében tetszőleges vastagságú rétegek is előállíthatók vele (tip.: kb. 5 µm) és növesztésre amúgy is szükség van a félvezető struktúrák készítése során. B) diffúzió: kiteszik a Si lapkát a p vagy n típusú szennyező nagy koncentrációját tartalmazó anyagnak (azzal közvetlen kontaktusba hozzák), majd magas ( C) hőmérséklet alkalmazásával segítik a szennyezőknek a bediffundálását. Ma ritkán használják a módszert, mert bár nagy szennyező koncentrációk hozhatók létre így, a magas hőmérséklet és a felület felérdesítése előnytelen. C) ion implantáció: a gázhalmazállapotú dópoló forrást elbontjál (ionizálják), majd az ionokat kv feszültséggel gyorsítják, mágneses szektorban tisztítják és a nyalábot a félvezetőre irányítják. A módszer gyors, tiszta, de csak a legfelső kb. 1 µm réteg dópolható így. A szilícium alapanyag módosítása: oxidáció Fontos szerep jut az oxidációnak is a félvezető eszközök, struktúrák kialakítása során. A tiszta Si réteg kémiai ellenállóképessége ugyanis lényegesen kisebb, mint a SiO 2 rétegé, ezért mind a maratás, mind a diffúzió során, mind a környezeti hatásokkal szemben (nemkívánt szennyezések) sérülékenyebb, emellett a SiO 2 jó szigetelő is. Midezek miatt rendesen egy kb. 0.5 µm vastag oxidréteget mindig növesztenek a kész félvezetőő struktúrák felületére zárórétegként, illetve azon részeken, amelyeket nem akarnak kitenni az említett műveleteknek (diffúzió/maratás, stb.). Az oxidációt oxigén áramban vagy atmoszférában való hevítéssel történik.

5 A szilícium alapanyag módosítása: fotolitográfia, maratás A mikrostruktúrákat (szigeteket, sávokat, mélyedéseket, stb.) leginkább a fotolitográfia módszerével szokták kialakítani. Ennek (ma már robotizált) lépései a következők: 1. a felület tisztítása,. pl. H 2 O 2 tartalmú oldatokkal 2. a felület szárítása és fotolakk tapadását segítő adalék felvitele 3. viszkózus folyadék formájában felviszik a fotolakkot (photoresist) a felületre és a lapka párezres fordulatszámmal való megpörgetésével azt egy µm vastagságú egyenletes rétegben szétterítik, majd azt a felületre rászárítják C on (30 60 s) 4. egy pozitív vagy negatív maszkon (filmen) keresztül intenzív, egyenletes lézerfénnyel (excimer, UV) világítják meg a lapkát. Ez kémiai roncsolódást okoz a lakkban azokon a részeken, ahol a maszk átlátszik. 5. oldószeres mosás (előhívó, developer) következik, ami az exponált részeket kioldja a lakkból. 6. maratás (etching) következik, ami a lakk által már nem védett részeken megtámadja a félvezetőt, és a szükséges sebességgel kimarja azt. 7. a lakk maradványait oxidatív eljárással eltávolítják a felületről. Illusztrációképpen álljon itt egy Si alapú, nyomásmérő szenzor (piezorezisztorokból) készítésének menete. Si membrán

6 Illusztrációképpen álljon itt egy Si alapú, nyomásmérő szenzor (piezorezisztorokból) készítésének menete. piezorezisztorok Illusztrációképpen álljon itt egy Si alapú, nyomásmérő szenzor (piezorezisztorokból) készítésének menete. Alumínium kontakt felületek 6

7 Kiindulási alapanyag: kb. 400 µm vastag, <100> orientációjú n típusú Si lapka

8

9 KÉSZ!

10 Integrált áramkörök kialakítása félvezető, vezető és szigetelő rétegekből Lézeres mikrofabrikáció Az elmondottakon túl a mikrofabrikáció eszköztárába még sok módszer beletartozik, legfőképpen a lézerekkel megvalósított vágási, fúrási, felület érdesítési, film és rétegleválasztási műveletek, stb., amelyek nem csak félvezetőkben, hanem fémekben, polimerekben is megvalósíthatók és segíthetik a szenzorok vagy kapcsolódó MEMS (micro electromechanical systems) eszközök létrehozását.

11 A Si dióda (p n átmenet) működése Afélvezető dióda strukturálisan két, egymással szoros kontaktusba hozott p illetve n típusú félvezető rétegből áll. Funkcionális jellegzetessége, hogy az áram az egyik irányban könnyen átfolyik rajta, a másik irányban gyakorlatilag nem. Ebből adódóan az elektronikában egyenirányításra, jelfeldolgozásra, logikai áramkörök kialakítására használatos. A záróirányban előfeszített p n átmenetben a széles kiürített sávban nincsenek töltéshordozók, ezért az áramvezetés nagyon csekély (µa na nagyságrendű). Fotoszenzor kialakítására például az ad lehetőséget, hogy a megfelelő energiájú fotonok elnyelődése a félvezető anyagában elektron lyuk párokat hoz létre, ami áramlökésként jelentkezik az áramlökéseket megszámolva megállapítható, hány foton érkezett a szenzorra. A térvezérlésű tranzisztor (FET/MOSFET) működése A Field Effect Transistor (FET, vagy másképpen MOSFET) működésétazalábbiábra illusztrálja. Három kivezetéssel rendelkezik: a hordozóban (pl. p típusú Si) kialakított két n típusú sziget (a forrás vagy source ésanyelő vagy drain ), továbbá a két sziget között, a hordozó felett húzódó, elszigetelt fémelektród (kapu vagy gate ). Ha a kapuelektródán k nincs pozitív ií potenciál, akkor a forrás és nyelő elektródák között nincs vezetés, mivel azok két egymással szembefordított p n átmenetként viselkednek. Ha viszont a kapuelektródára megfelelően nagy pozitív potenciált kapcsolunk, akkor az oda vonzza magához a hordozóban található elektronokat, amelyek keresztirányban könnyen elmozdulhatnak, vagyis áramvezetés jön létre. Mindezek miatt a FET (és minden más tranzisztor is) kapcsolóként vagy erősítőként alkalmazható.

12 A térvezérlésű tranzisztor (FET/MOSFET) működése