專利名稱：金和鐵摻雜的負(fù)溫度系數(shù)單晶硅熱敏電阻的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種金和鐵摻雜單晶硅負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻制備，屬于半導(dǎo)體傳感器領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
敏感元件和傳感器是國家確定的電子信息產(chǎn)業(yè)的三大支柱之一，被認(rèn)為是最具有發(fā)展前途的電子技術(shù)產(chǎn)品。熱敏電阻由于靈敏度高、可靠性高及價格低廉，被廣泛應(yīng)用于家用電器、工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備、氣象預(yù)測等方面。目前熱敏電阻器常采用的敏感材料主要為氧化物熱敏陶瓷，根據(jù)多晶氧化物半導(dǎo)體的固有規(guī)律，材料常數(shù)B值與其電阻率有著緊密的聯(lián)系，呈現(xiàn)正相關(guān)的特性，因此應(yīng)用氧化物熱敏電阻很難實(shí)現(xiàn)高B低R。摻雜有深能級雜質(zhì)的補(bǔ)償硅半導(dǎo)體材料具有溫度敏感特性，其材料常數(shù)B值與深能級雜質(zhì)的能級位置和摻雜濃度有關(guān)。因此，選擇適當(dāng)?shù)膿诫s雜質(zhì)及濃度就可得到高B值的熱敏材料。在相同電阻情況下補(bǔ)償硅熱敏材料的B值往往大于氧化物陶瓷熱敏材料。在單晶硅中摻雜制備熱敏材料相關(guān)的研究的報道主要有:1983年日本東芝公司研制出摻雜金的硅熱敏電阻，得到材料B值4300K ;中國專利85102901.9 一種摻金硅熱敏電阻器及制造方法，得到材料B值6000K ;中國專利87103486.3摻金、摻鉬單晶硅熱敏電阻，得到材料B值3850K ;中國專利200410092027.4 一種鋅摻雜的負(fù)溫度系數(shù)單晶硅熱敏電阻及其制備方法，得到材料B值3000-6350 ;中國專利200710180002.3過渡金屬多重?fù)诫s負(fù)溫度系數(shù)單晶硅熱敏電阻，得到材料B值4300-4500K ;中國專利200810072972.6金和鎳摻雜單晶硅片式負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻及其制備方法，得到材料B值4750-6000K ;在單晶硅中摻雜金和鐵兩種深能級雜質(zhì) 方法制備熱敏電阻材料相關(guān)的研究未見報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種金和鐵摻雜的負(fù)溫度系數(shù)單晶硅熱敏電阻，該熱敏電阻以金和鐵的金屬鹽作為擴(kuò)散源，采用開管式涂源高溫擴(kuò)散的方法，在高溫條件下將金和鐵擴(kuò)散進(jìn)η型單晶硅中，利用金和鐵在硅中形成補(bǔ)償能級的特性制備出單晶硅熱敏材料，再通過化學(xué)鍍鎳電極、劃片、封裝，即可得到高B值的金和鐵摻雜的負(fù)溫度系數(shù)單晶硅熱敏電阻，其電學(xué)參數(shù) R25r=84KQ-129KQ，B25r /50Γ = 6240Κ-6680Κ。本發(fā)明所述的一種金和鐵摻雜的負(fù)溫度系數(shù)單晶硅熱敏電阻，該熱敏電阻是以金和鐵的金屬鹽氯金酸與氯化鐵作為擴(kuò)散源，采用開管涂源式高溫氣相擴(kuò)散的方法，將金和鐵兩種雜質(zhì)擴(kuò)散進(jìn)η型單晶硅中，制備出單晶硅熱敏材料，再通過化學(xué)鍍鎳電極、劃片和封裝，得到高B值單晶硅負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，其電學(xué)參數(shù)Rg =84Κ Ω-129Κ Ω，B25r /50Γ =6240Κ-6680Κ。所述金和鐵摻雜的負(fù)溫度系數(shù)單晶硅熱敏電阻的制備方法，按照下列步驟進(jìn)行:
a、采用初始電阻率為1Ω.cm，厚度為320μπι的N型單晶硅片，首先將硅片置于去離子水中超聲清洗3min，然后在丙酮中超聲清洗5min，之后在甲醇溶液中超聲清洗5min，去離子水清洗，然后將硅片放置于NH3.H2O = H2O2:H2O=1: 2:5溶液中清洗15min，清洗溫度為75±2°C，冷熱去離子水清洗3-5次，再用0.5%的HF和10%的H2O2混合溶液中浸泡2min，最后在2.0%的HF溶液中浸泡2min，去離子水清洗3_5次，備用；
b、將氯金酸的乙醇溶液與氯化鐵乙醇溶液按照體積比1:1混合后作為擴(kuò)散源溶液，采用兩面滴源法，滴在經(jīng)步驟a處理后的單晶硅片正反面上，紅外燈下烘干至表面呈均勻結(jié)晶狀物質(zhì)，得到表面涂源的樣品；
C、將表面涂源的樣品放入高溫擴(kuò)散爐中進(jìn)行擴(kuò)散，擴(kuò)散溫度為1200°C，擴(kuò)散時間為
2h ；
d、擴(kuò)散程序結(jié)束后，快速冷卻硅樣品，用20目的碳化硼磨去表面氧化層25μ m/面，置于去離子水中超聲清洗3min，然后在丙酮中超聲清洗5min，之后在甲醇溶液中超聲清洗5min,去離子水清洗，然后將硅片放置于NH3 -H2OiH2O2:H2O=1:2:5溶液中清洗15min，冷熱去離子水清洗3-5次，再用0.5%的HF和10%的H2O2混合溶液中浸泡2min，最后在2.0%的HF溶液中浸泡2min，去離子水清洗3-5次；
e、將清洗好的單晶硅樣品采用常規(guī)化學(xué)方法鍍Ni電極，再用劃片機(jī)將樣品劃成尺寸為1_X1_的小芯片，最后小芯片兩面焊接引線，并用環(huán)氧樹脂封裝得到珠狀金和鐵摻雜的負(fù)溫度系數(shù)單晶硅熱敏電阻。步驟a中采用的單晶硅為N型直拉單晶片，晶面為(111)面，電阻率徑向分布
彡 ±5% ο

步驟b中氯金酸乙醇溶液濃度為3.88X10_5mol/ml，氯化鐵乙醇溶液的濃度為
4.62 X 10 0mol/ml-6.94X 10 4mol/ml。步驟b中在單晶硅片正反面上滴源溶液，每面滴0.05 ml。本發(fā)明所述的金和鐵摻雜的負(fù)溫度系數(shù)單晶硅熱敏電阻的制備方法中，氯金酸的乙醇溶液和氯化鐵乙醇溶液的制備，將氯金酸溶于無水乙醇中，配制出濃度為3.88 X l(T5mol/ml ;將氯化鐵溶于無水乙醇中，配制出濃度為4.62 X l(T6mol/ml-6.94X 10 4mol/ml。本發(fā)明所述的金和鐵摻雜單晶硅負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，其基礎(chǔ)為單晶硅半導(dǎo)體，摻雜特定的過渡金屬元素，形成深能級的復(fù)合中心，使材料具有熱敏特性。這種材料基本仍具有晶體硅的晶格結(jié)構(gòu)，不存在廣泛存在于氧化物陶瓷熱敏材料中的晶粒、晶界、氣孔和相分布，并且經(jīng)過嚴(yán)格控制摻雜雜質(zhì)原子在硅中的濃度及分布，能夠得到高B值材料。金和鐵多元素?fù)诫s單晶硅負(fù)溫度系數(shù)熱敏材料的B值在一定條件下隨著摻雜鐵元素濃度的增加而升聞。本發(fā)明所述的一種金和鐵摻雜單晶硅的負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻具有以下特點(diǎn):
1.采用了多重?fù)诫s技術(shù):硅中具有電活性的金原子主要以替位方式存在，鐵在硅中主要以間隙方式存在，替位的金原子和間隙的鐵原子之間相互作用可以形成新的能級結(jié)構(gòu)，在適當(dāng)?shù)臈l件下可以得到高B 值的熱敏材料；
2.選擇了新的摻雜雜質(zhì):選擇了廉價并在硅中可以形成深能級的鐵作為摻雜劑中的一種，與貴金屬雜質(zhì)金同時摻雜；
3.采用了高溫涂源擴(kuò)散工藝，其制備工藝簡單；4.制備處理高B值熱敏材料:利用金和鐵在N型單晶硅中形成的深能級補(bǔ)償特性，制備出高B值材料。本發(fā)明所制備的熱敏電阻B值最高可以達(dá)到6680K。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1
a、采用初始電阻率為1Ω.αιι，厚度為320μπι的N型(111)單晶硅片，首先將硅片置于去離子水中超聲清洗3min,然后在丙酮中超聲清洗5min,再在甲醇溶液中超聲清洗5min,去離子水清洗，然后在NH3.H20:H202:H20=1:2:5 (APM)溶液中清洗15min，保持APM溶液的溫度在75±2°C，冷熱去離子水清洗3次，再用0.5%HF和10%H202混合溶液中浸泡2min，最后在2.0%HF溶液中浸泡2min，冷熱去離子水清洗3次，備用；
b、將的氯金酸和氯化鐵分別溶于無水乙醇中，制備出濃度為3.88X 10_5mol/ml氯金酸乙醇溶液和濃度為4.62X 10_6mol/ml氯化鐵乙醇溶液，將氯金酸的乙醇溶液與氯化鐵的乙醇溶液按體積比1:1混合后，滴在經(jīng)步驟a處理的單晶硅片正反面上，每面滴0.05ml，再紅外燈下烘干至表面呈均勻結(jié)晶狀物質(zhì)；
C、將表面涂源的樣品放入高溫擴(kuò)散爐中進(jìn)行擴(kuò)散，擴(kuò)散溫度為1200°C，擴(kuò)散時間為
2h ；
d、擴(kuò)散結(jié)束后，取出硅片樣品，快速冷卻，后用20目的碳化硼磨去表面氧化層25μ m/面，置于去離子水中超聲清洗3min，然后在丙酮中超聲清洗5min，之后在甲醇溶液中超聲清洗5min，去離子水清洗，然后將硅片放置于NH3.H20:H202:H20=1:2:5溶液中清洗15min，冷熱去離子水清洗3次，再用0.5%的HF和10%的H2O2混合溶液中浸泡2min，最后在2.0%的HF溶液中浸泡2min，去離子水清洗3次；
e、對清洗好的單晶硅樣品采用常規(guī)化學(xué)方法鍍Ni電極，后用劃片機(jī)將樣品劃成尺寸為1_X1_的小芯片，最后小芯片兩面焊接引線，并用環(huán)氧樹脂封裝得到珠狀金和鐵摻雜的負(fù)溫度系數(shù)單晶硅熱敏電阻；
將得到的單晶硅基熱敏材料進(jìn)行電學(xué)性能測試，其電學(xué)參數(shù)R25.e=84KQ，Β25Γ /50-c =6240K。實(shí)施例2
a、采用初始電阻率為1Ω.αιι，厚度為320μπι的N型(111)單晶硅片，首先將硅片置于去離子水中超聲清洗3min,然后在丙酮中超聲清洗5min,再用甲醇溶液中超聲清洗5min,去離子水清洗，然后在NH3.H20:H202:H20=1:2:5 (APM)溶液中清洗15min，保持APM溶液的溫度在75±2°C，冷熱去離子水清洗4次，再用0.5%HF和10%H202混合溶液中浸泡2min，最后在2.0%HF溶液中浸泡2min，冷熱高純水清洗4次，備用；
b、將的氯金酸和氯化鐵分別溶于無水乙醇中，制備出濃度為3.88X 10_5mol/ml氯金酸乙醇溶液和濃度為5.31X10_4mol/ml氯化鐵乙醇溶液，將氯金酸的乙醇溶液與氯化鐵的乙醇溶液按體積比1:1混合后，滴在經(jīng)步驟a處理的單晶硅片正反面上，每面滴0.05ml，再用紅外燈下烘干至表面呈均勻結(jié)晶狀物質(zhì)；
C、將表面涂源的樣品放入高溫擴(kuò)散爐中進(jìn)行擴(kuò)散，擴(kuò)散溫度為1200°C，擴(kuò)散時間為
2h ；
d、擴(kuò)散結(jié)束后，取出硅片樣品，快速冷卻，后用20目的碳化硼磨去表面氧化層25 μ m/面，置于去離子水中超聲清洗3min，然后在丙酮中超聲清洗5min，之后在甲醇溶液中超聲清洗5min，去離子水清洗，然后將硅片放置于NH3.H2O = H2O2 = H2O=1: 2:5溶液中清洗15min，冷熱去離子水清洗4次，再用0.5%的HF和10%的H2O2混合溶液中浸泡2min，最后在2.0%的HF溶液中浸泡2min，去離子水清洗4次；
e、對清洗好的單晶硅樣品采用常規(guī)化學(xué)方法鍍Ni電極，后用劃片機(jī)將樣品劃成尺寸為1_X1_的小芯片，最后小芯片兩面焊接引線，并用環(huán)氧樹脂封裝得到珠狀熱敏電阻；將得到的單晶硅基熱敏材料進(jìn)行電學(xué)性能測試，其電學(xué)參數(shù)R2m=108KQ，/so-C =6500K。 實(shí)施例3
a、采用初始電阻率為IΩ * cm,厚度為320 μ m的N型(111)單晶硅片，首先將硅片置于去離子水中超聲清洗3min，然后在丙酮中超聲清洗5min，之后在甲醇溶液中超聲清洗5min,去離子水清洗，然后在NH3.H2O:H2O2:H2O=1:2:5 (APM)溶液中清洗15min，保持APM溶液的溫度在75±2°C，冷熱去離子水清洗5次，再用0.5%HF和10%H202混合溶液中浸泡2min，最后在2.0%HF溶液中浸泡2min，冷熱去離子水清洗5次，備用；
b、將的氯金酸和氯化鐵分別溶于無水乙醇中，制備出濃度為3.88X 10_5mol/ml氯金酸乙醇溶液和濃度為6.94X 10_4mol/ml氯化鐵乙醇溶液，將氯金酸的乙醇溶液與氯化鐵的乙醇溶液按體積比1:1混合后，滴在經(jīng)步驟a處理的單晶硅片正反面上，每面滴0.05ml，再用紅外燈下烘干至表面呈均勻結(jié)晶狀物質(zhì)；
C、將表面涂源的樣品放入高溫擴(kuò)散爐中進(jìn)行擴(kuò)散，擴(kuò)散溫度為1200°C，擴(kuò)散時間為
2h ；
d、擴(kuò)散結(jié)束后，取出硅片樣品，快速冷卻。后用20目的碳化硼磨去表面氧化層25μπι/面，置于去離子水中超聲 清洗3min，然后在丙酮中超聲清洗5min，之后在甲醇溶液中超聲清洗5min，去離子水清洗，然后將硅片放置于NH3.H20:H202:H20=1:2:5溶液中清洗15min，冷熱去離子水清洗5次，再用0.5%的HF和10%的H2O2混合溶液中浸泡2min，最后在2.0%的HF溶液中浸泡2min，去離子水清洗5次；
e、對清洗好的單晶硅樣品采用常規(guī)化學(xué)方法鍍Ni電極，后用劃片機(jī)將樣品劃成尺寸為1_X1_的小芯片，最后小芯片兩面焊接引線，并用環(huán)氧樹脂封裝得到珠狀熱敏電阻；
將得到的單晶硅基熱敏材料進(jìn)行電學(xué)性能測試，其電學(xué)參數(shù)R2m=129KQ，
Β25Γ /50-c =6680K。
權(quán)利要求
1.一種金和鐵摻雜的負(fù)溫度系數(shù)單晶硅熱敏電阻，其特征在于該熱敏電阻是以氯金酸與氯化鐵作為擴(kuò)散源，采用開管涂源式高溫氣相擴(kuò)散的方法，將金和鐵兩種雜質(zhì)擴(kuò)散進(jìn)η型單晶硅中，制備出單晶硅熱敏材料，再通過化學(xué)鍍鎳電極、劃片和封裝，得到高B值單晶硅負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，其電學(xué)參數(shù)為Κ25 =84ΚΩ-129ΚΩ，Β25Γ/50Γ= 6240Κ-6680Κ。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述金和鐵摻雜的負(fù)溫度系數(shù)單晶硅熱敏電阻的制備方法，其特征在于按照下列步驟進(jìn)行: a、采用初始電阻率為1Ω.cm，厚度為320μπι的N型單晶硅片，首先將硅片置于去離子水中超聲清洗3min，然后在丙酮中超聲清洗5min，之后在甲醇溶液中超聲清洗5min，去離子水清洗，然后將硅片放置于NH3.H2O = H2O2:H2O=1: 2:5溶液中清洗15min，清洗溫度為75±2°C，冷熱去離子水清洗3-5次，再用0.5%的HF和10%的H2O2混合溶液中浸泡2min，最后在2.0%的HF溶液中浸泡2min，去離子水清洗3_5次，備用； b、將氯金酸的乙醇溶液與氯化鐵乙醇溶液按照體積比1:1混合后作為擴(kuò)散源溶液，采用兩面滴源法，滴在經(jīng)步驟a處理后的單晶硅片正反面上，紅外燈下烘干至表面呈均勻結(jié)晶狀物質(zhì)，得到表面涂源的樣品； C、將表面涂源 的樣品放入高溫擴(kuò)散爐中進(jìn)行擴(kuò)散，擴(kuò)散溫度為1200°C，擴(kuò)散時間為2h ； d、擴(kuò)散程序結(jié)束后，快速冷卻硅樣品，用20目的碳化硼磨去表面氧化層25μ m/面，置于去離子水中超聲清洗3min，然后在丙酮中超聲清洗5min，之后在甲醇溶液中超聲清洗5min,去離子水清洗，然后將硅片放置于NH3 -H2OiH2O2:H2O=1:2:5溶液中清洗15min，冷熱去離子水清洗3-5次，再用0.5%的HF和10%的H2O2混合溶液中浸泡2min，最后在2.0%的HF溶液中浸泡2min，去離子水清洗3-5次； e、將清洗好的單晶硅樣品采用常規(guī)化學(xué)方法鍍Ni電極，再用劃片機(jī)將樣品劃成尺寸為1_X Imm的小芯片，最后小芯片兩面焊接引線，并用環(huán)氧樹脂封裝，即可得到珠狀金和鐵摻雜的負(fù)溫度系數(shù)單晶硅熱敏電阻。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述方法，其特征在于步驟a中采用的單晶硅為N型直拉單晶片，晶面為(111)面，電阻率徑向分布< ±5%。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述方法，其特征在于步驟b中氯金酸乙醇溶液濃度為3.88X l(T5mol/ml，氯化鐵乙醇溶液的濃度為 4.62 X l(T6mol/ml-6.94X l(T4mol/ml。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述方法，其特征在于步驟b中在單晶硅片正反面上滴源溶液，每面滴 0.05 ml ο
全文摘要
本發(fā)明涉及一種金和鐵摻雜的負(fù)溫度系數(shù)單晶硅熱敏電阻，該熱敏電阻以金和鐵的金屬鹽作為擴(kuò)散源，采用開管涂源式高溫氣相擴(kuò)散的方法，將金和鐵兩種雜質(zhì)擴(kuò)散進(jìn)N型單晶硅中，利用金和鐵在硅中形成補(bǔ)償能級的特性制備出單晶硅熱敏材料，再通過化學(xué)鍍鎳電極、劃片、封裝制備成高B值單晶硅負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻。將得到的熱敏電阻進(jìn)行電學(xué)性能測試，其電學(xué)參數(shù)R25℃=84KΩ-129KΩ，B25℃/50℃=6240K-6680K。
文檔編號H01C7/04GK103208341SQ20131012587
公開日2013年7月17日 申請日期2013年4月12日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月12日
發(fā)明者范艷偉, 周步康, 陳朝陽, 王軍華 申請人:中國科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所