多孔矽在感测器上的应用

本文格式为Word版，下载可任意编辑——多孔矽在感测器上的应用多孔矽在感測器上的應用(林鼎剛)

1.多孔矽濕度感測器

1.1述言

多孔矽電容型濕度感測器是利用電容的技術而測量出相應的濕度，而多孔矽濕度感測器內的多孔薄膜是一作為感應濕度的電介質，然而也需要一加熱器位於多孔薄膜兩側之下方，它的功用是把元件內多餘的水份趕出，而使元件處於重設的狀態。

使用多孔矽當作電容型濕度感測器的電介質薄膜，可以战胜其它濕度感測器所擁有的缺點，像是在濕度感測器矽基上方的陶土和聚合體之電介質薄膜，多孔矽具有高靈敏度去變化所相對應的濕度，已經被記述，若使用多孔矽為介質薄膜所測出電容變化的值上升至2700%[4]，而上述是基本上相對應於10到95%濕度的變化。

1.2結構的製成步驟

多孔矽作為電介質層，這些感測器是利用矽基板做出表面較薄的多孔層而形成的，然後在沉積金層在多孔矽基板的頂部，當作一電極來使用。且寻常使用鋁來作為矽的后面電極而形成歐姆接觸。結構圖如下圖一，圖二：

1.3多孔矽濕度感測器的運作原理

多孔矽濕度感測器的運作原理其實是很簡單的，當把多孔矽濕度感測器置於含有溼氣的環境中，水份子就會凝結且進入micropores中，而引起元件層和層之間電容之電容率的變化，即而可求出環境中所含有的水氣百分比。

1.4多孔矽濕度感測器的缺點

第一，在元件中電容對所殘餘矽反應的影響依旧是未知的，所以因此被忽

略的。其次，由於水被吸收於多孔矽層內的進和出，而造成元件的反應依旧是很遲鈍的。最後，又因元件的反應是十分依賴(金/矽)接觸的品質，但是由於接點缺乏可再現性而可能會妨礙這類型元件大量的生產。

1.5薄膜感測器結構(MEMBRANESENSORSTRUCTURE)

為了要战胜以上的這些問題而設計出薄膜型的感測器，事實上在多孔矽薄膜感測器的電容介質僅僅是由多孔矽的區域所組成。(意指:元件只有在多孔矽的區域作反應)而重設的電阻被放置於薄膜之下方用來驅動元件之歸零化，最後，把金電極在多孔矽形成之前鍍於矽基板之上方，而成為較具有可預料和可靠性的結構。圖二(a),(b)呈現出這元件所組成的結構圖。

1.6薄膜感測器發展(MEMBRANESENSORDEVELOPMENT)

我們是利用从前的感測器和新感測器結構來比較並且測試其相異點，第一我們先沉積金於多孔矽薄膜形成之前和之後的比較，利用40%HF溶液(HF：ethanol=1：1)於P-type的矽基板上，電流密度30mA/cm2，陽極化蝕刻5分鐘。元件成形後，再把沉積金於多孔矽薄膜形成之前和之後的感測器放入一環境測試的腔體內(HeraeusHC7020)，並且測試感測器對於相對濕度反應的變化。

圖三為濕度感測器元件被穩定置於10%的相對濕度，一個小時後10%的相對濕度上升至95%的相對濕度。且使用HP4274ALCR計量器測量濕度感測器元件電容相應的變化。如下例圖三所示。

圖四為濕度感測器元件利用電阻加熱而使元件重設歸零和未使用電阻加熱重設歸零時間上的比較。

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2.氣體感測器

2.1述言:

多孔矽在光的吸咐和光的發射具有好多展新和獨特的特性，像是高度多孔矽的表部面積(>200m2/cm3)和化學活躍性質，靈敏度和效率。且多孔矽擁有數種的應用例如包括光電元件，微電子機制系統(MEMS)和感測器，還有多孔矽元件的結構和設計都可相容於現今整體已成熟的矽超大積體(VLSI)的技術裡。然而也可利用多晶矽在不同的基板上形成多晶多孔矽，而在這我們呈現出基本的多孔矽有機氣體感測器之應用。

在鋁(Al)/多孔矽(porousSi)/p-Si/鋁(Al)蕭特基的二極體氣體感測器，此感測器在室溫2600ppm下對丙酮，甲醇，2-propanol和乙醇氣體的敏感度分別約為400，500，1000和4000%。相對的在800-2600ppm的乙醇，敏感度就為200-4000%。而且多孔矽感測器也可以被積體於其它的VLSISi元件裡，而成為最新的微電子系統。

2.2實驗步驟和應用

利用化學清洗所摻雜硼p-Si的晶圓，且在矽晶圓后面鍍上1um薄膜的鋁(Al)，並且在氮氣中以450℃/30min退火處理，以獲得良好均勻的歐姆接觸，這個步驟對於獲得均勻的陽極化電流和形成均勻的多孔矽層是十分重要的。次之再將多孔矽的樣品將浸泡於稀硝酸(HNO3：DI=1：9)溶液中5~10分鐘。而達到多孔矽表面鈍化的效果。

多晶矽(poly-Si)薄膜是以625℃/50min在LPCVD反應腔中利用silane的熱分解在p-Si基板上所形成的，並且再以一致溼蝕刻的方法吃出多孔矽。

為了要測出有機氣體，氣體感測器將被放置於一封閉的腔體內，並且裝滿丙酮，甲醇，2-propanol和乙醇之混合氣體的固定濃度(0~2600ppm)。並且依照所測的電流-電壓的特性來辨定出氣體的種類。PS：感測器的靈敏度是依照二極體電流的比例。

2.3結果和討論

圖一呈現出多孔矽應用於電壓的截面圖，圖中的多孔矽薄膜的厚度大約為3.7um。

圖二是呈現出多孔矽二極體感測器對2600ppm有機氣體(如丙酮，甲醇，2-propanol和乙醇之混合氣體)I-V特性曲線。PS：氣體感測器曝於有機氣體一分鐘後開始測量。

然而，在曝於2600ppm之有機氣體的電流被發現若依隨著順向偏壓的增加而快速的增加。例如：在乙醇的氣體，若電壓由3V增至12V，電流大約由4mA增至83mA，而靈敏度則大約由23倍至42倍左右。且圖二也呈現出鋁(Al)/多孔矽(porousSi)/p-Si/鋁(Al)二極體可以成為有機氣體最好感測器，特別是對乙醇的氣體感測，因為乙醇在我們日常生活裡是最简单接觸到的氣體，且圖二結果也呈現出氣體感測器在曝於幾千ppm乙醇氣體濃度中，將有很高靈敏度。而且可以利用這項特質再好多的應用上，例如：酒精測試的檢測員，測試人體血液所含酒精成份的濃度。

圖三為多晶多孔矽二極體感測器對2600ppm有機氣體(如丙酮，甲醇，2-propanol和乙醇之混合氣體)I-V特性曲線圖。PS：和圖二比較。

我們可以由圖三看出多晶多孔矽對有機氣體的靈敏度比圖二多孔矽對有機氣體的靈敏度差了好多，但是多晶多孔矽可以應用於不同的基板上，而矽基多孔矽就只能在矽基板上發揮其功能，這就是為什麼我們還要對多晶多孔矽探討的原因了。

2.4未來的展望

根據以上的研究指出二極體和電阻式氣體感測器都具有很快的反應速度，而且反應時間都少於30秒。是做為氣體感測器最好的候選元件。研究也指出當減少鋁(Al)前感測面積，靈敏度將會幾乎成線性形的增加。然而溫度，光，硝酸鈍化的浸泡，陽極化電流的密度和時間等等參數，都有可能會稍為影響感測器的靈敏度。而現今具有最高靈敏度是金屬氧化感測器，例如：SnO2。而未來可能會朝向整合性的發展，而研究出在多孔矽上最優秀的感測器元件。為人類的科學再踏向一大步的進展。

3.生物感測器

3.1發展過程

在1980年Caras和Janata提出酵素場效電晶體的應用，而在當時1980~1995

年之間，好多的研究團體都已研究出並且論證出這類的生物感測器，而這些生物感測器的共通特徵都是以有包括酵素的薄膜沉積於FET閘極區域的結構裡，但是唯一的缺點就是薄膜在FET閘極區域結構裡的附著力是微弱且担忧定的。而且經常會把酵素過濾出來，然而，一些研究者嘗試在矽基上蝕刻出圓形的孔錐狀，而使酵素劑進入圓形的孔錐狀裡，來战胜解決這些微弱且担忧定(附著力)的問題。但是假使要蝕刻出圓形的孔錐狀，就必須需要很煩雜的微影過程，才能完這項步驟。

3.2陽極化蝕刻

把硼摻雜的p-type矽(0.2和0.01ohmcm)

放入1：1(50%的氫氟酸溶夜和50%的純乙酸溶液)混合的溶液中蝕刻，而將會在硼摻雜的p-type矽中獲得65%的多孔率。之後再將硼摻雜的p-type多孔矽放入通入氧氣的高溫氧化爐，並且以500℃的溫度快速熱氧化30分鐘以上，再以酵素劑通入孔洞而形成酵素薄膜，圖一則是呈現被完成的孔狀和酵素薄膜的結構圖。

3.3反應的機制

生物感測器僅僅是由酵素溶液滴於多孔矽二氧化物的表面而形成的。然後大約滴定30分鐘以後，再使用pH7.5，0.1M的TRIS(trischydroxymethylaminomethane)沖洗即可，再利用生物感測器來檢測於盤尼西林酵素(enzymepenicillinase)和盤尼西林(penicillin)之間的反應，就可以決定這物質的生物特性。而圖二例子是為研究而組構成的結構圖。

3.4生物感測器的特性曲線

電容-偏壓(V-bias)的曲線將依據電解液的pH值，沿著電壓軸而移動的。而這

裡所指的pH值，是利用酵素(enzyme)和盤尼西林(penicillin)在多孔矽上的化學反應，且引起盤尼西林(penicillin)的水解，使得氫離子脫離，而造成pH值的變化，就可描繪出多孔矽生物感測器上電容-偏壓(V-bias)曲線的關係圖。圖三的典型例子是在p-type多孔矽的材質上，偏壓對盤尼西林(penicillin)濃度所造成的斜率關係圖。

3.5未來的工作

因為二氧化矽(SO2)對pH的靈敏度相較於氮化矽(Si3N4)對pH的靈敏度要低

了好多，所以未來可能會利用化學氣相沉積法，把氮化矽(Si3N4)沉積，並且覆蓋在二氧化矽(SO2)的孔壁中，而增加多孔矽生物感測器之靈敏度。

4.電熱調節感測器

4.1電熱調節感測器的形成

電熱調節感測器構成的原理，是把濕蝕刻而形成的多孔矽，當作犧牲層，即

而做出microbridge和flowchannel。而microbridge和flowchannel的構造就是用來做為電熱調節感測器之元件。

4.2MICROBRIDGE

圖一為microbridge構成的流程圖，而圖一上的材質為摻雜硼p-type、2-inch、6~9歐姆的矽晶圓。(PS：圖三a圖為SEM之microbridge。)

4.2.1製成步驟

a.分別在p-Si上依序的沉積上氮化矽、多晶矽和塗佈光阻，並且后面鍍鋁和退

火。

b.對光阻微影，且利用離子蝕刻法移除多晶矽和氮化矽，且在p-Si上形成多孔

矽。

c.使用稀釋的氫氧化鉀(KOH)把多孔矽移除。

4.3FLOWCHANNEL

圖二為flowchannel構成的流程圖，而圖二上的材質為摻雜硼p-type、

2-inch、0.001歐姆的矽晶圓。(PS：圖三b圖為SEM之flowchannel。)

4.3.1製成步驟

a.在p-Si沉積上n-epi和塗佈光阻，並且后面鍍鋁和退火。

b.對光阻微影，且利用離子蝕刻法在p-Si和n-epi上形成多孔矽。c.使用稀釋的氫氧化鉀(KOH)把多孔矽移除。d.完成flowchannel之結構圖

4.4熱感測器使用多孔矽的技術

沉積200nm的氮化矽和2um的多晶矽，形成薄膜的結構，再利用離子蝕刻

法，使矽基板上形成80um多孔矽的結構(呈現如圖一)，之後再利用稀釋的氫氧化鉀(KOH)移除多孔矽，而在被離子打成稀疏的氮化矽和多晶矽薄膜上，沉積於100nm鎳(nickel)的薄膜，做為電熱調節器的micorbridge(呈現如圖三、C圖)。然而一良好熱響應特性的獲得，是由於基板和薄膜結構距離的差異。(PS:距離越大熱響應越好。)

4.5結論

在氫氟酸中(HF)利用電化學蝕刻的方法，在微結構上多孔矽可以被當成犧

牲層來使用，而利用此技術，可以很简单做出熱感測器的結構，而使現在科技的技術又進入一個更新的領域，更有發揮的空間。

5.化學感測器6.積體感測器7.MEMS感測器

結構圖說明:

在p-type矽基板之后面鍍鋁，在上層長一層多孔矽，接著往上分別是(a)N形非晶矽10nm(b)本質非晶矽23nm(c)n形非晶矽3nm(d)p形非晶矽10nm(e)n形非晶矽10nm(f)鍍鋁4nm(g)鍍銅10nm

再由銅接碳針通電，經由上層的銅發出光

實驗結果圖

選用多孔矽之原因:

據了解，多孔矽發光時，有時具有分子鍵的發光特性，有時又很難論定它的發光機制，而且矽氫鍵及矽氧鍵在多孔矽裡擔負的是何種功能，許多學者專家其實並不明白，因此多孔矽的機制仍在研究中；另外，