ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ОСАЖДЕНИЯ ТОНКИХ ПЛЕНОК (МАГНЕТРОННОЕ РАСПЫЛЕНИЕ И ЗОЛЬ-ГЕЛЬ) НА МИКРОСТРУКТУРУ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СВОЙСТВА ОКСИДНО-ЦИНКОВЫХ СЛОЕВ В MEMS-СЕНСОРАХ ВЛАЖНОСТИ

THE EFFECT OF THIN FILM DEPOSITION TECHNOLOGY (MAGNETRON SPUTTERING VS SOL-GEL) ON THE MICROSTRUCTURE AND FUNCTIONAL PROPERTIES OF ZINC OXIDE LAYERS IN MEMS HUMIDITY SENSORS

Petrova Polina Pavlovna

Student, Department of Innovation Management, Moscow Aviation Institute,

Russia, Moscow

Barukhov Sergey Alekseevich

Student, Faculty of New Materials and Production Technologies, Moscow Aviation Institute,

Russia, Moscow

Reshetnikov Daniil Sergeevich

Student, Faculty of New Materials and Production Technologies, Moscow Aviation Institute,

Russia, Moscow

АННОТАЦИЯ

В статье представлен сравнительный теоретический анализ двух технологий осаждения активных тонких плёнок оксида цинка (ZnO) — магнетронного распыления и золь-гель метода — для применения в резистивных MEMS-сенсорах влажности. Рассмотрено влияние каждого метода на ключевые параметры плёнок: микроструктуру (пористость, кристалличность, однородность), стехиометрический состав, адгезию к подложке и технологическую совместимость с MEMS-процессами.

ABSTRACT

The article presents a comparative theoretical analysis of two deposition technologies for active zinc oxide (ZnO) thin films — magnetron sputtering and sol-gel method — for use in resistive MEMS humidity sensors. The influence of each method on key film parameters is considered: microstructure (porosity, crystallinity, uniformity), stoichiometric composition, adhesion to the substrate, and technological compatibility with MEMS processes.

Ключевые слова: оксид цинка; тонкие плёнки; MEMS-сенсоры влажности; магнетронное распыление; золь-гель метод; микроструктура; чувствительность.

Keywords: zinc oxide; thin films; MEMS humidity sensors; magnetron sputtering; sol-gel method; microstructure; sensitivity.

Точный и своевременный мониторинг влажности является критически важным для обеспечения качества в широком спектре областей — от экологического контроля атмосферы и прогнозирования климатических изменений до оптимизации процессов хранения чувствительных материалов и обеспечения надежности промышленного оборудования. В этом контексте миниатюрные МЕМС-сенсоры предлагают значительные преимущества благодаря их малому размеру, низкому энергопотреблению и потенциально высокой скорости отклика, что делает их подходящими для развертывания обширных сетей датчиков.

Резистивный МЕМС-сенсор влажности представляет собой структуру, в которой активный тонкопленочный материал (ZnO) нанесен на диэлектрическую подложку с нанесенными электродами, где поглощение молекул воды изменяет концентрацию носителей заряда и, как следствие, электрическое сопротивление чувствительного слоя.

Оксид цинка (ZnO) выбран в качестве основного материала благодаря его высокой чувствительности к адсорбции полярных молекул, хорошей химической стабильности и возможности легкой интеграции в МЕМС-технологии. его проводимость сильно зависит от изменения концентрации носителей при взаимодействии с водяным паром.

Проводимость активного слоя ZnO определяется формулой:

σ = q · n · μ                                                                                                  (1)

q – заряд электрона,

n – концентрация свободных носителей заряда (электронов),

μ – их подвижность.

В сенсоре влажности при адсорбции молекул воды на поверхности ZnO (особенно в пористой структуре) изменяется концентрация свободных носителей заряда (n). Молекулы воды, будучи полярными, действуют как поверхностные акцепторы, захватывая электроны из зоны проводимости оксида цинка. Это приводит к уменьшению n и, как следствие, к росту электрического сопротивления (падению проводимости σ) слоя, что и является измеряемым сигналом. Подвижность носителей (μ) также может незначительно меняться из-за увеличения поверхностного рассеяния.

Для формирования тонких пленок ZnO на прецизионных MEMS-структурах необходимо выбирать методы, совместимые с микропроизводством. В данном исследовании для сравнительного анализа выбраны два принципиально различных, но широко применяемых метода: магнетронное распыление (sputtering) и золь-гель (sol-gel) процесс. Первый представляет собой физический метод осаждения из газовой фазы (PVD), второй – химический метод из жидкой фазы (химическое осаждение из растворов).

Магнетронное распыление проводится в вакуумной камере в атмосфере аргона с добавлением кислорода (Ar/O₂). Подложка (кремниевая с термическим оксидом) нагревается до температур порядка 100-300°C. Мощность на мишени из цинка составляет 50-200 Вт, рабочее давление — порядка 0.1-1 Па. Атомы цинка, выбитые из мишени, реагируют с кислородом в плазме и осаждаются на подложке.

В результате формируются плотные, малопористые, хорошо адгезированные пленки с высокой степенью стехиометрии (близкое к ZnO соотношение Zn:O) и хорошей кристалличностью уже в процессе осаждения. Микроструктура характеризуется плотно упакованными колончатыми нанокристаллами.

Для золь-гель метода в качестве исходного вещества используется ацетат или нитрат цинка, растворенный в спирте с добавлением стабилизаторов. Раствор (золь) наносится на подложку методом центрифугирования или погружения. После нанесения следует низкотемпературная сушка для удаления растворителя и образование геля. Далее следует отжиг при температурах 300-600°C, при котором происходит разложение органических остатков и кристаллизация пленки ZnO.

Такие пленки обладают развитой нанопористой структурой, что обеспечивает огромную удельную поверхность. Кристалличность и плотность пленки сильно зависят от температуры и времени отжига. Пленки могут иметь аморфную или нанокристаллическую структуру с малым размером зерен.

Основное различие между методами заключается в формируемой микроструктуре. Магнетронное распыление приводит к образованию плотных, малопористых пленок с колончатой нанокристаллической структурой. В противоположность этому, золь-гель метод, благодаря стадиям полимеризации и высокотемпературного удаления органики, позволяет получать пленки с нанопористостью и большей удельной поверхностью. Этот параметр наиболее важен для сенсора влажности, так как пористость золь-гель пленок теоретически обеспечивает более высокую чувствительность за счет увеличения площади адсорбции молекул воды.

Магнетронное распыление, особенно реактивное в смеси Ar/O₂, обеспечивает высокий контроль над химическим составом и позволяет получать стехиометрически сбалансированные пленки ZnO с минимальным количеством неконтролируемых дефектов. В золь-гель процессе окончательный состав и чистота пленки сильно зависят от чистоты исходных реагентов, полноты протекания реакций гидролиза и конденсации, а также режима отжига, что может приводить к большей вариабельности свойств и наличию органических остатков.

С точки зрения интеграции в стандартное микроэлектронное производство, магнетронное распыление обладает явным преимуществом. Это сухой вакуумный процесс, обеспечивающий высокую однородность и точный контроль толщины пленки на больших подложках, что упрощает массовое изготовление MEMS-сенсоров. Золь-гель метод, являясь более простым и низкозатратным в организации, требует высокотемпературного отжига, который может быть несовместим с уже сформированными на подложке температурно-чувствительными элементами микросистемы.

Пленки, полученные методом магнетронного распыления, обладают превосходной адгезией к кремниевым и диэлектрическим подложкам благодаря высокой энергии осаждающихся частиц. Это обеспечивает высокую механическую надежность сенсорного элемента в процессе эксплуатации. Адгезия золь-гель пленок часто уступает и требует тщательной подготовки поверхности подложки, а также может ухудшаться из-за внутренних напряжений, возникающих при усадке геля во время сушки и отжига.

Однако развитая пористая структура золь-гель пленок должна способствовать более быстрой диффузии молекул водяного пара вглубь активного слоя. Это сулит потенциал для создания сенсоров с более коротким временем отклика и восстановления. Плотные пленки, полученные распылением, могут демонстрировать более медленную кинетику из-за ограниченной скорости поверхностной и объемной диффузии паров воды.

Магнетронное распыление обеспечивает технологическую совместимость с микроэлектронными процессами, высокую воспроизводимость, отличную адгезию и плотную микроструктуру, что гарантирует надежность и стабильность сенсора. Однако именно эта плотность ограничивает его максимальную чувствительность. В свою очередь, золь-гель метод, благодаря формированию нанопористой пленки с огромной удельной поверхностью, потенциально позволяет достичь более высокой чувствительности и скорости отклика. Однако он требует высокотемпературного отжига, что может повредить другие элементы микросхемы. Также свойства плёнки сложнее предсказать и воспроизвести от образца к образцу. Такая плёнка может хуже держаться на подложке и быть менее прочной в долгосрочной перспективе

Магнетронное распыление следует выбирать для задач, где критичны надёжность, стабильность параметров, долговечность и возможность массового производства. Этот метод оптимален для создания серийных MEMS-сенсоров в составе промышленного или бортового оборудования, где требуется гарантированная воспроизводимость и стойкость к внешним воздействиям.

Золь-гель метод может быть предпочтителен в исследовательских и специализированных приложениях, где ключевым критерием является достижение максимальной чувствительности в определённом диапазоне влажности, а вопросы долгосрочной стабильности и технологической интеграции стоят на втором плане. Этот метод перспективен для прототипирования, лабораторных измерительных систем или одноразовых сенсоров.

Список литературы:

1. Belevtsev A.M., Epaneshnikova I.K., Dryagin I.O., Kruchkov V.L., Lukichev V.F., Boldyreff A.S. RF MEMS Switch Design and Frequency Characteristics, 2023 Radiation and Scattering of Electromagnetic Waves (RSEMW), Divnomorskoe, Russian Federation, 2023, pp. 148-151.
2. Belevtsev A.M., Epaneshnikova I.K., Kruchkov V.L., Dryagin I.O., Lukichev V.F., Boldyreff A.S. Analysis of the influence of technological parameters on electrophysical and frequency characteristics of RF MEMS, Proc. SPIE, 2019.
3. Dryagin I.O., Belevtsev A.M., Epaneshnikova I.K., Kruchkov V.L., Lukichev V.F. Analysis of the Electrophysical Characteristics of the RF MEMS Switch Taking into Account the Influence of the Substrate Material. Russ Microelectron 52 (Suppl 1), 2023. —  pp. 134–138.
4. Кузнецов С.И. Курс физики с примерами решения задач. Часть II. Электричество и магнетизм. Колебания и волны. - 4-е изд. - Томск: Издательство Томского политехнического университета, 2013. - 370 с.