專利名稱：一種鋅摻雜的負溫度系數(shù)單晶硅熱敏電阻的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鋅摻雜的負溫度系數(shù)單晶硅熱敏電阻。
背景技術(shù)：
功能材料及傳感器技術(shù)是我國信息技術(shù)的三大產(chǎn)業(yè)之一。由于負溫度系數(shù)熱敏電阻材料對溫度有比較高的靈敏度(B值)，因此用該材料制成的熱敏電阻元件一直是傳感器技術(shù)中最重要，應(yīng)用面最廣，發(fā)展最快的一類傳感器，為世界各國所重視。
目前熱敏電阻元件已形成一個獨立的產(chǎn)業(yè)，全世界每年用量達20億支，國內(nèi)每年用量約3-4億支，并且每年以15-20％的速度增長。預(yù)計到2010年，我國將成為世界上生產(chǎn)、應(yīng)用和銷售熱敏電阻的大國，國內(nèi)用量將達到10億支以上。而目前國內(nèi)每年生產(chǎn)量僅為1.5億支左右，國內(nèi)市場的60-70％被日本、韓國、美國等國家的產(chǎn)品所占有。
隨著信息技術(shù)和電氣化的普及和發(fā)展，熱敏電阻的用量和品種將大幅度增加，特別是一些高精度、高B值/低阻值熱敏電阻元件和傳感器將成為該行業(yè)的短線產(chǎn)品。多年來人們?yōu)榱颂岣咴臋n次和滿足市場對高B值/低阻值特種元件的需求，采用了在氧化物材料中摻雜稀土元素、元件制造中采用多層并串結(jié)構(gòu)等技術(shù)，但至今未得到滿意的結(jié)果。而硅單晶熱敏電阻在靈敏度、生產(chǎn)效率和制造成本方面比氧化物熱敏電阻更具有優(yōu)勢和競爭力，特別是高B值/低阻值的硅單晶熱敏電阻有著很強的優(yōu)勢。關(guān)于用過渡金屬離子補償技術(shù)制備硅單晶熱敏材料，過去雖有一些研究，但至今尚未能開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。
目前，國內(nèi)外各生產(chǎn)廠家使用的熱敏功能材料均是以過渡金屬的氧化物(如Co3O4、Mn2O3、Fe2O3、NiO、CuO等)的混合物為起始材料，或直接用金屬氧化物的粉體，或由金屬鹽通過化學共沉淀法、溶膠-凝膠法制取金屬氧化物，經(jīng)過壓錠燒結(jié)、流延或壓延工藝制備熱敏材料。其主要問題是這種混合材料的成份和相結(jié)構(gòu)不均勻，氣孔率高，直接影響熱敏電阻元件的一致性、重復(fù)性和可靠性。而且，根據(jù)多晶氧化物半導體的固有規(guī)律，當材料系數(shù)B值(ΔE/k)高時，電阻率必然也高，因此用這種材料難以實現(xiàn)高B值/低阻值特性。
近年來，國內(nèi)外研究機構(gòu)和生產(chǎn)廠家為解決一致性、重復(fù)性和可靠性問題，在材料制備和元件制造技術(shù)上做了極大的努力，雖獲得一定效果，但仍未從根本上解決問題。摻有深能級雜質(zhì)的補償硅半導體，其電阻率對溫度有程度不同的敏感性，其靈敏系數(shù)B值與深能級雜質(zhì)的能級位置和摻雜濃度有關(guān)，這樣就有可能通過選擇適當?shù)膿诫s雜質(zhì)和濃度得到高B值材料。相同材料系數(shù)B值的補償硅熱敏材料的電阻率要比氧化物材料的小得多，這樣就能制造出高B值低阻值的單晶硅熱敏電阻元件。
迄今為止，與用硅單晶摻鋅補償技術(shù)開發(fā)熱敏電阻材料和元件直接相關(guān)的研究未見報導。而間接相關(guān)的研究有在Si、Ge等半導體材料中摻雜深能級雜質(zhì)金提高器件開關(guān)速度和頻率特性的研究，以及在硅中摻雜金或錳形成熱敏材料的報道。1983年日本東芝公司研制出摻金硅熱敏電阻，獲得B＝4300K，R＝15kΩ；中國專利85102901.9一種摻金硅熱敏電阻器及制造方法；中國專利87103486.3摻金、摻鉑單晶硅熱敏電阻；CN200310116749.4一種錳摻雜的負溫度系數(shù)單晶硅熱敏電阻。但這些研究均未涉及摻雜深能級雜質(zhì)鋅的研究，也未涉及利用低熔點、深能級雜質(zhì)的摻雜制備高B值/低阻值熱敏材料的開發(fā)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于，研制的一種鋅摻雜的負溫度系數(shù)單晶硅熱敏電阻，該熱敏電阻采用真空氣相擴散方法，將鋅原子作為摻雜劑，摻入n型單晶硅中；利用鋅在n型單晶硅中的雜質(zhì)補償性質(zhì)，制備出珠狀高B值熱敏電阻器。該電阻器適用于溫度計(如體溫計)使用的熱敏電阻必須是高B值的元件；集成電路板上表面貼片技術(shù)使用的熱敏元件要求采用高B值片式元件；電動機等設(shè)備中，需要抑制機器啟動時較強的浪涌電流，對設(shè)備進行保護；在各類充電設(shè)備中，需要使用高B值的熱敏電阻抑制浪涌電流，延長電池的壽命。
本發(fā)明所述的一種鋅摻雜的負溫度系數(shù)單晶硅熱敏電阻，該熱敏電阻采用真空氣相擴散方法，將鋅原子作為摻雜劑，摻入n型單晶硅中；利用鋅在n型單晶硅中的雜質(zhì)補償性質(zhì)，制備出珠狀高B值熱敏電阻器，電學參數(shù)為1.5KΩ-24KΩ，材料系數(shù)B值3000-6350K。
一種鋅摻雜的負溫度系數(shù)單晶硅熱敏電阻的制備方法，按下列步驟進行a、采用電阻率為0.1-30Ωcm的n型單晶硅片，用80目金剛砂將兩面磨平、磨光；b、將硅片放入去離子水中用超聲波清洗去砂，然后用王水煮，再用去離子水清洗；c、將處理好的硅片放入一端封閉的石英管中，再加入擴散源金屬鋅6-20毫克，將石英管抽真空至1.33×10-2Pa以上，封口；d、將裝有硅片和擴散源的石英管放入高溫擴散爐的恒溫區(qū)中進行擴散，擴散爐恒溫區(qū)的溫度漂移不超過±1℃，擴散溫度為1100℃-1300℃，擴散時間為5-10小時；e、擴散結(jié)束后立即取出石英管，急冷后打破石英管取出硅片；f、對擴散好的硅片采用步驟a和b的工藝，進行HF浸泡、磨光、去砂、去油處理；g、鍍Ni電極，在真空中以400-600℃退火；h、用劃片機劃成小片，用環(huán)氧樹脂封裝；
i、在恒溫油槽恒中測試元件電阻與溫度之間的關(guān)系，零功率條件下進行，恒溫精度0.01℃；j、在烘箱中100℃溫度下進行100小時老化。
硅熱敏功能材料以硅單晶半導體為基礎(chǔ)，摻雜特定金屬原子，形成深能級俘獲中心，使材料產(chǎn)生熱敏特性。這種材料不存在晶粒、晶界、氣孔和相分布，材料的均勻性、一致性和重復(fù)性優(yōu)于氧化物陶瓷材料。經(jīng)過嚴格控制摻雜原子在硅中的濃度及其分布，易于實現(xiàn)用氧化物陶瓷熱敏材料難以實現(xiàn)的高B值元件，并提高熱敏材料和元件的一致性、重復(fù)性、穩(wěn)定性。
本發(fā)明主要技術(shù)是將低沸點金屬鋅摻入n型硅單晶中，形成深受主雜質(zhì)俘獲中心，俘獲導帶中的部分電子。當材料溫度升高時，一些被俘獲電子熱激發(fā)至導帶，使材料電阻率發(fā)生變化，從而呈現(xiàn)熱敏特性。由于鋅在標準大氣壓下的沸點只有907℃，非常適于用高溫氣相擴散方法進行摻雜，而且鋅雜質(zhì)在硅能帶隙中的能級位置也很適于得到高B值的熱敏材料。
本發(fā)明所述的一種鋅摻雜的負溫度系數(shù)單晶硅熱敏電阻具有以下特點1、選擇了新的摻雜劑選擇沸點相對較低、在硅中可形成深能級的鋅作為摻雜劑，摻入n型單晶硅中。由于鋅的沸點僅為907℃，為在高溫擴散中提高摻雜的一致性和均勻性創(chuàng)造了有利條件。只要采用適當?shù)臄U散溫度和時間，就可制成一致性、重復(fù)性都比較好的熱敏材料。
2、采用了真空閉管工藝硅單晶摻鋅采用真空閉管擴散工藝，首先將處理過的硅片和高純鋅粉放入石英管，抽高真空并封口，形成閉管，然后高溫加熱使鋅均勻擴散，即制成熱敏電阻材料。其工藝簡單，操作方便。
3、通過改變擴散源投入量改變材料參數(shù)對于氧化物熱敏電阻，要使B值發(fā)生改變，需要通過改變配方、升降溫速度，恒溫溫度和時間等條件來實現(xiàn)。而對于摻鋅的單晶硅熱敏電阻，通過改變擴散源鋅的投入量，恒溫溫度和恒溫時間即可使阻值和B值改變。
4、制備出高B值熱敏材料利用鋅在n型單晶硅中的雜質(zhì)補償性質(zhì)，制備出高B值材料。
具體實施例方式
實施例1a、采用電阻率為0.1Ωcm的n型單晶硅片，用80目金剛砂將兩面磨平、磨光；b、將硅片放入去離子水中用超聲波清洗去砂，然后用王水煮，再用去離子水清洗；c、將處理好的硅片放入一端封閉的石英管中，再加入擴散源金屬鋅16毫克，將石英管抽真空至1.33×10-2Pa以上，封口；d、將裝有硅片和擴散源的石英管放入高溫擴散爐的恒溫區(qū)中進行擴散，擴散爐恒溫區(qū)的溫度漂移不超過±1℃，根據(jù)不同性能要求，擴散溫度選擇在1250℃，擴散時間選擇在10小時；e、擴散結(jié)束后立即取出石英管，急冷后打破石英管取出硅片；f、對擴散好的硅片采用步驟a和b的工藝，進行HF浸泡、磨光、去砂、去油處理；g、鍍Ni電極，在真空中以600℃退火；h、用劃片機劃成小片，用環(huán)氧樹脂封裝；i、在恒溫油槽恒中測試元件電阻與溫度之間的關(guān)系，零功率條件下進行，恒溫精度0.01℃；j、在烘箱中100℃溫度下進行100小時老化。
電學參數(shù)為24KΩ，材料系數(shù)B值6350K。
實施例2a、采用電阻率為3Ωcm的n型單晶硅片，用80目金剛砂將兩面磨平、磨光；b、將硅片放入去離子水中用超聲波清洗去砂，然后用王水煮，再用去離子水清洗；c、將處理好的硅片放入一端封閉的石英管中，再加入擴散源金屬鋅10毫克，將石英管抽真空至1.33×10-2Pa以上，封口；d、將裝有硅片和擴散源的石英管放入高溫擴散爐的恒溫區(qū)中進行擴散，擴散爐恒溫區(qū)的溫度漂移不超過±1℃，根據(jù)不同性能要求，擴散溫度選擇在1100℃，擴散時間選擇在5小時；e、擴散結(jié)束后立即取出石英管，急冷后打破石英管取出硅片；f、對擴散好的硅片采用步驟a和b的工藝，進行HF浸泡、磨光、去砂、去油處理；g、鍍Ni電極，在真空中以500℃退火；h、用劃片機劃成小片，用環(huán)氧樹脂封裝；i、在恒溫油槽恒中測試元件電阻與溫度之間的關(guān)系，零功率條件下進行，恒溫精度0.01℃；j、在烘箱中100℃溫度下進行100小時老化。
電學參數(shù)為10KΩ，材料系數(shù)B值6200K。
實施例3a、采用電阻率為30Ωcm的n型單晶硅片，用80目金剛砂將兩面磨平、磨光；b、將硅片放入去離子水中用超聲波清洗去砂，然后用王水煮，再用去離子水清洗；c、將處理好的硅片放入一端封閉的石英管中，再加入擴散源金屬鋅20毫克，將石英管抽真空至1.33×10-2Pa以上，封口；d、將裝有硅片和擴散源的石英管放入高溫擴散爐的恒溫區(qū)中進行擴散，擴散爐恒溫區(qū)的溫度漂移不超過±1℃，根據(jù)不同性能要求，擴散溫度選擇在1200℃，擴散時間選擇在10小時；
e、擴散結(jié)束后立即取出石英管，急冷后打破石英管取出硅片；f、對擴散好的硅片采用步驟a和b的工藝，進行HF浸泡、磨光、去砂、去油處理；g、鍍Ni電極，在真空中以400℃退火；h、用劃片機劃成小片，用環(huán)氧樹脂封裝；i、在恒溫油槽恒中測試元件電阻與溫度之間的關(guān)系，零功率條件下進行，恒溫精度0.01℃；j、在烘箱中100℃溫度下進行100小時老化。
電學參數(shù)為1.5KΩ，材料系數(shù)B值3000K。
實施例4a、采用電阻率為15Ωcm的n型單晶硅片，用80目金剛砂將兩面磨平、磨光；b、將硅片放入去離子水中用超聲波清洗去砂，然后用王水煮，再用去離子水清洗；c、將處理好的硅片放入一端封閉的石英管中，再加入擴散源金屬鋅6毫克，將石英管抽真空至1.33×10-2Pa以上，封口；d、將裝有硅片和擴散源的石英管放入高溫擴散爐的恒溫區(qū)中進行擴散，擴散爐恒溫區(qū)的溫度漂移不超過±1℃，根據(jù)不同性能要求，擴散溫度選擇在1250℃，擴散時間選擇在8小時；e、擴散結(jié)束后立即取出石英管，急冷后打破石英管取出硅片；f、對擴散好的硅片采用步驟a和b的工藝，進行HF浸泡、磨光、去砂、去油處理；g、鍍Ni電極，在真空中以450℃退火；h、用劃片機劃成小片，用環(huán)氧樹脂封裝；i、在恒溫油槽恒中測試元件電阻與溫度之間的關(guān)系，零功率條件下進行，恒溫精度0.01℃；j、在烘箱中100℃溫度下進行100小時老化。
電學參數(shù)為5KΩ，材料系數(shù)B值4500K。
權(quán)利要求
1.一種鋅摻雜的負溫度系數(shù)單晶硅熱敏電阻，其特征在于該熱敏電阻采用真空氣相擴散方法，將鋅原子作為摻雜劑，摻入n型單晶硅中；利用鋅在n型單晶硅中的雜質(zhì)補償性質(zhì)，制備出珠狀高B值熱敏電阻器，電學參數(shù)為1.5KΩ-24KΩ，材料系數(shù)B值3000-6350K。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鋅摻雜的負溫度系數(shù)單晶硅熱敏電阻的制備方法，其特征在于按下列步驟進行a、采用初始電阻率為0.1-30Ωcm的n型單晶硅片，用80目金剛砂將兩面磨平、磨光；b、將硅片放入去離子水中用超聲波清洗去砂，然后用王水煮，再用去離子水清洗；c、將處理好的硅片放入一端封閉的石英管中，再加入擴散源金屬鋅6-20毫克，將石英管抽真空至1.33×10-2Pa以上，封口；d、將裝有硅片和擴散源的石英管放入高溫擴散爐的恒溫區(qū)中進行擴散，擴散爐恒溫區(qū)的溫度漂移不超過±1℃，擴散溫度為1100℃-1300℃，擴散時間為5-10小時；e、擴散結(jié)束后立即取出石英管，急冷后打破石英管取出硅片；f、對擴散好的硅片采用步驟a和b的工藝，進行HF浸泡、磨光、去砂、去油處理；g、鍍Ni電極，在真空中以400-600℃退火；h、用劃片機劃成小片，用環(huán)氧樹脂封裝；i、在恒溫油槽恒中測試元件電阻與溫度之間的關(guān)系，零功率條件下進行，恒溫精度0.01℃；j、在烘箱中100℃溫度下進行100小時老化。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種鋅摻雜的負溫度系數(shù)單晶硅熱敏電阻，該熱敏電阻采用真空氣相擴散方法，將鋅原子作為摻雜劑，摻入n型單晶硅中；利用鋅在n型單晶硅中的雜質(zhì)補償性質(zhì)，制備出珠狀高B值熱敏電阻器。該電阻器適用于溫度計(如體溫計)使用的熱敏電阻必須是高B值的元件；集成電路板上表面貼片技術(shù)使用的熱敏元件要求采用高B值片式元件；電動機等設(shè)備中，需要抑制機器啟動時較強的浪涌電流，對設(shè)備進行保護；在各類充電設(shè)備中，需要使用高B值的熱敏電阻抑制浪涌電流，延長電池的壽命。
文檔編號H01C7/04GK1610018SQ20041009202
公開日2005年4月27日 申請日期2004年11月5日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月5日
發(fā)明者巴維真, 陳朝陽, 叢秀云, 蔡志軍, 崔志明 申請人:中國科學院新疆理化技術(shù)研究所