автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.14, диссертация на тему:Микроэлектронный чувствительный элемент датчика газообразного водорода

На правах рукописи

МАРИНИНА Лариса Александровна

МИКРОЭЛЕКТРОННЫЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ДАТЧИКА ГАЗООБРАЗНОГО ВОДОРОДА

Специальность 05.11.14- Технология приборостроения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ПЕНЗА 2006

Работа выполнена на кафедре «Приборостроение» государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет».

Научный руководитель - доктор технических наук,профессор

Михайлов П. Г.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Воячек А. И.;

кандидат технических наук, доцент Согуренков А. Д.

Ведущая организация - ФГУП «Научно-исследовательский

институт электромеханических приборов» (НИИЭМП), г. Пенза.

Защита диссертации состоится «_»_ 2006 г., в 14 часов,

на заседании диссертационного совета Д 212.186.02 в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет» по адресу: 440026, г. Пенза, ул. Красная, 40.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет».

Автореферат разослан «_»_2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук,

профессор Светлов А. В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Измерение и анализ газовых сред производится в самых различных отраслях науки и техники: в химическом, нефтехимическом и металлургическом производствах, в технологии изготовления микроэлектронных компонентов, при анализе экологической обстановки и выявлении взрывчатых веществ.

Потребность в полупроводниковых газовых сенсорах составляет десятки миллионов штук в год.

Большинство выпускаемых отечественных и зарубежных датчиков газов основано на электрохимическом и термохимическом принципах преобразования. Недостатком газочувствительных элементов (ГЧЭ) датчиков является их малое быстродействие.

В микроэлектронных ГЧЭ наибольшее применение нашла двуокись олова (8п02) благодаря своей технологичности и совместимости с операциями микроэлектронной технологии.

Основным недостатком двуокиси олова является то, что в чистом виде она имеет слабую чувствительность к водороду, для повышения которой в пленку двуокиси олова вводят легирующие элементы. Но для измерения малых концентраций водорода в газо-воздушных смесях введение в пленку легирующих элементов не дает должного эффекта.

Более высоких характеристик по быстродействию, чувствительности и селективности при измерениях малых концентраций водорода, а также обеспечения управления процессом газоанализа можно достичь, используя ГЧЭ на основе полевых приборов (МОП-транзисторов), в которых в качестве чувствительного материала используется палладиевая пленка, нанесенная на управляющий электрод транзистора. Но при создании таких приборов основной задачей является обеспечение временной стабильности газочувствительных МОП-транзисторов.

В связи с этим разработка методов, конструкций и технологий изготовления водородочувствительных элементов (ВЧЭ) микроэлектронных газовых датчиков является актуальной задачей.

Следует отметить, что данной тематикой занимается значительное число исследовательских центров и промышленных фирм как за рубежом, так и в России: Сименс и Бош (Германия), Моторолла (США), Пежо-Ситроен (Франция), Фигаро (Япония), ОАО "Аван-

РОС. НАЦИОНАЛЬНА БИБЛИОТЕКА

гард" (Россия), ОАО «Практик-НЦ», г. Зеленоград, МИФИ, г. Москва, ФГУП НИИФИ, г. Пенза.

Ведущими специалистами в данной области в России являются Ваганов В. И., Новиков В. В., Васильев А. А., Бутурлин А. И. и др.

В то же время в подавляющем большинстве известных публикаций недостаточно внимания уделяется технологическим и конструктивным методам повышения стабильности микроэлектронных датчиков (МЭД), измеряющих малые концентрации газообразного водорода.

Цель исследования. Целью является разработка и оптимизация технологических процессов и конструкций микромеханических ВЧЭ датчиков газообразного водорода с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками.

Методы исследования. При разработке физико-математических моделей использовались положения физической химии, физики полупроводников и кристаллофизики, применялись методы теории теплопередачи. Использовался математический аппарат дифференциального и интегрального исчисления и аналитической геометрии. Основные теоретические положения и результаты подтверждены исследованиями экспериментальных образцов МЭД водорода.

Научная новизна работы:

- разработаны, исследованы и реализованы методы уменьшения временного дрейфа электрофизических характеристик ВЧЭ на основе МОП-транзистора с подвешенным затвором за счет исключения образования встроенного заряда в затворной области, что позволило обеспечить стабильность измерения малых концентраций газообразного водорода;

- развиты технологии получения тонких перемычек ВЧЭ с заданной конфигурацией путем использования «стоп-слоев» и самотормозящего травления, что позволило повысить чувствительность и быстродействие измерения в области малых и средних концентраций водорода;

- развиты конструктивные и технологические методы компенсации влияния механических напряжений на характеристики ВЧЭ МЭД, что позволило повысить их качество;

- разработаны и внедрены новые микромеханические технологии и конструкции ВЧЭ МЭД, обеспечившие увеличение информативности измерений малых концентраций водорода в изделиях ракетно-космической техники (РКТ).

Практическая значимость работы. Работа обобщает теоретические и экспериментальные исследования, проведенные автором в Пензенском государственном университете (ПГУ) на кафедре «Приборостроение», и способствует решению актуальной научно-технической задачи создания микромеханических технологий и датчиков малых концентраций водорода с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками, предназначенными для использования в ракетно-космической технике.

Реализация результатов работы. Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований автора использованы при разработке МЭД малых концентраций водорода и технологических процессов изготовления ВЧЭ:

- экспериментальных образцов ряда ВЧЭ (индекс 431418001);

- экспериментального образца датчика газообразного водорода;

- технологических операций и комплексных технологий создания ВЧЭ.

Результаты диссертационной работы внедрены в учебном процессе кафедры «Приборостроение» 111 У при проведении лекционных и практических занятий по дисциплинам: «Микромеханические устройства и приборы» и «КИП технологического оборудования».

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международных научно-технических конференциях (МНТК), университетских и кафедральных научно-технических семинарах: VI Всесоюзной конференции по физике диэлектриков «Электрофизика слоистых структур», Москва, 1988; «Надежность и качество», Пенза, 2003, 2005; VII МНТК "Университетское образование", Пенза, 2003; VHI МНТК "Университетское образование", Пенза, 2004; Всероссийской НТК «Вооружение, Безопасность, Конверсия», Пенза, 2004; Всероссийской НТК «Современные охранные технологии обеспечения комплексной безопасности объектов», Пенза-Заречный, 2004; Международном юбилейном симпозиуме «Актуальные проблемы науки и образования», Пенза, 2003, ПГУ; V МНТК «Оптика, оптоэлектроника и технологии», Ульяновск, 2003; МНТК «Проблемы автоматизации и управления в технических системах», Пенза, 2004.

Публикации. По теме диссертации опубликована 21 работа, в том числе 10 статей, из которых 2 статьи в центральных журналах, авторское свидетельство на изобретение, 9 материалов тезисов докладов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы, одного приложения. Основная часть изложена на 159 страницах машинописного текста, содержит 60 рисунков и 10 таблиц. Список литературы содержит 136 наименований. Приложение к диссертации занимает 11 страниц.

На защиту выносятся:

- конструкция и способ изготовления ВЧЭ на основе МОП-транзистора с палладиевым подвешенным затвором;

- конструктивные и технологические методы компенсации влияния механических напряжений на характеристики ЧЭ датчика водорода;

- математические модели распределения и методика расчета тепловых полей в элементах и структурах ВЧЭ;

- технологические процессы и операции прецизионного микропрофилирования кристаллов ВЧЭ;

- методы уменьшения дрейфа электрофизических характеристик ВЧЭ на основе МОП-структур;

- микромеханические технологии и конструкции ВЧЭ датчиков водорода, позволившие обеспечить увеличение быстродействия и чувствительности измерения малых концентраций газообразного водорода в изделиях и системах ракетно-космической техники.

Краткое содержание диссертации

Во введении обоснована актуальность проблемы создания микроэлектронных газочувствительных датчиков, обозначены основные ведущие зарубежные фирмы и корпорации, которые занимаются данной проблематикой. Сформулированы цели и задачи исследования, раскрыты научная новизна и практическая ценность, приведены результаты реализации и апробации работы, а также основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Обзор и анализ методов преобразования, конструкций и технологий изготовления газочувствительных элементов» проанализированы существующие методы преобразования, конструкции и технологии изготовления газочувствительных элементов. Определены информативные параметры, используемые в газовых датчиках: тепловые, электрические, магнитные, оптические.

Рассмотрены процессы взаимодействия водорода с функциональными материалами, элементами и структурами газочувствительных микроэлектронных датчиков. Проведен анализ физико-химических реакций, происходящих при проникновении водорода в поверхностные и глубинные области материалов ВЧЭ.

Показано, что, используя комбинированные методы преобразования, в частности, термического и химического методов, можно одновременно достичь и высокой чувствительности и требуемой избирательности датчика к анализируемым газовым смесям.

Определены процессы, определяющие наибольшую чувствительность ГЧЭ на основе двуокиси олова к водороду, основными из которых являются:

- адсорбция отдельных компонентов газовой смеси на поверхности 8п02;

- каталитическое действие 3п02 и легирующих добавок.

При анализе конструкций выявлены четыре основные группы

1) термокондуктометрические;

2) термохимические (каталитические) ГЧЭ;

3) микроэлектронные (тонкопленочные и полупроводниковые) (рис. 1);

4) волоконно-оптические ГЧЭ.

ГЧЭ:

БпО:

а

б

Рис. 1. Тонкопленочный (а) и полупроводниковый (5) ГЧЭ

Приведены статические и динамические характеристики тонкопленочного ГЧЭ на основе пленки Sn02, измеряющего концентрацию паров агрессивных газов.

Рассмотрены типы и основные технические характеристики выпускаемых ведущей фирмой Figaro датчиков, изготавливаемых на основе Sn02.

Проанализированы направления разработки перспективных микроэлектронных ГЧЭ на основе МОП-структур: высокотемпературных ГЧЭ на основе диода Шотки и микроэлектронного датчика водорода на основе наноразмерных титановых трубок.

Рассмотрены процессы проникновения газообразного водорода в элементы и структуры датчиков. Отмечено, что водородопроницае-мость представляет собой сложный процесс, состоящий из ряда элементарных взаимосвязанных стадий: адсорбции (физической и химической), диффузии, растворения, выхода из объема на поверхность и десорбции. Причем физическая адсорбция протекает быстро, особенно при пониженных температурах поверхности. Хемосорбция при низких температурах протекает медленно, но при повышении температуры ее скорость быстро растет, подобно скорости химических реакций. В связи с этим, при нагреве ВЧЭ до повышенных температур доминирующей является хемосорбция водорода. При этом равновесная концентрация адсорбированного водорода NR может быть оценена из выражения

NR=N]!JPeKp(-Hc/2RT), (1)

где Р - давление водорода в среде;

Нс - теплота адсорбции, кДж/моль.

Особыми свойствами по отношению к адсорбции водорода обладают такие металлы, как Pd, Ti, Zr, Nb и Та, так как потенциальный барьер для растворения водорода в объёме этих металлов меньше энергии активации десорбции, поэтому водород может диффундировать в объём даже при комнатной температуре.

Процесс диффузии водорода в металл может быть представлен первым и вторым законами Фика

J = -D(dC (x,t)/dx), (2)

дС{х^)Ш = дJ(x,t)/дt = д1дх\[р(дС{х,^)1дх)\, (3)

где 3 - диффузионный поток; С - концентрация растворенного вещества; £) - коэффициент диффузии.

Растворимость I/ водорода в металле для средних значений температур определяется выражением

ЬР = Ьл/Р = у[РЬо ехр (-Н3 /ЛТ), (4)

где Ь - константа Сивертса; Т- температура; Р - давление водорода.

Проведен анализ особенностей поглощения водорода пленками на основе палладия и его сплавов при различных температурах.

Отмечено, что при растворении в металлах водород ведет себя как примесь внедрения, занимая междоузлия в кристаллической решетке металла. При этом во всех известных сплавах металл-водород растворённый водород вызывает расширение решётки металла. Показано, что растворение и-атомов водорода в металле приводит к изменению объёма металла Г на величину

— V- >

V П

где V- изменение объёма на атом водорода; О - средний объём на атом металла.

Рассмотрено влияние, оказываемое растворенным водородом на электрическое сопротивление металлов и сплавов. Выяснено, что это влияние имеет очень сложный характер ввиду наличия различных механизмов взаимодействия водорода с металлом.

Определены основные информативные параметры у приборов с Рс1-пленками:

- изменение напряжения плоских зон УрВ МДП-конденсатора с палладиевым затвором;

- изменение проводимости палладиевой плёнки А в. Исследовано взаимодействие водорода с элементами полевых

структур «металл-диэлектрик-полупроводник».

Принцип работы МДП-структур как чувствительных элементов газовых датчиков основан на изменении концентрации носителей заряда в приповерхностной области полупроводника под действием изменения газового состава окружающей атмосферы.

В настоящее время в основном используют два информативных параметра МДП-структур:

- вольт-фарадная характеристика

где - разность работ выхода электрона из металла и полупроводника; - удельный электрический заряд на границе раздела «полупроводник-диэлектрик»; Со - удельная емкость диэлектрика МДП-структуры;

- пороговое напряжение транзистора

где ц - дипольный момент; - плотность активных центров на границе Р(1 - 8Ю2; г,/ - диэлектрическая проницаемость диэлектрика (8Ю2) в приповерхностной области; (), - электрический заряд, образующийся на границе «полупроводник-диэлектрик»; Д[/т - пороговое напряжение.

При исследованиях наблюдались изменения характеристик МДП-структур, которые связаны с непостоянством величины удельного электрического заряда () на границе раздела «полупроводник-диэлектрик». Это в основном объясняется тем, что водород способен проникать через слой БЮг и влиять на заряд на границе раздела 8Ю2- 81.

На основе проведенных экспериментов сделан вывод о влиянии толщины подзатворного диэлектрика МДП-структур с Рс1-затвором как на амплитуду отклика, так и на величину временного дрейфа (нестабильность характеристик) ВЧЭ.

Вторая глава «Выбор и исследование элементов и структур датчика газообразного водорода» посвящена анализу и выбору базовых принципов преобразования и разработке конструкций элементов и узлов датчика газообразного водорода.

Конструктивно микроэлектронный ВЧЭ состоит из следующих функциональных блоков, выполненных на одном кристалле:

- термочувствительного элемента;

- нагревательного элемента;

- водородочувствительной структуры;

- элементов компенсации.

(5)

ШрВ = Шу = -цЛ^е,- / гА,

(6)

При выборе методов преобразования температуры в ВЧЭ учитывалась его конструктивная и технологическая совместимость с элементами и структурами газовых или иных сенсоров. Согласно этим критериям были рассмотрены два метода:

1. Терморезистивный метод:

- в композиционных структурах;

- в диффузионных и ионно-легированных слоях;

- в позисторных элементах.

2. Метод контактных явлений:

- возникновение контактной ЭДС;

- электроперенос;

- барьерная емкость;

- диффузия носителей заряда;

- эффект Пельтье.

Сделан вывод, что предпочтительными для применения в микроэлектронных ВЧЭ в качестве термочувствительных элементов являются термодиффузионные и ионно-легированные структуры.

Подробно проанализированы явления токопереноса в полупроводниковых структурах и определены информативные термозависимые параметры:

1. Ток через "^-«"-переход

J = J0[exp(qe■U/kт)-l], (7)

где У и /0 _ соответственно прямой и обратный токи через "р-л"-переход; и - внешнее напряжение; Т - абсолютная температура перехода; к - постоянная Больцмана; де - заряд электрона;

2. Прямое падение напряжения на "/^-«"-переходе

и= (кТ/де) 1п (7/У0). (8)

Производной величиной напряжения является температурный коэффициент прямого напряжения на "^ «"-переходе (ТКН):

й\]/йТ= -(1/7) • (Еч/Че -Ц). (9)

ТКН слабо зависит от температуры, так как с ростом температуры одновременно уменьшается напряжение на переходе. Его численное значение составляет

ТКН = — «-(1,5...2) мВ/К, с1Т

знак минус означает, что с увеличением температуры напряжение на "р-и"-переходе уменьшается.

Обнаружено, что оптимальные термохарактеристики получают при использовании транзисторных планарных структур, в которых в качестве термозависимого параметра могут применяться:

- прямой или обратный токи коллектора (Jк, JKQ );

- прямое падение напряжения на переходах «эмиттер-база» ({7Э_6) и «коллектор-база» (С/к_б).

Доказано, что целесообразно использовать в качестве термозависимого параметра напряжение «эмиттер-база»:

Предложено для повышения чувствительности использовать не одиночный переход, а комбинацию переходов, например, последовательно соединяя их на одном кристалле.

При этом общая чувствительность Бт увеличивается пропорционально числу включенных "/»-«"-переходов

Проанализированы и исследованы нагревательные элементы (НЭ), используемые для термостабилизации и дегазации ВЧЭ:

- позисторные нагреватели;

- высоколегированные диффузионные области, сформированные в теле ЧЭ;

- резистивные нагреватели на основе металлических и легированных пленок.

В качестве базовых НЭ выбраны:

1. Нагреватели на основе высоколегированных диффузионных областей, которые формируются в теле кристалла путем легирования определенных областей (шин) кремния до высоких концентраций (1019... 1020 см*3). Легирование шин осуществляется методами термодиффузии, практически до уровня предельной растворимости примеси, а также методом ионной имплантации большими дозами до концентраций, превосходящих предельную растворимость. Толщина

(Ю)

= £ДС/э-б = -(10,5 ... 11,5) мВ/°С .

(П)

"//'-области составляет (0,8... 1,5) мкм у диффузионных шин и (0,1... 0,5) мкм у ионно-легированных.

2. Эмиттерная область планарного транзистора, сформированного на поверхности ВЧЭ. В этом случае транзистор используется в качестве управляемого нагревателя, т. е. одновременно совмещая в себе функции и нагревателя, и регулятора температуры.

3. Резистивные нагреватели на основе металлических и легированных пленок. Более совместимыми в конструктивном и технологическом плане с микроэлектронными ВЧЭ являются поликремниевые (ПК) легированные пленки. При легировании ПК пленок до концентрации 1019___Ю20 см"3 их удельное сопротивление снижается

до 0 01 Ом-см. Аморфная структура легированных ПК пленок дает возможность формировать из них нагревательные шины необходимых размеров. После термообработки ПК-шин на них формируется пленка 8Ю2 с высокими изоляционными свойствами и высокой теплопроводностью, которая позволяет формировать дополнительный слой коммутации.

На основе рассмотренных термочувствительных элементов и нагревателей предложены системы термостабилизации как отдельных ВЧЭ, так и всего кристалла в целом (рис. 2).

ВЧЭ

Нагревательные элементы

ВЧЭ

Нагревательные элементы

Рис 2 Термокомпенсированный газовый датчик с термостабилизацией ВЧЭ.

ВЧЭ— водородочувствительные элементы; Изм сх — измерительная схема,, РО — регулирующий элемент

Приведены результаты исследований базовых микроэлектронных ВЧЭ:

резистивного на основе тонкой пленки из сплава палладия с серебром;

кремниевого МДП-транзистора с палладиевым затвором; кремниевого МДП-транзистора с подвешенным затвором из сплава палладия с серебром.

Конструкция первого из них приведена на рис. 3. ВЧЭ в своем составе содержит: 1- диодный термочувствительный элемент; 2 - тонкопленочный газочувствительный резистор из сплава палладия с серебром; 3 - диффузионный нагревательный элемент.

Для повышения быстродействия измерения концентрации анализируемой водородной смеси кристалл ВЧЭ в процессе изготовления профилируется с помощью анизотропных травителей, в результате чего образуется тонкая центральная часть - мембрана толщиной в 10 мкм.

Проведен синтез и анализ тепловых и деформационных моделей элементов и структур ВЧЭ. При синтезе тепловых моделей использовался метод тепловых сопротивлений (тепловой закон Ома), в котором, согласно эквивалентной тепловой схеме ВЧЭ, рассчитана его температура в требуемых точках и при различных внешних условиях.

Получено, что для подложки из ситалла или сапфира разность температур между нагревателем и газочувствительным резистором *

достигает 14,3°С при скоростном потоке газа до 10 м/с. При этом реальная мощность нагревателя должна быть 3...4 Вт и выше. Для кремниевой подложки ввиду высокой теплопроводности кремния •

разность температур менее 0,2°С - для простой конвекции и 0,34°С -для усиленной конвекции. При этом время установления температуры кристалла с точностью до 1°С при мощности нагревателя 543 мВт не превышает 35 мс.

3

%

Рис 3 Кремниевый ВЧЭ с профилированным кристаллом

При синтезе деформационных моделей исследованы характер и влияние механических напряжений на параметры полупроводниковых чувствительных элементов микроэлектронных газовых датчиков. Формулы расчета термонапряжений для структурных элементов ВЧЭ основываются на анализе изгиба биметаллической пластины.

Анализ деформационных моделей в пленочных композициях позволил сделать выводы, что поликремниевые и нитридкремниевые пленки целесообразно использовать для ВЧЭ, предназначенных для малоинерционных датчиков водорода, рассчитанных на измерение малых концентраций и повышенную температуру эксплуатации, так как применение таких пленок дает возможность формировать ВЧЭ с компенсацией внутренних механических напряжений.

Показано, что путем изменения температуры и продолжительности термообработки термически напыленных пленок можно изменять не только уровень, но и знак внутренних напряжений.

Предложены конструктивно-технологические методы компенсации внутренних напряжений в ВЧЭ с помощью полипленочных композиций, при которых, варьируя толщину, количество слоев и сочетание пленок, можно добиться высокой степени компенсации в достаточно широком диапазоне температур.

Методы снижения термонапряжений в ВЧЭ предлагаются следующие:

- формирование компенсирующих пленок одинаковой толщины на планарной и непланарной сторонах кристалла ВЧЭ;

легирование пленок примесями-компенсаторами механических напряжений;

- покрытие металлических и диэлектрических слоев, формируемых на ВЧЭ, пленками на основе примесных стекол: боро-силикат-ного (БСС) и фосфоро-силикатного (ФСС).

В третьей главе «Разработка и исследование технологических процессов изготовления элементов и структур водородочувстви-телъного элемента» описаны новые и усовершенствованные технологические процессы (ТП) изготовления элементов и структур ВЧЭ. Показано, что технология изготовления ВЧЭ представляет собой целый комплекс взаимосвязанных технологических процессов и операций, относящихся к различным технологическим платформам:

- тонкопленочной;

- твердотельной;

- гибридной;

- микромеханической.

По первой технологии формируется пленка палладий-серебро (Pd-Ag) и алюминиевая (А1) контактная металлизация.

По второй технологии формируются элементы полевого транзистора: ионно-легированные области сток-исток, диффузионный нагреватель, элементы планарного датчика температуры.

Третья разновидность технологий используется для изготовления элементов компенсации и усиления.

С применением четвертой технологической группы формируется '

профиль затвора и конфигурация всего чувствительного элемента на основе МДП-транзистора с подвешенным затвором.

Описаны основные группы технологических операций:

1) жидкостная и «сухая» очистка в травящих растворах и реакционных газах; приведены конкретные составы и режимы обработки. В качестве базового метода выбран модифицированный метод RCA;

2) напыление металлических пленок никеля, нихрома, палладия, золота, титана и алюминия с использованием термического и электронно-лучевого методов;

3) фотолитография по металлическим и диэлектрическим пленкам;

4) операции по формированию с помощью анизотропного травления рельефа кремниевого ВЧЭ;

5) операции активации поверхности окисла кремния под палла-диевые пленки.

Описаны специальные технологические операции по формированию микромеханических структур:

- ионно-плазменное травление палладия в среде Аг;

- формирование подвешенного Pd-затвора путем вытравливания i алюминия между палладиевыми полосками и под ними. В результате палладиевые полоски оказываются подвешенными над поверхностью подзатворного диэлектрика на высоте порядка 0,1 мкм; ,

- формирование подвешенного Pd-затвора с помощью «взрывной» фотолитографии, чем достигаются точные размеры затвора;

- формирование тонких перемычек и мембран с помощью «стоп-травления» при электрохимических процессах или с использованием

слабо- и высоколегированных слоев, что позволяет значительно повысить быстродействие ВЧЭ.

В качестве анизотропных травителей (АТ) для кремния предложено использовать несколько травителей: раствор едкого калия в воде (К0Н-Н20) и ряд тройных составов на основе гидразина, пирокатехина и этилендиамина.

Показано, что путем создания в приповерхностном слое полупроводника области с высокой концентрацией носителей заряда (примеси) можно увеличить или уменьшить (вплоть до блокирования) скорость травления. Выбирая тип примеси (акцепторный или донор-ный), а также травителей (щелочной, кислотный), имеющих различные диссоциирующие способности, тип и заряд ионов, можно довольно точно управлять процессом травления.

Интенсификация или, наоборот, блокировка процесса травления достигается путем подачи постоянного электрического напряжения на электроды, одним из которых служит обрабатываемая пластина (электрохимическое травление). Ценным при электрохимическом травлении является то, что при определенных концентрациях и типе полупроводника может быть достигнуто автоматическое прекращение травления («стоп-травления»), что наряду с равномерным фронтом самого травления позволяет формировать прецизионные тонкие перемычки, мембраны и балки толщиной в несколько микрометров.

Четвертая глава «Результаты разработки и исследования экспериментальных образцов ВЧЭ датчика водорода» посвящена результатам изготовления и исследованиям характеристик экспериментальных образцов датчиков водорода. Для МДП ВЧЭ по выбранной топологии определялась крутизна сток-затворной характеристики

где е0 = 8,85 ■ 10~12 Ф/м,- eg = 3,9 - диэлектрическая проницаемость Si02; /с - режимный ток стока, который обычно выбирается порядка 1 мА; d - толщина подзатворного диэлектрика, типичное значение которой 100 нм; = 300 см/В- с - подвижность электронов; L = 10 мкм - длина канала; W= 1100 мкм - ширина канала. В результате расчета получена крутизна S= 4,77 мА/В.

После сборки экспериментальных образцов ВЧЭ проводился контроль их работоспособности. Диагностика включала измерение вольт-амперных (ВАХ) или вольт-фарадных (ВФХ) характеристик элементов, размещённых на ВЧЭ: диффузионного резистора, полупроводникового диода, «/»-«»-переходов между подложкой, стоком и истоком МДП-транзисторов и диффузионным резистором, МДП-конденсатора с Рс1-затвором, МДП-транзисторов с А1- и Рё-затво-рами. Один из исследованных ВЧЭ изображен на рис. 4.

Рис 4. Микроэлектронный ВЧЭ с подвешенным затвором

Регистрация ВАХ осуществлялась с использованием характерио-графа марки Л2-56, а ВФХ измерялись с использованием специальной измерительной схемы. Были получены параметры элементов ВЧЭ:

- сопротивление диффузионного резистора, Ом,.........(160±5);

- напряжение пробоя всех л»-переходов, В,............ (40+5);

- обратный ток диода, менее, нА,.....................................10;

-емкость МДП-конденсатора, пФ,.............................170+10;

- пороговые напряжения МДП-транзистора, В:

с А1-затвором...................................................... 1,8+ 0,2

с Рскзатвором........................................................0,3±0,2.

При проведении измерений технических характеристик ВЧЭ использовались контактная установка "Зонд А5", измеритель характеристик полупроводниковых приборов Л2-56, измеритель крутизны полевых транзисторов Л2-32.

Контролируемые параметры:

пробивное напряжение «р-«+»-перехода между областями стока и подложки (¿/„роб, В);

крутизна ВАХ транзисторов, при токе стока /с = 1 мА и напряжении на стоке относительно истока 17т = 2,0 В (5 мА/В);

напряжение на затворе транзистора относительно истока при токе стока /с=1 мА ({Узи, В );

пороговое напряжение по уровню тока стока /с = 2,5 мкА (С/ПоР> В). Испытания изготовленных образцов датчиков газообразного водорода проводились на базе одного из отраслевых НИИ, где был использован специально разработанный стенд с камерой, в которую помещается исследуемый датчик водорода, через герметичный разъём он соединяется с измерительной схемой и схемой термостабилизации. По трубопроводам с клапанами в камеру подавались либо смесь водорода с азотом (0,3, 0,75, 1, 2 %), либо чистый азот, либо чистый гелий для регенерации датчика. При необходимости можно было открывать камеру с датчиком для обеспечения доступа кислорода воздуха. Изменения напряжения на выходе схемы измерения регистрировались самописцем.

Обнаружено, что при малых концентрациях водорода (менее 1 %) наблюдается стабильная повторяемость отклика схемы в течение нескольких циклов. Порог чувствительности датчика находился на уровне КГ'-Ю-4 промилле.

В заключении отмечается, что в работе изложены новые научно обоснованные конструктивные и технологические решения по созданию перспективных микроэлектронных ВЧЭ на основе полевых структур, внедрение которых позволит создать датчики водорода с качественно новыми полезными свойствами, существенно повышающими эффективность информационно-измерительных систем ракетно-космической техники.

В приложении представлены конструкции измерительных модулей, фотошаблонов и приведены акты внедрения результатов исследований на предприятии РКТ и в учебном процессе.

Выводы

1. Развиты и реализованы методы измерения малых концентраций водорода с использование микроэлектронных ВЧЭ на основе МДП-транзистора с подвешенным затвором из палладия.

2. На основе анализа физико-химических моделей, описывающих процессы поглощения водорода металлами, выявлены основные информативные параметры, которые характеризуют изменение характеристик элементов и структур ВЧЭ под действием поглощенного водорода.

3. Предложены микромеханические конструкции термочувствительных, нагревательных и газочувствительных структур ВЧЭ, технологически совместимых друг с другом.

4. Развиты конструктивно-технологические методы компенсации влияния механических напряжений на характеристики ВЧЭ, что позволило повысить их стабильность и надежность.

5. Разработан и реализован ряд новых комплексных технологических процессов изготовления микроэлектронных ВЧЭ:

- формирования «подвешенного» затвора из палладия;

- изготовления тонких перемычек профилированных кремниевых ВЧЭ с использование стоп-травления;

- активации поверхности окисной пленки с целью повышения адгезии металлических пленок.

6. Создан ряд унифицированных конструкций ВЧЭ датчиков водорода, позволивших повысить точность измерения и их быстродействие.

Работа обеспечивает создание и способствует внедрению конструкций ВЧЭ и технологий их изготовления для микроэлектронных водородных датчиков с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками, используемыми для систем и изделий PKT.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Маринина Л. А. Темновая инжекция холодных дырок из поликристалла в термический Si02 в МОП-структурах с электродами из поликристаллического кремния / Л. А. Маринина, А. М. Коновалов, С. А. Ли // Материалы докл. 6 Всесоюз. конф. по физике диэлектриков «Электрофизика слоистых структур». - М.: ЦНИИ «Электроника», 1988.-С. 58-59.

2. А. с. 1785049 СССР, МКИ Н OIL 21/336. Способ изготовления датчиков водорода на МОП-транзисторах / Л. А. Маринина, С. А. Козин//БИ № 48 от 30.12.90.

3. Маринина Л. А. Исследование зависимости чувствительности по напряжению затвор-исток МОП-транзистора к циклам воздействия газовой смеси / Л. А. Маринина, В. В. Рыжаков, В. Н. Чувашов // Цифровые модели в проектировании и производстве РЭС: Межвуз. сб. науч. тр. - Пенза: Изд-во ПГТУ, 1995. - С. 150-153.

4. Маринина Л. А. Методы измерения температуры в газочувствительных элементах / Л. А. Маринина, П. Г. Михайлов // Датчики и системы. - 2003. - № 5. - С. 8-9.

5. Маринина Л. А. Методы оптической диагностики чувствительных элементов микроэлектронных датчиков / Л. А. Маринина, П. Г. Михайлов, М. А. Щербаков // Оптика, оптоэлектроника и технологии: Сб. материалов V междунар. науч.-техн. конф. - Ульяновск, 2003.

6. Маринина Л. А. Моделирование формообразующих процессов формирования сенсорных элементов и структур / Л. А. Маринина, П. Г. Михайлов, М. А. Щербаков // Оптика, оптоэлектроника и технологии: Сб. материалов V междунар. науч.-техн. конф. - Ульяновск, 2003.

7. Маринина Л. А. Газочувствительные сенсорные элементы / Л. А. Маринина, П. Г. Михайлов // Актуальные проблемы науки и образования: Сб. материалов междунар. юбил. симпоз. - Ч. 2. - Пенза, 2003.-С. 240-243.

8. Марииина Л. А. Модификация материалов и структур газовых сенсоров / Л. А. Маринина, П. Г. Михайлов // Надежность и качество 2003: Сб. материалов междунар. симпоз. - Пенза, 2003.

9. Маринина Л. А. Моделирование сенсорных структур микроэлектронных датчиков // Л. А. Маринина, П. Г. Михайлов, П. Н. Ци-бизов // Университетское образование: Материалы VII междунар. науч.-метод, конф. - Пенза: ПДНТП, 2003. - С. 457.

10. Маринина Л. А. Моделирование датчиков, информационно-энергетический подход / Л. А. Маринина, П. Г. Михайлов // Деп. в ВИНИТИ Рос. акад. наук 04.02.03. № 217-В2003.

11. Маринина Л. А. Моделирование датчиков / Л. А. Маринина, П. Г. Михайлов, А. П. Михайлов, П. Н. Цибизов // Проблемы автоматизации и управления в технических системах: Сб. материалов междунар. науч.-техн. конф. - Пенза, 2004.

12. Маринина JI. А. Лазерные формообразующие технологии / Л. А. Маринина, П. Г. Михайлов, С. В. Капезин, П. Н. Цибизов // Университетское образование: Сб. материалов VIII междунар. науч.-техн. конф. (МКУО-2004). Пенза, 2004.

13. Маринина Л. А. Формообразующие технологии в микромеханических устройствах / Л. А. Маринина, П. Г. Михайлов С. В. Капезин, П. Н. Цибизов // Сб. материалов VIII междунар. науч.-техн. « конф. (МКУО-2004). - Пенза, 2004.

14. Маринина Л. А. Технология формообразования в микромеханике / Л. А. Маринина, П. Г. Михайлов, П. Н Цибизов // Университетское образование: Сб. материалов VIII междунар. науч.-техн. конф. МКУО-2004. - Пенза, 2004.

15. Маринина Л. А. Микроэлектронные газочувствительные элементы // Л. А. Маринина, П. Г. Михайлов // Вооружение, Безопасность, Конверсия: Сб. материалов всерос. науч.-техн. конф., посвященной 40-летию кафедры АИУС. -Пенза: Изд-во ПГУ, 2004.

16. Маринина Л. А. Газочувствительные элементы сенсоров в системах безопасности / Л. А. Маринина, П. Г. Михайлов // Современные охранные технологии обеспечения комплексной безопасности объектов: Сб. материалов V всерос. науч.-техн. конф. - Пенза-Заречный, 2004.

17. Маринина Л. А. Чувствительные элементы газовых сенсоров / Л. А. Маринина // Датчики и системы. - 2005. - № 10. - С. 2-5.

18. Маринина Л. А. Чувствительный элемент газового датчика / Л. А. Маринина // Надежность и качество 2005: Сб. материалов междунар. симпоз. - Пенза, 2005. - С. 390-391.

Маринина Лариса Александровна

Микроэлектронный чувствительный элемент датчика газообразного водорода

Специальность 05 11 14 - Технология приборостроения

Редактор Т В Веденеева Технический редактор Н А Вьялкова Корректор Ж. А Лубенцова Компьютерная вере гка/3 Б Бердниковой

ИД №06494 от 26.12.01

Сдано в производство 01.02.06. Формат 60x84^/16. Бумага писчая. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,16. Заказ 59. Тираж 100.

Издательство Пензенского государственного университета. 440026, Пенза, Красная, 40.

2,006

• -417 5^75"

»

i

Введение.

Глава 1 Обзор и анализ методов преобразования, конструкций и технологий изготовления газочувствительных элементов.

1.1. Выбор и анализ методов преобразования и информативных параметров.

1.2. Обзор и анализ конструкций газочувствительных элементов.

1.3. Перспективные микроэлектронные газочувствительные элементы на основе МОП-структур.

1.4. Микроэлектронный датчик водорода на основе наноразмерных титановых трубок.

1.5. Физико-химические реакции и модели взаимодействия водорода с материалами микроэлектронных датчиков.

1.6. Особенности поглощения водорода пленками на основе палладия и его сплавов.

1.7. Влияние водорода на электрическое сопротивление металлов и сплавов.

1.8. Взаимодействие водорода с элементами полевых структур «металлдиэлектрик-полупроводник».

Глава 2 Разработка и исследование элементов и структур датчика газообразного водорода.

2.1. Термочувствительный элемент.

2.2. Нагревательный элемент.

2.3. Водородочувствительные элементы.

2.4. Моделирование структур и элементов датчика водорода.

Глава 3 Разработка и исследование технологических процессов изготовления элементов и структур водородочувствительного элемента.

3.1. Технологии, используемые в процессе изготовления ВЧЭ.

3.2. Технология изготовления тонкопленочного резистивного ВЧЭ на изолирующих подложках.

3.3. Технология изготовления резистивного ВЧЭ на основе полупроводниковых структур.

3.4. Технология изготовления ВЧЭ на основе МДП-транзистора с подвешенным затвором.

3.4.1. Технологии активации поверхности окисла кремния и напыления палладия.

3.4.2. Технология формирования палладиевого затвора.

3.5. Формообразование структур ВЧЭ.

3.5.1. Изотропное травление полупроводников и изоляторов.

3.5.2. Анизотропное травление полупроводниковых материалов.

3.5.3. Управление процессом профилирования ВЧЭ.

3.6. Экспериментальная технология формирования микроэлектронного ВЧЭ с использованием сплава палладий-серебро.

Глава 4 Результаты изготовления и исследования экспериментальных образцов ВЧЭ датчика водорода.

4.1. Водородный датчик на основе МДП структур.

4.2. Особенности топологии ВЧЭ датчика водорода.

4.3. Исследование экспериментальных образцов ВЧЭ.

4.4. Основные метрологические характеристики емкостного ВЧЭ на основе

МДП-структур с палладиевым затвором.

Измерение и анализ газовых сред производится в самых различных отраслях науки и техники: в химическом, нефтехимическом и металлургическом производствах, в технологии изготовления микроэлектронных компонентов, при анализе экологической обстановки и, выявлению взрывчатых веществ [35,51,81].

Потребность в полупроводниковых газовых сенсорах составляет десятки миллионов штук в год, а платежеспособный спрос на сенсоры в 2005.2010 гг. возрастет до нескольких миллиардов долларов США [11, 38, 91].

Практически все выпускаемые отечественные и зарубежные сигнализаторы газов основаны на и полупроводниковом принципах преобразования. Недостатком электрохимических и термохимических газочувствительных элементов (ГЧЭ) является их малое быстродействие.

Для создания ГЧЭ микроэлектронных газовых сенсоров наибольшее применение нашла окись олова (SnCb) благодаря своей технологичности и совместимости с операциями микроэлектронной технологии [10, 12, 61, 62].

Основным недостатком SnC>2 является то, что в чистом виде она имеет слабую чувствительность к водороду. Для повышения чувствительности к водороду, в пленку S11O2 вводят легирующие элементы. Но для малых концентраций водорода в контролируемой среде введение в пленку SnCb легирующих элементов не дает должного эффекта.

Более высоких характеристик по быстродействию, чувствительности и селективности при измерениях малых концентраций водорода, а также обеспечения управления процессом газоанализа можно достичь, используя водородочувствительные элементы (ВЧЭ) на основе полевых приборов (МОП-транзисторы), в которых в качестве чувствительного материала используется палладиевая пленка, нанесенная на управляющий электрод транзистора. Но при создании таких приборов основной задачей, пока до конца не решенной, является обеспечение долговременной стабильности характеристик газочувствительных МОП-транзисторов.

В связи с этим, разработка методов, конструкций и технологий изготовления ВЧЭ микроэлектронных газовых датчиков является актуальной задачей.

Следует отметить, что данной тематикой занимается множество исследовательских центров и промышленных фирм, как за рубежом, так и в России: Сименс и Бош (Германия), Моторолла (США), Пежо-Ситроен (Франция), Фигаро (Япония), ОАО "Авангард" (г. Санкт-Петербург), ОАО «Практик-НЦ» г. Зеленоград, «МИФИ» г. Москва, ГУП НИИФИ г. Пенза. [91].

Ведущими специалистами в данной области являются Николаев И.Н., Новиков В.В., Васильев А.А., Чаплыгин Ю.А., Шелепин Н.В. и др.

В тоже время в подавляющем большинстве известных публикаций недостаточно внимания уделяется технологическим и конструктивным методам повышения стабильности микроэлектронных датчиков (МЭД), измеряющих малые концентрации газообразного водорода.

Цель работы. Разработка и исследование методов повышения стабильности, создание технологических процессов изготовления, и конструкций микромеханических водородочувствительных элементов (ВЧЭ) микроэлектронных датчиков малых концентраций газообразного водорода.

Основные задачи исследования.

Заявленная цель достигается решением следующих задач:

1. Исследованием и выбором базовых принципов преобразования и информативных параметров;

2. Анализом и исследованием конструктивно-технологических решений по формированию структур ВЧЭ;

3. Синтезом и анализом тепловых и деформационных моделей ВЧЭ;

4. Совершенствованием конструктивно-технологических методов минимизации механических напряжений в элементах и структурах ВЧЭ;

5. Созданием новых технологических операций и процессов формирования ВЧЭ;

6. Проведением исследований характеристик экспериментальных образцов ВЧЭ МЭД.

Методы исследования. При разработке физико-математических моделей использовались положения физической химии, физики полупроводников и кристаллофизики, применялись методы теории теплопередачи. Использовался математический аппарат дифференциального и интегрального исчисления и аналитической геометрии. Основные теоретические положения и результаты подтверждены экспериментальными исследованиями экспериментальных образцов МЭД водорода.

Научная новизна работы

1. Разработаны, исследованы и реализованы методы уменьшения временного дрейфа электрофизических характеристик ВЧЭ на основе МОП-транзистора с подвешенным затвором за счет исключения образования встроенного заряда в затворной области, что позволило обеспечить стабильность измерения малых концентраций газообразного водорода;

2. Развиты технологии получения тонких перемычек ВЧЭ с заданной конфигурацией путем использования «стоп-слоев» и самотормозящего травления, что позволило повысить чувствительность и быстродействие измерения в области малых и средних концентраций водорода;

3. Разбиты конструктивные и технологические методы компенсации влияния механических напряжений на характеристики ВЧЭ МЭД, что позволило повысить их качество.

4. Разработаны и внедрены новые микромеханические технологии и конструкции ВЧЭ МЭД, обеспечивших увеличение информативности измерения малых концентраций водорода в изделиях РКТ.

Практическая значимость работы. Работа обобщает теоретические и экспериментальные исследования, проведенные автором в Пензенском государственном университете (111 У) на кафедре «Приборостроение», и способствует решению актуальной научно-технической задачи создания микромеханических технологий и датчиков малых концентраций водорода с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками, предназначенных для использования в ракетно-космической технике.

Реализация результатов работы. Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований автора использованы при разработке МЭД малых концентраций водорода, технологических процессов изготовления ВЧЭ:

В частности, эти результаты использовались при создании:

- экспериментальных образцов ряда ВЧЭ индекс 431418001;

- экспериментального образца датчика газообразного водорода индекс ГАВ 001.

- технологических операций и комплексных технологий создания ВЧЭ: 783 02200 00410; 583 60271 0041; 783 022200 00050; 783 02271 00015; 783 02201 00030.

- в учебном процессе кафедры «Приборостроение» ПГУ при проведении лекционных и практических занятий по дисциплинам: «Микромеханические устройства и приборы» и «КИП технологического оборудования».

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международных научно-технических конференциях (МНТК), университетских и кафедральных научно-технических семинарах: VI Всес. конф. по физике диэлектриков «Электрофизика слоистых структур», Москва 1988, «Надежность и качество», Пенза 2003, 2005, VII МНТК "Университетское образование" Пенза, 2003; VIII МНТК "Университетское образование" Пенза 2004, Всерос. НТК «Вооружение, Безопасность,

Конверсия» Пенза 2004, Всерос. НТК «Современные охранные технологии обеспечения комплексной безопасности объектов» Пенза-Заречный 2004, Международного юбилейного симпозиума «Актуальные проблемы науки и образования», Пенза 2003 ПГУ, V МНТК «Оптика, оптоэлектроника и технологии» Ульяновск, 2003, МНТК «Проблемы автоматизации и управления в технических системах» Пенза, 2004;

Публикации. По теме диссертации опубликовано 21 работа, включая 10 статей, 1 авторское свидетельство на изобретение, 9 материалов и тезисов докладов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав основного текста (159 стр.), заключения, списка литературы, включающего 136 наименований, приложения (на 11 стр.). Основная часть содержит 60 рисунков и 10 таблиц.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ

1. Проведён анализ конструкций и технологических процессов изготовления полупроводниковых ВЧЭ и в качестве перспективных определены профилированные ВЧЭ на основе МДП-структур с палладиевым затвором и микромеханические технологии их формирования.

2. Проанализированы физико-химические реакции и процессы взаимодействия водорода с функциональными материалами, элементами и структурами газочувствительных микроэлектронных датчиков, разработаны соответствующие математические модели.

3. Разработана тепловая модель датчика газообразного водорода, которая позволила провести оценку необходимой мощности нагревателя.

4. Проведено исследование и моделирование элементов и структур датчика газообразного водорода: термочувствительного, нагревательного и водородочувствительных элементов, что позволило оптимизировать их характеристики.

5. Определены характер и влияние механических напряжений на параметры ВЧЭ микроэлектронных газовых датчиков и разработаны конструктивно-технологические методы компенсации внутренних напряжений.

6. Разработаны и оптимизированы технологических процессы и операции изготовления элементов и структур водородочувствительного элемента:

- изготовления резистивного ВЧЭ на изолирующих подложках;

- резистивного ВЧЭ на основе полупроводниковых структур;

- ВЧЭ на основе МДП-транзистора с подвешенным затвором;

- повышения активности поверхности окисла кремния;

- формирования пленок из чистого палладия и его сплава с серебром;

- изготовления подвешенного палладиевого затвора;

- формообразования структур ВЧЭ (анизотропного, изотропного и электрохимического травления);

- определены технологические режимы, травители и полупроводниковые структуры, позволяющие получить самотормозящиеся режимы травления.

7. Разработана топология основных элементов ВЧЭ и изготовлен комплект фотошаблонов.

8. Изготовлены и исследованы экспериментальные образцы датчиков водорода на основе МДП-структур. Датчики отличаются повышенной стабильностью основных характеристик и высоким быстродействием.

Решение поставленных задач позволило разработать и внедрить в датчики для ракетно-космической техники ряд ВЧЭ и измерительных модулей на их основе (рис. П1.7-П1.10), отличающихся повышенной временной стабильностью, быстродействием и малыми габаритами.

Кроме того, разработанные конструкции ВЧЭ и технологии изготовления позволяют при соответствующем технологическом оснащении выпускать групповыми методами значительные количества микроэлектронных газовых датчиков, предназначенных для различных отраслей народного хозяйства.

ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ АТ-анизотропное травление (анизотропный травитель); ВАХ-вольтамперная характеристика; ВФХ-вольтфарадная характеристика; ВЧЭ-водородочувствительный элемент; ГА-газоанализатор; ГЧД-газочувствительный датчик; ГЧЭ— газочувствительный элемент; ИТ-изотропное травление; КТР—конструктивно-технологическое решение; МДП-металл-диэлектрик-полупроводник; ММТ-микромеханические технологии; МН-механическое напряжение; МОП-металл-окисел-полупроводник; МЭД-микроэлектронный датчик; НЭ-нагревательный элемент; ПК—поликремний;

ПЧЭ-полупроводниковый чувствительный элемент; СН-структурные напряжения; СЭ-сенсорный элемент;

TKJlP-температурный коэффициент линейного расширения;

ТКС-температурный коэффициент сопротивления;

ТН-термонапряжения;

ТО-технологическая операция;

ТП-технологический процесс;

ТС-термосопротивление;

ТЧЭ—термочувствительный элемент;

ЧЭ-чувствительный элемент;

ЭФХ-электро-физическая характеристика.

1. Агеев В.Н. Взаимодействие водорода с металлами / В.Н. Агеев, И.Н. Бекман, О.П. Бурмистрова.-М: Наука, 1987.

2. А. с. 1785049 СССР. МКИ: H01L 21/336 Способ изготовления датчиков водорода на МОП-транзисторах / Л.А. Маринина, С.А.Козин опубл. 30.12.90. Бюл.№ 48.

3. Анго А. Математика для электро- и радиоинженеров, пер. с фр.-М.: Наука, 1964.

4. Баранский П.И. Полупроводниковая электроника / П.И. Баранский, В.П. Клочков, И.В. Потыкевич. Справочник.- Киев: Наукова думка, 1975.

5. Бир Г.Л. Симметрия и диффузионные эффекты в полупроводниках / Г.Л. Бир, Г.Е. Пикус-М.: Наука, 1972.

6. Блейкмор Дж. Физика твёрдого тела.- М.: Мир, 1988.

7. Бондаренко Е.В. Интегральный датчик температуры с повышенной долговременной стабильностью / Е.В Бондаренко, Э.Ф. Кравец // Вопросы радиоэлектроники. Серия: ТРТО.-Вып. 2-1985. ДСП.

8. Бубенников А.Н. Моделирование интегральных микротехнологий, приборов и схем.-М.: Высшая школа, 1989.

9. Бубнова С.Ю. Редкоземельные элементы в полупроводниковых структурах / С.Ю. Бубнова, Ю.М. Волокобинский, А.Г. Козлов // Вопросы радиоэлектроники. Серия: ТПО.-Вып. 2-1986. ДСП.

10. Ю.Ваганов В.И. Интегральные преобразователи-М.: Энергоатомиздат, 1983.

11. Н.Васильев А.А. Полупроводниковые сенсоры для детектирования фтора, фтористого водорода и фторуглеродов // Датчики и системы № 9 2004. С. 20-24.

12. Виглеб Г. Датчики. Устройство и применение. Пер. с нем.-М.: Мир, 1989.

13. Викулин Н.М. Физика полупроводниковых приборов / Н.М. Викулин, В.И. Стафеев-М.: Радио и связь, 1990.

14. Водород в металлах / под ред. Алефельда Г., Фёлькля И. Том 1-М.: Мир, 1980.

15. Водород в металлах / под ред. Алефельда Г., Фёлькля И. Том 2.-М.: Мир, 1981.

16. Гельд П.В. Водород и физические свойства металлов и сплавов: Гидриды переходных металлов / П.В. Гельд, Р.А. Рябов, Л.П. Мохрачёва-М.: Наука, 1985.

17. ГОСТ Р 51086-97 Датчики и преобразователи физических величин электронные. Термины и определения. Госстандарт России ИПК Издательство стандартов, 1997.

18. Готра ЗЛО. Технология микроэлектронных устройств. Справочник.-М.: Радио и связь, 1991.

19. Датчики теплофизических и механических параметров. Справочник под ред. Багдатьева Е.Е., Гориша А.В., Майкова Я.В. в 2-х томах.-М.: ИПРЖР, 1998.

20. Дручин B.C. Термодиффузионные коммутационные слои интегральных тензопреобразователей / B.C. Дручин, С.И. Кулагин, А.П. Решетило // Вопросы радиоэлектроники. Сер. ОВР.-Вып. 3.-1988. ДСП.

21. Дьюли У. Лазерная технология и анализ материалов. Пер. с англ.-М.: Мир, 1986.

22. Ефимов Е.А. Электрохимия германия и кремния / Е.А. Ефимов, И.Г. Ерусалимчик-М.: Госхимиздат, 1963.

23. Ефимов И.Е. Микроэлектроника / И.Е. Ефимов, И.Я. Козырь, Ю.И. Горбунов-М.: Высшая школа, 1986.

24. Запорожченко М.В. Резистивная компенсация датчиков неэлектрических величин // Вопросы радиоэлектроники. Сер. ТРТО, вып. 1 , 1985. С. 87.

25. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике-М.: Мир, 1975.

26. Игнатьева Н. Датчики газа фирмы Figaro II Электронные компоненты №2 2003. С. 99-102.

27. Измерение параметров на РТС изделия 11К 77. 43.

28. Карабан А.Г. Кондуктометрический анализатор водорода в газах / А.Г. Карабан, Е.А. Кочеткова // Заводская лаборатория № 8, 1969.

29. Калачёв Б.А. Водородная хрупкость металлов-М: Металлургия, 1985.

30. Каталог «Датчики и преобразующая аппаратура» РКА, НИИФИ.

31. Кейджян Г.А. Основы обеспечения качества микроэлектронной аппаратуры-М.: Радио и связь, 1991.

32. Киреев В.Ю. Плазмо-химическое и ионно-химическое травление микроструктур-М: Радио и связь, 1985.

33. Козлов В.А. О деформациях в термически окисленном кремнии / В.А. Козлов, К.Н. Раков // Электронная Техника. Сер. Микроэлектроника, 1972, вып. 8.

34. Коптев Ю.Н. Датчиковая аппаратура для ракетно-космической техники / Ю.Н. Коптев, А. В. Гориш // Радиотехника № 10 1995, С. 5.

35. Конструирование и расчет БГИС, микросборок и аппаратуры на их основе / под ред. Высоцкого Б.Ф.-М.: Радио и связь, 1981.

36. Кривоносое А.И. Полупроводниковые датчики температуры.-М.: : Энергия, 1974.

37. Лучинин В.В. Широкозонные материалы основа экстремальной * электроники будущего // Микроэлектроника, 1999 т. 28 N 1.

38. Люлин Б.Н. Состояние и перспективы развития датчиков физических и химических величин / Б.Н. Люлин, В.В. Новиков // Датчики и системы № 6 2004. С. 22-26.

39. Маккей У.К. Водородное соединение металлов М.: Мир, 1968.

40. Маринина Л.А. Проблемы применения микромеханических приборов и систем в оборонном комплексе. // Научно-технический журнал Системный анализ и новые технологии» Пенза ПГУ, 2003. С. 36-39.

41. Матвейкив М.Д. Исследование механических напряжений в алюминиевых пленках / М.Д. Матвейкив, И.Т. Волоский // Микроэлектроника сер. 3, вып. 2, 1984.

42. Материалы микроэлектронной техники / под ред. В.М. Андреева.-М.: Радио и связь, 1989.-350 с

43. Митрофанов О.В. Физические основы функционирования изделий микроэлектроники / О.В. Митрофанов, Б.И. Симонов, Л.А. Коледов-М.: Высшая школа, 1987.

44. Маринина Л.А. Моделирование сенсорных структур микроэлектронных датчиков / Л.А. Маринина, П.Г. Михайлов // Университетское образование: Материалы VII Международной науч.-мет. конф. Пенза: ПДНТП, 2003. С. 457-459.

45. Маринина Л.А. Методы измерения температуры в газочувствительных элементах / Л.А. Маринина, П.Г. Михайлов // Датчики и системы.-2003, № 5.-С. 8-9.

46. Маринина Л.А. Моделирование датчиков, информационно-энергетический подход / Л.А. Маринина, П.Г. Михайлов // деп. в ВИНИТИ РАН per. № 217-В2003 от 04.02.03.

47. Маринина Л.А. Модификация материалов и структур газовых сенсоров / Л.А. Маринина, П.Г. Михайлов // Труды международного симпозиума «Надежность и качество 2003». Пенза, 2003. С. 410.

48. Маринина Л.А. Микроэлектронные газочувствительные элементы / Л.А. Маринина, П.Г. Михайлов // «Вооружение, Безопасность, Конверсия»

49. Сб. мат. трудов Всерос. НТК, поев. 40-летию каф. АИУС Пенза, 2004. С. 204212.

50. Маринина J1.A. Технология формообразования в микромеханике / JI.A. Маринина, П.Г.Михайлов // Материалы VIII Межд. науч.-мет. конф. МКУО-2004. Пенза, 2004. С. 454-456.

51. Маринина Л.А. Газочувствительные сенсорные элементы / JI.A. Маринина, П.Г. Михайлов // Труды Межд. юбил. симпоз. «Актуальные проблемы науки и образования» Часть 2. Пенза, 2003. С 240-243.

52. Маринина JI.A. Чувствительные элементы газовых сенсоров / Л.А. Маринина, П.Г. Михайлов//Датчики и системы.-2005, № 8. С. 12-14.

53. Маринина JI.A Формообразующие технологии в микромеханических устройствах / JI.A. Маринина, П.Г. Михайлов // Материалы VIII Межд. науч.-мет. конф. МКУО-2004, Пенза, 2004. 460-463.

54. Маринина JI.A. Моделирование формообразующих процессов формирования сенсорных элементов и структур / JI.A. Маринина, П.Г.

55. Михайлов, М.А. Щербаков // Тез. докл. V международной конференции

56. Оптика, оптоэлектроника и технологии» Ульяновск, 2003. С. 8.

57. Маринина Л.А. Методы оптической диагностики чувствительных элементов микроэлектронных датчиков / Л.А. Маринина, П.Г. Михайлов, М.А. Щербаков // Тез. докл. V международной конференции «Оптика, оптоэлектроника и технологии» Ульяновск, 2003. С. 7.

58. Маринина ' Л.А. Лазерные формообразующие технологии / Л.А. Маринина, П.Г. Михайлов, М.А. Щербаков // Материалы VIII Межд. научн.-мет. конф. МКУО-2004 Пенза, 2004. С. 457-459.

59. Михайлов П.Г Модификация материалов микроэлектронных датчиков// Новые промышленные технологии.-2003, № 6. С. 15-18.

60. Михайлов П.Г. Методы управления механическими напряжениями в сенсорных элементах и системах микроэлектронных датчиков // Sensors & Sistems № 9 2004. С. 10-12.

61. Михайлов П.Г. Методы и модели регулирования технологических процессов производства радиоэлектронной аппаратуры: Учебное пособие / П.Г. Михайлов,Т.К. Чистова, Е.Ф. Белоусов, А.А. Кичкидов.-Пенза: Изд-во Пенз. Гос. Ун-та, 2002.-148 с.

62. Михайлов П.Г. Микроэлектронные датчики особенности конструкций и характеристик / П. Михайлов, Е. Мокров // Электронные компоненты.-2005, № 11.-С. 1-5.

63. Михайлов П.Г. Микромеханика приборных устройств // Новые промышленные технологии.-2003, № 2 (313).-С. 21-25.

64. Михайлов П.Г. Микроэлектронные датчики, особенности конструкций и характеристик // Приборы и Системы. Управление, Контроль, Диагностика 2004, № 6. С.38-42.

65. Михайлов П.Г. Микроэлектронные датчики: вопросы разработки // Микросистемная техника.-2003. № 1.-С. 4-7.i

66. Михайлов П.Г. Стабильность микроэлектронных датчиков и технологий (монография).- Пенза: ПГУ, 2003.-231 с.

67. Михайлов П.Г. Управление свойствами материалов сенсорных элементов микроэлектронных датчиков // Микросистемная техника.-2003, № 5.-С. 7-11.

68. Михайлов П.Г. Формообразование сенсорных элементов и структур микроэлектронных датчиков // Новые промышленные технологии.-2004, №2. С. 67-69.

69. Михайлов П.Г. Формообразующие процессы создания микромеханических устройств // Микросистемная техника. 2003, № 7.С. 10.

70. Михайлов П.Г. Микроэлектронные датчики. Проектирование, изготовление, диагностика / П.Г. Михайлов, Е.Ф. Белоусов Учебное пособие-Пенза ПГУ, 2001 .-87 с.

71. Модификация и легирование поверхности лазерными, ионными и » электронными потоками / пер. с англ, под ред. Дж. Поути.—М.:1. Машиностроение, 1987.

72. Моррисон С. Химическая физика поверхности твердого тела-М.: Мир, 1980.

73. Мямлин В.А. Электрохимия полупроводников / В.А. Мямлин, Ю.В. Плесков-М: Наука, 1965.-338 с.

74. Най Дж. Физические свойства кристаллов и их описание при помощи тензоров и матриц-М: Мир, 1967.

75. Некрасов М.М. Испытания элементов радиоэлектронной аппаратуры.-Киев.: Вища школа, 1981.

76. Николис Г. Самоорганизация в неравновесных системах / Г. Николис, И. Пригожин-М: Мир, 1979.

77. Новицкий П.В. Оценка погрешности результатов измерений / П.В. Новицкий, И.А. Зограф-JI.: Энергоатомиздат, 1991.

78. Носов Ю.Р. Математические модели элементов интегральной электроники / Ю.Р. Носов, К.О. Петросян, В.А. Шилин-М.: Советское радио, 1986.-304с.

79. Пасынков В.В. Материалы электронной техники, 2ое издание / В.В. Пасынков, B.C. Сорокин -М.: Высшая школа, 1986, 367 с.

80. Петерсен К.Э. Кремний как механический материал //ТИИЭР № 5, 1982. С. 5.

81. Пикус Г.Е. Основы теории полупроводниковых приборов.-М.: Наука 1965 .-448 с.

82. Плазменная технология в производстве СБИС / под ред. Н. Айнспрука и Д. Брауна, пер. с англ.-М.: Мир, 1987.

83. Полякова А.А. Деформация полупроводников и полупроводниковых приборов.-М.: Энергия, 1979.

84. Пугачев В.А. Водородопроницаемость и диффузия водорода в сплавах палладий-серебро / В.А. Пугачев, Ф.И. Бусон, Е.И. Николаев // Ж.Ф.Х. том XIX, №7, 1975.

85. РМГ 29-99 Рекомендации по межгосударственной стандартизации. Государственная система обеспечения единства измерения. Метрология. Основные термины и определения. Минск: ИГТК Издательство стандартов, 2000.

86. Родина А.А. Взаимодействие с водородом сплава палладий-серебро /

87. A.А. Родина, М.А. Гуревич, Н.И. Доронина//Ж.Ф.Х. том XI, № 9, 1967.

88. Розанов С.В. Контроль концентраций горючих газов и паров в атмосферном воздухе нефтегазового комплекса / С.В. Розанов, А.В. Рязанов,

89. B.А. Цибизов // Безопасность труда в промышленности № 1. 2002. С. 32.34.

90. Россадо Л. Физическая электроника и микроэлектроника-М: Высшая школа, 1991.

91. Савицкий Е.М. Сплавы палладия / Е.М. Савицкий, В.П. Полякова-М.: Наука, 1967.

92. Сангал К. Травление кристаллов. Теория, эксперимент, применениеМ. :Мир, 1990.

93. Сергеев В.В. Напряжения и деформации в элементах микросхем / В.В. Сергеев, О.А. Кузнецов, Н.П. Захаров-М.: Радио и связь, 1988.

94. Соколов Л.В. Основы исследования и разработки в области сенсорных МЭМС-устройств И SENSOR & SYSTEMS 1999, № З.-С. 58.

95. Технология тонких пленок / Справочник в 2-х томах под ред. Мейсэла, Т.1.-М.: Мир, 1972.

96. Технология СБИС / пер. с англ, под ред. Зи С.-М: Мир, 1986.

97. Тимошенков С.П. Исследование технологии очистки поверхностипластин кремния в процессе изготовления структур КНИ и микроэлектронных изделий / С.П. Тимошенков, В.В. Калугин // Микросистемная техника № 1,2003, с. 13-21.

98. Травление полупроводников сб. статей. Пер. с англ. С.Н. Горина- М.: Мир, 1965.-382с.

99. Уэлт Ч., Томсон П. Физика твердого тела / Ч. Уэлт, П. Томсон пер. с англ.-М: Мир, 1969.

100. Фаст Дж. Д. Взаимодействие металлов с газами. Т 2. Кинетика и механизм реакций.-М.: Металлургия, 1975.

101. Физические основы надежности интегральных схем. Под ред. Миллера Ю.Г.-М.: Сов. радио, 1976.

102. Филимонов П.А. Исследование температурных полей в первичных измерительных преобразователях на основе кварцевых подогревных резисторов с локализацией энергии // В сб. «Электронные измерительные устройства и системы»-М.: Энергоатомиздат, 1984.

103. ЮО.Фистуль В.И. Введение в физику полупроводников-М.: Высш. шк.-1984.

104. Фогельсон И.Б. Транзисторные термодатчики-М.: Советское радио, 1972.

105. Хакен Г. Синергетика. Иерархия неустойчивостей в самоорганизующихся системах и устройствах. -М.: Мир, 1985.

106. ОЗ.Хакен Г. Синергетика-М.: Мир, 1980.

107. Чернышев А.А. Основы надежности полупроводниковых приборов и интегральных схем.-М.: Радио и связь, 1988.

108. Черняев В.Н. Физико-химические процессы в технологии РЭА.-М.: Высшая школа, 1987.-375 с.

109. Шаскальская М.П. Кристаллография.-М.: Высшая школа, 1976.

110. Эдельман Ф.Л. Структура компонентов БИС.-Новосибирск: Наука, 1980.

111. Электрические измерения неэлектрических величин / Под ред. П. В.

112. Новицкого.-М.: Энергия, 1975.

113. Arbab. A., Spetz, A., Lundstom, I. "Gas Sensors For High Temperature Based on Metal-Oxide-Silieon Carbide (MOSiC) Devices", Journal of Sensors and Actuators B, Vol 15-16. 1993, pp. 19-23.

114. Declerg M.J., Gerzberg L., Meindl J.D. Optimization of the hydrazine-water solution for anisotropic etching of silicon in integrated circuit technology .-J. Electrochem. Soc., 1975, v. 122, № 4, p. 545-552.

115. Deng J., Zhu IV., Tan O.K. Amorphous Pb(Zr, Ti)03 Thin Film Hydrogen Gas Sensor Journal of Sensors and A ctuators Vol. 77, 2001, pp. 416-420.

116. Fomenko S., Gumenjuk S., Podlepetsky В., Chuvashov V. The influence of technological factors on the hydrogen sensitivity of MOSFET sensors // Sensors and Actuers B, Vol. 10 (1992) pp. 7-10.

117. Irvin J. C., Solid-Steate Electronics, 11, 599 (1968).

118. Kang W.P., Gurbuz G., Davidson J.L. An New Hydrogen Sensor Using a Poly crystalline Diamond-Based Schottky Diode J. Electrochem. Soc. Vol. 141. 1994, pp. 2231-2234.

119. Wl.Lee D. B. Anisotropic Etching of Silicon // Journal of Applied Physics 1969, V40, № 11 ,pp. 4569-4572.

120. Lundstrom I., Shivaraman S., Svensson C. Hydrogen Sensitive MOS Field-Effect Transistor, Appl. Phys. Lett., Vol 26, No. 2, 1975, pp. 55-57. 119 .Mandelbrot B.B. Fractals.-San Francisco: W. H. Freeman and Co., 1977.

121. Sze S.M., Physics and Technology of Semiconductor Devices, Willey, 1967.

122. Takanashi K. Sensor Materials for the Future: Intelligent Materials /Sensors and Actuators V 13 № 1, 1988.

123. Полупроводники на основе титаната бария. Пер. с яп. / Под ред. К. Окадзаки.-М.: Энергоиздат, 1982. 328с.

124. Талерчик Б. А. Позисторные нагреватели с автостабилизацией температуры // Датчики и системы № 4, 2005. С. 42-45.

125. Поликристаллические полупроводники. Физические свойства и применение // под ред. Г. Харбеке М.: Мир, 1989.

126. Stephen C. Jacobsen, David L. Wells, Clark C. Davis, John E. Wood. Fabrication of Micro-Structures Using Non-Planar Lithography {NPL) H Proceeding of 1991 IEEE Micro Electro Mechanical Systems. Nara. Japan. Jan. \99\.pp. 45-50.

127. Маринина J1.A. Микромеханика и технологии приборных устройств // JT.A. Маринина, М.А. Щербаков, А.П. Михайлов Системный анализ, управление и обработка информации Научно-технический сборник статей. Пенза ПГУ 2005. С. 60-66.

128. Маринина J1.A. Чувствительный элемент газового датчика / J1.A. Маринина, П.Г. Михайлов // Труды международного симпозиума «Надежность и качество 2005». Пенза, 2005. С. 390-391.

129. Маринина J1.A. Моделирование датчиков / J1.A. Маринина, П.Г. Михайлов // Сб. матер, трудов МНТК «Проблемы автоматизации и управления в технических системах» Пенза, 2004. С. 273-275.