автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.14, диссертация на тему:Полупроводниковые чувствительные элементы датчиков давлений на основе структуры "кремний-на-диэлектрике"

На правах рукописи

БАРИНОВ Илья Николаевич

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ДАТЧИКОВ ДАВЛЕНИЙ НА ОСНОВЕ СТРУКТУРЫ «КРЕМНИЙ-НА-ДИЭЛЕКТРИКЕ»

Специальность 05.11.14 —Технология приборостроения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ПЕНЗА 2005

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

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Мурашкина Татьяна Ивановна.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Псчерская Римма Михайловна; кандидат технических наук Папко Антонина Алексеевна.

Ведущая организация - ФГУП ПО «Старт» (г. Заречный, Пензенская область).

Защита диссертации состоится 22 декабря 2005 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 21 ноября 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

Светлов А. В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Стремительное развитие технологии микроэлектроники открывает широкие возможности оснащения современных изделий ракетно-космической техники новыми датчиками давлений, являющимися основными элементами систем управления работой двигательных установок и систем контроля их технического состояния на различных этапах эксплуатации, отличающихся воздействием температур от криогенных значений до (500-600) °С, ионизирующих излучений и жестких электромагнитных помех. Используемые в настоящее время системы измерения давления базируются в основном на устаревших конструктивно-технологических решениях: погенциометрических, металлопленочных и фольговых тензорезисторах, не удовлетворяющих в настоящее время возросшие требования PKT. Поэтому имеют место тенденции замены устаревших средств измерения давления новыми, основанными на полупроводниковой электронике, в частности, применение структур «крем-ний-на-диэлектрике» (КНД), обеспечивающих работоспособность средств измерений в экстремальных условиях (повышенные и криогенные температуры, ионизирующее излучение и т. п.) и стабильность их параметров в процессе длительной эксплуатации.

Основоположником данного направления является В. И. Ваганов. Продолжили и развили его работы отечественные и зарубежные авторы: В. JI. Кенигсберг, 3. Ю. Готра, В. А. Гридчин, В. В. Грищенко, Р. Gravesen, D. S. Campbell и др. Но в трудах вышеперечисленных ученых не рассматриваются вопросы применения микроэлектронных датчиков в жестких условиях PKT. Поэтому разработки данных авторов не удовлетворяют возросшие потребности PKT. Например, в полупроводниковых чувствительных элементах (ПЧЭ) датчиков давлений существуют следующие недостатки: в ПЧЭ, изготовленных на основе объемного кремния, наличие /^-«-переходов не позволяет функционировать средствам измерений при температурах свыше 100 °С и иметь стабильные параметры (ток утечки, сопротивление изоляции, сопротивление тензорезисторов и т. д.); в ПЧЭ на основе поликремния с изоляцией тензорезисторов пленкой двуокиси кремния из-за низкой тензочувствительности поликремния средства измерений на основе таких ПЧЭ имеют малую амплитуду выходного сигнала; в ПЧЭ на основе структур «кремний-на-санфире» (КНС)

недостатками являются трудность профилирования сапфира, различие кристаллических решеток кремния и сапфира, невозможность применения групповой технологии изготовления ПЧЭ, высокая стоимость сапфира.

Указанные недостатки снижают метрологические и эксплуатационные характеристики датчиков, используемых в PKT. Поэтому задача создания ПЧЭ с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками является актуальной.

Датчики давлений, ПЧЭ которых изготовлены методом формирования КНД-струкгур, имеют ряд недостатков: высокую стоимость, обусловленную применением сложного оборудования и длительностью обработки (SIMOX, Smart-Cut SOI), низкую надежность при температурах выше 150 °С из-за несовершенства структуры имплантированного (по сравнению с термическим) слоя двуокиси кремния (SIMOX), низкую технологичность, вызванную большими затратами времени на обработку одной пластины и тепловыми потерями, низкую временную стабильность из-за наличия дислокаций и диффузии загрязняющих примесей (рекристаллизации поликремния).

Устранение вышеуказанных недостатков возможно при использовании метода прямого сращивания, который не требует применения специального дорогостоящего оборудования и реализуется на стандартном оборудовании предприятий, производящих изделия микроэлектронной промышленности.

В то же время имеющиеся работы по технологии прямого сращивания для изготовления КНД-структур не рассматривают вопросы практического использования данной технологии применительно к формированию ПЧЭ датчиков давлений (в основном все работы по данной технологии посвящены формированию КНД-структур для изготовления изделий электронной техники (микросхем, процессоров и т. п.)), поэтому требуется проведение дополнительных исследований для создания методов производства новых, высокоточных, надежных ПЧЭ высокотемпературных датчиков давлений, построенных на КНД-структуре.

С учетом вышеизложенного можно сделать вывод, что разработка конструктивно-технологических решений ПЧЭ датчиков давлений на КНД-структуре является актуальной научно-технической задачей.

Цель и задачи исследований. Целью работы является разработка конструктивно-технологических решений полупроводниковых чувствительных элементов датчиков давлений с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками.

Эта цель достигается решением следующих задач:

- анализом и обобщением принципов построения ПЧЭ датчиков давлений, методов изготовления КНД-структур применительно к ПЧЭ датчиков давлений;

- разработкой новых режимов проведения технологической операции отжига, а также подготовки поверхности пластин перей сращиванием (химическая очистка, отмывка, сушка);

- разработкой последовательности технологических операций изготовления типового ПЧЭ датчиков давлений на КНД-структуре методом прямого сращивания пластин, проводимой на стандартном микроэлектронном оборудовании;

- разработкой конструкций полупроводниковых чувствительных элементов на структуре «кремний-на-диэлектрике» для датчиков давлений, эксплуатируемых при повышенных температурах (до 250 °С) и обладающих повышенными временной стабильностью и стойкостью к воздействиям электромагнитных полей и токов источников естественного и искусственного происхождения;

- разработкой модели расчета механических параметров (напряжений, деформаций) ПЧЭ на КНД-структуре, содержащего новые по сравнению с уже существующими оригинальные конструкторско-технологические решения (тензорезисторы из монокремния, размещенные на мембране через слои двуокиси кремния и высоколегированного слоя кремния, наличие многослойной профилированной мембраны толщиной от 4 мкм и др.);

- проведением экспериментальных исследований изготовленных ПЧЭ на КНД-структуре.

Методы исследований. При разработке моделей ПЧЭ датчиков давлений на КНД-структуре использованы основные положения физики твердого тела, применены методы математической физики, теории упругости, прикладной механики. При решении задач по анализу и разработке технологии ПЧЭ датчиков давлений на КНД-структуре использованы положения физической химии, кристаллографии, микроэлектроники, технологии изготовления элементов схем, имитаци-

олное моделирование на ЭВМ. В экспериментальных исследованиях использованы положения теории измерений, планирования эксперимента. Основные теоретические положения и результаты расчетов подтверждены экспериментальными исследованиями образцов ПЧЭ датчиков давлений на КНД-структуре.

Научная новизна работы заключается в следующем: , 1 Разработан конструктивно-технологический метод, позволяющий получать требуемые номиналы тензорезисторов на этапе окончательного формирования измерительной схемы. При этом за счет оптимизации технологических операций уменьшается вероятность попадания посторонних включений и образования несвязываемых участков на границе сращивания, компенсируется несовершенство границ раздела сращивания, уменьшаются внутренние напряжения в ПЧЭ, вызванные различными физическими свойствами слоев.

2 Предложена новая конструкция ПЧЭ датчика давления на КНД-структуре, содержащая оригинальные решения (тензорезисто-ры из монокремния, размещенные на мембране через слои двуокиси кремния и высоколегированного слоя кремния, наличие многослойной профилированной мембраны толщиной от 2 мкм, наличие слоя двуокиси кремния на поверхности тензорезисторов).

3 Разработана математическая модель ПЧЭ датчика давления на КНД-структуре, содержащего новые конструктивные решения.

4 Разработана топология фотошаблона по травлению профилированной мембраны ПЧЭ на основе предложенной конструкции ПЧЭ, проведено моделирование операции анизотропного травления с использованием программы ACES.

5 Разработан и реализован технологический процесс изготовления ПЧЭ датчиков давлений на КНД-структуре.

Практическая значимость работы. Работа обобщает теоретические и экспериментальные исследования, проведенные автором в Пензенском государственном университете (III У) на кафедре «Приборостроение», и способствует решению актуальной научно-технической задачи создания ПЧЭ датчиков давлений на основе КНД-структуры с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками для информационно-измерительных систем на изделиях авиационной и ракетно-космической техники.

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволяют перейти к их промышленному проектированию, производству и внедрению. Научная и практическая значимость подтверждаются тем, что исследования проводились в рамках работ, финансируемых Федеральным космическим агентством, Федеральным агентством по науке и инновациям.

Диссертационные исследования выполнялись и реализовывались в ПГУ при финансовой поддержке НИР аспирантов вузов в форме гранта Федерального агентства по образованию. Шифр гранта -А04-3.20-590 «Оптимизация параметров миниатюрных полупроводниковых чувствительных элементов датчиков давлений на основе структуры «кремний-на-диэлекгрике».

Реализация результатов работы. Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований использованы при создании ПЧЭ датчика избыточного давления ДДЭ-117 (ОКР «Миндаль», ФКА ГК 783-5548/02 от 07.03.2002 г.); выполнении работ по теме НИР «Модель» - «Исследование новых конструктивно-технологических решений создания кремниевых прецизионных микроструктур для ряда сверхминиатюрных датчиков давления общепромышленного и медицинского применения» (Распоряжение № 09.900/02-6 от 24.09.04 г. Федерального агентства по науке и инновациям); выполнении работ по теме НИР «Акация» - «Разработка перспективных базовых конструктивно-технологических решений для создания унифицированных датчиков давления с интегральным чувствительным элементом на структурах «кремний-диэлектрик-кремний» (Распоряжение № 07.168.01/016 от 28.07.05 г. Федерального агентства по науке и инновациям); выполнении работ по теме ОКР «Хопер» -«Исследование и отработка перспективных технологических решений формирования микроэлектромеханических систем для чувствительных элементов датчиков» (ГК 783-Т308/01 от 02.03.01 г.).

Апробация работы. Основные научные и практические результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на Международном симпозиуме «Надежность и качество-2004» (г, Пенза, 24—31 мая 2004 г.); 11-й Всероссийской научно-технической конференции (НТК) «Датчики и детекторы для АЭС-2004» (г. Пенза, 31 мая — 5 июня 2004 г.); Международной НТК «Проблемы автоматизации и управления в технических системах» (г. Пенза, 2004 г.);

Международной НТК «Датчики и системы-2005» (г. Пенза, 6-10 июня 2005 г.); Международной НТК «Материалы для пассивных радиоэлектронных компонентов» (г. Пенза, 2005 г.); XXIV Российской НТК молодых ученых и специалистов «Наукоемкие проекты и высокие технологии - производству 21 века» (г. Пенза, 2005 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 работ, в том числе патент, две статьи в центральных изданиях. Без соавторов опубликовано десять работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы, двух приложений. Основная часть изложена на 198 страницах машинописного текста, содержит 69 рисунков, 12 таблиц. Список литературы содержит 117 наименований. Приложения к диссертации занимают 12 страниц.

На защиту выносится следующее:

- конструкция ПЧЭ, содержащая кремниевую мембрану с утолщенным периферийным основанием и профилем с концентраторами механических напряжений, имеющую толщину, равную высоте тен-зорезисторов, сформированных на закрепленном на мембране слое двуокиси кремния;

- метод, позволяющий получать требуемые номиналы тензоре-зисторов на этапе окончательного формирования измерительной схемы;

- конструктивно-технологические методы, повышающие процент выхода годных кристаллов за счет уменьшения вероятности попадания посторонних включений и образования несвязываемых участков на границе сращивания и компенсации несовершенства поверхностей сращивания; ,

- математическая модель для расчета механических параметров (напряжений, деформаций) нового ПЧЭ на КНД-стрктуре;

- метод уменьшения внутренних напряжений в ПЧЭ на КНД-структуре, вызванных различными физическими свойствами слоев, основанный на изменении режимов технологических операций.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследований, раскрыты научная новизна и практическая ценность, приведены результаты реализации и апробации работы, а также основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Состояние вопроса и задачи исследования. Обзор и сравнительные характеристики способов изготовления структур «кремний-на-диэлектрике». проведен анализ и обобщены принципы построения ПЧЭ датчиков давлений, методы изготовления КНД-струкгур применительно к ПЧЭ датчиков давлений. Показано, что ПЧЭ, построенные на основе КНД-структуры, имеют ряд существенных преимуществ как перед традиционными ПЧЭ, изготовленными на основе монокремния с изоляцией тензорезисторов ^-«-переходом или на основе поликремния с изоляцией тензорезисторов пленкой двуокиси кремния, так и перед ПЧЭ, построенными на основе структур «кремний-на-сапфире» (КНС). Кроме того, проанализированы методы изготовления КНД-структур применительно к ПЧЭ датчиков давлений; показано, что технология формирования КНД-структур способом прямого сращивания открывает новые возможности по созданию ПЧЭ датчиков давлений с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками.

Специфику выбора предмета исследований определяют требования повышения рабочего диапазона температур до 250 °С, временной стабильности и стойкости к воздействиям электромагнитных полей и токов источников естественного и искусственного происхождения за счет высокого (до 10 ГОм) сопротивления изоляции между тензоре-зистивной схемой и подложкой, характерных для изделий PKT.

Определен предмет исследований - полупроводниковые чувствительные элементы датчиков давлений на основе структуры «кремний-на-диэлектрике».

Во второй главе «Разработка конструктивно-технологических решений по оптимизации механических параметров полупроводниковых чувствительных элементов на структуре «кремний-на-диэлектрике» рассмотрены конструктивные варианты ПЧЭ на КНД-структуре, разработана конструкция нового ПЧЭ, предложены конструкции и методы по оптимизации технологии изготовления ПЧЭ, разработана математическая модель расчета механических параметров ПЧЭ.

Схематическое изображение, топология, а также вид профилированной мембраны разработанного и запатентованного ПЧЭ на КНД-струкгуре малогабаритных высокотемпературных датчиков давлений представлены на рисунке 1.

из

а

а — схематическое изображение и топология ПЧЭ; б — профилированная мембрана: / — мембрана; 2 — утолщенное периферийное основание; 3 — концентраторы механических напряжений

Рисунок 1 — Схематическое изображение, топология, профилированная мембрана ПЧЭ на КНД-структуре

ПЧЭ содержит монокремниевые тензорезисторы меза-типа К\~К4, расположенные на мембране в областях наибольших поверхностных механических напряжений. Высота тензорезисторов определяется технологическими операциями изготовления (диффузией, травлением) в зависимости от требуемых номиналов и может составлять значения от 1 мкм (минимально достижимое значение, ограниченное

технологией анизотропного стоп-травления до 6 мкм (максимальное значение, ограниченное технологией диффузии). С помощью коммутационных дорожек из /Н-слоя и алюминия все тензорезисторы объединены в измерительную схему, образуя мост Уитстона. На концах коммутационных дорожек сформированы контактные площадки, позволяющие разваривать металлические проводники для подачи питания и съема выходного сигнала. Поверхности тензорезисторов покрыты защитным слоем двуокиси кремния, препятствующим проникновению и абсорбции на поверхность тензорезисторов нежелательных примесей и влаги, содержащихся во внешней среде.

Тензорезисторы изолированы от кремниевой подложки слоем двуокиси кремния, под которым расположен слой кремния, высоколегированный бором. Данный слой выполняет две функции:

— конструкционную (дополнительная защита слоя двуокиси кремния и всей мембраны от механического разрушения);

- технологическую (концентрация носителей в данном слое не менее Ю20 см"3 позволяет методами анизотропного стоп-травления формировать тонкие мембраны толщиной от 2 мкм без разрушения структуры во время выявления профиля.

Термически выращенный слой двуокиси кремния выполняет функцию изолятора тензорезисторов друг от друга и от кремниевой подложки. Толщина данного слоя может иметь значение ог 0,1 до 2 мкм.

Мембрана состоит из утолщенного периферийного основания и профиля с концентраторами механических напряжений, представляющих собой сочетание утонченных участков и жестких центров.

Разработана расчетно-графическая модель с целью оценки механических параметров предложенной конструкции ПЧЭ на КНД-струюуре.

Слои толщиной И2, Аз, к\ шириной Ь, Ь/2 — 1{, 12 расположены параллельно друг другу и не ограничены в направлении оу. Каждая полоса состоит из изотропной упругой среды с коэффициентом термического расширения ак, модулем сдвига Ок, отношением Пуассона \к(к — 1, 2, 3, 4). Распределение механических напряжений определяется в каждом слое для температур, создаваемых нагревом ПЧЭ в процессе эксплуатации. Сдвиги по ох, оу, ог равны соответственно и, V, \\>. Так как гетеросистемы не ограничены в направлении оу, то в любом сечении по нормали к оу у = 0 и в плоскости деформаций сдвиги и и мг выражаются вдоль ох и ог соотношениями:

-О,,

2(1 -ук) д2и | д2и _ 1-2У* дх* &2+ь

2(1-У^) а2>у | д2\у [

■IV к дхдг 1

= 0,

(1)

д2и

= 0.

1-2уд. &2 ЭхЗг

Эти уравнения описывают равновесие системы в плоскости деформаций для каждой полосы при соответствующих граничных условиях:

аа(±1ьг) = 0, 2 е (Л, + й2 + А3 > + Л2)»

а2г(±(</ + /2),г) = 0, 7 е (±¿,2) -0,

г е (/?! +И2,И1 + И2 +й4),

а2г(*,Л, + й2 + И3)-0, *е^и(2) * е (-/,-(/2 + с/)) и М, </) и (/2 + rf.ii),

хе(-(12+с1)-<1){Хс1,12+с1), гдеахх(х,г),агг(х,г) - термоупругие нормальные и осевые напряжения; £/=А[ + й2 + Аз — толщина гетеросистемы в самом широком месте.

Механические напряжения связаны соотношениями Дюгамеля-Неймана с термоупругими деформациями:

ди у*. (ди с?иЛ 1 +

-акАТ(г,1)

= 2Ск

оя=2 Ск

дх

дц>

- +

1-2ук 1.5л: у* (ди

+ -

дг

дю

1-2 V* 1 + Уд.

1-2Уа ^а* =

где г)-термоупругие тангенциальные напряжения.

(3)

ди дм — +-

дг дх

Необходимо определить функции и, н', а^, а^, Параметры а*, йк, Ик известны; АТ\г,1) - изменение температуры гетеросистемы.

При использовании метода конечных элементов рассматриваемая задача сводится к решению системы дифференциальных уравнений (1)-(3).

Матрица коээфициентов А, столбец свободных членов В и матрица неизвестных X:

'4« А2у* 0 0 0 ] [ 0 4

А2и А2м> 0 0 0 0

л = А3 и А3а, 0 0 В3 »Г

А4и А4\</ 0 а4<у2 0 д* 02

КА5 и А5уу 0 0 Л5х, 1о

Результаты вычислений в системе МаШСАО показали, что в широком диапазоне температур от минус 70 до 250 °С термические напряжения и деформации меньше допустимых значений, при которых наблюдается разрушение структуры.

С целью создания необходимых условий для прямого сращивания необходимо решить следующие задачи:

- уменьшить вероятность попадания посторонних включений на поверхность сращивания пластин;

- устранить попавшие на поверхности сращивания пластан посторонние включения, в том числе методом очистки от всех видов загрязнений;

- придать поверхностям сращивания гидрофильные свойства, обеспечивающие условия для их первоначального соединения.

Для выполнения первой задачи разработана промежуточная конструкция ПЧЭ, когда на приборной пластине сформированная тензо-резистивная мостовая измерительная схема представляет собой структуру меза-типа, т. е. />+-область выступает над поверхностью пластины на высоту Л. Она варьируется от 8 до 10 мкм и обеспечивается технологической операцией анизогропного травления кремния. Отношение к площади поверхности сращивания 51 к площади поверхности 52, не соприкасающейся с поверхностью противоположной пластины во время процесса сращивания, равно:

к ~ 51/52 « 0,2; (4)

т. е. вероятность попадания частиц, содержащихся в атмосфере производственных помещений, на поверхность сращивания составляет

не более 20 % относительно количества всех механических примесей, оседающих на поверхности пластины, что создает условия для первоначального соединения за счет Ван-дер-Ваальсовых сил и ди-польного взаимодействия адсорбированных на поверхности радикалов и дальнейшего сращивания с образованием ковалентных связей.

В случае контакта полупроводниковой пластины с воздухом производственных помещений при транспортировке и различных манипуляциях на поверхности структур осаждается несколько молекулярных слоев жидкости. Осаждение загрязнений, происходящее между технологическими операциями в процессе химической обработки, является существенной проблемой, которую можно решить, если все технологические операции (обработку, промывку, сушку) проводить в закрытой камере. Такое условие реализовано при обработке пластин химическими реагентами и потоком воды, когда две пластины размещаются горизонтально поверх друг друга во фторопластовой подставке двумя планарными поверхностями друг к другу (рисунок 2).

1 — приборная пластина; 2 — опорная пластина; 3 — фторопластовая подставка;

4 — фторопластовые прокладки

Рисунок 2 — Расположение пластин на подставке

Для избежания контакта пластин в процессе очистки и обработки реактивами две пластины разделены фторопластовыми прокладками, имеющими толщину около 500 мкм, которые размещены на краях пластин. Подставка с пластинами поочередно погружается в ванну с реагентами и водой, причем в процессе межоперационной отмывки на стадии химической обработки промежуток между пластинами промывается потоком воды в течение необходимого времени.

С целью сглаживания микронеровностей на поверхностях пластин предложено нанесение слоя боросиликатного стекла (БСС) на поверхность сращивания одной из пластин.

Обладающие низкой температурой плавления (порядка 600 °С) при температуре сращивания 1000... 1200 °С такие стекла выступают в роли связующего звена между двумя границами сращивания, улучшая общее качество соединения.

Толщина слоя БСС зависит от режимов проведения высокотемпературной диффузии. В данном случае при температуре диффузии 1130 °С, времени выдержки с источником (пластины нитрида бора) в течение 4 мин толщина составляет значение 0,1 мкм.

В третьей главе «Разработка и исследование технологии изготовления полупроводникового чувствительного элемента на структуре «кремтш-на-диэлектрике» разработана последовательность технологических операций изготовления ПЧЭ датчиков давлений на КНД-структуре методом прямого сращивания пластин, осуществимая на стандартном микроэлектронном оборудовании (рисунок 3).

Изменяя или добавляя некоторые операции данного технологического процесса (ТП) в зависимости от конструкции ПЧЭ (наличие терморезистора, вакуумированной полости для измерения абсолютного давления и др.), можно использовать представленную последовательность для изготовления широкого спектра ПЧЭ.

Согласно разработанной технологии изготовления ПЧЭ анизотропное травление содержит в себе четыре стадии:

1 анизотропное стоп-травление по формированию тензорезистив-ной мостовой измерительной схемы меза-типа (рисунок 3,г);

2 анизотропное стоп-травление по выявлению тснзорезистивной мостовой измерительной схемы после соединения и отжига (рисунок 3,ж)\

3 прецизионное анизотропное стоп-травление по уменьшению высоты тензорезисгоров с одновременным увеличением их сопротивления до заданного значения;

4 анизотропное стоп-травление по формированию профилированной мембраны (рисунок 3,з).

?

1 — приборная пластина; 2 — защитный слой двуокиси кремния; 3 — опорная пластина; 4 — высоколегированный р+-слой; 5 — изоляционный слой двуокиси кремния; б — тензорезисторы; 7-слой боросиликатного стекла; 8 — тензорезисторы после траяления; 9 — мембрана; 10 — профиль; 11 - защитный слой двуокиси кремния; 12 — контактная металлизация

Рисунок 3 — Фрагменты технологического маршрута изготовления ПЧЭ датчиков давлений на КНД-структуре

На стадии 3 происходит прецизионная подгонка номинала тензо-резисторов путем уменьшения их высоты методом замедленного травления в 25%-м водном растворе этилен диамина (ЭДМ), а значит, и увеличения их сопротивления до требуемого значения. В тензоре-зистивной мостовой измерительной схеме ПЧЭ датчиков давлений высота тензорезисторов hRl: = 1,5...5 мкм, что определяется режимами проведения диффузии по их формированию и условиями эксплуатации датчиков, а значит, максимальное значение глубины травления тензорезисторов Ай,р ,пах = 3,5 мкм.

На стадии проведения диффузии встает задача по обеспечению адекватной концентрации бора при формировании тензорезисторов, так как необходимо одновременно обеспечить возможность их замедленного травления в ЭДМ на величину АЛтртах= 3,5 мкм и в то же время максимально исключить паразитное подтравливание тензорезисторов при проведении травления на стадиях 1 и 2. Данное требование возможно удовлетворить при относительной скорости травления V« 210-2, когда еще можно провести замедленное травление и в то же время пренебречь паразитным подтравливанием.

Из известных зависимостей установлено, что относительная скорость травления V~2 • 10"2 достигается при концентрации бора N= 6 • 1019 см-3, что необходимо учитывать при проведении операций диффузии и отжига.

При формировании тензорезисторов, для режима при температуре первой стадии диффузии от пластин нитрида бора Т\ = 1180 °С в течение времени t\ = 4 мин и разгонки примеси в течение времени

I

/j = 40 мин, температуре отжига Т2=1150°С в течение времени /2= 180 мин, профиль распределения показан на рисунке 4. При заданной концентрации бора в тензорезнсторах NRtz = 6 ■ 1019 см"3 высота тензорезисторов hRtz= 3,2 мкм.

При травлении на стадиях 1 и 2 общее время воздействия ЭДМ на тензорезисторы составляет 11 мин (7,5 мин для стадии 1 и 3,5 мин для стадии 2), при скорости травления нелегированных областей -1,2 мкм/мин, т. е. в случае концентрации N= 6 • 1019 см-3, из зависимости относительной скорости травления для плоскости (100) в водных растворах ЭДМ как функции концентрации бора, общее паразитное уменьшение высоты h„ap = 0,3 мкм.

высота гпензорезистсрой. мкм

Рисунок 4 - Профиль распределения бора в кремнии при формировании тензоре-зисторов

При концентрации 8 ■ 1019 см-3 и более не имеет место паразитное подтравливание тензорезисторов, однако в этом случае становится невозможным проведение операции стадии 3 по прецизионному травлению тензорезисторов.

При концентрации = 6 • 1019 см-3 первоначальная глубина залегания тензорезистивной мостовой измерительной схемы Л/?,г1 будет равна 3,2 мкм, а после формирования схемы меза-типа и ее выявления за счет паразитного подтравливания окончательная высота тензорезисторов /г«,,2 > 2,7 мкм, что обеспечивает возможность дальнейшей юстировки И¡(¡22 методом травления в ЭДМ до значения 1,5...2 мкм и соответственно подгонки номиналов тензорезисторов до заданных значений. :

Учитывая, что стадия 4 по формированию профилированной мембраны травления проходит в среде КОН, концентрация носителей в /?+-слос должна быть не менее = Ю20 см"3 для создания необходимых при стоп-травлении условий.

Таким образом, концентрация бора в тензорезисторах может быть определена как Лйй = 6 • 10 9 см-3, а концентрация в р+-слое мембраны 8 • 1019<Л^< 2 • Ю20 см-3, что будет являться определяющим при проведении операций диффузии бора и отжига.

В четвертой главе «Экспериментальные исследования ПЧЭ датчиков давлений на КНД-структуре» представлены результаты экспериментальных исследований изготовленных образцов ПЧЭ на КНД-структуре, подтвердившие теоретические положения диссертации.

Градуировочные характеристики ПЧЭ на КНД-структуре при различных температурах представлены на рисунке 5.

давление, МПа

Рисунок 5 - Градуировочные характеристики ПЧЭ на КНД-структуре при различных температурах

Расчет температурного коэффициента ухода чувствительности а проводился по формуле

а _ ^тах(250 'С) ^тах(-70" С) 10Q„, ^тах(25° С) 'АТ

(5)

где Цтах(250сс)> UwM-iq "Су, Цпах(25°с) - значения максимального выходного сигнала при температурах 250 °С, минус 70 °С, 25 °С соответственна; АТ= 250 °С - (- 70 °С) = 320 °С - диапазон рабочих температур.

Расчет температурного коэффициента ухода начального выходного сигнала Р проводился по формуле

рЗ(250 Ч:)-^0(-70°С).100%)

С/шах(25 °С) 'АТ

где С/о(25о°с> ^о(-7о — значения начального выходного сигнала при температурах 250 °С и минус 70 °С соответственно.

Результаты расчета параметров одного из экспериментальных образцов ПЧЭ следующие: а - минус 0,018 %/°С; (3 - минус 0,00088 %/°С; основная погрешность у0 — 0,186 %; сопротивление изоляции при 100 В - R„3> 1 ООООМОм; ток утечки при 100 В - 7^= 0,002 мкА.

Проведенные экспериментальные исследования и анализ метрологических и эксплуатационных характеристик экспериментальных образцов разработанных ПЧЭ на КНД-структуре подтвердили теоретические положения диссертации.

В заключении отмечается, что в работе изложены новые научно обоснованные конструкшвно-технологические решения по созданию ПЧЭ датчиков давлений на КНД-сгругауре, внедрение которых позволит создать датчики давлений с качественно новыми полезными свойствами, существенно повышающими эффективность информационно-измерительных систем изделий авиационной и ракетно-космической техники.

В приложениях приведены претраммы испытаний ПЧЭ, технологический маршрут изготовления ПЧЭ, акты внедрения результатов диссертации на предприятиях ракетно-комической отрасли и оборонного комплекса.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

• 1 Предложена новая конструкция ПЧЭ, содержащая кремниевую мембрану с утолщенным периферийным основанием и профилем с концентраторами механических напряжений, имеющую толщину, равную высоте тёпзорезисторов, сформированных на закрепленном на мембране слое двуокиси кремния.

2 Предложен, конструктивно-технологический метод, позволяющий получать требуемые номиналы тензорезисторов на этапе окончательного формирования измерительной схемы. При этом за счет оптимизации технологических операций уменьшается вероятность попадания посторонних включений и образования несвязываемых участков на границе сращивания, компенсируется несовершенство границ раздела сращивания, уменьшаются внутренние напряжения в ПЧЭ, вызванные различными физическими свойствами слоев.

3 Разработана топология фотошаблона травления профилированной мембраны ПЧЭ, проведено моделирование анизотропного травления с использованием программы ACES, изготовлены экспериментальные образцы ПЧЭ с профилированной мембраной на основе разработанной топологии фотошаблона, подтвердившие адекватность теоретических и практических результатов.

4 Разработана последовательность технологических операций изготовления ПЧЭ датчиков давлений на КНД-структуре методом прямого сращивания пластин с использованием стандартного оборудования для производства изделий микроэлектроники.

5 Разработаны и изготовлены конструктивные варианты ПЧЭ на КНД-структуре для датчиков давлений с повышенными рабочим диапазоном температур до 250 °С, временной стабильностью и стойкостью к воздействиям электромагнитных полей и токов источников естественного и искусственного происхождения, проведенные экспериментальные исследования изготовленных ПЧЭ на КНД-структуре подтвердили большинство теоретических положений диссертации.

6 Построена модель расчета механических параметров (напряжений, деформаций) нового ПЧЭ на КНД-структуре.

7 Работа обеспечивает создание и способствует внедрению полупроводниковых чувствительных элементов датчиков давлений с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками для информационно-измерительных систем авиационной и ракетно-космической техники.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1 Баринов И. Н. Создание чувствительных элементов для датчиков давления на структурах «кремний-на-изоляторе» методом прямого сращивания // Наукоемкие проекты высокие технологии - производству 21 века: Сб. докл. конф. - Пенза: ФГУП «НИИФИ», 2003. -106 с.-С. 21-24.

2 Баринов И. II. Создание структур «кремний-на-изоляторе» методом прямого сращивания // Датчики систем измерения и контроля, 2003.-Вып. 23.-С. 50-56.

3 Баринов И. II. Метод прямого сращивания структур «кремний-на-изоляторе» для датчиков давления // Датчики и системы. — 2003. -№ И.-С. 39-40.

4 Баринов И. Н. Создание чувствительных элементов высокотемпературных датчиков давления на структуре «кремний-на-диэлект-рике» // Надежность и качество: Тр. Междунар. симп.: В 2 ч. - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2004. - Ч. 1. - 346 с. - С. 311-313.

5 Баринов И. Н. Полупроводниковый чувствительный элемент на КНД-структуре для высокотемпературного датчика давления // Проблемы автоматизации и управления в технических системах: Тр.

Междунар. науч.-техн. конф. - Пенза: Инф.-изд. центр ПГУ, 2004. — 344 с.-С. 127-130.

6 Баринов И. Н. Конструктивно-технологические решения создания полупроводниковых унифицированных модулей давления на структурах «кремний-на-диэлектрике» / И. Н. Баринов; С. А. Козин, И. Г. Акимов, А. В. Федулов // Датчики и детекторы для АЭС «ДЦАЭС-2004»: Сб. докл. II Всерос. науч.-техн. конф. (Россия, г. Пенза, 31 мая - 5 июня 2004 г.). -Пенза: ФГУП «НИИФИ», 2004. - 298 с. - С. 70-74.

7 Баринов И. Н. Полупроводниковый чувствительный элемент на основе структуры «кремний-на-диэлектрике» для высокотемпературных датчиков давления // Датчики и системы. - 2004. - № 12. - С. 39-42.

8 Баринов И. Н. Полупроводниковый миниатюрный преобразователь давления на основе структуры «кремний-на-диэлектрике» // Наукоемкие проекты и высокие технологии — производству 21 века: Сб. докл. XXIV Рос. науч.-техн. конф. молодых ученых и специалистов. - Пенза: ФНПЦ ФГУП «НИИФИ», 2005. - С. 92-96.

9 Баринов И. Н. Конструктивно-технологические решения создания полупроводниковых чувствительных элементов датчиков абсолютного давления на структуре «кремний-на-диэлектрике» // Наукоемкие проекты и высокие технологии - производству 21 века: Сб. докл. XXIV Рос. науч.-техн. конф. молодых ученых и специалистов. - Пенза: ФНПЦ ФГУП «НИИФИ», 2005. - С. 23-24. '

10 Баринов И. Н. Некоторые результаты исследования гальваномагнитных приборов при воздействии температур широкого диапазона // Материалы для пассивных радиоэлектронных компонентов: Тр. Мезкду-нар. науч.-техн. конф. - Пенза: НИИЭМП, 2005. - 244 с. - С.168-177.

11 Баринов И. Н. Создание полупроводниковых датчиков давлений на основе структуры «кремний-на-диэлектрике» / И. Н. Баринов, И. Г. Акимов, А. А. Родионов // Датчики и системы «ДиС-2005»: Сб. докл. Междунар. науч.-техн. конф. (Россия, г. Пенза, 6-10 июня 2005 г.). — Пенза: ФГУП «НИИФИ», 2005. - 540 с. - С. 419^127.

12 Баринов И. Н. Создание полупроводниковых датчиков давлений на основе структуры «кремний-на-диэлектрике» // Автоматизация и управление в технических системах, 2005. — Вып. 24.

13 Баринов И. Н. Полупроводниковый преобразователь давления / И. Н. Баринов, С. А. Козин И Решение о выдаче патента на изобретение № 2004116428 (от 31.05.04 г.).

Баранов Илья Николаевич

Полу проводниковые чувствительные элементы датчиков давлений на основе структуры «кремний-на-диэлектрике»

Специальность 05.11.14 - Технолога» приборостроения

Редактор О. Ю. Ещина Технический редактор Н. А. Въялкова

Корректор Н. А. Сидельникова Компьютерная верстка Н. В. Ивановой

ИД ЛЬ 06494 от 26.12.01

Сдано в производство 17.11.05. Формат 60x84'/16. Бумага писчая. Печать офсетная. Усл. псч. л. 1,16. Заказ № 708. Тираж 100.

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

Введение.

1 Состояние вопроса и задачи исследования. Обзор и сравни 1ельные характеристики методов изготовления сгруктур «кремний-на-диэлектрике».

1.1 Технология формирования структур «кремний-на-сапфире».

1.2 Технология формирования струк1ур «кремний-на-диэлектрике» методом рекристаллизации кремниевых ' слоев на аморфных диэлектрических подложках.

1.2.1 Лазерная рекристаллизация.

1.2.2 Элек гронно-лучевая рекрис i алли ?ai щя.

1.2.3 Рекристаллизация с помощью полосковых графи ювых нагревателей.

1.2.4 Рекристаллизация с помощью некогерентных источников свеш.

1.3 Технология формирование структур «кремний-на-диэлеткрике» методом эпитаксиального наращивания./.

1.4 Технология формирования структур «кремний-на-диэлеткрике» имплантационным ме i одом.

1.5 Технология формирования сфуктур «кремний-на-ди.>ле1 крике» методом прямого сращивания.

Выводы.

2 Разработка конструктивно-технологических решений по оптимизации механических параметров полупроводниковых чувс1вительных элементов на структуре «кремний-на-диэлектрике».

2.1 Исследование конструктивных вариантов полупроводниковых чувствительных элементов па crpyKiype «кремний-на-диэлекфике».

2.2 Анализ xapaKiepa напряжений в полупроводниковых чувствительных элементах на сфукгурах «кремпий-па-диэле1 крике». 49 2.2.1 Разработка модели расчет механических парамефов полупроводникового чувствительного элемента па структуре

Ф «кремний-на-диэле1крике».

2.3 Вопросы снижения внутренних напряжений в полупроводниковых чувствительных элементах па cipyKiypax «кремний-на-диэле1крйке». 57 2.3.1 Оптимизация влияния конструктивно-технологических факторов на напряженно-деформированное состояние сфуктуры «кремний-на-диэлеткрике».'.

2.4 Подготовка поверхностей кремниевых пластин перед сращиванием.

2.5 Разработка технологической оснасти процесса оiжига.,.

2.6 Вопросы моделирования анизотропного травления кремния в плоскости (ЮО) при изюювлеиии полупроводникового чувствительного элемента.

2.6.1 Управление характерисшками полупроводникового чувствительного элемента методом анизофопного фавления кремния в плоскости (100).

2.6.2 Разработка методики формирования линейных размеров фигур травления.

Выводы.

3 Разработка и исследование технологии изюювления полупроводникового чувствительного эл смеша на с фу к туре «кремний-на-диэлеткрике».

3.1 Оптимизация 1ехнологических операций подгоювки поверхносш пластин в процессе изготовления полупроводникового чувспзшельпою элемента на структуре «кремний-на-диэлеткрике».

3.1.1 Анализ и совершенствование процессов химической очистки пластин.

3.1.2 Очистка поверхностей пластин в азотной кислоте.

3.1.3 Очистка поверхностей пластин в аммиачно-перекисной смеси.

3.1.4 Отмывка и сушка кремниевых нлааин перед сращиванием.

3.2 Сращивание пласшн.

3.2.1 Методика проведения отжига.

3.3 Вопросы управления формированием гензорезисюров и профилированной мембраны методом аниюфоппою «сюп-травления». 138 3.3.1 Модификация юполо1ии фоюшаблоиа для повышения ючпосш геометрии фигуры гравлепия.;.

3.4 Разработка типового технологического процесса изгоювления полупроводникового чувствительного элемента па cipyKiype кремний-на- диэлектрике».

Выводы.

4 Экспериментальные исследования полупроводниковых чувствительных элементов датчиков давлений па структуре «кремний-на-диэлек грике».

4.1 Экспериментальные исследования по ошимитации [ехнологических операций технологического процесса из! оювлепия.

4.2 Исследования экспериментальных образцов полупроводниковых чувствительных элементов датчиков давлений на сфуктуре кремний-на-диэлектрике».'.

4.2.1 Методика выполнения экспериментов.

4.2.2 Результаты исследований экспериментальных ,образцов полупроводниковых чувствительных элементов датчиков давлений на структуре «кремний-на-диэлекфике».

4.3 Анализ результаюв исследования.

4.3.1 Определение темпераiypHoiо коэффициент сопрошвлепия (ТКС) тензорезисторов R1-R4.

4.3.2 Определение температурного ухода начального и максимального выходного сигнала.

4.3.3 Измерение сопротивления изоляции, тока утечки.

Выводы.

г

Актуальность работы. Стремительное развитие технологии микроэлектроники открывает широкие возможное i и оснащения современных изделий ракетно-космической техники новыми датчиками давлений, являющимися основными злемешами сис1ем управления работой двигательных установок и систем кошроля их 1ехнического состояния па различных этапах эксплуатации, отличающихся воздействием температур от криогенных значений до (500-600) °С, .ионизирующих излучений и жестких электромагнитных помех.' Используемые в насюящее время системы измерения давления базируются в основном на устаревших конструктивное технологических решениях: потенциометрических, металлопленочных и фольговых тензорезисгорах, не удовлетворяющих в насюящее время возросшие требования РКТ. Поэтому имею1 мест о тенденции замены устаревших средств измерения давления новыми, основанными на полупроводниковой электронике, в часшосш, применение сфукгур «кремний-на-диэлектрике» (КНД), обеспечивающих работоспособность средств измерений в экстремальных условиях (повышенные и криогенные температуры, ионизирующее излучение и т. п.) и стабильность их параметров в процессе длительной эксплуатации.

Основоположником данного направления является В. И. Ваганов. Продолжили и развили его работы отечественные и зарубежные авторы: В. JT. Кенигсберг, 3. Ю. Готра, В. А. Гридчин, В. В. Грищепко, P. Gravesen, D. S. Campbell и др. Но в трудах вышеперечисленных ученых не рассматриваются вопросы применения микроэлектронных датчиков в жестких условиях РКТ. Поэтому разработки данных авторов не удовлетворяют возросшие потребности РКТ. Например, в полупроводниковых чувствительных элементах (ПЧЭ) датчиков давлений существуют следующие недостатки: в ПЧЭ, изготовленных на основе объемного кремния, наличие /?-и-переходов р не позволяет функционировать средствам измерений при температурах свыше 100°С и иметь стабильные параметры (ток утечки, сопротивление изоляции, сопротивление тензорезисторов и т. д.); в ПЧЭ на основе поликремния с изоляцией тензорезисторов пленкой двуокиси кремния из-за низкой тензочувствительносги поликремния средства измерений на основе таких ПЧЭ имеют малую амплитуду выходного сигнала; в ПЧЭ на основе структур «кремний-на-сапфире» (KIIC) недостачами являю юн фудность профилирования сапфира, различие криааллических peineюк кремния и сапфира, невозможное ib применения групповой Еехнологии изготовления ПЧЭ, высокая стоимость сапфира.

Указанные недостатки снижают метрологические и эксплуатационные характеристики датчиков, используемых в РКТ. Поэтому задача создания ПЧЭ с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками является актуальной. е

Датчики давлений, ПЧЭ которых изготовлены меюдом формирования

КНД-структур, имеют ряд педостгков: высокую стимоаь, обусловленную применением сложного оборудования и дли1слыюс1ью обрабожи (SIMOX,

Smart-Cut SOT), низкую надежность при reMiiepaiypax выше 150 °С из-за несовершенства структуры имплантированного (по сравнению с термическим) слоя двуокцеи кремния (S1MOX), низкую 1ехнологичность, t вызванную большими затратами времени на обработку одной пластины и тепловыми потерями, низкую временную стабильность из-за наличия дислокаций и диффузии загрязняющих примесей (рекристаллизации поликремния).

Устранение вышеуказанных иедоаачов возможно при использовании метода прямого сращивания, который не фебует применения специального дорогостоящего оборудования и реализуется на стандартном оборудовании предприятий, производящих изделия микроэлектронной промышленности.

В то же время имеющиеся работы по технологии прямого сращивания р для изготовления КНД-структур не рассматривают вопросы практического использования данной технологии применительно к формированию ПЧЭ датчиков давлений (в основном все работы по данной технологии посвящены формированию КНД-структур для изготовления изделий электронной техники (микросхем, процессоров и т." п.)), поэтому требуется проведение дополнительных исследований для создания методов производства новых, высокоточных, надежных ПЧЭ высокотемпературных датчиков давлений, построенных на КНД-структуре.

С учетом вышеизложенного можно сделан* вывод, чю разработка конструктивно-1ехнологических решений ПЧЭ да1чиков давлений на КНД-структуре является актуальной научно-технической задачей.

Цель и задачи исследований. Целью работы являе1ся разработка конструктивно-технологических решений полупроводниковых чувствительных элементов датчиков давлений с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками.

Эта цель достигается решением следующих задач:

- анализом и обобщением принципов посфоеиия ПЧЭ датчиков давлений, методов изготовления КНД-cipyKiyp применительно к ПЧЭ датчиков давлений; 1

- разработкой новых режимов проведения iexiuxnoiической операции отжига, а также подготовки поверхности пласшн перед сращиванием (химическая очистка, отмывка, сушка);

- разработкой последовательности технологических операций изготовления типового ПЧЭ датчиков давлений на КНД-структуре методом прямого сращивания пластин, проводимой на • стандартном микроэлектронном оборудовании;

- разработкой конструкций полупроводниковых чувавшельных элементов на структуре «кремний-на-диэлекфике» для дапшков давлений, эксплуатируемых при повышенных температурах (до 250 °С) и обладающих повышенными временной стабильностью и стойкостью к воздействиям электромагнитных полей и токов источников естественного и искусственного происхождения;

- разработкой модели расчет механических параметров (напряжений, деформаций) ПЧЭ на КНД-структуре, содержащего новые по сравнению с уже существующими оригинальные конструкторскотехнологические решения (гензорезисторы из монокремния, размещенные на мембране через слои двуокиси кремния и высоколегированного слоя кремния, наличие многослойной профилированной мембраны толщиной от 4 мкм и др.);

- проведением экспериментальных исследований изгоювлеиных ПЧЭ на КНД-структуре.

Методы исследований. При разработке моделей ПЧЭ датчиков давлений на КНД-структуре использованы основные положения физики твердого тела, применены методы' математической физики, теории упругости, прикладной механики. При решении задач по анализу и разработке технологии ПЧЭ датчиков давлений на КНД-структуре использованы положения физической . химии, кристллографии, микроэлектроники, технологии изютовления элементов схем, имитационное моделирование на ЭВМ. В экспериментальных исследованиях использованы положения теории измерений, планирования эксперимент. Основные теоретические положения и резулыаты расчеюв подтверждены экспериментальными исследованиями образцов ПЧЭ да1чиков давлений на КНД-структуре.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1 Разработан коне труктивномехнологический меюд, .позволяющий получать требуемые номиналы теизорезисюров на этапе окончательного формирования измершельной схемы. При этом за счет оптимизации технологических операций уменьшается верояшос1ь попадания посюронних включений и образования несвязываемых участков на границе'сращивания, компенсируется несовершенство границ раздела сращивания, уменьшаются внутренние напряжения в ПЧЭ, вызванные различными физическими г свойствами слоев.

2 Предложена новая консфукция 11ЧЭ да тика давления на КНД-структуре, содержащая оригинальные решения (тензорезисторы из монокремния, размещенные на мембране через слои двуокиси кремния и высоколегированного слоя кремния, наличие многослойной профилированной мембраны толщиной от 2 мкм, наличие слоя двуокиси кремния на поверхности тензорезисюров).

3 Разработна математическая модель ПЧЭ датчика давления на

КНД-структуре, содержащею новые конструк1 ивные решения.

4 Разработана юпология фотошаблона по фавлению профилированной мембраны ПЧЭ на основе предложенной .консфукции ПЧЭ, проведено моделирование операции анизофопного травления с использованием профаммы ACES.

5 Разработан и реализован технологический процесс изготовления

ПЧЭ датчиков давлений на КНД-структуре.

Практическая значимость работы. Работа обобщает теоретические и t экспериментальные исследования, проведенные автором в Пензенском государственном университет (ПТУ) на кафедре «Приборосфоепие», и способствует решению актуальной научно-1ехнической задачи создания ПЧЭ датчиков давлений на основе КПД-сфук1уры с улучшенными метрологическими и эксплуатционными характерисшками для информационно-измерительных систем на изделиях авиационной и ракетнокосмической техники.

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволяют перейти к их промышленному проектированию, производству и 1 внедрению. Научная и практическая значимость подтверждаются тем, что исследования проводились в рамках работ, финансируемых Федеральным космическим агентством, Федеральным агенгсмюм по науке и инновациям.

Диссертационные исследования выполнялись и реализовьщались в ПГУ при финансовой поддержке НИР аспирапгов вуюв в форме фанта Федерального агентства по образованию. Шифр гранта

А04-3.20-590 «Оптимизация параметров миниатюрных полупроводниковых чувствительных элеменюв да1чиков давлений на основе структуры «кремний-на-диэлектрике».

Реализация результатов работы. Основные резулыаш георегических и экспериментальных исследований использованы при создании ПЧЭ р датчика избыточного давления ДДЭ-117 (ОКР «Миндаль», ФКА ГК 7835548/02 от 07.03.2002 г.); выполнении работ по [еме НИР «Модель» -«Исследование новых конструктивно-технологических решений создания кремниевых прецизионных микроструктур для ряда сверхминиатюрных датчиков давления общепромышленного и медицинского применения» (Распоряжение № 09.900/02-6 от 24.09.04 г. Федерального aieinciBa по науке г и инновациям); выполнении работ по теме МИР «Акация» - «Разработка перспективных базовых конструктивно-технологических решений для создания унифицированных датчиков давления с интегральным чувствительным элементом на структурах «кремний-диэлектрик-кремний» (Распоряжение № 07.168.01/016 от 28.07.05 г. Федерального aremciBa по науке и инновациям); выполнении работ по теме ОКР «Хопер» -«Исследование и отработка перспективных технологических решений формирования микроэлектромеханических систем для чувсшшельных элементов датчиков» (ГК 783-Т308/01 oi 02.03.01 г.).

Апробация работы. Основные научные и пракшческие результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на Международном симпозиуме «Надежность и качество-2004» (г. Пенза, 24-31 мая 2004 г.); И-й Всероссийской научно-технической конференции (НТК) «Датчикц и детекторы для АЭС-2004» (г. Пенза, 31 мая - 5 июня 2004 г.); Международной НТК «Проблемы автоматизации и управления в технических системах» (г. Пенза, 2004 г.); Международной НТК «Датчики и системы-2005» (г. Пенза, 6-10 июня 2005 г.); Международной НТК «Материалы для пассивных радиозлекфонных компонентов» (г. Пенза, 2005 г.); XXIV Российской НТК молодых ученых и специалистов «Наукоемкие проекты и высокие технологии - производству 21 века» (г. Пенза, 2005 г.).

Публикации. По геме диссертации опубликовано 13 работ, в том числе патент, две статьи в центральных изданиях. Без соавторов опубликовано десять работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка' используемой литературы, двух приложений. Основная часть изложена на 198 страницах машинописного текста, содержит 69 рисунков, 12 таблиц. Список литературы содержит 117 наименований. Приложения к диссертации занимают 12 страниц.

Выводы

На основе полученных результатов можно сделать следующие выводы:

1 значение основной погрешности не превышает значения 0,25%, что соответствует требованиям типового ТЗ на датчики давления, использующихся в ракетно-космической и авиационной технике;

2 ПЧЭ подтвердили свою работоспособность в рабочем диапазоне температур от минус 70 до 250°С;

3 разработанная технология формирования ПЧЭ датчиков давлений на КНД-структуре позволяет получать высокое сопротивление изоляции (до 10 ГОм) между тензорезистивной схемой и подложкой, что является необходимым условием для создания датчиков давлений, обладающих повышенными временной стабильностью и стойкостью к воздействиям электромагнитных полей и токов источников естественного и искусственного происхождения;

4 проведенные экспериментальные исследования и анализ метрологических и эксплуатационных характеристик экспериментальных образцов разработанных ПЧЭ на КНД-структуре, подтвердили большинство теоретических положений диссертации.

Заключение

1 Предложена новая конструкция ПЧЭ, содержащая кремниевую мембрану с утолщенным периферийным основанием и профилем с концентраторами механических напряжений, имеющую толщину, равную высоте тензорезисторов, сформированных на закрепленном на мембране слое двуокиси кремния.

2 Предложен конструктивно-технологический метод, позволяющий получать требуемые номиналы тензорезисторов на этапе окончательного формирования измерительной схемы. При этом за счет оптимизации технологических операций уменьшается вероятность попадания посторонних включений и образования несвязываемых участков на границе сращивания, компенсируется несовершенство границ раздела сращивания, уменьшаются внутренние напряжения в ПЧЭ, вызванные различными физическими свойствами слоев.

3 Разработана топология фотошаблона травления профилированной мембраны ПЧЭ, проведено моделирование анизотропного травления с использованием программы ACES, изготовлены экспериментальные образцы ПЧЭ с профилированной мембраной на основе разработанной топологии фотошаблона, подтвердившие адекватность теоретических и практических результатов.

4 Разработана последовательность технологических операций изготовления ПЧЭ датчиков давлений на КНД-структуре методом прямого сращивания пластин с использованием стандартного оборудования для производства изделий микроэлектроники.

5 Разработаны и изготовлены конструктивные варианты ПЧЭ на КНД-структуре для датчиков давлений с повышенными рабочим диапазоном температур до 250 °С, временной стабильностью и стойкостью к воздействиям электромагнитных полей и токов источников естественного и искусственного происхождения, проведенные экспериментальные исследования изготовленных ПЧЭ на КНД-структуре подтвердили большинство теоретических положений диссертации.

6 Построена модель расчета механических параметров (напряжений, деформаций) нового ПЧЭ на КНД-структуре.

7 Работа обеспечивает создание и способствует внедрению полупроводниковых чувствительных элементов датчиков давлений с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками для информационно-измерительных систем авиационной и ракетнокосмической техники.

В диссертационной работе содержится решение актуальной научной задачи обоснования, разработки и исследования новых ПЧЭ датчиков давлений на КНД-структуре, внедрение которых позволит существенно повысить эффективность информационно-измерительных систем изделий авиационной и ракетно-космической техники. т

1. G01L9/06.

2. Авт. св-во СССР №626374 кл. G01L9/04.

3. Ажажа Э. Г., Верховский Е. И. // Электронная техника. Сер. 2. Полупроводниковые приборы. 1969. Вып. 3(46). С. 28.

4. Б. А. Барвинок. Управление напряженным состоянием и свойствами плазменных покрытий. М.: Машиностроение 1990.

5. Баринов И. Н. «Метод прямого сращивания структур «кремний-на-изоляторе» для датчиков давления» // Датчики и системы, 2003, № 11, с. 39-40.

6. Баринов И. Н. Полупроводниковый чувствительный элемент на основе структуры «кремний-на-диэлектрике» для высокотемпературных датчиков давления» // Датчики и системы. 2004. №12. С. 39 — 42.

7. Баринов И. Н. Полупроводниковый преобразователь давления / Баринов И. Н., Козин С. А. // Решение о выдаче патента на изобретение № 2004116428 (от 31.05.04).

8. Богданович Б.Ю. и др. Технологии и методы исследования структур КНИ: Монография М.: МИЭТ. 2003. 289 с. (Троицк, Моск. обл.): Тип. Изд-ва Тровант - 288 с.

9. Броудай И., Мерей Дж. Физические основы микротехнологии: Пер. с англ. М.: Мир, 1985. - 496 е., ил.

10. В. Г. Литовченко, В. П. Шаповалов. Исследование процессов геттерирования в кремнии // Микроэлектроника. Т. 17. Вып. 4. 1988. С. 305.

11. В. JI. Кенигсберг, В. И. Сердюхов, С. И. Мильман и др. Полупроводниковый датчик давления «Кристалл» // Приборы и системы управления. 1974. №7. С. 26-27.

12. В. С. Дручин, С. И. Кулагин, А. П. Решетило. Термодиффузионные коммутационные слои интегральных тензопреобразователей // Вопросы радиоэлектроники. Сер. ОВР. Вып. 3. 1988.

13. Ваганов В. И. Интегральные тензопреобразователи. М.: Энергоатомиздат, 1983.

14. Верховский Е. И., Ажажа Э.Г., Санжаровский А. Г. // доклады АН СССР. Т.207. 1972 г.

15. Верховский Е. И., Фокин А. С., Альтшуллер В. М. Дислокации в кремниевых диффузионных структурах // Зарубежная электронная техника. 1972. № 19. С. 31-61.

16. ГОСТ 20420-75. Тензорезисторы. Термины и определения.

17. ГОСТ 21615-76. Тензорезисторы. Методы определения характеристик.

18. ГОСТ 216-16-76. Тензорезисторы. Общие технические условия.

19. ГОСТ 2789-73. Шероховатость поверхности. Параметры характеристики.

20. ГОСТ 8.009-72. Нормируемые метрологические характеристики средств измерений.108

21. ГОСТ 8.543-86. ГСИ. Государственная поверочная схема для средств измерения деформации.27 3. Ю. Готра. Технология микроэлектронных устройств: Справочник. М.: Радио и связь, 1991. - 528 е.: ил.

22. И. Б. Фогельсон. Упругие элементы силоизмерительных приборов. М.: Машиностроение, 1977.

23. Концевой Ю. А., Литвинов Ю. М., Фаттахов Э. А. Пластичность и прочность полупроводниковых материалов и структур. М.: Радио и связь, 1982.-240 с.

24. Косогоров В.М., Федулов А.В., Соколов Е.Ю., Шлифер С.Э. Технология диффузионной сварки полупроводниковых чувствительных элементов в электрическом поле // Приборы и системы управления. 1991. №4. С.41-42.

25. Кравченко В. М., Будько М. С. Современное состояние КНД-технологии // Научно-технический сборник обзоров «зарубежная электронная техника. 1989. №9. С. 3-54.

26. Курносов А. И., Юдин В. В. Технология производства полупроводниковых приборов и интегральных микросхем // Учебное пособие для вузов. М.: Высш. шк., 1986. 386 е., ил.

27. Лабунов В. А., Данилович Н. И., Демчук А. В. и др. Лазерная рекристаллизация кремниевых слоев на аморфных диэлектрических подложках // Зарубежная электронная техника. 1984. № 10. С. 46-75.

28. Маллер Р., Кейминс Т. Элементы интегральных схем: Пер. с англ. М.: Мир, 1989. 630 е., ил.

29. ОСТ 92-1729-88. Элементы чувствительные полупроводниковые преобразователей механических величин. Общие требования к типовым технологическим процессам изготовления.36 ОСТ 92-4279-80.

30. Палатник Л. С., Сорокин В. К. Материаловедение в микроэлектронике. М.: Энергия, 1978. 280 с.38 Патент США № 4522662.39 Патент США №44447497.40 Патент Японии №58-32792.41 Патент Японии №59-22318.42 Патент Японии №59-58821.

31. Прокопьев Е. П., Тимошенков С. П., Суворов А. Л., Чаплыгин Ю. А., Графутин В. И. Smart-Cut технология получения структур КНИ во влажных условиях с использованием методов химической сборки поверхности // Материаловедение. 2002. №3. С. 11-20.

32. Прокопьев Е.П., Тимошенков С.П., Графутин В.И., Мясищева Г.Г., Фунтиков Ю.В. Позитроника ионных кристаллов, полупроводников и металлов. М.: МИЭТ (ТУ), 1999. 176 с.

33. С. А. Гаряинов. Диэлектрическая изоляция элементов интегральных схем. М.: Сов. Радио, 1975 г.

34. Сотников В. С., Белановский А. С. Исследование адсорбции ионов металлов на поверхности германия, кремния и кварца // ДАН СССР, т. 137, №5, с 1162(1961).

35. Тимошенков С. П., Рубчиц В.Г. Моделирование процесса прецизионного травления вибрационной системы датчика угловой скорости // Микросистемная техника, №3, 2002.

36. Труды международной конференции по физике и химии полупроводниковых переходов и слоистых структур. Будапешт. 1970. С. 3.

37. Электроника. 1969. №3. С. 52-53.

38. Электроника. 1982. № 11. С. 67.

39. Электроника. 1982. №22. С. 5-6.

40. Электроника. 1985. Т. 58. № 6. С. 12-13.

41. Электроника. 1990. №48. С. 17-21.

42. Электроника. 1992. №36. С. 11-15.

43. Anthony Т. R. Anodic bonding of imperfect surfaces // J. Appl. Phys. 1983. V. 54. № 5. P. 2419-2428.

44. An-S. Chu, S. H. Zaidi, and S. R. J. Brueck, "Fabrication and Raman Scattering Studies of One-Dimensional Nanometer Structures in (110) Silicon", Appl. Phys. Let. 63 (7), 905 (1999).

45. Appl. Phys. Lett., 1982, v. 41, N 9, pp. 824-826.

46. Britten J.A. A moving-zone Marangoni drying process for critical cleaning and wet processing// Solid State Technology. 1997. V. 40. № 10. P. 143 148.

47. Campbell, D.S., "Mechanical Properties of Thin Films," in Handbook of thin Film technology, Maissel, L.I. and R.G., Eds., McGraw-Hill, New York, 1970.

48. Carison D.E. Ion depletion of glasses at a blocking anode: I. Theory and experimental results for alkali silicate glass // J. Am. Ceram. Soc. 1974. V. 57. P. 291.

49. Cerutti A., Ghezzi C. X-ray observation of induced dislocations at simple planar structures. Phys. St. Sol. (a), 1973, №17, p. 273-275.

50. Christenson K., Smith M., Werho D. Removing metallic contaminants in ф RCA-2 clean as a function of blend ratio and temperature // Microcontamination.1994. V. 12. №6.

51. Couteau T. Dilute RCA cleaning chemistries // Semiconductor International. 1996. Vol. 21. N 11. Oct. P. 95-100.

52. Couteau T. Dilute RCA cleaning chemistries // Semiconductor International. 1998. V. 23. № 9. P.80 84.

53. Dutton R. W., Antoniadis D. A., Meindl J. D., Kamins Т. I., Saraswat K. C., Deal В. E., Plummer J. D., Oxidation and Epitaxy, Technical Report, No. 5021•r1, Integrated Circuit Laboratory, Standford University, Standford, California, May 1977.

54. E. H. Klaassen, R. J. Reay, C. Storment, J. Audy, P. Henry, P. A. P. Brokaw, and G. T. A. Kovacs, "Micromachined Thermally Isolated Circuits," in Proceedings: Solid-State Sensors and Actuators Workshop. Hilton Head Island, S.1. C., 1996, pp. 127-31.

55. E. Peeters, "Process Development for 3D Silicon Microstructures, with Application to Mechanical Sensor Design," Ph.D. thesis, Catholic University of Louvain, Belgium, 1994.

56. Electron Lett., 1986, v. 22, N 23, pp. 1236-1237.

57. Furuhawa. M. Silicon-to-Silicon direct bonding method // J.Appl.Phys. 1986. V. 60. № 8. p. 2987 2989.

58. Gravesen, P., "Silicon Sensors," Status report for the industrial engineering thesis, DTH Lyngby, Denmark, 1986.

59. H. Seidel, et al., J. Electrochem. Soc.,. 137, 3626-32, 1990.

60. Hall R. M., Rosato J. J. Improving rinse effeciency with automated cleaning tools // Semiconductor International. 1996. Vol. 19. N 11. Nov.

61. Hall R.M., Rosato JJ. Improving rinse efficiency with automated cleaning tools // Semiconductor International. 1996. V. 19. № 11.

62. Hoffman, R. W., Stresses in Thin Films: The Relevance of Grain Boundaries and Impurities," Thin Solid Films, 34, 185-90, 1975.

63. Hoffman, Thornton J. Vac.Science and Techn. 1979 V16 B2, PI34-137.

64. IEEE J., 1985, v. SC-20, N 1, pp. 173-177.

65. J. Appl. Phys., 1987, v. 62, N 10, pp. 4118-4123.

66. J. Appl. Phys., 1988, v. 64, N 10, pp. 4943-4950.

67. J. Cryst., Growth.,1983, v. 63, N 3, pp. 445-452.

68. J. Cryst.Growth., 1983, v. 63, N 3, pp. 527-546.

69. J. Cryst.Growth., 1984, v. 70, N 1 -2, pp. 253-270.

70. J. Electrochem Soc., 1985, v. 132, N 1, pp. 239-244.

71. J. Electrochem. Soc., 1981, v. 128, N 9, pp. 1981-1986.

72. Jaccodine R. J., Schlegel W. A. "Journ. Appl. Phys.", 1966, v. 37, p. 2429.

73. Jeung Sang Go, Young-Ho Cho. Experimental evaluation of anodic bonding process based on the Taguchi analysis of interfacial fracture toughness // Sensors and Actuators. 1999. Vol. 73 .P. 52-57.

74. Kanda Y., Matsuda K., Murayama C., Sugaya J. The mechanism of field-assisted silicon-glass bonding // Sensors and Actuators. 1990. V. A21-A23. P. 939.

75. Kern W. The evolution of silicon wafer cleaning technology // J. Electrochem. Soc. 1990. V. 137. № 6. P. 1887 1890.

76. Krulevitch, P.A., "Micromechanical Investigations of Silicon and Ni-Ti-Cu Thin Films," Ph.D.thesis, University of California at Berkeley, 1994.

77. Lester M. A. Clean approaches for dual-damascene // Semiconductor international. 1999. Vol. 22. N 9. Aug. P.15.

78. Lester M.A. Clean approaches for dual-damascene // Semiconductor international. V. 18. № 6. Aug. 1998. P. 51.

79. Lestic A., Muller R. S. Low-temperature silicon-silicon bonding with oxides. FIELD // Acts polytechn. seand. Elec. End. Sr. 1988. № 63.P. 151 153.

80. Masaru S. Технология прямого соединения кремниевых пластин и ее применение // J. Inst. Electron, and Commun. Eng. Jap. 1987. V. 70. № 6. P. 593 595.

81. Mater. Lett., 1982, v. 1, N 1, p. 32.

82. Mayer, G. К., H. L. Offereins, H. Sandmeier, and K. Kuhl, "fabrication of Non-Underetched Convex Corners in Anisotropic Etching of (lOO)-Silicon in Aqueous KOH with respect to Novel Nicromechanics Elements," J. Electrochem. Soc., 137,3947-3951, 1990.

83. Meuris M., Merteus P. W., Opdebeeck A. The IMEC clean: a new concept for particle and metal removal on Si surfaces // Solid State Technology. 1995. Vol. 38. N 7. P. 109.

84. Meuris M., Merteus P.W., Opdebeeck A. The IMEC clean: A new concept for particle and metal removal on Si surfaces // Solid State Technology. 1995. V. 38. №7. P. 109.

85. Ohmi T. Total room temperature wet cleaning of silicon surfaces // Semiconductor International. 1996. Vol. 19. N 8. Jul.

86. Oho V. "Rev. Electr. Commun. Lab.", 1969, v. 17, p. 70.

87. P.M. M. C. Bressers, J. J. Kelly, J. G. E. Gardeniers, and M. Elwenspoek, "Surface Morphology of p-type (100) Silicon Etched in Aqueous Alkaline Solution," J. Electrochem. Soc., vol. 143, pp. 1744-50, 1996.

88. R. B. Fair. Semiconductor Silicon 1977. Electrochemical Society, 1977, p. 968.

89. Repts Progr. Phys., 1987, v. 50, №3, pp. 327-371.

90. Schwuttke G. H. Silicon materials problems in semiconductor device technology. Microelectr. and Reliab., 1970, v. 9, №4, p. 397-412.

91. Sensor Technology Devices Ed. Ljubisa Rustic. Boston London: Artech House, 1994. P. 157-201.

92. Serebrinsky I. H. "Solid-State Electron", 1970, v. 13, p. 1435.

93. Spierings G.A.S.M., Haisma J. In Semiconductor Wafer Bonding // Science, Technology and Applications U.Gosele, T.Abe, T.J.Letavic, R.D.Pinker and E.Arnold (eds.), The Electrochemical Society Proc. 1992. V. 92 7. P. 18 - 31.

94. Stengl R., Tan Т., Gosele U. A model for the silicon wafer bonding process//Japan J. Appl. Phys. 1989. V. 28. N 10. P. 1735-1741.

95. Т. Baum and D. J. SchifFrin, "AFM Study of Surface Finish Improvement by Ultrasound in the Anisotropic Etching of <100> in KOH for Micromachining Application," J.Micromech. Microeng., vol. 7, pp. 338-42, 1997.

96. Tong Q.-Y., Goesele U. A Model of Low-Temperature Wafer Bonding And Its Applications//J. Electrochem. Soc. 1996. V. 143. № 5. p. 1773 1779.94

97. Tong Q.-Y., Goesele U. Semiconductor Wafer Bonding: Science, Technology. Wiley. New York. 1998. 326 p.

98. Tong Q.-Y., Goesele U. Wafer Bonding and Layer Splitting for Microsystem // Adv. Mater. 1999. V. 11. № 17. P. 1409 1425.

99. Tong Q.-Y., Gosele U. Wafer bonding and layer splitting for microsystem // Adv. Mater. 1999. V. 11. N 17. P. 1409-1425.

100. U. S. Patent 3.765.969. 1973. Bell.

101. Walter A. E., Paczewski R. Using an enclosed process chamber for FPD chemical cleaning // MICRO. 1996. Vol. 14. N 5. May.

102. Whelan m. V., Golmans A. H., Goosens L. M. "Appl. Phys. Letters," 1967, v. 10, p. 262.117 www.mass.micro.uiuc.edu/research/completed/aces/pages/download.html.