автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Разработка интегральных полупроводниковых термочувствительных элементов для приборов неразрушающего контроля теплофизических свойств материалов

На правах рукописи

КОРОЛЕВ Андрей Павлович

РАЗРАБОТКА ИНТЕГРАЛЬНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ТЕРМОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ДЛЯ ПРИБОРОВ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ

05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тамбов 2000

Работа выполнена в Тамбовском государственном техническом университете на кафедре "Материалы и технологии"

Научные руководители: Доктор технических наук, профессор,

заслуженный изобретатель РФ Чернышов Владимир Николаевич;

кандидат технических наук, доцент Шелохвостов Виктор Прокопьевич

Официальные оппоненты; Доктор технических наук, профессор

Ведущая организация: ОАО "Электроприбор", г. Тамбов

Защита диссертации состоится 27 декабря 2000 г. в 13 часов.

На заседании диссертационного совета К 064.20.03 Тамбовского государственного технического университета по адресу: г. Тамбов, ул. Советская, 106, ТГТУ, Большой зал.

Отзывы в двух экземплярах, скрепленные гербовой печатью, просим направлять по адресу: 392000, г. Тамбов, ул. Советская, 106, ТГТУ, ученому секретарю.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ТГТУ. Автореферат разослан 27 ноября 2000 г.

Беляев Павел Серафимович;

кандидат технических наук Ахохов Юрий Хасанбиевич

Ученый секретарь диссертационного совета

А. А. Чуриков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время существенно расширяется номенклатура используемых естественных и искусственных материалов и изделий из них при одновременном увеличении объема контролируемых параметров и соответствующем увеличении стоимости контроля. Особенно это касается новых конструкционных, электроизоляционных, теплохла-достойких материалов, эксплуатация изделий из которых связана с протеканием тепловых процессов и необходимостью периодического или непрерывного контроля теплофизических свойств в течение всего периода работы. По этой причине получают распространение и развиваются тепловые методы неразрушающего контроля (НК) теплофизических свойств (ТФС) материалов, характеризующиеся оперативностью и экономичностью, возможностью применения в самых различных технологических процессах для контроля качества исследуемых объектов. Однако достоверность и точность результатов измерений этими методами зависят не только от выбора и контроля пространственно-временных параметров исследуемых объектов в процессе проведения теплофизического эксперимента, но и от массогабаритных размеров, чувствительности, инерционности, временной стабильности первичных измерительных преобразователей (ПИП), использующихся в термозондах таких приборов. В этой связи актуальной задачей является создание термочувствительных элементов термозондов на базе полупроводниковых технологий. Это позволит улучшить ряд параметров существующих приборов бесконтактного контроля ТФС материалов: увеличит чувствительность, уменьшит инерционность, позволит упростить аппаратуру и легче совместить с современными средствами вычислительной техники. Поэтому задача разработки приборов НК ТФС материалов и готовых изделий с полупроводниковыми термочувствительными элементами термозондов является актуальной.

Связь с государственными программами и НИР. Диссертационная работа выполнялась в рамках реализации следующих государственных программ: межвузовская научно-техническая программа Госкомобразования РСФСР "Неразрушающий контроль и диагностика", раздел 4 "Оптические, радиоволновые и тепловые методы неразрушающего контроля" на 1994 - 1998 г.г.; программа Минвуза РФ "Комплексные системы измерений, контроля и испытаний в народном хозяйстве" на 1998 - 2000 гг.; программа министерства образования РФ "Инновации высшей школы и введение интеллектуальной собственности в оборот", раздел "Инновационные

научно-технические проекты" 2000 г.: программа Миннауки РФ по финансированию научных исследований и экспериментальных разработок, проект "Создание микропроцессорных приборов оперативного неразрушаю-щего контроля термосопротивления многослойных строительных конструкций с пенополиуретановыми теплозащитными покрытиями", шифр: "Теплогидрощит" на 2000 - 2001 гг.

Предмет исследований. Методы и средства НК ТФС твердых материалов и готовых изделий, использующие полупроводниковые интегральные термочувствительные элементы с заданными метрологическими характеристиками.

Цель работы. Исследование электрофизических, конструкторско-топологических и технологических параметров полупроводниковых структур и на основе полученных результатов создание методики проектирования интегральных термочувствительных элементов термозондов с заданными метрологическими характеристиками для средств оперативного неразрушаюшего контроля. Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:

- анализ вопросов, связанных с разработкой термочувствительных элементов термозондов с заданными чувствительностью и диапазоном, высокой стабильностью и воспроизводимостью на базе полупроводниковых монокристаллических материалов и интегральных технологий;

- исследование влияния температуры на электрофизические параметры полупроводниковых структур на различных монокристаллических материалах с целью выявления возможности использования их в качестве термочувствительных элементов (ТЧЭ);

- разработка математической модели процессов в ТЧЭ, происходящих под воздействием температуры;

- исследование математической модели для оценки влияния основных параметров на выходную характеристику ТЧЭ и проверка ее адекватности;

- построение методики проектирования ТЧЭ с заданными метрологическими характеристиками на основе результатов исследования математической модели;

- выявить доминирующие операции процесса создания ТЧЭ, разработать термозонд с интегральными, полупроводниковыми ТЧЭ и провести экспериментальную проверку качества

Методы и методики исследования. Результаты исследований, включенные в диссертацию, базируются на теоретических основах физики

полупроводников, математическом моделировании, основах интегральных полупроводниковых технологий, физическом эксперименте с использованием опытных образцов, а также на экспериментальных исследованиях, проведенных на кафедре "Материалы и технологии" ТГТУ, в межкафедральной лаборатории "Энергоинформационные технологии, диагностика и приборы" ТГУ, в межвузовской лаборатории "Теплофизические измерения и приборы", регионального отделения "Российское общество по неразру-шающему контролю и технической диагностике" (РОНКТД) и в ряде промышленных и научно-исследовательских организаций.

Научная новизна диссертационной работы заключается в разработке математической модели физических процессов, происходящих под действием температуры с учетом основных электрофизических и конструктор-ско-топологических параметров полупроводниковых интегральных ТЧЭ термозондов для НК ТФС твердых материалов. На основе полученной модели создана новая методика разработки ТЧЭ термозондов с заранее заданными диапазоном и чувствительностью, высокой стабильностью и воспроизводимостью. По полученной методике разработана новая конструкция термозонда с использованием ТЧЭ с заданными метрологическими характеристиками.

Практическая ценность работы в том, что на основе созданной методики разработан и внедрен в производство термочувствительный элемент термозонда приборов НК ТФС материалов, что позволило увеличить точность теплофизических измерений и контролировать ТФС широкого класса материалов и готовых изделий в лабораторных и промышленных условиях. Результаты работы приняты к использованию в ОАО "Электроприбор" г. Тамбов, а также в учебном процессе ТГТУ.

Апробация работы. Основные научные и практические результаты исследований по теме диссертации докладывались на Всероссийской научно-технической конференции "Прогрессивная технология и вопросы экологии в гальванотехнике и производстве печатных плат" (г. Пенза, 1999 г.), на Н-й Международной конференции "Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений"(г. Тамбов, ТГУ, 2000 г.), на Ш-й научно-технической конференции ТГТУ (г. Тамбов, 1996 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 научных работ.

Структура работы. Диссертация содержит введение, 5 глав, заключение и 4 приложения, изложенные на 140 страницах машинописного текста, 21 рисунках. Список литературы включает 72 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность'темы, показана ее связь с государственными программами и НИР, сформированы цели и задачи работы. Раскрыты научная новизна и практическая ценность, приведены результаты апробации и реализации работы.

В первой главе проведен обзор и анализ существующих методов и измерительных средств НК ТФС материалов и изделий. Используемые в термозондах в качестве ТЧЭ термопары обладают рядом серьезных недостатков, таких, как невысокая чувствительность, относительно большие массогабаритные размеры, слабый выходной сигнал и не высокая точность. В связи с этим был проведен информационный обзор выпускаемых промышленностью ТЧЭ из разных материалов. Проведенный сравнительный анализ показал, что для контроля ТФС наиболее перспективными являются ТЧЭ на полупроводниковых монокристаллах. Однако выпускаемые серийно элементы имеют узкий рабочий диапазон измеряемых температур, спроектированы для выполнения других задач по разработанным для этого методикам; поэтому целесообразна разработка методики, ориентированной на проектировке ТЧЭ, используемых в теплофизических измерениях, и позволяющей создавать полупроводниковые структуры с заранее заданными метрологическими характеристиками: чувствительностью, уровнем выходного сигнала, линейностью выходной характеристики. В результате проведенного анализа определены цели и задачи исследования.

Во второй главе выбрана структура полупроводникового ТЧЭ, который представляет собой полупроводниковый резистор с отрицательным температурным коэффициентом в монокристаллической подложке, управляемый электрическим полем потенциала на изолированном электроде.

Проведены исследование и анализ влияния температуры на основные электрофизические параметры ТЧЭ с целью получеши аналитических зависимостей этих параметров от температуры, которые использовались для построения математической модели физических процессов, происходящих в полупроводниковой структуре при нагревании и охлаждении.

Зависимость концентрации электронов проводимости от температуры получена из фундаментальных законов физики полупроводников и имеет вид

где Ед (0) = 1,17 - значение ширины запрещенной зоны, экстраполированное к Т = 0 К, эВ; В = 3,873-1016- опытный коэффициент, К"3'2 ■ см"3; Л^ -концентрация донорной примеси, см"''; Т-температура, К.

Температурная зависимость объемного заряда (2), сформированного свободными электронами, получена конкретно для разрабатываемого ТЧЭ с учетом его электрофизических и конструкторско-топологических размеров в виде

/

\

.. 2кТ.

У0 +-1п—-

е щ ,

е05БЮ,

(2)

где V,; - управляющий потенциал; У и - напряжение на выходе ТЧЭ, В; п, ~ собственная концентрация носителей, см'3; е0 и е5>о2 - абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума и относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика под управляющим электродом, Ф / см; с1- толщина диэлектрика, см; к- постоянная Больцмана, эВ.

Под влиянием температуры изменяется подвижность основных носителей заряда в структуре. За основу была взята температурная зависимость подвижности носителей в кристалле полупроводника и трансформирована для разрабатываемой структуры ТЧЭ с использованием выражений (1) и (2). Полученная зависимость учитывает рассеяние на ионизированных атомах примеси, полевой эффект и размеры:

И?

&

\2

Ч.Е0е51 )

Ж

(3)

где

Нет =

( т У0,57 цЧзоо

300

-2,33

1 + лг0т;-2-4<"ч,'иб'

(4)

-Уг,+

ГЛ 2кТ I

Уп +-1п

Мг

е ВТК ехр( ВоШ 1 2 кТ

Еп£

О^Ю,

(5)

здесь Ущ, - разность потенциалов между входом и выходом ТЧЭ, В; I -длина канала, см; д.т - подвижность связанная с рассеянием на ионах примеси; У, = 1,1-Ю7- максимальная скорость электронов, см/с. Константы для электронов: р = 1/2; |Д,= 88; ц2= 1268; Л\> = 7,92-10"18 см"3; а = 0,88.

Таким образом, получены температурные зависимости основных параметров структуры ТЧЭ, которые являются основой для разработки математической модели физических процессов, протекающих в этой структуре.

В третьей главе разработана математическая модель физических процессов в ТЧЭ, протекающих под влиянием температуры и учитывающая электрофизические и конструкторско-топологические параметры полупроводниковой структуры.

С использованием зависимостей (3), (4) и (5) получена математическая модель, имеющая следующий вид:

и 2кТ ,

Ув +-1п

N.

з г ВТ2 ехр

ЕсМ

2 кТ

1)

80£,

(6)

где

Ми"1 = Мст +

(7)

Исг =!

т

300

-0,57

1268

500

-2,33

1 + 7,92-10

-18

{-иоо

2,4

0,88——0,146

ж г и,00-

/V,, зоо

(8)

,. 2кТ. К»

Ув+-1п-5-

е -

ВТ2 ехр -

¿о(0)

2 кТ

епе,

Здесь г, - диэлектрическая проницаемость диэлектрика, Ф / см; Т - ширина канала, см.

Проведено параметрическое исследование и анализ полученной математической модели с целью построения методики проектирования полупроводникового ТЧЭ.

Результаты анализа математической модели представлены в виде трехмерных графиков. На этих графиках показаны зависимости выходного тока как функции двух переменных.

Рис. 1 позволяет сравнить характеристики двух одинаковых структур на собственном и на легированном кремнии.

Рис. 1 Зависимость тока выхода от температуры и напряжения на стоке Уц для преобразователей, сформированных на собственном кремнии и на легированном с концентрацией донорной примеси 10"16см3

Связь электрических параметров (таких как напряжения на управляющем электроде и на выходе) с конструкторско-топологическими (толщина диэлектрика с! и длина канала I) графически проиллюстрирована на рис. 2 и 3.

¥Г=12В

Ь=0,05мкм

Ь=0.1 мкм

Рис. 2 Графики функции 10 =/(Т, У о) для двух значений длины канала: 0,05 мкм и 0,1 мкм при напряжении Ус - 12 В

У0=12Б

с1=0,03мкм

<¿=0,1

Рис. 3 Графики функции 1и =/(Т, Уп) для двух значений толщины диэлектрика: 0,03 мкм и ОД мкм при напряжении Ус= 12 В

Исследование этих графиков позволило сделать вывод, что уменьшение длины канала и толщины диэлектрика приводит к увеличению чувствительности и повышению уровня выходного сигнала, причем, чувствительность больше при большем значении напряжения на выходе У0. При малых значениях У0 уменьшение толщины диэлектрика с{ и длины канала I не так сильно изменяет крутизну температурной характеристики, как при больших Ур, а, в основном, повышает уровень выходного тока 10. Увеличение напряжения на выходе У0 увеличивает чувствительность ТЧЭ, а увеличение управляющего потенциала Кс повышает сигнал по току на выходе термочувствительного элемента.

Данные, приведенные на рис. 4 позволяют сопоставить влияние длины канала Ь и толщины подзатворного диэлектрика с1 на величину тока при разных температурах.

Рис. 4 Графики функции =/(Т, I) для двух значении толщины подзатворного диэлектрика: 0,03 мкм и 0,1 мкм

В результате проведенных исследований получена теоретическая основа, для построения методики проектирования ТЧЭ с заранее заданными метрологическими характеристиками.

В четвертой главе представлена методика проектирования термочувствительного элемента, созданная на основе проведенных исследований полученной математической модели.

Методика проектирования заключается в выборе величин электрофизических и конструкторско-топологических параметров в пределах заданных диапазонов с помощью полученной математической модели с целью разработки полупроводниковой ячейки ТЧЭ, реализующей функцию 1в - /(Т) в заданном диапазоне с максимально возможной чувствительностью, линейностью и уровнем выходного сигнала. Схема, изображенная на рис. 5 отображает связи основных метрологических характеристик с влияющими на них исходными параметрами и взаимосвязи между самими характеристиками. На схеме показаны основные этапы достижения цели. Ниже приведена последовательность действий в рамках предложенной методики.

1 В начале необходимо задаться исходными данными: набор материалов с определенными концентрациями! примеси Л^; напряжения на выходе Уц и на управляющем электроде У!:„ диапазон значений которых определяется условиями эксплуатации схемотехническим решением; длина канала Ь и толщина диэлектрика с/, мишмальные значения которых определяются уровнем данной технологии, а максимальные - условием задачи; ширина канала 2 ограничена только сверху конструкторскими ограничениями, так как увеличение 2 только улучшает метрологические характеристики.

2 Чувствительность определяется из выражения (6) как А/ / ДТ. Максимальное значение достигается выбором наибольших из заданных У о и 2, и наименьших из заданных - ¿ид1, что подтверждают графики на рис. 2, 3 и 4.

3 Так как от толщины й зависит напряжение пробоя Упр, необходимо проверить соответствие рабочего диапазона при выбранных в п. 2 параметрах заданному диапазону. Для этого следует определить температуру пробоя Т„р, при которой заданное Уи станет равным напряжению пробоя Упр. Расчет Тпр производится по полученной в работе зависимости:

/

V

-кТ\ п

-х,-ст а.

\

у

(Ю)

Здесь электронное сродство кремния Хэ;= 4,1 эВ, оксида кремния Х;= 0,9 эВ; диэлектрическая проницаемость диэлектрика е,= £ое5Ю2 = 8,86-10"14-4 Ф/см; С - опытный коэффициент.

Рис. 5 Методика разработки термочувствительного элемента

4 Если 7'Пр меньше верхней границы заданного диапазона, то есть, полученный диапазон уже чем заданный, следует увеличивать й с наименьшим приращением, определяя после каждого шага Тпр из выражения (10) и сравнивая с максимальным значением температуры Гтах заданного диапазона. Как только Тщ, станет больше Тшх - выбор с/ прекратить, так как при таком с/ чувствительность максимальна при заданном диапазоне измеряемых температур.

5 Оценивается линейность функции /о = /(7) после расчета зависимости (6) с выбранными выше параметрами. Если линейность соответствует требованиям - перейти к оценке уровня выходного сигнала (п. 9).

6 В случае неудовлетворяющей условию задачи линейности следует повысить Ус- При этом уменьшится чувствительность и может уменьшиться диапазон. Поэтому Кс следует увеличивать до значения, при котором линейность станет минимально допустимой.

7 Осуществляется проверка диапазона контролируемых температур. Из выражения (10) надо определить Упр при заданной температуре Гтах. Если Упр > У0, то следует перейти к оценке чувствительности, если Упр < У0, то так как линейность минимально допустимая, следует вернуться к п. 1 для выбора другого материала.

8 Проводится проверка чувствительности. Если чувствительность не соответствует заданным значениям - вернуться к п. 1 для выбора другого материала, если соответствует - перейти к следующему пункту.

9 Так как уровень выходного тока 10 находится в такой же зависимости с параметром Ус, как и линейность, то следует выполнять действия по п.п. 5 - 9, но относительно значений уровня выходного сигнала.

В пятой главе проведены исследования и разработка технологии производства полупроводникового ТЧЭ, разработана конструкция ТЧЭ и на его основе термозонда для НК ТФС материалов. Технология разработана с учетом результатов анализа полученной математической модели и включает операции: окисление фотолитографию, диффузию термовакуумное напыление, ультразвуковую сварку. Разработан алгоритм технологического расчета структуры ТЧЭ.

Проведены экспериментальные исследования технологии. Уровень технологии, технологические параметры и режимы влияют на точность выполнения полупроводникового ТЧЭ. Поэтому были проведены технологические исследования с целью выявления доминирующих этапов технологии, даны рекомендации по выбору методов и средств их выполнения.

Наиболее ответственными этапами в производстве ТЧЭ являются: окисление, фотолитография, диффузия. От этих этапов зависит точность получения технологических размеров, которые по результатам анализа математической модели, являются одними из определяющих точность

ТЧЭ параметрами. В целях уменьшения массогабаритов проработаны методы уменьшения толщины кристаллов ТЧЭ.

Опытный образец был изготовлен на кремневой пластине п-типа, легированной фосфором. Экспериментальные испытания проводились при разных напряжениях на выходе ячейки ТЧЭ и на управляющем электроде и подтвердили адекватность математической модели и эффективность полученной методики, так как метрологические характеристики соответствовали расчетным в пределах допустимой погрешности.

Разработано несколько вариантов конструкций интегральных ТЧЭ. Один из вариантов представляет собой разделенные ячейки, нанесенные на гибкую основу для контроля ТФС материалов на неровной поверхности. Межсоединения выполнены в пленочном варианте.

Второй вариант - на кремниевой подложке сформирована матрица ячеек ТЧЭ. Разводка матрицы позволяет опрашивать по очереди каждую ячейку. Это позволяет либо представить распределение температурных полей, либо усреднить измерение по одному столбцу, по двум и так далее, тем самым повысив точность измерения. Один, два или несколько центральных столбцов ячеек выполнены в виде нагревателя, рассчитанного с помощью полученной модели. Так как вся матрица выполняется в едином технологическом процессе, то ячейки нагревателя должны отличаться только топологическими размерами. При решение задачи проектирования нагревателей использовалась та же математическая модель. В этом случае решалась обратная задача - задавалась температура и рассчитывались топологические размеры.

В третьем варианте на полупроводниковой пластине с известным коэффициентом теплопроводности с двух сторон сформированы матрицы ячеек ТЧЭ. Такую конструкцию можно использовать в измерении теплового потока.

Разработана конструкция термозонда для НК ТФС материалов где в качестве термочувствительного элемента используется разработанный интегральный полупроводниковый ТЧЭ.

На измерительной головке термозонда располагаются линейки 10, 11 с ячейками полупроводникового ТЧЭ (рис. 6, б). Одна ячейка линейки вынесена и показана крупным планом (рис. 6, в). Такая конструкция позволяет измерять температуру не в одной точке, а среднюю по длине линейки на линии изотермы, что повышает точность и помехозащищенность измерений.

Конструкция термозонда позволяет использовать полупроводниковые ТЧЭ различной конструкции и назначения. Конструкция снабжена пленочными токоведущими элементами на гибкой основе, позволяющими уменьшать отвод тепла по ним из зоны измерения температуры.

Рис. 6 Конструкция термозонда (а), конструкция полупроводникового ТЧЭ с нагревателем (б), ячейка ТЧЭ (в): 1,2- две части корпуса; 3 - винты; 4 - пружины; 5 - исследуемый объект; 6 - держатель измерительной головки; 7 - эластичная пластина; 8 - теплоизоляционная головка; 9 - электронагреватель; 10, 11 - линейки ячеек ТЧЭ; 12, 13, 14, 15 - выводы линеек; 16 - пружины

Разработана микропроцессорная система, основным блоком которой является разработанный термозонд, и проведены экспериментальные исследования, подтвердившие корректность основных теоретических выводов и эффективность разработанной методики проектирования.

В приложении приведены компьютерные программы расчетов технологических режимов в производстве ТЧЭ; компьютерная программа математического моделирования физических процессов в структуре разработанного ТЧЭ; микрофотографии топологических слоев разработанного ТЧЭ; акт о внедрении результатов работы.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1 Проведен информационный обзор и анализ существующих термочувствительных элементов, подтвердивший актуальность разработки ТЧЭ с заданными чувствительностью и диапазоном, высокой стабильностью и воспроизводимостью на базе полупроводниковых монокристаллических материалов и интегральных технологий.

2 Исследовано влияние температуры на электрофизические параметры полупроводниковых структур на различных монокристаллических материалах и выявлены возможности использования их в качестве ТЧЭ.

3 Разработана математическая модель физических процессов в ТЧЭ, происходящих под воздействием температуры и проверена ее адекватность.

4 Исследована полученная математическая модель и проведена оценка влияния основных параметров на выходную характеристику ТЧЭ.

5 На основе результатов исследований математической модели построена методика проектирования ТЧЭ с заданными метрологическими характеристиками.

6 Разработан термозонд с интегральным полупроводниковым ТЧЭ, спроектированным и выполненным по полученным методике и технологии. Выявлены доминирующие операции технологического процесса создания ТЧЭ и даны рекомендации по выбору методов, технологического оборудования и оснастки для достижения требуемой точности изготовления ТЧЭ.

7 Экспериментальная проверка разработанных термозонда и микропроцессорной системы, основным блоком которой он является, показала их работоспособность и эффективность использования полупроводниковых интегральных ТЧЭ в средствах НК ТФС материалов и изделий.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1 Королев А. П., Шелохвостов В. П., Чернышев В. Н. Полупроводниковый первичный измерительный преобразователь тепловых параметров в процессах деформации и разрушения // Тамбов: Вестник ТГУ. - Т. 5, вып. 2-3,2000. С. 334-337.

2 Koroljev А. Р, Shelokhvostov V. P., Chernyshov V. N. Solid State Primary Initial Transformer Design for Heat Values Measurement. Tambov: Vestnik TSTU, 1999, v.5, № 4, p. 536 - 542.

3 Королев А. П., Шелохвостов В. П. Измерение температуры пленки при термовакуумном напылении // Сб. Труды ТГТУ. Тамбов, 1998. С. 229-231.

4 Королев А. П., Шелохвостов В. П. Измеритель первичных преобразований теплового потока // Прогрессивная технология и вопросы экологии в гальванотехнике и производстве печатных: Тез. докл. Всероссийской научно-технической конференции. Пенза: ПДЗ. 1999. С. 27.

5 Шелохвостов В. П., Королев А. П., Иноземцев Д. В., Гостев О. В. Разработка технологии гибридных микросхем // Научно-техническая конференция ТГТУ, Тамбов: ТГТУ. 1996. С. 189.

6 Королев А. П., Плужникова Т. П., Ушаков И. В., Дробышев А. С. О моделировании процессов объединения лазерно-индуцированных трещин в ЩГК и кальците // Сб. Труды ТГТУ. Тамбов, 1998. С. 229 - 231.

Введение.

1 ОБЗОР И АНАЛИЗ ВОПРОСОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕ

СКИХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕРМОЗОНДОВ, СОДЕРЖАЩИХ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ТЕРМОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ ЭЛ6ЕМЕНТЫ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ.

1.1 Общая характеристика проблемы измерения теплофизических свойств материалов с использованием термозондов.

1.2 Краткий обзор и анализ термочувствительных элементов (ТЧЭ), используемых в средствах контроля свойств материалов.

1.3 Постановка задачи исследования влияния температуры на параметры ячейки полупроводникового интегрального ТЧЭ в термозондах.

Выводы.

2 ИССЛЕДОВАНИЕ И АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ НА

ОСНОВНЫЕ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ТЧЭ.

2.1 Изменение концентрации основных носителей заряда.

2.2 Образование объемного заряда.

2.3 Температурная зависимость подвижности носителей с учетом полевого и размерного эффекта.

Выводы.

3 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ, ПРОИСХОДЯЩИХ В ПОЛУПРОВОДНИКОВОМ ТЧЭ ПОД ДЕЙ

СТВИЕМ ТЕМПЕРАТУРЫ.

3.1 Построение математической модели.

3.2 Параметрическое исследование математической модели.

3.2.1 Влияние физико-топологических параметров на выходную характеристику ТЧЭ.

3.2.2 Влияние конструкторско-топологических параметров на выходную характеристику ТЧЭ.

3.2.3 Связь электрических параметров ТЧЭ с выходной характеристикой.

Выводы.

4 МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ ИНТЕГРАЛЬНОГО ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ТЕРМОЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ЕЛЕМЕНТА.

4.1 Общие вопросы реализации методики проектирования.

4.2 Методика проектирования.

4.2.1 Определение динамического диапазона измерений.

4.2.2 Линейность выходной характеристики.

4.2.3 Получение заданной чувствительности.

4.2.4 Определение уровня выходного сигнала.

4.3 Алгоритм проектирования.

Выводы.

5 РАЗРАБОТКА ТЕРМОЗОНДА ДЛЯ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ.

5.1 Технология изготовления термочувствительного элемента.

5.2 Исследование влияния технологических операций на метрологические характеристики термочувствительного элемента.

5.3 Разработка конструкций интегральных ТЧЭ и термозонда.

5.4 Разработка микропроцессорной измерительной системы для НК ТФС материалов.

5.5 Метрологический анализ разработанного ТЧЭ.

Выводы.

Многие физические характеристики материалов и качество готовых изделий из них можно определить с помощью теплофизических свойств этих материалов. Задача проектирования более качественных средств измерений с улучшенными метрологическими характеристиками соответствует наиболее актуальным задачам развития измерительной техники.

Актуальность работы. В настоящее время существенно расширяется номенклатура используемых естественных и искусственных материалов и изделий из них при одновременном увеличении объема контролируемых параметров и соответствующем увеличении стоимости контроля. Особенно это касается новых конструкционных, электроизоляционных, тепло -хладостойких материалов, эксплуатация изделий из которых связана с протеканием тепловых процессов и необходимостью периодического или непрерывного контроля теплофизических свойств в течение всего периода работы. По этой причине получают распространение и развиваются тепловые методы неразрушающего контроля (НК) теплофизических свойств (ТФС) материалов, характеризующиеся оперативностью и экономичностью, возможностью применения в самых различных технологических процессах для контроля качества исследуемых объектов. Однако достоверность и точность результатов измерений этими методами зависят не только от выбора и контроля пространственно-временных параметров исследуемых объектов в процессе проведения теплофизического эксперимента, но и от массогабаритных размеров, чувствительности, инерционности, временной стабильности первичных измерительных преобразователей (ПИП), использующихся в термозондах таких приборов. В этой связи актуальной задачей является создание термочувствительных элементов термозондов на базе полупроводниковых технологий. Это позволит улучшить ряд параметров существующих приборов бесконтактного контроля ТФС материалов: увеличит чувствительность, уменьшит инерционность, позволит упростить аппаратуру и легче совместить с современными средствами вычислительной техники. Поэтому задача разработки приборов НК ТФС материалов и готовых изделий с полупроводниковыми термочувствительными элементами термозондов является актуальной.

Связь с государственными программами и НИР. Диссертационная работа выполнялась в рамках реализации следующих государственных программ: межвузовская научно-техническая программа Госкомобразования РСФСР "Неразрушающий контроль и диагностика", раздел 4 "Оптические, радиоволновые и тепловые методы неразрушающего контроля" на 1994 -1998 г.г.; программа Минвуза РФ "Комплексные системы измерений, контроля и испытаний в народном хозяйстве" на 1998 - 2000 гг.; программа министерства образования РФ "Инновации высшей школы и введение интеллектуальной собственности в оборот", раздел "Инновационные научно - технические проекты" 2000 г.; программа Миннауки РФ по финансированию научных исследований и экспериментальных разработок, проект "Создание микропроцессорных приборов оперативного неразрушающего контроля термосопротивления многослойных строительных конструкций с пенополиуретановыми теплозащитными покрытиями", шифр: "Теплогидрощит" на 2000-2001 гг.

Цель работы. Исследование электрофизических, конструкторско-топологических и технологических параметров полупроводниковых структур и на основе полученных результатов создание методики проектирования интегральных термочувствительных элементов термозондов с заданными метрологическими характеристиками для средств оперативного неразрушающего контроля. Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:

- анализ вопросов, связанных с разработкой термочувствительных элементов термозондов с заданными чувствительностью и диапазоном, высокой стабильностью и воспроизводимостью на базе полупроводниковых монокристаллических материалов и интегральных технологий;

- исследование влияния температуры на электрофизические параметры полупроводниковых структур на различных монокристаллических материалах с целью выявления возможности использования их в качестве термочувствительных элементов (ТЧЭ);

- разработка математической модели процессов в ТЧЭ, происходящих под воздействием температуры;

- исследование математической модели для оценки влияния основных параметров на выходную характеристику ТЧЭ и проверка ее адекватности;

- построение методики проектирования ТЧЭ с заданными метрологическими характеристиками на основе результатов исследования математической модели;

- выявить доминирующие операции процесса создания ТЧЭ, разработать термозонд с интегральными, полупроводниковыми ТЧЭ и провести экспериментальную проверку качества.

Методы и методики исследования. Результаты исследований, включенные в диссертацию, базируются на теоретических основах физики полупроводников, математическом моделировании, основах интегральных полупроводниковых технологий, физическом эксперименте с использованием опытных образцов, а также на экспериментальных исследованиях, проведенных на кафедре "Материалы и технологии" ТГТУ, в межкафедральной лаборатории "Энергоинформационные технологии, диагностика и приборы" ТГУ, в межвузовской лаборатории "Теплофизические измерения и приборы", регионального отделения "Российское общество по не-разрушающему контролю и технической диагностике"(РОНКТД) и в ряде промышленных и научно-исследовательских организаций.

Научная новизна диссертационной работы заключается в разработке математической модели физических процессов, происходящих под действием температуры с учетом основных электрофизических и конструктор-ско-топологических параметров полупроводниковых интегральных ТЧЭ термозондов для НК ТФС твердых материалов. На основе полученной модели создана новая методика разработки ТЧЭ термозондов с заранее заданными диапазоном и чувствительностью, высокой стабильностью и воспроизводимостью. По полученной методике разработана новая конструкция термозонда с использованием ТЧЭ с заданными метрологическими характеристиками.

Практическая ценность работы в том, что на основе созданной методики разработан и внедрен в производство термочувствительный элемент термозонда приборов НК ТФС материалов, что позволило увеличить точность теплофизических измерений и контролировать ТФС широкого класса материалов и готовых изделий в лабораторных и промышленных условиях. Результаты работы приняты к использованию в ОАО "Электроприбор" г.Тамбов, а также в учебном процессе ТГТУ.

Апробация работы. Основные научные и практические результаты исследований по теме диссертации докладывались на Всероссийской научно-технической конференции "Прогрессивная технология и вопросы экологии в гальванотехнике и производстве печатных плат" (г.Пенза, 1999 г.), на П-ой Международной конференции "Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений"(г.Тамбов, ТГУ, 2000г.), на III-ей научно-технической конференции ТГТУ (г.Тамбов, 1996г.).

Структура работы. Диссертация содержит введение, 5 глав, заключение и 4 приложения, изложенные на 140 страницах машинописного текста, 21 рисунках. Список литературы включает 72 наименования.

Выводы

1 Проведенный на аналитической основе с использование математической модели метрологический анализ позволил выявить доминанты, влияющие на точность выходного параметра в общей погрешности.

2 На основе проведенного метрологического анализа выявлены доминирующие этапы технологии, оказывающие наибольшее влияние на точ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1 Проведены теоретические и экспериментальные исследования физических процессов, протекающих в полупроводниковой полевой структуре в результате изменения температуры. На основе проведенных исследований получены аналитические зависимости, устанавливающие связь между основными электрофизическими параметрами разработанной структуры и температурой. Выведенные зависимости являются теоретической основой для создания математической модели физических процессов.

2 На основе полученных зависимостей построена математическая модель, описывающая физические процессы в разработанном ТЧЭ, которые происходят под влиянием изменения температуры. Математическая модель учитывает необходимые физико-топологические, конструкторско-топологические и электрические параметры полупроводникового ТЧЭ. Модель позволяет исследовать процессы в разных полупроводниковых материалах с известными электрофизическими параметрами.

3 Проведено исследование модели, на основе которого установлена связь между основными исходными параметрами и метрологическими характеристиками разработанного полупроводникового ТЧЭ.

4 На основе полученной модели разработана методика проектирования ТЧЭ с заданными метрологическими характеристиками: диапазоном измеряемых температур, чувствительностью, линейностью и уровнем выходного сигнала. Исходными данными для проектирования являются: материал, концентрация примеси в материале, топологические размеры и потенциалы на входе, выходе и на управляющем электроде. По полученной методике можно проектировать ТЧЭ на различных полупроводниковых материалах с известными электрофизическими параметрами.

5 Проведены экспериментальные исследования технологии изготовления полупроводникового ТЧЭ. Экспериментально определены абсолют

1. Бриндли К. Измерительные преобразователи. М.: "Энергоатомиздат", 1991. - 143 с.

2. Коленко Е. А. Технология лабораторного эксперимента. -СПб.: "Политехника", 1994. 647 с.

3. Ротберг И. П., Удалов Н. П. Полупроводниковый диод как датчик температуры. "Автоматика и телемеханика", т.24, №5, 1963. - 324 с.

4. Удалов Н. П. Полупроводниковые датчики. М.: "Энергия", 1965.-435 с.

5. Авторское свидетельство SU № 1388703, 1988. Термозонд для определения толщины пленочных покрытий./ В.Н. Чернышев, А.П. Пудовкин, Ю.Л. Муромцев, И.В. Самойлов.

6. Авторское свидетельство RU № 2101674 С1, 1998. Термозонд для неразрушающего контроля толщины пленочных покрытий./ В.Н. Чернышев, A.B. Терехов.

7. Авторское свидетельство RU № 2123179 С1, 1998. Термозонд для неразрушающего контроля теплопроводности материалов./ В.Н. Чер-нышов, М.В. Макаров, Т.И. Чернышова, A.B. Селезнев, A.B. Терехов.

8. Зи С. Физика полупроводниковых приборов М.: "Мир", 1984. - 455 с.

9. Тугов Ч. М. Полупроводниковые приборы. М.: "Энергоатомиздат", 1990. - 576 с.

10. Бубенников А.Н. Моделирование интегральных микротехнологий приборов и схем. М: "Высшая школа", 1990. - 320 с.

11. Парфёнов О. О. Технология микросхем. М.: "Высшая школа", 1986.-320 с.

12. Никифорова Денисова С. Н., Любушкин Е. Н. Технология полупроводниковых приборов и изделий микроэлектроники. Термические процессы. - М: "Высшая школа", 1989. - 96 с.

13. Курносов А.И., Юдин В.В. Технология производства полупроводниковых приборов и интегральных схем. М.: "Высшая школа", 1979.

14. Аваев H.A. Основы микроэлектроники. М.: "Радио и связь", 1991.-287 с.

15. Козырь И .Я. Горбунов Ю.И. Технология полупроводниковых приборов и изделий микроэлектроники. М.: "Высшая школа", 1989. -222 с.

16. Новицкий П.В., Зограф H.A., Лабунец B.C. Динамика погрешностей. Л.: "Энергоатомиздат", 1990. - 188 с.

17. Корн Г.Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров М.: "Наука", 1974. 832 с.

18. Pero К.Г. Метрологическая обработка результатов технологических измерений; Справочное Пособие. Киев.: "Техника", 1987.128 с.

19. Журнал "АВОК" № 5/6. 1993.

20. Коледов Л.А. Технология и конструкции микросхем и микропроцессоров и микросборок. Учебник для вузов. М.: "Радио и связь", 1989. - 400 с.

21. Маллер Р., Кейминс Т. Элементы интегральных схем. М.: "Мир", 1989. - 630 с.

22. Стриха В.И. Физические основы надежности контактов металл-проводник в интегральной электронике. М.: "Радио и связь", 1987.-256 с.

23. Солимар Л. Лекции по электрическим свойствам материалов. М.: "Мир", 1991. - 504 с.

24. Пасынков B.B. Полупроводниковые приборы. М.: "Высшая школа", 1981. - 431 с.

25. Чистяков Ю.Д. Физико-химические основы технологии микроэлектроники. М.: "Металлургия", 1979. - 408 с.

26. Бонч-бруевич В.Л., Калашников С.Г. Физика полупроводников. М.: "Наука", 1990. - 688 с.

27. Черняев В.Н. Технология производства интегральных микросхем и микропроцессоров. М.: "Радио и связь", 1987. 464 с.

28. Авдеев Б.Я., Антошо Е.М., Душен Е.М. Основы метрологии и электрические измерения. Л.: "Энергоатомиздат", 1987. - 480 с.

29. Кулаков М.В. Технологические измерения и приборы для химических производств. М.: "Машиностроение", 1983. - 424 с.

30. Туричин A.M., Новицкий П.В., Левшина Е.С. электрические измерения не электрических величин. Л.: "Энергия", 1975. - 576 с.

31. Рогельберг И.П., Бейлин В.М. Сплавы для термопар. М.: "Металлургия", 1983. - 360 с.

32. Данишевский С.К., Сведе-Швец Н.И. Высокотемпературные термопары. М: "Металлургия", 1977. - 232 с.

33. Геращенко O.A., Федоров В.Г. Техника теплотехнического эксперимента. Киев: "Hayкова думка", 1964. - 161 с.

34. Чистяков Ю.Д., Райнова Ю.П. Физико-химические основы технологии микроэлектроники. М.: "Металургия", 1979. - 408 с.

35. Маллер Р., Кейминс Т. Элементы интегральных схем. М.: "Мир", 1989.-630 с.

36. Плазменная технология в производстве СБИС. Под ред. Айнспрука Н. Брауна Д. М.: "Мир", 1987. - 469 с.

37. Зи С. Технология СБИС, т.1. М.: "Мир", 1986. - 404 с.

38. Зи С. Технология СБИС, т.2. М.: "Мир", 1986. - 453 с.

39. Белоус Ю. Т., Мунин П. И., Шер Ю. А. Методы проектирования индуктивных и резонансных пленочных элементов. М.: "МИЭТ", 1977. - 52 с.

40. Березин А. С., Мочалкина О. Р. Технология и конструирование интегральных микросхем. М.: "Радио и связь", 1983. - 232 с.

41. Броудай И., Мерей Дж. Физические основы микротехнологии: Пер. с англ./ Под ред. А. В. Шальнова. М.: "Мир", 1985. - 494 с.

42. Валиев К. А., Раков А. В. Физические основы субмикронной литографии в микроэлектронике. М.: "Радио и связь", 1984. - 350 с.

43. Гуськов Г. Я., Блинов Г. А., Газаров А. А. Монтаж микроэлектронной аппаратуры. М.: "Радио и связь", 1986. - 175 с.

44. Достанко А. П. Технология интегральных схем. Минск: "Вышэйшая школа", 1982. - 206 с.

45. Ефимов И. Е., Козырь И. Я., Горбунов Ю. И. Микроэлектроника. Физические и технологические основы, надежность. М.: Высшая школа, 1986.-464 с.

46. Конструирование и расчет больших гибридных интегральных схем, микросборок и аппаратуры на их основе / Под ред. Б. Ф. Высоцкого. М.: "Радио и связь", 1981. - 216 с.

47. Конструирование и технология микросхем. Курсовое проектирование /Коле-дов Л. А., Волков В. А., Докучаев Н. И. и др.; Под ред. Л. А. Коледова. М.: "Высшая школа", 1984. - 231 с.

48. Малышева И. А. Технология производства микроэлектронных устройств. М.: "Энергия", 1980. - 448 с.

49. Матсон Э.А. Конструкции и технология микросхем. Минск: "Вышэйшая школа", 1986. - 207 с.

50. Матсон Э.А., Крыжановский Д. В. Справочное пособие по конструированию микросхем. Минск: "Вышэйшая школа", 1982. - 224 с.

51. Нестеров П.В., Шаньгин В.Ф., Горбунов В.Л. и др.; Микропроцессоры. Под ред. Л. Н. Преснухина. М.: "Высшая школа", 1986. - 495 с.

52. Микроэлектронная аппаратура на бескорпусных интегральных микросхемах/ И. Н. Воженин, Г. А. Блинов, Л. А. Коледов и др.; Под ред. Воженина И. Н. М.: "Радио и связь", 1985. - 264 с.

53. Мурога С. Системное проектирование сверхбольших интегральных схем/ Пер. с англ. под ред. В. М. Кисельникова. М.: "Мир", 1985.- 579 с.

54. Анисимов Б. В., Белов Б. И., Норенков И. П. Машинный расчет элементов ЭВМ. М.: "Высшая школа", 1976.

55. Берг А., Дин П. Светодиоды: Пер. с анг./Под ред. А. Э. Юнови-ча. М.: "Мир", 1979.-686 с.

56. Батушев В. А. Электронные приборы. М.: "Высшая школа", 1980.-383 с.

57. Агаханян Т. М. Интегральные микросхемы. М.: "Энергоатомиэдат", 1983. - 464 с.

58. Кузьмин В. А. Тиристоры малой и средней мощности. М.: "Советское радио", 1971.

59. Лабунцов В. А., Тугов Н. М. Динамические режимы эксплуатации мощных тиристоров. М.: "Энергия", 1977.

60. Носов Ю. Р., Петросянц К. О., Шилин В. А. Математические модели элементов интегральной электроники. М.: "Советское радио", 1976.-304 с.

61. Носов Ю. Р. Оптоэлектроника. М.: "Советское радио", 1989. -359 с.

62. Пасынков В. В., Чиркин Л. К. Полупроводниковые приборы. -М.: "Высшая школа", 1987. 479 с.

63. Степаненко И. П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. М.: "Энергия", 1977. - 423 с.

64. Степаненко И. П. Основы микроэлектроники. М.: "Советское