автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.14, диссертация на тему:Разработка технологии формирования кремниевых пьезорезистивных чувствительных элементов микромеханических акселерометров

На правах рукописи

ПАУТКИН Валерий Евгеньевич

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ФОРМИРОВАНИЯ КРЕМНИЕВЫХ ПЬЕЗОРЕЗИСТИВНЫХ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ МИКРОМЕХАНИЧЕСКИХ АКСЕЛЕРОМЕТРОВ

Специальность 05.11.14 - Технология приборостроения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

15 ЯНЗ 2015

ПЕНЗА 2014

005557289

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет» и Открытом акционерном обществе «Научно-исследовательский институт физических измерений» (г. Пенза).

Научный руководитель — Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Аверин Игорь Александрович, доктор технических наук, ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный технологический университет», профессор кафедры информационных технологий и систем (ИТС) Михайлов Петр Григорьевич;

кандидат технических наук, ФГАОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения», доцент кафедры конструирования и технологии электронных и лазерных средств Филонов Олег Михайлович.

ФГБУН «Институт проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов Российской академии наук» (ИПТМ РАН), 142432, Московская область, г. Черноголовка, ул. Академика Осипьяна, Д. 6.

Защита состоится <0л О/ 2015 г., в 15.00 ч, на заседании диссертационного совета Д 212.233.01 в Федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения» по адресу: г. Санкт-Петербург, ул. Б. Морская, 67.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения» и на сайте www.guap.ru

Ведущая организация -

Автореферат разослан «20)

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

20^1

Шелест Д. К.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Отличительной особенностью развития науки и техники на рубеже XX-XXI вв. является массовое применение контрольно-управляющих устройств на основе микроэлектромсханических систем (МЭМС) для получения достоверной информации о протекающих процессах. При отработке и штатной эксплуатации изделий ракетно-космической техники (РКТ) широко применяются пьезорезистивные акселерометры, имеющие широкий частотный и динамический диапазон измерений, малые габариты, высокую ударную прочность. Их основное применение - контроль высокочастотной вибрации, измерение ударных процессов однократного и многократного воздействий.

Существенный вклад в развитие теоретической и методологической базы проектирования микромеханических датчиков, в том числе акселерометров, внесли научные отечественные и зарубежные школы, руководимые учеными: д.т.н. В. И. Ваганов, д.т.н. В. Я. Распопов, д.т.н. А. А. Папко, д.т.н. С. П. Тимошенков, д.т.н. В. А. Гридчин, R. Jackson, J. Fraden, A. Kurtz и др. В Российской Федерации разработку и изготовление микромеханических акселерометров ведут научные коллективы: ОАО «Научно исследовательский институт физических измерений» (г. Пенза) и ОАО «Темп-Авиа» (г. Арзамас).

Существующие в настоящее время микромехаиические пьезорезистивные акселерометры не удовлетворяют современным требованиям по работоспособности в условиях воздействия внешних дестабилизирующих факторов, в частности при повышенной температуре. Известные пьезорезистивные акселерометры имеют в своем составе кремниевые пьезорезистивные чувствительные элементы (ЧЭ) на основе изолирующего р~п-перехода, что ограничивает температурный диапазон работы прибора до 85 °С. В то же время необходимы измерения ускорения при отладке изделий РКТ при температурах более 100 °С, что возможно с использованием пьезорезистивных акселерометров. Таким образом, разработка технологии кремниевых пьезорезистивных чувствительных элементов микромеханических акселерометров, работоспособных при температурах более 100 °С, является актуальной задачей, отвечающей потребностям РКТ и общепромышленного применения и соответствующей приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники в Российской Федерации и Перечню критических технологий Российской Федерации, утвержденному Указом Президента РФ от 7 июля 2011 г. № 899, п. 14 «Технологии наноустройств и микросистемной техники».

Цель работы: расширение температурного диапазона измерений, снижение начального выходного сигнала при воздействии температуры и температурной погрешности измерений кремниевых пьезорезистивных чувствительных элементов микромеханических акселерометров.

Задачи диссертационной работы:

1. Анализ методов и средств формирования кремниевых пьезорези-стивных чувствительных элементов микромеханических акселерометров.

2. Разработка аналитической модели управления электрическими свойствами кремниевых пьезорезистивных чувствительных элементов на этапе технологического процесса и параметрами микромеханического акселерометра.

3. Разработка технологической модели кремниевых пьезорезистивных чувствительных элементов микромеханических акселерометров, учитывающей влияние температуры на параметры чувствительных элементов.

4. Разработка технологии формирования кремниевых пьезорезистивных чувствительных элементов микромеханических акселерометров с расширенным температурным диапазоном измерений и пониженным влиянием воздействующей температуры.

5. Разработка методик и проведение исследований выходных параметров кремниевых пьезорезистивных чувствительных элементов при различных температурах и ускорениях для подтверждения работоспособности элементов при заданных условиях.

Объект разработки: технологические процессы формирования кремниевых пьезорезистивных чувствительных элементов микромеханических акселерометров, работоспособных при температурах более 100 °С, сформированных на основе МЭМС-технологий.

Методы исследования. При решении поставленных задач использованы современные автоматизированные методы исследования выходных параметров чувствительных элементов, математическое моделирование распределений деформаций в кремниевом чувствительном элементе, численные и аналитические методы описания электрофизических свойств кремниевых пьезорезистивных чувствительных элементов, методы механики сплошных сред для анализа оптимальных конструктивно-технологически х решений, статистические методы обработки экспериментальных данных.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Впервые разработана оригинальная технология формирования пьезорезистивных чувствительных элементов микромеханических акселерометров, работоспособных при температурах более 100 °С, в отличие от известных технологий формирования микромеханических акселерометров пьезорезисторы измерительной мостовой схемы формируются в виде пленки поликристаллического кремния на слое диоксида кремния, исключая обратно смещенные р-и-переходы, что позволяет расширить температурный диапазон измерений с 85 до более 100 °С и снизить начальный выходной сигнал при воздействии повышенной температуры с ±15 мВ до ±4 мВ, а температурную погрешность измерений с ±1,5 % до ±0,5 % (пп. 3,5 паспорта специальности).

2. Разработана оригинальная аналитическая модель управления электрическими параметрами кремниевых пьезорезистивных чувствительных элементов на этапе технологического процесса за счет выбора технологических режимов формирования, в отличие от известных учитывающая влияние температуры окружающей среды на выходные параметры чувствительного элемента, что обеспечивает создание кремниевых пьезорезистивных чувствительных элементов микромеханических акселерометров, работоспособных при температурах более 100 °С (пп. 1,3 паспорта специальности).

3. На основе разработанной аналитической модели управления впервые установлены закономерности между технологическими режимами формирования и выходными параметрами кремниевых пьезорезистивных чувствительных элементов микромеханических акселерометров, работоспособных при температурах более 100 °С, учитывающие технологические режимы получения и воздействие температуры окружающей среды на выходные параметры чувствительного элемента, что обеспечивает развитие научных основ создания новых технологий информационно-измерительных приборов нового поколения (пп. 1 паспорта специальности).

4. Разработана технологическая модель кремниевых пьезорезистивных чувствительных элементов микромеханических акселерометров, учитывающая влияние температуры на параметры чувствительных элементов, что позволило разработать технологию кремниевых пьезорезистивных чувствительных элементов микромеханических акселерометров, работоспособных при температурах более 100 °С (пп. 3,5 паспорта специальности).

Практическая ценность работы:

1. Разработана оригинальная технология и впервые изготовлены кремниевые пьезорезистивные чувствительные элементы микромеханических акселерометров с расширенным диапазоном рабочих температур более 100 °С и пониженным начальным выходным сигналом более чем в 3 раза (с ±15 мВ до ±4 мВ) при воздействии температуры и температурной погрешностью измерений, меньшей в 3 раза (с ±1,5 % до ±0,5%) по сравнению с аналогами.

2. В рамках технологической модели разработана топология кремниевых пьезорезистивных чувствительных элементов микромеханических акселерометров, работоспособных при температурах более 100 °С, обеспечивающая увеличение чувствительности на 10% по сравнению с существующими аналогами.

3. Результаты, полученные в диссертационной работе, внедрены на предприятии ОЛО «НИИФИ» (г. Пенза) при производстве кремниевых пьезорезистивных чувствительных элементов микромеханических акселерометров, что подтверждается соответствующими документами.

4. Результаты диссертационной работы используются в конструктивно-технологических решениях приборов, разрабатываемых в рамках НИОКР в интересах Роскосмоса.

Апробация работы. Отдельные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных, всероссийских и межвузовских научно-практических и научно-технических конференциях, семинарах и симпозиумах: «Датчики и системы» (Пенза, 2006, 2012; п. Абрау-Дгорсо, 2011), «Микротехнологии в космосе» (Москва, 2010), «Информационно-управляющие и измерительные системы - 2007» (г. Королев, Московская область, 2007), «Перспективные системы и задачи управления» (Таганрог, 2008), «Надежность и качество» (Пенза, 2004).

Публикации. Основные теоретические и практические результаты диссертации опубликованы в 20 статьях, среди которых 4 - в ведущих рецензируемых журналах из перечня ВАК. Новизна технических решений подтверждена 4 патентами РФ на изобретения и 4 свидетельствами на топологию интегральной микросхемы.

Личный вклад автора. Основные результаты, выносимые на защиту, получены автором лично. Во всех работах, которые выполнены в соавторстве, соискатель непосредственно участвовал в постановке задач, обсуждении методов их решения, получении и анализе результатов исследований.

Соответствие паспорту специальности. Диссертационная работа соответствует паспорту специальности 05.11.14 - Технология приборостроения: п. 1 - Разработка научных основ технологии приборостроения при создании нового поколения чувствительных элементов микромеханических акселерометров; п. 3 - Разработка и исследование методов и средств повышения надежности микромеханических акселерометров; п. 5 - Разработка и исследование методов организации технологической подготовки приборостроительного производства, удовлетворяет требованиям ВАК, предъявляемым к кандидатским диссертациям.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения, списка литературы и содержит 176 страниц машинописного текста: иллюстраций — 74 (рисунки, схемы, графики), таблиц - 12, список литературы - 139 наименований. Приложения представлены на 18 страницах.

На защиту выносятся:

1. Технология формирования кремниевых пьезорезистивных чувствительных элементов микромеханических акселерометров, работоспособных при температурах более 100 °С, включающая формирование оригинальной измерительной схемы в виде пленочных пьезорезисторов из поликристаллического кремния, осажденных на слое диоксида кремния, что обеспечивает расширение температурного диапазона измерений более 100 °С и снижение температурной погрешности измерений в 3 раза.

2. Аналитическая модель управления электрическими свойствами кремниевых пьезорезистивных чувствительных элементов микромеханических акселерометров на этапе технологического процесса за счет выбора технологических режимов формирования.

3. Технологическая модель кремниевых пьезорезистивных чувствительных элементов микромеханических акселерометров, учитывающая влияние температуры на параметры чувствительных элементов.

4. Технология формирования пьезорезисторов измерительной мостовой схемы, учитывающая дестабилизирующее действие окружающих температур и основанная на зависимости между выходными параметрами чувствительных элементов и технологическими режимами их получения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы, на основе анализа методов и конструктивно-технологических решений кремниевых пьезорезистивных чувствительных элементов микромеханических акселерометров сформулированы цель, задачи исследования и основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена исследованию современного состояния технологии формирования чувствительных элементов (ЧЭ) микромеханических акселерометров, проведен обзор конструктивно-технологических решений формирования ЧЭ, сделан сравнительный анализ их характеристик. Рассмотрены отечественные и зарубежные аналоги и выявлены преимущества и недостатки чувствительных элементов микромеханических акселерометров с точки зрения технологичности формирования. Проанализированы технологические процессы формирования пьезорезистивных чувствительных элементов микромеханических акселерометров, конструкции исполнения и характеристики ЧЭ. В результате анализа выбраны для исследования чувствительные элементы микромеханических акселерометров пьезорезистивного типа из поликристаллического кремния.

Во второй главе представлены обоснование и выбор конструктивно-технологических решений кремниевых пьезорезистивных чувствительных элементов на основе разработанной аналитической модели управления электрическими параметрами чувствительных элементов, учитывающей влияние температуры окружающей среды на выходные параметры ЧЭ.

Существующие модели кремниевых пьезорезистивных ЧЭ микромеханических акселерометров не отражают в явном виде влияние на параметры выходного сигнала внешних факторов, таких как температура. Кроме того, в литературе встречаются неоднозначные зависимости, связывающие технологические режимы формирования чувствительных элементов и их выходные характеристики, такие как начальный выходной сигнал и чувствительность.

При протекании электрического тока через измерительную мостовую схему из пьезорезисторов происходит их саморазогрев, что приводит к появлению дополнительных носителей заряда как в области кремниевой подложки, так и в пьезорезисторах. Как следствие, увеличиваются токи утечки, которые вызывают рост погрешности измерений. Кроме того, увеличивает-

ся емкость обратно смещенных /лг-персходов, что также увеличивает токи

Для учета влияния технологических режимов получения и температурных воздействий на параметры чувствительных элементов на основе пьезорезисторов разработана аналитическая модель управления электрическими свойствами ЧЭ, в рамках которой эквивалентная мостовая схема ЧЭ имеет вид (рисунок 1).

Электрические свойства чувствительных элементов на основе пьезорезисторов в основном определяются температурами осаждения поликристаллической пленки 7*осаж и отжига кристалла 7^, которые в процессе исследований задавались в следующих диапазонах: Госаж= 580 - 650 °С; 7^ = 870 - 1060 °С.

На основе литературных источников выбраны возможные режимы осаждения и отжига поликристаллического кремния.

Обработка результатов экспериментов статистическими методами позволила представить в аналитическом виде зависимость сопротивления пьезорезисторов от технологических параметров их получения:

R, (7;саж.7;„) = (^ + б7;_)схр[Ц +ß,7'ocaJ7'orJ + (A +ß2ro_), (1)

где А, А\, Аг, В, B{vlB2- эмпирические коэффициенты, найденные из условия максимального совпадения экспериментальных и рассчитанных значений; А = 1,599-105 Ом; А, = -2,99-10~5 (°С)_|; А2 = 6,76 Ом; В = = -9,467-105 (Ом/°С); 5, = 7,71-10"3 (°С)"2; В2= -2,182-103 (Ом/°С).

Пьезорезисторы чувствительных элементов акселерометров включаются в измерительную мостовую схему, где сопротивление схемы равно сопротивлению единичного пьезорезистора при равенстве значений сопротивлений, входящих в схему, в отсутствие ускорения: RM = Rh где R„ -сопротивление измерительной мостовой схемы.

При разработке технологии формирования микромеханических акселерометров, работающих при температурах более 100 °С, необходимо учитывать изменения сопротивления чувствительных элементов на основе пьезорезисторов ARj и контактных площадок при нагревании АЛме.

Температурная зависимость мостовой схемы имеет вид

(Тосаж' ^о-гж > Tmyi) = [Я, (Тосаж, Тагж ) + Щ (Гюм )] + ARMC (Гизм ). (2)

В рамках разработанной аналитической модели управления электрическими свойствами ЧЭ установлена корреляция между параметрами пьезо-

Ли— сопротивление пьезорезисторов, вызванное

саморазогревом Рисунок 1 - Эквивалентная

мостовая схема ЧЭ при воздействии температур

резисторов измерительной мостовой схемы, технологическими режимами их получения и температурой измерения, которую иллюстрируют рисунки 2, 3.

С учетом (1) выражение для расчета начального выходного сигнала измерительной мостовой схемы запишется в следующем виде:

ивых = [(А + ВТосах) Схрсм' )7°™ + (Л2 + 52Госаж) + ДДме)/, (3)

где I- ток через измерительную мостовую схему.

Установленные зависимости положены в основу технологии формирования ЧЭ, где управление свойствами материала пьезорезисторов осуществляется посредством контролируемого изменения технологических режимов: температур осаждения и отжига пленки поликристаллического кремния.

Ом

2400 2200 2000 1800

600 610 620 630 640 Тос„° С

1 - 20 °С; 2 - Г„з,= 50 °С; 3 - Гшм= 120"С Рисунок 2 - Зависимость сопротивления

мостовой схемы от температуры осаждения пьезорезисторов, отожженных при Тотж= 1000 °С, для различных температур измерения

Ом

2400 2200 2000 1800

850 ООО 950 1000 ^„."С

1 - ттч= 20 °С; 2 - Тш*= 50 °С; 3 - 120 °С Рисунок 3 - Зависимость сопротивления мостовой схемы от температуры отжига пьезорезисторов, осажденных при Госаж= 620°С, для различных температур измерения

В рамках разработанной модели получено выражение для статической чувствительности микромеханических акселерометров, учитывающее параметры кристалла и технологические режимы их получения.

Статическую чувствительность микромеханического акселерометра можно выразить как

вД

5=—ии, ё

где еЯ — рабочая деформация пьезорезисторов; [/м - напряжение мостовой схемы; g - ускорение свободного падения.

Рабочую деформацию пьезорезисторов представим в виде

zR

6-PI 2-bh2

где /, Ь, И - длина, ширина, высота упругой перемычки (профиля кристалла); Р - усилие, прикладываемое к подвижной массе при ускорении свободного падения. Выражая значение Р через параметры подвижной массы и напряжение на мосте через ток и сопротивление мостовой схемы, запишем выражение для статической чувствительности микромеханических акселерометров;

■^(^осаж' ^отж > Tv

'ИЗМ'Ь^ _ . . -> „"MV'C

l-bh2g

т т

осаж > отж >1 изм

где /.,, /?,, Я, - длина, ширина, высота инерционной массы кристалла; р, Е- плотность, модуль упругости кремния.

Соотношения между технологическими режимами формирования и выходными параметрами иллюстрируют рисунки 4, 5.

S,

niB в

0,015

0,014 0,013

0,012

--1_

3

850 900 950 1000 7^,° С

1 - 20 °С; 2 - Ги,„ = 50 °С; 3 - Гми = 120 °С

Рисунок 4 - Зависимости чувствительности ЧЭ микромеханических акселерометров от температуры отжига пьезоре-зисторов, осажденных при Госаж= 600 °С, для различных температур измерения при ускорении

1 - 620 "С, Тт= 850 °С, 7-юм= 20 "С; 2 - 7"осаж= 620 °С,

Г™= 900 °С, Ттч= 50 °С; 3 - Госаж= 620 "С, Тт = 100 "С, Тт„= 120 °С Рисунок 5 - Зависимости чувствительности ЧЭ микромеханических акселерометров от ускорения для пьезорезисторов, полученных при различных технологических режимах и температурах измерения

Полученные зависимости в рамках разработанной модели управления электрическими свойствами ЧЭ позволяют установить корреляцию между чувствительностью ЧЭ и свойствами материала для пьезорезисторов, задаваемыми технологическими режимами получения, что обеспечивает разработку технологии формирования ЧЭ на основе пьезорезисторов.

Как видно из графиков, чувствительность ЧЭ акселерометров варьируется от технологических режимов получения. Технологические режимы

Госаж= 620 °С, Татж= 1000 °С обеспечивают необходимую чувствительность и рекомендуются для создания микромеханических акселерометров.

Разработана технологическая модель кремниевых пьезорезистивных чувствительных элементов микромеханических акселерометров с учетом предложенных эквивалентной схемы и модели управления электрическими параметрами ЧЭ, приведенной на рисунке 6, и оригинальная топология измерительной схемы микромеханических акселерометров.

Технологическая модель ЧЭ, учитывающая воздействие температуры на выходные параметры ЧЭ, положена в основу разработки технологии формирования ЧЭ микромеханических акселерометров с температурным диапазоном измерений выше 100 °С, что отличает их от приборов аналогичного класса.

В предложенной модели кремниевого пьезорезистивного ЧЭ микромеханического акселерометра отсутствуют обратно смещенные р-«-переходы, измерительная мостовая схема изолирована от кремниевой пластины, что исключает токи утечки, приводящие к начальному разбалансу мостовой схемы. Это обеспечивает расширение диапазона рабочих температур и улучшение выходных параметров ЧЭ при повышенных температурах.

1 Погрешности

Температурные (о) )

Теххтагические ф) | ~

,_1_,

аТкс+о™.

Инерционная масса X Профиль кристалла I 6R Пьпорписторы 1 ! Л R Изменение co'ipom и&лвнгя моонсесй схемы (разбаг.акс моста)

«Сухое* травление

Монокремкий

Структуры КДК

Диффузия примеси

Ионное легирование

Жидкостное анизотропное _п/рзв течие_

V

1 Изотропное травкние ]

Рисунок 6 - Технологическая модель кремниевого пьезорезистивного чувствительного элемента микромеханического акселерометра

В технологической модели учтено влияние на пьезорезисторы температуры и погрешности от саморазогрева (асам), которое вызывает дополнительное термическое сопротивление Кг- Выражение для термического сопротивления имеет вид

RT - RTpoiy +Rtsio2 +^tai

H

poly

н,

SiO,

kpoiySpoly ^sio2^sio2 kMWMHM

Выражение учитывает параметры технологических слоев (поликристаллического кремния, оксида кремния, металлизации) пьезорезисторов и позволяет варьировать ими в технологическом процессе формирования для снижения эффекта саморазогрева и снижения погрешности измерений от саморазогрева.

В рамках разработанной модели проведено имитационное моделирование чувствительного элемента в программном модуле Simulation программы SolidWorks по методу конечных элементов. Определен коэффициент запаса прочности и механические деформации при воздействии заданных ускорений.

Критерием прочности ЧЭ к внешним воздействующим факторам является условие

где к - коэффициент запаса прочности; гтт.„ - максимальное напряжение, возникающее при воздействии ускорения; [с] - предел прочности кремния.

Рассчитаны параметры основных конструктивных элементов (таблица 1) с использованием теории механики сплошных сред, что позволило разработать технологию формирования ЧЭ.

Таблица 1 - Основные параметры структурных элементов

№ п/п Наименование параметра Формула Значение

1 Прогиб инерционной массы под действием ускорения д Мьй Л/,---1-- ЪEJ 2ЕЗ момент инерции; Е - модуль упругости кремния; Р - сила; М- крутящий момент; /- длина упругой перемычки 0,488-10"6 м

2 Относительное удлинение балки в месте расположения пьезорезисторов в прея £ ст„ - напряжение от действия силы 0,05 10"3

3 Зазор между инерционной массой и ограничивающей поверхностью 7 --13 ^ Ц2 2-т/сЛ ц - коэффициент вязкости воздуха; т - подвижная масса; .4 - площадь подвижной массы 17- Ю-6 м

Для получения максимальной чувствительности микромеханических акселерометров необходимо определить зоны наибольшей деформации кристалла для расположения пьезорезисторов из поликристаллического кремния. Результаты моделирования ЧЭ представлены на рисунке 7.

Результаты расчета и моделирования позволили выявить места наибольших деформаций для размещения пьезорезисторов, что обеспечивает повышенную чувствительность к ускорению.

Рисунок 7 - Результаты компьютерного моделирования

В третьей главе приводится технология кремниевого пьезорезистив-ного чувствительного элемента, работоспособного при температурах окружающей среды выше 100 "С.

Внешний вид кремниевого кристалла чувствительного элемента пье-зорезистивного типа представлен на рисунке 8.

б)

И] - профиль кристалла (20±3 мкм), И2 - консоли кристалла (20±3 мкм), Я, - пьезорезисторы (0,6±0,05) мкм, Нг - терморезистор (0,6±0,05) мкм, Нз - изолирующий оксид (1,2±0,1) мкм, Н4 металлизация (1, 1±0,1) мкм

Рисунок 8 - Кристалл пьезорезиетивного ЧЭ микромеханического акселерометра (а) и топология измерительной мостовой схемы (б)

Кристалл сформирован на монокристаллической кремниевой подложке КЭФ-4,5 ориентации (100) и имеет габаритные размеры (6,9x6,9*0,3) мм5. Боковые стороны кристалла ориентированы по кристаллографическому направлению [110]. Кристалл содержит рамку, инерционную массу и концентратор механических напряжений - профиль кристалла. На планарной стороне кристалла в области профиля расположены пьезорезисторы из ле-

тированного примесью поликристаллического кремния, объединенные в мостовую схему Уитстона.

Разработан технологический маршрут формирования (рисунок 9), основанный на последовательном формировании трехмерных структур кристалла методами управляемого анизотропного травления кремния, формирования слоя поликристаллического кремния на поверхности кристалла и измерительной схемы.

Обеспечение диапазона измерений, чуестешп&зьности

Увеличен температурный I диапазон, снижена температурная погрешности ь

Обеспечен не минимальных значений температурных коэффициентов сопро т иелен ая-, чувствительности

Формирование структуры кристалла Формирование пленки поликремния ШШШшр? Ионное легирование бором

кр&лаия. 20%раствор КОИ, Темяеяаякра 96 ~С Разложение 5 % -го 10~г.лш.ш.ст. толщина пленки 0,6-8,7 зюал Доза хеширования 650-б30лгКз,:см', поверхностное соярочшвя&ние 1500^2

Электростатическое соединение Разделение пластин на кристаллы ( Быстрый термический отжиг

Температура ¿20 "С, Напряжение 350В, Время -10 .тг» Тзмкеращра 1000 "С. градиент 20 Ус, время- 16 мин

55:

Снижен разброс значений сопротивлений, начальный выходной сигнал, температурная погрешност ь

Рисунок 9 - Технологический маршрут формирования ЧЭ.

Основные операции

Отличие предложенной технологии от известных технологий формирования поликремниевых чувствительных элементов - введение быстрого термического отжига после операций легирования пленки поликристаллического кремния, что вызвало изменение последовательности технологических операций и режимов (рисунок 10). Основные технологические режимы процесса быстрого термического отжига следующие: температура отжига - 1 ООО °С; градиент нарастания температуры - 80 °С/с; время отжига - 20 мин. Параметры процесса выбраны, исходя из того, что длительное воздействие высоких температур приводит к недопустимому перераспределению примесей в объеме пленки поликристаллического кремния и увеличенному окислению пленки поликремния, что может привести к невоспроизводимости сопротивления пьезорезисторов.

В процессе отработки технологии использовались следующие режимы: - температура осаждения пленки поликристаллического кремния 7,осаж= (580~650)°С;

-температура отжига пленки поликристаллического кремния Т^ = = (870-1060) "С.

Известные КТР

Окисление кремниевых пластин

Фотолитография по формированию профиля кристалла и инерционной массы

Анизотропное травление кремния

3ZI

Окисление кремниевых пластин

Ü5I

Фотолитография по формированию измерительной схемы_

3LE

Диффузия примеси (высокотемператтрный процесс)

351

Разгонка примеси (длительный высокотемпературный процесс

Z2ZI

Фотолитография по формированию областей разделения кристалла

1551

Анизотропное травление кремния (разделение кристалла)

Электростатическое соединение чуствительного элемента

о

Контроль электрических параметров

Предложенные КТР

Окисление кремниевых пластин

не:

Фотолитография по формированию профиля кристалча и инерционной массы

Анизотропное травление кремния

Окисление кремниевых пластин

Осаждение поликристаллического _кремиия_

Фотолитография по формированию измерительной схемы_

Ионное легирование пьезорезисторов

4.>

Быстрый термический отжиг поликристаллического кремния

Z52I

Фотолитография по формированию областей разделения кристалла

Анизотропное травление кремния _(разделение кристалла)_

Электростатическое соединение чуствительного элемента

Контроль электрических параметров

Рисунок 10 - Сравнение известной и предложенной технологий

Так, при использовании режима Госаж = 580 °С наблюдалась плохая адгезия пленки к слою оксида кремния, при Госаж = 650 °С наблюдался значительный разброс сопротивлений пьезорезисторов. Использование режима Т'отж = 870 °С не приводило к снижению разброса сопротивлений пьезорезисторов, при Готж = 1060 °С наблюдалось сильное окисление пьезорезисторов, что приводит к невоспроизводимости их сопротивлений, ß результате выбраны оптимальные технологические режимы формирования пьезорезисторов - 7'осаж=(620±5) "С, 7'0ТЖ= 1000 °С.

Использование пленки поликристаллического кремния в качестве материала пьезорезисторов измерительной мостовой схемы на слое термически выращенного оксида кремния позволило расширить рабочий темпера-

турный диапазон чувствительного элемента выше 100 °С за счет исключения в структуре ЧЭ р—п- переходов.

Таким образом, впервые разработана оригинальная технология формирования пьезорезистивных ЧЭ микромеханических акселерометров, обеспечивающая сокращение высокотемпературных операций, длительности технологического процесса. Исключены высокотемпературная диффузия и разгонка примеси, проводимые в течение 60-80 мин при температурах до 1050 °С, что приводит к изменению промежуточных операций снятия окисных пленок и химической обработки.

Исключение высокотемпературной диффузии исключает появление термомеханических напряжений в структуре кристалла. Термомехаииче-ские напряжения могут вызывать внутренние напряжения в кристалле, что приводит к изменению начального выходного сигнала, появлению погрешности измерений.

Разработанный технологический процесс обеспечивает уменьшение поверхностного сопротивления пленки поликристаллического кремния, снижение разброса сопротивления пьезорезисторов, при этом уменьшается начальный выходной сигнал мостовой схемы с 3,12 до 2,7 мВ для поли-кремпиевой технологии без отжига, что снижает температурную погрешность. Это связано с упрочнением пленки поликристаллического кремния за счет изменения межкристаллитного расстояния при операции быстрого термического отжига, а также более равномерного перераспределения легирующей примеси в объеме кристаллитов и межзеренных границ при введении операции быстрого термического отжига.

На основе разработанного технологического процесса изготовлены кремниевые пьезорезистивные чувствительные элементы микромеханических акселерометров, работоспособных при температурах более 100 °С (рисунок 11).

/ кремниевый кристалл; 2,3- ниж- , ,

няя и верхняя стеклянные крышки ' ■ —' ~ ' |

изоляторы; 4 -пьезорезисторы; * ••— --------- -

5 - инерционная масса; 6 - упругая перемычка; 7- зазоры в стеклах для перемещения инерционной массы

а) б) в)

Рисунок 11 - Схематичное изображение ЧЭ (а), кремниевый кристалл (б) и чувствительный элемент (в) ньезорезистивного типа микромеханического акселерометра

Четвертая глава посвящена разработке методик и исследованиям выходных характеристик кремниевых пьезорезистивных чувствительных элементов микромеханических акселерометров.

Разработаны методики исследования выходных параметров ЧЭ, включающие как измерения сопротивления пьезорезисторов и терморезистора в диапазоне температур от минус 65 до плюс 120 °С, так и воздействия ускорений в диапазоне ±500 м/с".

Проведены технологические исследования по разработанной методике для сравнительной оценки чувствительных элементов микромехапических акселерометров. Исследованы электрические параметры и выходной сигнал ЧЭ при воздействии ускорения на партии кремниевых высокотемпературных пьезорезистивных чувствительных элементов микромеханических акселерометров, изготовленных на основе разработанной технологии, диффузионной технологии и поликремниевой технологии без быстрого термического отжига. Результаты исследований выходных параметров пьезорезистивных ЧЭ микромеханических акселерометров представлены на рисунке 12.

Чувствительные элементы, изготовленные по разработанной технологии, имеют меньший дрейф начального выходного сигнала в области повышенных температур (более 100 °С), что позволяет использовать их при измерении ускорений при повышенных температурах.

Зависимость выходного напряжения при положительных и отрицательных значениях ускорения носит линейный характер при повторяющихся циклах испытаний, что указывает на одинаковые величины деформации пьезорезисторов при различных знаках воздействующего ускорения. Результаты испытаний ЧЭ, изготовленных по разработанной технологии, показывают чувствительность выше на 10 % по сравнению с ЧЭ, изготовленными по поликремниевой технологии без быстрого термического отжига.

х — диффузионная технология; о - поликремниевая технология без отжига; □ - разработанная технология Рисунок 12 - Температурная зависимость начального выходного напряжения ЧЭ для различных КТР (а) и зависимость выходного напряжения ЧЭ от ускорения для различных КТР (б)

Таким образом, разработанная технология позволяет формировать пье-зорезиеторы с меньшим разбросом сопротивления по поверхности пластины, что обеспечивает значительное снижение температурной зависимости начального выходного сигнала в отсутствии ускорения при работе ЧЭ в составе акселерометра. Сравнение характеристик акселерометров на основе разработанного ЧЭ и известных аналогов представлено в таблице 2.

Результаты исследований подтверждают правомерность разработанных моделей и конструкторско-технологических решений изготовления ЧЭ, обеспечивающих снижение ухода начального выходного сигнала при воздействии температуры более 100 °С с ±15 мВ до ±4 мВ, температурной погрешности измерений с ±1,5 % до ±0,5 % и расширение диапазона рабочих .емператур с 85 °С до 120 °С.

Таблица 2 - Сравнение характеристик акселерометров на основе разработанного ЧЭ и известных аналогов

Характеристика Тип акселерометров

1 2 3 4 5

РСВ Group, Inc. (США) Серия 3531 Endevco (США) 7231С-750 Honeywell (США) JTF/AG НПО ИТ (Россия) АНЭ211 Акселерометр на основе разработанного ЧЭ

Чувствительность, мВ/£ 0,01... 0,05 0,20 0,18...8,0 0,06...0,6 мВ/* 0,01...0,015

Температурный диапазон измерений, °С -54 ... ...+120 -23... ...+66 -40... ...+120 -50...50 - 65...120

Уход чувствительности от температуры ±5% -0,10%/°С - - 0,5 %

Уход начального выходного сигнала от температуры ±5 мВ ±25 мВ - - ±4 мВ

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработана и практически реализована технология формирования кремниевых пьезорезистивных чувствительных элементов микромеханических акселерометров, работоспособных при температурах более 100 °С, что позволяет создавать на их основе информационно-измерительные приборы нового поколения.

Разработанный технологический маршрут формирования включает быстрый термический отжиг пленки поликристаллического кремния, что повлекло за собой изменение последовательности технологических операций, а также их количества. Исключена высокотемпературная диффузия, что позволяет исключить термомеханические напряжения в структуре кристалла.

2. Проведен анализ методов и средств формирования кремниевых пье-зорезистивных чувствительных элементов микромеханических акселерометров с целью выбора конструктивно-технологических решений, обеспечивающих измерение ускорений при температуре окружающей соеды выше+100 °С.

В результате анализа выявлены основные технологии формирования чувствительных элементов, их преимущества и недостатки.

3. Разработана аналитическая модель управления электрическими свойствами кремниевых пьезорезистивных чувствительных элементов микромеханических акселерометров на этапе технологического процесса и параметрами чувствительных элементов.

Данная модель позволяет прогнозировать характеристики чувствительных элементов в зависимости от режимов их формирования.

4. Разработана технологическая модель кремниевых пьезорезистигных чувствительных элементов микромеханических акселерометров, учитывающая влияние температуры на параметры чувствительных элементов.

Данная модель позволяет оптимизировать конструктивно-технологические решения для формирования чувствительных элементов с заданными параметрами.

5. Реализована технология формирования пьезорезисторов измерительной мостовой схемы, учитывающая дестабилизирующее действие окружающих температур и основанная на зависимости между выходными параметрами чувствительных элементов и технологическими режимами их получения.

Технология позволяет реализовать измерительную схему с минимальным начальным выходным сигналом.

6. Разработаны методики и проведены исследования выходных параметров кремниевых пьезорезистивных чувствительных элементов микромеханических акселерометров при различных температурах и ускорениях для подтверждения работоспособности элементов при заданных условиях.

Методики позволяют оценить параметры чувствительных элементов, такие как начальное выходное напряжение, зависимость выходного напряжения от ускорения. Проведенные исследования чувствительных элементов показали правильность выбора конструктивно-технологических решений чувствительного элемента.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Пауткин, В. Е. Особенности формирования микроэлектромеханических элементов первичных преобразователей информации / В. Е. Пауткин, И. А. Аверин // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2014. -№ 2 (30). - С. 24-32.

2. Пауткин, В. Е. Разработка технологии и специального оборудования для соединения кремния со стеклом в поле высокого напряжения / С. А. Козин, А. В. Федулов, В. Е. Пауткин // Датчики и системы. - 2005. -№ 9. - С. 46-47.

3. Пауткин, В. Е. Создание полупроводниковых интегральных датчиков механических параметров на основе технологии МЭМС / С. А. Козин, А. В. Федулов, И. Г. Акимов, В. Е. Пауткин // Датчики и системы. - 2005. -№9.-С. 48-51.

4. Пауткин, В. Е. Разработка технологии электростатического соединения многослойных стеклокремниевых структур / В. М. Косогоров, А. В.Федулов, В. Е. Пауткин // Датчики и системы. - 2000. - № 7. - С. 59-60.

Патенты РФ и свидетельства на топологию ИМС

5. Пат. №2526789 Российская Федерация, МПК в 01 Р 15/08, в 01 Р 15/125. Чувствительный элемент интегрального акселерометра / Пауткин В. Е„ Прилуцкая С. В. - Заявка: 2013110978/28 от 12.03.2013 ; опубл. 27.08.2014, Бюл. №24.

6. Пат. № 2504866 Российская Федерация, МПК Н 01 Ь 29/84. Интегральный тензопреобразователь ускорения / Пауткин В. Е. - Заявка: 2012122850/28 от 01.06.2012 ; опубл. 20.01.2014, Бюл. № 2.

7. Пат. № 2485620 Российская Федерация, МПК Н 01 Ь 21/302, в 01 С 19'22. Способ изготовления микромеханического вибрационного гироскопа / Пауткин В. Е., Мишанин А. Е., Шепталина С. В., Николаев А. А. -Заявка: 2011154296/28 от 28.12.2011 ; опубл. 20.06.2013, Бюл. № 17.

8. Пат. № 2457577 Российская Федерация, МПК Н 01 Ь 29/84, О 01 Ь 9/04. Многофункциональный измерительный модуль / Пауткин В. Е., Со-ломинская И. В. - Заявка: 2011111239/28 от 24.03.2011 ; опубл. 27.07.2012, Бюл. №21.

9. Свидетельство о государственной регистрации топологии интегральной микросхемы №2012630032. Термокомпенсационный измерительный преобразователь-39 / В. Е. Пауткин, С. В. Шепталина, А. А. Николаев. - Заявка № 2011630105 от 28.12.2011; опубл. 20.01.2012.

10. Свидетельство о государственной регистрации топологии интегральной микросхемы № 2011630027. Термокомпенсационный измерительный преобразователь-33 / В. Е. Пауткин, А. Е. Мишанин. - Заявка № 2010630103 от 25.11.2010 ; опубл. 27.01.2011.

11. Свидетельство о государственной регистрации топологии интегральной микросхемы № 2010630101. Тензорезистивный преобразователь давления-32 / В. Е.Пауткин, С. М. Акутина. — Заявка №2010630066 от 01.09.2010; опубл. 27.10.2010.

12. Свидетельство о государственной регистрации топологии интегральной микросхемы № 2008630066. Термокомпенсационный измерительный преобразователь-23 / В. Е. Пауткин, С. М. Акутина, А. Е. Мишанин. - Заявка № 2008630051 от 07.10.2008 ; опубл. 27.11.2008.

Публикации в других изданиях

13. Пауткин, В. Е. Технологические особенности формирования чувствительных элементов микромеханических акселерометров / В. Е. Пауткин, И. А. Аверин // Математическое моделирование в машино- и приборостроении : сб. науч. тр. Пензенского государственного университета. -2013,-№9.-С. 83-91.

14. Пауткин, В. Микроэлектронные датчики физических величин на основе МЭМС-технологий / С. Козин, А. Федулов, В. Пауткин, И. Бари-нов // Компоненты и технологии. - 2010. -№ 1. - С. 24-27.

15. Пауткин, В. Е. Датчики механических параметров на основе МЭМС-технологий / А. В. Блинов, С. А. Козин, А. В. Федулов, И. Г. Акимов,

B. Е. Пауткин // Мир измерений. - 2008. - № 1. - С. 49-53.

16. Пауткин, В. Е. Разработка технологии электростатического соединения многослойных стеклокремниевых структур / В. М. Косогоров, А. В.Федулов, В. Е. Пауткин // Сборка в машиностроении. - 2001. - № 5. -

C. 22-26.

17. Пауткин, В. Е. Исследование механизма токопереиоса на кремниевых гетероструктурах чувствительных элементов микромеханических акселерометров / В. Е. Пауткин, С. В. Шепталина // Датчики и системы: методы, средства и технологии получения и обработки измерительной информации (Датчики и системы - 2012) : тр. Междунар. науч.-тсхн. ;.-">пф. с элементами научной школы для молодых ученых (г. Пенза, 22-26 октября 2012 г.) / под ред. Е. А. Ломтсва, А. Г. Дмитриенко. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2012.-С. 213-217.

18. Пауткин, В. Е. Интегральные датчики давления на основе кремниевой микротехнологии / А. В. Блинов, С. А. Козин, В. Е. Пауткин, А. В. Федулов // Микротехнологии в космосе : тез. докл. VIII науч.-техн. конф. с международным участием (г. Москва, 6-7 октября 2010 г.). - М., 2010. -С. 42-43.

19. Пауткин, В. Е. Результаты отработки конструктивно-технологических решений микромеханических вибрационных гироскопов / Е. А. Макаров, С. В. Шепталина, В. Е. Пауткин // Датчики и системы : сб. докл. XXX Межрегион, науч.-практ. конф. молодых ученых и специалистов (г. Пенза, 30-31 марта 2011 г.) / под ред. А. В. Блинова. - Пенза : НИИФИ, 2011.-С. 95-98.

20. Пауткин, В. Е. Молекулярно-электронные акселерометры / Е. А. Макаров, В. Е. Пауткин // Датчики и системы : сб. докл. XXX Межрегион, науч.-практ. конф. молодых ученых и специалистов (г. Пенза, 30-31 марта 2011 г.) / под ред. А. В. Блинова. - Пенза : НИИФИ, 2011. - С. 112-114.

21. Пауткин, В. Е. Молекулярно-электронные акселерометры / Е. А. Макаров, В. Е. Пауткин // Датчики и системы - 2011 : материалы Междунар. науч.-техн. конф. (п. Абрау-Дюрсо, 5-10 сентября 2011 г.) / под ред. А. Г. Дмитриенко. - Пенза : НИИФИ, 2011. - С. 13 8-140.

22. Пауткин, В. Е. Разработка интегрального монолитного многофункционального модуля датчика физических величин для систем комплексного мониторинга изделий ракетно-космической техники / А. Е. Мишанин, В. Е. Пауткин // Датчики и системы : сб. докл. XXX Межрегион, науч,-практ. конф. молодых ученых и специалистов (г. Пенза, 30-31 марта 2011 г.) / под ред. А. В. Блинова. - Пенза : НИИФИ, 2011. - С. 154-158.

23. Пауткин, В. Е. Разработка интегрального монолитного многофункционального модуля датчика физических величин для систем комплексного мониторинга изделий ракетно-космической техники / А. Е. Мишанин,

B. Е. Пауткин // Датчики и системы - 2011 : материалы Междунар. науч.-техн. конф. (п. Абрау-Дюрсо, 5-10 сентября 2011 г.) / под ред. А. Г. Дмитри-енко. - Пенза : НИИФИ, 2011. - С. 163-167.

24. Пауткин, В. Е. Создание полупроводниковых интегральных датчиков механических параметров на основе технологии МЭМС / А. В. Блинов,

C. А Козин, А. В. Федулов, И. Г. Акимов, В. Е. Пауткин // Датчики и сис-темы-2006 : сб. тр. Всерос. науч.-практ. конф. (г. Москва, 30-31 мая 2006 г.) / под ред. Е. А. Мокрова, Ю. И. Носенко и С. М. Алфимова. - Пенза : НИИФИ, 2006. - С. 72-76.

25. Пауткин, В. Е. Разработка полупроводникового чувствительного элемента высокотемпературных датчиков давлений / И. Н. Баринов, В. Е. Пауткин, П. А. Удалов // Датчики и системы : сб. докл. XXVI науч.-техн. конф. молодых ученых и специалистов (г. Пенза, 28-29 марта 2007 г.) / под ред. А. В. Блинова. - Пенза : НИИФИ, 2007. - С. 64-67.

26. Пауткин, В. Е. Конструктивно-технологические решения для МЭМС-датч-ков механических параметров / С. А. Козин, А. В. Федулов, В. Е. Пауткин, И. Н. Баринов // Информационно-управляющие и измерительные системы - 2007 : тез. докл. отраслевой науч.-техн. конф. приборостроительных организаций Роскосмоса (г. Королев Московской обл., 26-28 сентября 2007 г.). - Королев : ФКА, ФГУП НПО «Измерительная техника»,

2007.-С. 56.

27. Пауткин, В. Е. Конструктивно-технологические решения для МЭМС-датчиков механических параметров / С. А. Козин, А. В. Федулов, В. Е. Пауткин // Перспективные системы и задачи управления : сб. материалов Третьей Всерос. науч.-практ. конф. - Таганрог : Изд-во ТТИ ЮФУ,

2008. - Т. 2. - С. 68-69.

28. Пауткин, В. Е. Разработка конструктивно-технологических решений микромеханической колебательной системы для измерения угловой скорости / В. Е. Пауткин, С. А. Козин, А. В. Федулов // Надежность и качество : тр. Междунар. симп. / под ред. Н. К. Юркова. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2004.-С. 484-485.

Научное гадание

ПАУТКИН Валерий Евгеньевич

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ФОРМИРОВАНИЯ КРЕМНИЕВЫХ ПЬЕЗОРЕЗИСТИВНЫХ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ МИКРОМЕХАНИЧЕСКИХ АКСЕЛЕРОМЕТРОВ

Специальность 05.11.14 — Технология приборостроения

Редактор Т. Н. Судовчихииа Технический редактор М. Б. Жучкова Компьютерная верстка М. Б. Жучковой

Подписано в печать 12.12.2014. Формат 60><84'/16. Усл. печ. л. 1,16. Заказ № 008722. Тираж 100.

Издательство ПТУ. 440026, Пенза, Красная, 40. Тел./факс: (8412) 56-47-33; e-mail: iic@pnzgu.ru