автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.14, диссертация на тему:Технологические методики повышения стабильности параметров тонкопленочных тензорезисторных датчиков давления

На правах рукописи

BOJIOXOB Игорь Валерианович

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДИКИ ПОВЫШЕНИЯ СТАБИЛЬНОСТИ ПАРАМЕТРОВ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ ТЕНЗОРЕЗИСТОРНЫХ ДАТЧИКОВ ДАВЛЕНИЯ

Специальность 05.11.14 - Технология приборостроения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ПЕНЗА 2008

ООЗ

003172400

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет»

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Аверин Игорь Александрович.

Официальные оппоненты доктор технических наук

Папко Антонина Алексеевна; кандидат технических наук, доцент Шакурский Александр Васильевич.

Ведущая организация - ФГУП «Научно-исследовательский институт электронно-механических приборов» (г Пенза)

Защита диссертации состоится 26 июня 2008 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 размещен на сайте www.pnzgu.ru

Автореферат разослан 2008 г

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

Светлов А. В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

В настоящее время основную роль в системах контроля параметров энергетических установок изделий ракетно-космической техники играет датчиковая аппаратура в микроэлектронном исполнении. Одним из средстз измерений являю 1ся тонкопленочные тензорезистор-ные датчики давления, предназначенные для преобразования давления рабочих сред в энергетических установках в электрический сигнал и выдачи информации в систему телеметрических измерений или систему автоматического управления К ним предъявляются достаточно жесткие требования по надежности в эксплуатации, стабильности метрологических характеристик в условиях эксплуатации и длительного хранения, устойчивости к воздействию рабочих сред (газообразного и жидкого кислорода, водорода, гелия, ракетного топлива), сохранению работоспособности при воздействии внешних дестабилизирующих факторов Актуальной задачей является разработка методов повышения стабильности параметров тонкопленочных тензорезисторных датчиков давления для нового поколения ракет-носителей Теоретические предпосылки к решению этой проблемы созданы трудами отечественных ученых Осадчего Е П, Мокро-ва Е А , Ваганова В. И , Тихонова А. И , Тихоненкова В. А , Зелен-цова Ю А, Лебедева Д. В , Семенова В А, Печерской Р М, Васильева В. А, Аверина И А. и других авторов. Накопленный опыт и созданная на его основе теоретическая база позволяют эффективно выявлять наиболее критические внешние влияющие факторы, которые определяют конструктивные особенности исполнения датчиков давления на стадии проектирования Примером этого служит целый ряд датчиков, разработанных во ФГУП «НИИФИ» при участии автора данной работы

Цель работы

Целью работы являются разработка и использование в производстве технологических методик повышения стабильности параметров тонкопленочных тензорезисторных датчиков давления на ранних стадиях их изготовления

Задачи диссертационной работы

Поставленная цель достигается решением следующих задач- исследованием методов и средств повышения стабильности параметров тонкопленочных тензорезисторных датчиков давления на ранних стадиях их изготовления,

- исследованием механизмов образования тонких резистивных пленок, их электропроводности, температурного коэффициента сопротивления и тензочувствительности;

- корректировкой механизма дефектообразования в тонкопленочной гетероструктуре,

- разработкой физико-математической модели расчета допустимой величины импульсного напряжения на тонкопленочном тензоре-зисторе с учетом его коэффициента тензочувствительности и величины относительной деформации при подаче номинального давления на мембрану датчика,

- разработкой методики импульсной токовой отбраковки тонкопленочных гетероструктур;

- проведением экспериментальных исследований по влиянию импульсной токовой отбраковки на свойства тонкопленочных гетероструктур чувствительных элементов тензорезисторных тонкопленочных датчиков давления,

- отработкой и внедрением методики применения импульсной токовой отбраковки по обоснованным критериям для существующих и вновь разрабатываемых датчиков давления,

- оценкой результатов изготовления и эксплуатации тонкопленочных тензорезисторных датчиков давления с импульсной токовой отбраковкой тензосхемы

Методы исследований

Использованы основные положения физики тонких пленок, теории конденсации тонких пленок и методы математического моделирования физических процессов в тонкопленочной гетероструктуре.

Экспериментальные исследования базировались на положениях теории измерений, планировании эксперимента и статистической обработке полученных результатов.

Научная новизна работы:

1 Систематизированы технологические методы повышения стабильности параметров тонкопленочных тензорезисторных чувстви-

тельных элементов датчиков давления, что позволило выявить критические для качества датчиков технологические процессы, разработать методики их управления и стабилизации, в результате чего повышены качество и надежность датчиков

2 Уточнены механизмы дефектообразования в тонкопленочной гетероструктуре на чувствительном элементе тонкопленочного тен-¿орезисторного датчика давления, что обеспечило установление корреляционных зависимостей между скоростью изменения начального выходного сигнала при импульсной токовой отбраковке и уровнем изменения этой величины при дальнейшей сборке датчика

3 Установлены режимы импульсной токовой ступенчатой отбраковки потенциально нестабильных чувствительных элементов датчиков по обоснованным критериям, что обеспечило снижение отказов датчиков давления по нестабильности начального выходного сигнала

На защиту выносятся:

1 Технологические методики изготовления тонкопленочных тен-зорезисторных чувствительных элементов на ранних стадиях изготовления, критерии для повышения стабильности параметров тонкопленочных тензорезисторных чувствительных элементов.

2 Методика импульсной токовой отбраковки тонкопленочной ге-тероструктуры для конструктивных вариантов чувствительных элементов датчиков давления

3 Результаты статистической обработки выходных параметров датчиков давления по итогам применения методики импульсной токовой отбраковки в производстве

Практическая значимость

Работа обобщает теоретические и экспериментальные исследования, проведенные автором в ФГУП «НИИФИ», и способствует решению актуальной научно-технической задачи - созданию технологических методов повышения стабильности параметров тонкопленочных тензорезисторных датчиков давления на ранних стадиях их изготовления.

1 Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили перейти к промышленному применению разработанной методики в производстве

2 Научная и практическая значимость исследований подтверждена результатами проведения работ в рамках Федеральной космической программы России 2000 - 2005 гг. при выполнении ОКР «Сиа-лон» по теме «Разработка и освоение комплекса базовых технологических процессов изготовления чувствительных элементов датчиков давления нового поколения с применением комбинированной интегрально-пленочной технологии»

3 Разработана, отработана и внедрена в опытном производстве ФГУП «НИИФИ» технологическая инструкция (Акт внедрения № 81/600)

4 Результаты работы внедрены в технологические процессы изготовления датчиков давления в опытном производстве ФГУП «НИИФИ» (Акт о внедрении результатов диссертационной работы от 7 05 2008 г)

Апробация работы

Основные научные и практические результаты исследований по теме диссертации опубликованы в периодических изданиях, докладывались и обсуждались на 13 научно-технических конференциях, симпозиумах и семинарах. «Тонкие пленки в электронике» (г. Улан-Удэ, 1993 г.), «Датчики и детекторы для авиационной техники» (г Пенза, 2003 г.), «Надежность и качество-2004» (г Пенза, 2004 г), «Датчики и детекторы для АЭС 2004» (г Пенза, 2004 г), «Университетское образование» (г. Пенза, 2005 - 2006 гг), «Датчики и системы 2005» (г Пенза, 2005 г), «Вакуумная техника и технология 2005» (г С-Петербург, 2005 г.), «Авиация и космонавтика 2005» (г Москва, 2005 г), «Прецизионное оборудование и технологии производства микро- и радиоэлектроники» (г. Минск, 2005 г), «Методы создания, исследования материалов, приборов и экономические аспекты микроэлектроники» (г. Пенза, 2006 г.), «Актуальные проблемы ракетно-космического приборостроения и информационных технологий-2007» (г. Москва, 2007 г.), «Информационно-управляющие системы-2007» (г Королев, 2007 г )

Публикации

По теме диссертации опубликованы 22 работы, из них 9 статей в центральных изданиях Без соавторов опубликованы 4 работы По результатам исследований получен патент на изобретение

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы и приложений Основная часть изло-

жена на 137 страницах машинописного текста, содержит 46 рисунков, 19 таблиц. Список литературы содержит 81 наименование

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование актуальности темы, сформулирована цель и определены основные задачи, кратко изложена практическая и научная значимость работы, сформулированы научные положения, выносимые на защиту.

Первая глава содержит информацию о разработке конструктивных и технологических методов повышения стабильности во времени и надежности чувствительного элемента тонкопленочного тензо-резисторного датчика давления как на этапах разработки конструкции и технологии, так и на этапе реализации технологии в производстве датчиков с учетом обратной связи этих этапов Для вновь разрабатываемых датчиков давления специального назначения в микроэлектронном исполнении получение статистических данных о динамике изменения погрешности в условиях эксплуатации, необходимых для обоснованного определения длительности срока службы, в приемлемые сроки нереально При разработке конструкции датчика параметры его надежности приходится задавать на основании косвенных оценок или по аналогам Если же провести реальные стендовые испытания даже в ускоренном режиме для оценки срока службы конкретного датчика и подтверждения его надежностных характеристик, то через несколько лет, потраченных на испытания, результат окажется невостребованным, поскольку за этот период конструкции датчиков и технология их производства изменятся, поэтому при выпуске малых серий проведение сколько-нибудь достоверных статистических исследований невозможно из-за экономических ограничений

Таким образом, при создании датчиков, которые должны сохранять свои метрологические характеристики на протяжении многих лет эксплуатации или хранения объекта техники, традиционные решения неэффективны Необходимы новые подходы, касающиеся технологических методов обеспечения стабильности параметров датчиков.

На стадии разработки теории стабилизации и управления свойствами чувствительных элементов и датчиков в целом проводится оценка уровня влияния внешних воздействующих факторов на их

устойчивость и стабильность, разрабатываются способы стабилизации и авторегулирования, оценивается управляемость электрофизических свойств конструкционных материалов датчиков давления, разрабатываются математические модели чувствительных элементов датчиков давления, прогнозируется дрейф метрологических параметров датчика в процессе эксплуатации, выбираются критерии стабильности и проводится синтез обратных связей внутри датчика Накопленный опыт и созданная на его основе теоретическая база позволяют эффективно выявлять наиболее критические внешние влияющие факторы, которые определяют конструктивно-технологический вариант исполнения датчиков на стадии их проектирования

Анализ статистических данных полученных результатов изготовления и эксплуатации тонкопленочных тензорезисторных датчиков давления показал, что наиболее значимым фактором, оказывающим решающее влияние на стабильность параметров датчиков, погрешность измерений и деградацию их информационной эффективности, является изменение начального выходного сигнала (в том числе скачкообразное) из-за дефектности тонкопленочной гетерострукту-ры. Корни причин возникновения этих отказов и технологического отхода лежат в свойствах применяемых сплавов для изготовления мембран и балок для чувствительных элементов датчиков Повышение надежности и уменьшение погрешности измерений тонкопленочных тензорезисторных датчиков давления на стадии производства можно выполнить в два этапа Первый - это повышение управляемости и стабильности технологии по технологическим участкам производства Второй - это повышение качества и надежности самого датчика в процессе производства

Среди технологических методов повышения стабильности параметров тонкопленочных тензорезисторных датчиков давления можно выделить компенсирующую и выравнивающую методики, кроме того, выбор оптимальных отбраковочных испытаний и режимов для отбраковки потенциально ненадежных датчиков На основании обобщения результатов анализа технологических методик сформулированы задачи диссертационной работы

Во второй главе анализируются и классифицируются причины нестабильности параметров чувствительных элементов тензорезисторных тонкопленочных датчиков давления, а также приводятся

данные по распределению концентрации химических элементов по толщине тонкопленочных гетероструктур чувствительных элементов тензорезисторных тонкопленочных датчиков давления, полученных экспериментальным путем с применением методов вторичной ионной масс-спектрометрии, ОЖЕ - электронной спектрометрии, вторично-ионной времяпролетной масс-спектрометрии Показана хорошая корреляция распределения концентрации химических элементов по толщине резистивной, диэлектрической и контактной пленок Толщина резистивной пленки оценивается в диапазоне от 80 до 150 нм.

Проведен анализ существующих теорий и механизмов образования тонких резистивных пленок, позволяющий определить механизм образования тонкой резистивной пленки на аморфной поверхности диэлектрической пленки моноокиси кремния, установлены механизмы электропроводности в гетероструктуре

Изотропная поверхностная энергия границ раздела исходной и новой фаз в гетероструктуре впервые рассмотрена Фольмером При гетерогенном образовании зародыша на подложке изменение термодинамического потенциала АФ задается выражением

2/

ДФ = (рк -nr)g + 0!§ g/3 -o2)J,

где и (ir - химические потенциалы кристаллической фазы и исходной (жидкой, газовой) фазы, и - факторы формы границ раздела "исходная фаза-зародыш" и "зародыш-подложка", g - размер зародыша (количество атомов в зародыше), О], Ст2, аз - свободная энергия границ раздела "пар-конденсат", "конденсат-подложка" и поверхности подложки соответственно

Основным параметром в уравнении для скорости образования критических зародышей (I) является функция распределения числа зародышей F&, количеством атомов в зародыше g в момент времени t Эта функция является главной характеристикой дисперсной системы, которая образуется в процессе фазового перехода первого рода Если известна функция распределения, то известны и основные параметры, характеризующие дисперсную систему, плотность зародышей в каждый момент времени, их средний размер и т п. Для известной функции Fgit скорость образования критических зародышей может быть определена по формуле

/ = -£)* ехр

АФ ьР ' КТ

^ехр

Кт

%

где £>* является формальным аналогом коэффициента диффузии в пространстве размеров, но зависит от g

Основными стадиями формирования тонкой пленки являются химическая реакция в адсорбированном многокомпонентном газе с одновременным образованием зародышей конечного продукта реакции (этот этап характерен для осаждения окислов, нитридов, карбидов и других бинарных химических соединений), образование зародышей, представляющих собой смесь компонентов (этот этап характерен как начальный для сплавов металлов); химическая реакция во вновь образовавшихся зародышах; рост из пересыщенного адсорбированного пара островков новой фазы; расслоение эвтектической смеси (в случае образования пленки из многокомпонентных сплавов), реиспаре-ние зародышей

Для модели осаждения тонкой многокомпонентной пленки определены факторы, влияющие на свойства тонкой резистивной пленки из сплава Х20Н75Ю скорость осаждения тонкой пленки; время протекания процесса осаждения, структура и температура подложки. Установлено, что факторами, определяющими нестабильность тонкой резистивной пленки, являются релаксация внутренних напряжений, процессы рекристаллизации, твердофазные реакции

Представлены результаты исследований на базе моделей, предложенных Майядасом и Шатцкесом, механизма внутреннего размерного эффекта электропроводности тонкой пленки, который связан с рассеянием носителей заряда на границах зерен.

В результате проведенного анализа моделей электропроводности тонкой пленки металла установлено следующее

- сравнение полученных данных на основе разных моделей электропроводности показало, что все модели примерно одинаково описывают зернограничное рассеяние и по-разному поверхностное. Отличие может быть объяснено тем, что линеаризированная и изотропная модели не учитывают реальной структуры пленки,

- модели размерных эффектов электропроводности и температурного коэффициента сопротивления однослойных металлических пленок дают возможность рассчитать параметры электропереноса в

пленке с использованием экспериментальных данных, полученных при исследовании реальных пленок

Анализ результатов исследования моделей эффекта тензочувстви-тельности в тонкой резистивной пленке выявил, что для описания эффекта тензочувствительности в тонких пленках используются адаптированные соотношения моделей электропереноса в тонкой металлической плепкс Фукса-Зокдгеймера, майидаса-шатцкеса и Телье-Тоссэ-Пишара применительно к однослойным и многослойным поликристаллическим пленкам, в которых предложены полуфеноменологические соотношения для коэффициентов продольной и поперечной тензочувствительности На этой основе разработана микроскопическая модель тензоэффекта для однослойных металлических пленок Применение этой модели для однослойных и многослойных металлических пленок и ее экспериментальная проверка показали

- все процессы преобразования структуры как в однослойных, так и в многослойных пленках практически заканчиваются в течение первого деформационного цикла,

- при каждом последующем деформационном цикле в пленках накапливается остаточная деформация, что и обусловливает монотонное возрастание начального сопротивления тензорезистора,

- величина коэффициента продольной тензочувствительности многослойной пленочной системы имеет большее значение по сравнению с однослойными пленками (компонентами многослойной системы), такой же толщины, как и многослойная пленка, что можно объяснить процессами рассеяния электронов на границе раздела слоев при статической деформации

Для определения причин выгорания части тонкопленочного тензорезистора выбрана модель, в которой дефект имеет цилиндрическую форму, с осью, перпендикулярной плоскости подложки и пронизывающей резистивную пленку насквозь Рассмотрено решение двухмерной задачи о распределении температуры в окрестности выделенного дефекта круглой формы на плоскости Определено, что наличие в пленке дефектных по электрической проводимости областей приводит к возникновению между центром и границей дефекта перепада температуры Если под дефектом понимать неоднородность поверхности подложки и связанный с этим локальный скачок тол-

щины резистивной пленки в зоне дефекта, то можно допустить, что удельные электропроводности пленки аг и дефектной зоны о^ равны В этом случае перепад температуры между центром и границей дефекта примет вид

АГ = Г1(гд-Лд,ф = 0)-Г2(гд=0) = ^^.,

где Л* гл - наибольший и текущий радиусы дефекта; А.] - коэффициент теплопроводности тонкопленочной гетероструктуры; - напряженность электрического поля в первой зоне дефекта

Расчеты перепада температур АТ, возникающего на дефектах в тонкой резистивной пленке из сплава Х20Н75Ю, нанесенной на чувствительный элемент тонкопленочного тензорезисторного датчика давления, представлены в таблице.

Расчетные оценочные значения перепада температур от границы к центру дефекта

Удельная электропроводность, о0б, Ом"1 см"1 Напряженность электрического поля, Е1, В/см Перепад температур от края к центру дефекта, ДТ

= 0,5 мкм л„ = = 1,0 мкм = 5,0 мкм яд= = 10,0 мкм Дд = = 15,0 мкм

3125 0,256 203 197 492 1378 1772

2740 0,292 232 173 432 1208 1554

2320 0,345 274 146 365 1023 1315

2262 0,354 281 143 356 998 1283

Установлено, что на дефектах рези-стивного слоя возникают локальные перепады температур, которые при высоких удельных мощностях приводят к ускорению окислительных процессов, а в критических условиях — и к разрушению тонкой резистивной пленки (рисунок 1)

В результате уменьшается значение пробивного напряжения между корпусом элемента и тензосхемой илр, определяемое формулой

Рисунок 1 - Пора в диэлектрике

"О

Е

где Б = ехр(——) - коэффициент диффузии материала тензоре-кТ

зиетора по поверхности сквозной поры, Еа - энергия активации процесса диффузии; ¡Упр(0) — первоначальное значение пробивного напряжения; ¿/о - толщина диэлектрической пленки; а - постоянная, определяемая опытным путем; к - постоянная Больцмана; Т - рабочая температура

Если принять за критерий отказа допустимое значение отношения первоначального к эксплуатационному напряжению пробоя у, то можно рассчитать среднее время до наступления отказа

- (1 -У)Ч Г V

/кз =-^ехр

А)а

кТ)

На стадии проверки датчика на соответствие сопротивления изоляции требованиям технологии между корпусом и тензосхемой подается напряжение 10 В, а рабочее напряжение на тензосхеме составляет 6 В. Тогда, если у = 1,66 и максимальная рабочая температура датчика 353 К, получим = 25 - 30 мин

В третьей главе рассмотрены особенности применения импульсной токовой отбраковки тонкопленочного тензорезистора на чувствительном элементе датчика давления

Опираясь на экспериментальные работы П Е Кандыбы и П А Фоменко по определению влияния импульсной токовой нагрузки на тонкопленочные резисторы, разработана математическая модель для расчета величины напряжения в конкретной топологии тонкопленочного тензорезистора в условиях импульсной нагрузки £/имп Она определяет допустимую величину импульсного напряжения с учетом коэффициента продольной тензочувствительности уп и величины относительной деформации тензорезистора в в условиях подачи на мембрану номинального давления

^имп - Афл/^импРл 0 + Т1е1) 00 > где Хпр - приведенная длина тензорезисторов в одном плече тензомо-ста, Кшп - коэффициент перегрузки тензорезистора по мощности в

т г

-♦-Вт 206 ---Вт 212 —♦—ВТ206А1

—»—Вт 206 Б —Вт 212 А --Вт 220

импульсе, р* - удельное поверхностное сопротивление резистивной пленки; Щ> - допустимая удельная мощность рассеивания для тонких пленок из сплава Х20Н75Ю.

Полученные расчетным путем значения [/имп (рисунок 2) применены при проведении экспериментальных работ по определению конкретных режимов импульсной токовой отбраковки для каждого вида топологии тензосхе-мы на реальных чувствительных элементах.

Лабораторная методика импульсно-токовой отбраковки для тонкопленочной гетероструктуры на чувствительных элементах тен-зорезисторных датчиков давления с использованием стандартного технологического оборудования и приборов апробирована в 2001 - 2002 гг Оценка результатов экспериментальных работ проводилась по изменению начального выходного сигнала чувствительных элементов датчиков давления под воздействием дестабилизирующих факторов (температура, давление, вибрация, термоциклы) В четвертой главе приведены результаты использования в опытном производстве ФГУП «НИИФИ» технологической инструкции ТИ 783 25000 00155 «Методика импульсной токовой отбраковки тонкопленочных тензорезисторных чувствительных элементов датчиков давления», которая основана на обработке тензорезисторов импульсами напряжения определенной величины и длительности с

123456789 10

Коэффициент перегрузки по мощности

Рисунок 2 - Зависимость напряжения в импульсе Сцмп от коэффициента перегрузки Кшп для разных вариантов топологии тензосхемы

последующей отбраковкой потенциально нестабильных чувствительных элементов по критерию скорости изменения начального выходного сигнала при воздействии на них нескольких циклов температуры (353 К) и повышенного в полтора раза напряжения питания тензосхемы.

Важная задача контроля и управления технологическим процессом изготовления датчиков непосредственно на рабочем месте - это контроль за изменением параметров техпроцесса, который зависит от многих независимых параметров, иногда не поддающихся непосредственному измерению. Изменение этих параметров приводит к дрейфу области оптимального протекания процесса. Одним из таких факторов технологии сборки датчика является импульсная токовая отбраковка тензосхемы на стадии настройки чувствительного элемента датчиков давления в технологической оснастке (рисунок 3).

Корреляционная зависимость и анализ взаимосвязи между скоростью изменения начального выходного сигнала (в процентах) при импульсной токовой отбраковке (независимая переменная) и уровнем изменения начального выходного сигнала (в процентах) при дальнейшей сборке датчиков типа Вт 206 и Вт 212 (зависимые переменные) составляют основу методики управления технологией изготовления датчиков. При этом использованы методы математической статистики.

Анализ результатов влияния импульсной токовой отбраковки тензосхемы чувствительных элементов датчиков типа Вт 206 и Вт 212 на стабильность параметров датчиков проведен за период с 1995-го по 2006 г. и включает в общей сложности статистику результатов исследования параметров более чем 8000 датчиков, из которых более 4500 шт. прошли импульсную токовую отбраковку. Обработка статистических данных позволила установить корреляционную зависимость и провести анализ взаимосвязи между скоростью изменения

Рисунок 3 - Чувствительный элемент, закрепленный в специальной технологической оснастке

начального выходного сигнала при импульсной токовой отбраковке и уровнем изменения этого сигнала при дальнейшей сборке датчиков (рисунок 4).

от0до0Р1 от0,01 до0,02 от0,02до0,03 отО/)ЗдоОР4 от004до0,05 от0,05до0,0б от0,06до0.07 от0,07до0,08 от0,08до0,09 от0,09до0,1 от0,1ибопее

Уровень скорости измене ния НВС мВ/час

Рисунок 4 - Распределение уровня скоростей изменения начального

выходного сигнала после импульсной токовой отбраковки на чувствительных элементах датчиков давления в течение 2006 г.

По результатам статистической обработки данных выявлено, что 96 % всех чувствительных элементов попадают в диапазон изменения скоростей от 0 до 0,05 мВ/ч при отбраковочном уровне 0,1 мВ/ч. Для оценки взаимозависимости параметров «скорость изменения начального выходного сигнала чувствительного элемента после импульсной токовой отбраковки» (первый параметр) и «изменение начального выходного сигнала в процессе сборки датчика» (второй параметр) построен интервальный вариационный ряд, состоящий из 4 циклов (в соответствии с технологической инструкцией по настройке датчика). Оценка частоты попадания первого параметра в тот или иной цикл проводилась по максимальному значению скорости изменения начального выходного сигнала. Определен допустимый отбраковочный диапазон по циклам импульсной токовой отбраковки для чувствительного элемента датчика на уровне не более ±0,08 мВ/ч. Возможно ужесточение контроля параметров, связанное со ступенчатой отбраковкой. Например, на первом, втором и третьем циклах можно отбраковывать на уровне ±(0,06-0,08) мВ/ч, а на четвертом

цикле необходимо ужесточить отбраковочный уровень до ±0,04 мВ/ч. Для датчиков, используемых на особо ответственных изделиях (ракетно-космическая техника и авиация), отбраковочный уровень на четвертом цикле устанавливается на уровне ±0,02 мВ/ч. При этом отбракованные чувствительные элементы не обязательно списывать в технологический отход, их можно использовать для комплектования датчиков, поставляемых на объекты общепромышленного применения, где возможна подстройка систем или их оперативная замена.

Опыт использования методики в ФГУП «НИИФИ» по изготовлению тонкопленочных тензорезисторных датчиков давления показал, что применение простых, надежных и универсальных методов повышения стабильности параметров тонкопленочного тензорезистор-ного датчика давления как на этапах создания конструкции и технологии, так и на этапе реализации технологии в производстве, дает положительные результаты (рисунок 5).

25,00 г-угщ--•-1-<-,-,-:-;--

м 20,00

0

¡ 15,00

Ё 10,00

1 5,00 0,00

1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006

Год

Рисунок 5 - Гистограмма изменения распределения количества отказов тонкопленочных тензорезисторных датчиков давления

Гистограмма показывает устойчивую тенденцию к снижению отказов датчиков по нестабильности начального выходного сигнала при росте объёмов производства в десятки раз. Опыт, полученный при внедрении импульсной токовой обработки на датчиках Вт 206 и Вт 212, распространен на другие типы тонкопленочных тензорезисторных датчиков (Вт 206Б, Вт 212А.1, Вт 208, Вт 220, Вт 227, ДАВ-067, ДДВ-011 и др.).

□ Общю гооценг отказов по всем пининам

■ Отказы по нестабильности НВС

8,68

г

3,88 в.гг зрз 3,45

1,10 0.« 223 132 V6 0Í8 1,« 0,45 Я. Пи 096 0(Ю г-ч Я0" 1С

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1 Установлено, что повышение надежности и временной стабильности параметров тонкопленочных тензорезисторных датчиков давления можно реализовать с использованием компенсирующей и выравнивающей методик, выбора оптимальных отбраковочных испытаний и режимов, разработки и применения альтернативных методик отбраковки потенциально ненадежных датчиков

2 В результате анализа физико-математических моделей зароды-шеобразования и роста тонкой пленки, процесса электропереноса в тонких пленках исследованы микроскопические модели тензоэффек-та для однослойных и многослойных металлических пленок, проведены теоретические исследования влияния деформационных эффектов на электропроводность многослойной резистивной пленки Теоретические и экспериментальные работы позволили модернизировать модель дефектообразования в тонкой пленке резистивного сплава и получить расчетные оценочные значения перепада температур от границы к центру дефекта для никель-хромовых тонких резистив-ных пленок. Расчеты показали, что на дефектах резистивного слоя возникают локальные перепады температур, которые при высоких удельных мощностях могут приводить к ускорению окислительных процессов, а при критических условиях - и к разрушению тонкой резистивной пленки

3 На базе разработанной физико-математической модели импульсной нагрузки тензосхемы определены технологические режимы импульсной токовой отбраковки для конкретной топологии тензосхемы Модель учитывает коэффициент продольной тензочувстви-тельности и величину относительной деформации тензорезистора в условиях подачи на мембрану номинального давления, что позволило повысить эффективность предложенной методики.

4 Разработана, исследована, апробирована и внедрена в производство методика импульсной токовой отбраковки для реальной тонкопленочной гетероструктуры на чувствительных элементах тензорезисторных датчиков давления.

5 Подтверждена эффективность внедрения методики импульсной токовой отбраковки на чувствительных элементах тонкопленочных тензорезисторных датчиков давления Статистическая обработка данных по результатам изготовления датчиков Вт 206 и Вт 212 подтвердила снижение числа отказов датчиков по причине несоответствия (нестабильности) начального выходного сигнала

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК России

1 Волохов, И В Опыт разработки технологии тонкопленочных тензоре-зисторных датчиков давления / И В Волохов, Ю А Зеленцов // Приборы и системы управления - 1990 -№ 10 -С. 41-42

2 Волохов, И В Применение шнких пленок для тонкопленочных тен-зорезисторов в высокотемпературных чувствительных элементах датчиков давления /ИВ Волохов, Ю А. Зеленцов, Е В Песков // Радиотехника -1995 -№ 10 - С 54

3 Волохов, И В Опыт разработки конструкции и технологии изготовления интегрального чувствительного элемента газоанализатора / И. В Волохов, С А Козин, В В Чувашов //Радиотехника - 1995.-№ 10 -С. 49.

4 Волохов, И. В Исследование двухслойных изолирующих тонких пленок из тугоплавких оксидов для чувствительных элементов металлопленоч-ных емкостных датчиков /ИВ Волохов, Е В. Песков // Датчики и системы -2000 - № 7 - С 44-50

5 Волохов, И В Пленки хрома и ванадия как подслой для контактов тонкопленочных тензорезисторов /ИВ Волохов, А И Ворожбитов, Ю А Зеленцов//Датчики и системы.-2000 - № 7. - С 50-54

6 Волохов, И. В. Технологические приемы достижения долговременной стабильности чувствительных элементов металлопленочных датчиков давления ДАВ-088 / Д В Попченков, И В Волохов, О Н Герасимов // Датчики и системы -2005 -№9 -С 51-54

7 Волохов, И В Формирование двухслойной структуры тонкой пленки с целью уменьшения температурного коэффициента сопротивления /ИВ Волохов, Е В Песков, Д В Попченков // Датчики и системы - 2005 - № 9 -С 57-59.

Публикации в других изданиях

1 Волохов, И В О возможности создания высокостабильных тонкопленочных тензорезисторов / ИВ. Волохов, Ю А Зеленцов, Е В Песков // Тонкие пленки в электронике материалы IV Межрегионального совещания -Москва-Улан-Удэ, 1993 -С. 221-224

2 Волохов, И В Исследование свойств тонких плёнок из многокомпонентных сплавов с помощью специального аналитического оборудования / И В Волохов, Е В Песков // Датчики и детекторы для авиационной техники ДДАТ-2003 г. сб докладовнауч-техн конф -Пенза,2003 -С 167-172

3 Волохов, И В Импульсная токовая обработка тензосхемы - метод повышения надежности и качества металлопленочных датчиков давления / И В Волохов, Е В Песков, В И Лашманова // Надежность и качество сб

докладов Междунар симп - Пенза Изд-во Пензенского гос ун-та, 2004 — Т 1 -С 283-284

4 Волохов, И В. Технологические приемы достижения долговременной стабильности чувствительных элементов металлопленочных датчиков силы НВ-005 /ИВ Волохов, Д В Попченков // Датчики и детекторы для АЭС-2004 сб докладов науч -техн конф - Пенза, 2004 - С 244 - 247

5 Волохов, И. В. Моделирование эквивалентных напряжений в зонах деформаций балки для определения расположения тензорезисторов сжатия и растяжения /ИВ Волохов // Университетское образование 2005 Междунар науч-техн конф.-Пенза Изд-во Пензенского гос ун-та, 2005 - С 50-52

6 Волохов, И В Модернизация вакуумного оборудования /ИВ Волохов, Е В Песков, Д В Попченков // Прецизионное оборудование и технологии производства изделий микро- и радиоэлектроники сб тезисов и докладов Второй Междунар науч -практ конф - Минск, 2005. - С 37

7 Волохов, И В Технологические приемы достижения долговременной стабильности чувствительных элементов тонкопленочных тензорезистор-ных датчиков давления и силы /ИВ Волохов, Д В Попченков И Университетское образование МКУО-2006- X Междунар науч -метод, конф - Пенза Изд-во Пенз. гос ун-та, 2006.-С 308-315.

8 Волохов, И В Исследование свойств тонких диэлектрических пленок окислов с использованием эллипсометрии /ИВ Волохов // Методы создания, исследования материалов, приборов и экономические аспекты микроэлектроники сб. ст. Всерос. науч -техн конф - Пенза Изд-во Пенз гос ун-та, 2006 - С 30-32

9 Волохов, И В Технологические методы повышения надежности тонкопленочных тензорезисторных датчиков давления /ИВ Волохов // Актуальные проблемы ракетно-космического приборостроения и информационных технологий сб докладов науч -техн конф. - M ФГУП «РНИИ КП», 2007.-С 48

10 Пат. 1 820 416 А1 Российская Федерация, МПК6 НО 1С 17/00 Способ изготовления высокотемпературного тонкопленочного тензорезистора / Волохов И В , Зеленцов Ю А , Песков ЕВ. - Опубл 07.06 1993 Бгол № 21 Изобретения (заявки и патенты) - С 152

11 Пат 2 301 977 Cl Российская Федерация, МКИ G01L 7/02. Способ стабилизации упругого элемента датчика давления с тензорезисторами / Волохов И В , Попченков Д В , Песков ЕВ- Опубл 27 06 2007 Бюл № 18 Изобретения (заявки и патенты) - С 122

Волохов Игорь Валерианович

Технологические методики повышения стабильности параметров тонкопленочных тензорезисторных датчиков давления

Специальность 05 11 14-Технология приборостроения

Редактор Т Н Судовчшина Технический редактор Н А Вьялкоса

Корректор Н А Сидельникова Компьютерная верстка С П Черновой

ИД №06494 от 26 12 01 Сдано в производство 23 05 08 Формат 60x84^/16 Бумага писчая Печать офсетная Уел печ л 1,16 Заказ №331 Тираж 100

Издательство Пензенского государственного университета 440026, Пенза, Красная, 40

Введение.

ГЛАВА 1 ОБЩИЕ ВОПРОСЫ РАЗРАБОТКИ КОНСТРУКЦИИ И ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ ТЕНЗОРЕЗИ

СТОРНЫХ ДАТЧИКОВ ДАВЛЕНИЯ.

Выводы.

ГЛАВА 2 ПРОЦЕССЫ, ПРОИСХОДЯЩИЕ В ТОНКОПЛЕНОЧНОМ ТЕНЗОРЕЗИСТОРНОМ ЧУВСТВИТЕЛЬНОМ ЭЛЕМЕНТЕ ДАТЧИКА ДАВЛЕНИЯ

2.1 Анализ причин нестабильности параметров тонкопленочных тензорезисторов.

2.2 Анализ толщины и состава реальной тонкопленочной гетероструктуры на чувствительном элементе тензорезисторного тонкопленочного

2.3 Процессы образования тонких резистивных пленок.

2.4 Выбор физико-математической модели электропроводности и температурного коэффициента сопротивления тонкой пленки.

2.5 Выбор физико-математической модели тензочувствительности тонкой пленки.

2.6 Механизм образования дефекта в тонкопленочной гетерострукту

Выводы.

3.2 Модель воздействия импульсной токовой нагрузки на тонкопленочный тензорезистор и тензомост.

3.3 Разработка методики применения импульсной токовой отбраковки для реальной тонкопленочной гетероструктуры на чувствительном элементе тензорезисторного тонкопленочного датчика давления.

Выводы.

ГЛАВА 4 ВНЕДРЕНИЕ МЕТОДИКИ ПОВЫШЕНИЯ СТАБИЛЬНОСТИ ПАРАМЕТРОВ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ ТЕНЗОРЕЗИСТОРНЫХ ДАТЧИКОВ ДАВЛЕНИЯ

4Л Внедрение методики импульсной токовой отбраковки в технологию изготовления реальных чувствительных элементов тензорезисторных тонкопленочных датчиков давления.

4.2 Результаты изготовления и эксплуатации тонкопленочных тензорезисторных датчиков давления с импульсной токовой отбраковкой тензосхе

Выводы.

В последние десятилетия с развитием космонавтики, оборонной техники и ядерной энергетики появились насыщенные средствами автоматического контроля комплексы оборудования и объекты техники, при эксплуатации которых риск, связанный с метрологическим отказом, значителен. В определенные периоды, например, перед принятием ответственного решения, касающегося управления оборудованием или объектом техники, такой риск возрастает до крайней степени. Ошибочность информации, поступающей от датчиков на объекте, может повлечь крупные материальные потери, многочисленные человеческие жертвы. При этом доступ персонала для калибровки датчиков практически исключен на протяжении всего непрерывного технологического цикла (например, в ядерной энергетике) или вообще невозможен в случае пребывания объекта в космическом пространстве.

Особенностью работы датчиков на объектах техники с многолетним сроком эксплуатации является накопление последствий воздействия на них внешних факторов, например, проявление усталости металла в упругих чувствительных элементах, изменение свойств тонкопленочных гетероструктур под воздействием проникающего излучения и т. д. Эти последствия и скорость их нарастания зависят от места установки датчика и реального режима эксплуатации объекта техники. Как правило, эти последствия неконтроли-руемы и могут прогнозироваться лишь очень ориентировочно.

В настоящее время основную роль в системах контроля параметров энергетических установок изделий ракетно-космической техники (РКТ) играет датчиковая аппаратура в микроэлектронном исполнении. Одним из средств измерений (СИ) являются тонкопленочные тензорезисторные датчики давления (ДЦ), предназначенные для преобразования давления рабочих сред в энергетических установках изделий РКТ в электрический сигнал и выдачи информации в систему телеметрических измерений (СТИ) или систему автоматического управления (САУ). К ним предъявляются достаточно жесткие требования:

- надёжность в эксплуатации с вероятностью безотказной работы не менее 0,99;

- стабильность метрологических характеристик в условиях эксплуатации и длительного хранения (до 20 лет);

- устойчивость к воздействию рабочих сред (газообразного и жидкого кислорода, водорода, гелия, ракетного топлива);

- сохранение работоспособности при воздействии внешних дестабилизирующих факторов - температуры измеряемой среды от минус 250 до +100°С; перегрузочного давления на мембрану до ЗР„; пониженного давления окружающей среды до 133x10"3Па; относительной влажности до 95% при 40°С; перепадов температуры внешней среды в диапазоне от минус 60 до +150°С; вибраций и ударов.

Опыт эксплуатации ДД на изделиях РКТ показал высокую эффективность использования тонкопленочных тензорезисторных чувствительных элементов (ЧЭ) для них в СТИ и САУ энергетических установок за счет высокой чувствительности и надежности, малых габаритов и массы.

Перспективы развития РКТ, определенные в Федеральной космической программе России на период до 2015 года, предусматривают создание нового поколения ракет носителей и ракетных двигателей для них. Конструкции и режимы работ ракетных двигателей нового поколения требуют создания более надежных ДД для жестких условий эксплуатации при длительных сроках эксплуатации и хранения.

Опыт разработки, изготовления и эксплуатации тонкопленочных тензорезисторных ДД, созданных в 70 - 80-х годах прошлого века, показал наличие у них больших потенциальных возможностей. Актуальной задачей является разработка технологических методов повышения стабильности параметров тонкопленочных тензорезисторных ДД.

Теоретические предпосылки к решению этой проблемы созданы трудами отечественных ученых: Осадчего Е. П., Мокрова Е. А., Ваганова В.И., Тихонова А.И., Тихоненкова В. А., Зеленцова 10. А., Лебедева Д. В., Семенова В. А., Печерской Р. М., Васильева В. А., Аверина И. А. и других авторов. В то же время, в научно-технической литературе недостаточно отражены особенности разработки конструкции и технологии изготовления тонкопленочных тензорезисторных ДД для изделий РКТ. Требуется систематизация технологических методов повышения их надежности, необходимо сконцентрировать усилия на разработке простых, надежных и универсальных методов повышения их стабильности во времени и надёжности.

В связи с высокой стоимостью и трудоемкостью изготовления тонкопленочных тензорезисторных ДД необходимо разработать и реализовать методы отбраковки потенциально ненадежных ЧЭ.

Цель работы

Целью работы является разработка и внедрение в производство технологических методик повышения стабильности параметров тонкопленочных тензорезисторных датчиков давления на ранних стадиях их изготовления.

Задачи диссертационной работы

Поставленная цель достигается решением следующих задач:

- исследованием методов и средств повышения стабильности параметров тонко плен очных тензорезисторных датчиков давления на ранних стадиях их изготовления;

- исследованием механизмов образования тонких резистивных пленок, их электропроводности, температурного коэффициента сопротивления и тензочувст-вительности;

- корректировкой механизма дефектообразования в тонкопленочной гетероструктуре;

- разработкой физико-математической модели расчета допустимой величины импульсного напряжения на тонкопленочном тензорезисторе с учетом его коэффициента тензочувствительности и величины относительной деформации при подаче номинального давления на мембрану датчика;

- разработкой методики импульсной токовой отбраковки тонкопленочных гетероструктур;

- проведением экспериментальных исследований по влиянию импульсной токовой отбраковки на свойства тонкопленочных гетероструктур чувствительных элементов тензорезисторных тонкопленочных датчиков давления;

- отработкой и внедрением методики применения импульсной токовой отбраковки по обоснованным критериям для существующих и вновь разрабатываемых датчиков давления;

- оценкой результатов изготовления и эксплуатации тонкопленочных тензорезисторных датчиков давления с импульсной токовой отбраковкой' тензосхемы.

Методы исследований

Использованы основные положения физики тонких пленок, теории конденсации тонких пленок и методы математического моделирования физических процессов в тонкопленочной гетероструктуре.

Экспериментальные исследования базировались на положениях теории измерений, планировании эксперимента и статистической обработке полученных результатов.

Научная новизна работы

1. Систематизированы технологические методы повышения стабильности параметров тонкопленочных тензорезисторных чувствительных элементов датчиков давления, что позволило выявить критические для качества датчиков технологические процессы разработать методики управления ими и принять меры по повышению их управляемости и стабильности, в результате чего повышено качество и надежность датчиков,

2. Уточнены механизмы дефектообразования в тонкопленочной гете-роструктуре на чувствительном элементе тонкопленочного тензорезисторно-го датчика давления, что обеспечило установление корреляционных зависимостей между скоростью изменения начального выходного сигнала при импульсной токовой отбраковке и уровнем изменения этой величины при дальнейшей сборке датчика,

3. Установлены режимы импульсной токовой ступенчатой отбраковки потенциально нестабильных чувствительных элементов датчиков по обоснованным критериям, что обеспечило снижение отказов датчиков давления по нестабильности начального выходного сигнала.

На защиту выносится

1. Технологические методики изготовления тонкопленочных тензо резисторных чувствительных элементов на ранних стадиях изготовления, критерии для повышения стабильности параметров тонкопленочных тензоре-зисторных чувствительных элементов,

2. Методика импульсной токовой отбраковки тонкопленочной гете-роструктуры для конструктивных вариантов чувствительных элементов датчиков давления,

3. Результаты статистической обработки выходных параметров датчиков давления по итогам применения методики импульсной токовой отбраковки в производстве.

Практическая значимость

Работа обобщает теоретические и экспериментальные исследования, проведенные автором в ФГУП «НИИ физических измерений», и способствует решению актуальной научно-технической задачи - созданию технологических методов повышения стабильности параметров тонкопленочных тензорезисторных ДЦ на ранних стадиях их изготовления. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили перейти к промышленному применению вновь разработанной методики в производстве. Научная и практическая значимость исследований подтверждается тем, что работа проводилась в рамках Федеральной космической программы России 2000 — 2005 гг. при выполнении ОКР «Сиалон» «Разработка и освоение комплекса базовых технологических процессов изготовления чувствительных элементов датчиков давления нового поколения с применением комбинированной интегрально-пленочной технологии».

С января 1999 года по март 2001 года проводились экспериментальные исследования по отработке, опробованию и внедрению методики импульсной токовой отбраковки. Были проведены типовые испытания датчиков Вт 206 и Вт 212, изготовленных с применением вновь разработанной методики, и выпущен Отчет № 73 O-l 11/600 от 13.03.2001г., в котором было принято решение о внедрении этой методики в конструкторскую и технологическую документацию на эти датчики.

Разработана, отработана и внедрена в опытном производстве ( Акт внедрения №81/600 от 11.12.2001) ФГУП «НИИ физических измерений» технологическая инструкция ТИ 783.25000.00155 «Методика импульсной токовой отбраковки тонкопленочных тензорезисторных ЧЭ датчиков давления».

В 2007 году был проведен анализ результатов изготовления датчиков Вт 206 и Вт 212 с применением методики импульсной токовой отбраковки и выпущены два отчета (Отчет № 3 О 108/600 от 24.04.2007 и Отчет № 75 О 301/600 от 20.08.2007, инв. №2017) по оценке результатов изготовления и эксплуатации тонкопленочных тензорезисторных датчиков с использованием методов математической статистики.

Результаты работы внедрены в технологические процессы изготовления ДЦ: ТИ 783.25000.00155; ТП 583.01188.00007; ТП 783.02100.00817; ТП 583.01188.00092; ТП 583.01188.00089.

Апробация.работы

Основные научные и практические результаты исследований по теме диссертации публиковались в периодических изданиях, докладывались и обсуждались на четвертом межрегиональном совещании «Тонкие пленки в электронике» (г. Улан-Удэ, 1993 г.), научно-технической конференции «Датчики и детекторы для авиационной техники» (г. Пенза, 2003 г.), международном симпозиуме «Надежность и качество-2004» (г. Пенза, 2004 г.), научно-технической конференции «Датчики и детекторы для АЭС 2004» (г. Пенза, 2004 г.), девятой международной научно-методической конференции «Университетское образование МКУО-2005» (ПГУ, г. Пенза, 2005 г.), международной научно-технической конференции «Датчики и системы 2005» (г. Пенза, 2005 г.), семинаре «Вакуумная техника и технология 2005» (г. С-Петербург, 2005 г.), четвертой международной конференции «Авиация и космонавтика 2005» (МАИ, г. Москва, 2005 г.), второй научно-технической конференции «Прецизионное оборудование и.технологии производства мик~ ро- и радиоэлектроники» (г. Минск, 2005 г.), десятой международной научно-методической конференции «Университетское образование МКУО-2006» (ПГУ, г. Пенза, 2006 г.), всероссийской научно-технической конференции «Методы создания, исследования материалов, приборов и экономические аспекты микроэлектроники» (ПГУ, г. Пенза, 2006 г.), отраслевой научно-технической конференции «Актуальные проблемы ракетно-космического приборостроения и информационных технологий - 2007» (г. Москва, 2007г.), научно-технической конференции «Информационно-управляющие системы -2007» (г. Королев, Моск. обл., 2007 г.).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 22 работы, из них 9 статей в центральных (в том числе 7 из них из списка ВАК) изданиях и межвузовских сборниках, три научно-технических отчета. Без соавторов опубликовано 4 работы.

По результатам исследований в соавторстве получен патент на изобретение № 2 301 977 G01L 7/02 «Способ стабилизации упругого элемента датчика давления с тензорезисторами», заявка № 2005 133 016 с приоритетом от 26.10.2005.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы, 3 приложения. Основная часть изложена на 137 страницах машинописного текста, содержит 46 рисунков, 19 таблиц. Список литературы содержит 81 наименование.

Результаты работы внедрены в технологические процессы изготовления ДД: ТИ 783.25000.00155; ТП 583.01188.00007; ТП 783.02100.00817; ТП 583.01188.00092; ТП 583.01188.00089.

Разработка альтернативных методик отбраковки потенциально ненадежных датчиков связана с трудностью оценки временной нестабильности датчиков на стадии их изготовления. В будущем возможно появление других методик отбраковки потенциально ненадежных датчиков, основанных на получении отклика от тензосхемы на воздействие какого-либо внешнего дестабилизирующего фактора или группы факторов одновременно (температуры, вибрации, токовых нагрузок и т.п.).

Автор благодарен всем сотрудникам лаборатории микроэлектроники ФГУП «НИИФИ» за поддержку и помощь в сборе и обработке статистических данных по результатам изготовления тонкопленочных тензорезисторных датчиков давления.

Особую благодарность хотелось выразить безвременно ушедшему от нас куратору диссертационной работы от ФГУП «НИИФИ» к. т. н. Зеленцову Юрию Аркадьевичу. Без его мудрых советов эта работа может и не состоялась бы.

Перечень принятых сокращений и основных обозначений

ВИМС - метод масс-спектрального анализа вторичных ионов

Д Д - датчик давления

ИП - измерительный преобразователь

ИТО - импульсная токовая отбраковка

КД - конструкторская документация

НВС - начальный выходной сигнал

ОКР - опытно-конструкторская работа

ОЭС - ОЖЕ - электронная спектроскопия

ПСИ - приемо-сдаточные испытания

РКТ - ракетно-космическая техника

СДСП - средняя длина свободного пробега

СИ - средство измерения

СКО - среднее квадратическое отклонение

ТД - технологическая документация

ТИ - технологическая инструкция

ТКС - температурный коэффициент сопротивления

ТП - технологический процесс

ЧЭ - чувствительный элемент

Заключение

Работа обобщает теоретические и экспериментальные исследования, проведенные автором в ФГУП «НИИ физических измерений», и способствует решению актуальной научно-технической задачи - созданию технологических методов повышения стабильности параметров тонкопленочных тензорезисторных ДЦ на ранних стадиях их изготовления. Проведенные автором теоретические и экспериментальные исследования позволили перейти к промышленному применению вновь разработанной методики в производстве. Научная и практическая значимость исследований подтверждается тем, что работа, проводилась в. рамках Федеральной космической программы России 2000 - 2005 гг. при выполнении ОКР !«Сиалон» «Разработка и освоение комплекса базовых технологических процессов изготовления чувствительных элементов датчиков, давления нового поколения с применением комбинированной интегрально-пленочной технологии».

С января 1999 года по март 2001 года при-непосредственном, участии автора проводились экспериментальные исследования по отработке, опробованию и внедрению методики импульсной токовой отбраковки. Проведены, типовые испытания*датчиков Вт 206 и Вт. 212, изготовленных с применением вновь разработанной методики, и выпущен Отчет № 73 O-l 11/600 от 13.03.2001г., в котором принято решение о внедрении этой методики в конструкторскую и технологическую документацию на эти датчики.

При непосредственном участии автора разработана, отработана и внедрена в опытном производстве (Акт внедрения №81/600 от 11.12.2001) ФГУП «НИИ физических измерений» технологическая инструкция ТИ 783.25000.00155 «Методика импульсной токовой отбраковки тонкопленочных тензорезисторных ЧЭ датчиков давления»:

В 2007 году автором проведен анализ результатов изготовления датчиков Вт 206 и Вт 212 с применением методики импульсной токовой отбраковки и выпущены два отчета (Отчет № 3 О 108/600 от 24.04.2007 и Отчет № 75 О 301/600 от 20.08.2007, инв. №2017) по оценке результатов изготовления и эксплуатации тонкопленочных тензорезисторных датчиков с использованием методов математической статистики.

1. Горлов М. И., Коваленко П. И. Технологические методы повышения надежности интегральных схем // Технология в электронной промышленности -2007 №1 - С. 68 - 70.

2. Проектирование датчиков для измерения механических величин / Под ред. Осадчего Е.П. М:: Машиностроение, 1979.- 356 с.

3. Мокров Е.А. О тенденциях развития датчиков специального назначения // Приборы и системы управления 1990 - №10 - С. 4 - 6

4. Мокров Е.А., Педоренко Н.П., Семенов В.А., Алавердов В.В., Артемов Ю.А. Особенности проектирования, металлопленочных тензорезисторных.датчиков давления //Радиотехника 1995 - №10 - С. 16 - 17.

5. Мокров Е. В., Лебедев Д. В. Выбор конструкционных материалов-для упругих чувствительных элементов емкостных датчиков давления // Датчики и системы 2001 - №7(26) - С. 19 - 20.

6. Мокров Е. В., Лебедев Л. В., Селифанова В. В. Емкостные датчики абсолютных давлений // Датчики и системы 2001 - №7(26) - С. 20 - 22.

7. Тихонов А. И., Мокров Е. А., Тихонов С. А, Волышкина Т.В:, Сергеева Е.В. Методика расчета специального упругого элемента-датчиков // Датчики и системы 2001 - №7(26) - С. 21-23.

8. Мокров Е. А., Блинов А. В., Михайлов.П. Г. Новые подходы к разработке датчиков физических величин // Мир измерений 2007 - №2 - С. 4 - 9

9. Ваганов В.И. Интегральные тензопреобразователи М.: Энергоатомиз-дат, 1983- 136 с.

10. Тихоненков В.А., Тихонов А.И. Теория, расчет и основы проектирования датчиков механических величин / Ульяновск: Изд. Ульяновского государственного технического ун-та, 2000. 452 с

11. Волохов И.В., Зеленцов Ю.А. Опыт разработки технологии тонкопленочных тензорезисторных датчиков давления // Приборы и системы.управления • 1990-№10 - С. 41-42.

12. Васильев В.А. Модели преобразователей информации на основе твердотельных структур: монография:.- Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2003. — 124 с.

13. Аверин И! А. Управляемый синтез гетерогенных систем: получение и свойства: монография- Пенза:;Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2006 — 316 с.

14. Результаты мониторинга отказов; тонкопленочных тензорезисторных датчиков давления типа Вт 206 и Вт 212. Отчет № 3 О 108/600 ФГУП «ПИИФИ» -2007-90 с.

15. Горлов М.И., Емельянов В:А., Строганов А.В. Геронтология кремниевых интегральных схем М.: Наука, 2004. - 240 с.

16. Волохов И.В., Песков Е.В. Исследование свойств тонких плёнок из многокомпонентных сплавов с помощью специального аналитического оборудования

17. Сборник докладов научно- технической конференции «Датчики и детекторы для авиационной техники ДДАТ-2003г.» Пенза - 2003 - С. 167-172.

18. Физика тонких пленок / Под ред. Г. Хасса, М. Франкомба и Р. Гофмана, Пер. с англ. М.: Мир 1978.- Т. VIII - 360 с.

19. Хирс Д., Паунд Г. Испарение и конденсация, М.: Металлургия, 1966,196 с.

20. Гиббс Дж. В. Термодинамика. Статистическая механика. М. Наука. -1982.-584 с.

21. Kaischew R., Stranski I.N. Zur kinetischen Beschreibung der Keimbildungsgeschwindig-keit. // Z.Phys.Chem. 1934. Bd.26. - № 4/5. - s. 317 - 326.

22. Фольмер M. Кинетика образования новой фазы М.: Наука. 1986. - 206 с.

23. Дубровский Г.В. Кинетическая модель трехмерного решеточного газа для неоднородного многослойного адсорбата // Поверхность. 1994. - № 3. - с. 29 -39.

24. Volmer V., Weber A. Keimbildung in uebersaetigen Daempfen. // Z.Phys.Chem. 1926. Bd A119. - № 3/4. s. 277 - 301.

25. Becker R., Doering W. Kinetische Behandlung der Keimbildung in uebersaetigen Daempfen. // Ann. der Phys. 1935. - Folge 5. - Bd 24. - № 8. s.712 - 752.

26. Куни Ф.М., Гринин А.П. Кинетика гомогенной конденсации на этапе образования новой фазы // Колл. Журн. 1984.- т.46,- № 3. - с.460 - 465.

27. Кукушкин С. А., Осипов А. В. Процессы конденсации тонких пленок // Успехи физических наук, 1998. - т. 168, - №10. - с. 1083 - 1116.

28. Москалев Д. В. Исследование процесса роста металлических кластеров на поверхности кристаллов методом молекулярно-динамического моделирования. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Воронеж - 2006 - 121 с.

29. Кукушкин С. А., Слезов В. В., Дисперсные системы на поверхности на поверхности твердых тел С-Петербург: Наука — 1996 - 242 с.

30. Fuchs К. // Pro с. Cambridge Phil. Soc.- 34-100- 1938

31. Sondheimer F. H. Advan // Phys. 1 - 1 - 1952

32. Mayadas A.F., Shatzkes M. Electrical-Resistivity Model for Polycrystalline films: the Case of Arbitrary Reflection1 on External Surfase //Phys. Rev.

33. B.: 1970 v.l - № 4 - P. 1382-1389.

34. Tellier C.R., Tosser A.J. Approximete Expression for the Polycrystallines Metallic Films // Thin Solid Films, 1976 V.33 - №1 - p. 19-26.

35. Tellier C.R., Tosser A.J., Pichard C.R. Thin Polycristalline Metallic-Films Conductivity under the Assumption of Isotropic Grain-Boundary Scattering // J.Mater Sci. 1981 -v.l6-№3-P. 944-948.

36. Tellier G.R., Tosser A.J. Size effect in thin films. Amsterdam-Oxford-New-York:"Elsevier Scientific Publ. Company" 1982 - 310 p.

37. Комник Ю.Ф. Физика металлических пленок. Размерные и структурные эффекты / М.: Атомиздат, 1979 246 с.

38. Проценко И.Ю., Саенко В.А. Тонкие металлические пленки (технология и свойства) / Сумы: Изд-во СумРУ- 2002- 187 с.

39. Проценко И.Е. Расчет параметров электропереноса тонких поликристаллических пленок металлов // Изв. вузов. Физика. 1988- №6 С. 42—47.

40. Овчаренко Ю.М., Опанасик Н.М., Проценко И.Ю., Шелкопляс О.В. Расчет параметров электропереноса тонких металлических пленок в условиях внешнего и внутреннего размерных эффектов //УФЖ. 1997 т. 42 - № 7 - С. 826-830.

41. Проценко И.Е., Черноус А.Н., Шелкопляс О.В., Исследование электрофизических свойств двухслойных пленочных систем на основе титана, кобальта и никеля // Вопросы атомной науки и техники, Вып. 2 (3) 3 (4), Харьков - 1998 - С. 102-106.

42. Белоус О.А., Черноус A.M. Зернограничное рассеяние электронов в пленках меди // Вопросы атомной науки и техники, Вып. 1 (9) , Харьков 19991. C. 76-78.

43. Анкудинов Д. Т., Мамаев КН. Малобазные тензодатчики сопротивления. М.: Машиностроение 1968 - 187 с.

44. Клокова Н.П. Тензорезисторы. М.: Машиностроение 1990 - 222 с.

45. Canali С., Malavasi D., Morten М., TaroniA. Piesoresistive effect in thick-film resistors // Journal of physics 1980 - № 6 - P. 3282—3288

46. Рузга 3. Электрические тензометры сопротивления. М.: Мир 1964 - 356с.

47. Morten В., Pirrozi L., Prudeziati, Taroni A. Strain sensitivity in film and cermet resistor: measured and .physical quantities // Journal of physics D.: Applied Physics. 1979-Voi. 12-№5

48. Лугин A. H., Литвинов A. H. Экспериментальные исследования тензочувствительности тонкопленочных резисторов // Сб. докл. Международного симпозиума «Надежность и качество», Пенза 1999 - С. 343-345.

49. Лугин А.Н. Об анизотропии тензочувствительности резистивных материалов // Сб. докл. МНТК «Материалы для пассивных радиоэлектронных компонентов», Пенза 2005 - С. 88-92.

50. Ласюченко Е.Б., Однодворец Л.В., Проценко- И.Е. Микроскопическая теория тензочувствительности многослойных поликристаллических пленок // Вопросы атомной науки и техники, Вып. 1 (9) Харьков - 1999 - С. 76 - 78.

51. Ласюченко Е.Б., Проценко И.Е. Корреляция электрофизических свойств металлических пленок с числом- (s + d) электронов // Вопросы атомной науки и техники, Вып. 2 (10) - Харьков - 1999 - С. 94 - 96.

52. F.Khater, M.E1-Hiti // Phys. Stat. Sol.(a). 1988, V.108, №1, p.241-249.

53. Патент РФ № 1820416, МКИН01С 17/00 Высокотемпературный тен-зорезистор и способ его изготовления / Волохов И.В. Зеленцов Ю.А., Песков Е.В. заявка № 4879488/21, заявлено 30.10.90,- опубл. 07.06.93, бюлл.№21 - 5 с.

54. Волохов И.В. Зеленцов Ю.А., Песков Е.В. О возможности создания высокостабильных тонкоплёночных тензорезисторов // Материалы IV Межрегионального совещания «Тонкие плёнки в электронике» Москва-Улан-Удэ — 1993 -С. 221-224

55. Волохов И.В. Зеленцов Ю.А., Песков Е.В. Применение тонких пленок для тонкопленочных тензорезисторов в высокотемпературных чувствительных элементах датчиков давления // Радиотехника №10 - 1995 - С. 54

56. Симаков С.В. Критерии оценки работоспособности резистивных материалов при высоких удельных нагрузках // Сб. докл. МНТК «Материалы для пассивных радиоэлектронных компонентов», Пенза 2005 - С. 93 - 98

57. Асриянц Г.С., Кравчун С.Н., Третьякова О.Н. Теплоперенос в тонкой пленке с изменяющимися тепловыми свойствами в условиях периодического нагрева // Электронный журнал «Труды МАИ» №25 - 2006

58. Самсов Г.В., Виницкий И.М. Тугоплавкие соединения. М. Металлургия -1976-451 с.

59. Охотин А. С. Теплопроводность твердых тел. М. Энергоатомиздат — 1984-157 с.

60. Кандыба П. Е., Фоменко П. А. Повышенные импульсные электрические нагрузки в производстве тонкопленочных резисторов // Электронная техника -1971 Серия VI - Микроэлектроника - вып. 8 - С. 115 - 120

61. Фоменко П. А. Импульсная отбраковка резисторов со скрытыми дефектами резистивного слоя// Электронная техника 1973 - серия III - Микроэлектроника — вып. 2 - С. 58 - 60

62. ОСТ 11 073.026-74 Микросхемы интегральные гибридные. Конструирование. Обеспечение тепловых режимов, 1974 128 с.

63. Фалько И.И., Клокова Н.П., Лазарев Э.М. Тонкопленочные резисторы из тензорезистивных сплавов // Приборы и системы управления, 1985, №8 - С. 24-26

64. Анализ результатов сборки и настройки тонкопленочных тензорезисторных датчиков давления типа Вт 206 и Вт 212 за 2006 год Отчет № 75 О 301/600 -ФГУП «НИИФИ» - .2007 - 109 с.

65. Гнеденко Б. В. Курс теории вероятностей.— М.: Гостехиздат — 1950 —215 с.

66. Рао С. Р. Линейные статистические методы и их применение.— М.: Наука-1968-129 с.

67. Крамер Г. Математические методы статистики М.: Мир - 1975 - 343 с.