Функциональная диагностика микроэлектронных датчиков акустических давлений Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

Петрунин Г.В., Михайлов П.Г. , Шариков М.В. , Харлан А.А. ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ДИАГНОСТИКА МИКРОЭЛЕКТРОННЫХ ДАТЧИКОВ АКУСТИЧЕСКИХ ДАВЛЕНИЙ

В процессе разработки микроэлектронных датчиков (МЭД) проводятся комплексные исследования их элементов, структур и узлов путем всесторонних их испытаний при различных условиях и величинах внешних воздействующих факторов (ВВФ).

При этом могут быть использованы различные методы диагностики, отличающиеся физическими эффектами, регистрируемыми при диагностических воздействиях (рис. 1).

Методы диагностики

элементов и структур МЭД

Рисунок 1. Классификация методов диагностики структур и элементов МЭД

В процессе исследований нами были использованы комплексные (функциональные) методы диагностики элементов и структур МЭД. При этом испытывались как разработанные МЭД, так и их отдельные узлы и элементы, в частности измерительные модули, полупроводниковые чувствительные элементы (ПЧЭ) и компенсационные платы. Задачей исследования узлов и элементов являлась проверка основных конструктивно-технологических решений (КТР), созданных в процессе разработки и изготовления экспериментальных и макетных образцов МЭД. Так, например, при исследовании компенсирующих схем и методов термокомпенсации погрешностей применительно к МЭД, были разработаны математическая модель термокомпенсатора и его принципиальная схема. После этого было проведены макетирование термокомпенсатора и испытание его совместно с ПЧЭ, а по их результатам осуществлялся подбор оптимального соотношения плеч резисторного делителя регулирующего транзистора, обеспечивающего минимизации погрешности чувствительности датчика. По полученным данным рассчитывали топологию компенсационной платы. При исследовании ПЧЭ были определены номиналы и разброс пьезорезисторов, их ТКС и пьезочувствительность, по которым корректировалась топология, фотошаблоны, уровни легирования и режимы проведения основных технологических операций по формированию интегральных и пленочных элементов ПЧЭ и плат.

Результаты исследований ПЧЭ, измерительных модулей и микроэлектронных датчиков.

В ходе проведения экспериментальных работ для отдельных пьезорезисторов ПЧЭ были исследованы зависимости вида:

Ъ=£Л^); (1)

Р^=Г2(Рх ст). (2)

По указанным зависимостям определены температурные коэффициенты сопротивлений (ТКС) и чувствительности пьезорезисторов. Были исследованы также такие комплексные параметры ПЧЭ, как изолирующие свойства, светочувствительность, чувствительность к давлению и температуре, вольтамперные, нагрузочные и иные характеристики:

I=fз(U); (3)

!уТ=Г4(Ф); (4)

Овых м= £5 (Рк); (5)

Овых о=£б(Ь°к) при Рк=0; (6)

Ц"вых= £7 ( ^°к) при Рк=Рн, (7)

где I и прямой ток в мостовой схеме ПЧЭ при подаче напряжения и

1ут обратный ток (ток утечки) при освещении кристалла световым потоком Ф;

ивых о, ивых м и ивых соответственно напряжение разбаланса и выходные напряжения мостовой схемы при нулевом калибровочном давлении (Рк=0), при текущем Рк и при калибровочном давлении равном номинальному давлению (Рк =Рн); ^-температура нагрева.

После обработки и анализа экспериментальных данных был определен ряд показателей качества ПЧЭ, по которым в дальнейшем проводился контроль и отбраковка ПЧЭ при изготовлении макетных и опытных образцов датчиков.

При исследовании ПЧЭ была подтверждена высокая диагностическая информативность вольтамперных характеристик (ВАХ)-характеристика (5) для ПЧЭ, имеющих пьезорезисторы и коммутационные шины, изолированные р-п переходами. По виду ВАХ и по числовым значениям токов утечки, обратного напряжения и прочих параметров можно судить о наличии и характере дефектов, прогнозируя, таким образом, потенциальные надежность и стабильность ПЧЭ. Полученные в ходе исследований данные подтверждают выводы о характере дефектов, приведенные в [2]. На основе рекомендаций отраслевых стандартов, проведенных расчетов, опыта разработки МЭД и большого числа экспериментальных данных был определен ряд частных оценочных информационно - энергетических параметров качества, которые были внесены в конструкторско-технологическую документацию на датчики. Так для ПЧЭ МЭД с пьезорезисторами включенными в мостовую схему такими параметрами качества являются следующие (в скобках дано их граничное значение):

Начальный разбаланс моста (Цо^1мВ);

Разброс номиналов пьезорезисторов (5Я/Я<2...3%);

Номинальный выходной сигнал (и^ЮОмВ);

Температурный коэффициент начального сигнала (а<0,02%/° С);

Температурный коэффициент чувствительности (р<0,05%/° С);

Ток утечки (!у<0,2 мкА при иобр=10 В; 1у<0,5 мкА (при иобр=30 В);

Обратное напряжение (и,обр^30 В).

Кроме того, при контроле и диагностике ПЧЭ анализируются виды прямой и обратной ветвей ВАХ на наличие аномалий вызванных дефектами структуры.

Исследование светочувствительности (4) проводилось при расположении источника излучения, как с планарной, так и с непланарной сторон кристалла ПЧЭ. В качестве информативного параметра был принят ток утечки. При этом в первом случае световой поток (Ф) не нормировался и источником излучения была лампа подсветки микроскопа, а во втором он нормировался и исследования проводились на специальной испытательной установке. Исследовались как отдельные ПЧЭ, так и готовые датчики.

Было обнаружено, что по изменению тока утечки (1уТ) при освещении планарной стороны ПЧЭ, на которой расположена пьезорезистивная мостовая схема, можно судить о годности и стабильности элементов последней, в частности, если 1уТ возрастает в 6.8 раз и стабилизируется, то кристалл, как правило, годный. Таким образом, по фотоотклику можно производить первичную разбраковку кристаллов ПЧЭ еще на пластине до разделения, что позволяет значительно уменьшить трудоемкость контроля.

При исследовании температурных, нагрузочных и иных характеристик как ПЧЭ, так и отдельных его элементов были использованы оригинальные испытательные устройства и методики, позволяющие нагревать и охлаждать кристаллы, термоциклировать, подавать на них контролируемое давление или разрежение [36]. Схематично одно из таких устройств изображено на рис. 2.

Рисунок 2. Устройство для испытания ПЧЭ и измерительных модулей МЭД: а-столик с подогревом и

электромагнитным держателем; б-схема измерения [1-источник давления (разрежения); 2-задатчик температуры; 3-терморегулятор; 4-усилитель; 5-столик; 6-регулятор давления (разрежения); 8-ПЧЭ; 9-зонды; 10-

сравнивающее устройство]

Диагностическая информация при исследовании ПЧЭ на таком устройстве снимается с контактных площадок кристалла с помощью зондов установки "Зонд А-4", на которую монтируется испытательное устройство. Данное устройство, благодаря широким функциональным возможностям, позволяет проводить комплексные испытания как отдельных ПЧЭ, так и кристаллов в составе пластин и выявлять на этапе функционального контроля потенциально ненадежные, имеющие микротрещины, дефекты металлизации, «р-п» переходов и т.д.

Измерительные модули датчиков подвергались комплексным испытаниям по воздействию давления и температуры (7). Измерительные модули закреплялись в груповом приспособлении, через трубопровод на них подавалось нагрузочное давление от источника сжатого воздуха, после чего они помещались в камеру тепла и холода. Значения выходных сигналов с модулей регистрировались измерительными приборами и периодически выводились на дисплей персонального компьютера. Те измерительные модули, которые соответствовали техническим требованиям, изложенным в конструкторской и технологической документации, после проведения контроля допускались на дальнейшую сборку МЭД. Забракованные измерительные модули, в зависимости от дефекта или дорабатывались с помощью дополнительной термотоковой технологической тренировки, или уничтожались с выпуском соответствующего акта.

Испытания кристаллов МЭД

При групповых технологиях, с помощью которых изготавливаются кристаллы ПЧЭ, существует определенный технологический разброс их характеристик, в частности разброс по размерам упругих частей мембран. Поэтому при их изготовлении осуществляется индивидуальный контроль каждого кристалла и производится разбраковка их по диапазонам давлений согласно фактическим толщинам мембран. Контроль осуществляется по выходному сигналу с ПЧЭ, нагруженного определенным усилием. В разработанном устройстве указанное нагружение имитируется подачей определенного контролируемого разряжения. Кроме того, для более полной имитации реальных условий эксплуатации, одновременно с подачей разряжения ПЧЭ нагревают или охлаждают. Контроль характеристик каждого ПЧЭ осуществляют в реальном масштабе времени, используя подачу питания и измерение сигнала с ПЧЭ за время проведения испытаний.

Для проведения испытания кристаллов в корпусе вышеуказанного испытательного устройства размещен нагреватель и сформирована спиралевидная канавка, по которой подается хладоагент-азот или фреон. В центре стола устройства расположены отверстия, ведущие к патрубку, соединенному с вакуумным насосом, а съем измерительных сигналов с ПЧЭ осуществляется с помощью зондов, устанавливаемых на контактных площадках кристалла.

По результатам замеров принимают решение о годности кристаллов: годен, не годен, перевести в другой диапазон измерений.

Примеры унифицированных конструкций измерительных модулей и ПЧЭ МЭД, которые подвергались диагностике и контролю с использованием универсального испытательного устройства приведены на рис. 3 и рис. 4.

1

\Ъг

р^'іУпіп>‘ • * ■ мі

Рисунок 3. Унифицированный измерительный модуль (1-профилированный УЭ; 2-стеклобуса; 3-пьезорезистор; 4-диффузионная шина; 5-пленка ЗЮ2; б-пленка поликремния; 7-металлизация; 8-окна в ЭЮг под контакт с металлизацией; 9-окна в поликремнии)

Рисунок 4. Унифицированный ПЧЭ для МЭД малых давлений

Указанные измерительные модули и ПЧЭ имеют топологию удобную для проведения диагностики с использованием стандартных зондовых установок.

ЛИТЕРАТУРА

1. Михайлов П.Г Контроль и диагностика чувствительных элементов датчиков / П.Г Михайлов, А.П. Михайлов // Контроль. Диагностика № 10, 2003. С. 28-31.

2. Чернышев А.А. Основы надежности полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. М.: Радио и связь,1998.

3. Михайлов П.Г. Устройство для настройки. / П.Г.Михайлов, С.А. Козин, К.А. Афанасьев // Авт. св. № 1569634.

4. Михайлов давления. П.Г.

5. Михайлов

П.Г. Устройство для испытания полупроводниковых чувствительных элементов Михайлов, С.А. Козин, К.А. Афанасьев // Авт. св. № 1661600.

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

6. Михайлов П.Г. Стабильность микроэлектронных датчиков и 2003.-231 с

датчиков

П.Г. Ми-

технологий (монография)-Пенза: ПГУ,