CC BY
26
ТЕХНОЛОГИЯ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ
УДК 531.787.084.2.002.5 DOI 10.21685/2307-5538-2019-4-9
И. В. Макаров, А. В. Перелыгина, Н. С. Чапанов, В. А. Шокоров
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ НА СВОЙСТВА МОНОСУЛЬФИДА САМАРИЯ В ПРОЦЕССЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КРИСТАЛЛОВ ДАТЧИКОВ ДАВЛЕНИЯ
I. V. Makarov, A. V. Perelygina, N. S. Chapanov, V. A. Shokorov
INVESTIGATION OF THE INFLUENCE OF CHEMICAL TREATMENT ON THE PROPERTIES OF SAMARIUM MONOSULFIDE IN THE PROCESS OF MANUFACTURING PRESSURE SENSOR CRYSTALS
Аннотация. Актуальность и цели. Предметом исследований является полупроводниковый чувствительный слой моносульфида самария (SmS) на кремниевой подложке. Целью работы является отработка технологии формирования приборного слоя на поверхности чувствительного элемента комбинированным методом, а также исследование влияния на состав нанесенного слоя SmS формирования нитрида кремния, травления SmS и формирования металлизации. Материалы и методы. В качестве теоретического метода исследования использовался: анализ научно-технической литературы по определению метода формирования приборного слоя, в качестве эмпирического - эксперимент, в котором определялся химический состав сформированного на кремниевой подложке SmS после воздействия химической обработки. Результаты. Определены оптимальные химические реагенты, применяемые материалы и режимы проведения фотолитографии, обеспечивающие сохранение химического состава SmS при формировании приборного слоя. Выводы. Предложенная технология формирования приборного слоя из SmS позволит повысить температурный диапазон измерения давления, чувствительность и линейность выходного сигнала, а также радиационную стойкость датчиков давления за счет применения более широкозонного материала.
Abstract. Background. The subject of research is a semiconductor sensitive layer of samarium monosulfide on a silicon substrate. The aim of the work is to develop a technology for the formation of an instrument layer on the surface of a sensitive element by a combined method and study of the effect on the composition of the applied SmS layer of the formation of silicon nitride, etching of SmS and the formation of metallization. Materials and methods. As research methods were used: analysis of scientific and technical literature to determine the method of forming the instrument layer as well as experiment in which the chemical composition of SmS formed on a silicon substrate was determined after exposure to chemical treatment. Results.In the course of the research, the optimal chemical reagents, the materials used and the
© Макаров И. В., Перелыгина А. В., Чапанов Н. С., Шокоров В. А., 2019
photolithography modes that ensure the preservation of the chemical composition of SmS during the formation of the instrument layer were determined. Findings. The technology proposed by the authors for the formation of the instrument layer from SmS will increase the temperature range of pressure measurement, sensitivity and linearity of the output signal, as well as radiation resistance of pressure sensors through the use of a wider-band material.
Ключевые слова: моносульфид самария, приборный слой, технология формирования, химический состав, фотолитография, методы травления, датчик давления.
Keywords: samarium monosulfide, instrument layer, formation technology, chemical composition, photolithography, etching methods, pressure meter.
Введение
Разработке и совершенствованию полупроводниковых датчиков давления уделяется большое внимание в нашей стране и за рубежом, что находит подтверждение в большом количестве научно-технических и патентных публикаций. Тем не менее остается немало нерешенных или требующих дальнейшего развития вопросов, связанных с их совершенствованием.
Повышение тактико-технических характеристик существующих датчиков давления является актуальной проблемой как с научной, так и с практической точек зрения. Наиболее распространенным явлением оказывается повышение температурного диапазона измерения давления, чувствительности и линейности выходного сигнала, а также радиационной стойкости, за счет применения более широкозонных материалов в качестве приборного слоя датчика. Новейшими среди таких материалов являются редкоземельные полупроводники и, в частности, моносульфид самария (SmS) [1, 2].
SmS как в чистом виде, так и легированный другими редкоземельными элементами, благодаря совокупности уникальных свойств обладает большим коэффициентом тензочув-ствительности, сравнимым с монокристаллическим кремнием и минимальным температурным коэффициентом сопротивления, в 3 раза меньшим по сравнению с Si [1, 2].
В связи с этим формирование SmS в качестве приборного слоя на полупроводниковом чувствительном элементе датчика давления с сохранением стехиометрии состава поверхности пленки является перспективной задачей, а анализ экспериментальных данных по формированию SmS является целью данной статьи.
Анализ основных методов формирования приборного слоя
При выборе оптимальной технологии формирования приборного слоя из SmS следует руководствоваться как точным воспроизведением рисунка схемы, так и минимизацией воздействия химреактивов на тонкопленочную структуру.
Опыт в разработке технологии формирования датчиков давления позволяет сделать выбор между тремя вариантами технологии:
- метод свободных масок;
- метод прямой фотолитографии;
- комбинированный метод.
Метод свободных масок исключает воздействие химреактивов на формируемые элементы схемы, но обладает меньшей точностью воспроизведения рисунка топологии и требует больших затрат на изготовление высокоточной и сложной технологической оснастки из нержавеющей стали [3].
Метод прямой фотолитографии отличается высокой точностью формирования элементов тензосхемы и совмещаемостью слоев, но формируемые элементы тензосхемы подвергаются воздействию сильнодействующих химических реактивов, что отрицательно сказывается в дальнейшем на временной стабильности параметров датчика.
Комбинированный метод предполагает формирование контактных площадок тензорези-сторов методом свободных масок, а конфигурации тензорезисторов - способ прямой фотолитографии. Если использовать в качестве метода травления тонкой резистивной пленки технологию ионного или ионно-химического травления, то исключается воздействие сильнодействующих химических реактивов на элементы тензосхемы.
Использование комбинированного метода формирования тензосхемы с применением плазмохимического, ионного или жидкостного травления тонкой резистивной пленки позволяет получить высокую точность воспроизведения топологии тензосхемы и обеспечивает долговременную стабильность параметров датчика [4].
Способ плазмохимического травления обладает селективностью, равномерностью и скоростью, сравнимыми с жидкостным химическим травлением, но не требует очистки поверхностей после обработки, позволяет одновременно травить подложки и удалять фоторези-стивные маски, а также может использоваться для обработки любых материалов (нитрида кремния, алюминия, хрома, золота, платины, титана, молибдена, вольфрама и др.). Плазмохи-мическое травление проводится в среде реактивных газов. Для каждого материала подбирается своя среда травления (реактивные газы на основе соединений С1 или F). Процессы, протекающие на поверхности тонкой пленки при бомбардировке их тяжелыми заряженными частицами, сложны и многообразны. Основным механизмом энергообмена при взаимодействии ускоренных ионов с кристаллической решеткой является ядерное торможение, приводящее к созданию избыточной концентрации вакансионных и более сложных дефектов и, как следствие этого, к кардинальной реконструкции поверхности вплоть до полной ее аморфиза-ции. Наряду с этим ионная бомбардировка способна вызывать преимущественное распыление отдельных компонентов схемы, что приводит к изменению стехиометрии состава поверхности пленки.
Способ ионного травления позволяет получить высокое аспектное соотношение защитной маски к обрабатываемому слою. Ионное травление позволяет сформировать структуры без подтравов под защитную маску фоторезиста. Недостатком метода является низкая скорость травления, что обусловливает необходимость длительной обработки. Такой метод хорошо подходит для травления слоев толщиной до 0,3 мкм (в зависимости от материала травления). Ионное травление проводится на установке «Радикал» или Watt-500. Травление осуществляется в среде инертного газа - аргона. При этом схема не загрязняется остатками процесса травления, так как образуемые в процессе травления радикалы имеют низкий порог летучести в вакууме и легко удаляются из зоны реакции откачной системой установки [5].
Жидкостный способ травления обладает высокой скоростью травления. Большинство физико-химических процессов, протекающих на поверхности, - это сложные превращения, в которых решающую роль играют активные короткоживущие промежуточные частицы (свободные радикалы, ионы, комплексные соединения). Такие активные частицы возникают в результате взаимодействия молекул твердого тела и травителя. При растворении поликристаллических твердых тел с их поверхности отделяются частицы и агрегаты частиц, распадающиеся до молекулярных и атомных размеров в глубине раствора. При этом ход процесса травления определяется случайным характером агрегатирования частиц вещества. От характера травителя и структуры тонкой пленки зависит механизм травления. Достоинствами метода являются высокая скорость травления, возможность выбирать состав травителя, что обеспечивает его селективность к участкам схемы или конструкции, не предназначенным для травления. Недостатком способа является изотропная модель травления материала, так как происходит подтрав под защитную маску фоторезиста, что затрудняет выдерживание допусков на геометрические размеры топологии [5, 6].
В качестве метода формирования топологии резистивного слоя выбран способ ионного травления, что позволяет избавиться от подтравов топологического слоя резистора, которые возникают в большей мере при жидкостном способе, и от изменения стехиометрического состава при плазмохимическом способе травления.
Определение химического состава в процессе формирования приборного слоя
Процесс ионного травления тонкой пленки SmS с целью формирования на поверхности кристалла измерительной схемы тензометрического датчика давления проводился в среде аргона на установке ионного травления Watt-500. Травление проводилась в три этапа с промежуточным контролем недотравленных участков SmS. В процессе травления определялся химический состав методом анализа послойных карт электронных изображений приборного слоя на растровом электронном микроскопе (РЭМ) Jeol.
После травления с использованием линий рентгеновского спектра были получены послойные карты отдельных элементов, представленные на рис. 1,а, а также проведено исследование спектра излучения материалов на поверхности исследуемого образца, результаты которого приведены на рис. 1,6.
а) б)
Рис. 1. Результаты определения состава приборного слоя после первого травления: а - послойные карты электронных изображений отдельных элементов; 6 - интенсивность спектров излучения материалов на поверхности исследуемого образца; 1 - слой самария ^т); 2 - слой серы 3 - слой фоторезиста (С)
При анализе полученных данных выявлено, что на незащищенном поле подложки присутствует слой фоторезиста. В связи с этим проводилось повторное снятие фоторезиста в среде диметилформамида при температуре от 21 до 23 °С в течение 10 мин. Из-за продолжительной обработки фоторезиста пучком ионов в установке ионного травления Watt-500 (более 1 ч) после обработки в растворителе остались нерастворенные участки защитной маски. Для дотравливания фоторезиста проведена дополнительная обработка фоторезиста в кислородной плазме на установке плазмохимического травления «Pico». Процесс реактивного плазменного травления осуществляется в условиях, когда на обрабатываемых образцах в условиях ВЧ-разряда создается отрицательный относительно плазмы электрический потенциал, отбирающий и ускоряющий ионы из плазмы по направлению к поверхности обрабатываемой подложки.
Результаты повторного травления представлены на рис. 2.
а) 6)
Рис. 2. Результаты определения состава приборного слоя после повторного травления: а - послойные карты электронных изображений отдельных элементов; 6 - интенсивность спектров излучения материалов на поверхности исследуемого образца; 1 - слой самария ^т); 2 - слой серы
В соответствии с рис. 2 при анализе полученных результатов прослеживаются пики спектра излучения самария (8т) и серы (8), что свидетельствует о наличии сформированного слоя резистивного материала из SmS.
В связи с низкой химической устойчивостью халькогенидов к воздействию влаги, содержащейся в атмосфере, для обеспечения защиты приборного слоя и сохранения его химического состава в процессе изготовления и эксплуатации на установке Depolab сформирован слой нитрида кремния. После формирования даного слоя были проведены исследования химического состав на кремниевой подложке, результаты которого приведены на рис. 3.
а) б)
Рис. 3. Результаты определения состава приборного слоя после формирования защитного слоя
из нитрида кремния: а - послойные карты электронных изображений отдельных элементов; б - интенсивность спектров излучения материалов на поверхности исследуемого образца; 1 - слой самария (8т); 2 - слой серы (8); 3 - слой нитрида кремния, содержащий азот К)
В соответствии с полученными результатами прослеживаются пики спектра излучения самария (8т) и серы (8), что свидетельствует о наличии сформированного слоя резистивного материала.
Для возможности измерения величины тензосопротивлений, подачи напряжения питания и снятия выходных характеристик в местах формирования контактных площадок нитрид стравлен методом плазмохимического травления на установке Etchlab, а затем нанесен слой из алюминия, после травления которого сформированы металлизированные дорожки и контактные площадки. Для определения толщины сформированных слоев были проведены исследования сформированной структуры на лазерном профилометре М^ака (рис. 4).
Исходя из полученных результатов определена толщина слоя резисторов с учетом защитного слоя равная 0,9 ± 0,1 мкм, а также толщина контактного слоя алюминия составляла 2 ± 0,2 мкм.
Определение состава пленок проводилось методом рентгенофазового анализа (один из методов рентгеноструктурного анализа). Метод основан на облучении образца направленным рентгеновским излучением и детектировании интенсивности отраженных частиц. Результат измерения показал наличие агломератов соединений 8тх8у. Рентгеновские лучи исследуют структуру и само соединение, в случае полиморфных тел дают возможность различить структурные модификации, свойственные определенному соединению. Гистограмма распределения интенсивности излучения для соединений 8тх8у представлена на рис. 5.
По оси У представлены пики интенсивности для соединений вида 8тх8у, а по оси Х представлены распределения пиков соединений в зависимости от угла кристаллической решетки, соответствующего определенному стехиометрическому составу соединения.
Max mum height Mean height
a)
20 30 40 50 60 70 SO 90
0.924 |im 0.906 pm
110 1 20 1 30 140 |jm
S)
б)
-IV -A- м-
—н '"WVy-
Maximum height Mean height Width
l
2.01 um 2.00 um 17.0 um
г)
Рис. 4. Результаты определения толщины сформированных слоев: а - внешний вид тензорезистора формы меандр; б - внешний вид контактного слоя алюминия; в - результат замера профиля тензорезистора формы меандр; г - результат замера профиля контактного слоя алюминия
Рис. 5. Гистограмма распределения интенсивности излучения для соединений SmxSy
Разновидность химических соединений, обнаруженных в спектре излучения, показана на рис. 6.
Соединение присутствует в результирующем спектре, что подтверждает теоретические исследования в части выбора технологии напыления сульфида самария.
50
ши
150
200 um
Color Enlry Formula Matched phase Quait.CV) -
96-153-3537 SSm Sm S П.В.
96-103-1653 S4Sm3 Sm3S4 П.Й.
96^12^06* 02S Si 02 n.a.
96-152-1929 07S3Si2Sm4 5m4 53 (S¡2 ОТ) ЛЛ.
96'900-6720 SSfTl n,ar
Рис. 6. Обнаруженные виды химических соединений
Заключение
В результате исследований отработана технология формирования приборного слоя на поверхности чувствительного элемента комбинированным методом, а также исследовано влияние на состав нанесенного слоя SmS нитрида кремния, формирования топологической схемы SmS методом ионного травления и формирования металлизации. В соответствии с полученными результатами можно сделать вывод о правильности примененной технологии формирования приборного слоя, а также об оптимальной толщине резистивного слоя из моносульфида самария 0,9 (± 0,1) мкм и слоя металлизации 2 (± 0,2) мкм.
Библиографический список
1. Володин, Н. М. Тензометрия на основе редкоземельных полупроводников в космических аппаратах / Н. М. Володин, Ю. Н. Мишин, В. В. Каминский // Вестник НПО им. С. А. Лавочкина. - 2011. -№ 5 (11). - С. 51-55.
2. Каминский, В. В. Барорезистивный эффект и полупроводниковые тонкопленочные барорезисторы на основе сульфида самария для аэрокосмических аппаратов / В. В. Каминский, Н. Н. Степанов, Н. М. Володин, Ю. Н. Мишин // Вестник НПО им. С. А. Лавочкина. - 2013. - № 1 (17). - С. 11-16.
3. Конструирование и технология микросхем. Курсовое проектирование / Л. А. Коледов, В. А. Волков, Н. И. Докучаев, Э. М. Ильина, Н. И. Патрик ; под ред. Л. А. Коледова. - Москва : Высш. шк., 1984. -231 с.
4. Крайнова, К. Ю. Технология изготовления полупроводникового чувствительного элемента датчика давления на основе поликристаллического алмаза / К. Ю. Крайнова // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. - 2017. - № 3 (21). - С. 90-96.
5. Степаненко, И. П. Основы микроэлектроники / И. П. Степаненко. - Москва : Лаборатория Базовых Знаний, 2001. - 488 с.
6. Пауткин, В. Е. Химическое формообразование элементов МЭМС / В. Е. Пауткин // Датчики и системы. - 2018. - № 8-9. - С. 56-61.
References
1. Volodin N. M., Mishin Yu. N., Kaminskiy V. V. Vestnik NPO im. S. A. Lavochkina [Bulletin of the NGO. S. A. Lavochkina]. 2011, no. 5 (11), pp. 51-55. [In Russian]
2. Kaminskiy V. V., Stepanov N. N., Volodin N. M., Mishin Yu. N. Vestnik NPO im. S. A. Lavochkina [Bulletin of the NGO. S. A. Lavochkina]. 2013, no. 1 (17), pp. 11-16. [In Russian]
3. Koledov L. A., Volkov V. A., Dokuchaev N. I., Il'ina E. M., Patrik N. I. Konstruirovanie i tekhnologiya mikroskhem. Kursovoe proektirovanie [The design and technology of microcircuits. Course design]. Moscow: Vyssh. shk., 1984, 231 p. [In Russian]
4. Kraynova K. Yu. Izmerenie. Monitoring. Upravlenie. Kontrol' [Measurement. Monitoring. Management. Control]. 2017, no. 3 (21), pp. 90-96. [In Russian]
5. Stepanenko I. P. Osnovy mikroelektroniki [Basics of microelectronics]. Moscow: Laboratoriya Bazovykh Znaniy, 2001, 488 p. [In Russian]
6. Pautkin V. E. Datchiki i sistemy [Sensors and systems]. 2018, no. 8-9, pp. 56-61. [In Russian]
Макаров Иван Васильевич
инженер-конструктор, Научно-исследовательский институт физических измерений (Россия, г. Пенза, ул. Володарского, 8/10) E-mail: Mackarof@mail.ru
Makarov Ivan Vasil'evich
design engineer, Scientific-research Institute of physical measurements (8/10 Volodarskogo street, Penza, Russia)
Перелыгина Александра Владимировна
инженер-конструктор,
Научно-исследовательский институт
физических измерений
(Россия, г. Пенза, ул. Володарского, 8/10)
E-mail:Aperelygina91@gmail.com
Perelygina Aleksandra Vladimirovna
design engineer, Scientific-research Institute of physical measurements (8/10 Volodarskogo street, Penza, Russia)
Чапанов Никита Сергеевич
инженер-технолог, Научно-исследовательский институт физических измерений (Россия, г. Пенза, ул. Володарского, 8/10) E-mail: Jdarvin55@gmail.com
Chapanov Nikita Sergeevich
engineer-technologist, Scientific-research Institute of physical measurements (8/10 Volodarskogo street, Penza, Russia)
Шокоров Вадим Александрович
инженер-конструктор, Научно-исследовательский институт физических измерений (Россия, г. Пенза, ул. Володарского, 8/10) E-mail: Shokorov58@gmail.com
Shokorov Vadim Aleksandrovich
design engineer, Scientific-research Institute of physical measurements (8/10 Volodarskogo street, Penza, Russia)
Образец цитирования:
Макаров, И. В. Исследование влияния химической обработки на свойства моносульфида самария в процессе изготовления кристаллов датчиков давления / И. В. Макаров, А. В. Перелыгина, Н. С. Чапанов, В. А. Шокоров / / Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. - 2019. - № 4 (30). -С. 77-84. - БО! 10.21685/2307-5538-2019-4-9.
