CC BY
49
УДК 621.3.032
Волков В.С., Федулов А.В.
ОАО НИИ физических измерений, г. Пенза
КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ПО ИСКЛЮЧЕНИЮ ВАКУУМПЛОТНОГО БАРЬЕРА ДЛЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ДАТЧИКОВ АБСОЛЮТНОГО ДАВЛЕНИЯ НА СТРУКТУРЕ «ПОЛИКРЕМНИЙ - ДИЭЛЕКТРИК»
Аннотация. Предложены конструктивно - технологические решения для исключения вакуумплотного барьера за счет совершенствования технологии диффузионной сварки.
Ключевые слова: СТРУКТУРА «ПОЛИКРЕМНИЙ - ДИЭЛЕКТРИК», ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДАТЧИК АБСОЛЮТНОГО ДАВЛЕНИЯ, ПОЛОСТЬ ОПОРНОГО ДАВЛЕНИЯ, ДИФФУЗИОННАЯ СВАРКА
Значительная часть измерений давления проводится в условиях высоких температур, что требует решения задачи создания высокотемпературных датчиков давления с использованием передовых технологий, к которым относятся микроэлектронные и микромеханические технологии создания интегральных полупроводниковых датчиков [1].
Современный уровень развития МЭМС - технологий позволяет использовать для изготовления высокотемпературных полупроводниковых тензорезистивных датчиков абсолютного давления (ВПТДАД) структуру «поликремний - диэлектрик», которая позволяет реализовать преимущество КНД - технологии (изоляция тензорезисторов от подложки слоем двуокиси кремния) и использовать хорошо отработанную технологию изготовления поликремниевых тензорезисторов для повышения рабочего температурного диапазона ВПТДАД до 250 - 300°С.
При проектировании и изготовлении интегральных ВПТДАД важной задачей является снижение дрейфа выходного сигнала вследствие относительно низкой степени вакуума в полости опорного давления. Данное явление обусловлено наличием остаточных молекул веществ (прежде всего гелия, водорода, углекислого газа, водяного пара и др.) в полости, которые воздействуют на чувствительный элемент (ЧЭ) с непланарной стороны, вызывая прогиб и, тем самым, являясь причиной появления неинформативного выходного сигнала, что особенно критично для ЧЭ ВПТДАД, когда вследствие теплового расширения молекул веществ данный эффект протекает наиболее заметно.
Низкая степень вакуума в полости опорного давления ВПТДАД, приводящая к дрейфу выходного сигнала, может объясняться двумя причинами:
1 эффектом проницаемости газов сквозь кварцевое стекло, образующее вместе с ЧЭ из полупроводникового материала полость опорного давления;
2 особенностью проведения технологического процесса вакуумирования ЧЭ методом диффузионной сварки (электростатического соединения в вакууме).
Далее более подробно рассмотрим каждую их этих причин с целью выработки возможных решений по устранению накладывающихся ограничений.
1 Газы растворяются в кварцевом стекле или адсорбируются на его поверхности; после этого они могут проникать через стекло и диффундировать в нем. Гелий быстро диффундирует через стекло, что определяет нижний предел вакуума в стеклянных вакуумных системах [2]. He3 диффундирует быстрее, чем Не4. В кварцевом стекле с содержанием 96% SiO2 (викор), скорость диффузии гелия выше, чем в чистом кварцевом стекле, хотя в большинстве других стекол она ниже. Как правило, скорость диффузии высока, когда велико содержание стеклообразующих примесей.
Для пленки кварцевого стекла толщиной 1 мкм, по одну сторону которой находится гелиевая атмосфера, а по другую - вакуум, скорость проникания составляет около 1014 атом/см2 -сек при комнатной температуре. Другие газы также будут диффундировать через стекло и проникать через него, хотя и с меньшей скоростью. Коэффициент диффузии водорода равен примерно 1,4-10-7 см2/сек. при температуре 400°С и 2,4 -10-6 см2/сек при температуре 1050°С. Значения проницаемости водорода в кварцевом стекле по данным различных источников имеют порядок от 10-9 при 600°С до 10-8 при 1000°С [2].
При диффузии водорода или воды в кварцевом стекле образуются ОН-группы, хотя диффундирующие вещества различны. Коэффициент диффузии Н2О, измеренный по инфракрасному поглощению на волне 2,7 мкм, равен 1,0-10-6 ехр(-0,794 эв/кТ) [3]. Считается, что эта величина обусловлена диффузией как гидроисильных групп, так и молекулярной воды.
2 В настоящее время достижимая степень вакуума в полости опорного давления ВПТДАД составляет значение не ниже, чем 1^10-2 мм.рт.ст. из-за сопровождающего процесс диффузионной сварки поджатия полированных поверхностей стекла и кремния в местах соприкосновения подложки и пластины, способствующего образованию вакууплотного барьера, не позволяющего обеспечить требуемую степень вакуума. В процессе откачки газовой среды из камеры нагрева, экспериментальным путем установлено, что после достижения в полости опорного давления ЧЭ 1^10-2 мм.рт.ст., уменьшение значения давления в камере нагрева до 1^10-8 мм.рт.ст. и увеличение времени выдержки ЧЭ в ней, по крайней мере, до 4 часов, не приводит к изменению давления внутри полости опорного давления.
Образование вакуумплотного барьера объясняется уменьшением зазора между стеклянной подложкой и кремниевой пластиной до значения, когда размер молекул газовой среды в полости опорного давления ЧЭ становится больше, чем зазор. В этом случае давление в полости ЧЭ определяется оставшимися молекулами газовой среды. В процессе последующей диффузионной сварки, проводящейся при нагреве и механическом поджатии деталей, подключении к ним электрического потенциала 300...1000 В (положительный потенциал подается на кремниевую пластину), между кремниевой пластиной и стеклянной подложкой образуются связь типа ковалентной с энергией от 500 до 5000 кДж/моль, сохраняющая давление в полости опорного давления ЧЭ не ниже 1^10-2 мм.рт.ст., что является неприемлемым для создания ВПТДАД с температурным диапазоном от минус 100 до 600°С (при повышении температуры наличие остаточных молекул газовой среды, из-за ее температурного расширения в полости опорного давления, вызовет прогиб мембраны со стороны, обратной измеряемому давлению, а значит и воздействие на измерительную схему, что привнесет дополнительную погрешность).
Для исключения данного явления в [4,5,6] было предложено установку для диффузионной сварки, содержащую камеру нагрева, нагреватели, токоведущие шины, изоляторы и пакетное устройство, состоящее из систем сжатия узлов-заготовок, нижней и верхней токопроводящих плит, дополнительно снабдить биметаллической пластиной, закрепленной в камере нагрева и выполненной из материалов с различными температурными коэффициентами линейного расширения, и металлической вставкой,
один конец которой соединен с биметаллической пластиной, а другой конец расположен между узлами-заготовками (рисунок 1).
а б
1 - Камера нагрева; 2 - нагреватели; 3 - токоведущие шины; 4 - изоляторы; 5 - соединяемые детали; 2 - основание; 7 - подвижные опоры; 8,9 - нижняя и верхняя токопроводящая плиты; 10 -металлическая вставка; 11 - биметаллическая пластина
а - До диффузионной сварки; б - после диффузионной сварки
Рисунок 1 - Усовершенствованная установка для диффузионной сварки
Введение биметаллической пластины, закрепленной в камере нагрева и выполненной из материалов с различными температурными коэффициентами линейного расширения, и металлической вставки, один конец которой соединен с биметаллической пластиной, а другой конец расположен между узлами-заготовками, позволяет путем исключения вакуумплотного барьера достичь в полости опорного давления необходимой степени вакуума, равной ее значению в камере нагрева. В процессе диффузионной сварки, заключающемся в создании вакуума в камере нагрева, нагреве внутреннего пространства камеры нагрева до температуры ti, биметаллическая пластина изменяет свою конфигурацию, принимая форму дуги окружности, и металлическая вставка, закрепленная одним концом с биметаллической пластиной, выходит из контакта между соединяемыми деталями, и способствует закрытию зазора между ними. В дальнейшем, в процессе продолжающейся диффузионной сварки, благодаря повышению температуры до t2 и прикладываемому определенному электрическому потенциалу, происходит механическое поджатие соединяемых деталей, с образованием между ними связи типа ковалентной с высокой энергией соединения.
Предложенное конструктивно-технологическое решение по исключению вакуумплотного барьера позволяет достичь в полости опорного давления между стеклянной подложкой и кремниевой пластиной необходимой степени вакуума, равной ее значению в камере нагрева, что позволит расширить температурный диапазон ВПТДАД, а также уменьшить дрейф выходного сигнала.
ЛИТЕРАТУРА
1. Мокров Е.А. Баринов И.Н. Разработка высокотемпературных полупроводниковых датчиков давления // Приборы.-2008.- №11.- С. 8-13.
2. Основы технологии кремниевых интегральных схем. Окисление, диффузия, эпитаксия. Под редакцией Р. Бургера и Р. Донована. Пер. с англ. М.: Мир, 1969. - 452 с.
3. Драгунов В.П. Анализ характеристик многоэлементных тензопреобразователей // Электронное приборостроение. Новосибирск, НЭТИ. - 1992. - с. 131 - 139.
4. Установка для диффузионной сварки. Баринов И.Н., Федулов А.В. Пат. 2397053 Российская
Федерация, МПК B 23 K 20/14, заявитель и патентообладатель ОАО «НИИФИ», г. Пенза. - №
2009134212/02, заявл. 11.09.2009; опубл. 20.082.2010, Бюл. № 23. - 6 с.: ил.
5. Баринов И.Н., Волков В.С. Обеспечение долговременной стабильности параметров высокотемпературных полупроводниковых тензорезистивных датчиков абсолютного давления // Приборы .-2012.-№9.-С. 29-35.
6. Баринов И.Н. Оптимизация параметров полупроводниковых чувствительных элементов датчиков абсолютного давления // Приборы.-2009.-№4.-С. 47-51.
