CC BY
145Полупроводниковые чувствительные элементы датчиков давлений
на основе наноструктурированного поликристаллического кремния
Александр МИШАНИН Александр РОДИОНОВ Сергей КОЗИН Илья БАРИНОВ, к. т. н. mzungu@inbox.ru
В новых разработках интегральных чувствительных элементов (ЧЭ) датчиков физических величин в целях обеспечения улучшенных эксплуатационных и метрологических характеристик применяются структуры «крем-ний-на-диэлектрике» (КНД): в данном случае тензорезистивная мостовая измерительная схема, а также другие элементы, входящие в состав ЧЭ, (терморезистор(ы), транзистор(ы) и др.) изолированы от подложки изоляционным слоем, в качестве которого чаще всего выступает термически выращенная двуокись кремния ^Ю2) [1].
На основе подобной структуры возможно создание датчиков давления со следующими характеристиками, соответствующими совокупности современных требований авиационной, ракетно-космической и гражданской техники [2, 3]:
• Диапазон измерений — от 0,01 до 100,0 МПа.
• Выходной сигнал при максимальном давлении — не менее 50 мВ.
• Основная погрешность — не более ±0,2% от максимального давления.
• Температурное смещение начального выходного сигнала и изменение чувствительности — не более 0,02%/°С.
• Рабочий диапазон температур — от -100 до +500 °С.
• Долговременный дрейф от Pmax — не более 0,01% в год при условии применения ограниченной номенклатуры отечественных электрорадиоизделий особой категории качества.
В настоящее время существует множество методов формирования КНД-структур для использования их при изготовлении ЧЭ датчиков давления, например, методы рекристаллизации, эпитаксиального наращивания, анодного соединения. Но наиболее часто используются следующие [4]:
1. Имплантационный метод — Silicon Implanted by Oxygen (SIMOX), когда происходит внедрение в глубину кристалла ионов кислорода с последующим синтезом скрытого окисла при отжиге.
2. Метод водородного переноса кремния с окислом — Smart-Cut SOI, когда облу-
ченная водородом окисленная пластина кремния соединяется с опорной подложкой. Далее происходит почти полное удаление окисленной пластины путем ее скола имплантированным водородом.
3. Метод рекристаллизации поликремния на диэлектрике.
Общим недостатком КНД-структур, полученных по первому и второму методам применительно к изготовлению на их основе ЧЭ датчиков давления, является их высокая стоимость, обусловленная применением сложного технологического оборудования и длительностью обработки, что является фактором, ограничивающим использование данных методов при производстве ЧЭ на КНД-структуре. Кроме того, ЧЭ, выполненные на SIMOX КНД-структуре, не работоспособны при температурах выше 250 °С из-за несовершенства строения имплантированного (по сравнению с термическим) слоя двуокиси кремния, частично теряющего при повышенных температурах свои изолирующие свойства.
К недостаткам третьего метода относятся большие затраты времени на обработку одной пластины и тепловые потери, диффузия загрязняющих примесей, а также низкая временная стабильность параметров датчика из-за наличия дислокаций в ЧЭ.
Для ЧЭ на КНД-структуре был предложен метод прямого сращивания без предварительной имплантации одной из пластин, когда происходит соединение двух пластин — опорной и приборной [5]. Данная технология, не требующая применения спе-
циального дорогостоящего оборудования и реализуемая на стандартном оборудовании предприятий, производящих изделия микроэлектронной промышленности, наиболее приемлема для создания ЧЭ датчиков давлений на КНД-структуре. Тем не менее, недостатком данного метода является низкий процент выхода годных кристаллов, обусловленный высокими требованиями по качеству пластин кремния в части разброса по толщине и шероховатости. Например, разброс по толщине кремниевой пластины должен быть не более Дh = ±2 мкм, а шероховатость поверхности Ra — не более 10 нм. Большинство стандартных кремниевых пластин, выпускаемых в России, имеют средний разброс Дh = ±(4-6) мкм, а шероховатость находится в интервале до 50 нм [6].
В [7] предлагается характеризовать качество соединения посредством так называемого параметра сцепления поверхностей ®:
где Е — модуль упругости соединяемых материалов; <з(К) — стандартное отклонение разброса высоты; ц — энергия связи; X — длина волны поверхностных структур.
В данном параметре отражаются как геометрические величины рельефа поверхностей, так и параметры материала. Поверхности можно соединять удовлетворительно, когда ® < 1. При показателе от 1 до 12 возникает соединение ограниченной прочности, а при ® > 12 соединение поверхностей невозможно.
Таким образом, вероятность соединения пластин с образованием между ними ковалентной связи по всей площади сильно зависит, по крайней мере, от двух параметров, которые в нашей стране по существующим стандартам не обеспечиваются в большинстве случаев.
Возможным вариантом решения проблемы является использование готовых КНД-структур, подходящих по своим параметрам для изготовления ЧЭ датчиков давления (минимальная толщина изолирующего слоя: hSÍQ2 > 0,3 мкм, толщина приборного слоя: 6 мкм > hsi > 0,8 мкм) [8]. При hsiQ2 < 0,3 мкм и эксплуатации датчиков давления в температурном диапазоне свыше 300 °С возможно значительное ухудшение изолирующих свойств двуокиси кремния и, как следствие, потеря стойкости к воздействиям электромагнитных полей и токов источников естественного и искусственного происхождения. Ограничениями при использовании такого подхода можно считать относительно высокую стоимость исходных КНД-пластин, а также низкий уровень отработанности технологических методов диффузии и травления при формировании измерительной схемы и других элементов на готовых КНД-пластинах.
Одним из вариантов КНД-структуры является структура «поликристаллический кремний (приборный слой) - двуокись кремния (изолирующий слой) - монокристалли-ческий кремний (несущая подложка)»: она позволяет реализовать преимущества КНД-структуры и имеет лишь один существенный недостаток — малый коэффициент тензо-чувствительности поликремния [9]. Вместе с тем, преимуществами такой структуры являются высокий процент выхода годных элементов и низкая стоимость производства, обусловленные относительно высоким уровнем освоения технологии формирования поликремния на двуокиси кремния.
Далее будут рассмотрены конструктивно-технологические решения по созданию полупроводниковых ЧЭ датчиков давления на основе наноструктурированного поли-кристаллического кремния, совмещающих в себе достоинства КНД-структуры и поликремния, когда одновременно с обеспечением надежной изоляции между элементами схемы и подложкой относительная тен-зочувствительность слоев наноструктури-рованного поликристаллического кремния имеет значение, равное или большее аналогичному значению для монокристаллическо-го кремния.
В основе созданных решений — технология нанесения поликристаллической пленки кремния газофазным разложением моно-силана в реакторе пониженного давления при повышенной температуре, ионное легирование бором различными дозами в области тензо- и терморезисторов и высокотемпературный отжиг в кислородной среде
0
Рис. 1. Структура поликристаллического кремния: а) 3D-изображение; б) 2D-изображение
для структурирования пленки поликристал-лического кремния и формирования защитной пленки над тензо- и терморезисторами толщиной 70-100 нм.
Легированные примесью зерна поликристаллического кремния размером 20-30 нм и наноразмерные границы раздела между ними определяют механизм проводимости сформированной структуры, и при этом обеспечиваются новые, не присущие тензо-и терморезисторам на монокристаллическом кремнии, изолированном от подложки р-п-переходом, свойства: возможность получения заданных величин температурных коэффициентов сопротивлений (как положительных, так и отрицательных), высокий уровень тензочувствительности, возможность работы при повышенных температурах и повышенная временная стабильность [10].
При высоком уровне концентрации легирующей примеси (в структуру тензоре-зистора) определяющим в формировании проводимости в наноструктурированном поликремнии является объемное сопротивление кристаллитов, что и обуславливает положительный температурный коэффициент сопротивления (ТКС).
При низком уровне концентрации легирующей примеси (в структуру терморезистора) основными в формировании проводимости в наноструктурированном поликремнии являются составляющие, обусловленные существованием потенциального барьера на границах зерен (наноразмерные расстояния между зернами) и пространственного заряда барьера, что и определяет отрицательный ТКС.
Результаты исследований структуры по-ликристаллического кремния представлены на рис. 1.
На рис. 1 видно, что структуры имеют пористость с ярко выраженными фигурами роста в виде овалообразных выпуклостей. Средняя глубина пор составляет значение от 3 до 5 нм.
Технологические этапы формирования ЧЭ датчика давления на основе тензо- и термочувствительных структур из наноструктури-
рованного поликристаллического кремния приведены на рис. 2.
В ОАО «НИИФИ», в рамках создания двухканального полупроводникового датчика давления и датчика давления и температуры, были разработаны и изготовлены ЧЭ, содержащие тензо- и термочувствительные структуры на основе наноструктурированного поликремния. Каждый ЧЭ состоит из кремниевого кристалла и стеклянного основания, соединенных электростатическим способом в вакууме. На рис. 3 представлена топология кремниевого кристалла. Видно, что кристалл содержит четыре тензорезистора Й1-Й4 с номинальным значением сопротивления 2700 Ом (изготовленных по второму режиму легирования с высокой концентрацией бора, которое обеспечивает меньшее значение удельного поверхностного сопротивления = 150 Ом/П и меньшую термочувствительность по сравнению с первым режимом) и один терморезистор R5 с номинальным значением сопротивления 6000 Ом (изготовленный по первому режиму легирования с низкой концентрацией бора, с удельным поверхностным сопротивлением Rs = 6000 Ом/П). ЧЭ устанавливались в измерительный модуль датчика по 2, как показано на рис. 3.
Чувствительность тензо- и термоструктур исследовалась в процессе испытаний измерительных модулей датчика. В результате испытаний были достигнуты следующие технические характеристики:
• Относительная тензочувствительность по-ликремниевых наноструктурированных тензорезисторов ДR/R составила значение от 1,67х10-2 до 4,17х 10-2, что не только не уступает, но и превышает значения тен-зочувствительности, характерные для ЧЭ на основе монокристаллического кремния.
• Основная погрешность для различных образцов составила от 0,15 до 0,5%, среднее значение — 0,3%. Градуировочная характеристика модуля на основе ЧЭ представлена на рис. 4а. Видно, что максимальная амплитуда выходного сигнала составила значение
Si02
хХххххххххххххххххххххххху
И ' "
ПОЛИ-Si
?У<^УУУУУУУУУхУУУ^УУУУУУУУ
0
Ионное легирование В малой дозой
I I I
gjQ поли-Si Rt
x^xxxxxxxxxxxxxi<xlxxxxxj<
ххххххххх
Ионное легирование В большой дозой
Рис. 2. Этапы формирования ЧЭ датчика давления:
а) окисление кремниевой пластины, формирование методом фотолитографии защитной маски из окисла кремния и формирование мембраны требуемой толщины методом анизотропного травления кремния в КОН;
б) формирование изолирующего диэлектрического слоя и осаждение поликристаллического кремния в реакторе пониженного давления;
в) формирование мезаструктур из поликристаллического кремния и первое легирование до уровня концентрации, соответствующего терморезистору;
г) формирование защиты терморезистора из фоторезиста и второе легирование до уровня концентрации, соответствующего тензорезисторам;
д) отжиг сформированной поликремниевой структуры для активации примеси в областях термо- и тензорезисторов и формирование над ними защитного слоя окисла кремния;
е) вскрытие окон в защитной диэлектрической пленке и формирование металлизации
более 200 мВ, что характерно для ЧЭ на основе монокристаллического кремния.
• Температурный коэффициент сопротивления (ТКС) наноструктурированного терморезистора составил значение от -0,6 до -1 %/°С, график зависимости сопротивления терморезистора от температуры в диапазоне от -50 до +150 °С представлен на рис. 4б.
Таким образом, конструктивно-технологические решения по разработке ЧЭ на основе наноструктурированного поликристал-лического кремния позволили совместить достоинства КНД-структуры и поликремния для создания перспективных датчиков давлений для ракетно-космической, авиационной и гражданской техники. В первую очередь такие датчики смогут найти свое применение
в тех областях, где необходимы высокотемпературные измерения давлений. Например, в газогенераторе, газопроводах, турбонасос-ном агрегате и других частях различных двигателей, где температура достигает значения 600 °С и более. Также существует задача измерения пульсаций давлений в камере сгорания двигателей, с обеспечением непрерывного контроля процесса сгорания топлива с целью управления этим процессом в направлении повышения экономичности и минимизации вредных выбросов.
Например, исследовательский центр NASA Glenn (США) ведет программу по разработке и созданию «интеллектуального» авиадвигателя, соответствующего все возрастающим требованиям по сокращению выбросов, снижению расхода топлива и повышению безопасности. Данная программа включает в себя разработку высокотемпературных датчиков давления, способных длительно эксплуатироваться при температуре до 600 °С. Кроме того, данная организация в рамках программы по разработке усиленных сверхминиатюрных телеметрических и датчиковых систем (HSTSS), финансируемой Министерством обороны США и Управлением перспективных исследовательских программ (DARPA), работает над созданием информационно-измерительных систем (ИИС) для измерения физических явлений, связанных с запуском орудийных снарядов как элементов нового класса интеллектуальных боеприпасов [11, 12]. В этом случае датчики давления, являясь непременным атрибутом таких ИИС, будут испытывать не только жесткие условия, характерные для первоначального удара и вибрации при выстреле, но и предельные значения высокой температуры, высоких давлений и больших электромагнитных полей, связанных с пусковыми механизмами.
Кроме контроля параметров авиационных и ракетно-космических двигателей, существует задача регулировки, обработки и протоколирования теплотехнических
0
0
Рис. 3. а) Топология чувствительного элемента; б) фотография чувствительного элемента; в) фотография измерительного модуля
датчики
И
И
Р, кгс/см
Т, °С
Рис. 4. а) Градуировочная характеристика измерительного модуля на Рмакс = 160 кгс/см2 при постоянном напряжении = 6 В;
б) график зависимости сопротивления терморезистора от температуры
параметров дизельных двигателей и двигателей внутреннего сгорания путем измерения давления сгорания топлива в цилиндре двигателя. Это позволит осуществлять оперативный контроль рабочего процесса двигателей, проводить регулировки двигателя с оценкой тепловых параметров во всех цилиндрах, своевременно выявлять возникающие неисправности, устранять межцилиндровую и межцикловую нестабильности, накапливать информацию в базе данных для после-дующей оценки изменения технического состояния двигателя. На основании полученной информации можно обеспечить идентификацию неисправности деталей топливной аппаратуры, выявить нарушение фаз топливоподачи, износ поршневых колец и втулки цилиндра, прогар выпускных клапанов, а также неисправность турбокомпрессора.
Кроме контроля давлений в двигательных установках, изделиях авиационной техники, существует необходимость измерения давления в нефтегазовой отрасли, например, геотермические и гидрогеологические исследования нефтяных и газовых скважин, процессов бурения, контроль работы установок добычи нефти и газа и др., где температура измеряемой среды может достигать 600 °С.
В настоящий момент такие измерения либо не реализуются вообще, либо проводятся с помощью датчиков давления, имеющих значительно меньший рабочий температурный диапазон, когда измерения проводятся с помощью систем охлаждения, либо дистанцированием датчика от измеряемого объекта, что отрицательно влияет на частотные, динамические и конструкционно-технологические характеристики измерительной системы. Например, широко распространенный метод измерения давления высокотемпературных сред, при котором давление с помощью отводной трубки или капилляра с жидкостью передается в низкотемпературную зону, где измеряется с помощью стандартных датчиков, имеет ряд недостатков. В частности, при измерении давления паров в отводных трубках образуется конденсат или сублимат; при измерении давления расплавов в качестве передающей жидкости обычно используют экологически вредную ртуть.
Представленные в данной статье решения позволяют решить существующую проблему измерения давления высокотемпературных сред: достаточно глубоко освоенная технология создания ЧЭ на основе компонентов из поликристаллического кремния совмещается с изначально более совершен-
ной по сравнению с традиционными подходами (ЧЭ на основе объемного кремния, поликристаллического кремния, металлопленочных компонентов и др.) КНД-техно-логией, являющейся технологически менее привлекательной для создания ЧЭ датчиков давления. ■
Литература
1. Баринов И. Полупроводниковые чувствительные элементы датчиков давлений на основе структуры «кремний-на-диэлектрике». Дис. на зв. канд. техн. наук. Защищена 22.12.05. Пенза. 2005.
2. ГОСТ РВ 20.39.304-98. Аппаратура, приборы, устройства и оборудование военного назначения. Требования стойкости к внешним воздействующим факторам.
3. Баринов И. Полупроводниковые тензорезистив-ные датчики давления на основе КНД-структу-ры // Компоненты и технологии. 2009. № 5.
4. Madou M. J. Fundamentals of microfabrication: the science of miniaturization. 2nd ed. CRC Press, 2002.
5. Патент RU2284613.
6. ТУ 11-ЕТ0.035.206ТУ-83. Пластины монокрис-таллического кремния для МОП БИС.
7. Hiller K. Technologieentwicklung für kapazitive Sensoren mit bewegten Komponenten. Chemnitz, Technische Universität Chemnitz, 2004.
8. www.soitec.fr
9. Akhtar J., Dixit B. B., Pant B. D., Deshwal V. P. Polysilicon piezoresistive pressure sensors based on MEMS technology // IETE journal of research. 2003. Vol. 49. № 6.
10. Maier-Schneider D., Kprll A., Holm S. B., Obermeier E. Elastic properties and microstructure of LPCVD polysilicon films // Journal of Micromechanics and Microengineering. 1996. Vol. 6. № 4.
11. http://www.grc.nasa.gov/WWW/SiC/ publications.html
12. Katulka G. L. Micro-electromechanical Systems and Test Results of SiC MEMS for High-g Launch Application // Proceedings of IEEE Sensors. 2002. 12-14 June. USA.
