CC BY
76
Михайлова В.П., Кичкидов А.А., Петрунин Г.В., Лапшин И.О. УНИФИКАЦИЯ И СТАНДАРТИЗАЦИЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ И ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ МОДУЛЕЙ ДАТЧИКОВ В ПРИБОРНЫХ УСТРОЙСТВАХ
В статье описаны конструкции унифицированных чувствительных элементов и измерительных модулей, предназначенных для использования в датчиках физических величин в приборных устройствах.
Очень важной задачей в области создания импортозамещающей продукции является разработка новой перспективной элементной базы измерительной техники и приборостроения, в том числе и для приборных устройств, а также ее удешевление. Это может быть достигнуто различными методами, основными из которых являются:
Замена дорогостоящих и редких материалов более дешевыми и менее дефицитными;
Внедрение групповых процессов изготовления, основанных на использовании автоматического оборудования и обрабатывающих центров;
Уменьшение объемов испытания продукции за счет моделирования конструкций и внешних воздействий;
Использование современного программного обеспечения, позволяющего снизить время проектирования;
Повышение унификации и стандартизации элементов и узлов разрабатываемых приборов;
Рассмотрим некоторые данные положения применительно к датчикам физических величин (ДФВ). Для резкого снижения издержек производства и снижения цены ДФВ необходимо использовать групповые процессы микроэлектроники и микромеханики. При этом за счет использования полупроводниковых пластин большого диаметра и малых размеров самих чувствительных элементов (ЧЭ) датчиков и высокого процента выхода годных, можно добиться массового производства ЧЭ и измерительных модулей (ИМ), как комплектующих датчиков. Используя базовые конструкции ЧЭ и ИМ на их основе, которые хорошо отработаны на практике, можно организовать их серийное производство и поставлять на отечественный и зарубежный рынок измерительных приборов [1].
По этому пути идут некоторые известные зарубежние приборостроительные корпорации: Эндэвко, Ку-лайт (все США), Трафаг (Швейцария) и некоторые из отечественных НТЦ МИЭТ (г. Зеленоград) [2-4].
На основе отработанных конструктивно-технологических решений (КТР) на одном из приборостроительных предприятий был разработан ряд ЧЭ и ИМ для датчиков неэлектрических величин. Некоторые из них приведены на рисунках 1...5.
Рисунок 1-Унифицированный чувствительный профилированный элемент для датчиков статикодинамических давлений
Рисунок 2 - Конфигурация профиля ЧЭ 1 - мембрана; 2 -основание; 3 - концентраторы механических напряжений
Рисунок 3- Измерительный модуль высокотемпературного датчика давления (аналог ИМ фирмы Кулайт)
Рисунок 4 - Измерительный модуль датчика относительного давления
Рисунок 5 - Измерительный модуль датчика абсолютного давления с защищенным от внешней среды ЧЭ При разработке и производстве унифицированных ЧЭ и ИМ были использованы следующие конструкторские и технологические решения, (оригинальные и заимствованные), которые позволили повысить качество и надежность интегральных датчиков [1..4]: профилированные и плоские микробалки; профилированные мембраны; концентраторы механических напряжений; вакуумированные и газонаполненные микрополости; пленочные и диффузионные термокомпенсаторы; поликремниевые термо-и тезорезисторы;
ЧЭ со ступенчатым профилем;
прецизионное глубинное анизотропное травление монокристаллического кремния в щелочных травите лях;
плазмохимическое травление кремния и контактной металлизации; электроадгезионное соединение кремния со стеклом и металлами.
Реализация некоторые из указанных конструктивно-технологических чиков (МЭД) проведена в виде комплексных технологических процессов сунках 6 и 7.
решении микроэлектронных дат-схематично показанных на ри-
Формирова-
ние
кристаллов на пластине
Формирование биметалличес кой защитной
Чув ствительный элемент МЭД
Формировали е профиля АТ в 30% КОН Напыление А1-экрана
Шлифовка и полировка стеклянной пластины Ионная очистка стеклянной пластины
Электр о-адгези онное со един ение в вакууме
Стабилизация параметр ов
Стекло А1 экран
Контроль и Разделение на Контроль
разбраковка ЧЭ электро-
ЧЭ алмазными физических
кругами характеристик
Рисунок 6-Формирование измерительных модулей МЭД абсолютного давления
Формирование защитной биметалличе-кой пленки
Шлифовка,
полировка
стеклянных
пластин
Фотолито-
графия
по У-Си
Напыление
У-Си пленки через маску
Получение ^профилированной заготовки методом АТ
Травление
стекла
Ф/л по профилю
Формирование
профиля
кристаллов
АТ
Блок ТП формирования тензосхемы и металлизации
Зі УС
Контроль и разбраковка кри сталлов
п-ЯІ
ГТЛ
Плазмохимическое разделение пластин на кристаллы
пластина
про фипир с© анная з аготовка
и —
о
кристаллы
В
стекло рельефный фотошаблон
Рисунок 7-Формирование многопрофильных кремниевых структур МЭД
В мероприятиях по обеспечению качества и надежности датчиков физических величин (ДФВ) важное место занимают технологии и процедуры контроля и диагностики как отдельных чувствительных элементов (ЧЭ) и структур, так и измерительных модулей (ИМ) и датчиков в целом.
При контроле и диагностике элементов и структур ЧЭ используются различные методы, различающиеся по информативности, аппаратному оснащению, сложности и пр. На практике приоритетными методами диагностики являются те, которые не приводят к деградации параметров элементов и к разрушению самих чувствительных элементов и датчика в целом. Это, в первую очередь, характерно для интегральных ЧЭ и ИМ, которые используются для применения в стабильных датчиках для ракетнокосмической и авиационной техники.
Выявление высоконадежных ЧЭ осуществляется с использованием математического аппарата статистической обработки результатов измерения технических характеристик при условии, что ЧЭ изготовлены по отработанной групповой технологии. Высоконадежными являются те ЧЭ, которые характеризуются единством поведения своих информативных параметров.
При производстве ЧЭ ДФВ практически на любой стадии технологического процесса изготовления возможно внесение дефекта. В связи с этим необходимо производить 10 0 % неразрушающий контроль ЧЭ для выявления скрытых дефектов, которые в процессе эксплуатации могут деградировать, в результате чего будут изменяться электрические характеристики ЧЭ, вплоть до выхода ЧЭ из строя.
В процессе формировании элементов и структур ЧЭ и ИМ ДФВ проводится постоянный мониторинг технологических процессов (ТП) и технологических операций (ТО) как непосредственным измерением ЭФХ элементов на пластинах и на разделенных кристаллах (номиналы тензо- и терморезисторов, токи утечки, пробивное напряжение и проч.), так и косвенными измерениями на технологических пластинах (свидетелях) и по тестовым структурам сформированным в определенных местах рабочих пластин (поверхностное сопротивление, концентрация и подвижность носителей заряда, глубина залегания «р-п»
перехода, ВФХ и др.). После изготовления ЧЭ он подвергается контролю и диагностике на соответствие конструктивно-технологическим критериям, определенным в КД и ТД.
Характерными ТО процесса изготовления ЧЭ МЭД являются:
Загонка и разгонка примеси, при которых методом термодиффузии при высокой температуре в приповерхностный слой кремния через окна в окисной маске внедряют примесь (бор или фосфор), а затем ее активируют высокотемпературной обработкой. При этой операции контролируется удельное поверхностное сопротивление слоев после загонки и активации примеси ;
Ионная имплантация примеси, в процессе которой ионным пучком в тонком приповерхностном слое кремния формируют резистивные области. Путем последующего высокотемпературного нагрева (активация) примесь переводится в узлы кристаллической решетки кремния. Контроль производится путем измерения концентрации и дозы внедренной примеси, поверхностного сопротивления;
Окисление пластин для формирования защитной маски из SiO2. Проводится контроль толщины окисной пленки по цветности и по интерференционным полосам;
Формирование токопроводящей пленки (металлизация) из А1 или Аи. Проводится контроль удельного поверхностного сопротивления металлизации;
Анизотропное травление кремния. В результате АТ формируется профиль ЧЭ. Контроль толщины перемычки и размеров профиля производится щуповым контактным методом и на инструментальном микроскопе.
Контроль электрофизических характеристик элементов на пластинах (номинальные сопротивления пьезорезисторов, токи утечки, обратное напряжение, выборочно ТКС пьезорезисторов).
Следует отметить, что разработанные ЧЭ и ИМ (являющиеся по своей сути функционально законченными изделиями) при групповом характере производства в больших количествах на высокопроизводительном оборудовании могут иметь приемлемую цену и успешно конкурировать с зарубежной продукцией на отечественном рынке.
Встраивая указанные ЧЭ и ИМ, имеющие 100% готовность, в корпуса различной конфигурации, можно достичь высоких результатов при наименьших затратах.
Литература
1. Климов Д.М., Васильев А.А., Лучинин В.В., Мальцев П.П. Перспективы развития микросистемной
техники в XXI веке // Микросистемная техника, 1999, №1. с.3.
2. Каталог фирмы "К^^е" (США).
3. Каталог фирмы "Е^еусо" (США).
4. Михайлов П.Г. Микроэлектронные датчики, особенности конструкций и характеристик // Приборы
и Системы. Управление, Контроль, Диагностика 2004, № 6. С.38-42.
