CC BY
69
УДК 531.781.084.2
И. А. Аверин, И. В. Волохов, Е. А. Мокров, Р. М. Печерская
ВЛИЯНИЕ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ В ТОНКОПЛЕНОЧНОЙ ГЕТЕРОСТРУКТУРЕ НА НАДЕЖНОСТЬ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ТЕНЗОРЕЗИСТОРНЫХ ДАТЧИКОВ ДАВЛЕНИЯ
Рассматриваются переходные процессы в тонкопленочной гетероструктуре, механизм возникновения короткого замыкания из-за диффузии материала проводника в тонкую диэлектрическую пленку, оказывающие влияние на надежность чувствительных элементов тензорезисторных датчиков давления.
Введение
Процесс формирования тонких пленок независимо от метода создания потока компонентов на подложку и материала распыляемого вещества проходит в несколько стадий:
- зарождение частиц новой фазы;
- рост размера частиц без изменения их числа;
- слияние частиц с образованием островков;
- увеличение размеров островков при одновременном уменьшении их плотности;
- стадия коалесценции, или оствальдовского созревания;
- формирование сплошной пленки.
Каждому этапу соответствуют определенные условия, зависящие от материалов пленки и подложки. Необходимо отметить, что время протекания всех стадий процесса зарождения тонкой пленки весьма мало. В реальных условиях время осаждения пленок резистивных сплавов из хрома и никеля, легированных алюминием, методом термического испарения в вакууме из вольфрамового испарителя составляет 40-45 с. Учитывая, что толщины тонких резистивных пленок для чувствительных элементов тонкопленочных тензорезисторных датчиков давления составляют около 100 нм, а процесс зарождения и образования островковой структуры ограничен условной толщиной пленок, равной 10-50 нм, весь процесс зарождения тонких пленок занимает доли секунды.
Экспериментальные результаты и их обсуждение
Современные теоретические представления описывают три возможных режима роста тонких пленок после образования начальных устойчивых зародышей: послойный, островковый и смешанный. Реализация на практике того или иного механизма роста определяется соотношением удельных свободных энергий границ раздела пар-конденсат, конденсат-подложка и поверхности подложки.
В объеме сформировавшихся сплошных пленок под воздействием внешних факторов возможно протекание процессов, связанных с неравновесным состоянием системы конденсат-подложка, обусловленным механическими напряжениями в тонкой пленке и подложке. При наличии внешнего воздействия (например, деформация мембраны датчика с тонкопленочными тензорезисто-рами) эти напряжения релаксируют, что может привести к потере сплошности пленки. Кроме того, в поликристаллических пленках, зерна которых имеют различную кристаллографическую ориентацию, происходят процессы рекри-
сталлизации. Строгой теории таких процессов в настоящее время нет, однако они играют важную роль при разработке технологии получения чувствительных элементов тонкопленочных тензорезисторных датчиков давления. В пленках на основе твердых растворов протекают процессы их распада на составляющие компоненты с выделением зародышей новой фазы и последующей их эволюцией, причем они протекают точно по тем же законам, что и образование новой пленки. В многокомпонентных тонких пленках протекают также твердофазные реакции, приводящие к изменению состава материала [1].
Факторами, влияющими на свойства тонких (= 100 нм) резистивных пленок из сплава никеля и хрома (100 нм) на чувствительных элементах тензорезисторных датчиков давления, являются:
- скорость осаждения тонких пленок;
- время протекания процесса осаждения;
- материал и температура подложки.
К факторам, определяющим нестабильность тонких резистивных пленок, относятся:
- релаксация внутренних напряжений;
- процессы рекристаллизации;
- твердофазные реакции.
Для определения влияния переходных процессов в тонкопленочных гетероструктурах на надежность чувствительных элементов тензорезисторных датчиков давления проведен качественный анализ состава резистивных пленок в зоне эрозионной подгонки тензорезисторов из сплава никеля и хрома, легированного алюминием, с использованием метода вторично-ионной вре-мяпролетной масс-спектрометрии. Образцы исследовались на приборе ТОР.81М8.5 производства 1ОК-ТОР (Германия). Для анализа применялся источник ионов ВГ (25 кэВ), а для травления образцов при профильном анализе -источник ионов О2 (с энергией 500 эВ). Необходимо учитывать, что толщина резистивных пленок составляет ~ 100 нм, тогда как глубина захвата концентрационного профиля при методе вторично-ионной времяпролетной масс-спектрометрии равно ~ 300 нм, т.е. в три раза больше. Концентрационные профили зоны электроэрозионной подгонки тензорезистора на чувствительном элементе, в которой проводился качественный анализ состава резистивной пленки, представлены на рис. 1-3.
пИ сг1 эП а11
а) б) в) г)
Рис. 1 Концентрационный профиль по глубине тонкопленочной структуры в зоне подгонки тензорезистора. Размер зоны исследований 300 х 300 х 300 нм. Относительная концентрация каждого элемента в зоне проведения исследований соответствует интенсивности окраски (чем светлее, тем выше концентрация)
Сг “ІМі Зі АІ
а) б) в) г)
Рис. 2 Концентрационный профиль по поверхности тонкопленочной структуры в зоне подгонки тензорезистора. Размер зоны исследований 100 х 100 мкм. Относительная концентрация каждого элемента в зоне проведения исследований соответствует интенсивности окраски (чем светлее, тем выше концентрация)
$і-пі-сг Зі ®Мі Сг
а) б) в) г)
Рис. 3 Совмещенный концентрационный профиль по поверхности тонкопленочной структуры в зоне подгонки тензорезистора. Размер зоны исследований 100 х 100 мкм.
Относительная концентрация каждого элемента в зоне проведения исследований соответствует интенсивности окраски (чем светлее, тем выше концентрация)
Из рис. 2,а,б,г следует, что концентрации хрома и никеля в объеме тонкой пленки одинаковы и много выше концентрации алюминия. Это соответствует составу исходной загрузки для метода термического испарения в вакууме. Состав пленок толщиной й = 100 нм колеблется в пределах 55-75 вес. % N1, 43-24 % Сг и 1-2 вес. % А1. Распределение концентрации компонентов сплава по объему (толщине) пленки соответствует полученным с помощью ОЖЕ-электронной спектроскопии данным послойного анализа в процессе распыления пленки ионами аргона с энергией 3 кэВ и спектральному анализу распыленного вещества с учетом коэффициентов элементной чувствительности [2]. Тонкая резистивная пленка, полученная термическим напылением в вакууме, характеризуется неоднородным распределением концентраций хрома и никеля по толщине пленки. Максимум концентрации хрома находится вблизи подложки, а никеля - у поверхности пленки. Это подтверждает выводы о сильном фракционировании сплава Х20Н75Ю при термическом методе напыления.
В зоне подгонки тензорезистора наблюдается пониженное содержание никеля и высокая концентрация хрома. В середине зоны подгонки имеется полоса неснятого никеля (см. рис. 3,а,в). Анализ рис. 2,г и 1,г показывает наличие алюминия и его окисла как на поверхности, так и в объеме тонкой пленки.
Особый интерес представляет область перехода от тонкой диэлектрической пленки из моноокиси кремния к резистивной пленке, как по поверхно-
сти, так и по глубине. При поверхностном анализе (см. рис. 2,в) граница между диэлектриком и резистивным слоем четкая. Отмечено только появление следов кремния (в составе его окислов и 8Ю2) вблизи зоны подгонки (см. рис 2,в, 3,а,б). Концентрационный профиль по толщине (см. рис. 1,в) показывает наличие переходной области (области взаимодиффузии) между тонкой резистивной пленкой и пленкой диэлектрика.
Наибольшей концентрацией хрома отличается зона подгонки, что характерно для области перегрева тонкопленочной гетероструктуры. Особенно выделяется область легирования диэлектрика хромом (см. рис. 1,б). Никель (см. рис 1,а) и алюминий (см. рис. 1,г) обладают меньшим, чем хром, коэффициентом диффузии, поэтому концентрация атомов этих металлов в зоне подгонки меньше, чем у хрома. Необходимо отметить наличие диффузии кремния в тонкую резистивную пленку, что видно из концентрационного профиля на рис. 1,в. Вероятно, в области взаимодиффузии тонкой резистивной и диэлектрической пленок образуются силициды хрома и никеля или керметные соединения типа 8Ю-Сг или 8Ю-№. Глубина проникновения атомов кремния в резистивную пленку достигает 50 нм: половину толщины 100 нм пленки.
Таким образом, можно предположить, что подобные процессы взаимо-диффузии материалов тонких пленок происходят в областях локального разогрева. Это относится к областям микросварки золотых микропроводников на контактных площадках тензорезисторов и на термокомпенсационном резисторе.
Известно, что возникновение короткого замыкания связано с диффузией материала проводника по сквозной поре в тонкой диэлектрической пленке (рис. 4) [3].
Процесс взаимодиффузии приводит к уменьшению значения пробивного напряжения элемента ипр и описывается формулой
ипр(0) - первоначальное значение пробивного напряжения; В - коэффициент диффузии материала тензорезистора по поверхности сквозной поры;
и металлом мембраны чувствительного элемента вблизи сквозной поры; а - постоянная, определяемая опытным путем; к - постоянная Больцмана.
Если принять за критерий отказа допускаемое значение отношения первоначального напряжения к эксплуатационному напряжению пробоя у, то можно рассчитать среднее время до наступления отказа:
Известно, что на стадии проверки датчика на соответствие сопротивления изоляции требованиям технологии между корпусом и тензосхемой подается напряжение 10 В, при этом рабочее напряжение на тензосхеме составляет 6 В. Значит, отношение первоначального к эксплуатационному напряжению пробоя будет равно: у = 1,66.
ипр ^ ) = ипр(0) («0 - 2а4В), «0
(1)
где В = Д^ехр ; Еа=1,2 эВ - энергия активации процесса диффузии;
В0 = 10 2-10 3 см2/с; «0 - первоначальное расстояние между тензорезистором
(2)
Рис. 4 Схема возникновения короткого замыкания тензосхемы на корпус чувствительного элемента датчика через пору в диэлектрике
Учитывая, что толщина диэлектрической пленки составляет 3 мкм, а максимальная рабочая температура датчика 353 К, то согласно формуле (2) получим ^з = 25 - 30 мин. Следовательно, при наличии дефекта под контактной площадкой время эксплуатации датчика составляет не более 0,5 ч.
Заключение
Представленные результаты исследования переходных процессов в тонкопленочных гетероструктурах объясняют причины внезапных отказов датчиков давления вследствие короткого замыкания, обусловленного диффузией материала проводника по сквозной поре в тонкой диэлектрической пленке.
Список литературы
1. Аверин, И. А. Управление составом многокомпонентных систем / И. А. Аверин, Р. М. Печерская // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. -2006. - № 5. - С. 184-190. - (Естественные науки).
2. Волохов, И. В. Исследование свойств тонких пленок из многокомпонентных сплавов с помощью специального аналитического оборудования / И. В. Волохов, Е. В. Песков // Датчики и детекторы для авиационной техники : сборник докладов научно-технической конференции. - Пенза, 2003. - С. 167-172.
3. Коробов, А. И. Отказы корпусированных интегральных схем / А. И. Коробов, Р. В. Сипета // Технологии приборостроения. - 2006. - № 2 (18). - С. 62-68.
