CC BY
185
УДК 621. 865. 8
П. Г. Михайлов, Е. А. Мокров, В. В. Скотников, Д. А. Тютюников, В. А. Петрин
ВОПРОСЫ СОЗДАНИЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ДАТЧИКОВ МЕХАНИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН. МАТЕРИАЛЫ. КОНСТРУКЦИИ. ТЕХНОЛОГИИ
P. G. Mikhailov, E. A. Mokrov, V. V. Skotnikov, D. A. Tyutyunikov, V. A. Petrin
THE ESTABLISHMENT OF HIGH-TEMPERATURE SENSORS OF MECHANICAL VALUES. MATERIALS. CONSTRUCT. TECHNOLOGY
Аннотация. Статья посвящена материаловедческим и конструктивнотехнологическим проблемам, которые возникают при создании высокотемпературных датчиков механических величин, в частности, статико-динамических давлений. Рассмотрены и выбраны функциональные материалы, используемые в полупроводниковых чувствительных элементах высокотемпературных датчиков. В качестве базового материала для чувствительных элементов предложен поликристаллический кремний.
Abstract. The article is devoted to materials science and structural and technological problems that arise in the creation of high-temperature sensors of mechanical values, in particular, static and dynamic pressures. Considered and selected functional materials used in semiconductor elements of high-sensitive sensor. As the base material for the sensors is provided a polycrystalline silicon.
Ключевые слова: высокотемпературный, монокремний, чувствительный элемент, функциональный материал, поликремний, алмаз, карбид кремния, модификация, пленка.
Key words: high temperature, monosilicon, sensor, the functional material, polysilicon, diamond, silicon carbide, modification, film.
Вопросы измерения высокотемпературных процессов становятся все более актуальными по мере развития технологий, освоения новой продукции и пр. Примерами использования высокотемпературных датчиков механических величин (ВДМВ) могут служить измерения давления в двигателях 1-й и 2-й ступеней ракетоносителей и реактивных самолетов, контроль процессов в нефтехимической промышленности и т.д. При этом максимальные температуры измеряемой среды могут быть от 150 до 1500 °С, а время воздействия высокотемпературной среды - от секунд до десятков минут и нескольких часов. Следует отметить, что при создании ВДМВ необходима проработка различных вопросов, при этом особое внимание следует уделять выбору конструктивных и функциональных материалов [1, 2].
Для современных микроэлектронных датчиков (МЭД) механических величин характерно применение монокристаллического кремния (МК), который в наибольшей мере согласуется с существующими микроэлектронными технологиями. В то же время для использования в высокотемпературных датчиках роль МК как функционального материала в значительной мере сужена. Это объясняется несколькими причинами, основными из которых являются:
- недостаточная температурная стабильность, которая объясняется в основном его сравнительно узкой запрещенной зоной, составляющей 1,1 эВ при 300 K, что не позволяет исполь-
зовать кремний при больших температурах и значительных уровнях электромагнитных и радиационных воздействий. Последнее объясняется тем, что энергии теплового возбуждения кристаллической решетки, а также энергии фотонов и элементарных частиц бывает вполне достаточно, чтобы инициировать переходы электронов и дырок через потенциальные барьеры в полупроводниковых структурах;
- рост количества дефектов (термических, радиационных), порожденных термоударами, радиацией и механическими деформациями приводит к деградации характеристик ВДМВ и росту токов утечки.
Указанных явлений можно избежать, используя в качестве функциональных материалов широкозонные полупроводники или полупроводниковые соединения.
Следует отметить, что единственным представителем широкозонных монокристалличе-ских полупроводников является только алмаз, у которого ширина запрещенной зоны составляет 5,5 эВ при 300 К.
К другой группе относятся двойные и тройные полупроводниковые соединения:
- карбид кремния (Р - политип) - (3-810, eg = 2,4 эВ;
- арсенид галлия (ОаЛ8), eg = 1,43 эВ;
- фосфид галлия (ОаР), eg = 2,24 эВ;
- фосфат цинка (2иР2), eg = 2,05 эВ (тетрагональная фаза);
- Ыв81Р2, eg = 3,1 эВ;
- 2и81Л82, eg = 2,15 эВ;
- CdSiP2, eg = 2,2 эВ.
Из всех вышеперечисленных материалов практический интерес для использования в ВДМВ представляют только алмаз, карбид кремния и арсенид галлия. Остальные материалы интересны больше с научной, чем с практической, стороны из-за значительных технологических трудностей получения кристаллов достаточной площади, малой технологичности процессов формирования сенсорных элементов и структур датчиков. Поэтому тройные полупроводниковые соединения в основном используются в качестве функциональных материалов для источников и приемников оптических излучений.
Что касается арсенида галлия, имеющего, кроме широкой запрещенной зоны, еще и высокую подвижность дырок и электронов, позволяющих получать приборы с высокими граничными частотами и температурами, то следует отметить, что технология формирования ОаЛ8 структур в значительной степени отличается от кремниевой: она более сложная, менее управляемая и дорогая. Кроме того, в отличие от МК, на поверхности ОаЛ8 практически невозможно создать самопассивирующие окисные пленки, а при термообработке он может выделять соединения мышьяка и галлия, которые даже в очень малых дозах крайне ядовиты для человека. Нейтрализация отходов, травителей и газов, получаемых в процессе проведения технологических процессов обработки ОаЛ8, является весьма сложной технической задачей и на практике в должной мере пока не решена. Указанные технологические, организационные и иные технические трудности привели к тому, что в настоящее время ОаЛ8 используется исключительно для создания быстродействующих полупроводниковых приборов (СВЧ-диоды и транзисторы) и интегральных схем. Попытки создания ВДМВ на основе ОаЛ8 ограничились пока лабораторными образцами.
Перспективным материалом для высокотемпературных и работающих в агрессивных условиях датчиков является синтетический алмаз [3]. Благодаря таким свойствам, как высокая теплопроводность, термостабильность и стойкость практически к любым агрессивным средам и радиоактивным излучениям, возможно создание различных приборов с уникальными характеристиками, недостижимыми для аналогичных приборов, изготовленных из МК и ОаЛ8. В частности, радиационная стойкость алмаза к нейтронам в 100 раз выше, чем у МК, рабочая температура может достигать 1000-1200 °С, рабочее напряжение до 1 кВ, а теплопроводность выше, чем у 81 в 14 раз. Основным препятствием на пути применения алмаза в приборостроении является то, что в настоящее время пока еще не получены алмазные пластины достаточной площади, да и сама технология получения даже небольших кристаллов остается очень сложной и дорогостоящей. Что касается алмазных пленок, получаемых газофазным осаждением, то они имеют значительную дефектность и высокую степень поликристалличности, что затрудняет их использование в электронных приборах.
Основной трудностью проведения технологических операций и процессов с алмазами является их природная инертность, в том числе по отношению к термодиффузионным процес-
сам. Поэтому для легирования кристаллов алмаза используется исключительно ионная имплантация пучками больших энергий (от 100 кэВ до 1 мэВ). Имплантация ионов (Не+, К+, 0+, Ке+, 81+, N1+, Сг+, 2и+, С+, В+ и др.) позволяет создавать слои и области с «р» и «п» типами проводимости.
В последнее время ускоренно развивается направление синтеза тонких алмазных пленок на поверхности различных материалов, в том числе на кремнии и на металлах. Поликристал-лические алмазные пленки получают методом газофазного осаждения различных углеродосодержащих газов (метана в смеси с водородом, ацетилена, бензола и ряда других). Активация процесса синтеза пленок осуществляется тлеющим или СВЧ-разрядами. Принципиально возможным способом модификации алмазных пленок является легирование их различными примесями, что позволяет создавать тонкопленочные активные и пассивные электронные приборы, а также ЧЭ на основе поликристаллических алмазных пленок. По мере совершенствования технологии легирования монокристаллического алмаза и поликристаллических пленок, нанесения на них контактной металлизации, профилирования пластин, а также получения пластин достаточной площади и приемлемой цены будут, несомненно, разрабатываться и ВДМВ на основе алмаза.
Еще одним перспективным функциональным материалом для высокотемпературных и радиационно устойчивых датчиков является карбид кремния (81С). Значительная энергия связи между 81 и С обеспечивает высокую термическую, радиационную и химическую стойкость как самому материалу, так и приборам на его основе. Карбид кремния имеет несколько основных (четыре) политипов (модификаций), различающихся строением кристаллической ячейки (а всего известных форм 81С более сотни). Наиболее используемым в датчиках политипом является 6Н (или Р-81С). Из 81С изготовляют высокотемпературные (рабочая температура 600 °С и выше) термометры сопротивления, тензорезисторы, транзисторы и диоды. Как и для алмаза, для 81С традиционная кремниевая технология практически не пригодна, поэтому для него необходима разработка новых технологий формирования сенсорных элементов и структур. Так, для диффузии примесей используется ионная имплантация, а для формирования диэлектрических и проводящих пленок - газофазное осаждение и термовакуумное напыление и т.д. При этом в ограниченной мере возможно легирование с целью создания р-п-переходов термодиффузией при высокой температуре и только при использовании диффузиантов - бора и бериллия. Весьма перспективна ионная имплантация ионами Л1 .
Одной из особенностей 81С является то, что из-за своей высокой твердости он способен обрабатываться только алмазом или карбидом бора, но при этом на его поверхности возникают микротрещины, которые могут быть удалены химическим или плазмохимическим травлением во фторосодержащей кислородной плазме. Химическое травление проводится или в газовой смеси хлор-кислород при температуре свыше 1000 °С, или в расплавах щелочей при температуре свыше 400 °С. В отличие от кремния 81С не травится в большинстве щелочных, кислотных и сложных травителях. Очевидными недостатками, ограничивающими использование 81С в ВДМВ, являются недостаточная отработанность технологических процессов формирования микроструктур, дороговизна и сложность получения монокристаллического 81С. Несмотря на указанные недостатки, 81С является перспективным материалом для ВДМВ, которые работают в экстремальных условиях. Поэтому по мере отработки технологии он будет все больше использоваться в качестве функционального материала для ВДМВ.
Альтернативными материалами и для карбида кремния и алмаза могут быть структуры на основе кремния типа КНД (кремний на диэлектрике) и КНК (кремний на кремнии). Дело в том, что максимальная рабочая температура МК как силового материала, при которой резко изменяются его электрофизические характеристики (ЭФХ), составляет (600-700) °С (температура плавления кремния 1412 °С). При использовании же МК в качестве функционального материала, в котором формируются различные примесные структуры, рабочая температура становится значительно меньше, так как более сложные системы являются термодинамически менее устойчивыми, чем простые.
Основным материалом из группы КНД, наиболее широко используемым в ВДМВ, является кремний на сапфире (КНС), у которого слой кремния легируется необходимой примесью как изначально (при газофазной эпитаксии), так и в процессе формирования ЧЭ (термодиффузией или ионной имплантацией). Выбирая необходимый уровень легирования и соответствующую примесь, получают высоколегированные (низкоомные) и низколегированные (высоко-
омные) области. Для тензоструктур используют, как правило, высоколегированные структуры, которые имеют минимальный температурный коэффициент сопротивления (ТКС), достигается эффект автокомпенсации (равенство ТКС и температурного коэффициента чувствительности (ТКЧ) при питании стабилизированным током). Структуры КНС являются основой для изготовления ЧЭ датчиков неэлектрических параметров, используемых в различных отраслях промышленности.
Достоинствами КНС-структур являются:
- высокая температура эксплуатации, вплоть до 300-350 °С без охлаждения;
- возможность достижения при определенных уровнях легирования кремниевой пленки эффекта самокомпенсации температурных погрешностей;
- стойкость к агрессивным средам и радиации.
Основными недостатками КНС-структур являются их дороговизна, практическая невозможность их профилирования и высокий уровень структурных напряжений в 81-пленке из-за значительной разницы в температурных коэффициентах линейного расширения (ТКЛР) кремния и сапфира. Кроме того, у ВДМВ с чувствительными элементами из КНС существует временная нестабильность характеристик из-за релаксационных процессов, происходящих в пленке 81 в процессе эксплуатации датчика. Все эти недостатки сужают область применения таких ВДМВ, а также не позволяют выпускать их в массовом количестве по приемлемым ценам.
Значительный интерес для высокотемпературных ВДМВ представляет поликристалли-ческий кремний (ПК), который, в отличие от МК, изотропен по своим электрофизическим характеристикам. Изотропия ЭФХ ПК объясняется тем, что ориентация кристаллов (зерен) в объеме ПК - произвольная, поэтому основные характеристики ПК определяются наличием межзеренных границ (МЗГ) и объемных зарядов, образующихся в области МЗГ. Основным преимуществом ПК по сравнению с МК является возможность формирования из него ЧЭ, не содержащих р-п-переходы, что позволяет повысить рабочую температуру датчиков до 200250 °С. Изменяя концентрацию легирующих примесей в ПК (модификация ПК), можно получить практически нулевое значение ТКС резисторов [4-6]. Проводимость ПК регулируют технологическими методами путем изменения дозы легирующей примеси, а также энергией легирующих ионов и температурой подложки, таким образом модифицируя ПК путем легирования различными примесями и дозами, термообработкой, рекристаллизацией и т.д. Можно получить области и элементы, имеющие значительную разницу в ЭФХ. При этом на одной подложке можно сформировать тензо- и терморезисторы, фото- и магниточувствительные структуры, проводящие шины, контактные группы, изолирующие области.
Рассмотрим основные технологические методы модификации ПК-структур и полученные, применительно к чувствительным элементам микроэлектронных датчиков, результаты.
При легировании ПК-пленок ионами бора до уровней концентраций (1019-1020) см-3 их удельное сопротивление (р) снижается до 0,01 Ом-см. Для сравнения: у 81 марки КЭФ 4,5 р = 4,5 Ом • см, а у пленки А1-тп р = 0,6-10-3 Ом-см. Аморфная структура легированных ПК-пленок дает возможность формировать из них пленочную коммутацию микронных и суб-микронных размеров. После термообработки ПК-коммутационных шин на них формируется пленка 8102 с высокими изоляционными свойствами, которая позволяет формировать второй слой коммутации. Недостаток ПК-шин - разница в ТКЛР (а) с кремнием: у ПК а = 3,82-10-6, у МК а = 2,33-10-6, что не так существенно для интегральных схем, работающих в нормальных условиях, но критично для ВДМВ, эксплуатирующихся в широком диапазоне температур. Важным свойством ПК-пленок является возможность изменения кристаллической структуры с помощью лазерного излучения, при воздействии которого происходит рекристаллизация пленки.
Структура ПК сильно зависит от вида легирующей примеси, температуры осаждения и термообработки пленки после формирования. Как показали исследования, ПК-пленки, осаждаемые при температуре менее 575 °С - аморфные, а при температуре более 625 оС становятся поликристаллическими и имеют столбчатую структуру. Кристаллизация и рост ПК-зерен происходят при термоотжиге аморфного или мелкокристаллического ПК. Для высокотемпературных ПК ВДМВ важной технологической операцией является перекристаллизация поли-кристаллической пленки, которая происходит при нагреве структур. При этом обнаружено, что температура кристаллизации сильно зависит от легирующих примесей, которые вносятся
в ПК в процессе газофазного осаждения пленок. Изменяя состав и концентрацию примесей, можно управлять свойствами ПК-пленок. Было обнаружено, что примеси 02, N2, С стабилизируют аморфное состояние ПК до ^отж > 1000 °С, а мышьяк обеспечивает устойчивую столбчатую структуру до 990 °С [6].
В ЧЭ поликремниевые тензорезисторы имеют два преимущества перед монокристалли-ческими. Поликремний осаждается обычно на пленку двуокиси кремния, которая предварительно создается на поверхности кремниевой пластины. Двуокись кремния - отличный изолятор, поэтому поликремниевые тензорезисторы могут работать при значительно более высоких температурах, чем тензорезисторы с изоляцией р-п-переходами. В качестве верхней границы рабочего диапазона температур в литературе указывается 300 °С.
Другое важное преимущество поликремниевых тензорезисторов состоит в возможности их создания на предварительно покрытой диэлектриком металлической поверхности упругого элемента. Применение металлических упругих элементов упрощает конструкцию механических сенсоров и повышает их надежность.
Недостатком поликремниевых тензорезисторов является их меньшая (примерно в 1,5-2 раза) чувствительность, чем у монокристаллических. Поэтому разработчикам приходится сравнивать достоинства и недостатки поликремниевых резисторов, однако применение поликремниевых тензорезисторов в механических сенсорах продолжает расширяться.
Сопротивление поликремниевых пленок можно представить в виде суммы
Я = Як + Яб , (1)
где Як и Яб - суммарные сопротивления кристаллов и областей обеднения (барьеров). По мере роста уровня легирования пленок сопротивление кристаллитов уменьшается, при этом сопротивление областей обеднения уменьшается еще больше. При концентрации легирующей примеси (бора) больше 5-10 см- удельное сопротивление поликремниевой пленки приближается к сопротивлению монокристаллического кремния, оставаясь, однако, всегда больше.
Распределение по поликристаллической пленке легирующей примеси зависит от ее вида. Такая примесь, как бор, равномерно распределяется по объему кристаллитов и межкри-сталлическому пространству. Для фосфора наблюдается эффект сегрегации: фосфор имеет тенденцию накапливаться в межкристаллическом пространстве. Сегодня для изготовления сенсоров используются только поликристаллические пленки, легированные бором, причем с высокой степенью легирования (около 4-1019 см-3 и более).
Температурная зависимость сопротивления поликристаллических пленок имеет две составляющие: одна определяется кристаллитом, а другая - границей его поверхности. Из формулы (1) следует, что температурный коэффициент сопротивления а (ТКС) пленки может быть представлен в виде
1 йЯ Як
а = — -
Я йТ Як + Яб
V Як йТ
Кб
Як + Яб
\
Яб йТ
(2)
или
а = —Як--------ак + —Яб-----------аб , (3)
Як + Яб к Як + Яб б
где ак = — -йЯк - ТКС кристаллита; аб = — - — температурный коэффициент сопротив-
Як йТ Яд йТ
ления области обеднения (барьера); а =— - температурный коэффициент сопротивления
Я йТ
пленки.
ак определяется рассеянием носителей тока на колебаниях кристаллической решетки и имеет положительный знак. Температурный коэффициент барьера аб - отрицательная величина. Это связано с тем, что более разогретым и, следовательно, более быстрым частицам легче преодолевать потенциальный барьер на границе зерен.
Меняя степень легирования пленки, можно изменить соотношение между сопротивле-
нием кристаллитов Як и барьеров Яб и управлять таким образом величиной ТКС. Можно получить пленки с ТКС любого знака, в том числе и с а = 0, что очень важно в практическом отношении. Такого разнообразия в поведении ТКС в рассматриваемом диапазоне концентраций примеси у монокристаллического кремния нет.
Деформация ПК-пленки приводит к изменению сопротивления как кристаллитов, так и областей обеднения вблизи границ кристаллитов. Поэтому общая тензочувствительность имеет две составляющие:
5 = —Я------Лк +—Я------Лб , (4)
Як + Яб к Як + Яб б
5 1 йЯк Л 1 йЯб
где Лк =--------— - тензочувствительность кристаллита; Лб =---------— - тензочувствитель-
Як й е Яб й е
б Л 1 -я
ность барьера; Л ----------тензочувствительность пленки.
Я й е
Физические причины изменения сопротивления кристаллита под действием деформации такие же, что и в монокристаллическом кремнии. Важной особенностью поликристаллических пленок является различная кристаллографическая ориентация кристаллов. Это приводит при вычислениях общей тензочувствительности к необходимости усреднения по угловой ориентации отдельных кристаллитов:
Лк = |Лк (а, р, у)/(а, р, у/а-рйу, (5)
где а, Р, у - углы, описывающие кристаллографическую ориентацию кристаллитов;$( а, Р, у) -усредняющая функция, зависящая от текстуры пленки.
При этом ключевым моментом является то, что при N > 5-1019 см3 высота потенциального барьера равна нулю. В этом случае вся тензочувствительность обусловлена вкладом только кристаллитов:
Я
Л = Лк —. (6)
к Як + Яб
При этом действие границ зерен учитывается последним множителем.
Опубликованные экспериментальные данные указывают на существенный вклад области границ кристаллитов [3]. В табл. 1 приведены результаты исследований поликремниевых тензорезисторов р-типа, легированных с концентрацией 4-1019 см-3.
Таблица 1
Тензочувствительность кристаллов и барьеров поликристаллической пленки
Элемент структуры Тензочувствительность ТКС
Продольная Поперечная
Кристаллит Барьер 51,5 24,3 -12,5 -2,3 1510-4 -5,37-Ш-4
Различный вклад кристаллитов и барьеров в общую тензочувствительность делает очень важным рациональный выбор степени легирования ПК-пленок. Теоретические и экспериментальные исследования показывают, что максимальная величина абсолютной тензочувствительности достигается при концентрациях 2-4 • 1019см-3 при легировании бором. При меньшей степени легирования тензочувствительность уменьшается из-за большой роли межкристал-литных барьеров, а при большей степени легирования - из-за влияния вырождения электронного газа.
Путем модификации пленки ПК с помощью ионного легирования можно в значительных пределах изменять основные ЭФХ - поверхностное сопротивление, ТКС и тензочувствительность ПК-тензорезисторов, при этом основным управляющим фактором является доза легирования (рис. 1) [4-6].
Для ВДМВ силовых параметров, действие которых основано на пьезорезистивном эффекте, экспериментально измерены коэффициенты тензочувствительности для различных политипов кремния.
Так, для тензоструктур, легированных бором до концентраций 1020см-3, значения продольного (п) и поперечного (п) пьезорезистивных коэффициентов составляют:
- п для МК = 60, для ПК = 30, для рекристаллизованного поликремния (РПК) = 40;
- п для МК = 60, для ПК = минус 4, для РПК = минус 6.
Фундаментальные пьезорезистивные коэффициенты для ПК, легированного бором до 1,8-1020, имеют следующие значения: лц = +11,8-10-11 Па, Л12 = -6,7-10-11 Па, Л44 = +18,6-10-11 Па.
Рис. 1. Зависимость основных ЭФХ (ЯЛ [Ом/^], ТКС [%/К], К) ПК пьезорезисторов от дозы легирования (Б [см-2]) и концентрации (N5 [см-3]) внедряемой примеси:
МК - монокремний; ПК - поликремний, легированный В+ и отожженный при 900 °С в течение 30 мин
Для пленок ПК, легированных фосфором, тензорезисторы обладают только геометрическим тензоэффектом, а пьезорезистивная составляющая эффекта отсутствует.
Таким образом, наиболее перспективными с точки зрения близости к физическим характеристикам МК являются структуры РПК-8Ю2-МК, в которых пленка РПК отделена от основного материала слоем 8Ю2 толщиной 0,1-0,2 мкм. Такая структура аналогична вышерассмотренной КНС-структуре, но в отличие от последней позволяет профилировать структуры с помощью щелочных или кислотных травителей, получая ПЧЭ на необходимый диапазон измерения. Рабочая температура ВДМВ с использованием ПК, рекристаллизованного лазерным лучом, составляет 250-270 °С. Достигнутая на практике тензочувствительность РПК структур составляет от 70 до 80 % от тензочувствительности МК. Используя в процессе лазерной рекристаллизации окисную маску, защищающую выбранные элементы от нагрева, можно получить гибридные структуры: РПК-ПК, ПК, - элементы которых могут служить высокоомными резисторами, подгоночными элементами и термокомпенсационными элементами. Использование такой технологии позволяет изготовить полностью кремниевый ВДМВ, в котором силовые, функциональные и регулировочные элементы, а также защитные материалы (вплоть до корпуса) изготовлены из модификаций кремния (МК и ПК) и его соединений (8Ю2, 813^). Такое конструктивно-технологическое решение приводит к резкому снижению тепловых деформаций благодаря идентичности применяемых материалов.
Для проведения исследовательских работ в качестве базовой конструкции была выбрана конструкция малогабаритного акустического датчика, на основе которой была решена задача создания миниатюрного ЧЭ с ПК меза-тензорезисторами.
В базовой конструкции ЧЭ в соответствии с выбранными материалами были достигнуты следующие технические характеристики:
- удельное поверхностное сопротивление резисторов из поликремния Гя = (30-100) Ом/и;
- номиналы ПК тензорезисторов г = (200-1000) Ом;
- толщина мембраны в профиле кристалла (5-20) мкм;
- ТКС ПК тензорезисторов ТКС < 0,05 %/ °С .
Фрагменты конструкции ЧЭ с ПК тензорезисторами представлены на рис. 2.
а)
б)
Рис. 2. Фрагменты конструкций ЧЭ (а) и настроечной платы (б), изготовленных с использованием поликремниевой технологии:
1 - подложка из МК; 2 - изолирующая пленка из 8Ю2; 3 - А1-экран;
4 - ПК-тензорезистор; 5 - ПК-коммутационная шина; 6 - А1-контактная площадка; 7 - ПК-резистор; 8 - подслой ванадия; 9 - №-контактная площадка
Технологии формирования поликремниевых элементов и структур ВДМВ
В результате проведенных исследований была разработана технология формирования ПК меза-тензорезисторов на монокристаллических кремниевых подложках.
Формирование ЧЭ с ПК тензорезисторами проводилось по следующему технологическому маршруту (указаны только основные технологические операции):
1. Профилирование 81 заготовки и профилирование ПЧЭ с использованием в качестве защитной маски слоя 8Ю2.
2. Травление 8Ю2 с обеих сторон пластины.
3. Окисление пластин с целью создания слоя 8Ю2, выполняющего роль изолятора между ПК тензорезисторами и подложкой из МК.
4. Нанесение пленки ПК толщиной 0,6 ± 0,2 мкм в диффузионной печи СДО 125/3-15 (оснащенной реактором пониженного давления - РПД) по режимам: температура 630 °С, время 90 мин; рабочий газ - 5 %-я смесь моносилана с аргоном.
5. Загонка бора в пленку ПК термической диффузией из нитрида бора при температуре 950 °С при последовательной выдержке в потоке аргона в течение 12 мин и потоке кислорода в течение 5 мин, величина удельного поверхностного сопротивления находится в пределах (67-74) Ом/а
6. Фотолитография по формированию меза-тензорезисторов в пленке ПК.
7. Активация примеси бора в пленке ПК при режимах: температура 1150 °С, пластины выдерживают в потоке кислорода 20 мин, потоке аргона - 10 мин, величина удельного поверхностного сопротивления находится в пределах (38-46) Ом/а.
8. Фотолитография по 8Ю2 над профилем с непланарной стороны.
9. Фотолитография по формированию окон под контакт с А1-металлизации с планарной
стороны.
10. Термовакуумное напыление А1-металлизации.
11. Фотолитография по формированию А1-металлизации.
12. Вжигание алюминия.
13. Контроль электрических параметров ПЧЭ.
14. Напыление металлических защитных пленок на обе стороны пластины.
15. Фотолитография по формированию зон разделения в металлической пленке с пла-
нарной стороны.
16. Плазмохимическое разделение пластин на отдельные ПЧЭ.
17. Отжиг ПЧЭ с целью имитации процесса электростатики.
18. Контроль внешнего вида ПЧЭ.
19. Контроль адгезии А1-металлизации.
20. Окончательный контроль параметров и внешнего вида разделенных ПЧЭ.
Проводились экспериментальные работы по ионному легированию ПК на 81-пластинах при различных дозах и температурах разгонки примеси (см. рис. 2).
Поясним технологические режимы при формировании пьезорезисторов.
Первый режим загонки бора - доза 110 000 импульсов, ускоряющее напряжение 70 кэВ. Разгонка (активация) примеси с окислением при 1150 °С, выдержка в потоке О2 - 20 мин, в потоке Аг - 10 мин.
Величина удельного поверхностного сопротивления ПК для первого режима была получена в пределах Гц = (25-26) Ом/а.
Второй режим загонки бора - доза 90 000 импульсов, ускоряющее напряжение 70 кэВ. Разгонка (активация) примеси с окислением при 1150 °С, выдержка в потоке О2 - 20 мин, в потоке Аг - 10 мин.
Величина удельного поверхностного сопротивления ПК для второго режима была получена в пределах гя = (53-57) Ом/а.
Велась разработка экспериментальной технологии формирования компенсационных плат с поликремниевыми резисторами и многослойными контактными площадками.
Топология платы предусматривает изготовление элементов компенсации с двух сторон платы. Фрагменты конструкции платы представлены на рис. 1,б.
ТП изготовления компенсационной платы примерно повторяет ТП изготовления ЧЭ, за исключением металлизации, поверх алюминиевой металлизации путем напыления масочным методом формируется пленочная структура молибден-никель, позволяющая припаивать электрические выводы.
На основе анализа экспериментальных результатов формирования ПК пьезорезисторов можно сделать следующие выводы:
1. Факторами, управляющими ЭФХ СЭ на основе ПК, являются доза легирования, мощность лазерного излучения и в меньшей мере - температура подложки.
2. ПК-резисторы, имеющие защитную окисную пленку, имеют и большую стабильность, при этом оптимальная толщина пленки лежит в диапазоне 0,1-0,2 мкм.
3. Варьируя дозами легирования, можно изменять ТКС ПК-пленок от отрицательных до нулевых значений.
4. При увеличении дозы легирования одновременно с уменьшением ТКС уменьшается удельное поверхностное сопротивление слоев.
5. На одном ПЧЭ, изменяя дозу легирования, можно сформировать термо- и тензоэле-менты, что позволяет получать совмещенные датчики.
Список литературы
1. Соколов, Л. В. Основы исследования и разработки в области сенсорных МЭМС-устройств / Л. В. Соколов // SENSOR & SYSTEMS. - 1999. - № 3. - С. 13-17.
2. Михайлов, П. Г. Управление свойствами материалов сенсорных элементов микроэлектронных датчиков / П. Г. Михайлов // Микросистемная техника. - 2003. - № 5. - С. 7-11.
3. Bogue, R. W. The roul of materials in advansed sensor technology / R. W. Bogue // Sensor Review. - 1986. - № 4. - Р. 35-45.
4. Михайлов, П. Г. Модификация материалов микроэлектронных датчиков / П. Г. Михайлов // Приборы и системы. Управление. Контроль. Диагностика. - 2003. - № 5. - С. 43-46.
5. Модификация и легирование поверхности лазерными, ионными и электронными потоками / под ред. Дж. Поути. - М. : Машиностроение, 1987. - 390 с.
6. Михайлов, П. Г. Исследования по созданию высокотемпературных сенсорных элементов и структур / П. Г. Михайлов, П. Н. Цибизов, Л. А. Маринина // Микросистемная техника. - 2004. - № 8. - С. 38-44.
Михайлов Петр Григорьевич Mikhailov Petr Grigorievich
доктор технических наук, профессор, doctor of technical sciences, professor,
кафедра управления информационными ресурсами, sub-department of information resources management,
Пензенский филиал РГУ E-mail: [email protected]
Мокров Евгений Алексеевич
доктор технических наук, профессор, кафедра приборостроения,
Пензенский государственный университет E-mail: [email protected]
Скотников Валерий Владимирович
аспирант,
Пензенский государственный университет E-mail: [email protected]
Тютюников Дмитрий Александрович
аспирант,
Пензенский государственный университет E-mail: [email protected]
Петрин Владимир Алексеевич
аспирант,
Пензенский государственный университет E-mail: [email protected]
Penza branch of Gubkin Russian State University
Mokrov Evgeny Alekseevich
doctor of technical sciences, professor, sub-department of instrument making,
Penza State University
Skotnikov Valery Vladimirovich
postgraduate student,
Penza State University
Tyutyunikov Dmitry Aleksandrovich
postgraduate student,
Penza State University
Petrin Vladimir Alekseevich
postgraduate student,
Penza State University
УДК 621. 865. 8 Михайлов, П. Г.
Вопросы создания высокотемпературных датчиков механических величин. Материалы. Конструкции. Технологии / П. Г. Михайлов, Е. А. Мокров, В. В. Скотников, Д. А. Тютюников, В. А. Петрин // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. - 2013. - № 4 (6). - С. 61-70.
