Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса и задачи исследования. Обзор и сравнение методов улучшения характеристик чувствительных элементов для микроэлектронных датчиков давления информационно-измерительных систем 12
1.1. Конструктивные методы улучшения характеристик чувствительных элементов 16
1.1.1 Топологические методы 17
1.1.2 Схемотехнические методы 20
1.1.3 Компенсационный метод 23
1.2 Технологические методы улучшения характеристик чувствительных элементов микроэлектронных датчиков давления 25
1.2.1 Создание геттерных зон в объеме и на поверхности чувствительного элемента 26
1.2.2 Технологические тренировки 27
1.2.3 Формообразующее жидкостное травление 29
1.2.4 Модификация материалов чувствительных элементов 37
Выводы 42
2 Разработка конструктивных решений по улучшению характеристик чувствительных элементов микроэлектронных датчиков давления 43
2.1 Исследование конструктивных вариантов по улучшению характеристик чувствительных элементов микроэлектронных датчиков давления 43
2.2 Исследование влияния структуры чувствительного элемента на механические напряжения 51
2.3 Влияние геометрических размеров мезатензорезисторов на их тензочувствительность 58
2.4 Разработка методики расчета механических параметров разработанного чувствительного элемента 65
2.4.1 Анализ влияния нанослоев на изгибную жесткость чувствительного элемента 71
Выводы 76
Глава 3 Исследование и разработка технологических процессов изготовления чувствительных элементов для микроэлектронных датчиков давления 77
3.1 Анализ и совершенствование технологической операции разделения пластин на кристаллы 77
3.2 Разработка нового метода изготовления и разделения пластин на кристаллы 83
3.2.1 Плазмохимическое травление 87
3.2.2 Жидкостное изотропное травление 95
3.3 Анизотропное травление кремния в плоскости (100) как метод управления характеристиками чувствительного элемента микроэлектронных датчиков давления 103
3.3.1 Модификация топологии фотошаблона для повышения точности геометрии фигуры травления 106
3.3.2 Оптимизация режимов проведения операции анизотропного травления 116
Выводы 120
4 Экспериментальные исследования микроэлектронных датчиков давления для информационно-измерительных систем на основе разработанных чувствительных элементов 121
4.1 Экспериментальные исследования влияния геометрических размеров мезатензорезисторов на их тензочувствительность 121
4.2 Экспериментальные исследования по реализации метода разделения чувствительных элементов 123
4.2.1 Технологические эксперименты по плазмохимическому травлению кремния на различном технологическом оборудовании 125
4.2.2 Отработка режимов сквозного плазмохимического травления кремния 127
4.3 Экспериментальные исследования по реализации метода утонения 130
4.4 Экспериментальные исследования по формированию профилированной мембраны чувствительного элемента 132
4.5 Исследования экспериментальных образцов 133
4.5.1 Методика проведения экспериментов 133
4.5.2 Результаты исследований экспериментальных образцов микроэлектронных датчиков давления 137
4.6 Анализ результатов исследования 141
4.6.1 Определение температурных коэффициентов сопротивления тензорезисторов 141
4.6.2 Определение температурного ухода начального и максимального выходного сигнала 142
4.6.3 Измерение сопротивления изоляции, тока утечки 143
Выводы 145
Заключение 146
Перечень принятых сокращений 148
Библиографический список 149
Приложение
- Технологические методы улучшения характеристик чувствительных элементов микроэлектронных датчиков давления
- Исследование влияния структуры чувствительного элемента на механические напряжения
- Разработка нового метода изготовления и разделения пластин на кристаллы
- Экспериментальные исследования по реализации метода разделения чувствительных элементов
Введение к работе
Актуальность работы. Технический прогресс науки и техники, внедрение новых и совершенствование существующих космических технологий и аппаратов в значительной степени определяются уровнем развития автоматических и автоматизированных систем управления, контроля и диагностики, а также уровнем технического совершенства их элементов.
Основу любых информационно-измерительных систем (ИИС) управления и контроля составляют датчики, первыми воспринимающие не только информацию об измеряемой механической величине, но и влияние дестабилизирующих физических факторов, сопровождающих эксплуатацию контролируемых объектов.
Анализ задач измерений динамических давлений в ракетно-космической (РКТ) и авиационной технике показал, что датчиковая аппаратура, применяемая для этих целей, подвергается наиболее сосредоточенному и комплексному воздействию дестабилизирующих факторов, таких как: перепады давлений, высокие уровни вибрационных и ударных нагрузок, резкий перепад температур, агрессивные среды.
Непрерывное усложнение создаваемых аппаратов и объектов для длительных орбитальных полетов, высокая насыщенность их специальными техническими системами, системами диагностики и контроля, информационно - измерительными комплексами требуют дальнейшего совершенствования и создания нового поколения датчиковой аппаратуры.
Кроме того, проблема повышения точностных и эксплуатационных характеристик современных датчиков динамических давлений приобретает особую актуальность в связи с широким размахом научных исследований и решением инженерных задач и в других отраслях промышленности: нефтеперерабатывающей, химической, энергетике (включая АЭС),
автомобиле- и мотостроении, авиастроении, морском, железнодорожном транспорте и др.
Стремительное развитие технологии микроэлектроники открывает широкие возможности оснащения современных изделий РКТ новыми датчиками давлений: микроэлектронными (МЭДД), являющимися основными элементами систем управления работой двигательных установок и систем контроля их технического состояния на различных этапах эксплуатации, отличающихся воздействием температур от криогенных значений до (500-600) С, ионизирующих излучений и жестких электромагнитных помех.
Одним из основоположников направления микроэлектронных датчиков является В. И. Ваганов. Продолжили и развили его работы отечественные и зарубежные авторы: В. Л. Кенигсберг, 3. Ю. Готра, В. А. Гридчин, В. В. Грищенко, П. Гравесен, Д. С. Кэмпбелл и др.
Однако известные МЭДД не могут эксплуатироваться при высоких температурах, имеют метрологические характеристики, не удовлетворяющие возросшим требованиям Федерального космического агентства, Министерства обороны в оснащении информационно-измерительных систем наиболее современными, надежными, высокоточными средствами измерений.
Это обусловлено тем, что чувствительные элементы (ЧЭ) известных датчиков имеют низкую тензочувствительность, высокую аддитивную погрешность из-за высоких механических напряжений, обусловленных различием температурных коэффициентов расширения (ТКР) слоев многослойной мембраны. Перечисленные недостатки связаны с несовершенством конструкций и технологии изготовления ЧЭ. Технологические недостатки связаны с низкой точностью разделения кристаллов (границы разделяемых кристаллов содержат дефекты поверхности, обусловленные использованием технологических методов разделения, не обеспечивающих заданные параметры) и низкой
технологичностью их изготовления (уменьшение процента выхода годных кристаллов при переходе на технологию с использованием пластин кремния диаметром до 150 мм).
По этим причинам разработка конструктивно-технологических решений ЧЭ МЭДД с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками для информационно-измерительных систем авиационной и ракетно-космической техники, является актуальной научно-технической задачей.
Цель и задачи исследований. Целью работы является разработка конструктивно-технологических решений чувствительных элементов микроэлектронных датчиков давления с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками для информационно-измерительных систем.
Эта цель достигается решением следующих научных задач:
- анализом и обобщением принципов построения и методов улучшения
характеристик МЭДЦ для ИИС;
- разработкой новой конструкции ЧЭ МЭДД, обеспечивающей
улучшенные характеристики датчика в целом;
- разработкой методики расчета механических параметров ЧЭ МЭДД,
содержащего новые по сравнению с уже существующими конструктивно-
технологические решения (изоляционный слой двуокиси кремния,
расположенный только под тензорезисторами и коммутационными шинами,
наличие сплошного слоя поликристаллического кремния на планарной
поверхности ЧЭ);
- проведением оптимизации конструктивных параметров ЧЭ,
обеспечивающих повышение технологичности изготовления и улучшение
метрологических характеристик МЭДД как элемента ИИС;
- разработкой новых технологических методов изготовления ЧЭ
МЭДД, включающих методы разделения пластины на кристаллы и утонения
ЧЭ МЭДД до значения 20 мкм с целью уменьшения основной погрешности и повышения чувствительности МЭДД;
- изготовление макетных образцов МЭДД как элементов ИИС с
использованием разработанной последовательности технологических
операций изготовления ЧЭ, проводимой на стандартном микроэлектронном
оборудовании;
- проведением экспериментальных исследований изготовленных
макетных образцов МЭДД как элементов ИИС с целью определения
метрологических и эксплуатационных характеристик.
Методы исследований. При разработке моделей ЧЭ МЭДД давлений использованы основные положения физики твердого тела, применены методы математической физики, теории упругости, прикладной механики. При решении задач по анализу и разработке методов улучшения метрологических и эксплуатационных характеристик ЧЭ МЭДД использованы положения физической химии, кристаллографии, микроэлектроники, технологии изготовления элементов схем, имитационное моделирование на ЭВМ. В экспериментальных исследованиях использованы положения теории измерений, планирования эксперимента. Основные теоретические положения и результаты расчетов подтверждены экспериментальными исследованиями образцов ЧЭ МЭДД.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Разработана новая конструкция ЧЭ МЭДД, содержащая сплошной слой нелегированного поликристаллического кремния толщиной не менее высоты тензорезисторов на планарной стороне ЧЭ МЭДД, а также изоляционный слой двуокиси кремния, расположенный только под тензорезисторами и коммутационными шинами, что позволяет повысить чувствительность и уменьшить температурную погрешность МЭДД использующихся в ИИС;
Разработана методика расчета механических параметров новой конструкции ЧЭ МЭДД.
Разработан конструктивно-технологический метод изготовления ЧЭ МЭДЦ, заключающийся в создании защитной маски особой формы на поверхности кремниевой пластины, ребер жесткости на непланарной стороне пластины, позволяющий уменьшить основную погрешность, повысить чувствительность и технологичность изготовления МЭДЦ для ИИС.
С целью улучшения метрологических характеристик МЭДЦ разработан метод утонения ЧЭ МЭДЦ, основанный на изотропном травлении кремния, позволяющий достигать минимального значения толщины кристаллов 20 мкм. При этом за счет оптимизации режимов операции травления поверхность кристалла не содержит микротрещин, микронеровностей и других дефектов, что уменьшает погрешность линейности и повышает надежность МЭДЦ в целом.
Разработан и реализован технологический процесс изготовления новой конструкции ЧЭ МЭДЦ с использованием разработанных методов, позволивший осуществить сборку макетных образцов МЭДЦ как элементов ИИС.
Экспериментально исследованы метрологические и эксплуатационные характеристики МЭДЦ на основе разработанных ЧЭ, подтвердившие основные теоретические положения диссертационных исследований.
Практическая значимость работы. Работа обобщает теоретические и экспериментальные исследования, проведенные автором в Пензенском государственном университете (ПТУ) на кафедре «Приборостроение», и способствует решению актуальной научно-технической задачи создания ЧЭ МЭДЦ с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками для ИИС авиационной и ракетно-космической техники.
Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволяют перейти к проектированию, производству и внедрению ЧЭ МЭДЦ. Научная и практическая значимость подтверждаются тем, что
исследования проводились в рамках работ, финансируемых Федеральным космическим агентством, Федеральным агентством по науке и инновациям.
Реализация результатов работы. Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований автора (в соавторстве) использованы при разработке конструкции и метода изготовления ЧЭ МЭДД; при выполнении договора № 35 от 18.02.05 г. (ОКР «Информационно-измерительная система контроля давления рабочей среды») между ООО НЛП «Пироруглерод» и Пензенского государственного университета; принципы построения ЧЭ МЭДД, варианты топологии и конструкции ЧЭ использованы в лекционном материале и лабораторном практикуме дисциплины «Микромеханические устройства и приборы» кафедры «Приборостроение» ПТУ.
Апробация работы. Основные научные и практические результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на VII Международной НМК конференции «Университетское образование» (г. Пенза, 2003 г.); Международном симпозиуме «Надежность и качество-2003» (г. Пенза, 2003 г.); XXXII Межвузовской НТК «Актуальные проблемы разработки, испытаний и эксплуатации ракетно-артиллерийских комплексов» (г. Пенза, 2003 г.); VIII Международной НМК конференции «Университетское образование» (г. Пенза, 2004 г.); Международной НТК конференции «Проблемы автоматизации и управления в тех. системах» (г. Пенза, 2004 г.); V Всероссийской НТК «Современные охранные технологии и средства обеспечения комплексной безопасности объектов» (г. Пенза-Заречный, 2004 г.); XII Военно-научной конференции Военного университета ВПВО ВС РФ. (г. Смоленск, 2005); НТК «Информационно-измерительная техника, экология и мониторинг» (г. Москва, 2005 г.); Международном симпозиуме «Надежность и качество-2006» (г. Пенза, 2006 г.)
Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 работ, в том числе заявка на изобретение, 2 статьи в центральных изданиях. Без соавторов опубликовано 6 работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы, 3 приложений. Основная часть изложена на 160 страницах машинописного текста, содержит 58 рисунков, 15 таблиц. Список литературы содержит 145 наименования. Приложения к диссертации занимают 14 страниц.
На защиту выносятся:
1 Конструкция ЧЭ МЭДД, содержащая сплошной слой
нелегированного поликристаллического кремния толщиной не менее высоты
тензорезисторов на планарной стороне ЧЭ МЭДД, и изоляционный слой
двуокиси кремния, расположенный только под тензорезисторами и
коммутационными шинами, позволяющая повысить чувствительность и
уменьшить температурную погрешность МЭДД для ИИС.
2 Методика расчета механических параметров разработанной
конструкции ЧЭ МЭДД.
Конструктивно-технологический метод изготовления ЧЭ МЭДД, заключающийся в создании защитной маски особой формы на поверхности кремниевой пластины, ребер жесткости на непланарной стороне пластины, позволяющий уменьшить основную погрешность, ,: повысить чувствительность и технологичность изготовления МЭДД для ИИС.
Метод утонения ЧЭ МЭДД, основанный на изотропном травлении кремния, позволяющий достигать минимального значения толщины кристаллов 20 мкм, и, таким образом, улучшать метрологические характеристики МЭДД для ИИС.
1 Состояние вопроса и задачи исследования. Обзор и сравнение методов улучшения характеристик чувствительных элементов для микроэлектронных датчиков давления информационно-измерительных систем
Вопросы обеспечения стабильности датчиков всегда были одними из основных в измерительной технике и приборостроении. Особую актуальность они приобрели в связи с созданием и развитием сложных автономных информационно-измерительных и управляющих систем в космонавтике, энергетике, трубопроводном транспорте, охране важных объектов, экологии.
Технологические методы улучшения характеристик чувствительных элементов микроэлектронных датчиков давления
Сущность технологических методов повышения характеристик ЧЭ заключается в том, что с помощью осуществления различных физико-термических операций (нагрев, лучевая, ионная или плазменная обработка и т.д.) как над отдельными ЧЭ, так и над полупроводниковыми пластинами в целом, добиваются уменьшения уровня МН, количества дефектов и прочих несовершенств, таким образом осуществляется получение качественных ЧЭ.
Следует отметить, что в составе многооперационных технологических процессов по изготовлению ЧЭ существуют как хорошо регулируемые, так и трудно регулируемые технологические операции, что связано со многими объективными и субъективными факторами, в частности, с недостаточной изученностью физико-термических процессов окисления, диффузии, с ограниченной точностью датчиков, загрязненностью рабочей среды и проч.
В таких ЧЭ повышение основных характеристик (ТКС, номинал, удельное сопротивление, временной дрейф) производится следующими технологическими методами: - для диффузионных с помощью температуры, длительности процесса, типа легирующей примеси [27,33]; - для ионнолегированных путем выбора дозы, заряда ионов, временем и температурой активации, типом и толщиной маски [109]; - для тонкопленочных с помощью температуры напыления, стехиометрическим составом пленки, временем напыления, скоростью осаждения, режимами термообработки, выбора метода осаждения [121]; - для толстопленочных путем выбора исходных материалов, легирующих присадок, температуры вжигания резистивной пасты и режимов термообработки готовых резисторов; - для повышения чувствительности и расширения диапазона измерения используется профилирование упругого элемента (мембран или балок) с помощью анизотропного травления (AT) [7,131].
Изменяя технологические режимы при формировании диэлектрических и металлических пленок (углы наклона пластины по отношению к испарителю или мишени, температура нагрева пластин, скорости напыления, напряжение смещения, степень разряжения в реакционной камере и т.д.), можно управлять уровнем МН в формируемой пленке и ее дефектностью [87, 116]. Так, например, осажденные при низком давлении аргона пленки из аморфных сплавов MoRuB и WReB имеют сжимающие напряжения, а при высоком давлении - растягивающие. Пленки SiCb, полученные при окислении кремния в реакторе повышенного давления, имеют большую плотность и улучшенные ЭФХ, чем при окислении в обычной диффузионной печи при атмосферном давлении. Рассмотрим некоторые технологические методы.
Эффективным методом уменьшения МН в эпитаксиальных пленках и полупроводниковых структурах является формирование в пластинах специальных нарушенных зон, которые являются стоками дефектов, возникающих при проведении технологических операций, и уменьшают внутренние МН за счет их перераспределения по внутреннему объему пластины. Для формирования таких геттерных зон, которые поглощают ДФ, используются соответствующие высокоэнергетические методы и технологическое оборудование: - обработка ионными пучками инертных газов для получения аморфизированных участков; - диффузия примесей с нерабочей стороны пластины, в частности диффузия фосфора, при которой создается сетка дислокаций; - создание дефектов на нерабочей стороне пластины посредством механической шлифовки, пескоструйной обработки, ионной имплантации и лазерной обработки. Следует подчеркнуть, что все выше указанные методы нуждаются в тщательной отработке режимов для того, чтобы обеспечить необходимые эффективность и воспроизводимость результатов. Для уменьшения МН в ионнолегированных тензорезисторах в областях легирования выращивают технологическую тонкую пленку S1O2, после чего проводят ионное легирование бором в окисную пленку, а затем переводят разгонкой бор из Si02 в Si. При газофазном осаждении диэлектрических пленок, в частности, Si02, в реакционную газовую смесь добавляют легирующие примеси (диборан, фосфин, арсин), что позволяет в определенных пределах управлять КТР БіОг и, соответственно, уровнем внутренних МН. На всех этапах ТП изготовления ЧЭ МЭДД, начиная от изготовления пластин и, заканчивая закреплением его в корпусе датчика, происходит накопление дефектов. Если дефекты специальным образом не удалять или не компенсировать, то их влияние может привести к нестабильности и отказу всего датчика при испытаниях или, в процессе эксплуатации системы, в которой устанавливается датчик. Поэтому для повышения стабильности всего МЭДД в процессе его изготовления проводятся, так называемые технологические тренировки (ТТ), призванные интенсифицировать деградационные процессы, которые всегда происходят в структурах и узлах датчика в течение всего жизненного цикла и наиболее интенсивно в процессе его приработки. К указанным процессам, которые в наибольшей степени влияют на характеристики датчиков, относятся: полимеризация герметиков, стабилизация переходных контактных сопротивлений, релаксация внутренних МН, дегазация поверхностей и микробъемов ЧЭ.
Исследование влияния структуры чувствительного элемента на механические напряжения
Под действием измеряемого давления все элементы структуры изменяют свои ЭФХ. Соответственно внутренние напряжения оказывают влияние на большинство технических и эксплуатационных характеристик ЧЭ и МЭДД в целом [58, 87]. Указанное влияние может проявляться следующим образом: - деформируются обратные ветви ВАХ протяженных «р-т переходов; - увеличиваются токи утечки и снижаются пробивные напряжения; - уменьшается тензочувствительность и наблюдается дрейф характеристик; - увеличивается шумовая составляющая выходного сигнала; - деформируются тонкие перемычки; Используя новые конструкции и технологии изготовления ЧЭ, можно добиться снижения уровня механических напряжений. По данным литературных источников, около 50% отказов микроэлектронной аппаратуры вызвано механическими воздействиями, возникающими в процессе производства, испытания и эксплуатации [73]. Причиной такого рода отказов являются МН, возникающие в ЧЭ, при этом напряжения присутствуют на всех стадиях производства, начиная с операций изготовления кремниевых пластин и заканчивая операциями герметизации. Размер и градиент МН могут быть такими, что при проведении высокотемпературных физико - термических операций (диффузия, окисление, эпитаксия и т.д.), они могут привести к деградации характеристик или к разрушению отдельных ЧЭ.
В информационно - энергетическом плане действие МН проявляется в возникновении дополнительных погрешностей, имеющих аддитивный и мультипликативный характер. При разработке МЭДД необходимо учитывать деформационные явления, происходящие в структурах ЧЭ, и вырабатывать конструктивно-технологические решения, позволяющие уменьшать влияние МН на характеристики датчиков. С целью выявления МН, и возможной их компенсацией в определенном температурном диапазоне, рассмотрим напряжения возникающие в структуре разработанного ЧЭ МЭДД. Внутренние механические напряжения (ам), возникающие в полупроводниковых структурах ЧЭ, обуславливаются структурными - \ас\ и температурными ат напряжениями: Структурные напряжения возникают в процессе формирования диффузионных пьезорезисторов, контактной металлизации, изолирующих пленок, и их размер и знак зависят от материала элемента и пластины, условий формирования, структуры материала. В данном случае используется моно - и поликристаллический кремний, а также двуокись кремния. Величина и характер температурных напряжений зависят от разницы температур формирования и эксплуатации ЧЭ, материалов подложки и формируемых слоев, а также конфигурации элементов ЧЭ.
Рассмотрим составляющие МН для структур разработанного ЧЭ: а) структурные напряжения OQ: - для пленочных структур используем формулу Стоуни в двух формах [62]: где ls, \j- соответственно толщины подложки и пленки; Re- радиус изгиба структуры; d - диаметр структуры (подложки). - для локальных диффузионных, в данном случае тензорезистивных областей: где у - коэффициент сжатия (растяжения) решетки диффузантом; D - коэффициент диффузии; Cs - поверхностная концентрация; d- толщина пластины; t - время диффузии. - для эпитаксиальных структур напряжение в подложке о\Щ: где Сі и с2 - концентрация атомов примеси соответственно в подложке и в эпитаксиальном слое; $=(Аа/а)с - коэффициент деформации решетки примесью; а - параметр решетки (для монокремния а = 0,542 нм). Из (2.5 - 2.7) следует, что характер напряжений в структурах зависит от знака множителя P(ci-c ): - если (С]-С2) 0, то напряжения будут сжимающими в подложке и растягивающими в пленке; - если (3(Ci C2J 0, то напряжения будут сжимающими в пленке и растягивающими в подложке. - самым благоприятным условием для ЧЭ является равенство $(с\- =0, что может быть в двух случаях, если Из (2.5 - 2.7) так же следует условие максимума структурных напряжений (самый неблагоприятный случай): Структурные напряжения можно условно считать постоянными во времени и независимыми от температуры эксплуатации ввиду постоянно идущих в полупроводниковых структурах различных физико - химических процессов (межкристаллитная диффузия, фазовые превращения, окисление и т.д.), структурные напряжения медленно релаксируют, но скорость релаксации такова, что на практике ей пренебрегают.
Разработка нового метода изготовления и разделения пластин на кристаллы
Разработан метод изготовления чувствительных элементов, устраняющий недостатки метода 3.1, д, который отличается тем, что перед разделением пластины на кристаллы формируют защитное покрытие с окнами расположенными только над соответствующими границами раздела.
Предложенный метод позволяет формировать элементы жесткости, равномерно распределенные по всей площади пластины и расположенные под областями вне размещения элементов схемы, что обеспечивает повышение прочности структуры за счет увеличения площади пластины, имеющей большую, чем кристалл толщину, и равную толщине исходной пластины.
Последовательность этапов технологического маршрута разработанного метода поясняется рисунком 3.3 . 1 - Полупроводниковая пластина; 2 - области с элементами топологии полупроводниковых приборов; 3 - элементов схемы; 4 - контактная металлизация; 5 - сформированная полость под каждой областью с элементами топологии полупроводниковых приборов; 6 - участок жесткости; 7,8 - металлическое покрытие; 9 - окна над соответствующими границами разделения пластины; 10 - кристалл; 11 - участки травления между кристаллами. Новый метод изготовления ЧЭ МЭДД заключается в следующем. 1 Формируем на одной из сторон кремниевой пластины 1 области с элементами топологии полупроводниковых приборов 2. 2 Добиваемся утонения пластины с непланарной стороны путем изотропного травления с получением полостей 5 расположенных только под кристаллами. 3 Добиваемся, чтобы дно полости имело размеры, ограниченные размерами кристалла в нижнем значении диапазона и плотностью топологического размещения кристаллов на пластине в верхнем значении диапазона с одновременным образованием участков жесткости 6. 4 Наносим защитную маску 7, обеспечивающую защиту периферийных областей пластины, таким образом, что внутренняя конфигурация периферии площади маски совпадает с наружной конфигурацией периферии площади структур на лицевой стороне пластины. 5 Формируем защитное металлическое покрытие 8 с окнами 9, расположенными только над соответствующими границами разделения пластины на кристаллы 10 с учетом бокового подтравливания, причём окна имеют размер, ограниченный возможностью проведения процесса травления в нижнем значении диапазона и плотностью топологического размещения кристаллов на пластине в верхнем значении диапазона. 6 Проводим плазмохимическое травление (ПХТ) пластины в участках под окнами 11 с последующим разделением ее на кристаллы. Разработанный метод позволяет: - формировать элементы жесткости, равномерно распределенные по всей площади пластины и расположенные под областями вне размещения элементов схемы, что повышает прочность структуры за счет увеличения площади пластины; - формировать на пластинах диаметром до 125 мм одновременно до нескольких сотен кристаллов, что повышает в 2...5 раз коэффициент их групповой обработки; - формировать тонкие (в 2...10 раз меньшей толщины, чем исходная пластина) кристаллов, что позволяет повысить их чувствительность; - повысить качество границы разделения кристаллов. При проведении процесса разделения травлением, за счет уменьшения площади участков кремния, подвергающегося распаду в результате травления и активно поставляющего продукты распада непосредственно на границу травления, уменьшается число посторонних включений в активной зоне за счет уменьшения продуктов распада кремния, поступающих непосредственно на границу разделения кристаллов. Это упрощает процессы сборки кристаллов в корпус датчика и уменьшает погрешность линейности, из-за увеличения точности центрирования кристалла с корпусом датчика; - повысить процент выхода годных кристаллов на операции (до 98%). Заштрихованные области представляют собой защитную маску выполненную из меди. Оставшаяся часть - это область для разделения, расположенная по периметру кристалла с учетом бокового подтравливания. Данный конструктивно-технологический метод изготовления чувствительных элементов включает в себя изотропное (ИТР): плазмохимическое и жидкостное и анизотропное виды травления. Последний вид достаточно хорошо рассмотрен в части формирования непрофилированных полостей (см. рисунок 3.3, б) [13, 15]. Поэтому дальнейшее рассмотрение видов травления с целью оптимизации всего метода и выбора наиболее адекватного применительно к изготовлению ЧЭ МЭДД, будет ограничиваться плазмохимическим и жидкостным анизотропными видами травления. Вопросы анизотропного травления, касающиеся управления формированием сложных профилированных мембран и тензорезисторов, будут рассмотрены в п. 3.3.
Экспериментальные исследования по реализации метода разделения чувствительных элементов
Для подтверждения достоверности теоретических положений, выдвинутых в п. 2.3, были проведены экспериментальные исследования продольного и поперечного коэффициентов тензочувствительности тензорезисторов. Испытания проведены на тестовых элементах в виде пластин, имеющих линейные размеры 22x6x0,38 мм. Толщины слоев двуокиси кремния и кремния равнялись соответственно 0,4 мкм и 0,5 мкм. Двуокись кремния получалась термическим окислением кремниевых пластин. Линейные размеры тензорезисторов приведены в таблице 4.1. Из рисунков видно, что наблюдается хорошее согласие между экспериментальными и расчетными зависимостями.
Наблюдаемое согласие экспериментальных и расчетных коэффициентов тензочувствительности для тензорезисторов, полученных как по вышеизложенным моделям, так и по эмпирическим формулам [99], свидетельствуют о том, что упругие свойства слоя между тензорезистором и подложкой (или даже его отсутствие), не оказывают принципиального влияния на зависимость коэффициентов тензочувствительности от линейных размеров тензорезисторов.
С целью реализации метода п. 3.2 были проведены экспериментальные исследования плазмохимического травления для разделения пластин на кристаллы.
Для проведения ПХТ кремния используется газоразрядная ВЧ плазма низкого давления. Высокочастотный способ возбуждения плазмы имеет ряд преимуществ по сравнению с возбуждением плазмы постоянным током. При этом достигается большая однородность распределения частиц плазмы по рабочему объёму реакционной камеры, а также, ВЧ индуктор или возбуждающие электроды могут находиться вне камеры и, следовательно, не будут взаимодействовать с плазмой, не будут загрязнять пространство реакционной камеры (при этом реакционная камера должна быть изготовлена из кварцевого стекла (рисунок 4.3, г)).
Процесс ПХТ является многофакторным, то есть на его результаты влияют состав плазмы, мощность разряда, градиент концентрации химически активных частиц по длине и сечению реакционной камеры, скорость потока газа, определяющая газодинамическую обстановку в реакторе,.соотношение размеров камеры и обрабатываемых подложек, расположение подложек по отношению к направлению движения химически активных частиц, градиент емпературы внутри камеры. Определение взаимосвязи всех перечисленных факторов технологического процесса и оптимизация режимов травления проводится экспериментальным путем.
Выбор марки технологического оборудования для ПХТ кремния определялся исходя из техническим характеристик установок для ПХТ (таблица 4.2, рисунок 4.3).
Технологический процесс сквозного травления кремния начинается на установке с загрузки в реакционную камеру кремниевых пластин с нанесенной контактной медной маской. Контактная медная маска, полученная методом термического испарения в вакууме с последующей фотолитографией и наращиванием меди гальваническим способом, применяется для защиты поверхности кристаллов от воздействия травящей плазмы в течение нескольких часов.
Из реактора откачивается воздух до остаточного давления 10" -10 Па, после чего в камеру запускается реакционный газ или смесь газов до давления от 1,33 до 50,0 Па. Автоматические газовые натекатели поддерживают постоянное давление в реакционной камере в течение всего технологического цикла травления. Газ реагент для травления кремния (таблица 4.3) выбирается исходя из особенностей технологического процесса формирования топологии и рельефа на кристалле, а также возможностей оборудования (отрицательное воздействие химически активных выбросов из реактора установки ПХТ на вакуумный механический насос). Поэтому в настоящее время наиболее часто в качестве реактивного газа используется Фреон 14 в смеси с кислородом и аргоном [84]. На следующем этапе начинается процесс травления технологического цикла путем включается ВЧ - генератор и зажиганием плазмы.
Процесс травления на установке 08 ПХО 100Т-008 протекает в реакционной камере из нержавеющей стали с медным электродом сверху, движение активных ионов происходит сверху вниз и их травящее действие направлено строго вертикально на кремниевую подложку.
Таким образом, достигается равномерность процесса травления. В процессе травления подложки получают большое количество энергии от бомбардирующих их частиц ионизированного реакционного газа. Поэтому температура подложки начинает возрастать и может достичь уровня порядка 150 - 220 С. При такой температуре начинаются процессы деградации диффузионных тензорезисторов, полученных методом легирования кремния.
Для предотвращения подобных явлений применяется водяное охлаждение стальной плиты, на которой расположены подожки. Скорость травления тем выше, чем большую мощность передает генератор в область разряда в камере, но увеличение мощности до максимальных величин приводит к быстрой деградации защитной маски и растравам кристалла в недопустимых местах. Материал камеры также интенсивно распыляется плазме и может загрязнять зону травления и тем самым замедлять процесс травления.
Процесс травления на установке 08 ПХО ЮОТ-001 протекает в реакционной камере из кварцевого стекла при этом ВЧ индуктор или возбуждающие электроды находятся вне камеры и, следовательно, не взаимодействуют с плазмой и не загрязняют пространство реакционной камеры, что в свою очередь обеспечивает высокую чистоту обрабатываемой поверхности кристалла. Подложки располагаются в геометрическом центре цилиндрической камеры на держателе из кварцевого стекла. Расположение кремниевых подложек по отношению к направлению вектора движения ионизированных частиц - под углом 45. При этом достигается наивысшая эффективность процесса травления. Недостатком этого оборудования является отсутствие системы охлаждения подложек.
