Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Аналитический обзор литературы 9
1.1. Основные этапы развития измерительных тензопреобразователей 9
1.2. Основные типы полупроводниковых датчиков давления 15
1.3. Классификация датчиков давления 19
1.4. Надежность полупроводниковых интегральных измерительных тензопреобразователей 1.4.1. Основные понятия теории надежности 21
1.4.2. Особенности обеспечения надежности приборов на базе интегральных измерительных тензопреобразователей 24
1.5. Дефекты кристаллической структуры кремния 27
1.5.1. Природа возникновения дефектов 28
1.5.2. Влияние дефектов на электрофизические характеристики полупроводника 29
1.5.3. Движение дислокаций 31
1.5.4. Механизм зарождения дислокаций 34
Выводы главы 1 35
Глава 2 Экспериментальное исследование деградации интегральных измерительных тензопреобразователей .36
2.1. Постановка задачи. Гипотеза 36
2.2. Исследование температурного гистерезиса выходного сигнала датчиков давления 37
2.2.1. Разработка методики исследования величины гистерезиса 37
2.2.2. Расчет коэффициента ускорения испытаний 41
2.2.3. Результаты и обсуждения 45
Выводы главы 2 55
Глава 3 Разработка методики и расчет величины упругих напряжений в микроэлектромеханических структурах 56
3.1. Постановка задачи 56
3.2. Решение задачи для плоской пластинки (мембраны) 59
3.3. Результаты и обсуждения 61
Выводы главы 3 62
Глава 4 Физическая модель процесса дислокационной деградации микроэлектромеханических структур 64
4.1. Кремний, как диссипативная среда. Основные определения 64
4.2. Генерация дислокаций как диссипативныи процесс в микроэлектромеханических структурах 66
Выводы главы 4 71
Глава 5 Металлографические исследования микроэлектромеханических структур 72
5.1. Разработка методики металлографических исследований 72
5.2. Результаты и обсуждения 74
Выводы главы 5 75
Глава 6 Расчет скорости движения дислокаций 78
6.1. Механизм зарождения дислокаций 78
6.2. Структура дислокаций 79
6.3. Скорость движения дислокаций 80
6.4. Динамика распределения дислокаций 81
Выводы главы 6 82
Глава 7 Механизм увеличения температурного гистерезиса выходного сигнала микроэлектромеханических структур 84
7.1. Влияние дислокаций на зонную структуру материала микроэлектромеханических структур 84
7.2. Изменение пьезорезистивных свойств полупроводника 87
Выводы главы 7 97
Глава 8 Надежность микроэлектромеханических структур 98
Выводы главы 8 103
Глава 9 Оптимизация технологии производства приборов на базе микроэлектромеханических структур 105
9.1. Типовой технологический маршрут производства микроэлектромеханических структур 105
9.2 Пути устранения причин возникновения упругих напряжений 112
9.3. Оптимизация технологических процессов производства микроэлектромеханических структур и приборов на их основе 115
9.4. Пути применения полученных результатов 123
Выводы главы 9 125
Выводы 128
Список литературы 130
- Основные этапы развития измерительных тензопреобразователей
- Постановка задачи
- Изменение пьезорезистивных свойств полупроводника
- Пути применения полученных результатов
Основные этапы развития измерительных тензопреобразователей
В [1-12] обобщен опыт проектирования, производства и применения микроэлектромеханических структур и приборов на их основе. Отметим, что такое название получили твердотельные устройства, с интегрированными электрическими, электронными и микромеханическими структурами [7,9]. Наиболее массовым типом приборов являются интегральные измерительные тензопреобразователи датчиков давления (рис. 1.1 а).
В [2] определены фундаментальные физические принципы работы полупроводниковых тензопреобразователей физических величин. Пьезорезистивный эффект в кремнии, описанный сотрудниками фирмы Bell Laboratories в 195 4 году, не находил широкого применения на протяжении двух десятилетий. Одним из факторов, сдерживавших широкое применение эффекта, являлось отсутствие технологий, позволявших перейти к массовому производству подобных приборов.
Данные о разработке полупроводниковых датчиков из монокристаллического кремния в виде тензочувствительных элементов, закрепленных на поверхности металлической мембраны, опубликованы в [1,2] .
А в виде интегральных измерительных тензопреобразователеи (см. рис.1.1, рис.1.3), у которых чувствительные элементы изготовлены по стандартным методам полупроводниковой технологии в приповерхностном слое тонкой монокристаллической мембраны (упругого элемента), сформированной химическим травлением кремниевой пластины — в обзоре [3].
По мнению [3,8], одним из факторов, определяющим развитие измерительных тензопреобразователеи различного назначения, является именно технология их производства - объединение в одном технологическом цикле двух технологий - микроэлектроники и микропрофилирования кремния. Такое положение существовало до начала 90-х годов XX столетия. К этому моменту был накоплен значительный опыт интеграции этих двух технологий в одну, получившую название «МЭМС - технологии», т.е. технологии создания микроэлектромеханических структур
[5-7,9,10]. Произошедший прорыв в этой технологии привел к лавинообразному нарастанию количества устройств, изготавливаемых с применением микроэлектромеханических структур [9,10], и к такому же всплеску на мировом рынке рассматриваемых приборов (таблица 1).
Анализ литературных источников [3,8] позволил составить обобщенный технологический маршрут производства измерительных тензопреобразователей, приведенный на рисунке 1.2. Этот маршрут не претерпел значительных изменений с момента создания первых интегральных измерительных тензопреобразователей в начале 7 0-х годов. Анализируя обзоры по данной тематике можно заметить, что основные изменения касались лишь применяемых в технологических процессах вспомогательных материалов и оборудования [5,6,8,9].
Анализ [1-32] позволяет сделать вывод, что до сегодняшнего дня особое внимание уделяется как технико-экономической оптимизации технологии производства и выбору конструкции традиционных приборов (датчики давления, акселерометры, расходомеры), так и разработке новых устройств, изготавливаемых с применением «МЭМС -технологии» [11,12] .
Необходимо отметить, что отсутствует информация об изменениях параметров приборов во времени, то есть о надежности микроэлектромеханических структур. В [9,13] надежность подобных структур рассматривается на основе анализа электрической схемы прибора. Так как большинство датчиков являются слаботочными приборами с низкой степенью интеграции, в качестве характеристики выбрана их интенсивность отказов (Х- 1х10_б 1/ч) . Для сравнения, X интегрального транзистора [14] составляет не более 0, бхІСГ6 1/ч. Кроме того, опыт серийного производства датчиков давления, и анализ причин возникновения их отказов не позволяет согласиться с данными [9, 13].
Такое положение сдерживает дальнейшее расширение областей применения измерительных тензопреобразователей. Необходимость оптимизации конструкции и технологии по характеристикам надежности обусловлена в первую очередь требованиями, предъявляемыми системами, в которые интегрируются датчики (давления, ускорения, силы) на базе микроэлектромеханических структур [15-17].
Постановка задачи
Ранее было сделано предположение о возникновении дефектов кристаллической структуры полупроводникового материала микроэлектромеханических структур интегральных измерительных тензопреобразователей вследствие превышения уровня упругих напряжений критической величины в процессе работы приборов. С целью проверки данной гипотезы был проведен расчет величины упругих напряжений.
В связи с отсутствием стандартных методик расчета упругих напряжений в интегральных измерительных тензопреобразователях, была разработана методика [51] , позволившая выполнить расчет уровня упругих напряжений по всей структуре тензопреобразователя.
На рисунке 3.1 показан типовой вариант конструкции подобного прибора. Электрически активные элементы микроэлектромеханической структуры расположены на мембране, в зоне максимума упругих напряжений. Представим задачу о расчете упругих напряжений в мембране тензопреобразователя датчика давления, согласно методике [51], как задачу о плоской прямоугольной пластинке, защемленной по всему контуру.
На пластинку действует не изменяющаяся по ее длине нагрузка (внешнее давление Р).
Длина стороны пластинки много больше ее толщины, прогиб пластинки много меньше ее геометрических параметров.В нашем случае, для изготовления интегральных измерительных тензопреобразователей, применяются кремниевые пластины с кристаллографической ориентацией (100) .
Решая данную задачу по методике [51] получаем следующую систему уравнений для соответствующих компонентов упругих напряжений а (рис.3.2):
Полученное дифференциальное уравнение может быть решено несколькими способами. Наиболее часто, поставленная задача решается с использованием математического аппарата, известного из теории сопротивления материалов [51, 54] .
Изменение пьезорезистивных свойств полупроводника
В микроэлектромеханических структурах интегральных измерительных тензопреобразователей датчиков давления при циклическом изменении температуры наблюдалось циклическое изменение величины упругих напряжений, что, в свою очередь, приводило к постоянной перестройке кристаллической структуры заключающейся в изменении плотности дислокаций.
Изменение температуры на АТ в микроструктуре приводило к изменению величины упругих напряжений на Ат из-за различия температурных коэффициентов расширения кремния и стекла (материала корпуса). Это изменение инициировало процесс диссипации подводимой энергии, приводивший к изменению плотности дислокаций на величину AN. При возврате системы к первоначальной температуре вновь включался процесс диссипации -система возвращалась к равновесному состоянию для этой температуры. Необходимо отметить, что равновесным состоянием для микроструктуры нужно считать состояние, принимаемое системой при выдержке ее в условиях постоянной температуры в течение длительного времени при постоянном давлении [64, 67].
Таким образом, любое изменение температуры приводит в действие описанные выше процессы. Необходимо отметить, что аналогичные процессы протекают и в результате изменения внешнего давления, которое, так же как и температура приводит к изменению поля напряжений в тензопреобразователях.
Предположим, что возникающие дислокационные структуры вызывают изменение пьезорезистивных свойств материала микроэлектромеханических структур. В работе [3] рассмотрены зависимости главных пьезорезистивных коэффициентов 71 от температуры для различной концентрации примесей в р- и п- кремнии. Эти коэффициенты являются определяющими при расчете тензочувствительности К согласно выражения [3]:
Представим величину температурного гистерезиса как изменение выходного сигнала тензопреобразователя вследствие изменения чувствительности тензопреобразователя вызванного изменением пьезорезистивных свойств кремния. Результаты расчета относительного изменения чувствительности тензопреобразователеи приведен в таблице 11.
Используя (7.2) и зная относительное изменение чувствительности тензопреобразователя можно установить относительное изменение главного пьезорезистивного коэффициента л44. Далее, применив полученное выражение (7.3) можно установить эффективное изменение концентрации примеси, которое приведет к такому же изменению коэффициента я44. Результаты расчетов приведены в таблице 12.
Из таблицы 12 видно, что существует зависимость главного пьезорезистивного коэффициента 7С44 от плотности дислокаций (эффективной концентрации дислокационных акцепторных центров).
Сопоставив результаты таблиц 11 - 13, мы получили зависимость изменения коэффициента п44 от плотности дислокаций.
Пути применения полученных результатов
Полученные в данной работе результаты и разработанные методы анализа отказов, возникающих вследствие деградации приборов, были применены к изделию, не относящемуся к классу микроструктур - к регулятору напряжения автомобиля. Этот тип приборов можно отнести к сильноточным аналоговым микросхемам с низкой степенью интеграции (около 100 транзисторов на площади 10 мм2) .
Параметры этих изделий в ходе эксплуатации так же выходили за пороги, предусмотренные техническими условиями. Был проведен анализ конструкции на наличие в полупроводниковых структурах упругих напряжений. Полупроводниковый кристалл был жестко посажен на основание из стали (рис. 9.5). Из таблицы 15 видно, что свойства соединенных материалов значительно отличаются. Проведенные металлографические исследования показали наличие дислокаций в полупроводнике более, чем 105 см"2. Результаты исследований приведены на рис. 9.6. Схожесть процессов возникновения дислокаций и отказов позволила применить разработанную методику их устранения.
В результате оптимизации технологии и конструкции, аналогичной описанной ранее для микроструктур, удалось повысить выход годного и в данном случае в среднем на 20 %.
