Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I Аналитический обзор литературы 11
1.1. Основные тенденции развития автомобильной электроники 11
1.2. Характеристика датчиков на основе гальваномагнитных эффектов 14
1.3. Надежность датчиков Холла 19
1.4. Определение механических напряжений в чувствительных элементах полупроводниковых структур 23
1.5. Энергетический спектр носителей заряда в деформированных полупроводниковых структурах 27
1.6. Механизмы влияния механических напряжений на чувствительные элементы полупроводниковых структур 29
1.7. Методы исследования электрофизических параметров полупроводников и их структурных дефектов 32
Выводы по главе 1 и постановка задач исследования 37
ГЛАВА 2. Математическая модель зависимости электрофизических параметров чувствительных элементов от уровня меха нических напряжений 38
2.1. Постановка задачи 38
2.2. Алгоритм расчета внутренних механических напряжений 42
2.3. Методика определения корреляции между электрофизическими и механическими свойст вами полупроводниковых элементов 52
Выводы по главе 2 62
ГЛАВА 3. Исследование механизмов и причин деградации полупроводниковых элементов 64
3.1. Изучение микроструктуры чувствительных элементов металлографическим методом 64
3.1.1. Разработка методики проведения эксперимента 64
3.1.2. Анализ полученных результатов 67
3.2. Изучение деградации свойств чувствитель
ных элементов методом микротермо-ЭДС 71
3.2.1. Разработка методики измерения микроротермо-ЭДС 73
3.2.2. Результаты измерений 76
3.2.3. Анализ полученных зависимостей 79
Выводы по главе 3 87
ГЛАВА 4. Оптимизация технологии производства датчиков с кремниевыми чувствительными элементами 89
4.1. Оптимизация процесса разделения полупроводниковых пластин на кристаллы 89
4.2. Оптимизация технологии финишной сборки датчиков Холла 91
Выводы по главе 4 91 Стр.
Основные выводы 92
Литература
- Определение механических напряжений в чувствительных элементах полупроводниковых структур
- Методика определения корреляции между электрофизическими и механическими свойст вами полупроводниковых элементов
- Разработка методики проведения эксперимента
- Оптимизация технологии финишной сборки датчиков Холла
Введение к работе
Актуальность работы заключается в следующем
В настоящее время полупроводниковые датчики являются основными чувствительными элементами систем автомобильной электроники Уже в настоящее время в современных автомобилях используется более сорока различных датчиков и надежность автомобиля в целом во многом зависит от работы этих элементов Проблемы надежности полупроводниковых датчиков во многом определяются знанием механизмов изменения характеристик полупроводников под действием различных внешних факторов Определение этих механизмов относится к фундаментальным проблемам современной физики Среди используемых в настоящее время приборов наиболее выделяется группа датчиков, принцип действия которых основан на эффекте Холла Из-за сложности процессов, протекающих в чувствительных элементах, до сих пор не удается получить стабильные выходные характеристики датчиков, не изменяющиеся во времени Ситуация также усугубляется жесткими условиями эксплуатации автомобиля, которые являются своеобразными катализаторами при протекании тех или иных деградационных процессов Поэтому для повышения надежности работы датчиков необходимо понять физические процессы, протекающие в полупроводниковых элементах, и исключить случайные маскирующие факторы, мешающие однозначному определению причин необратимых изменений параметров датчиков Это определяет актуальность работы
Объектом исследования в данной работе являются автомобильные датчики, принцип действия которых основан на эффекте Холла и в которых чувствительным полупроводниковым элементом является кремниевый кристалл
Предметом исследования выбраны теоретические методы определения внутренних механических напряжений в кристаллах и связанные с ними изменения их электрофизических свойств, а также экспериментальные методы исследования микроструктуры и электрофизических свойств полупроводников
Целью настоящей работы является установление закономерностей деградации полупроводниковых чувствительных элементов автомобильных датчиков Холла в процессе их производства и эксплуатации
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи
Установить механизмы, протекающие в полупроводниковых чувствительных элементах при их производстве и эксплуатации и вызывающие необратимые изменения их выходных параметров
/ j
Разработать алгоритм расчета уровня механических напряжений в полупроводниковых структурах и определить величины внутренних напряжений для исследуемых чувствительных элементов датчиков Холла
Разработать математическую модель, позволяющую описывать зависимость электрофизических параметров полупроводникового элемента от уровня механических напряжений
Разработать методики экспериментального исследования электрофизических свойств чувствительных элементов с различным уровнем внутренних механических напряжений, которые позволяли бы не разрушая, анализировать на различных жизненных этапах датчиков полупроводниковый материал их чувствительного элемента
Провести анализ закономерностей влияния внутренних механических напряжений в полупроводниках на наличие в них структурных дефектов
На основе полученных результатов разработать способы, позволяющие минимизировать возможность необратимого изменения параметров датчиков, тем самым повысить их надежность
Научная новизна работы состоит в следующем
Установлены закономерности и механизм деградации чувствительных элементов датчиков Холла, в основе которого лежат необратимые изменения структуры и свойств полупроводникового материала
Разработана методика экспериментального исследования электрофизических свойств полупроводниковых кристаллов с помощью измерения микротермо-ЭДС, которая может быть применена на предприятиях в качестве неразрушающего метода контроля для анализа кремниевых кристаллов на любой стадии производства и эксплуатации датчика
Предложена модель изменения электрофизических свойств в зависимости от присутствия дефектов структурного строения в кремниевых кристаллах
Практическая ценность предложенного подхода состоит в том, что он позволяет комплексно решать задачи надежности Найденные закономерности могут быть распространены на другие классы полупроводниковых датчиков и приборов, где в качестве активного компонента используется кремниевый кристалл Используя полученные при выполнении данной диссертационной работы результаты, на предприятии ОАО «Автоэлектроника» была оптимизирована технология окончательной сборки датчиков Холла, что подтверждается актом внедрения
На защиту выносятся следующие положения
1 Механизм деградации чувствительных кремниевых элемен-2
тов датчиков Холла
Методика определения внутренних механических напряжений, возникающих в чувствительных элементах в процессе производства и эксплуатации датчиков
Модель, описывающая взаимное влияние механических и электрических свойств чувствительных элементов
Методика металлографического исследования полупроводниковых структур рассматриваемых чувствительных элементов датчиков Холла
Методика измерения микротермо-ЭДС чувствительных элементов с различным уровнем механических напряжений и установленная закономерность между измеренными значениями микротермо-ЭДС и основными электрофизическими свойствами чувствительных элементов
Апробация работы и публикации
Результаты работы докладывались и обсуждались на 5 Всероссийских, международных научно-технических и научно-практических конференциях, научно-практических семинарах, в тч на Всероссийской конференции «Прогрессивные технологии, конструкции и системы в приборо- и машиностроении» (Калуга, 2006), 5-ой и 6-ой международных научно-практических конференциях «Современные информационные и электронные технологии» (Одесса, 2005, 2006) Материалы диссертации опубликованы в 3 тезисах в трудах конференций и 5 статьях, в том числе в журналах «Нано- и микросистемная техника», «Наукоемкие технологии»
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и спи
ска литературы Работа изложена на 102 страницах, в том числе ос
новного текста 93 страницы, содержит библиографический список из
88 наименований, 16 рисунков, 4 таблицы і
Определение механических напряжений в чувствительных элементах полупроводниковых структур
Существует большое разнообразие датчиков [10-12], используемых для измерения только одного какого-либо параметра. В настоящее время существует множество наименований измеряемых датчиками параметров и физических величин, а также физических эффектов, на которых основан их принцип действия [13]. Это приводит к очень большому количеству типов датчиков и отсутствию единой системы классификации. В настоящее время существуют разрозненные системы классификации по различным признакам: по измеряемым физическим величинам, по принадлежности к конкретной системе автомобиля, по технологии изготовления, по коммерческому использованию и т.д.
Несмотря на всё многообразие датчиков, анализ перспективных требований, проведенный на основе [8, 14-16], позволяет выделить главные, присущие всей автомобильной электроники, требования: высокая надежность, характеризующаяся значениями вероятности безотказной работы до 0,99 и длительностью установленного ресурса до 50... 100 тыс. часов, который и определяет гарантийный срок службы,
Даже краткое перечисление основных требований показывает, что невозможно говорить о выборе какого-то единого принципа построения электронных изделий для автомобилей - настолько различны цели, которые необходимо достичь в процессе их создания. Таким образом, современный рынок автоэлектроники характеризуется очень высокими и непрерывно увеличивающимися объемами промышленного производства с одновременно растущими требованиями к уровню надежности и стоимости. В связи с этим можно сделать вывод об актуальности исследования датчиков с целью реализации предъявляемых к ним требований по надежности. Выявление негативных факторов, приводящих к снижению надежности датчиков, изучение их влияния на деградацию датчиков, позволит выработать единый подход к их устранению еще на этапах проектирования и производства датчиков. Наиболее важным является то, что полученные результаты позволят прогнозировать время безотказной работы датчиков, тем самым, исключив возможность возникновения катастрофических отказов.
Как было отмечено ранее, для исследований из всей автомобильной электроники был выбран обширный класс приборов -датчики. Однако, учитывая, что под этим понятием подразумеваются датчики, принцип действия которых основан на различных физических эффектах, то целесообразно выбрать один тип датчиков, работающих на основе определенного физического явления.
Так исследованию датчиков на основе пьезорезистивного эффекта посвящен ряд работ [17-19], в которых в полной мере отражаются последние тенденции их развития, а также актуальные вопросы обеспечения их надежности. В частности было показано, что причиной деградации датчиков давления являются механические напряжения, возникающие в полупроводниковом чувствительном элементе.
В работах [20, 21] отражены основные положения по функциональным возможностям и перспективам датчиков, в основу работы которых заложены оптические эффекты. Но, несмотря на широкие функциональные возможности, открывающиеся при использовании этих датчиков, сегодня их доля в автомобильной электронике еще достаточно мала, что сказывается на слабом интересе к их исследованиям.
В публикации [22] дан обзор современных датчиков температуры. Главный акцент делается на цифровые датчики температуры нового поколения, отличительной особенностью которых является интеграция на одном кристалле непосредственно датчика температуры и специализированных электронных устройств обработки.
В настоящей же работе для исследования были выбраны датчики на основе гальваномагнитного эффекта или так называемые магнитоуправляемые датчики, а именно наиболее характерные представители этого типа - датчики на эффекте Холла. Данный выбор объясняется достаточно детально изученным физическими науками эффектом Холла, а также практически отсутствием научно обоснованной информации по надежности работы датчиков в автомобильных системах. Кроме того, этот тип датчиков составляет большую долю среди всех датчиков, используемых в автомобиле, и занимает наибольший сегмент на всем рынке автомобильной электроники [8, 16, 20,23-25].
Методика определения корреляции между электрофизическими и механическими свойст вами полупроводниковых элементов
К методам оптической микроскопии относится метод металлографического исследования полупроводников. Сущность этого метода заключается в исследовании с помощью оптического микроскопа образцов, приготовленных с использованием селективного травителя. Данный метод позволяет определять плотность и характер распределения структурных дефектов [66, 74]. Неоспоримым преимуществом метода является его простота и оперативность. К недостаткам метода относят его разрушающий характер, неоднозначное определение типа структурных дефектов, а также трудность определения объемного распределения дефектов в кристалле. Также при последовательном травлении слоев метод не позволяет определять области упругих напряжений, так как травление уничтожает эти напряжения.
ИК микроскопия является неразрушающим методом контроля однородности распределения примесей в материале, обнаружения преципитатов, суть которого основана на том, что сам кристалл является фильтром для ИК-излучения, через который может пройти только излучение с энергией меньшей чем ширина запрещенной зоны полупроводника. Недостатком этого метода является необходимость в ИК-микроскопе, оснащенном системой преобразования ИК-излучения в видимое.
К рассматриваемой группе методов можно отнести метод фотоупругости, основанный на эффекте двулучепреломления, который обусловлен полем упругих напряжений вокруг структурных дефектов. Поэтому данный метод применяется для детального изучения краевых дислокаций. Метод имеет серьезные ограничения по геометрии исследуемого образца и типу дислокационных структур. Для образцов значительной толщины данный метод не может быть использован, так как в глубине образца интенсивность просветления становится меньше её фонового значения. Также на образце необходимо иметь протяженные и параллельные места наблюдения дислокаций.
Наиболее широко применяемым методом изучения микроскопического строения полупроводников является рентгеновская топография, представляющая собой совокупность методов исследования с помощью дифракции рентгеновских лучей: - метод Берга-Баррета; - метод Ланге; - метод Бормана; - метод кристальной рентгеновской топографии. Достоинством всех этих методов является то, что они дают полную информацию о качестве кристалла, не разрушая его. Однако данные методы неэффективны для определения дефектов с короткодействующими полями напряжений. К недостаткам рентгеновских методов можно отнести потребность в специализированном оборудовании, а также большое время экспозиции.
Для исследования субмикронных нарушений в полупроводниковых структурах наиболее результативно использовать метод внутреннего трения. Он отличается высокой чувствительностью к структурным изменениям материала. По найденной температурной зависимости внутреннего трения находят его максимальные значения, которые с помощью вспомогательных методов исследования, например, с помощью металлографических исследований, могут быть однозначно идентифицированы и связаны с определенным видом дефекта. В [75] установлено, что для бесдислокационных кристаллов кремния характерна малая величина фона внутреннего трения Q T) в широком интервале температур 20-800С. Q"1(T) в этой области не выявляет каких-либо особенностей, что свидетельствует о высоком совершенстве структуры. Деформация кристаллов кремния приводит к росту фона внутреннего трения во всем диапазоне температур выше 400С и появлению пика при 620С. Высота пика Q 1(T) растут с увеличением деформации вплоть до 1,5%. Этот рост может быть связан с возрастанием плотности подвижных, преимущественно винтовых дислокаций, зарождающихся у поверхности кристалла и движущихся вглубь. В настоящее время большинство типичных пиков внутреннего трения для полупроводниковых материалов уже идентифицированы. Одна в ряде случаев для идентификации неизвестных максимумов приходится использовать дополнительно методы оптической микроскопии или рентгеновской топографии, что является существенным недостатком метода. Дополнительно к недостаткам метода можно отнести сложную аппаратную часть метода.
Анализируя описанные методы изучения свойств и строения полупроводников, для решения поставленных задач целесообразно использовать метод измерения микротермо-ЭДС в комплексе с металлографическими исследованиями полупроводниковых структур. Выбранная методика исследования позволит получить необходимую информацию для определения корреляции между их физическими свойствами и структурными несовершенствами.
Разработка методики проведения эксперимента
Так как при деформации не изменяется сечение захвата центров рекомбинации, то изменение времени жизни возможно только за счет увеличения концентрации центров рекомбинации, т.е. для рассматриваемых высоколегированных образцов можно считать, что время жизни носителей практически не будет зависеть от наличия внутренних напряжений.
Наряду с вышерассмотренными параметрами полупроводниковых структур одним из важнейших параметров, определяющих чувствительность приборов к деформации, является концентрация носителей тока, в частности, концентрация неосновных носителей тока. В деформированном полупроводнике перераспределение носителей между уровнями приводит к изменению их концентрации в зоне. Согласно [40] при уменьшении ширины запрещенной зоны под действием деформации, концентрация неосновных носителей тока увеличивается и при некоторых условиях может достигать значений, соответствующих концентрации основных носителей. Для исследуемой кремниевой структуры р-типа при деформации где N0 - концентрация акцепторов, щ0 - концентрация носителей заряда в собственном полупроводнике при отсутствии в нем механических напряжений; Т - температура, при которой рассматривается полупроводниковая структура, к - постоянная Больцмана.
Не трудно заметить, что если концентрация акцепторов достаточно велика Na щ, то деформация оказывает незначительное влияние на концентрацию основных носителей, но зато концентрация неосновных носителей может изменяться очень сильно. Из выражений (2.25) и (2.26) видно, что если обозначить через про концентрацию носителей тока в кремнии при отсутствии деформации, то для найденных значений внутренних напряжений в кристаллах имеем изменение концентрации неосновных носителей —-«1,26.
Разработанная методика позволяет, зная уровень внутренних механических напряжений, прогнозировать изменение основных электрофизических свойств кремния, что в свою очередь является ценным инструментом для оценки изменения выходных характеристик датчиков в процессе производства и эксплуатации.
Выводы по главе 2 В результате проведенных расчетов: - разработан алгоритм проведения анализа напряженного состояния чувствительных полупроводниковых элементов и определения в них значений внутренних механических напряжений; - рассчитаны значения механических напряжений в кремниевых чувствительных элементах датчиков Холла, вносимых на стадиях их производства и эксплуатации; - разработана методика расчета гистерезиса основных электрофизических параметров кремния, обусловленного действием деформации; определены изменения ширины запрещенной зоны, концентрации неосновных носителей заряда, их подвижности и времени жизни, происходящие при производстве и эксплуатации датчиков Холла; - получен дополнительный способ, позволяющий прогнозировать влияние внешних негативных факторов на надежность работы датчиков.
В предыдущей главе было проведено математическое моделирование процессов, приводящих к изменениям структуры и электрофизических свойств кремниевого чувствительного элемента под влиянием механических и температурных напряжений. Для оценки верности предложенной модели необходимо провести экспериментальные исследования, направленные на выявление причин деградации структуры чувствительных элементов и ее последствий.
В настоящее время для изучения микроструктуры материала полупроводниковых приборов известен ряд методов [57, 74, 80], однако наиболее экспрессными и широко применяемыми являются методы, основанные на металлографических исследованиях. Это целая система методов микроскопического анализа, позволяющих по количественным измерениям на плоскостной структуре определять параметры пространственной микроструктуры материалов. Данные методы берут свое развитие в металловедение. Однако впоследствии принципы металлографической оценки микроструктуры находят широкое применение в исследовании композиционных материалов, полупроводников и даже живых и растительных тканей [81].
Проведение исследований кристаллов первого типа не требовало какой-либо предварительной подготовки образцов. Для остальных кристаллов потребовалось проведение их дополнительной подготовки, так как они в составе датчика были загерметизированы компаундом. Для удаления основного слоя компаунда образцы были помещены в метановую кислоту при комнатной температуре на 72 часа. Затем для полного удаления остатков компаунда с поверхности кристаллы были помещены в чистую метановую кислоту на 24 часа. По окончании растворения компаунда образцы промывались проточной деионизованной водой в течение 2...3 минут.
В качестве метода выявления дислокаций, линий скольжения и других структурных дефектов на поверхности полупроводниковых структур был выбран метод селективного химического травления, который состоит в том, что кристалл погружается в жидкий химический реагент. При этом в местах выхода дефектов на поверхность появляются небольшие ямки травления [46, 74, 80]. В [74, 57] подробно описаны причины и механизм образования ямок травления. Селективное травление позволяет непосредственно определять плотность дислокаций в материале, их распределение. Кроме того, этот метод популярен для изучения движения дислокаций [80]. В отличие от других методов наблюдения дислокаций [50, 74, 75] метод селективного травления не вносит дополнительных возмущений в исследуемый кристалл. Поэтому, хотя и в настоящее время отсутствует какая-либо универсальная методика подбора состава травителя, часто травитель подбирается эмпирическим путем, учитывая необходимость сохранения исходной картины структурных дефектов
Оптимизация технологии финишной сборки датчиков Холла
Первоначальным этапом финишной сборки датчиком является процесс разделения полупроводниковой пластины на отдельные кристаллы. Традиционно он состоит из стадий скрайбирования и разламывания пластины, хотя с точки зрения негативного воздействия эти стадии являются неприемлемыми по причине снижения механической прочности кристалла, увеличения количества структурных несоответствий, а также генерации дополнительных источников для последующего зарождения новых дефектов при воздействии каких-либо внешних неблагоприятных факторов.
В связи с вышесказанным были усовершенствованы технологические методы, используемые при разделении пластин, в направлении уменьшения внешнего механического воздействия на кристаллы. Была разработана и создана установка, позволяющая производить разделение скрайбированной кремниевой пластины на липком носителе, при котором снижается вероятность механического повреждения кристаллов за счет увеличения расстояния между ними на липком носителе и исключения их взаимного контактирования. При предложенном способе разделения пластин сводятся к минимуму процессы образования структурных дефектов.
Внедрение установки разделения пластины на кристаллы позволило повысить выход годных с 75% до 88% как чувствительных кремниевых элементов, так и датчиков в целом за счет уменьшения количества несоответствующих кристаллов с дефектами механического происхождения. Кроме того, согласно полученным в работе результатам можно прогнозировать снижение количества отказов датчиков в процессе эксплуатации. Это связано с тем, что при данном методе разделения пластины уменьшается вероятность образования источников возникновения структурных дефектов, которые под действием жестких эксплуатационных факторов (циклических изменениях температуры, высоких вибрационных и ударных нагрузках, граничных электрических режимах) приводят к дальнейшему необратимому развитию дефектной структуры, что в итоге обуславливает отказ датчика в целом.
Полученный годовой экономический эффект за счет повышения выхода годных датчиков оценивается как 64000 рублей.
Предлагаемый метод разделения пластины может быть использован не только в технологии изготовления датчиков Холла, но и для всех полупроводниковых приборов, где в качестве активного элемента используется полупроводниковый кристалл. Указанная оптимизация технологии изготовления чувствительного элемента подтверждается актом внедрения на предприятии ОАО «Автоэлектроника». 4.2. Оптимизация технологии финишной сборки датчиков Холла
Для устранения причин образования механических напряжений и снижения плотности структурных дефектов в полупроводниковых чувствительных элементах на стадии окончательной сборки были предложены рекомендации по замене компаунда на основе эпоксидных смол на кремнийорганический компаунд. Так как значение ТКЛР кремнийорганического компаунда равняется, то данное решение позволит сократить разницу значений ТКЛР полупроводника и герметизирующего компаунда, тем самым уменьшив уровень образовывающихся механических напряжений до 105 Па. При такой низкой величине внутренних механических напряжений вероятность зарождения дефектов в кремниевом кристалле должна уменьшиться. Для подтверждения этой гипотезы требуется проведение дополнительных исследований микроструктуры кремниевых чувствительных элементов и прогнозирования изменения надежности датчиков Холла, изготовленных по предлагаемой технологии,
Также на стадиях окончательной сборки датчиков целесообразно введение контрольных операций выборочного измерения микротермо-ЭДС, по которым можно проводить оценку надежности каждой партии изготовленных датчиков. Предлагаемая методика контроля является информативной и не требует больших временных и материальных затрат.
Показано, что результаты диссертационной работы могут быть использованы для оптимизации технологии сборки датчиков Холла с целью повышения их надежности и увеличения выхода годных изделий.
