Содержание к диссертации
Введение 5
1 Состояние вопроса и задачи исследования. Обзор и сравни іельньїе характеристики методов изготовления структур «кремний-на-диэлектрике» 12
1.1 Технология формирования структур «кремний-на-сапфире» 13
1.2 Технология формирования струкіур «кремний-на-диэлектрике» методом рекристаллизации кремниевых ' слоев на аморфных диэлектрических подложках 18
1.2.1 Лазерная рекрис галлизация 20
1.2.2 Элекгронно-лучевая рекрис і аллигация 25
1.2.3 Рекристаллизация с помощью полосковых графи ювых нагревателей 27
1.2.4 Рекристаллизация с помощью некогерентных источников свеїа 29
1.3 Технология формирования структур «кремний-на-диэлеткрике» методом эпитаксиального наращивания / 30
1.4 Технология формирования структур «кремний-на-диэлеткрике» имплантационным ме іодом 32
1.5 Технология формирования сіруктур «кремний-на-дизлеікрике» методом прямого сращивания 35
Выводы 40
2 Разработка конструктивно-технологических решений по оптимизации механических параметров полупроводниковых чувсівительньїх элементов на структуре «кремний-на-диэлектрике» 43
2.1 Исследование конструктивных вариантов полупроводниковых чувствительных элементов на структуре «кремний-на-диэлекфике» 43
2.2 Анализ харакіера напряжений в полупроводниковых чувствительных элементах на структурах «кремний-на-дизлеїкрике»... 49
2.2.1 Разработка модели расчеіа механических парамеїров полупроводникового чувствительного элемента на структуре «кремний-на-диэле і крике» 51
2.3 Вопросы снижения внутренних напряжений в полупроводниковых чувствительных элементах на сірукіурах «кремний-на-дизлеікрйке»... 57
2.3.1 Оптимизация влияния конструктивно-технологических факторов на напряженно-деформированное состояние сіруктурьі «кремний-на-диэлеткрике» .' 57
2.4 Подготовка поверхностей кремниевых пластин перед сращиванием.. 76
2.5 Разработка технологической оснасіки процесса о і жига , 83
2.6 Вопросы моделирования анизотропного травления кремния в плоскости (ЮО) при изїоювлении полупроводникового чувствительного элемента 85
2.6.1 Управление характерне і иками полупроводникового чувствительного элемента методом анизоіропного іравления кремния в плоскости (100) 85
2.6.2 Разработка методики формирования линейных размеров фигур травления 88
В ыводы 101
3 Разработка и исследование технологии изюювления полупроводникового чувсі ви тельного элемент на с і рук туре «кремний-на-диэлеткрике» 102
3.1 Оптимизация іехнологических операций подгоювки поверхносіи пластин в процессе изготовления полупроводникового чувсівиїельною элемента на структуре «кремний-на-диэлеткрике» 104
3.1.1 Анализ и совершенствование процессов химической очистки пластин 104
3.1.2 Очистка поверхностей пластин в азотной кислоте 113
3.1.3 Очистка поверхностей пластин в аммиачно-перекисной смеси 119
3.1.4 Отмывка и сушка кремниевых пласіин перед сращиванием 121
3.2 Сращивание плас іин 130
3.2.1 Методика проведения отжига 135
3.3 Вопросы управления формированием гензорезисюров и профилированной мембраны методом аниюіропноїо «стон-травления».. 138
3.3.1 Модификация юполоіии фоюшаблона для повышения і очное і и геометрии фигуры гравления ; 145
3.4 Разработка типового технологического процесса изгоювления полупроводникового чувствительного элемента на сірукіуре «кремний-на-диэлектрике» .' 159
Выводы 165
4 Экспериментальные исследования полупроводниковых чувствительных элементов датчиков давлений на структуре «кремний-на-диэлек грике» 166
4.1 Экспериментальные исследования по опіимиюции іехнологических операций технологического процесса изі о і овления .' 166
4.2 Исследования экспериментальных образцов полупроводниковых чувствительных элементов датчиков давлений на сіруктуре «кремний-на-диэлектрике» .' 172
4.2.1 Методика выполнения экспериментов 176
4.2.2 Результаты исследований экспериментальных ,образцов полупроводниковых чувствительных элементов датчиков давлений на структуре «кремний-на-диэлекфике» 178
4.3 Анализ результаюв исследования 180
4.3.1 Определение темпераіурного коэффициент соироіивления (ТКС) тензорезисторов Rl-R4 180
4.3.2 Определение температурного ухода начального и максимального выходного сигнала '. 181
4.3.3 Измерение сопротивления изоляции, тока утечки 182
Выводы 184
Заключение : 185
Литература 187
Приложения 197
Введение к работе
Актуальность работы. Стремительное развитие технологии микроэлектроники открывает широкие возможное і и оснащения современных изделий ракетно-космической техники новыми датчиками давлений, являющимися основными элементами сие і ем управления работой двигательных установок и систем коніроля их іехнического состояния на различных этапах эксплуатации, отличающихся воздействием іемператур от криогенных значений до (500-600) °С, ионизирующих излучений и жестких электромагнитных помех. Используемые в насюящее время сисіемьі измерения давления базируются в основном на устаревших консіруктивно е технологических решениях: потенциометрических, металлопленочных и фольговых тензорезисгорах, не удовлеіворяюпщх в насюящее время возросшие требования РКТ. Поэтому имею і мес і о іенденции замены устаревших среде їв измерения давления новыми, основанными на полупроводниковой электронике, в часі носі и, применение с і рук тур «кремний-на-диэлектрике» (КНД), обеспечивающих работоспособность средств измерений в экстремальных условиях (повышенные и криогенные температуры, ионизирующее излучение и т. п.) и стабильность их параметров в процессе длительной эксплуатации.
Основоположником данного направления является В. И. Ваганов. Продолжили и развили его работы отечественные и зарубежные авторы: В. Л. Кенигсберг, 3. Ю. Го гра, В. А. Гридчин, В. В. Грищенко, P. Gravesen, D. S. Campbell и др. Но в трудах вышеперечисленных ученых не расемаїриваюгея вопросы применения микроэлектронных даічиков в жесіких условиях РКТ. Поэтому разработки данных авторов не удовлетворяют возросшие потребности РКТ. Например, в полупроводниковых чувстви і ельных элементах (ПЧЭ) датчиков давлений существуют следующие недостатки: в ПЧЭ, изготовленных на основе объемного кремния, наличие /?-я-переходов не позволяет функционировать средствам измерений при іемперагурах свыше 100 °С и иметь стабильные параметры (ток уіечки, сопроіивление изоляции, сопротивление тензорезисторов и т. д.); в ПЧЭ на основе поликремния с изоляцией іензорезисторов пленкой двуокиси кремния из-за низкой тензочувствительносги поликремния среде іва измерений на основе таких ПЧЭ имеют малую амплитуду выходного сигнала; в ПЧЭ на основе структур «кремний-на-сапфире» (КІІС) недостачами являю і ся ірудность профилирования сапфира, различие крисіаллических peineкж кремния и сапфира, невозможное!ь применения групповой іехнологии изготовления ПЧЭ, высокая стоимость сапфира.
Указанные недостатки снижают метрологические и эксплуатационные характеристики датчиков, используемых в РКТ. Поэтому задача создания ПЧЭ с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками является актуальной.
Датчики давлений, ПЧЭ которых изготовлены меюдом формирования КНД-структур, имеют ряд педосіагков: высокую сюимосіь, обусловленную применением сложного оборудования и длиіельносіью обрабоїки (SIMOX, Smart-Cut SOT), низкую надежность при гемиераіурах выше 150 °С из-за несовершенства структуры имплантированного (по сравнению с термическим) слоя двуокиси кремния (SIMOX), низкую іехнологичность, вызванную большими затратами времени на обработку одной пластины и тепловыми потерями, низкую временную стабильное іь из-за наличия дислокаций и диффузии загрязняющих примесей (рекристаллизации поликремния).
Устранение вышеуказанных недосіаїков возможно при использовании метода прямого сращивания, который не іребуег применения специального дорогостоящего оборудования и реализуется на стандартном оборудовании предприятий, производящих изделия микроэлектронной промышленности.
В то же время имеющиеся работы по технологии прямого сращивания для изготовления КНД-структур не рассматривают вопросы практического использования данной технологии применительно к формированию ПЧЭ датчиков давлений (в основном все работы по данной технологии посвящены формированию КНД-структур для изготовления изделий электронной техники (микросхем, процессоров и т/ п.)), поэтому требуется проведение дополнительных исследований для создания методов производства новых, высокоточных, надежных ПЧЭ высокотемпературных датчиков давлений, построенных на КНД-структуре.
С учетом вышеизложенного можно сделаїь вывод, чю разработка конструктивно-іехнологических решений ПЧЭ даічиков давлений на КНД-структуре является актуальной научно-технической задачей.
Цель и задачи исследований. Целью работы являє і ся разработка конструктивно-технологических решений полупроводниковых чувствительных элементов датчиков давлений с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками.
Эта цель достигается решением следующих задач:
- анализом и обобщением принципов посіроения ПЧЭ датчиков давлений, методов изготовления КНД-сірукіур применительно к ПЧЭ датчиков давлений;
- разработкой новых режимов проведения іехнолоіической операции отжига, а также подготовки поверхности иласшн перед сращиванием (химическая очистка, отмывка, сушка);
- разработкой последовательности технологических операций изготовления типового ПЧЭ датчиков давлений на КПД-сгрукгуре методом прямого сращивания пластин, проводимой на • стандартном микроэлектронном оборудовании;
- разработкой конструкций полупроводниковых чувсівиїельньїх элементов на структуре «кремний-на-диз-лекірике» для даічиков давлений, эксплуатируемых при повышенных температурах (до 250 °С) и обладающих повышенными временной стабильностью и стойкостью к воздействиям электромагнитных полей и токов источников естественного и искусственного происхождения;
- разработкой модели расчет механических параметров (напряжений, деформаций) ПЧЭ на КНД-структуре, содержащего новые по сравнению с уже существующими оригинальные конструкторско-технологические решения (гензорезисторы из монокремния, размещенные на мембране через слои двуокиси кремния и высоколегированного слоя кремния, наличие многослойной профилированной мембраны толщиной от 4 мкм и др.);
- проведением экспериментальных исследований изгоювленных ПЧЭ на КНД-структуре.
Методы исследований. При разработке моделей ПЧЭ датчиков давлений на КНД-структуре использованы основные положения физики твердого тела, применены методы математической физики, теории упругости, прикладной механики. При решении задач по анализу и разработке технологии ПЧЭ датчиков давлений на КНД-структуре использованы положения физической , химии, крисіаллографии, микроэлектроники, технологии изютовления элементов схем, имитационное моделирование на ЭВМ. В экспериментальных исследованиях использованы положения теории измерений, планирования эксперимент. Основные теоретические положения и резулыаты расчеюн подтверждены экспериментальными исследованиями образцов ПЧЭ даічиков давлений на КНД-структуре.
Научная новизна работы заключается в следующем: 1 Разработан консгруктивно-іехнологический меюд, .позволяющий получать требуемые номиналы тензорезисюров на этапе окончательного формирования измериіельной схемы. При этом за счет оптимизации технологических операций уменьшается верояїносіь попадания посюронних включений и образования несвязываемых участков на границе сращивания, компенсируется несовершенство границ раздела сращивания, уменьшаются внутренние напряжения в ПЧЭ, вызванные различными физическими свойствами слоев. Предложена новая консірукция ПЧЭ даічика давления на КНД- структуре, содержащая оригинальные решения (тензорезисторы из монокремния, размещенные на мембране через слои двуокиси кремния и высоколегированного слоя кремния, наличие многослойной профилированной мембраны толщиной от 2 мкм, наличие слоя двуокиси кремния на поверхности тензорезисюров).
3 Разрабоїана математическая модель ПЧЭ датчика давления на КНД-структуре, содержащею новые конструкшвные решения.
4 Разработана юпология фотошаблона по іравлению профилированной мембраны ПЧЭ на основе предложенной консірукции ПЧЭ, проведено моделирование операции анизоіропного травления с использованием программы ACES.
5 Разработан и реализован технологический процесс изготовления ПЧЭ датчиков давлений на КНД-структуре.
Практическая значимость работы. Работа обобщает теоретические и экспериментальные исследования, проведенные автором в Пензенском государственном универсигеїе (ПТУ) на кафедре «Приборосіроение», и способствует решению актуальной научно-1 ехнической задачи создания ПЧЭ датчиков давлений на основе КПД-сірукіурьі с улучшенными метрологическими и эксилуатционными характерне і иками для информационно-измерительных сисіем на изделиях авиационной и ракетно-космической техники.
Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволяют перейти к их промышленному проектированию, производству и внедрению. Научная и практическая значимость подтверждаются тем, чго исследования проводились в рамках работ, финансируемых Федеральным космическим агентством, Федеральным агенте і вом по науке и инновациям.
Диссертационные исследования выполнялись и реализовьщались в ПГУ при финансовой поддержке НИР аспирантов вуюв в форме гранта Федерального агентства по образованию. Шифр гранта A04-3.20-590 «Оптимизация параметров миниатюрных полупроводниковых чувствительных элементов даічиков давлений на основе структуры «кремний-на-диэлектрике».
Реализация результатов работы. Основные резульїаш іеорегических и экспериментальных исследований использованы при создании ПЧЭ датчика избыточного давления ДДЭ-117 (ОКР «Миндаль», ФКА ГК 783-5548/02 от 07.03.2002 г.); выполнении работ по теме НИР «Модель» -«Исследование новых конструктивно-технологических решений создания кремниевых прецизионных микроструктур для ряда сверхминиатюрных датчиков давления общепромышленного и медицинского применения» (Распоряжение № 09.900/02-6 от 24.09.04 г. Федерального аіенісіва но науке и инновациям); выполнении работ по теме НИР «Акация» - «Разработка перспективных базовых конструктивно-технологических решений для создания унифицированных датчиков давления с интегральным чувствительным элементом на структурах «кремний-диэлектрик-кремний» (Распоряжение № 07.168.01/016 от 28.07.05 г. Федерального агент с і ва по науке и инновациям); выполнении работ но геме ОКР «Хопер» -«Исследование и отработка перспективных технологических решений формирования микроэлектромеханических систем для чувсівиїельньїх элементов датчиков» (ГК 783-Т308/01 оі 02.03.01 г.).
Апробация работы. Основные научные и практические результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на Международном симпозиуме «Надежность и качество-2004» (г. Пенза, 24-31 мая 2004 г.); П-й Всероссийской научно-технической конференции (НТК) «Датчики, и детекторы для АЭС-2004» (г. Пенза, 31 мая - 5 июня 2004 г.); Международной НТК «Проблемы автоматизации и управления в технических системах» (г. Пенза, 2004 г.); Международной НТК «Датчики и системы-2005» (г. Пенза, 6-Ю июня 2005 г.); Международной НТК «Материалы для пассивных радиоэлектронных компонентов» (г. Пенза, 2005 г.); XXIV Российской ІГГК молодых ученых и специалистов «Наукоемкие проекіьі и высокие іехнологии - производству 21 века» (г. Пенза, 2005 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 рабо і, в том числе патент, две статьи в центральных изданиях. Без соавюров опубликовано десять работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы, двух приложений. Основная часть изложена на 198 страницах машинописного текста, содержит 69 рисунков, 12 таблиц. Список литературы содержит 117 наименований. Приложения к диссертации занимают 12 страниц. На защиту выносится следующее:
конструкция 11ЧЭ, содержащая кремниевую мембрану с утолщенным периферийным основанием и профилем с концентраторами механических напряжений, имеющую толщину, равную высоте тензорезисторов, сформированных на закрепленном на мембране слое двуокиси кремния;
метод, позволяющий получать требуемые номиналы тензорезисторов на этапе окончательного формирования измерительной схемы;
конструктивно-технологические методы, повышающие процент выхода годных кристаллов за счет уменьшения вероятное і и попадания посторонних включений и образования иесвя шваемых участкотз на границе сращивания и компенсации несовершенства поверхностей сращивания;
математическая модель для расчета механических параметров (напряжений, деформаций) нового ПЧЭ на КНД-стрктуре;
метод уменьшения внутренних напряжений в ПЧЭ на КНД-структуре, вызванных различными физическими свойствами слоев, основанный на изменении режимов технологических операций.
