Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Полупроводниковый преобразователь как объект анализа брака и отказов 18
1.1 Определение полупроводникового преобразователя как объекта анализа брака и отказов 18
1.2 Особенности применения и адаптация некоторых методов анализа, принятых в полупроводниковой промышленности, к полупроводниковым преобразователям 24
1.2.1 Особенности и метод исследования полупроводниковых преобразователей в растровом электронном микроскопе 24
1.2.2 Определение некоторых видов отказов полупроводниковых преобразователей по наличию микроплазменного пробоя на вольт-амперной характеристике 31
1.2.3 Определение пониженного сопротивления и пробоев окисных и мембранных пленок методом жидких кристаллов 39
1.3 Дополнения процедуры анализа отказов полупроводниковых преобразователей, обусловленные спецификой технологических воздействий на корпус 47
1.4 Выводы 53
Глава 2. Принципы и подходы к проведению анализа брака и отказов полупроводниковых преобразователей 56
2.1 Составляющие, определяющие развитие и проведение анализа отказов полупроводниковых преобразователей 56
2.2 Определение и принципы получения моделируемой составляющей отказа полупроводникового преобразователя 63
2.3 Составляющая отказа, определяемая комплектующими элементами и материалами (комплектационная составляющая) 72
2.4 Анализ по комплектационной составляющей и принципиальные изменения плапарного технологического процесса изготовления кристаллов преобразователей 78
2.5 Выводы 84
Глава 3. Оперативный метод контроля коррозии, отвечающий задачам анализа причин брака и отказов полупроводниковых преобразователей 86
3.1 Обобщённое описание процессов коррозии 86
3.2 Применение метода ультрафиолетовой люминесценции для анализа отказов и производственного контроля коррозии 88
3.3 Выводы 108
Глава 4. Нестабильность нулевого сигнала как информативный источник информации о возможных эксплуатационных отказах полупроводниковых преобразователей 109
4.1 Классификация и влияние причин нестабильности нулевого сигнала полупроводниковых преобразователей на возникновение эксплуатационных отказов 109
4.2 Некоторые отказообразующие причины нестабильности нулевого сигнала в производстве полупроводниковых преобразователей 118
4.3 Выводы 136
Заключение 138
Список литературы 141
- Особенности применения и адаптация некоторых методов анализа, принятых в полупроводниковой промышленности, к полупроводниковым преобразователям
- Определение и принципы получения моделируемой составляющей отказа полупроводникового преобразователя
- Применение метода ультрафиолетовой люминесценции для анализа отказов и производственного контроля коррозии
- Некоторые отказообразующие причины нестабильности нулевого сигнала в производстве полупроводниковых преобразователей
Введение к работе
В самых разных сферах деятельности используются различные контролирующие и управляющие системы, которые являются неотъемлемой частью систем управления. Для правильного управления любой системой необходимы точные измерения давления, температуры, влажности и сотен других параметров, самых различных по свойствам, назначению и физическим проявлениям[90]. Эти измерения выполняют первичные преобразователи, основной функцией которых является преобразование измеряемого параметра в электрический сигнал.
Преобразование в электрический сигнал может производиться на основе различных базовых физических принципов и осуществляться по многим вариантам конструктивно-технологических решений [89]. Одним из распространённых решений является использование в качестве чувствительного элемента полупроводникового кристалла. Такие преобразователи называют полупроводниковыми. Настоящая работа посвящена решению проблем обеспечения качества полупроводниковых преобразователей.
В основу преобразования полупроводниковым элементом могут быть положены различные физические принципы (термо- и тензоэффект, эффект Холла и др.) [91]. Построение преобразователей по различным принципам не определяет принципиально нового содержания работ по анализу брака и отказов. Это тождественные приборы, хотя и на разном полупроводниковом эффекте. Различные полупроводниковые эффекты, положенные в основу формирования электрического сигнала, в рамках поставленных перед диссертационной работы задач, принципиального значения не имеют. В рамках проблем настоящего исследования полупроводниковые преобразователи являются общностью конструктивных, технологических и эксплуатационных принципов. Общность эта гармонична и такое обобщение целесообразно в рамках решения проблем, вынесенных в заголовок диссертационной работы. Дополнения, являющиеся прямыми следствиями различия основополагающих физических
5 принципов, в рамках задач, стоящих перед работой, являются обрамлением проблемы. Это
обрамление, связанное с установившимися принципами разработки и эксплуатации (например, измерение параметров и т. п.), достаточно хорошо и полно осмыслено разработчиками и эксплуатирующими отраслями. Кроме того, всегда есть возможность привлечения к физико-технологическому анализу, в качестве консультантов или участников, узкоспециализированных профессионалов в области применения и разработки того или иного вида полупроводниковых преобразователей.
Качество первичного преобразователя во многом определяет качество всей системы, в которой он используется [88-90]. Международные стандарты серии ИСО 9000-2000 устанавливают требования к системе менеджмента качества, выполнение которых на предприятии-изготовителе позволяет обеспечивать и поддерживать требуемый уровень качества выпускаемой продукции. Одной из основ создания и функционирования на производстве системы менеджмента качества продукции лежит управление процессами жизненного цикла, среди которых важную роль занимают технологические процессы и процессы проектирования [100-106]. Помимо этого, в соответствии с этими стандартами, организация должна предпринимать корректирующие и предупреждающие действия. Корректирующие действия должны быть направлены па устранение причин несоответствий для предупреждения их повторного возникновения, а предупреждающие - на устранение причин потенциальных несоответствий для предупреждения их появления. Источником информации для принятия корректирующих и предупреждающих действий являются, соответственно, причины выявленных и потенциальных несоответствий, которые устанавливает физико-технологический анализ [100-103]. От достоверности результатов этого анализа зависит определение и осуществление необходимых действий, направленных на устранение причин выявленных и потенциальных несоответствий. В том случае, если установленная причина оказывается ложной, обеспечение качества продукции невозможно. Поэтому одним из важнейших условий обеспечения качества выпускаемой продукции является наличие на предприятии-изготовителе методов проведения
анализа несоответствий, гарантирующих достоверность получаемых результатов. В рамках настоящей работы решается проблема обеспечения системы менеджмента качества достоверной информацией о причинах производственного и технологического брака, а также отказов на производственных испытаниях. Наличие достоверных результатов анализа этих видов несоответствий позволяет своевременно корректировать технологические и производственные процессы и, тем самым, обеспечивать требуемый уровень качества выпускаемой продукции.
Исходными данными для корректировок производственных и технологических процессов обычно являются:
для процесса изготовления — процент выхода годных изделий, стабильность технологического процесса;
для стадий хранения и транспортировки — влияние режимов храпения и транспортировки на сохраняемость изделий;
для стадий применения и эксплуатации — надежность изделий и влияние на неё способов применения и режимов эксплуатации. Для всех этих стадий центральной проблемой является отсутствие основных принципов системы проведения анализа брака и отказов преобразователей для определения физико-технологической модели возникновения отказа. Эта модель необходима для составления адресной цепочки от возникновения отказа до элемента производственного, проектного или эксплуатационного алгоритма, сбой и несовершенство которых явились источником возникновения отказов подобного типа.
Как уже говорилось выше, решения, направленные на повышение качества, не могут приниматься без точного знания причин брака и отказов, которые являются результатом анализа [100]. Способ анализа брака и отказов полупроводниковых преобразователей сегодня общепринято считать аналогичным широко разработанным методам анализа отказов полупроводниковых интегральных схем [2, 16, 41, 89]. Это заблуждение является основной при-
7 чиной отсутствия в промышленности сложившейся системы и эффективных методов анализа
брака и отказов полупроводниковых преобразователей и действенного набора частных методик решения этих проблем. Целый ряд отличий от полупроводниковых приборов и интегральных схем не позволяет применить для анализа брака и отказов полупроводниковых преобразователей наработанные в полупроводниковой технологии методы. Перечислим эти отличия и возникающие вследствие их проблемы:
І.) В полупроводниковых преобразователях, как во всяком измерительном приборе, есть своя специфика формирования нулевого сигнала, который во многом определяет соответствие преобразователя требуемому уровню качества;
2.) В полупроводниковых преобразователях параметры измеряемой среды преобразуются в электрический сигнал в кристалле, который передается в прибор, корпусированный в другом месте и в других условиях. Взаимная увязка различной природы и особенностей функционирования этих двух компонентов порождает специфику их взаимодействия и, как следствие, специфику анализа брака и отказов;
3.) Разделение пространств и сред является источником специфических особенностей преобразователей. Потребность, например, в средоизолирующих, часто герметичных, вводах соединительных кабелей между чувствительным элементом и измерительным прибором является источником проблем, порождающих особенности не только проектирования, но и анализа. Ещё одной проблемой, которая вызвана этим отличием, является несогласованность обмена параметрами и воздействиями полупроводникового элемента и измерительного прибора, который одновременно является источником сигналов, корректирующих температурные и другие виды изменений и искажений информации. Это является фактором, затрудняющим определение и локализацию места неисправности или деградации параметров преобразователя;
4.) Влияние гигроскопичности полупроводниковых элементов (кристаллов) преобразователей на причины их отказов. При производстве интегральных схем полупроводниковый
8 элемент изготавливается в условиях соблюдения вакуумной гигиены. При производстве преобразователей, как правило, полупроводниковые элементы транспортируются на предприятия, имеющие приборные традиции проведения технологического процесса и соответствующие стандарты обеспечения условий труда. В таких условиях гигроскопичность полупроводниковых элементов существенно определяет причины возникновения отказов и комплекс мер по анализу, как самих элементов, так и условий производства.
5.) Посадка кристалла в корпус, детально изученная в производстве полупроводниковых интегральных схем для преобразователей имеет, по крайней мере, две особенности. Во-первых, стабильность полупроводникового преобразователя определяется корпусными нагрузками, как механическими, так и термомеханическими. Во-вторых, датчик отслеживает своей стабильностью последствия различных воздействий на пего. Кристалл и корпус могут реагировать на них по-разному. Эти особенности порождают широкую гамму проблем посадки кристалла, которые при производстве полупроводниковых приборов и микросхем просто отсутствуют.
Таким образом, традиционные для полупроводниковых приборов проблемы, хорошо и всесторонне исследованные при создании, сборке и эксплуатации, приобретают новое значение и толкование при анализе причин отказов полупроводниковых преобразователей.
Знание и понимание причин брака и отказов раскрывает суть и направленность реализации мер по управлению качеством продукции [14, 41]. В полупроводниковых преобразователях эффективный анализ брака и отказов практически не проводится по причине отсутствия единого подхода к этой проблеме, учитывающего изложенные выше отличия. Приемы, переносимые из анализа интегральных схем и полупроводниковых приборов, не дают желаемого результата и воспроизводят информацию, не соответствующую действительности. Такая информация может вызвать не только бесполезные, но и ухудшающие воздействия при управлении качеством продукции.
Последствия проведения анализа отказов полупроводниковых преобразователей по
9 технологии, основанной на копировании методов анализа полупроводниковых приборов,
можно проиллюстрировать реальным примером. Определение причин отказов трех полупроводниковых преобразователей проводилось по единой, принятой на сегодня, методологии анализа. Отказы первого преобразователя произошли в условиях совершенно необъяснимой массовости и незначительного времени эксплуатационной работы преобразователя у одного из потребителей. Проведение анализа по методам, принятым в полупроводниковой промышленности показало, что в этом и других отказавших преобразователях наблюдаются обрывы плеч моста (вольт-амперные характеристики показывают это вполне определенно). Кроме того, исследование кристалла отказавшего полупроводникового преобразователя в растровом электронном микроскопе (РЭМ) подтвердило обрывы но потенциальному контрасту (Рис 1). На всех кристаллах, этого и отказавших с ним преобразователей, хотя и очень незначительно, но замечены следы коррозии. Методы, используемые при анализе полупроводниковых приборов, по совокупности таких признаков дают заключение: полупроводниковый преобразователь отказал в результате коррозии. Наличие следов коррозионных продуктов на кристаллах в состоянии поставки приводит к окончательному заключению: отказы полупроводниковых преобразователей произошли в результате загрязнения кристалла коррозионно-активными продуктами. По второму и третьему преобразователю совокупность признаков и результаты анализа были полностью идентичны, причем не только для этих преобразователей, но и для других, отказавших вместе с ними у одного потребителя (рис 2, 3).
Проведение анализа по методике, изложенной в работе, однозначно установило, что причиной отказа первого преобразователя является повреждение преобразователя в результате импульсных перегрузок вследствие неправильного заземления у потребителя. Импульсные перегрузки разрушали защитный окисел и провоцировали начальное развитие в месте пробоя коррозии. Т. е. причиной нарушения контакта было разрушение алюминия
Рис. 1. Повреждение кристалла преобразователя в результате импульсных перегрузок со следами вторичной коррозии, не влияющей на срок службы в пределах гарантированного.
Рис. 2. Повреждение преобразователя в результате отказа его приборного устройства со следами коррозии, возникшей в результате разрушения мембраны.
і 12JCV 100» 00.010
Рис. 3. Коррозия преобразователя, возникшая в результате загрязнения кристалла коррози-
онно-активными продуктами изготовителем.
пробоем, маскированное продуктами коррозии, отношения к обрыву не имеющими. Надо сказать, что наличие коррозионных загрязнений в процессе производства кристаллов действительно имело место в этом случае. Однако, как показало моделирование условий развития коррозии (при повышенной температуре к электрической нагрузке, эквивалентных развитию коррозии до обрыва), время безотказной работы составляло почти пятнадцать лет при гарантийном сроке па преобразователь - десять лет. Второй преобразователь отказал действительно в результате коррозионного разрушения алюминиевых проводников кристалла, но коррозия эта была следствием проникновения паров воды к кристаллу в результате многократной перегрузки преобразователя в эксплуатации. В свою очередь, эта перегрузка была вызвана неправильным функционированием системы, задающей давление эксплуатационной среды, в результате отказа именно этого преобразователя. Но отказ этот наступил вследствие применения в приборном устройстве преобразователей некачественных интегральных схем. Третий преобразователь отказал действительно в результате загрязнения кристалла коррозион-но-активными продуктами изготовителем. Моделирование по той же методике привело к развитию коррозии за эквивалентное время, действительно соизмеримое со временем наступления отказа.
Приведённый выше пример и анализ существующих методов, подходов и принципов анализа полупроводниковых преобразователей позволил сделать следующие выводы:
известные и доступные для большинства производителей полупроводниковых преобразователей способы анализа не позволяют получить достоверную информацию о причинах, вызывающих отказы;
на основе недостоверной информации о причинах отказов невозможно предпринимать предупреждающие и корректирующие действия, направленные на обеспечение качества выпускаемой продукции.
Сделанные выше выводы, подтверждённые практическими результатами, убедительно иллюстрируют и актуальность проблемы, поднятой в работе, и необходимость поиска её
12 приемлемого решения в сегодняшней практике производства и анализа полупроводниковых
преобразователей.
Следовательно, создание основных принципов проведения анализа отказов полупроводниковых преобразователей, включающей методы проведения анализа и определяющей подходы к проведению этого анализа, является актуальной задачей. Её" решение позволит получать достоверную информацию о причинах отказов полупроводниковых преобразователей, па их основе предпринимать соответствующие предупреждающие и корректирующие действия, выполнять требования международных стандартов серии ИСО 9000-2000 и обеспечивать требуемый уровень их качества.
Поэтому цель работы следующая: на основе экспериментальных и теоретических исследований создать систему проведения анализа отказов полупроводниковых преобразователей и подтвердить её эффективной экспериментальной и производственной проверкой.
Для достижения этой цели поставлены задачи:
Провести комплексную оценку и исследование существующих методов анализа отказов полупроводниковых преобразователей.
Выделить приемы анализа отказов полупроводниковых интегральных схем, принципиально применимые к анализу полупроводниковых преобразователей. Провести экспериментальные, конструкторские и теоретические исследования с целью адаптации этих приемов к потребностям полупроводниковых преобразователей.
Разработать подход, который определит основные принципы проведения анализа отказов полупроводниковых преобразователей.
Разработать оперативный и доступный метод анализа коррозии полупроводниковых преобразователей, применимый к задачам анализа отказов.
Определить причины возникновения наиболее информативного вида производственного брака - нестабильности нулевого сигнала, позволяющего прогнозировать и предупреждать возникновение эксплуатационных отказов полупроводниковых преобразователей.
13 В процессе проведения исследований получены новые научные результаты:
Предложен метод исследования полупроводниковых кристаллов преобразователей в растровом электронном микроскопе без ограничений, накладываемых конструкцией корпуса. Метод основан на теоретически обоснованном и конструктивно обеспеченном способе магнитной транспортировки вторичных электронов из корпуса.
Предложен метод исследования неодпородностей и включений в диффузионной или имплантированной структуре измерительных резисторов. Метод основан на исследованиях в области возможного микроплазменного пробоя, позволил объяснить аномалии температурных зависимостей и связанные с ними отказы преобразователей.
Предложен метод определения и локализации мест пониженного сопротивления и пробоев на основе жидких кристаллов. Метод позволяет в соответствии с требованиями специфики полупроводниковых преобразователей локализовать места снижения сопротивления изоляции при токе потребления менее 10* А.
Разработан подход и определены принципы проведения анализа отказов. В соответствии с разработанным подходом, проведение анализа отказов полупроводниковых преобразователей по двум составляющим - комплектационной и моделируемой - обеспечивает получение достоверных результатов анализа.
Предложен метод контроля коррозии полупроводниковых элементов преобразователей, основанный на ультрафиолетовой люминесценции. Метод отличается высокой чувствительностью и простотой, удовлетворяет всем потребностям анализа и является эффективным методом производственного контроля.
Обобщены виды нестабильности нулевого сигнала преобразователей как основы прогнозирования и предупреждения эксплуатационных отказов.
Теоретически объяснены и экспериментально доказаны причины нестабильности нулевого сигнала полупроводниковых преобразователей при тренировке. В основу гипотезы о причинах нестабильности нулевого сигнала положено изменение сопротивления измери-
тельных элементов полупроводникового кристалла зарядом мигрирующих ионов загрязнения. Экспериментальная и производственная проверка показала абсолютную предсказуемость обсуждаемых нестабильностей, что является подтверждением выдвинутой гипотезы. 8. Предложен и внедрен способ развязки полупроводникового кристалла от корпуса преобразователя с использованием резиноподобного слоя, что позволило значительно улучшить стабильность выходного сигнала преобразователя.
Все перечисленные выше результаты позволяют сформировать основные принципы анализа полупроводниковых преобразователей. Наличие таких принципов позволяет безошибочно определять и осуществлять необходимые действия, направленные па устранение причин выявленных и потенциальных несоответствий, что, в свою очередь, повышает эффективность системы менеджмента качества па основе МС ЙСО 9000-2000 и обеспечивает требуемый уровень качества полупроводниковых преобразователей.
Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях: 56-ой Научно-технической конференции, посвященной Дню радио, - Санкт-Петербург, 2001 г.; 58-ой Научно-технической конференции, посвященной Дню радио и 300-летию Санкт-Петербурга, - Санкт-Петербург, 2003 г.; семинарах АОЗТ «ТИМОС», «Светлана - Электронприбор.
Достоверность полученных в работе результатов доказана их практическим внедрением на ЗАО «ТИМОС», которое является производителем полупроводниковых преобразователей для Министерства обороны Российской Федерации. Внедрение полученных в работе научных и практических результатов позволило разработать и внедрить на указанном предприятии эффективную систему менеджмента качества и получить лицензию МО РФ на право производства и ремонта средств измерения военного назначения.
В первой главе полупроводниковый преобразователь определён как объект анализа отказов, и выделены основные особенности, которые отличают полупроводниковый преоб-
15 разователь от полупроводникового прибора. Среди таких отличий - наличие как минимум
двух различных сред эксплуатации, причем среды эти различаются практически по всем параметрам (температурные режимы, химическая активность и др.). Показано, что полупроводниковый преобразователь - это совершенно иное построение, чем полупроводниковый прибор. Добавим к этому, что среда, в которой находится кристалл в полупроводниковом приборе - стабильна, а эксплуатационная среда в полупроводниковом преобразователе по своему назначению оказывает различные физические и химические воздействия на кристалл. Это требует других методов производства и анализа. Тем не менее, ряд методов, принятых при анализе полупроводниковых приборов, после определенных доработок может быть использован при анализе полупроводниковых преобразователей. Содержание этих доработок вместе с определением различий между полупроводниковыми приборами и преобразователями составляют первую главу.
Во второй главе сформированы принципы подхода к анализу полупроводниковых преобразователей с учетом различий, выявленных в первой главе. Для проведения анализа полупроводниковых преобразователей они должны быть принципиально иными. В работе показано, что применение отказавшего преобразователя в качестве объекта анализа не информативно и вводится новый подход к проведению анализа. Анализ основывается на рассмотрении двух направлений причин возникновения отказа:
1.) воздействия производственного и эксплуатационного характера;
2.) состав и качество комплектующих, материалов и полупроводниковых кристаллов.
В работе обоснована эффективность такого подхода и на практических примерах продемонстрированы его результаты.
Содержание третей главы целиком посвящено особой проблеме полупроводниковых преобразователей - процессам коррозии алюминиевой металлизации кристалла. Значимость данной проблемы объясняется ещё и тем, что она содержит два аспекта:
1.) Коррозия может быть, и достаточно часто действительно бывает, причиной отка-
за; 2.) В 90% отказавших преобразователей наблюдается коррозия, отношения к причинам отказа не имеющая. Эта коррозия может быть следствием вторичных, последовавших за наступлением отказа, причин (повреждения мембраны, повреждение окисла в результате перегрузки при неправильном заземлении и многое другое). Одна из таких причин, выявленная в работе, повлекла за собой изменения технологического процесса изготовления полупроводниковых кристаллов преобразователей, который ранее совпадал с процессом изготовления кристаллов полупроводниковых приборов и интегральных схем. В результате анализа работ по процессам коррозии сделан ряд обобщающих выводов практической направленности. В частности, все исследования процесса коррозии связаны с трудоёмкими, наукоёмкими, в том числе и по составу применяемого оборудования, исследованиями, которые не отвечают на возникающие в процессе производства вопросы, связанные с коррозией. При производстве и анализе требуются иметь полное представление о протекании коррозии и принципы обнаружения её возникновения на самых ранних стадиях. Рассмотрев и сгруппировав значительное количество работ по физико-химическим основам процесса коррозии, было определено, что все её продукты имеют три составляющие: геле-вая, дендритная и жидкая фазы. Эти фазы можно идентифицировать при помощи ультрафиолетовой люминесценции, т. к. они вызывают люминесцентное свечение во всех трёх моделях люминесценции. Предложенный в диссертационной работе метод контроля коррозии на основе ультрафиолетовой люминесценции, является не только методом анализа, но и методом производственного контроля. Он позволяет определять коррозию на самой ранней стадии развития и обладает достаточно высокой чувствительностью. Это позволило не только ввести в анализ такой метод, но и создать методику входного контроля кристаллов, что в условиях разделенности производств самих преобразователей и полупроводниковых кристаллов, позволило увеличить эффективность входного контроля последних. В условиях отсутствия
17
электронно-вакуумной гигиены на приборных предприятиях, которыми являются произво
дители полупроводниковых преобразователей, этот метод является средством внутреннего и
, ф межоперационного контроля при производстветголупроводниковых преобразователей.
В четвёртой главе исследуется параметр полупроводникового преобразователя, результаты контроля которого способны дать информацию для определения и осуществления необходимых действий, направленных на устранение причин потенциальных несоответствий для предупреждения их появления, до наступления эксплуатационных отказов. Таким параметром для производителей полупроводниковых преобразователей является стабильность нулевого сигнала. Многолетняя практика разработки и изготовления полупроводниковых преобразователей, позволяет сделать производителям вывод: производство, не имеющее проблем со стабильностью нулевого сигнала, имеет минимальное количество эксплуатационных отказов. Проблема возникновения нестабильности нулевого сигнала рассмотрена в четвертой главе. Выдвинуты и обоснованы гипотезы, объясняющие причины появления не-стабильности нулевого сигнала а также предложены способы их устранения .
Диссертация состоит из введения, 4 глав с выводами по каждой из них, заключения и списка литературы. Она изложена на 150 страницах машинописного текста, включает 45 ри-сунков, и список литературы из 106 наименований.
*
Особенности применения и адаптация некоторых методов анализа, принятых в полупроводниковой промышленности, к полупроводниковым преобразователям
Применение растрового электронного микроскопа (РЭМ), как известно [52], необходимо при изучении массивных образцов с весьма сложным рельефом поверхности, т. к. глубина резкости РЭМ почти на три порядка больше, чем у оптического микроскопа, а тонкий электронный зонд может проникать вглубь даже очень глубоких корпусов полупроводниковых преобразователей и выбивать там вторичные электроны. Однако обычные коллекторные системы не позволяют полностью использовать эти возможности РЭМ при изучении структуры кристалла полупроводникового преобразователя, т. к. телесный угол сбора вторичных электронов, выбитых на дне, из-за потерь на стенках весьма мал. Поэтому при работе в режиме сбора вторичных или упруго отраженных электронов отношение сигнал/шум и качество изображения глубокого объекта внутри корпуса весьма низкое. На рисунке 4 приведено изображение в растровом электронном микроскопе чувствительного полупроводникового элемента преобразователя давления. В ходе исследования происходит дальнейшее ухудшение изображения. Это связано с тем, что в эксплуатации заземление корпуса и подложки происходит соответ ственпо на измерительную и общую земляные точки. Если в начале исследования просматриваются отдельные фрагменты кристалла, то уже через 20 сек исследования, даже очертания внутренние (рис. 4, б) и без того, не имеющего никакой практической ценности, изображения (рис. 4, а). Это связано с тем, что корпус воспринимает при исследовании положительный заряд вследствие превышения единицы коэффициентом вторичной эмиссии поверхности кристалла и окисных пленок корпуса. Положительный заряд увеличивает оседание на корпусе вторичных электронов и без того, практически, не выходящих на поверхность и, как следствие, не захватываемых коллектором.
Для улучшения эффективности сбора вторичных электронов из глубоких отверстий корпуса образец (неферромагнитный) можно разместить в однородном магнитном поле, ориентированном таким образом, чтобы значительная доля медленных электронов «навивалась» на силовые линии магнитного поля и не попадала па стенки корпуса [53]. Вблизи выходного отверстия эти электроны подхватываются ускоряющим электростатическим полем обычного коллектора вторичных электронов и формируют видеосигнал, перенося таким образом информацию о рельефе дна или части стенок глубокого отверстия. Принцип работы такого коллектора с магнитным полем, пронизывающим образец, иллюстрирует рисунок (5, а). Образец / располагается на полюсном наконечнике 2 бронированной магнитной линзы так, чтобы силовые линии магнитного поля были ориентированы параллельно оси z корпуса (рис. 5, б). Медленные вторичные электроны движутся внутри корпуса преобразователя по винтовым траекториям и на выходе вытягиваются полем обычного коллектора 5. Вообще говоря, целесообразно так ориентировать магнитное поле, чтобы осуществить наилучший сбор вторичных или третичных электронов с нужного участка. С целью экспериментальной обработки режимов магнитной транспортировки электронов из корпуса в последний была вмонтирована сетка, па которую подавался переменный потенциал, и на выходе предварительного усилителя коллектора выводилась осциллограмма потенциального контраста сетки.
Качественное совпадение экспериментальной и расчетной зависимостей вполне удовлетворительное, если учесть то, что истинное значение [/ , не находилось и не учитывался вклад упруго отраженных и фоновых электронов. Кроме того, не принимались специальные меры для полного вытягивания электростатическим полем всех электронов, вышедших из отверстия. Поэтому часть электронов оседала на внешней части магнитопровода линзы, в которой, размещался образец. Тем не менее, «коэффициент усиления» такой системы, т. е. отношение токов вторичных электронов при включенном и выключенном поле весьма велико. Например, при отношении глубины корпуса h к диаметру d, равном 10 {а Уго) и В В0 коэффициент усиления равен примерно 300. Для извлечения из отверстия с d=I5 мм одной десятой общего числа вторичных электронов необходимо поле с индукцией В=1 т.п. коэффициент усиления при этом равен примерно 150.
При включении магнитного поля возрастает не только сигнал со дна корпуса, но и контраст изображения внутренних участков, т. к. растет число электронов, которые генерируются на наклонных участках и благодаря магнитному полю в корпусе могут теперь покинуть отверстие. Если предположить, как обычно, что величина потока вторичных электронов с наклоненной к первичному пучку на угол у площадки (рис. 5, б) /0 (/)= I0cos/ , и распределение вторичных электронов по углам вылета /(# ; ) = 7 , (/)cos 9, то можно рассчитать контраст изображения, например, площадки, наклоненной на угол у=45, относительно площадки с у=0 (обе площадки на дне отверстия в образце), т. е. величину К = [/( = 45)-/(/ = 0JJ/ 1{у = 0). Расчетная зависимость относительного контраста от величины магнитной индукции приведена на рис. 6, где Кт, — контраст при В — со (такой же контраст достигается для площадки, расположенной не па дне, а на открытой поверхности). Для принятой зависимости потока вторичных электронов от угла 1(/) = I0/cos/ при 5=0 контраст вообще отсутствует, если обе площадки находятся на дне очень глубокого отверстия, а при Б - со изображение имеет такой же контраст, как и для площадок, расположенных на открытой поверхности.
Таким образом, применение магнитного поля не только обеспечивает улучшение отношения сигнал/шум для видеосигнала, но и дает возможность получить почти неискаженное изображение внутренних частей глубоких корпусов с правильной передачей контраста при соответствующем подборе магнитного поля. Как показали эксперименты, проведенные па растровом микроскопе Stercoscan S-180, дисторсия изображения при включении магнит-ЕЮГО поля практически незначительна при ускоряющих напряжениях более 10 кв и увеличениях более 100 X, астигматизм также незначителен, что позволяет реализовать паспортное разрешение микроскопа даже при включении магнитного поля.
Определение и принципы получения моделируемой составляющей отказа полупроводникового преобразователя
Построение содержания анализа отказов полупроводниковых преобразователей полностью определяется условиями возникновения отказа, состоянием кристалла преобразователя и его приборного устройства. Это - основа выбора состава моделирования и выбора направления выявления комплектационной составляющей. Выбор направления комплектационной составляющей мы рассмотрим в следующем параграфе. Состав проведения моделирования с целью определения причины отказа при анализе определяется, прежде всего, опираясь па образования на отказавшем преобразователе. Эти образования могут быть классифицированы по шести пунктам: 1.) наличие коррозии проводников на кристалле преобразователя; 2.) наличие повреждения мембраны и других конструктивных элементов, содержащих кристалл; 3.) результаты проверки наличия обрывов и реакции преобразователя на широкий спектр воздействий; 4.) границы работоспособности преобразователя в условиях изменения температуры и дру 64 гих параметров, определяющих состояние среды; 5.) работа преобразователя с другим предварительно настроенным приборным устройством; 6.) состояние приборного устройства и результаты проверок его работы с системой эталонов измерительного элемента
Определив весь комплекс перечисленных проблем необходимо выбрать исходный вариант моделирования. Перечисление всех вариантов моделирования, которые могут быть выбраны в качестве исходного и последующих, представляется громоздким, нецелесообразно и главное - неинформативно. Построим изложение на примерах.
Например, при наличии коррозии проводников исходным вариантом моделирования при анализе отказов является ускоренное развитие коррозии. Для этого процесса отбираются заложенные по комплектациошюй составляющей образцы и проводится ускоренное развитие коррозии. Ускорение достигается путем длительной эксплуатации в условиях предельно допустимых температур и электрических нагрузок. При отсутствии в условиях моделирования коррозии совершенно точно исключаются причины, связанные с изготовлением кристалла и загрязнением в процессе сборки преобразователя. Так проводился анализ в первых двух примерах, приведенных во введении. Проверка повреждения мембраны и других конструктивных элементов, предохраняющих кристалл от среды эксплуатации, должна проводиться по определенному соответствующими инструкциями порядку. В качестве одного из методов применяется метод жидких кристаллов, разработантшй и изложенный в первой главе. Документально состав многообразия подобных инструкций содержит специфические особенности. Заполнение этими особенностями диссертационной работы просто противоречит составу научного труда. Поэтому скажем только одно: в рамках разработанного подхода построение конкретной последовательности - вопрос чисто технический.
Важно понять, что полупроводниковый преобразователь в протекании основных процессов отказа в представлении специалистов по анализу представляет собой проблему двои 65 ного содержания. Такое понимание определяется двоякой природой развития отказа по мере его возникновения и после его наступления. В период, предшествующий развитию отказа полупроводникового преобразователя, идут процессы, определяющие отказ, направленные причинами его возникновения. После возникновения отказа начинаются другие процессы. Они, зачастую, могут не только затруднить определение истинных процессов, приведших к образованию отказа, но и просто заретушировать их, создав ложное представление и о природе и о причине этого отказа. Особую роль при анализе отказов полупроводниковых преобразователей играет спорность процессов, приведших к этому отказу внутри и снаружи полупроводникового преобразователя. Способности и возможности определить отказ, выяснить его природу, трактовать его практически разные. В обобщенном понимании полупроводниковый преобразователь - это, как минимум, двойное множество процессов, определяющих развитие отказов. В свою очередь, каждое из этих двух множеств находится под воздействием многочисленного количества факторов, которые также представляют собой зачастую несвязанные, непересекающиеся множества. Даже одинаковые процессы в этих подмножествах могут протекать по-разному, давая совершенно разные последствия, трактовка которых, в разных множествах отличается весьма значительно. Такое сочетание двух подмножеств -подмножества объемов и подмножества процессов - суммарно даст трудно идентифицируемую картину общего протекания развития процесса отказа в трудно устанавливаемом количестве измерений. Трудности определения направления развития отказа порождают огромные сложности и видимость процессов, как имеющих, так и не имеющих отношения к развитию отказов. Направления процессов того и другого происхождения могут пересекаться и накладываться, образуя самые причудливые формы и сочетания. Это является причиной, по которой анализ отказов полупроводниковых преобразователей требует особых методов, алгоритмов, подходов, оборудования и квалификации при проведении анализа. Влияние базовых технологий на происхождение, развитие и анализ отказов полупроводниковых преобразователей является определяющим фактором при выборе метода анализа. Два одинаковых преобразователя, в принципе, могут быть проанализированы одинаково, но методы проведения анализа, лабораторные приемы и выбор последовательности должны быть определены так, чтобы полупроводниковый преобразователь самого общего типа был моделью, реализующей протекание отказа в лабораторных степах. Развитие процесса отказа должно быть воспроизведено с максимальной точностью и последовательностью, отвечающей той, которая имела место в действительности. Основу для его реконструкции в большинстве случаев составляют возможные причины отказов, постулированные состоянием отказавшего образца. Эти постулаты зачастую ложны и определены, чаще всего, постотказным хранением. Однако, всегда можно определить правильное направление анализа с помощью моделирования возможных путей развития отказов.
Применение метода ультрафиолетовой люминесценции для анализа отказов и производственного контроля коррозии
Методы идентификации и изучения коррозии, применяемые в научных исследованиях этого вопроса, в рамках задач, стоящих перед диссертационной работой, практического применения, найти не смогли. Рентгено-структурный анализ, анализы, связанные с проведением локальных тонких микрохимических анализов - все это достаточно уникальные и трудоемкие направления исследований, и только исследований [10, 36]. Задачи, стоящие перед нами, требуют метода, который позволяет достаточно быстро, без особой подготовки, без использования уникального оборудования проводить с огромной чувствительностью обиа 89 ружение и идентификацию процессов коррозии.
Проведение научных исследований коррозии способами науко- и трудоёмкими, охватив все аспекты, не содержа пробелов, составили широкие научные трактовки этого процесса [5, 7, 15], Однако подвигнуть производственную практику они не в состоянии. Основы физико-химических явлений, порождающих и сопровождающих коррозию, исследованы детально и глубоко, но прикладного значения - практически не имеют. Подлинная, детализированная картина коррозии в производственных условиях большого практического значения не имеет. В производственных условиях важно определить как можно раньше момент начала коррозии. Кроме того, необходимо определить содержание процессов, приводящих к ней, причем, не на детальном физическом уровне, а на уровне их технологического содержания. Однозначно такого метода не существует ни в нашей стране, ни за рубежом. Значение такого метода для анализа отказов и контроля производства дополнительных пояснений не требует. В процессе освоения производства автору пришлось ощутить все эти проблемы непосредственно и метод, который был разработан по насущным производственным потребностям, позволил решить все выше перечисленные проблемы. Ранее уже говорилось, что с этой целью мы после длительных поисков пришли к необходимости детально исследовать возможность применения явления люминесценции. Люминесценция представляет собой явление возникновения излучения тела под действием возбуждающих факторов. Это излучение является избыточным над тепловым и может продолжаться в течение времени значительно превышающем период световых колебаний [79].
Чаще вероятность перехода 3 —» 2 больше вероятности прямого перехода 3 — J. Уровень 2 обычно лежит ниже уровня поглощения 3, часть энергии возбуждения теряется в энергию колебания атомов (переходит в теплоту), и квант света люминесценции имеет меньшую энергию (и большую длину волны), чем кванты возбуждающего света — стоксава люминесценция. Однако во многих случаях возможна аитистоксова люминесценция, когда за счёт поглощения извне колебательной энергии молекула переходит на более высокий относительно уровня 3 излучающий уровень 2. Энергия испущенного кванта при антистоксовой люминесценции больше энергии возбуждающего кванта, её интенсивность мала. Уровень 2 может принадлежать как тому же атому (молекуле), который поглотил энергию возбуждения (такой атом называется центром люминесценции, а переход - внутрицентровым), так и другим атомам. В первом случае люминесценция называется спонтанной. Этот вид люминесценции, как и резонансная люминесценция, характерен для атомов и молекул паров и растворов, а также для примесных атомов в кристаллах. В некоторых случаях атом (молекула), прежде чем перейти на уровень излучения 2, оказывается на промежуточном метастабиль-ном уровне 4 (рис. 26, б) и для перехода на уровень 2 ему необходимо сообщить дополнительную энергию, например энергию теплового движения или света. Люминесценция, возникающая при таких процессах, называется метастабияыюй [80].
Процесс люминесценции в различных веществах отличается в основном механизмом перс-хода частицы с уровня поглощения 3 на уровень излучения 2. Передача энергии другим атомам (молекулам) осуществляется электронами при электронно-ионных ударах, при процессах ионизации и рекомбинации или обменным путём при непосредственном столкновении возбуждённого атома с невозбужденным. Из-за малой концентрации атомов в газах процессы резонансной и обменной передачи энергии играют малую роль. Они становятся существенными в конденсированных средах, где энергия возбуждения может передаваться также с помощью колебаний ядер. И, наконец, в кристаллах определяющей становится передача энергии с помощью электронов проводимости, дырок и электронно-дырочных пар (экегтюнов). Если заключительным актом передачи энергии является рекомбинация (восстановление частиц, например электронов и ионов или электронов и дырок), то сопровождающая этот процесс люминесценции называет рекомбинациоиной [80].
Второе необходимое условие люминесценции — превышение вероятности излуча-тельных переходов над вероятностью безызлучательных. Повышение вероятности безызлу-чательных переходов влечёт за собой тушение люминесценции. Эта вероятность зависит от многих факторов. Она возрастает, например, при повышении температуры (температурное тушение), концентрации люминесцирующих молекул (концентрационное тушение) или примесей (примесное тушение). Т. о., тушение люминесценции зависит как от природы люми-несцирующего вещества и его фазового состояния, так и от внешних условий. При низком давлении люминесцируют пары металлов и благородные газы, что применяется в газоразрядных источниках света, люминесцентных лампах и газовых лазерах. Люминесценция жидких сред в основном характерна для растворов органических веществ.
Кристаллы, способные люминесцировать, называются кристаллофосфорами, яркость их люминесценции зависит от наличия в них примесей (т. н, активаторов), уровни энергии которых могут служить уровнями поглощения, промежуточными или излунательными уровнями. Роль этих уровней могут выполнять также валентная зона и зона проводимости [83].
В кристаллофосфорах возбуждение светом, электрическим током или пучком частиц может создавать свободные электроны, дырки и экситоны (рис. 26, в). Электроны могут мигрировать по решётке, оседая на «ловушках» 4. Люминесценция, происходящая при рекомбинация свободных электронов с дырками, называется межзонной или краевой (рис. 26, в-1). Если рекомбинируст электрон с дыркой, захваченной центром свечения (атомом примеси или дефектом решетки), происходит люминесценция центра (рис. 26, в-П). При рекомбинации экситонов возникает окситонная люминесценция (рис. 26, в-Ш) [83].
К основным физическим характеристикам люминесценции относятся: способ ізозбуж 93 дения (для фотолюминесценции — спектр возбуждения), спектр испускания (изучение спектров испускания люминесценции составляет часть спектроскопии), состояние поляризации излучения, выход люминесценции, т. е. отношение поглощённой энергии к излучённой (для фотолюминесценции вводится понятие квантового выхода люминесценции — отношения числа излучённых квантов к числу поглощённых) [80].
Некоторые отказообразующие причины нестабильности нулевого сигнала в производстве полупроводниковых преобразователей
Состав причин нестабильности нулевого сигнала, определяющий потенциальные возможности появления эксплуатационных отказов, предыдущий параграф осветил полностью. Более подробная структура определяемых таким образом возможных эксплуатационных отказов избыточна. Она требует очень длительных и подробных изложений, совершенно не уместных в диссертационной работе. Полностью такие подробные перечни содержатся в производственных инструкциях, разработанных на основании данной работы. Однако представляется необходимым подробное рассмотрение двух моделей проявления нестабильности нулевого сигнала, которые могут даже в незначительном и допускаемом проявлении предопределить эксплуатационные отказы. В настоящей работе по этим проблемам найдены принципиально новые решения. Эти решения открывают не только возможности построить структуру принципиально возможных эксплуатационных отказов, но и позволяют по-новому
и гораздо шире тематики данной работы взглянуть па все аспекты проблем, поднимаемых с этим видом нестабильности. В принципе, проблема нестабильности нулевого сигнала во времени - проблема, носящая характер, практически неосмысл ива емый. Это подтвердит практически любой производитель полупроводниковых преобразователей. Модель объяснения причин такой нестабильности отсутствует. Попытки её создать полностью отвергались закономерностями проявления этого вида нестабильности. Тренированные до полной стабильности нулевого сигнала во времени (в течение нескольких сот часов) преобразователи, после присоединения их к приборному устройству начинали свой «дрейф» заново. Никаким объяснениям проявления подобной нестабильности до настоящей работы не поддавались, тем более, невозможно было угадать характер её проявления. Построенная нами и многократно проверенная, как в настоящей работе, так и реальном производстве, модель, объяснила полностью всё. Эта модель основана па электромиграции ионов поверхностного загрязнения.
В понимании физики полупроводников проблема электромиграции ионов - это проблема движения заряда над полупроводниковой структурой. Поведение полупроводниковой структуры, над которой возникает заряд, в физике достаточно подробно и фундаментально изучено [72, 74, 76].
В соответствии с условием электрической нейтральности, воздействие заряда на поверхность полупроводника должно сопровождаться возникновением у поверхности слоя объемного заряда, нейтрализующего заряд поверхностный. Нейтрализация происходит путем притяжения к поверхности носителей тока со знаком, противоположным знаку заряда поверхности и отталкивания носителей одного знака. Поэтому поверхностный слой полупроводника оказывается обедненным носителями тока одного знака со знаком поверхностного заряда и обогащенным носителями противоположного знака [72].
Толщина приповерхностного слоя объемного заряда, на протяжении которой проис ходит нейтрализация поверхностного заряда, зависит от концентрации носителей тока в про воднике [74]. В то время как в металлах, имеющих очень высокую концентрацию носителей (-1028 м 3), нейтрализация происходит уже на расстоянии нескольких параметров решетки, в полупроводниках область пространственного заряда простирается на значительную глубину (10 6 м и более).
Таким образом, у поверхности полупроводника существует область, электрические свойства которой определяются не объемными концентрациями примеси, а величиной поверхностного заряда [76]. В этой области концентрация носителей тока может существенно отличаться от объемной концентрации. Наличие такой области оказывает значительное влияние на многие свойства полупроводника (электропроводность, работу выхода, фото-Э.Д.С. и т. д.), а также на параметры полупроводниковых приборов.
Зарядка поверхности полупроводника вызывает возникновение разности потенциалов между поверхностью и объемом полупроводника и, следовательно, искривление энергетических зон. При зарядке поверхности отрицательным знаком энергетические зоны изгибаются вверх, т. к, при перемещении электрона из объема к поверхности его энергия увеличивается (рис. 33, а).
В просмотренных закономерностях видно полное теоретическое обоснование нашей гипотезы о существовании поверхностных ионов, дрейфующих по поверхности. Экспериментальная проверка в рамках выявленных и излагаемых ниже закономерностей показала полное совпадение предложенной и рассмотренной нами гипотезы с закономерностями дрейфа нулевого сигнала. Это так же в полной мере было подтверждено обширным накоп 126 ленным материалом ведения производства и разработки полупроводниковых преобразователей, ориентированных на данную модель. Движение ионов по поверхности кристалла объясняет все ранее не объяснимые закономерности изменения нулевого сигнала в процессе электротерм отренировок. Не перегружая работу конкретными примерами, поясним эффективность разработанного подхода и теории па типовой характеристике дрейфа нулевого сигнала. В качестве примера на рис. 35 приведена типовая топология полупроводникового чувствительного элемента преобразователя. Основу топологического решения большинства полупроводниковых чувствительных элементов составляют четыре сопротивления, включенные в мост [88]. Модуляция по рассмотренным выше моделям инверсии номинала этих сопротивлений зарядом подвижных ионов и является основной причиной появления нестабильности нулевого сигнала во времени, так и при изменении температуры. Объяснение этих неста-бильностей перемещением зарядов подвижных ионов наглядно и полно объясняет и предсказывает поведение полупроводниковых преобразователей. В качестве примера на рис. (36, а) и рис. (36, б) приведено изменение значения нулевого сигнала полупроводникового преобразователя в процессе электротермотренировки, которое приведено для двух температур. Ранее необъяснимые практически для всех полупроводниковых преобразователей неоднократные прохождения отклонений номинального значения нулевого сигнала через максимум, с позиций выдвинутой теории объясняется очень просто. Дело в том, что перемещение заряда идет именно к плечам моста, поскольку именно на нем находится потенциал. Перемещение этого заряда, неравномерно распределенного по поверхности кристалла, не одновременно достигает каждого из плеч моста. При достижении одного из плеч моста мигрирующими примесями их меняющийся заряд начинает все больше и больше инвертировать /э-л-переход, образующий сопротивление, и наблюдается максимум отклонения наблюдаемого значения от номинала. Постепенно перемещаясь, заряд достигает всех четырех составляющих чувствительного элемента.
