Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Твердотельные датчики газов
1.1 Влияние адсорбции газов на электрические свойств широкозонного полупроводника SnC>2. стр. 11
1.2 Физические свойства пленок металлооксидныхполупроводников, типа диоксида олова, оксида цинка и методы их получения . стр.21
1.3 Конструкция толстопленочных датчиков газов стр.35
1.4 Конструкции тонкопленочных датчиков стр.40
Выводы стр.51
Глава 2 Разработка конструкции и технологии изготовления газовых датчиков .
2.1 Выбор конструкции и расчет элементов топологии стр.54
2.2 Расчет конструкции газового датчика .57
2.3 Анализ свойств тонких пленок из NiCr применительно (ф к конструкции газового датчика стр.59
2.4 Исследование влияния режимов термостабилизационного отжига на свойства элементов конструкции газовых датчиков стр.63
2.5 Исследование прочности сварных соединений внутренних выводов ГС А1 - NiCr 50/50% стр.66
2.6 Технологические схемы изготовления газовых (д датчиков стр.70
Выводы стр.80
Глава 3 Тепловая модель газового сенсора
3.1 Тепловые характеристики элементов датчика стр.81
3.2 Анализ тепловых потерь кристалла газового датчика в статическом режиме 84
3.3 Расчет распределения температуры по поверхности кристалла кремния. стр.88
3.4 Зависимость температуры датчика от времени стр.93
3.5 Объекты и методика исследования распределениятемпературы по кристаллу газового сенсора стр.97
3.6 Экспериментальные исследования теплофизических свойств газовых датчиков стр.103
Выводы стр.115
Глава 4 Полуавтоматический пороговый индикатор регистрации уровней концентрации токсичных газов в окружающей атмосфере
4.1 Термообработка и газовый отклик пленок Sn(>2 стр. 117
4.2 Назначение и принцип действия прибора стр. 121
4.3 Устройство порогового индикатора стр. 125
4.4 Порядок работы. стр. 126
Выводы стр. 127
Заключение стр.128
Список литературы стр. 130
- Физические свойства пленок металлооксидныхполупроводников, типа диоксида олова, оксида цинка и методы их получения
- Расчет конструкции газового датчика
- Анализ тепловых потерь кристалла газового датчика в статическом режиме
- Объекты и методика исследования распределениятемпературы по кристаллу газового сенсора
Введение к работе
Актуальность темы. Автоматизация промышленности, в особенности сложных и опасных технологических процессов, остро нуждается в средствах, позволяющих получить информацию о составе газовых сред. Подобные устройства должны обеспечивать выборочную реакцию на определенные компоненты среды, обладать высокой надежностью и воспроизводимостью результатов. Современное развитие научной мысли предоставляет множество способов и методик для реализации данной проблемы, поэтому, как правило, решающим и определяющим критерием выбора является объем затрат на создание и эксплуатацию необходимого оборудования. В случаях, когда требуется сверхточное измерение и контроль, например в опасных производствах или в условиях специализированных лабораторий, вопрос о стоимости и габаритах средств измерения не так актуален. Однако находится множество случаев, когда требуются миниатюрные, дешевые, простые в использовании и обслуживании системы, пригодные для использования в любых условиях, от систем кондиционирования воздуха внутри жилых помещений до систем безопасности на складах и хранилищах. Сенсорные элементы таких систем должны обладать максимально высокой чувствительностью, избирательностью, стабильностью свойств и технологичностью в производстве. В случае охранной и предупредительной сигнализации приборы также должны обладать миниатюрностью для скрытности и низким энергопотреблением для увеличения срока автономности. Наличие таких приборов, например датчиков утечки бытового газа, в каждом доме повышает безопасность и качество жизни.
Среди всего многообразия газовых сенсоров наиболее полно предъявленным требованиям удовлетворяют так называемые полупроводниковые сенсоры на основе широкозонных полупроводников, таких как ZnO, V20s, 1п2Оз, СоО, MgO, из которых БпОг (диоксид олова)
исторически наиболее популярен. Все перечисленные материалы обладают электронным типом проводимости при нормальных атмосферных условиях в рабочем диапазоне температур 300 — 500С.
Основы современной теории газовой чувствительности были заложены в работах А. Ф. Иоффе еще в 30-х годах 20-го века. Однако один из первых промышленно изготовленных газовых сенсоров был сконструирован и изготовлен японским ученым Taguchy в 60-х годах прошлого века. Конструкция этого типа сенсоров практически не изменилась с того времени, он представляет собой керамическую трубку, внутри которой проходит спираль нагревателя из платиновой проволоки, оба конца трубки обмотаны платиновой проволокой, образующей контакты к нанесенному на поверхность чувствительному слою. Главными недостатками данной конструкции в противовес простоте изготовления являются высокое энергопотребление, а также нетехнологичность в производстве.
Несмотря на то, что подобные изделия до сих пор изготавливаются и
находят применение, наиболее перспективными являются сенсоры,
изготовленные по микроэлектронной технологии. При этом за счет
применения стандартных, хорошо отработанных, высокотехнологичных
процессов может достигаться массовость, стабильность и
воспроизводимость параметров газовых датчиков (ГД), низкая себестоимость изделий. Производственный цикл состоит из последовательных процессов подготовки подложки, формирования нагревателя и контактов к чувствительному слою, формирования чувствительного слоя, стабилизационного отжига полученной структуры, монтажа в корпус и присоединения внешних выводов.
В качестве материала подложки обычно используются тонкие пластины из керамики, оксида алюминия, кремния и т.п. Главным требованием к такому материалу является низкая стоимость, технологичность, химическая инертность. Нагреватель чаще всего изготавливают путем нанесения тем или иным методом платины, поскольку
з она обладает достаточно высоким температурным коэффициентом сопротивления и химически инертна. Материалом для контактов к чувствительному слою может являться платина или золото.
Изготовление элементов конструкции из золота или платины сопряжено с определенными трудностями. Как правило, такие контакты многослойные, поэтому трудоемки в производстве, а также дорогостоящи из-за больших безвозвратных потерь драгоценных металлов.
Использование тонких пленок из альтернативных материалов для нагревателей и токосъемных контактов^, Ni, Ag, А1 и др.) ограничено из-за высоких рабочих температур ГД 300 - 500С или несоответствия требованиям к электрофизических параметрам. Работа датчика при высоких температурах и зависимость его параметров от равномерности распределения температуры определяют проблемы теплофизических характеристик кристалла датчика.
В этой связи вопросы оптимизации конструкции ГД, обеспечение стабильности электрических и механических свойств элементов, входящих в конструкцию ГД, к началу исследований в доступной литературе были освещены недостаточно полно, что создавало определенные трудности использования их в конкретной разработке.
Данная работа выполнялась по госбюджетной теме кафедры полупроводниковой электроники ВГТУ: ГБ - 2001 - 34 (изучение технологических и физических процессов в полупроводниковых структурах и приборах), а также в соответствии с программой гранта МО РФ ТО 2 — 02. - 3484 и НТП 207. 02.017 и 208.06. 01. 003.
Цель работы.. Разработка конструкции и технологии изготовления интегральных датчиков газов в микроэлектронном исполнении.. Для достижения поставленной цели в диссертации следовало решить следующие задачи: 1 .Разработать варианты конструкций кристалла датчика.
2.Разработать технологические маршруты изготовления кристаллов
датчиков газа.
іц 3.Исследовать возможности использования тонких пленок NiCr в качестве
нагревательных элементов и токосъемных контактов. 4.Разработать тепловую модель ГД, провести расчет и экспериментальные
исследования влияния взаимного расположения элементов конструкции
на распределение температуры по поверхности газочувствительного слоя. 5.Исследовать влияние методов монтажа кристаллов ГД в корпус на его
теплофизические параметры.
6.Разработать структурную схему, алгоритм программы измерений,
кЩ( электрическую схему полуавтоматического порогового устройства для
регистрации паров органических растворителей в воздухе. 7.Изготовить макетный образец датчика.
Научная новизна. 1.Разработана оригинальная топология кристалла ГД, обеспечивающая при
экономичном режиме энергопотребления перепад температуры по
поверхности газочувствительной области не более 3 — 5С. 2.Впервые исследована и экспериментально обоснована возможность
использования сплава нихром (NiCr) в качестве материала для
fa токосъемных контактов и нагревательных элементов вместо традиционно
используемой в производстве ГД дорогостоящей платины. 3.Разработают и экспериментально подтверждена тепловая модель ГД,
учитывающая тепловые свойства входящих в его конструкцию
материалов. Получено хорошее (не хуже 10%) совпадение расчетных и
полученных экспериментальным путем данных по распределению
температуры по поверхности кристалла ГД.
/ж 4.Впервые путем регистрации интенсивности ИК излучения с поверхности
кристалла ГД исследован характер распределения температуры по
поверхности кристаллов разработанных ГД. Экспериментально
подтверждена эффективность методов монтажа в корпус разработанных
кристаллов ГД.
іщ Практическая значимость
1 Технология и маршрут изготовления кристалла ГД, полностью совместим
с маршрутом серийного производства планарных транзисторов.
2.Разработанная конструкция ГД со специальным расположением
нагревателей и метод монтажа в корпус обеспечивают разброс температуры
по поверхности кристалла ГД не более 5С.
3 .Предложены способы монтажа кристалла ГД в корпус, позволяющие
снизить энергопотребление и обеспечить устойчивость конструкции к
і f, механическим нагрузкам.
4.Разработана электрическая схема, конструкция малогабаритного устройство со встроенным источником питания для автоматического измерения порогового значения концентрации различных газов. Изготовлен и испытан опытный образец.
Положения выносимые на защиту,
1.Топология и маршрут изготовления кристалла ГД, полностью
адаптированного к технологии серийного производства
полупроводниковых приборов на кремнии.
fft 2.Конструкция чувствительного элемента на основе БпОг с использованием
сплава из NiCr для создания нагревателя и токосъемных контактов ГД. З.Тешювая модель разработанных конструкций датчиков газов и результаты
расчетов тепловых потерь.
4.Экспериментальные данные по распределению тепла по поверхности
кристалла датчика в зависимости от конструкции и способа монтажа в
корпус.
( Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и
обсуждались на следующих конференциях и научно - технических
семинарах: Всероссийская научно - техническая конференция "Охрана и
безопасность"(Воронеж, 2001); Международная школ - семинар
6 "Нелинейные процессы в дизайне материалов"; 1 Всероссийская конференция "Физико - химические процессы в конденсированном состоянии и на межфазных границах "ФАГРАН 2002*' (Воронеж, 2002); IV Научно - техническая конференция "Электроника и информатика 2002" (МИЭТ г. Москва, 2002); научно - практическая конференция Союза металловедческих обществ России "Новые функциональные материалы и экология " (Москва, 2002); XV научно - техническая конференция с участием зарубежных специалистов (Москва 2003); Второй Международный симпозиум "Безопасность и экология водородного транспорта" IFSSEHT -2003 (Саров, 2003).
Публикации. По материалам исследований опубликовано 11 работ.
Личный вклад автора. В совместных работах автору принадлежит проведение и обработка результатов экспериментальных исследований, разработка конструкции газового сенсора, выполнение теоретических расчетов.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и приложения. Работа изложена на 138 страницах текста, включая 4 таблицы, 71 иллюстрацию и список использованной литературы из 95 наименований.
В первой главе рассмотрены существующие физико - химические представления о проводимости широкозонных оксидных полупроводников, используемых в качестве газочувствительных элементов в конструкциях ГС и способах их создания.
Проведен анализ современного состояния по вопросам конструирования и технологии производства, оптимизации теплофизических характеристик, влиянию режимов термостабилизационного отжига на электрические и механические свойства конструкции ГС (газового сенсора). По результатам анализа научно - технической и патентной литературы поставлена задача для исследований и разработок.
Вторая глава посвящена разработке и исследованию конструкции и
технологических процессов изготовления ГД.
g| В работе исследовано три конструкции ГД. Первая исследуемая
конструкция реализована на кристалле размером 2x3 мм. Разработано две новые конструкции ГД на кристалле размером 1x1 мм с изолирующим слоем SiCb, на поверхности которого методом магнетронного напыления последовательно сформированы, в зависимости от конструкции, один или два нагревательных меандра с R=3O-50 Ом, токосъемные контакты и газочувствительный слой БпОг,
Технология изготовления кристаллов таких сенсоров представляет
1М собой последовательность операций, используемых в производстве
микроэлектронных приборов с включением дополнительных операций по
формированию газочувствительного слоя на основе S11O2 и применение
метода взрывной фотолитографии для нанесения слоя БпОг.
Конструкции разработанных ГД отличаются тем, что в качестве материала для токосъемных контактов и нагревательного элемента вместо платины используется МСг (50/50%) сопротивлением R=60-90 Ом.
Пленка S11O2 сформирована методом реактивного магнетронного
напыления на установке «Оратория-5».После напыления осуществлялся
{щ стабилизационный отжиг при Т=500С на воздухе вт течении 300 минут. При
этом аморфная пленка Sn02 кристаллизовалась, доокислялась, что
контролировалось путем измерения сопротивления.
С целью повышения величины теплового сопротивления кристалл —
корпус, кристаллы перед приваркой выводов монтировались в корпус с
применением сублимационного или вспениваемого компаунда. Применение
вспениваемого компаунда позволяет обеспечить большую механическую
^ прочность соединения кристалл - корпус.
В качестве внутренних выводов от нагревателя и токосъемных контактов использовалась алюминиевая проволока АК-1 диаметром 30-80 мкм. Сварные соединения должны сохранять механическую прочность при
g воздействии высокой (до 500 С) температуры из-за специфических режимов работы ГД.
Технология изготовления газовых датчиков полностью адаптирована
под стандартные технологические процессы производства
полупроводниковых приборов и. ИС и в диссертации содержится технологический маршрут изготовления датчиков.
В третьей главе проведено исследование тепловых потоков по кристаллу газового сенсора.
При проведении анализа тепловых потоков возникающих при работе ГС необходимо учитывать большое количество различных факторов, которые можно разделить на зависящие от взаимного расположения тепловыделяющих и теплоотводящих элементов конструкции так и от теплофизических свойств материалов, входящих в конструкцию ГС. Кроме того важную роль в распределении тепла по кристаллу играет режим нагрева, который в зависимости от требований предъявляемых к аппаратуре может быть непрерывным или импульсным.
В качестве модели для анализа тепловых потоков использован ГС с воздушным зазором между кристаллом и корпусом. Рассматривается стационарный случай.
С учетом того, что отвод тепла от кристалла изолированного от теплоотвода воздушной прослойкой или слоем материала с низким коэффициентом теплопроводности осуществляется за счет излучения и конвекции с поверхности кристалла, а так же за счет теплопроводности проволочных выводов был оценен вклад каждой составляющей в отвод тепла от кристалла ГС.
Для анализа распределения температуры по кристаллу была использована тепловая модель отвода тепла от поверхности прямоугольного кристалла.
В экспериментальных исследованиях теплофизических характеристик ГД для получения объективных данных использовались кристаллы двух
принципиально различных топологий: в первом нагреватель проходил посередине кристалла между двумя одинаковыми чувствительными областями, охватывая из с трех сторон, размер кристалла 1x1 мм (Тип 1). Во втором случае имелось два нагревателя, расположенных по обеим сторонам чувствительной области, размер кристалла 1x1 мм (Тип 2). При проведении экспериментов использовались кристаллы датчиков двух типов -стандартной толщины 400 мкм и утонченные путем механической шлифовки до 120 мкм.
Для измерения температуры поверхности кристалла датчика бесконтактным способом был использован прибор для определения температуры микроскопических объектов по их инфракрасному излучению -ИК-микропирометр "ONEGA. Данный метод хорош тем, что не вносит возмущений в образующуюся картину распределения тепла, является неразрушающим и позволяет с высокой точностью определить температуру практически любой точки поверхности кристалла, так как в процессе измерения определяется излучательная способность в каждой точке образца.
Проблема теплоизоляции кристалла датчиков от корпуса была решена несколькими способами. Первый способ заключался в том, что монтаж кристалла в корпус осуществлялся таким образом, что после приварки выводов кристалл оставался в подвешенном состоянии на проволочных выводах, диаметр которых составлял 35 мкм, окруженный воздухом, и не имел контакта с корпусом. В другом случае для повышения механической прочности монтажа кристалл непосредственно крепился к корпусу при помощи компаунда, который после термообработки приобретал твердость и малую теплопроводность. Для определения уровня механической стойкости полученные датчики подвергались воздействию механического удара при свободном падении с разных высот на твердое покрытие.
Как показали эксперименты, основное влияние на величину мощности, требуемую для нагрева кристаллов до определенной температуры, вне зависимости от топологии, оказала толщина проволочных выводов, по
которым осуществлялась теплопередача от кристалла к корпусу. Применение теплопроводящего компаунда приводит к незначительному , ~15 % увеличению потребляемой мощности по сравнению с кристаллами, свободно висящими в воздухе и снижается с увеличением температуры кристалла.
Полученные данные подтверждают предположение, что основным путем теплопотерь вне зависимости от топологического строения кристалла и является теплопередача по металлическим проволочным выводам, так как именно толщина выводов оказала определяющее влияние на уровень рассеваемой мощности при прочих равных условиях.
Четвертая глава посвящена исследованию газового отклика пленок S11O2 и разработке конструкции порогового индикатора концентрации органических растворителей в окружающей атмосфере. Разработана блок — схема основного алгоритма измерителя, блок — схема анализатора газов, а так же электрическая схема измерителя концентрации. На основании исследований теплофизических параметров датчиков газов разработана временная диаграмма работы микроконтроллера.
Измеритель спроектирован на базе микроконтроллера SAB-C504, представляющего собой однократно программируемую 8-разрядную микро-ЭВМ с 8-канальным 10-разрядным АЦП. Управляющая программа заложена в ПЗУ микро - ЭВМ.
Изготовлен макетный образец и проверен на работоспособность с образцами датчиков, выполненных по микроэлектронной технологии.
Физические свойства пленок металлооксидных полупроводников, типа диоксида олова, оксида цинка и методы их получения
В настоящее время в качестве исходных материалов для полупроводниковых датчиков газов применяются главным образом металлооксидные полупроводники - диоксид олова и оксид цинка. Оба эти материала в своем чистом виде являются полупроводниками п-типа проводимости с шириной запрещенной зоны 3,2 эВ для ZnO и 3,54 эВ для SnOz /25,26/.
Оксид цинка - хорошо изученный широкозонный полупроводник п-типа. Центрами, ответственными за электропроводность ZnO, являются как межузельные атомы цинка, так и кислородные вакансии, общая концентрация которых варьируется в пределах 1016 -г 1019 см-3. Подвижность имеет гексагональную решетку типа ZnSe с периодами а = 0,3249 нм и с = 0,5206 нм /25/. В интервале рабочих температур газовых датчиков ф (2О0- -5О0С) кислородные вакансии SnC 2 являются центрами для хемосорбции атмосферного кислорода. Хемосорбированный на поверхности Sn02 кислород захватывает электроны с донорных уровней.
В результате этого на поверхности возникает потенциальный барьер Шоттки и под поверхностью формируется область положительного пространственного заряда (обедненный слой). Влияние хемосорбции на электрические свойства SnC 2 можно охарактеризовать двумя параметрами: эффективная толщина области истощения и высота барьера Шоттки. В 4) зависимости от структуры межзеренных контактов в Sn( 2 отмечают три возможных механизма электропроводности: механизм объемных ловушек, механизм поверхностных ловушек, перенос заряда через барьер Шоттки /26,29/..
Основные физические свойства наиболее употребляемых металлооксидных монокристаллических полупроводников диоксида олова и оксида цинка, близкие к свойствам поликристаллов, приведены в табл. 1.8/25/. Физические свойства поликристаллических пленок металлоксидных б полупроводников зависят от способа получения, различных параметровроста, наличия легирующей примеси, природы подложки, газа-носителя. Кроме того, отжиг, осуществляемый после получения пленок, также оказывает влияние на свойства пленок.
В качестве чувствительных элементов твердотельных датчиков газов обычно используются мелкодисперсные пленки оксидов металлов, например, ZnO, S11O2. Использование пленок диоксида олова предпочтительнее по сравнению с пленками оксида цинка из-за более низких температур синтезапленок БпОг, и меньших температур адсорбции и десорбции газов.
Пленки Sn02 широко используют не только в качестве активных слоев газовых сенсоров, но и в виде прозрачных омических контактов в солнечных элементах.
В числе основных методов получения тонких пленок SnC 2 можно указать вакуумное осаждение, химическое вакуумное разложение и осаждение металлоорганических соединений, разбрызгивание растворов, электролитическое осаждение ионов, методы пульверизации растворов, термическое вакуумное испарение порошков SnCb, процессы погружения подложек в жидкость и другие. Каждый метод имеет свои достоинства и недостатки. Свойства пленок значительно варьируются от одного способаполучения к другому.iff Среди многообразных методов получения пленок диоксида оловаможно выделить несколько методов, например, окисление на воздухе тонких металлических слоев, гидратирование спиртовых растворов хлоридов олова при высоких (более 300С) температурах и нанесение оксидных пленок методом вакуумного напыления (магнетронное, ионно-плазменное и другие виды напыления), которые ниже будут рассмотрены более подробно.
Суть этого метода заключается в том, что полупроводниковый слой наразличных подложках получают напылением олова в вакууме с # последующим его термическим окислением. Образование слоя диоксидаолова можно представить следующими основными реакциями,происходящими одновременно:
Образующийся на первой стадии оксид олова SnO представляет собой непрочное соединение и при температуре порядка 380 С диссоциирует наолово и диоксид олова, образуя на подложке слой SnOx с примесью Sn и Sn02.Испарение металлического олова производится в вакууме при давлении остаточных газов 1,3-10"4 Па. Режимы окисления слоя подбирают экспериментально /30/.В работе /31/ получение SnOx было выполнено с помощью нанесения пленки Sn (99,99 % чистоты) на пластины окисленного кремния споследующим отжигом при температуре 400 С в течение 5 часов на воздухе.
Пленки SnC 2 толщиной менее 0,2 мкм, получаемые окислением слоев металлического олова, обладают прозрачностью 85 -ь 90% из-за неполноты реакции окисления по толпщне образца, если окисление олова не ведется в процессе формирования пленки /32/. По данному методу получают рыхлые высокоомные слои SnC 2 с сопротивлением (1,5404 - 2,7404) Ом/П.
Достоинством этого метода может служить возможность совмещения термотренировки элементов датчика с процессами окисления пленки металла, недостатком является длительное время и высокая температура термообработки.
Наиболее широкое распространение из всех методов получения прозрачных электропроводящих слоев диоксида олова получил гидролиз растворов хлорных солей олова как метод наиболее удобный для массового изготовления слоев SnC 2. Гидролиз растворов хлорного олова путем обработки нагретых до температур 500 -5- 550 С подложек раствором SnCLrSFkO позволяет получить электропроводящие полупроводниковые слои S11O2. Реакция образования слоя диоксида олова идет по следующим основным уравнениям:
Процесс образования слоя протекает в течении нескольких секунд. Основным компонентом слоя является диоксид олова SnCb, кроме того в структуре слоя имеется оксид олова SnO и металлическое олово Sn в количестве 0,001 -г 0,01%. Химически чистая, без примесей пленка БпОг является диэлектриком. Нарушение стехиометрической структуры кристалла БпОг в виде присутствия фаз Sn и SnO вызывает появление электрической проводимости слоя.
Расчет конструкции газового датчика
Величину сопротивления при мощности рассеяния 1 Вт и максимальном токе 0,2 А находим из R=P/I = 25 Ом.
С учетом возможных технологических допусков по величине Rs, толщине и линейным размерам устанавливаем RHATP=50 ОМ/О.
Для получения заданного значения сопротивления нагревателя, толщина и значение Rs для платины должны быть: dpt =0.3 — 0.4 мкм и Rs = ОД- 0,5 ОМ/D, число "квадратов"" определяется как N = Rpt / Rs= 50/0,3 135. Для расчета площади поперечного сечения необходимо определить его ширину. Принимаем критическую плотность тока для платины 2 - 5 10б А/см . Тогда dpt =0,4 мкм, отсюда ширина нагревателя b = 20 мкм.
Для уменьшения площади кристалла нагреватель будет выполняться в виде меандра, общая длина которого L = (R/Rs) Ъ =2700 мкм.
Контактные площадки для приварки внутренних соединительных выводов из алюминиевой проволоки диаметром 35 — 60 мкм должны иметь длину не менее 150 мкм на сторону. Принимаем размер контактной площадки а х в=(150 х150)м км .
Равномерность нагрева газочувствительной области зависит от расположения нагревателя относительно этой области. При латеральном расположении нагревателей оптимальным можно считать случай, когда меандр располагается вдоль периметра газочувствительного слоя. Располагаем меандр таким образом, чтобы он охватывал каждую область датчика Тип 1 рис. 2.1. как минимум с трех сторон.
Размеры газочувствительной области устанавливаются с учетом линейных размеров нагревателя, контактных площадок и запаса на ширину линии резки кристалла. Линейные размеры токосъемных контактов выбираются исходя только из размеров кристалла, поскольку их суммарное сопротивление 1 Ом не может повлиять на результат измерения сопротивления газочувствительного слоя, сопротивление которого составляет величину 10 - 10 Ом. Для надежной воспроизводимости рисунка и обеспечения высокого процента выхода годных кристаллов принимаем длину токосъемного контакта L = 90 мкм, расстояние между ними I =10 мкм, количество — 8 шт. с каждой стороны. При заданных линейных размерах суммарное сопротивление контактов при параллельном включении составит величину 0,5 Ом. Таким образом, кристалл газового #i датчика, с учетом допусков и возможностей оборудования будет представлять собой квадрат со стороной 1x1 мм .
Соответственно для конструкции датчика с металлизацией на основе NiCr Тип 2 рис.2.1 имеем:
Сопротивление одного нагревателя RHATP = 50 Ом Толщина слоя СІМІСГ =0-25 - 0.3 мкм
Удельное поверхностное сопротивление RsNicr = 8—10 Ом/п Ширина нагревателя b = 50 мкм Ф Длина нагревателя L = 500 мкм С учетом симметричности расположения нагревателей, контактных площадок и их линейных размеров принимаем форму кристалла— прямоугольник со сторонами а = в = 950 мкм. Расстояние между токосъемными контактами принимаем 1 = 10 мкм. Длину токосъемных контактов из геометрических соображений выбираем равным 590 мкм. Суммарное сопротивление токосъемных контактов RKOHT = 8,3 Ом, что значительно меньше сопротивления газочувствительного слоя. По результатам расчетов разработаны топологии датчиков первого и второго {9t типа соответственно и изготовлены чертежи фотошаблонов контактов и окон для нанесения газочувствительного слоя. (см. Приложение 1,2) Щ В конструкциях современных газовых сенсоров на основе БпОг для создания токосъемных контактов к газочувствительному слою и нагревательных элементов используют драгоценные металлы, такие как Au,Pt,Pd и другие./ 87 / Эти материалы обладают такими неоспоримым достоинством как стабильность электрических характеристик при работе в диапазоне температур Т=200-700С и в атмосфере агрессивных ra30B(CO,H2S,NO и др.).Существенным их недостатком является их высокая стоимость из-за достаточно большого объема безвозвратных технологических потерь, а так же из-за проблем, связанных с обеспечением адгезии контактирующих материалов в системах Pt - S11O2, Au - Si02. Например для создания металлизированных тонкопленочных контактов на основе Pt или Au в технологии производства микроэлектронных приборов для обеспечения качественной адгезии используются многослойные тонкопленочные системы типа Si-Pti-Au ,в которой слой платины толщиной 0,01 мкм используется как адгезионный к Si или S1O2 + Ті - Pt. Дополнительные проблемы возникают при осуществлении селективного травления Pt для создания рисунка металлизации. При этом в качестве защитного слоя используется маска из тонкой пленки Ті, что в значительной степени усложняет технологию и ведет к увеличению трудоемкости, а следовательно стоимости изделий.
Одной из задач диссертационной работы является выбор альтернативного Pt и Au материала для использования в качестве нагревателя и контактной группы газового сенсора. Выбранный материал должен максимально вписываться в технологические возможности микроэлектронного производства. С этой целью был проведен сравнительный анализ свойств тонкопленочных конструктивных элементов, используемых в производстве мощных СВЧ транзисторов и ИС.
Из анализа данных, приведенных в таблице 2.2 можно сделать вывод, что наиболее подходящим материалом для токосъемных контактов и нагревательного элемента ГС при прочих равных условиях является NiCr, который к тому же обладает высокой технологичностью и адаптирован к стандартной технологии изготовления мощных СВЧ транзисторов и ИС.
Относительно высокое сопротивление NiCr не может служить серьезным препятствием при его применении, так как сопротивление газочувствительного слоя при измерении в 100-1000 раз выше. При использовании NiCr в конструкции датчиков газа как материала обычно несвойственного для токосъемных контактов и встроенного I А нагревателя, необходимо иметь данные об изменении его электрических 1 V параметров при длительной работе в условиях повышенной 300-500 С температуры. Поскольку электрофизические свойства зависят от многих факторов. В связи с тем, что электрофизические свойства тонких пленок могут существенно зависеть от технологии формирования /61/ то данные о тонких пленках, полученных с использованием конкретного оборудования и условий формирования, являются необходимыми для расчета параметров 4к нагревателей и проектирования измерительной схемы. На рис 2.2 и 2.3 представлены зависимости сопротивления резистивных элементов конструкции газового датчика, изготовленных из платины и нихрома.
Анализ тепловых потерь кристалла газового датчика в статическом режиме
В статическом режиме отвод тепла от кристалла кремния, свободно ,+s висящего на проволочных выводах осуществляется за счет излучения, конвекции, теплопроводности выводов и других элементов конструкции. Проведем оценку этих составляющих в диапазоне рабочих температур от 300 до 800 К. Процесс излучения описывается известным законом Стефана — Больцмана: На рис.3.3 (кривая 2) показана зависимость мощности излучения кристалла от температуры при Тс = 300 К. Видно, что при Т = 450 К Рюя =0.0025 Вт, а при Т = 800 К Р =0.0275 Вт. Кривая 1 соответствует излучению абсолютно черного тела с е= 1. Потери тепла из-за конвективного обмена сильно зависят от формы тела, его расстояния от стенок и ориентировки в пространстве. Поэтому для точного определения потерь тепла требуются экспериментальные исследования для конкретной конструкции. Для упрощенных оценок можно воспользоваться предложенным в [81] выражением (3.2) для потерь тепла в воздухе при нормальных условиях в единицу времени на единицу площади. Следует помнить, что эта формула упрощенная и не учитывает влияние стенок корпуса и ориентировки кристалла в пространстве. К тому же, у реального кристалла существует разброс значения температуры по площади. Если кристалл имеет достаточно большие линейные размеры (является "толстым"), то растекание теплового потока неизбежно приведет к появлению неравномерности нагрева. где: Тк - температура кристалла, К; Тс - температура окружающей среды, К. Критерием для того, является кристалл кремния "толстым" или "тонким", является безразмерный критерий Био, представляющий собой отношение внутреннего температурного сопротивления к внешнему (82): h=0.4 см — максимальная толщина кристалла кремния, k =0.4-r 1.3 Вт/(см-К) - коэффициент теплопроводности кремния. В данном случае Ві=(2.7-г8.9)-10"5«0.2, и кристалл можно считать тонким, т.е. считать его температуру во всех его точках одинаковой. На рис. 3.3 кривая 3 показывает температурную зависимость потерь тепла за счет конвекции (Тс =300 К). Видно, что при 423 К эта величина равна потерям от излучения (Рконв =0.0025 Вт), а при 773 К она составляет РКОНв = 0.0125 В.
Как показывают оценки, величина теплового сопротивления выводов является определяющей в тепловых потерях, так как потери тепла на излучение и конвекцию малы по сравнению с полной мощностью, рассеиваемой кристаллом. Тепловое сопротивление выводов можно оценить по формуле:
Если для алюминиевых выводов тепловое сопротивление сравнительно легко определить по данной формуле, то для коваровых ножек эта задача сложнее, так как они проходят через толщу стекла корпуса, и часть тепла уходит в корпус. В первом приближении можно пренебречь этой передачей тепла в связи с низкой теплопроводностью стекла и принять длину коваровых выводов равной 10 мм. Полное тепловое сопротивление выводов равно сумме сопротивлений алюминиевых проволочек и коваровых выводов. При длине алюминиевых выводов 3,5 мм тепловое сопротивление составило RTAI=1,4-104 К/Вт (диаметр 35 мкм) RTAI=1,33-103 К/Вт (диаметр 60 мкм) и 4.78-102 К/Вт (диаметр 100 мкм). Тепловое сопротивление выводов из ковара равно 8.27-102 К/Вт. Видно, что тепловые сопротивления алюминия и ковара сравнимы по величине. Длинные коваровые выводы приводят к долгому нагреву кристалла и большому времени установления теплового режима. Поэтому для получения быстродействующего датчика нужно использовать корпус с медными короткими выводами. Тогда менее всего контролируемый этап функционирования датчика - рассеивание тепла после завершения измерения будет протекать быстрее. Эта фаза процесса функционирования лимитируется практически исключительно конструкцией, в то время как процессом нагрева в некоторой степени можно управлять величиной подводимой мощности. В то же время алюминиевые выводы должны быть как можно более тонкими, насколько это не противоречит критериям механической прочности. На рис. 3.7 показана температурная зависимость отводимой через выводы мощности для алюминия диаметром 35 мкм, 80 мкм и 100 мкм длиной 3.5 мм при наличии ковара (диаметр ковара 0,45 мм). Видно, что как при температуре измерения, так и при температуре десорбции мощность, отводимая через выводы, значительно превышает суммарную мощность конвекции и излучения ( 93% и 80% от полной мощности потерь). Для анализа распределения температуры может быть использована тепловая модель кристалла кремния изображенная на рис. 3.11. Из-за симметрии задачи достаточно рассмотреть четверть кристалла. Предполагается, что нагреватель представляет собой тепловыделяющий прямоугольник с координатами xt и yt на верхней поверхности кристалла кремния с размерами хк, ук, zK. Плотность поступающей мощности в данном случае считается постоянной. Отвод тепла осуществляется только через прямоугольные выводы с координатами xi yi 0 и х2 уг 0, на других поверхностях теплоотдачей можно пренебречь. С указанными допущениями трехмерное стационарное уравнение теплопроводности в кремнии имеет вид: сеток на семиточечном шаблоне. При этом размеры тепловыделяющей области равнялись 250x250 мкм , а контакт находился на поверхности с координатами 300 мкм х 400 мкм, 300 мкм у 400мкм. Этот метод описан во многих учебниках по численным методам (83) и реализуем с применением современных вычислительных средств. Для решения уравнения теплопроводности (1) область кристалла кремния разбивалась сеткой с одинаковым шагом h по осям x,y,z. В результате получалась совокупность точек с соответствующими индексами і j,k, температура в которых Tyjc. Значения индексов по осям меняются в пределах от 0 до nxk, nyk, nzk соответственно и приведены на рис. 3.15 Для совокупности внутренних точек первые и вторые производные по температуре приближенно заменялись
Объекты и методика исследования распределениятемпературы по кристаллу газового сенсора
Из-за сложности конструкции датчика точное определение кривых нагрева - остывания можно осуществить для заданных внешних условий только экспериментально. Однако если рассматривать систему, включающую только кристалл и проволочные выводы, можно оценить время установления температуры.
Так как линейные размеры кристалла много меньше длины алюминиевых выводов, можно ожидать, что полное время нагрева будет состоять из времени нагрева кристалла за счет его теплоемкости и времени распространения тепла через выводы. Оценим время нагрева кристалла до Ч 4 рабочей температуры в режиме измерения тк:
Аналогично можно определить время нагрева до температуры десорбции 500 С. Как можно определить из (3.24), оно будет таким же, если подавать мощность в 3,3 раза больше.
Если предположить, что алюминиевые выводы приварены к идеальному теплоотводу, то можно воспользоваться выражениями для температуры стержня длины L /80/:
Безразмерный параметр 0 в данной задаче представляет собой отношение приращения температуры в данной точке в данный момент времени к приращению средней температуры тела в момент времени, равный "
С помощью этих выражений были рассчитаны кривые нагревания алюминиевых проволок различной длины 1=3; 5;10 мм. Эти кривые приведены на рис. 6.
Из приведенных расчетов видно, что время нагрева кристалла с данными размерами достаточно велико. Для уменьшения этого времени необходимо уменьшать массу кристалла, например, путем уменьшения его линейных размеров за счет оптимизации конструкции или уменьшения толщины кристалла. Далее, время нагрева проволочек оказывается сравнимым со временем нагрева кристалла за счет его теплоемкости, причем при длине проволочных выводов 3 мм определяющим является нагрев за счет теплоемкости, а при длине 10 мм полное время определяется проволочными w (V выводами (рис. 6). Следует отметить, что время нагрева кристалла до нужной температуры зависит от величины греющей мощности, в то время как время нагрева выводов определяется их длиной, поэтому длина выводов должна быть как можно меньше.
Итак, с одной стороны, для уменьшения потребляемой мощности нужны выводы с высоким тепловым сопротивлением. С другой стороны, для более быстрого нагрева кристалла до стационарной температуры эти выводы должны быть короткими. Длину внутренних алюминиевых проволочных выводов уменьшить трудно, поэтому желательно укорачивать внешние выводы и использовать для них материал с высокой температуропроводностью, а снижение теплового сопротивления компенсировать уменьшением толщины внутренних проволочных выводов. 3.5. Объекты и методика исследования распределения температуры про кристаллу газового сенсора
В полупроводниковых сенсорах потребляемая энергия расходуется на нагрев газочувствительного элемента до определенной для каждого конкретного газа рабочей температуры. При этой температуре измерение сопротивления газочувствительного слоя с максимально эффективно. Энергия также расходуется и на проведение цикла регенерации: нагрева чувствительного элемента сенсора до 400-500С для удаления с поверхности адсорбированных газов и восстановления исходной чувствительности. Затраты энергии на нагрев структуры определяют энергопотребление датчика и могут достигать нескольких ватт при непрерывном режиме работы. Более экономичен режим импульсного нагрева, который к тому же позволяет получать дополнительную информацию об изменении состава окружающей атмосферы по характеру временной зависимости сопротивления датчика при выключении питания.Рис. 3.31 Топология газового сенсора (Тип 3):1 - меандры нагревателя / термосопротивления, 2 - встречно-штыревые электроды, 3 газочувствительная пленка S11O2, 4 - окна в слое SnC 2 для приварки проволочных выводов, (масштаб ї:20) Типовая конструкция ГС представляет собой прямоугольный кристалл термически окисленного кремния (рис.3.31). На кристалле сформирован
ОЦ газочувствительный слой SnQ2 (3) на который нанесены металлические тонкопленочные области (1), которые могут выступать в роли нагревателя или термосопротивления, и встречно - штыревые электроды в виде гребенок (2), к контактным площадкам (4) привариваются проволочные выводы. Как видно из рисунка, нагреватель и чувствительный элемент находятся в одной плоскости и пространственно разнесены. Вследствии этого может наблюдаться градиент температуры, который приводит к ошибке измерения сопротивления, так как не вся площадь газочувствительного слоя находится f в оптимальных температурных условиях.
Для изготовления ГС использовались стандартные для современного полупроводникового производства технологические процессы. /75,76,84/ Проблема теплоизоляции кристалла датчика от корпуса была решена таким образом, что после приварки выводов кристалл остается в подвешенном виде на проволочных выводах. Этим обеспечивается теплоизоляция кристалла от корпуса и снижение мощности, расходуемое для его нагрева до рабочих температур. С целью повышения устойчивости к механическим воздействиям кристалл наклеивался на вспенивающийся компаунд с А последующим нагревом до 250С. Распределение температуры исследовалось при статическом и импульсном режимах нагрева. Для разогрева датчика в стационарном режиме использовался блок питания Б5-21, для импульсного разогрева использовался генератор импульсов калиброванной амплитуды Г5-53, вырабатывающий импульсы различной длительности. В ходе исследований были использованы импульсы длительностью от 4-10" до 8-Ю"4 с, период следования составлял 1-Ю"3 с. м) Для измерения температуры поверхности кристалла датчика бесконтактным способом был использован прибор для определения температуры микроскопичесческих объектов по их инфракрасному излучению — ИК - микропирометр 14 КИ1 -001.Функциональная схема, иллюстрирующая работу микропирометра, представлена на рис.3.32.
Пирометр воспринимает излучение объекта и преобразует его в электрический сигнал, который может быть зарегистрирован с помощью осцилографа или аналого - цифрового преобразователя (АЦП).
Напряжение электрического сигнала, в вольтах, пропорционально плотности энергетической яркости и в соответствии с законом Планка определяется по формуле:
