Содержание к диссертации
Введение
1 Современные типы изделий микросистемной техники и интегральные технологии, применяемые при их создании
1.1 Основные современные типы изделий микросистемной техники
1.2 Базовые технологии создания микросистем и используемые материалы
1.2.1 Технология объемной микрообработки кремния 24
1.2.2 Технология поверхностной микрообработки 26
1.2.3 Технологии микроформовки 26
1.2.4 Перспективные микросистемные технологии и материалы
1.3 Термомикросистемы 31
1.3.1 Термоанемометрические преобразователи 31
1.3.2 Чувствительные элементы датчиков состава газа на основе полупроводящих пленок оксидов металлов
1.3.3 Неохлаждаемые микроболометрические преобразователи
1.4 Особенности конструкций термомикросистем 46
1.5 Перспективы создания многофункциональных интегрированных систем на основе термомикросистем
1.6 Выводы 52
2 Разработка физических моделей и моделирование конструктивных узлов термомикросистем
2.1 Физическая модель трехэлементного термоанемометрического преобразователя
2.1.1 Уравнение теплопроводности для трехэлементного термоанемометрического преобразователя
2.1.2 Стационарное решение уравнения теплопроводности
для трехэлементного термоанемометрического преоб- 60 разователя и его исследование
2.1.3 Исследование выражения для расчета чувствительности трехэлементного термоанемометрического преоб- 64 разователя
2.1.4 Чувствительность трехэлементного термоанемометрического преобразователя в приближении малых скоро- 67 стей
2.1.5 Чувствительность трехэлементного термоанемометрического преобразователя в приближении больших ско- 68 ростей
2.2 Моделирование распределения температуры в интегральной структуре с расположенным на диэлектрической мембране 70
тонкопленочным нагревателем 81
2.3 Выводы 80
Разработка конструктивно-технологического базиса для термомик росистем на основе диэлектрической мембраны 82
3.1 Элементы конструкций термомикросистем на основе диэлек трической мембраны
3.1.1 Конструкции чувствительных элементов термомикросистем
3.1.2 Конструкции нагревательных элементов термомикросистем
3.2 Конструкции термомикросистем 90
3.2.1 Конструкции трехэлементного термоанемометриче ского преобразователя
3.2.2 Конструкция преобразователя датчика взрывоопасных газов на основе полупроводящих пленок оксидов ме- 93 таллов
3.2.3 Конструкции неохлаждаемых микроболометрических преобразователей
3.3 Технология изготовления термомикросистем на основе диэлектрической мембраны
3.3.1 Особенности создания диэлектрических мембран для термомикросистем
3.3.2 Технология изготовления термочувствительных и нагревательных элементов
3.3.3 Вспомогательные элементы термомикросистем и технология их изготовления
3.4 Выводы 119
4 Экспериментальные исследования характеристик термомикросистем 121
4 Л Исследование экспериментальных образцов термоанемомет-рического преобразователя
4.1.1 Методика нахождения коэффициентов физической модели трехэлементного термоанемометрического преобразователя
4.1.2 Экспериментальное исследование чувствительности термоанемометрического преобразователя
4.2 Исследование экспериментальных образцов преобразователей датчика взрывоопасных газов
4.3 Исследование экспериментальных образцов неохлаждаемых микроболометрических преобразователей
4.4 Выводы 143
Заключение 145
Список использованных источников
- Базовые технологии создания микросистем и используемые материалы
- Уравнение теплопроводности для трехэлементного термоанемометрического преобразователя
- Конструкции чувствительных элементов термомикросистем
- Исследование экспериментальных образцов преобразователей датчика взрывоопасных газов
Введение к работе
В настоящее время для совершенствования современных систем безопасности и систем контроля окружающей среды требуется портативная, малогабаритная и многофункциональная аппаратура [1-2]. Для создания такой аналитической и исследовательской аппаратуры необходима разработка мал о потребляющих миниатюрных преобразователей различных физических величин. Это соответствует общей тенденции развития микроэлектроники и микросистем - микроминиатюризации, заключающейся в уменьшении габаритных размеров, потребляемой электрической мощности и себестоимости производства [3]. Разработка портативных устройств, представляющих собой интегрированные системы на основе преобразователей различных физических величин, обеспечивает создание всепроникающей информационно-интеллектуальной среды, в которой живет человек [4].
АКТУАЛЬНОСТЬ
Важным фактором обеспечения безопасности жизнедеятельности человека является точный контроль параметров окружающего воздуха. Перспективной элементной базой устройств контроля параметров газовой среды являются интегральные термоэлементы, изготовленные по микросистемной технологии. С начала 90-х годов XX века уже создан достаточно широкий набор компактных высокочувствительных преобразователей различных параметров газовой среды. Мировая практика создания высокочувствительных датчиков направлена на интеграцию чувствительного элемента со схемами усиления и нормирования сигнала. Однако, существующие конструктивно-технологические решения для выпускаемых преобразователей имеют ряд ограничений, возникающих при интеграции с электронными вычислительными схемами на одном кристалле. Эти ограничения связаны с конструкцией преобразователя, материалом чувствительного элемента и технологией его формирования. Поэтому усилия многих научных коллективов направлены на разработку перспективных конструктивно-технологических базисов термоэлементов, позволяющих создавать интегрированные портативные многофункциональные микросистемы.
В рассматриваемых иптеїральньїх микроустройствах происходит либо преобразование тепловой энергии в электрический сигнал, либо в состав микроустройств включен нагревательный элемент для создания заданного распределения температуры. Следует отметить, задаваемые значения температуры в локальных областях превосходят температуру подложки или корпуса на десятки-сотни і"раду-сов Цельсия. Такие микросистемы называются термомикросистемами. В качестве примеров термомикросистем в настоящей работе подробно рассматриваются тер-моанемометрические преобразователи, чувствительные элементы датчиков состава газа на основе полупроводящих пленок оксидов металлов и преобразователи инфракрасного излучения (неохлаждаемые микроболометры).
ЦЕЛЬ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ - создание и исследование конструктивно-технологического базиса для термомикросистем, обладающих высокой чувствительностью, низкой потребляемой мощностью, малыми габаритными размерами, массой и временем срабатывания.
Основные ЗАДАЧИ, которые нужно решить для достижения цели:
1) Провести анализ состояния и тенденций развития микросистемной техники, в частности, термомикросистем и технологий их изготовления;
2) Выявить основные закономерности конструирования термомикросистем с высокой чувствительностью, низкой потребляемой мощностью, малым временем срабатывания;
3) Определить принципы создания реализуемого в производстве кремниевых ИС конструктивно-топологического и структурно-технологического базиса для термомикросистем;
4) Разработать и исследовать конструктивно-технологический базис для создания термомикросистем на примере экспериментальных конструкций чувствительных элементов термоанемометрических преобразователей, датчиков взрывоопасных газов и неохлаждаемых микроболометров. НАУЧНАЯ НОВИЗНА результатов, полученных в настоящей работе, заключается в следующем:
1. Разработана физическая модель трехэлементного термоанемометриче-ского преобразователя, позволяющая рассчитывать уровень выходного сигнала в зависимости от конструктивных параметров и свойств материалов.
2. Разработаны методики экспериментального определения коэффициентов физической модели трехэлементного термоанемометрического преобразователя.
3. Разработан принцип построения интегральных чувствительных элементов термомикросистем, заключающийся в комплексной реализации следующих требований:
1) термочувствительные элементы должны формироваться на основе тонкой пленки материала, обладающего высоким ТКС (более 0,3 %/°С);
2) теплоизоляция интегрального термоэлемента от подложки должна осуществляться с помощью диэлектрической мембраны и воздушного зазора;
3) диэлектрическая мембрана не должна быть деформированной, с внутренними механическими напряжениями близкими к нулю;
4) термочувствительный материал должен быть защищен от воздействия внешней среды;
5) технология формирования микромостиков и диэлектрических мембран, основанная на операции травления «жертвенных» областей кремния, должна обладать селективностью к используемым диэлектрическим и металлическим пленкам.
4. С помощью разработанной модели интегрального трехэлементного тер моанемометрического преобразователя показана нелинейная зависимость выходного сигнала от скорости потока, что подтверждено экспериментальными данными.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ результатов, полученных в процессе работы над диссертацией:
1. Разработанная физическая модель трехэлементного термоанемометри-ческого преобразователя позволяет проводить оптимизацию конструкции устройства с целью достижения высокой чувствительности в заданном диапазоне скоростей потока газа.
2. Разработан новый оригинальный конструктивно-технологический базис чувствительных, нагревательных и вспомогательных элементов для создания интегральных термомикросистем, основанный на технологических процессах, применяемых в производстве ИС.
3. Разработаны технологические процессы создания кристаллов преобразователя датчика взрывоопасных газов, преобразователя измерителя расхода газа и неохлаждаемого микроболометрического преобразователя.
4. Разработана технология формирования тонкой металлоксидной полупроводящей пленки, обладающей ТКС 1,5- -3,0 %/°С.
5. Установленные экспериментальные зависимости уровня выходного сигнала от скорости потока газа могут быть использованы для дальнейших исследований и оптимизации интегральных термоанемометрических преобразователей.
РЕАЛИЗАЦИЯ результатов диссертации заключается в использовании разработанных конструкций и технологий изготовления термомикросистем в ГУ НПК «Технологический центр» МИЭТ в рамках НИР:
1. Неохлаждаемый микроболометр [Текст]: Отчет о НИР (заключительный) / ГУ НПК «Технологический центр» МИЭТ; Научный руководитель Галушков А.И.; Исполн.: Поломошнов С.А. [и др.] - Лозунг-3; № ГР 01200116620; Инв. № 02200404764. - М., ВНТИ Центр, 2003. - 87 с.
2. Микротермоанемометр [Текст]: Отчет о НИР (заключительный) / ГУ НПК «Технологический центр» МИЭТ; Научный руководитель Амеличев В.В.; Отв. исполн.: Поломопшов С.А. - Лозунг-4; № ГР 01200211150; Инв. № 02200403232. - М., ВНТИ Центр, 2004. - 65 с. 3. Разработка высокочувствительной термоанемометрической микро-системы прецизионного измерения расхода газовых потоков [Текст]: Отчет о НИР (заключительный)/ ГУ НПК «Технологический центр» МИЭТ; Научный руководитель Амсличев В.В.; Отв. исполн.: Поломошнов С.Л. - Листопад- № ГР 01200407292; Инв. № 02200501739. - М., ВНТИ Центр, 2004. -57 с.
4. Разработка технологии производства микромеханических элементов для микросистемной техники по кремниевой технологии [Текст]: Отчет о НИР (заключительный) / ГУ НПК «Технологический центр» МИЭТ; Научный руководитель Шелепин Н.А.; исполн.: Поломошнов С.А. [и др.] — Мик-рос; № ГР У8564; Инв. № Г41450. -М., ВИМИ, 2004. - 188 с.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ и РЕАЛИЗАЦИЯ проведенных исследований подтверждены актом об использовании результатов диссертационной работы.
АПРОБАЦИЯ результатов диссертации.
Основные положения и результаты диссертационной работы представлены докладами па конференциях: IV-ой Международной научно-технической конференции «Электроника и информатика - XXI век» (Москва, Зеленоград, ноябрь 2002г.) [5]; Десятой Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2003» (Москва, Зеленоград, апрель 2003г.) [б]; Одиннадцатой Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2004» (Москва, Зеленоград, апрель 2004г.) [7]; XVI-ой Научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления» (Крым, май 2004г.) [8]; девятой Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники» (Дивноморское, сентябрь 2004г.) [9]; 12-ой Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика — 2005» (Зеленоград, апрель 2005г.) [10]; Международной научно-технической конференции «Датчики и системы - 2005 (ДиС-2005)» (Пенза, июнь 2005г.) [11-14]; V-ой Международной научно-технической конференции «Электроника и информатика -2005» (Москва, Зеленоград, ноябрь 2005г.) [15-16]. Также по материалам диссертации был представлен доклад в рамках XIII Международной студенческой школы-семинара «Новые информационные технологии» (Крым, май 2005г.) [17].
ПУБЛРІКАЦИИ. По материалам диссертации подготовлено 30 работ, включая 3 статьи [18-20], 22 доклада на различных научно-технических конференциях [5-17, 21-29], 5 отчетов по НИР, финансируемых РФ [30-34].
НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ:
1. Физическая модель трехэлементного термоанемометрического преобразователя, определяющая влияние конструктивных параметров и свойств используемых тонкопленочных материалов на зависимость выходного сигнала от скорости газового потока. Физическая модель позволяет оптимизировать конструкцию интегрального термоанемометрического преобразователя.
2. Методика экспериментального определения коэффициентов физической модели трехэлементного термоанемометра.
3. Результаты оптимизации базовой конструкции трехэлементного термоанемометра, полученные с помощью физической модели для различных диапазонов скоростей потоков.
4. Новый конструктивно-технологический базис для создания термомикросистем с улучшенными техническими показателями (высокой чувствительностью, низкой потребляемой мощностью, малыми габаритными размерами, массой и временем срабатывания).
5. Способ формирования тонкой полупроводящей пленки с ТКС 1,5-3,0 %/°С.
6. Результаты теоретических и экспериментальных исследований разработанных термомикросистем, позволяющие сформулировать следующие заключения: а) разработанный конструктивно-технологический базис позволяет изготавливать различные элементы высокочувствительных, малопотребляющих (менее 70 мВт) термомикро систем, обладающих малым временем срабатывания (от 1 с до 0,5 мс);
б) в области больших скоростей потока в интегральных термоанемометрических преобразователях наблюдается ха рактерная нелинейная зависимость выходного сигнала от расхода газа, что является нарушением закона Кинга для термоанемометрических расходомеров;
в) возможно повышение жесткости диэлектрической мембраны за счет введения в ее состав пленки поликремния без ухудшения характеристик прибора.
ОБЪЕМ и СТРУКТУРА ДИССЕРТАЦИИ:
Диссертация состоит из следующих структурных элементов: титульного листа, содержания, списка обозначений и сокращений, введения, четырех глав с выводами, заключения, списка использованной литературы из 169 наименования. Содержание диссертации изложено на 162 страницах, включая 65 рисунков и 8 таблиц.
Базовые технологии создания микросистем и используемые материалы
Компания Cavendish Kinetics (США) [71] предложила один из перспективных типов энергонезависимых запоминающих устройств с произвольной выборкой или ОЗУ (оперативных запоминающих устройств). Он представляет собой на интеграцию стандартных элементов КМОП ИС с элементами МЭМС. Память Cavendish Kinetics может выпускаться в двух вариантах - с однократной записью и с возможностью перезаписи. Как полагает компания, ее технология, названная Nanomech, обладает наименее низким энергопотреблением среди встраиваемых типов памяти, а скорость работы этой технологии сравнима со скоростью работы флэш-памяти. Запоминающая ячейка представляет собой проводящую (металлическую) пластину (микроактюатор), закрепленную над контактом. Если между контактным электродом и пластиной создать разность потенциалов, она изогнется и коснется контакта, в результате чего электрическое сопротивление упадет практически до нуля. Что любопытно, этот эффект обладает гистерезисом, так как после касания пластинки контакта происходит «залипание» - для разрыва контакта необходима дополнительная энергия. Таким образом, создается память типа ПЗУ, в которую что-либо записать можно лишь однажды. Для перезаписи над пластинкой достаточно поставить дополнительный электрод, контакт к которому после приложения потенциала прерывается. Действующие прототипы были изготовлены по технологии КМОП с проектной нормой 0,35 мкм, однако специалисты компании Cavendish Kinetics уверяют, что такие ячейки памяти можно получать при соблюдении проектной нормы 45 нм. К преимуществам нового типа памяти следует отнести также то, что ток в режиме ожидания отсутствует, а для обеспечения записи затраты механической энергии составляют всего 25 пкДж. Устройство остается работоспособным даже при 200 С, при этом количество циклов записи-перезаписи может достигать 20 млн [71-72].
Микродеталь - это сборочный элемент или составная часть микромашины или устройства строго заданной формы, имеющая размеры до 1 мм воспроизведенные с точностью от десятков до единиц микрометра. В более широком смысле, микродеталь может являться и частью макроустройства: например, лезвие режуще го инструмента. Следует заметить, что в отличие от тонкой пленки, микродеталь является трехмерной функциональной микроструктурой.
В настоящее время микродетали изготавливаются из материалов, для которых применима и разработана технология микрообработки. Примером такой микрообработки может служить микроформовка, реализуемая в технологии LIGA и ей подобных (см. раздел 1.2.3). Относительно дальнейших перспектив МСТ на конференции Института инженеров по электротехнике и электронике IEEE (февраль 2005 года) прозвучало интересное высказывание одного швейцарского ученого о том, что готовится замена всех прецизионных стальных шестеренок на аналоги, изготовленные по микросистемным технологиям [73].
На сегодняшний день уже достаточно много изделия, состоящие из микродеталей: паровой микродвигатель, миниатюрные летательные аппараты. Широко известен американский миниатюрный летательный аппарат, получивший название Black Widow (Чёрная вдова) и имеющий уникальные параметры: вес - 80 г; размах крыльев - 15 см; высота полета - 230 м; скорость 70 км/час; время полёта — 30 мин; радиус действия - 1,8 км; КПД двигателя — 82%; две видеокамеры весом 2 г; передача изображений на 2 км [74-75].
В качестве примеров перспективных разработок в области МСТ рассматриваются портативные тепловые генераторы электропитания и топливные элементы, которые предназначаются для использования в портативных электронных приборах будущих поколений (CD проигрывателях, цифровых камерах, персональных цифровых секретари) и работающие по принципу тепловых электростанций [73, 76]. На конференции IEEE, проводимой в феврале 2005 года в г. Майами Бич (США), по этой теме было представлено более 200 докладов [76]. Миниатюрные источники электропитания представляют собой совокупность многих достижений в области МСТ и технологий МСТ. На фирме Toshiba (США) изготовлен топливный элемент с непосредственным использованием в качестве горючего топлива метанола (рисунок 2). Вмещаемая емкостью топливного элемента составляет 140 см , выходная мощностью 1 Вт в течение 20 часов работы. Для поддержания потребляемой мощности и сохранения миниатюрных размеров устройства был разработан микронасос для подкачки газов и жидкостей. В конструкции используется полимерный мембранный электролитический узел с катодом и анодом. Каждый элек трод имеет каталитический слой и газодиффузионный слой. Размеры устройства примерно соответствуют габаритам среднего сотового телефона.
Результатом совместной разработки специалистов Технологических институтов штатов Массачусетс и Джорджия являются силовые генераторы электропитания, представляющего собой микроэлектромеханическую структуру с использованием постоянного магнита (рисунок 3). Все генераторы являются трехфазными, синхронными машинами, состоящие из многополюсного статора с поверхностной намоткой и ротора на постоянном магните. Микромеханические витки переменной ширины с малыми зазорами между проводниками являются ключевыми элементами, обеспечивающими высокую вырабатываемую мощность. При скорости вращения 120000 оборотов в минуту генератор выдает 2,6 Вт электроэнергии. Связанный с трансформатором и выпрямителем генератор обеспечивает мощность на постоянном токе 1,1 Вт на резистивной нагрузке. Разработчики полагают, что такого рода МЭМС генераторы могут обеспечить мощность от 10 до 100 Вт. Такие электрические генераторы могут приводиться в действие различными первичными источниками, включая поток жидкости, сжатый газ или небольшие двигатели внутреннего сгорания, например, газовые турбины микронных размеров.
Уравнение теплопроводности для трехэлементного термоанемометрического преобразователя
В патенте США [106] представлена конструкция термоанемометра, выполненная на основе кремниевой твердотельной квадратной рамки, наклеенной на стекло. Грани рамки служат терморезисторами, а угловые части имеют специальную форму, позволяющую провести монтаж рамки на стеклянное основание. Форма рамки обеспечивает соединение терморезисторов в мостовую схему.
Усовершенствованием подобной конструкции термоанемометра является выполненная в виде одного кристалла кремния структура, где терморезисторы являются частями кремниевой мембраны, имеющей определенно заданный профиль [107]. Контакты к кремниевым терморезисторам и металлические проводники к ним располагаются также на мембране. Запатентованный способ изготовления данной структуры основан на технологических операциях микроэлектропного производства с применением анизотропного травления кремния [108]. Однако, согласно рассмотренным на рисунке 8 вариантов термоанемометров, конструкции [106, 107] работают по принципу одноэлементного или двухэлементного термоанемометра. Структуры термоанемометров в указанных патентах [106, 107] чувствительны к механическим нагрузкам, которые существенно ограничивают диапазон рабочих температур и, следовательно, чувствительность преобразователя, а при значительных нагрузках подобные приборы применять для измерений скорости потока газа и жидкостей нельзя. В патенте [109] запатентована структура кремниевого микроанемометра, который может использоваться для измерений при значительных механических нагрузках. В этой конструкции, выполненной на основе двух соединенных кремниевых кристаллов, термоэлемент на основе пленки меди размещается на сплошной диэлектрической мембране. Во втором кристалле формируются отверстия для подачи жидкости или газа.
В патенте [110] представлена конструкция термоанемомертрического преобразователя на диэлектрической мембране. Все межсоединения в мостовой схеме терморезисторов выполнены в составе кристалла благодаря оригинальной топологии слоя металла. Однако, недостатком патента являются распределения температур в структуре, используемы для пояснения принципа работы преобразователя. Эти распределения основаны на эмпирических выводах и не подтверждены теоретическими выкладками, что не позволяет их использовать для оптимизации конструкции преобразователя. Специалистами ФГУП «НИИ физических проблем имени Ф.В. Лукина» (г. Москва, Зеленоград) разработан и изготовлен ТЭТАП для датчика расхода газа [111]. Чувствительные платиновые терморезисторы и поликремниевый нагреватель расположены на диэлектрической мембране.
Обеспечение высокой чувствительности резистивных преобразователей достигается объединением элементов в мостовую схему [112, 113]. В конструкциях ТЭТАП [111] коммутация элементов осуществляется путем закорачивания необходимых внешних контактных площадок, что неизбежно вносит дополнительный разбаланс мостовой схемы. Для исключения разбаланса мостовой схемы, вносимого при формировании межсоединений в процессе сварки, необходимо применять интегральные методы с использованием второго металлического слоя.
Из рассмотренной литературы [92, 93, 114] следует, что в настоящее время достаточно полно разработана теория одноэлементного термоанемометра. В нём функции нагрева струи газа (или жидкости) и измерения температуры совмещаются в одном и том же элементе.
В работах [115-117] представлен разработанный темоанемометрический преобразователь на мембране на основе парилена (полипараксилилена) [118, 119]. Использование этого материала позволяет избавиться от проблем деформаций в сплошных диэлектрических мембранах, полученных стандартными методами на основе комбинации слоев Si3N4 и SiCb. Однако, это приводит к усложнению технологии изготовления кристалла термоанемометрического преобразователя.
К недостатку большинства рассмотренных в этом разделе конструкций следует отнести отсутствие защитного диэлектрического покрытия термочувствительных элементов. Это снижает срок службы подобных преобразователей, так как согласно принципу работы термоанемометров не проводится герметизация электрической схемы, а, напротив, она все время находится в контролируемом потоке газа. 1.3.2 Чувствительные элементы датчиков состава газа на основе полупроводящих пленок оксидов металлов
Миниатюрные микроэлектронные датчики состава газа широко используются в современных управляющих, контрольно-измерительных системах во многих отраслях промышленности: машиностроительной, добывающей, аэрокосмической, электронной, автомобильной и других. В последнее время для определения критичных концентраций ряда опасных газов (токсичных и взрывоопасных) наибольшее распространение получили датчики с объемным чувствительным элементом (ЧЭ) из спеченного оксида металла [120]. Принцип действия таких датчиков основан на явлении изменения электрического сопротивления полупроводникового материала при адсорбции на его поверхности молекул различных газов: чем больше концентрация молекул детектируемого газа в окружающем воздухе, тем больше число адсорбированных на поверхности молекул, и тем больше изменение сопротивления пленки. Металл оксидные полупроводниковые материалы проявляют чувствительность к детектируемым газам при повышенных температурах. Рабочая температура преобразователя газового датчика при оценке концентраций того или иного газа определяется составом полупроводникового материала и свойствами детектируемого газа. В настоящее время номенклатура детектируемых газов значительно возросла благодаря легированию металлооксидных материалов различными примесями [121].
Конструкции чувствительных элементов термомикросистем
Перспективная конструкция кристалла преобразователя ДВОГ представляет собой жесткую рамку из мо но кристаллического кремния с диэлектрической мембраной и нанесенным на нее газочувствительным слоем на основе БпОг, толщиной до 5 мкм (рисунок 15). Диэлектрическая мембрана формируется путем нанесения на подложку из монокристаллического кремния диэлектрических слоев (Si02 и S13N4) и последующего сквозного травления подложки с обратной стороны с помощью анизотропного ЖХТ кремния до диэлектрика. На поверхности мембраны сформирован тонкопленочный резистор, используемый в качестве нагревателя. Поверх резистора на мембрану нанесен газочувствительный слой. При подаче напряжения на резистор в системе устанавливается тепловое равновесие за счет отвода тепла в подложку и теплового излучения мембраны. Температура стабилизации определяется используемым газочувствительным слоем. Для газочувствительных слоев на основе БпОг оптимальная температура составляет 450 С.
Ключевую роль при достижении теплового равновесия играют теплоизолирующие свойства мембраны. Так как теплопроводность монокристаллического кремния достаточно высока, для достижения минимальной мощности потребления нагревателя мембрана должна обладать хорошими теплоизолирующими свойствами. На теплопроводность мембраны влияют как свойства материалов, применяемые при ее формировании, так и площадь ее поперечного сечения в направлении к материалу с высокой теплопроводностью (кремнию). Кроме того, большое значение имеет не только толщина мембраны, но и ее протяженность от области нагревателя до края кремниевой подложки, определяющая величину теплового сопротивления. Общая площадь мембраны, которая определяет отдачу тепла в окружающую среду за счет теплопроводности, составляет 2,25 мм2. Все эти конструктивные параметры учитывались при моделировании рассеяния тепла в ДВОГ.
В качестве средства моделирования работы ДВОГ выбрана SOLIDIS3D из пакета программ приборио-технологического моделирования ISECAD 6.1 [162]. Данная программа специально предназначена для моделирования микроэлектромеханических структур. В программе SOLID1S3D предусмотрено проведение следующих расчетов: - расчет распределения температур от источника в произвольной трехмерной структуре; - расчет мощности, потребляемой при этом источником; - расчет механических напряжений, деформаций, возникающих в микромеханической структуре при механическом или электростатическом воздействии на рассматриваемую трехмерную структуру.
Возможность сопряжения SOLIDIS3D с другими программами пакета ISECAD 6.1 позволяет учесть механические напряжения при расчете электрофизических параметров полупроводниковых приборов.
Для оптимизации конструкции мембраны была использована трехмерная твердотельная модель ДВОГ. В модели применен ряд упрощений. Во-первых, внутренние стенки области толстой кремниевой рамки сделаны перпендикулярными плоскости мембраны (в реальности угол между плоскостями составляет около 125). Во-вторых, нагреватель представлен в виде плоскости с заданным граничным условием по температуре. Площадь поперечного сечения нагревателя в модели принята равной нулю. Внешняя среда в модели выполнена в виде дополнительных трехмерных областей, расположенных над и под мембраной. Для этих областей задан коэффициент теплопроводности, соответствующий используемой газовой среде. Модель, построенная с учетом перечисленных упрощений, представлена на рисунке 16
Для исследований различных конструкций кристалла преобразователя ДВОГ с тонкопленочной мембраной построено несколько вариантов модели. Трехмерная структура кристалла с сеткой разбиения на конечные элементы, представлена на рисунке 17. Поперечные сечения конструктивных вариантов структуры представлены на рисунке 18 (варианты А- -Е). Ниже подробно рассмотрены особенности каждого варианта конструкции кристалла преобразователя ДВОГ.
Расчет мощности, потребляемой нагревателем, и получения распределения температуры в программе SOLIDIS3D достигается путем решения стационарного уравнения теплопроводности div(A(7 grad7)=g, (49) где: ЦТ) - коэффициент теплопроводности материала; Q - плотность источников тепла; Г-температура. Граничные условия для уравнения (49): на внешних вертикальных и нижней гранях кремниевой рамки постоянная температура 22 С; в области нагревателя значение температуры задавалось в диапазоне 100- 500 С, что соответствует постоянной выделяемой мощности через впешшого поверхность нагревателя; на внешних гранях воздушной среды температура равна 22 С.
Для решения уравнения (49) необходимы коэффициенты теплопроводности всех используемых материалов (таблица 2). С целью упрощения в расчете не учитывалась зависимость коэффициентов теплопроводности от температуры. Также не рассматривался процесс теплопередачи через излучение мембраны и газочувствительного слоя.
Исследование экспериментальных образцов преобразователей датчика взрывоопасных газов
Термочувствительные элементы - ключевые чувствительные элементы рассматриваемых термомикросистем: термоанемометрических преобразователей расхода газа и жидкостей, преобразователей ДВОГ и НМБП. В разделе 1.3 показано, что конструкции ТЭТАП, обладающие наиболее высокой чувствительностью, содержат 4 терморезистора, объединенных в мостовую схему. Так как резисторы в интегральной структуре размещаются на диэлектрической мембране, то выбирается тонкопленочная конструкция. Материал термочувствительного резистора должен обладать высоким значением ТКС для обеспечения высокой чувствительности преобразователя. Так же резистор должен обладать высокой временной стабильностью в рабочем диапазоне температур [167]. С точки зрения технологичности, материал резистора должен обладать хорошей адгезией к используемым в кремниевых ИС пленкам и химической стойкостью в процессе изготовления кристалла преобразователя. Во многих действующих образцах интегральных термоанемометрических преобразователей, изготовленных по микросистемным технологиям, используется платина Pt. Для коммутации терморезисторов с целью создания мостовой схемы необходимо использовать межслойную диэлектрическую изоляцию. Однако при этом возникают проблемы с адгезией пленки Pt к поверхности подложки (к пленкам S1O2 или Біз ) после ПХО пассивирующих диэлектрических пленок. Решением этой проблемы является использование дополнительных адгези онных слоев, но при этом снижается чувствительность терморезистора. I акже Pt является довольно дорогостоящим материалом. С учетом указанных проблем в качестве материала терморезисторов для термоанемометрического преобразователя выбран никель Ni. Свойства тонких металлических пленок в сравнении с объемным материалом различаются. В частности, для ТКС металлических пленок его значение тем ниже, чем тоньше пленка. Чтобы обеспечить необходимое значение ТКС, толщина пленки должна быть оптимизирована. Известно, что полученная в процессе электронно-лучевого испарения пленка Pt толщиной 0,3 мкм с адгезионным подслоем Ті (300 А) обладает ТКС 0,3 %/С. В работе [102] отмечается, что ТКС платины зависит от способа получения пленки и наибольшее значение данного параметра при одинаковых толщинах пленок достигается именно в процессе электронно-лучевого испарения. Тонкие пленки Ni широко используются в микроэлектронном производстве и их свойства достаточно изучены [77]. Ni используется в системах металлизации. ТКС пленки никеля, полученной в процессе магнетронного напыления, при толщине 0,3 мкм составляет 0,5-Ю,6 %/С. Таким образом, несмотря на более низкий ТКС у объемного материала, пленка никеля обладает рядом преимуществ в сравнении с пленкой Pt.
Номинал термочувствительного резистора должен составлять значение единиц кОм. Это необходимо для обеспечения высокой термочувствительности резистора, которая определяется зависимостью его сопротивления от температуры. Для получения номинала резистора 1,8 2,2 кОм из пленки Ni толщиной 0,3 мкм (поверхностное сопротивление 0,2-0,3 Ом/о) его длина должна быть равна около 40 мм при ширине 5 мкм. Таким образом, чтобы не выйти за требуемые габариты кристалла резистор необходимо проектировать в виде меандра сложной формы [167]. На рисунке 21 представлен топологический эскиз фрагмента основного узла конструкции ТЭТАП - сложнопрофилированной диэлектрической мембраны с расположенным на ней чувствительным элементом в виде тонкопленочного резистора. Общая площадь термочувствительного элемента составляет 0,5 мм2. Таким образом, предложенная тонкопленочная конфигурация термочувствительного элемента термоанемометрического преобразователя обладает следующим рядом достоинств: в данной конструкции достигается высокая тепловая изоляция терморезистора от подложки; тонкопленочный резистор, как конструктивный элемент обладает малой массой, но при этом за счет значительной площади обеспечивается хороший тепловой контакт с окружающим газом; в силу указанных характеристик, пленочные терморезисторы, расположенные на диэлектрической мембране, обладают быстродействием около 0,5 миллисекунды и ниже. Такие параметры обеспечивают возможность отслеживать с помощью этих терморезисторов температуру газа с большой точностью до десятых долей градуса по шкале Цельсия, при этом их температура не зависит от температуры подложки.
В качестве ЧЭ полупроводниковых газочувствительных датчиков наиболее широкое применение нашли оксиды олова, цинка, циркония, титана, кобальта и др. В области рабочих температур сенсоров 200-НЮО С электропроводность оксидов определяется собственными и примесными атомами. Их активность и избирательность к отдельным газам определяется тем, что оксиды металлов, как правило, не-стехиометричны, и дефекты их структуры являются центрами адсорбции газа. Повышенной избирательностью обладают оксиды переходных металлов, имеющие в своем составе катионы металлов с недостроенными (/-оболочками [168]. Электрические свойства полупроводников чрезвычайно чувствительны к малейшим изменениям химического состава. Посторонние включения или избыточные относительно стехиометрического состава атомы вещества становятся источниками свободных зарядов. Этим фактом объясняется использование в качестве ЧЭ сложных полупроводников. Посторонние примеси, а также избыток тех или других ионов по сравнению со стехиометрическим составом не только резко меняют величину электропроводности, но и определяют знак носителей тока в полупроводнике. Сущест- вугащие теории еще не позволяют оптимально подобрать материал ЧЭ и легирующую добавку. Однако, можно выделить некоторые общие правила подбора наиболее активных полупроводниковых материалов для ускорения тех или иных реакций [168]: