Содержание к диссертации
Введение
Современное состояние приборов на интегральных принципах и проблемы технологического обеспечения точности их характеристик . 13
Краткий исторический очерк развития интегральных датчиков и интегральной технологии 13
Кремний как конструкционный материал 21
Технологические проблемы при обеспечении необходимых конструктивно-механических параметров интегральных датчи ков 26
Выводы 37
Исследование влияния анизотропного химического травления монокристаллического кремния на конструктивно-механические параметры чувствительных элементов интегральных датчиков 39
Качественный анализ различных способов размерной обработ
ки полупроводникового монокристаллического кремния . 39
Исследование влияния анизотропного химического травления монокристаллического кремния на конструктивные параметры чувствительной массы интегральных акселерометров 43
Влияние анизотропного характера химического травления монокристаллического кремния на конструктивно-механические параметры упругих подвесов интегральных акселерометров 54
Влияние анизотропных свойств химического травления монокристаллического полупроводникового кремния на конструктивно-механические параметры мембран интегральных датчиков давления 60
Выводы 67
Глава 3. Исследование влияния технологических факторов размерной обработки на точность геометрических параметров чувствительных элементов интегральных датчиков 69
3.1. Основные технологические погрешности при размерной обработке полупроводниковых кремниевых пластин 69
3.2. Влияние неидеальности геометрии формы на конструктивно-механические параметры чувствительных элементов интегральных акселерометров и датчиков давлений 77
3.3. Метод регулируемого размерного травления как способ повышения воспроизводимости толщины упругих подвесов чувствительных элементов интегральных датчиков 84
3.4. Размерный синтез погрешностей при изготовлении чувствительных элементов интегральных датчиков 91
Выводы 98
Глава 4. Экспериментально-статистические исследования воспроизводимости выходных характеристик датчиков на интегральных шишгипах 100
4.1. Математическая модель технологического процесса изготовления чувствительного элемента интегрального акселерометра 100
4.2. Количественная оценка вариации массы чувствительного элемента интегрального акселерометра в условиях производства 107
4.3. Экспериментально-статистические исследования влияния технологических операций на угловую жесткость чувствительного элемента интегрального акселерометра 113
Выводы 119
Заключение 121
Приложение 123
Литература 126
- Кремний как конструкционный материал
- Исследование влияния анизотропного химического травления монокристаллического кремния на конструктивные параметры чувствительной массы интегральных акселерометров
- Влияние неидеальности геометрии формы на конструктивно-механические параметры чувствительных элементов интегральных акселерометров и датчиков давлений
- Количественная оценка вариации массы чувствительного элемента интегрального акселерометра в условиях производства
Кремний как конструкционный материал
Стремительное развитие науки и техники в последние два-три десятилетия привело к тому, что не только постоянно появляются новые типы приборов, пополняются и уточняются их характеристики, особенности, но и возникают совершенно новые направления и тенденции.
По-прежнему особая актуальность сохраняется у разработок в области соз дания точных и надежных измерительных преобразователей неэлектрических величин в электрические сигналы. Потребность в таких приборах стремительно растет, так как существует значительное отставание технико-экономических характеристик измерительных преобразователей от достаточно высокого уров ня средств обработки сигналов. Это стало своего рода "двигателем" в разра ботке новых преобразователей и побудило специалистов искать новые пути ее решения. Исследования проводились в трех направлениях: разработка измерительных преобразователей на новых физических принципах, основанных на современных достижениях науки и техники, использование новых достижений в технологии, поиск и применение более современных, нетрадиционных, со стабильными физико-механическими свойствами, конструкционных материалов. Причем к преобразователям предъявлялся ряд важных требований. Измерительные преобразователи должны обладать высокими метрологическими характеристиками, повышенной надежностью, долговечностью, стабильностью, малыми габаритами, массой и энергопотреблением, совместимостью с микроэлектронными устройствами обработки информации при низкой трудоемкости изготовления и стоимости.
Необходимость повышения надежности вызвана, во-первых, усложнением аппаратуры, увеличением числа элементов в приборах. Во-вторых, электронная аппаратура применяется при экстремальных внешних условиях. Для обеспечения работоспособности всего прибора необходима высокая надежность каждого отдельного элемента.
Естественный путь повышения надежности - это повышение общей культуры производства и проектирования приборов. Необходим также глубокий анализ кинетических закономерностей и механизмов старения используемых материалов. В первую очередь необходимо исследовать физико-химические процессы в материалах при одновременном воздействии высокой температуры и сильных электрических полей, электролитическую и химическую коррозию, окисление, диффузию примесей, накопление деформации, усталостные явления и т.д. [17,61].
Миниатюрность преобразователей способствует расширению зоны применяемости и возможности осуществления полного контроля и управления сложными системами. Важнейшим следствием миниатюрности является снижение энергопотребления. Причем уменьшение размеров и массы способствует снижению инерционности и увеличению рабочих частот.
Интенсивные поиски, как научно-исследовательского плана, так и конструкторского, в области нового научно-технического направления привели к созданию измерительных преобразователей неэлектрических величин, изготовленных из полупроводниковых материалов на базе широко освоенной технологии интегральной микроэлектроники [59].
В связи с этим для производства преобразователей нового поколения самым подходящим оказался кремний - относительно дешевый полупроводниковый материал со стабильными свойствами, физические характеристики которого глубоко изучены, а технология обработки наиболее освоена микроэлектрон ной промышленностью.
Конструктивной особенностью интегральных преобразователей является то, что в качестве основы элементов, механических и электронных узлов, датчика применяется один материал, а именно полупроводниковый монокристаллический кремний, что обеспечивает однородность конструкции по физико-механическим характеристикам. Происходит слияние - интеграция - конструктивных элементов, механических и электронных узлов.
При изготовлении интегральных преобразователей все технологические процессы изготовления ЧЭ и электронных узлов выполняются по планарной технологии. В этом случае ряд операций имеет одинаковые режимы проведения и в них используется одно и тоже оборудование. Использование групповой технологии производства с применением процессов фотолитографии и прецизионного травления обеспечивает необходимую воспроизводимость характеристик в пределах одной пластины или партии пластин, а также создание элементов с заданными электромеханическими параметрами (омическим сопротивлением, чувствительностью, собственной резонансной частотой, жесткостью упругого подвеса) [31].
Стоимость интегральных преобразователей в большой степени зависит от процента выхода годных приборов, который оказывается иногда очень низким из-за недостаточного качества исходного конструкционного материала и не-достаточной однородностью распределения легирующих примесей в объеме монокристалла.
Анализ современного состояния интегральных преобразователей показывает, что существует проблема создания приборов среднего класса точности, имеющих низкие трудоемкость изготовления и стоимость.
Исследование влияния анизотропного химического травления монокристаллического кремния на конструктивные параметры чувствительной массы интегральных акселерометров
Скорость изотропного химического травления полупроводника зависит от таких параметров, как тип травителя, его температура, скорость отвода продуктов реакции и подвода реагентов к поверхности полупроводника (т. е. скорость перемешивания травителя), наличия или отсутствия дефектов, как в самом полупроводнике, так и в защитной маске, обеспечивающей локальное травление, испарение травителя, приводящее к изменению его концентрации. Большинство этих факторов плохо поддаются контролю. Невозможность в полном объеме контролировать скорость травления вносит основной вклад в погрешность геометрических параметров упругих элементов, подвижной массы, параметров мембраны датчиков давления.
Специфическая форма микропрофиля, а также сложность обеспечения локальной защиты от длительного воздействия травителя не позволяют рассматривать изотропное травление как перспективный способ микропрофилирования для изготовления ЧЭ ИД.
Анизотропное химическое травление это процесс растворения кремния с неодинаковой скоростью травления на различных гранях монокристалла [49]. Скорость протекания химической реакции зависит от кристаллографического направления поверхности травления. В результате размерного химического травления удаление кремния происходит вдоль определенных кристаллографических направлений. Отдельные части ЧЭ приобретают довольно разнообразную геометрическую форму, которой можно управлять в известных границах.
Особенностью всех анизотропных травителей является их низкая реакционная способность травления к монокристаллическому кремнию ориентации (111) и к двуокиси кремния. На подложках ориентации (100) и (110) образуется микрорельеф в виде углублений, формы которых зависят от ориентации маски на пластине и от применяемой базовой плоскости. Если маска на пластине (100) ориентирована относительно четырех плоскостей {111}, то стенки углублений будут расположены под углом 54,74 градуса к начальной поверхности (100) [6].
Различная скорость травления вследствие зависимости от кристаллографического направления формирует характерную форму ямок травления на каждой кристаллографической плоскости (рис. 2.2). Ямки травления ограничены поверхностями с минимальной скоростью травления. Поэтому анизотропное травление не дает зеркальных поверхностей, но при этом точно выдерживаются боковые поверхности в микропрофилях. Ступенчатая форма является концентратором механического напряжения, которая значительно снижает прочность упругого подвеса. Для сглаживания профиля и увеличения конструктивной прочности после анизотропного применяют изотропное травление как отделочную операцию [9, 28].
Анизотропное травление монокристаллического кремния широко применяют для изготовления приборов электронной техники в качестве метода полу чения в кристалле областей заданной геометрии. Его используют при изготовлении дискретных полупроводниковых приборов (диоды, биполярные и полевые транзисторы, тиристоры) и интегральных схем, при создании оптических приборов, при изготовлении различных сверхминиатюрных микромеханических и электромеханических приборов и устройств. Применение анизотропного травления обеспечивает возможность получения строго определенной конфигурации элементов, почти исключает подтравливание кремния под края защитной маски при правильной кристаллографической ориентации структур, также возможно формирование ямок с большим отношением глубины к шири-не [5].
Обычно анизотропное травление применяется локально, при этом в качестве защитного покрытия используются маскирующие пленки Si02, Si3N4- Скорость травления, форма углубления и боковое подтравливание зависят от кристаллографического направления их сторон.
Наиболее широкое применение анизотропное травление получило при изготовлении приборов на пластинах монокристаллического полупроводникового кремния с ориентацией (100).
Большинство разрабатываемых и выпускаемых ИД первичной информации в приборостроении являются одно-, двух-, трехкомпонентными, маятниковыми и осевыми. Чувствительные элементы акселерометров и датчиков давления чаще всего представляют собой микромеханические преобразователи ускорений (или давлений) в перемещения или деформации упругих подвесов. Чувствительный элемент акселерометра по конструктивному исполнению обычно представляет собой балку консольного закрепления, которая состоит из мас сивной части - инерционного элемента (чувствительной массы) и упругого подвеса, изготовляемую как единое целое из кремниевой пластины по групповой технологии, с применением химического травления исходной кремниевой пластины.
Симметричная форма чувствительной массы относительно упругих подвесов наиболее рациональна в случае применения емкостных преобразователей перемещения, а также преобразователей на полевом эффекте. При использовании тензорезисторных преобразователей упругий подвес, как правило, выполняют относительно поверхности массы. Это делается для того, чтобы поверхность корпусной пластины, поверхность чувствительной массы и деформируемая поверхность упругого подвеса были в одной плоскости, т. е. расположены планарно. Симметричный профиль получают двусторонним травлением, а несимметричный - односторонним.
Каждая технологическая операция в той или иной степени оказывает влияние на точность выходных параметров датчиков. При формировании фотошаблонов для проведения операции фотолитографии конструктор за основу размеров берет геометрию и параметры требуемой фигуры и не учитывает в полной мере изменение ее формы и размеров при выполнении операции анизотропного химического травления. В данной главе исследуются изменения геометрических размеров фигуры при размерной обработке, с учетом анизотропного характера химического травления полупроводникового кремния.
Чаще всего ЧЭ акселерометра имеет прямоугольную форму. При проведении двустороннего анизотропного травления полученная форма элемента в течении будет иметь, вид показанный на рисунке 2.3 (б).
Влияние неидеальности геометрии формы на конструктивно-механические параметры чувствительных элементов интегральных акселерометров и датчиков давлений
По вышеприведенным формулам нами была произведена количественная оценка влияния погрешностей на жесткость квадратных мембран. Для квадратных мембран без жесткого центра она составила порядка 0,3-0,5% от номинального значения, а для квадратных мембран с жестким центром - около 2,0-2,9% для наиболее распространенных датчиков давления.
3.2 Влияние неидеальности геометрии формы пластины на конструктивно-механические параметры чувствительных элементов интегральных акселерометров и датчиков давлений [22, 23, 25]
Рассмотрим степень варьирования чувствительной массы в зависимости от отклонений пластины по толщине и неточности геометрической формы. При этом считается, что отклонение толщины пластины от номинального значения будет в пределах самой пластины и в пределах партии кремниевых пластин. Допустимые отклонения составляют в партии ± 10 мкм, отклонение по пластине нормировано в пределах ± 5 мкм.
Произведем оценку степени варьирования массы в зависимости от отклонений геометрии формы. Неидеальность геометрии формы исходных кремниевых пластин может быть в виде отклонения от параллельности, отклонения от пло скостности, а также величина прогиба. Основные виды дефектов формы представлены на рис. 1.5, глава 1.
Степень варьирования массы с учетом отклонения от плоскостности пластины зависит от положения на ней элементов. Допуск на неплоскостность пластины составляет 5 мкм для пластины диаметром 100 мм и 4 мкм при диаметре пластины 76 мм [36]. Для анализа рассмотрим два чувствительных элемента, расположенных один в центре, а другой на краю пластины. Чувствительная масса одного элемента определится следующим выражением [11]:
Из формулы (3.14) следует, что вариация массы, определенная отклонениями геометрии формы исходной кремниевой пластины, не зависит от длины и ширины изготавливаемого ЧЭ. Она определяется только исходной толщиной и погрешностью геометрии формы.
По проведенному количественному анализу были получены результаты изменения массы с учетом неидеальности геометрии формы в партии и на одной пластине. Результаты расчетов приведены на графиках (см. рис. 3.7). мы пластины для ЧЭ разной толщины будет сказываться в различной степени, что отразится на воспроизводимости массы элемента. Влияние неидеальности геометрии формы для ЧЭ с большей толщиной будет меньше.
Рассмотрим влияние отклонения геометрии формы на воспроизводимость геометрических параметров упругого подвеса. Наиболее распространены упругие подвесы с толщиной 10-20 мкм. Расчет по формуле (3.14) показал, что при допуске на неплоскостность 5 мкм и диаметре пластины 100 мм толщина упругого подвеса по всей пластине варьируется в пределах 30-50%. При таком разбросе толщины упругого подвеса происходят существенные изменения выходных характеристик.
При этом невозможно реализовать принцип полной взаимозаменяемости ЧЭ ИД. Погрешности геометрии формы пластины сводят к минимуму возможности групповой технологии, когда на одной пластине при заданных режимах размерного травления получают партию ЧЭ. Уменьшить влияние неидеальности геометрии формы можно путем учета закона изменения геометрии пластины (при клиновидности пластины - линейный закон изменения толщины, при вогнутости или выпуклости - параболический), планируя расположение чувст вительных элементов на пластине для получения соответствующей жесткости, а также путем селективного подбора ЧЭ по жесткости.
При изготовлении акселерометра, представляющего собой "маятник в маятнике", вариация жесткости как выходного параметра происходит от элемента к элементу и в пределах одного ЧЭ. При установленном режиме травления толщины упругих подвесов ЧЭ с учетом неидеальности геометрии формы будут различны.
Погрешность может проявиться как вдоль элемента, так и поперек, то есть от подвеса 1 к подвесу 2 и от 1 к подвесу 3 (рис.3.8).
В результате разности жесткости подвесов при действии внешнего воздействия происходит перекос ЧЭ, появляются угловые перемещения, что вносит ошибку в выходные характеристики.
Жесткость для четырех подвесов определяется выражением (2.14). Для одного подвеса жесткость с учетом погрешности формы кремниевой пластины определится как Отношение погрешности геометрии формы А/гпл к диаметру пластины d определяет распределение микронеровностей по всей площади и называется шагом микронеровностей. Для пластин диаметром 76 мм шаг неровности составляет 0,053 мм, а для пластины диаметром 100 мм - 0,05 мм.
В зависимости от диапазона измерения, чувствительной массы и ограничения на предельное перемещение происходит изменение толщины упругого подвеса. Так, для диапазона измерения ±lg толщина упругого подвеса может составлять 10,3 мкм, а для ±15g - 25,4 мкм.
Проведя количественный анализ, определим варьирование жесткости по длине одного подвеса, вдоль кристалла от подвеса 1 к подвесу 2 и поперек кристалла от подвеса 1 к подвесу 3 (рис.3.8). Результаты анализа приведены на рис. 3.9.
На основании полученных результатов можно считать, что с увеличением диапазона измерения и как следствие толщины упругого подвеса влияние погрешности формы уменьшается.
При получении мембран интегральных датчиков давления изменение жесткости происходит от мембраны к мембране, а также в пределах одного элемента. Степень вариации жесткости в пределах одной мембраны датчика давления без жесткого центра (рис.3.10, а) с учетом отклонения от плоскостности и параллельности на основе (3.6) можно представить выражением
Количественная оценка вариации массы чувствительного элемента интегрального акселерометра в условиях производства
На следующем этапе проведем построение практической кривой распределения. При построении приняты следующие масштабы: по оси Х- 10 мм соответствует 1 мг, по оси Y-одна деталь - 10 мм.
Практическая кривая необходима для предварительной оценки точности процесса, т.е. оценки правильности обработки результатов измерений. Форма практической кривой является приближенной, т. к. зависит не только от объективных причин характера распределения размеров, но и от случайных - числа выбранных интервалов, разрядов и числа деталей, принятых для анализа.
Построим кривую нормального распределения, причем для анализа сопоставим ее с эмпирической кривой, согласуя их масштабы. Для увязки масштабов по оси ординат по условию равенства площадей под кривыми используем равенство [33]:
При переводе среднеквадратического отклонения в относительные величины разброс массы ЧЭ интегрального акселерометра составил 4,3 %. Полученные результаты включают в себя случайные и систематические погрешности, а также погрешность измерительного прибора (0,05 мг, что составляет 0,5% от среднего значения массы). На рис. 4.2 представлен график теоретической и практической кривой распределения массы ЧЭ интегрального акселерометра.
Эти результаты сопоставим с полученными на основании разработанной методики по определению полной погрешности размерного травления при получении массы ЧЭ, представленной в третьей главе (3.4), а также сравним с теоретическими исследованиями влияния технологических погрешностей, проведенными в главах 2 и 3.
Сравнение полученного результата измерения массы ЧЭ с теоретическим, График нормального распределения массы ЧЭ интегрального акселерометра: 1 - теоретическая кривая распределения; 2 - практическая кривая распределения включающим в себя неидеальность геометрии формы, позволяет сделать следующий вывод. Полученные экспериментальные данные по вариации чувствительной массы (4,3%) соответствуют теоретическим расчетам (при исходной толщине пластины 0,38 мм и ожидаемый разброс составляет 5,2%, рис. 3.7).
Вариация массы ЧЭ, определенная по математической модели (3.29) с учетом случайных и систематических погрешностей, составила 10,5%. Из них на долю систематических погрешностей (влияние анизотропного характера химического травления полупроводникового кремния) пришлось 5,5%), а на долю случайных - ± 2,5%. Предположим, что систематический фактор был постоянным при проведении эксперимента, влияние анизотропии травления было одинаковое на все элементы, подвергшиеся выборке. Разброс массы с учетом только случайных факторов составил 5% (± 2,5%), что подтверждает соответствие результатов проведенного эксперимента разработанной методике.
На основании этого можно утверждать, что полученная модель оценки суммарной погрешности является адекватной и может быть использована для прогнозирования технологических погрешностей.
Экспериментально-статистические исследования влияния техно логических операций на угловую жесткость ЧЭ интегрального акселерометра
Чувствительность интегрального акселерометра определяется величиной чувствительной массы и жесткостью упругого подвеса. Для оценки влияния размерной обработки на упругие свойства подвесов были использованы ЧЭ интегральных акселерометров (рис. 4.3). Элемент представляет собой консольную балку с жесткой заделкой на одном конце и с сосредоточенной массой на другом.
Аналитические исследования влияния на угловую жесткость упругих подвесов операций размерной обработки представлены в главах 2 и 3. Необходима проверка адекватности полученных теоретических данных с экспериментальными результатами.
Существует связь между угловой жесткостью и собственной круговой частотой ЧЭ, представленная выражением [11]:
Вибростенд (4) собран на основе звукового динамика низкой частоты и представляет собой электромагнитную систему. Чувствительный элемент акселерометра (1) крепится на специальной платформе, закрепленной на диффузоре звукового динамика. Перемещение ЧЭ измеряется с помощью излучателя (2) и фотоприемника (3), сигнал с которого усиливается операционным усилителем и подается на осциллограф.
Варьируя частотой и амплитудой звукового диапазона, можно изменять частоту колебаний диффузора, что вызывает вынужденные колебания ЧЭ. В результате снимается амплитудно-частотная характеристика, по которой оценивается собственная частота и полоса пропускания. Блок-схема установки представлена на рис. 4.5.
Разработанная установка представляет собой набор стандартных приборов. Вибростенд представляет собой электромагнитную систему, собранную на основе динамика низкой частоты. В качестве источника переменного тока для возбуждения колебаний диффузора динамика (вибростенда) использовался стандартный генератор марки ГЗ - 34, который полностью перекрывает
В качестве датчика перемещений использовался световой прибор, состоящий из двух основных блоков - блока излучателя и блока фотоприемника. Блок излучателя представляет собой дифференциальный светодиод, собранный на элементе АЛ 107А, и стабилизатор тока, собранный на транзисторе VT 1 -КТ815. Ток, протекающий через излучатель, регулируется резистором R2 (рис. 4.4, б). Блок фотоприемника состоит из фоточувствительного элемента ФД 256 (генераторного типа) и усилителя (рис. 4.4, а).
