Деградация микроэлектромеханических структур измерительных тензопреобразователей датчиков давления тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Основные этапы развития измерительных тензопреобразователей

1.2. Основные типы полупроводниковых датчиков давления.

1.3. Классификация датчиков давления

1.4. Надежность полупроводниковых интегральных измерительных тензопреобразователей

1.4.1. Основные понятия теории надежности.

1.4.2. Особенности обеспечения надежности приборов на базе интегральных измерительных тензопреобразователей

1.5. Дефекты кристаллической структуры кремния

1.5.1. Природа возникновения дефектов.

1.5.2. Влияние дефектов на электрофизические характеристики полупроводника

1.5.3. Движение дислокаций

1.5.4. Механизм зарождения дислокаций.

Выводы главы 1.

Глава 2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕГРАДАЦИИ ИНТЕГРАЛЬНЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ТЕНЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

2.1. Постановка задачи. Гипотеза

2.2. Исследование температурного гистерезиса выходного сигнала датчиков давления

2.2.1. Разработка методики исследования величины гистерезиса.

2.2.2. Расчет коэффициента ускорения испытаний

2.2.3. Результаты и обсуждения

Выводы главы 2.

Глава 3 РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ И РАСЧЕТ ВЕЛИЧИНЫ УПРУГИХ НАПРЯЖЕНИЙ В МИКРОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СТРУКТУРАХ

3.1. Постановка задачи

3.2. Решение задачи для плоской пластинки (мембраны)

3.3. Результаты и обсуждения.

Выводы главы 3.

Глава 4 ФИЗИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА ДИСЛОКАЦИОННОЙ ДЕГРАДАЦИИ МИКРОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СТРУКТУР

4.1. Кремний, как диссипативная среда. Основные определения.

4.2. Генерация дислокаций как диссипативный процесс в микроэлектромеханических структурах

Выводы главы 4.

Глава 5 МЕТАЛЛОГРАФИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

МИКРОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СТРУКТУР

5.1. Разработка методики металлографических исследований

5.2. Результаты и обсуждения.

Выводы главы 5.

Глава 6 РАСЧЕТ СКОРОСТИ ДВИЖЕНИЯ ДИСЛОКАЦИЙ

6.1. Механизм зарождения дислокаций

6.2. Структура дислокаций

6.3. Скорость движения дислокаций

6.4. Динамика распределения дислокаций

Выводы главы 6.

Глава 7 МЕХАНИЗМ УВЕЛИЧЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНОГО ГИСТЕРЕЗИСА ВЫХОДНОГО СИГНАЛА МИКРОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СТРУКТУР . 84 7.1. Влияние дислокаций на зонную структуру материала микроэлектромеханических структур

7.2. Изменение пьезорезистивных свойств полупроводника

Выводы главы 7.

Глава 8 НАДЕЖНОСТЬ МИКРОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СТРУКТУР

Выводы главы 8.

Глава 9 ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ПРИБОРОВ НА

БАЗЕ МИКРОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СТРУКТУР

9.1. Типовой технологический маршрут производства микроэлектромеханических структур

9.2 Пути устранения причин возникновения упругих напряжений.

9.3. Оптимизация технологических процессов производства микроэлектромеханических структур и приборов на их основе.

9.4. Пути применения полученных результатов

Выводы главы 9.

ВЫВОДЫ.

Среди датчиков, получивших широкое распространение в автоматизированных системах управления особое место занимают приборы, изготовленные по двум базовым технологиям - микроэлектронной и микропрофилирования кремния. Твердотельные устройства, с интегрированными электрическими, электронными и микромеханическими структурами получили название микроэлектромеханических структур. Применение подобных структур позволило создать целый ряд датчиков параметров систем, превосходящих по своим характеристикам традиционные приборы.

Одной из важнейших характеристик микроэлектромеханических структур и устройств на их основе является надежность. Проблема надежности датчиков давления (наиболее массового вида приборов на базе микроэлектромеханических структур) на сегодняшний день изучена недостаточно. Не определены механизмы деградации приборов, приводящие к ухудшению их функциональных свойств, отсутствуют модели деградации. Это затрудняет оптимизацию технологических процессов получения микроэлектромеханических структур и приборов на их основе. Актуальность исследований связана также с расширением области использования полупроводниковых датчиков давления - они начинают широко использоваться в автомобильной промышленности, авиационной, космической, в бытовой технике, а здесь, к стабильности их характеристики предъявляются наиболее жесткие требования.

В связи с этим, исследование механизмов деградации микроэлектромеханических структур интегральных измерительных тензопреобразователей датчиков давления и разработка рекомендаций по повышению надежности изделий является актуальной научно-технической проблемой. Ее решение осложняется отсутствием стандартных методик испытаний датчиков давления и их измерительных тензопреобразователей на надежность. Это сдерживает интеграцию электронных датчиков давления в системы управления сложными объектами. Кроме того, решение вопросов обеспечения надежности интегральных измерительных тензопреобразователей и датчиков давления в целом позволит решить и ряд экономических задач производства приборов.

Целью работы было определение механизмов деградации структур интегральных измерительных тензопреобразователей, выбор и уточнение моделей, описывающих процесс, разработка методов повышения надежности изделий.

Для решения задач, поставленных в работе, был использован комплексный подход, включавший экспериментальные исследования процессов деградации микроэлектромеханических структур в процессе их работы при точном контроле параметров испытаний и электрофизических свойств приборов в сочетании со статистической обработкой полученных результатов и последующим математическим моделированием.

Для обобщения экспериментальных данных использовали методы идентификационного моделирования. Применение данного класса моделей обусловлено отсутствием априорной информации о протекающих процессах в исследуемых системах и сложностью связей и взаимодействий внешних и внутренних факторов рассматриваемой системы микроэлектромеханическая структура - окружающая среда.

Для достижения цели были определены следующие основные задачи:

- Определение и классификация причин параметрических отказов датчиков давления;

- Разработка методики контроля параметров интегральных измерительных тензопреобразователей датчиков давления;

- Разработка методики исследования процессов деградации интегральных измерительных тензопреобразователей, выбор критерия, характеризующего срок службы приборов;

- Разработка математической модели, связывающей деградацию с изменением параметров интегральных измерительных тензопреобразователей;

- Разработка рекомендаций по оптимизации технологии производства микроструктур и приборов на их основе.

В ходе выполнения работы впервые было установлено, что деградация измерительных тензопреобразователей обусловлена возникновением и последующим накоплением дефектов кристаллической структуры (дислокаций) 8 материала чувствительного элемента датчика под действием знакопеременных нагрузок. Впервые предложена математическая модель, описывающая изменение величины гистерезиса параметров датчика, обусловленного изменением температуры в диапазоне рабочих нагрузок. Установлено, что процессы генерации, движения и релаксации дислокаций в полупроводниковом материале тензопреобразователей могут быть описаны известными моделями, уточнены некоторые параметры классических моделей. Разработана на основе предложенной математической модели методика анализа времени безотказной работы тензопреобразователей по виду их функциональных характеристик.

Разработанные рекомендации позволили провести оптимизацию технологии производства датчиков давления, что позволило увеличить выход годных изделий на 20-3 0 %. Получен экономический эффект.

128 ВЫВОДЫ

В результате выполненных исследований:

1. Установлено, что деградация микроэлектромеханических структур интегральных измерительных тензопреобразователей датчиков давления обусловлена изменением структурных и электронных свойств полупроводникового материала мембраны датчика.

2. Предложена методика и разработана установка для испытаний на надежность микроэлектромеханических структур. Установлено максимальное время безотказной работы приборов (максимально 18 тысяч часов).

3. Установлено, что максимальное значение напряжений (108 Па) , возникающих в реальных условиях эксплуатации датчиков давления превышает критическое значение образования дислокаций. Установлено увеличение плотности дислокаций в структурах со временем до 105 см"2.

4. На основе теории диссипативных структур предложена физическая модель деградации микроэлектромеханических структур измерительных тензопреобразователей.

5. Установлено изменение величины температурного гистерезиса выходного сигнала интегрального измерительного тензопреобразователя в рабочих режимах - 3 . 1б9х10"5 мВ/час.

6. Предложена математическая модель изменения величины температурного гистерезиса выходного сигнала интегрального измерительного тензопреобразователя.

1. Дин М. Полупроводниковые тензодатчики. Л.: Энергия, 1965. - 236 с.

2. Мэзон У. Физическая акустика; в 3-х томах. М.: Мир, 1967. - Т. 1 - 280 е.; Т.2 - 312 е.; Т.З -296 с.

3. Ваганов В. И. Интегральные тензопреобразователи. М.: Энергоатомиздат, 1983. 286 с.

4. Ваганов В.И. Проблемы микроконструирования сенсоров // Датчики на основе технологии микроэлектроники. М. : Энергоатомиздат, 1989. - С. 3-14.

5. Соколов Л.В. Полупроводниковые пьезорезистивные датчики давления / / Зарубежная электронная техника. 1990. - №4. - С. 35-48.

6. Соколов Л.В. Сенсорные твердотельные микроприборы и системы на основе MEMS технологии // Зарубежная электронная техника. - 1999. - №1. -С. 93-116.

7. Розенблат М.А. Микротроника новое направление развития датчиков и исполнительных устройств // Приборы и системы управления. - 1996. - №12. -С. 49-57.

8. Петерсен К.Э. Кремний как механический материал // ТИИЭР. 1982.- Т.70. - №5. - С. 5-49.

9. Lang W. Reflexion on the future of microsystems // Sensors and actuators. A. 1999.-V. 72 - P. 115 .

10. Grace R.H. The growing presence of MEMS and MST in Automotive Applications // Sensors. 1999.- №9. P. 1-12.

11. Микротехнологии: от микроэлектроники к микросистемной технике/ Е.Н. Пятышев, М.С. Лурье, Ю.Д. Акулылин, А.И. Скалон // Датчики и системы.- 2001. № б. - С. 58-65.

12. Розенблат М. А. МЭМС : спящий техногигант // Датчики и системы. 2 001. - № 10. - С. 59-60.

13. Шавыкин Н.А., Петрухин Б.П. Модели расчета показателей безотказности некоторых видов датчиков и выходных исполнительных устройств систем управления // Датчики и системы. 2001. - № 1.- С. 8-12.

14. Боровиков С.М. Теоретические основы конструирования, технологии и надежности. Минск: Дизайн ПРО, 1998. - 384 с.

15. Осадчий Е.П. Современные направления совершенствования датчиковой аппаратуры // Приборы и системы управления. 1989. - №7. - С. 22-25.

16. Назаров В.Н., Каперко А.Ф. Датчики и преобразователи информации систем измерения // Приборы и системы управления. 1998.5. С. 25-28.

17. Белый Е.М. Датчики для электронных систем управления автомобилем // Приборы, средства автоматизации и системы управления. М. : Информприбор, 1990. - С. 1-37.

18. Gerlinde В., Werner К. Comparison of different micromechanical vacuum sensors // Sensors and actuators. A. 2000. - №1. - P. 181-188.

19. Kasten K. , Amelung J., Mokwa W. CMOS-compatible capacitive high temperature pressure sensors // Sensors and actuators. A. 2000. - №3.- P. 147-152.

20. Belloy E., Thurre S., Walckiers E. The introduction of powder blasting for sensor and microsystem applications // Sensors and actuators. A. 2000. - №3. - P. 330-337.

21. Блохин Ю.И., Олеск А.О. Датчики на основе технологии микроэлектроники. Состояние проблемы в СССР и перспективы развития // Приборы и системы управления. 1989. - №1. - С. 18-21.

22. Тихонов А. И. Принцип совмещения функций в датчиках механических величин // Приборы и системы управления. 1996. - №1. - С. 18-21.

23. Станкевич Б.Ч., Шимякявичус Ч.И. Перспективные датчики абсолютного давления // Приборы и системы управления. 1996. - №6. - С. 25-27.

24. Sensor : Devise data / Motorola Inc. US, 1995. - 246 p.

25. Shih-Ta H., Shwin-Chung W., Fang W. The development and application of microthermal sensors with a mesh-membrane supporting structure // Sensors and actuators A. 2000. - №2. - P. 7075.

26. Components : Devise data / Siemens. Reginsburg, 1985. 34 6 p.

27. Thomas R., Kuhnhold R., Ryssel H. A silicon vibration sensor for tool state monitoring working in the high acceleration range / / Sensors and actuators. A. 2000. - №3. - P. 194-201

28. Chung S., Kawahito S.; Ishida M. Pressure sensors // Sensors and actuators. A. 1991. - № 4. - P. 107-115.

29. Гридчин В.А., Сарина М.П., Любимский B.M. Датчик давления на основе поликремния: два варианта топологии // Датчики на основе технологии микроэлектроники. М. : Энергия, 1989. - С. 138140.

30. Fuqian Y. , Као I. Analysis of fluid flow and deflection for pressure-balanced MEMS diaphragm valves // Sensors and actuators. A. 2 000. №1. -P. 13-21.

31. Бритвин С.О., Ваганов В.И. Элементная база сенсоэлектроники. Тензокомпоненты и их магниточувствительные аналоги // Датчики на основе технологии микроэлектроники. М. : Энергия, 1989.- С. 169-176.

32. Sensor: Devise data / Motorola Inc. US, 1999. - 246 p.

33. Маликов И.М. Надежность судовой электронной аппаратуры и систем автоматического управления.- Л.: Судостроение, 1967. 316 с.

34. Пряников B.C. Прогнозирование отказов полупроводниковых приборов. М.: Энергия, 1978. 112 с.

35. Надежность и эффективность в технике: Справочник. М.: Машиностроение, 1989. - Т.7. 280 с.

36. Кофанов Ю.Н. Теоретические основы конструирования, технологии и надежности радиоэлектронных средств. М. : Радио и связь, 1991. - 360 с.

37. Макелрой Дж. Структурирование функции качества в автомобильной промышленности // Автомобильная промышленность США. 1989. - №1. - С 17-19.

38. Чернышев А. А. Основы надежности полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. М.: Радио и связь, 1988. - 256 с.

39. РД 11 0755-90. Микросхемы интегральные. Методы ускоренных испытаний на безотказность и долговечность. М.: Электронстандарт, 1990. -30 с.

40. Кейджян Г.А. Прогнозирование надежности микроэлектронной аппаратуры на основе БИС. М. : Радио и связь, 1987. - 152 с.

41. Напряжения и деформации в элементах микросхем / B.C. Сергеев, О.А. Кузнецов, Н.П. Захаров, В.А. Летягин. М.: Радио и связь, 1987. - 88 с.

42. Физические основы надежности интегральных схем / Под ред. Ю.Г. Миллера. М. : Советское радио, 1976 - 320 с.

43. ТУ 37.459.233 98. Датчик абсолютного давления 45.3829. - Калуга: Автоэлектроника, 1998.- 20 с.

44. Рубцов А.Е. Структурные дефекты компонентов БИС // Обзоры по электронной технике. Сер. 6. -1982. Вып. 4. - С. 3-49.

45. Казакевич JI.A. Лугаков П.Ф. Влияние дислокаций на электрофизические характеристики кремния // Электронная техника. Материалы. 1979. Вып. 12. - С. 43-48.

46. Шикина Ю.В. Шикин В. Б. Инверсия типа проводимости в пластически деформированных п-полупроводниках // Физика и техника полупроводников. 1994. - Т. 28, №4. - С. 675680.

47. Shikin V.B. Shikina Yu. V. Charged dislocations in semiconductor crystals // Physics- Uspekhi. 1995. - № 38(8). - P. 845-875.

48. Электростимулированное движение дислокаций в кремнии при комнатных температурах / А.А. Скворцов, A.M. Орлов, В.А. Фролов и др. // Физика твердого тела. 2000. - Т. 42, вып.11. - С. 1998 -2003 .

49. Судзуки Т., Ёсинага X., Такеути С. Динамика дислокаций и пластичность: пер. с япон. М.: Мир, 1989. - 296 с.

50. Адарчин С.А., Кужненков А. С. Исследование процессов деградации микроэлектромеханических структур // 1-ая Российская конференция молодыхученых по математическому моделированию: Тез. докл. М., 2000. - С. 138.

51. Один из механизмов деградации микроэлектромеханических структур датчиков давления / С. А. Адарчин, А. С. Кужненков, JI. В. Кожитов, В. Г. Косушкин // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. 2002. - №2. - С. 55-58.

52. Кукуш В.Д. Электрорадиоизмерения. М. : Радио и связь, 1985. - 396 с.

53. Мильвидский М.Г., Освенский В. Б. Структурные дефекты в полупроводниках. М.: Металлургия, 1987. - 380 с.

54. Тимошенко С.П., Войновский Кригер С. В. Пластинки и оболочки. - М.: Наука, 1966. - 636 с.

55. Физическая природа разрушения / Д.В. Куликов, Н.В. Мекалова, М.М. Закриничная и др. Уфа: УГНТУ, 1999. - 346 с.

56. Пшеничнов Ю.П. Выявление тонкой структуры кристаллов: Справочник. М.: Металлургия, 1974 -528 с.

57. Yang К.Н. An etch for delineation of defects in silicon // Journal Electrochemistry Society. -1984. V.131, №5. - P. 1140-1145.

58. Хирт Дж., Лоте И. Теория дислокаций. М. : Атомиздат, 1972. - 600 с.

59. Петухов Б.В. Влияние динамического старения дислокаций на деформационное поведение примесных полупроводников // Физика и техникаполупроводников. 2002. - Т. 36, вып.2. - С. 12 9133 .

60. Власов Н.М., Зазноба В. А. Влияние атомов примеси на процесс размножения краевых дислокаций // Журнал технической физики. 2001. - Т. 71, вып. 1. - С. 53-56.

61. Рид В. Т. Дислокации в кристаллах. М. : Металлургиздат, 1957. - 500 с.

62. Петухов Б.В. Статистическая теория движения дислокаций при наличии спонтанных процессов блокирования деблокирования / / Физика твердого тела. - 2001. - Т. 43, вып. 5. - С. 813-817.

63. Динамические свойства дислокаций в термообработанных при низких температурах пластинах кремния / М.В. Меженный, М.Г. Мильвидский, В.Ф. Павлов и др. // Физика твердого тела. 2001. - Т.43, вып.1. - с. 47-50.

64. Влияние структурных дефектов на надежность микроэлектромеханических структур / С. А. Адарчин, А.С. Кужненков, JI.B. Кожитов, В.Г. Косушкин // 1-ая Российская конференция молодых ученых по физическому материаловедению: Тез. докл. Калуга, 2001. - С. 172.

65. Фистуль В.И. Введение в физику полупроводников. М. : Высшая школа, 1975. - 296 с.

66. Адарчин С.А., Кужненков А.С. Унифицированный тензомодуль для датчиков давления // Прогрессивные