1 Модуль Раздел 2 Технология пьезорезистивного..


Чтобы посмотреть этот PDF файл с форматированием и разметкой, скачайте его и откройте на своем компьютере.

Оглавление

исполнительные микроустройства
микродвигатели, микроэлементы гидравлики, микрос
пла, микропоршни, микроредукторы, микрозеркала, микроприводы.
Рассмотрим в качестве примера технологического анализа МЭМС кремниевый пьез
электрический микродатч
ик давления, в основе которого лежит такое свойство кремния, как
пьезорезистивность. Именно такие микродатчики
все более широко
используются в настоящее
время в
самых различных
отрасл
от авиакосмической до автомобильной и бытовой.
2.1. Принцип дейс
твия и структура пьезорезистивного микродатчика
Кремниевые микродатчики давления являются самыми массовыми микроэлектромех
ническими изделиями, составляя до 40% от их общего объема. Обладая высокой чувствител
ностью к давлению, такие микродатчики имеют раз
меры, сопоставимые с размерами полупр
водниковых приборов (рис. 2.1, а).
По принципу действия такие датчики могут быть пьезорезистивными или емкостными.
В наиболее распространенных пьезорезистивных микродатчиках чувствительный элемент
представляет собой
упругую диафрагму, выполненную в кристалле монокристаллического
кремния и закрепленную на жестком, обычно стеклянном основании (рис. 2.1, б).
Рис.
Пьезорезистивный кремниевый микродатчик давления
кродатчик в корпусе, б
конструкция чувствительного элемента
Толщина диафрагмы обычно составляет 10
20 мкм, при этом толщина кристалла соо
ветствует толщине кремниевой пластины и лежит в пределах 0,4
0,8 мм.
Толщина стеклянного основания, предотвращаю
щего передачу на чувствительный эл
мент механических напряжений от корпуса, обычно не менее 3 мм. При габарите кристалла 3
мм, размер диафрагмы составляет 1 мм. Отметим, что профиль углубления под диафрагмой

Оглавление

имеет наклонные стенки, определяемые методом фо
рмирования диафрагмы
анизотропным
травлением кремния.
На поверхности диафрагмы методами микротехнологии (диффузионным легированием)
сформированы четыре пьезорезистора, соединенные металлическими проводниками с ко
тактными площадками (рис. 2.1, б).
ри приложении давления диафрагма изгибается, на ее верхней поверхности возникают
напряжения (рис. 2.2, а).
Рис. 2. 2. Пьзорезисторы на кремниевой диафрагме
размещение, б
соединение в мостовую схему
В результате пьезоэлектрического эффекта
(подробнее см. Приложение 1) сопротивл
ния резисторов
, соединенных в мостовую схему, меняются, измерительный блок фи
сирует выходной сигнал (рис. 2.2, б).
В датчиках относительного давления в стеклянном основании выполняется отверстие
для
подачи давления к внутренней полости чувствительного элемента. В датчиках абсолютн
го давления отверстия нет, а объем под диафрагмой вакуумируется.
При измерении давления коррозионной и загрязненной внешней среды необходимо и
ключить ее воздействи
е на проволочные соединения контактов резисторов с внешними выв
дами. Для этого используют промежуточные герметичные полости, ограниченные металлич
ской диафрагмой и заполненные силиконовым маслом (рис. 2.3).
Рис. 2.3. Герметизация кремниевого чу
вствительного элемента

Оглавление

2.3. Влияние конструктивных и технологических ф
акторов на чувствительность
пьезоэлектрического датчика давления
Основные технические характеристики кремниевого микродатчика давления предста
лены в таблице 1.
Таблица 1.
Технические х
арактеристики датчика давления
Параметр
Значение
Воспринимаемое давление, атм.
Чувствительность, мкВ/(В
мм.рт.ст.)
Диапазон температур,
+90
Размер кристалла, мм
Размер диафрагмы, мм
Толщина диафрагмы, мкм
Максимальная
погрешность, %
Установлено
, что для чувствительного элемента, имеющего резисторы длиной 100
мкм и
шириной 10 мкм, в котором параллельные резисторы расположены на расстоянии 50 мкм от
края диафрагмы, чувствительность составляет 57
мкВ/(В
мм.рт.ст). Эту
расчетную величину,
полученную при толщине диафрагмы 10 мкм
можно считать физическим пределом для датч
ков такого типа.
В таблице 2 приведены результаты расчета влияния различных технологических факт
ров на разброс значений чувстви
тельности пьезоэлектри
ческих датчиков.
Таблица 2.
Влияние параметров мембраны на чувствительность датчика давления
Параметр диафрагмы
Вариации чувствительности, %
Толщина:
10 мкм

мкм
0,2 мкм


Клиновидность:
2 мкм/мм
0,1мкм/мм


Размер:
1 мм
7мкм
Рассо
вмещение:
10 мкм

Оглавление

Как следует из таблицы, наибольший вклад в нестабильность выходных параметров вн
сят разнотолщинность получаемых кремниевых диафрагм и рассовмещение топологии резист
ров по отношению к краям диафрагмы.
2.4.
Технология изготовления чувствительного элемента кремниевого
микродатчика давления
В качестве заготовки для изготовления чувствительного элемента пьезорезистивного
кремниевого микродатчика давления используется кремниевая монокристаллическая подло
ориентации (100), имеющая
тип проводимости (рис. 2.4).
Рис. 2.
Пьезорезистивный кремниевый микродатчик давлении
чувс
твительный элемент датчика в разрезе; б
вид сверху на чувствительный элемент
В качестве заготовки для изготовления чувствительного элемента пьезорезистивного
кремниевого микродатчика давления используется кремниевая монокристаллическая подло
ка ориен
тации (100), имеющая
тип проводимости.
Предварительно проводится эпитаксиальное наращивание слоя
типа. Заметим, что в
данном случае эпитаксиальный слой служит не только для формирования в нем активной
структуры прибора. На заключительном этапе процес
са этот слой будет превращен в упругую
диафрагму чувствительного элемента датчика.
На о
сновны
этап
изготовления
чувствительного элемента
кремниевого микродатчика
давления формир
уются
проводники
+ типа
пьезорезисторам;
област
+ типа
для контакта
к эпитаксиальному слою
пьезорезистор
типа

Оглавление

контакт
к пьезорезисторам;
металлизация;
упруг
диафрагм
2.4.1. Формирование
проводников
+ типа
пьезорезисторам
Проводники
+ типа
это области, дублирующие токоподводы к будущим пьзорезист
рам
обеспечивающие надежный электрический контакт к ним
(рис.
а б
Рис.
Формирование
проводников
+ типа
фотошаблон, б
сечение подложки
Пластина тщательно очищается, затем те
рмическим оксидированием формируется пле
ка из
SiO
Далее проводится фотолитография: наносится и сушится слой фоторезиста, проводится
его экспонирование через фотошаблон
ис.
2.5, а)
и проявление. Через защитную фоторез
стивную маску проводится травле
ние оксида, а затем через оксидную маску
диффузионное
легирование б
ром для формирования
+ дорожек к будущим пьезорезисторам.
. Формирование области
+ типа для контакта к эпитаксиальному слою
Эта операция необходима для создания электрическо
го контакта к эпитаксиальному
слою
для подачи на него потенциала, останавливающего
травлени
при формировании ди
фрагмы.
Для этого снова проводится термическое оксидирование подложк
, нанесение фотор
зиста и вскрытие окон сначала в фоторезисте, а затем
в оксиде.
Области будущих пьезорезисторов и дорожки к ним закрываются маской из
SiO
(рис.
Затем
вся остальная поверхность кристалла подвергается
диффузи
фосфора для форм

Оглавление

рования
+ проводящих областей
а
Рис.
Формирование областей
+ типа
фотошаблон, б
сечение подложки
Формирование пьезорезисторов
На концах проводящих областей
+ типа формируют пьезорезисторы
типа провод
мости (рис.
. Их выполняют, к
ак правило, в виде меандров, образованных полосками зада
ной ширины и длины.
На этом этапе применяется уже рассмотренный набор операций: проводится термич
ское оксидирование подложек, нанесение фоторезиста и вскрытие окон по форме пьезорез
сторов, трав
ление оксида и снятие фоторезиста. Затем проводится диффузия бора для формир
вания пьезорезисторов
типа проводимости (рис.
а б
Рис.
Формирование пьезорезисторов
фотошаблон
, б
сечение подложки

Оглавление

2.4. Осаждение
на обратную сторону пластины
Эта операция необходима для создания на обратной стороне пластины защитного слоя,
который будет впоследствии использован при создании мембраны чувствительного элемента.
Слой нитрида к
ремния
осаждается из паровой фазы при пониженном давлении.
2.5. Формирование контактных окон
На этом этапе вновь производится термическое оксидирование подложек. Фотолитогр
фией и последующим травлением на концах меандров в оксидной пленке пол
учают окна, через
которые будут сформированы межсоединен
ия формируемой мостовой схемы (р
ис.
а б
Рис.
Формирование клнтактов
фотошаблон, б
сечение подложки
Металлизация
и формирование контактных площадок
На рабочую поверхность подложки наносится тонкий слой алюминия, который является
материалом межсоединений пьезорезисторов. Операция может выполняться, например, терм
ческим вакуумным напылением. Проводи
тся фотолитография и локальное травление
сквозь
вскрытые в фоторезисте окна. При этом формируется топология металлической разводки на п
верхности подложки, включая контактные площадки для последующего соединения с внешн
ми выводами (рис.

Оглавление

а б
Рис.
Напыление
алюминия
и формирование контактных площадок
фотошаблон
сечение
подложк
после завершения этапа
2.7. Анизотропное травление упругой диафрагмы
На слой нитрида
кремния
наносится фоторез
ист и проводится фотолитография
Через образующиеся окна в фоторезисте локально травится
, после чего фоторезист уд
ляется
(рис. 2.10)
Далее следует операция
анизотропного травления, основанная на том, что у кремния
скорос
ти травления разных кристаллографических плоскостей в щелочных растворах, напр
мер,
резко различаются. Так, скорость травления плоскости (100) в 400 раз выше, чем
плоскости (111). Поэтому плоскости (100) удаляются при травлении, а плоскости (111) остаю
ся, придавая профилю травления характерный вид
в наклонными стенками
Травление ведется до момента достижения требуемой толщины диафрагмы (рис.
).
После этого защитный слой
удаляется
, поскольку обратная сторона кремниевой по
ложки должна бы
ть подготовлена для соединения со стеклянным основанием.

Оглавление

Рис.
Анизотропное травление упругой диафрагмы
2.8. Монтаж кремниевого чувствительного элемента на стеклянное основание
Чувствительный элемент должен быть закреплен на опоре так, чтобы обес
печить герм
тичность полости под диафрагмой и минимизировать в ней сборочные напряжения. Наиболее
часто для этого применяется анодная сварка кремния со стеклом, обеспечивающая соединение
этих материалов в твердой фазе (рис.
Рис.
Монтаж чувстви
тельного элемента

Оглавление

Приложение 2.1.
Тензо
и пьезоэффект в кремнии
Принцип работы ряда чувствительных элементов измерительных устройств основан на
эффекте изменения сопротивления тела в зависимости от возникающих в нем напряжений.
Сопротивление
резистора
длиной
определяется известным выражением
R
S
(1)
где
удельное сопротивление материала резистора;
площадь попереч
ного сечения резистора.
Тензоэффект характеризуется выходным сигналом, связанным с относительным измен
нием сопротивления резистора Δ
Отношение Δ
зависит от ряда факторов и
определяется
как
(2)
где Δ
, Δρ , Δ
изменения сопротивления, удельного сопротивления, длины и
площади поперечного сопротивления проводника соответственно.
Точную
зависимость математически можно получить, дифференцируя (1).
Таким образом, продольной упругой деформации резистора соответствует относител
ное измене
ние его сопротивления
RLS
RLS
∆∆∆∆
+−
(3)
где
R,
абсолютные приращения сопротивления, удельного сопротивления,
длины и площади поперечного сечения про
водника соответственно.
При нагружении твердого тела силой
величины поперечных и продольных упругих
деформаций (рис.
) связаны выражением
εµε
(4)
где

значение относительной продольной (
longitudinal
деформации;

значение относительной поперечной (
traverse
)деформации

Оглавление

поперечны
й размер проводника;
коэффициент Пуассона.
Рис.
Продольные и поперечные деформации при нагружении твердого тела
С учетом выражений (3) и (4) величина относительного изменения сопротивления пр
водника со стороной
и длиной
.....................(12)
RLS
RLS
∆∆∆∆
+−
++
(5)
Основным параметром тензоэлемента является коэффициент относительной тензочувс
вительности
, который равен относительному изменению сопротивления, приходящемуся на
единицу деформаций:
⋅ ++
(6)
Заметим, что относительное изменение электропроводности
материала определяется
возникающими в нем напряжениями
и описывается выражением:
, (7)
где
пьезорезистивный коэффициент.
Как известно, зависимость между деформаци
ями
и напряжениями
в твердом теле
описывается законом Гука:
, (8)
где
модуль Юнга.
Таким образом:

Оглавление

(9)
Тогда коэффициент тензочувствительнос
ти имеет вид:
KE
++
(10)
Выражение для
наглядно показывает, что
изменение сопротивления тела в зависим
сти от возникающих
в нем напряжений определяется, во
первых, изменением его геометрич
ских размеров, а во
вторых
изменением удельной проводимости материала резистора.
У большинства металлов значение
очень мало, а величина
лежит в диапазоне
0,25…0,35, поэтому значен
ие
изменяется в пределах 1,5…1,7.
Полупроводники имеют большие значения пьезокоэффициентов, поэтому приращение
сопротивления за счет изменения удельного сопротивления может быть в несколько десят
ков и
сотен раз больше, чем изменение за счет геометрии.
Пьезоэлектрические свойства кремния являются основой изготовления чувствительных
элементов датчиков для измерения различных физических величин
силы, давления, ускорения
и т.п. Именно поэтому кремниевые микродатчики с высокой чувствительностью в микром
ниатюрном исполнении часто называют пьезорезистивными.
Пьезорезистивность
явление изменения электрического сопроти
ления полупроводн
ка под действием механических напряжений, приложенных вдоль определенных кристаллич
ских осей.

Приложенные файлы

  • pdf 23746995
    Размер файла: 761 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий