ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2011, том 75, № 9, с. 1323-1325
УДК 621.385
ИССЛЕДОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА СРАЩИВАНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ТЕНЗОМОДУЛЯ НА ОСНОВЕ ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ КРЕМНИЙ-НА-ИЗОЛЯТОРЕ МЕТОДОМ ТЕРМОЭЛЕКТРОСТИМУЛИРОВАННОГО СОЕДИНЕНИЯ
© 2011 г. С. П. Тимошенков1, В. В. Калугин1, Л. В. Соколов2, Н. М. Парфёнов2
E-mail: viktor118@mail.ru
Исследовался процесс термоэлектростимулированного соединения в электростатическом поле чипа тензочувствительного элемента давления на основе гетероструктуры кремний—стекло—кремний со стеклянным опорным элементом с целью формирования тензомодуля термостойкого датчика давления.
ВВЕДЕНИЕ
Известны результаты ряда исследования термоэлектростимулированного соединения кристаллов кремния с опорными элементами из стекла типа "Pyrex" в электростатическом поле [1, 2], на основе которых получены надежные соединения элементов модулей для полупроводниковых датчиков механических величин, обеспечивающие развязку чувствительных элементов от термомеханических напряжений в корпусе датчика и, как следствие, повышение точности измерений.
Однако до настоящего времени не известны исследования процесса термоэлектростимулирован-ного соединения в электростатическом поле чипа ЧЭД КНИ на основе гетероструктуры кремний— стекло—кремний (ЧЭД КНИ-КСК) с опорным элементом из стекла.
В отличие от процессов термоэлектростимулированного соединения кристалла кремния со стеклянным опорным элементом, для структур на основе ЧЭД КНИ-КСК возникает проблема, обусловленная наличием промежуточного слоя стекла и наличием нанокластеров стекла после удаления промежуточного слоя стекла, существенно влияющих на режим процесса формирования неразъемного соединения [3, 4].
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
На рис. 1 показано поперечное сечение тензомодуля абсолютного давления на основе ЧЭД КНИ-КСК. Чип тензомодуля — это гетерострукту-ра, образованная кремниевым мембранным элементом 1, тонким слоем стекла 3 на основе оксидов
1 Московский государственный институт электронной техники ( технический университет).
2 Московский авиационный институт (государственный технический университет).
BaO—Al2O3—SiO2 и кремниевой монолитной тензо-рамкой 2.
Тензорамка, имеющая трапецеидальное сечение и образующая мостовую измерительную схему, неразъемно соединена своим широким основанием через тонкий слой стекла с мембраной. Тензорамка в поперечном направлении своими длинными сторонами максимально приближена к продольной оси симметрии, которая совпадает с кристаллографическим направлением [110] монокристаллического кремния [5]. Расположение тензорамки на тонком диэлектрическом слое стекла, имеющем очень большое электрическое сопротивление и конечное тепловое сопротивление, позволяет исключить токи утечки и снизить перегрев резисторов в тензорамке. Опорный элемент 4 изготовлен из стекла ЛК 105 типа "Pyrex".
Для обеспечения электрического контакта анода в локальных областях на поверхности чипа за пределами границ тензорамки методом химического травления удалялось стекло промежуточного слоя. Исследование поверхности в локальных областях чипа за пределами тензорамки проводилось на атомно-силовом микроскопе АСМ фирмы "Vèeco" в оптическом режиме работы с аксиальным разреше-
давления: 1 — чип ЧЭД КНИ-КСК; 2 — тензорамка; 3 — диэлектрический слой (стекло); 4 — опорный элемент.
1324
ТИМОШЕНКОВ и др.
Рис. 2. Упрощенная схема установки термоэлектро-стимулированного соединения: 1 — чип гетерострук-туры ЧЭД КНИ-КСК; 2 — опорный элемент; 3 — кассета для соединения; 4 — нагреватель; 5 — источник высокого напряжения; 6 — миллиамперметр.
Плотность тока, мА • см 2 0.6
0.4
0.2
0
250 300 350
400 450 500 Температура, °С
Рис. 3. Зависимость плотности тока от температуры в процессе соединения чипа ЧЭД КНИ-КСК с опорным элементом (при постоянной напряженности электрического поля Е = 2000 В • см-1).
Плотность тока, мА • см 2 0.3
50 150 250 350 450 Напряжение, В
Рис. 4. Зависимость плотности тока от напряжения, приложенного к соединяемым элементам тензомодуля.
нием лучше 1 ангстрема и латеральным разрешением не хуже, чем 10 нм.
Анализ морфологии поверхности показал, что в локальной области на поверхности чипа образуются немногочисленные нанокластеры стекла в результате диффузии стекла в кремниевые пластины в про-
цессе термического соединения этих пластин на этапе формирования исходной пластины с КНИ-структурой [4].
Как сращивание, так и исследование режимов процесса термоэлектростимулированного соединения проводилось на специальном технологическом оборудовании на базе доработанной вакуумной установки УВН-3, схематическое изображение — на рис. 2. Сращиваемые элементы чип 1 и опорный элемент 2 помещались в специальную кассету 3, установленную на нагреватель 4 (рис. 2). Элементы тензомодуля собирались в специальном приспособлении, позволяющем обеспечить требуемое усилие сжатия.
От источника высокого напряжения 5 на чип (анод) подавался положительный потенциал, а на пленку А1 (катод), нанесенную на поверхность опорного элемента из стекла ЛК 105, отрицательный потенциал. Электрод (анод) изготавливался полой конструкции, обеспечивающей надежный электрический контакт с чипом без повреждения интегральной тензорамки.
Режимы процесса сращивания чипа с опорным элементом варьировались в широких пределах: рабочее напряжение 300—450 В, температура нагрева 300—500°С, усилие сжатия соединяемых элементов тензомодуля 0—0.5 кгс • мм-2. Величина протекающего тока в процессе сращивания чипа с опорным элементом контролировалась по изменению падения напряжения на эталонном сопротивлении и фиксировалась с помощью самописца ПДА1.
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
На рис. 3 представлена зависимость плотности тока от температуры, полученная в процессе соединения чипа ЧСЭД КНИ-КСК с опорным элементом при постоянной напряженности электрического поля Е = 2000 В • см-1. Как следует из графика, с ростом температуры нагрева увеличивается плотность тока до перехода в насыщение, что позволяет предположить наличие диффузионного процесса.
Из графика вольт-амперной характеристики (рис. 4) очевиден рост зависимости плотности тока от напряжения, приложенного к соединяемым элементам тензомодуля. При таком характере зависимости формировалось качественное неразъемное соединение сращиваемых деталей в тензомодуль.
В результате варьирования параметрами были определены оптимальные параметры режима сращивания: рабочее напряжение 420 В, температура 410°С, длительность процесса сращивания 30 мин, усилие сжатия 0.1 кгс • мм-2. При данных режимах обеспечивалось стабильное сращивание несмотря на наличие островков стекла после удаления промежуточного слоя стекла. При меньших значениях напряжения, температуры подогрева, усилия сжатия
5
ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ том 75 № 9 2011
ИССЛЕДОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА 1325
сращиваемых элементов сращивание происходило нестабильно. При больших значениях температуры, напряжения и усилия сжатия тензомодуль разрушался.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. В результате исследования процесса термо-электростимулированного соединения чувствительного элемента на основе гетероструктуры кремний—стекло—кремний со стеклянным опорным элементом типа "Pyrex" определены оптимальные параметры режима сращивания, обеспечивающие создание качественного неразъемного соединения. Установлено, что в оптимальном режиме обеспечивается стабильное воспроизводимое сращивание, несмотря на наличие нанокла-стеров стекла.
2. Увеличения плотности тока с ростом температуры подогрева в процессе сращивания позволяет предполагать, что в основе механизма термоэлек-тростимулированного соединения лежит диффузионный процесс.
3. Качество процесса сращивания можно контролировать по характеру зависимости плотности тока от напряжения, приложенного к соединяемым элементам тензомодуля.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Погалов А.И., Тимошенков В.П., Тимошенков С.П., Чаплыгин Ю.А. // Микросистемная техника. 1999. № 1. С. 36.
2. Тимошенков С.П., Калугин В. В., Графутин В.И., Прокопьев Е.П. // Тез. докл. Международной науч-но-техн. конф. "Датчики и системы-2002". Санкт-Петербург, 2002. Т. 1. C. 205.
3. Sokolov L., Parfenov N, Timoshenkov S., Kalugin V. // Int. Conf. "Micro- and nanoelectronics-2009". October, 2009. Moscow—Zvenigorod, Russia, P. 1.
4. Соколов Л.В., Парфенов Н.М. // Тез. докл. XXIII Рос. конф. по электронной микроскопии. г. Черноголовка, 2010. C. 159.
5. Соколов Л.В. // Измерительная техника. № 9. 2009. C. 18.
ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ том 75 № 9 2011
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.