Полупроводниковые чувствительные элементы датчиков давления на основе наноструктурированного поликристаллического кремния
На основе подобной структуры возможно создание датчиков давления со следующими характеристиками, соответствующими совокупности современных требований авиационной, ракетно-космической и гражданской техники [2, 3]:
- Диапазон измерений — от 0,01 до 100,0 МПа.
- Выходной сигнал при максимальном давлении — не менее 50 мВ.
- Основная погрешность — не более ±0,2% от максимального давления.
- Температурное смещение начального выходного сигнала и изменение чувствительности — не более 0,02%/°С.
- Рабочий диапазон температур — от -100 до +500 °С.
- Долговременный дрейф от Pmax — не более 0,01% в год при условии применения ограниченной номенклатуры отечественных электрорадиоизделий особой категории качества.
В настоящее время существует множество методов формирования КНД-структур для использования их при изготовлении ЧЭ датчиков давления, например, методы рекристаллизации, эпитаксиального наращивания, анодного соединения. Но наиболее часто используются следующие [4]:
- Имплантационный метод — Silicon Implanted by Oxygen (SIMOX), когда происходит внедрение в глубину кристалла ионов кислорода c последующим синтезом скрытого окисла при отжиге.
- Метод водородного переноса кремния с окислом — Smart-Cut SOI, когда облученная водородом окисленная пластина кремния соединяется с опорной подложкой. Далее происходит почти полное удаление окисленной пластины путем ее скола имплантированным водородом.
- Метод рекристаллизации поликремния на диэлектрике.
Общим недостатком КНД-структур, полученных по первому и второму методам применительно к изготовлению на их основе ЧЭ датчиков давления, является их высокая стоимость, обусловленная применением сложного технологического оборудования и длительностью обработки, что является фактором, ограничивающим использование данных методов при производстве ЧЭ на КНД-структуре. Кроме того, ЧЭ, выполненные на SIMOX КНД-структуре, не работоспособны при температурах выше 250 °С из-за несовершенства строения имплантированного (по сравнению с термическим) слоя двуокиси кремния, частично теряющего при повышенных температурах свои изолирующие свойства.
К недостаткам третьего метода относятся большие затраты времени на обработку одной пластины и тепловые потери, диффузия загрязняющих примесей, а также низкая временная стабильность параметров датчика из-за наличия дислокаций в ЧЭ.
Для ЧЭ на КНД-структуре был предложен метод прямого сращивания без предварительной имплантации одной из пластин, когда происходит соединение двух пластин — опорной и приборной [5]. Данная технология, не требующая применения специального дорогостоящего оборудования и реализуемая на стандартном оборудовании предприятий, производящих изделия микроэлектронной промышленности, наиболее приемлема для создания ЧЭ датчиков давлений на КНД-структуре. Тем не менее, недостатком данного метода является низкий процент выхода годных кристаллов, обусловленный высокими требованиями по качеству пластин кремния в части разброса по толщине и шероховатости. Например, разброс по толщине кремниевой пластины должен быть не более Ah = ±2 мкм, а шероховатость поверхности Ra — не более 10 нм. Большинство стандартных кремниевых пластин, выпускаемых в России, имеют средний разброс Ah = ±(4-6) мкм, а шероховатость находится в интервале до 50 нм [6].
В [7] предлагается характеризовать качество соединения посредством так называемого параметра сцепления поверхностей Θ:

где E — модуль упругости соединяемых материалов; — стандартное отклонение разброса высоты; w — энергия связи; λ — длина волны поверхностных структур.
В данном параметре отражаются как геометрические величины рельефа поверхностей, так и параметры материала. Поверхности можно соединять удовлетворительно, когда Θ < 1. При показателе от 1 до 12 возникает соединение ограниченной прочности, а при Θ > 12 соединение поверхностей невозможно.
Таким образом, вероятность соединения пластин с образованием между ними кова-лентной связи по всей площади сильно зависит, по крайней мере, от двух параметров, которые в нашей стране по существующим стандартам не обеспечиваются в большинстве случаев.
Возможным вариантом решения проблемы является использование готовых КНД-структур, подходящих по своим параметрам для изготовления ЧЭ датчиков давления (минимальная толщина изолирующего слоя: hSiO2 > 0,3 мкм, толщина приборного слоя: 6 мкм > hSi > 0,8 мкм) [8]. При hSiO^ < 0,3 мкм и эксплуатации датчиков давления в температурном диапазоне свыше 300 °С возможно значительное ухудшение изолирующих свойств двуокиси кремния и, как следствие, потеря стойкости к воздействиям электромагнитных полей и токов источников естественного и искусственного происхождения. Ограничениями при использовании такого подхода можно считать относительно высокую стоимость исходных КНД-пластин, а также низкий уровень отработанности технологических методов диффузии и травления при формировании измерительной схемы и других элементов на готовых КНД-пластинах.
Одним из вариантов КНД-структуры является структура «поликристаллический кремний (приборный слой) — двуокись кремния (изолирующий слой) — монокристаллический кремний (несущая подложка)»: она позволяет реализовать преимущества КНД-структуры и имеет лишь один существенный недостаток — малый коэффициент тензо-чувствительности поликремния [9]. Вместе с тем, преимуществами такой структуры являются высокий процент выхода годных элементов и низкая стоимость производства, обусловленные относительно высоким уровнем освоения технологии формирования поликремния на двуокиси кремния.
Далее будут рассмотрены конструктивно-технологические решения по созданию полупроводниковых ЧЭ датчиков давления на основе наноструктурированного поликристаллического кремния, совмещающих в себе достоинства КНД-структуры и поликремния, когда одновременно с обеспечением надежной изоляции между элементами схемы и подложкой относительная тен-зочувствительность слоев наноструктури-рованного поликристаллического кремния имеет значение, равное или большее аналогичному значению для монокристаллического кремния.
В основе созданных решений — технология нанесения поликристаллической пленки кремния газофазным разложением моно-силана в реакторе пониженного давления при повышенной температуре, ионное легирование бором различными дозами в области тензо- и терморезисторов и высокотемпературный отжиг в кислородной среде для структурирования пленки поликристаллического кремния и формирования защитной пленки над тензо- и терморезисторами толщиной 70-100 нм.
Легированные примесью зерна поликристаллического кремния размером 20-30 нм и наноразмерные границы раздела между ними определяют механизм проводимости сформированной структуры, и при этом обеспечиваются новые, не присущие тензо-и терморезисторам на монокристаллическом кремнии, изолированном от подложки р-n-переходом, свойства: возможность получения заданных величин температурных коэффициентов сопротивлений (как положительных, так и отрицательных), высокий уровень тензочувствительности, возможность работы при повышенных температурах и повышенная временная стабильность [10].
При высоком уровне концентрации легирующей примеси (в структуру тензоре-зистора) определяющим в формировании проводимости в наноструктурированном поликремнии является объемное сопротивление кристаллитов, что и обуславливает положительный температурный коэффициент сопротивления (ТКС).
При низком уровне концентрации легирующей примеси (в структуру терморезистора) основными в формировании проводимости в наноструктурированном поликремнии являются составляющие, обусловленные существованием потенциального барьера на границах зерен (наноразмерные расстояния между зернами) и пространственного заряда барьера, что и определяет отрицательный ТКС.
Результаты исследований структуры поликристаллического кремния представлены на рис. 1.

Рис. 1. Структура поликристаллического кремния: а) 3D-изображение; б) 2D-изображение
На рис. 1 видно, что структуры имеют пористость с ярко выраженными фигурами роста в виде овалообразных выпуклостей. Средняя глубина пор составляет значение от 3 до 5 нм.
Технологические этапы формирования ЧЭ датчика давления на основе тензо- и термочувствительных структур из наноструктурированного поликристаллического кремния приведены на рис. 2.

Рис. 2. Этапы формирования ЧЭ датчика давления:
а) окисление кремниевой пластины, формирование методом фотолитографии защитной маски из окисла кремния и формирование мембраны требуемой толщины методом анизотропного травления кремния в КОН; б) формирование изолирующего диэлектрического слоя и осаждение поликристаллического кремния в реакторе пониженного давления; в) формирование мезаструктур из поликристаллического кремния и первое легирование до уровня концентрации, соответствующего терморезистору; г) формирование защиты терморезистора из фоторезиста и второе легирование до уровня концентрации, соответствующего тензорезисторам; д) отжиг сформированной поликремниевой структуры для активации примеси в областях термо- и тензорезисторов и формирование над ними защитного слоя окисла кремния; е) вскрытие окон в защитной диэлектрической пленке и формирование металлизации
В ОАО «НИИФИ», в рамках создания двух-канального полупроводникового датчика давления и датчика давления и температуры, были разработаны и изготовлены ЧЭ, содержащие тензо- и термочувствительные структуры на основе наноструктурированного поликремния. Каждый ЧЭ состоит из кремниевого кристалла и стеклянного основания, соединенных электростатическим способом в вакууме. На рис. 3 представлена топология кремниевого кристалла. Видно, что кристалл содержит четыре тензорезистора R1-R4 с номинальным значением сопротивления 2700 Ом (изготовленных по второму режиму легирования с высокой концентрацией бора, которое обеспечивает меньшее значение удельного поверхностного сопротивления Rs = 150 Ом/D и меньшую термочувствительность по сравнению с первым режимом) и один терморезистор R5 с номинальным значением сопротивления 6000 Ом (изготовленный по первому режиму легирования с низкой концентрацией бора, с удельным поверхностным сопротивлением Rs = 6000 Ом/т). ЧЭ устанавливались в измерительный модуль датчика по 2, как показано на рис. 3.

Рис. 3. а) Топология чувствительного элемента; б) фотография чувствительного элемента; в) фотография измерительного модуля
Чувствительность тензо- и термоструктур исследовалась в процессе испытаний измерительных модулей датчика. В результате испытаний были достигнуты следующие технические характеристики:
- Относительная тензочувствительность поликремниевых наноструктурированных тензорезисторов ΔR/R составила значение от 1,67х10-2 до 4,17х10-2, что не только не уступает, но и превышает значения тен-зочувствительности, характерные для ЧЭ на основе монокристаллического кремния.
- Основная погрешность для различных образцов составила от 0,15 до 0,5%, среднее значение — 0,3%. Градуировочная характеристика модуля на основе ЧЭ представлена на рис. 4а. Видно, что максимальная амплитуда выходного сигнала составила значениеболее 200 мВ, что характерно для ЧЭ на основе монокристаллического кремния.
- Температурный коэффициент сопротивления (ТКС) наноструктурированного терморезистора составил значение от -0,6 до -1 %/°С, график зависимости сопротивления терморезистора от температуры в диапазоне от -50 до +150 °С представлен на рис. 4б.

Рис. 4. а) Градуировочная характеристика измерительного модуля на Рмакс = 160 кгс/см2 при постоянном напряжении UnH7 = 6 В; б) график зависимости сопротивления терморезистора от температуры
Таким образом, конструктивно-технологические решения по разработке ЧЭ на основе наноструктурированного поликристаллического кремния позволили совместить достоинства КНД-структуры и поликремния для создания перспективных датчиков давлений для ракетно-космической, авиационной и гражданской техники. В первую очередь такие датчики смогут найти свое применение в тех областях, где необходимы высокотемпературные измерения давлений. Например, в газогенераторе, газопроводах, турбонасос-ном агрегате и других частях различных двигателей, где температура достигает значения 600 °С и более. Также существует задача измерения пульсаций давлений в камере сгорания двигателей, с обеспечением непрерывного контроля процесса сгорания топлива с целью управления этим процессом в направлении повышения экономичности и минимизации вредных выбросов.
Например, исследовательский центр NASA Glenn (США) ведет программу по разработке и созданию «интеллектуального» авиадвигателя, соответствующего все возрастающим требованиям по сокращению выбросов, снижению расхода топлива и повышению безопасности. Данная программа включает в себя разработку высокотемпературных датчиков давления, способных длительно эксплуатироваться при температуре до 600 °С. Кроме того, данная организация в рамках программы по разработке усиленных сверхминиатюрных телеметрических и датчиковых систем (HSTSS), финансируемой Министерством обороны США и Управлением перспективных исследовательских программ (DARPA), работает над созданием информационно-измерительных систем (ИИС) для измерения физических явлений, связанных с запуском орудийных снарядов как элементов нового класса интеллектуальных боеприпасов [11, 12]. В этом случае датчики давления, являясь непременным атрибутом таких ИИС, будут испытывать не только жесткие условия, характерные для первоначального удара и вибрации при выстреле, но и предельные значения высокой температуры, высоких давлений и больших электромагнитных полей, связанных с пусковыми механизмами.
Кроме контроля параметров авиационных и ракетно-космических двигателей, существует задача регулировки, обработки и протоколирования теплотехнических параметров дизельных двигателей и двигателей внутреннего сгорания путем измерения давления сгорания топлива в цилиндре двигателя. Это позволит осуществлять оперативный контроль рабочего процесса двигателей, проводить регулировки двигателя с оценкой тепловых параметров во всех цилиндрах, своевременно выявлять возникающие неисправности, устранять межцилиндровую и межцикловую нестабильности, накапливать информацию в базе данных для после-дующей оценки изменения технического состояния двигателя. На основании полученной информации можно обеспечить идентификацию неисправности деталей топливной аппаратуры, выявить нарушение фаз топливоподачи, износ поршневых колец и втулки цилиндра, прогар выпускных клапанов, а также неисправность турбокомпрессора.
Кроме контроля давлений в двигательных установках, изделиях авиационной техники, существует необходимость измерения давления в нефтегазовой отрасли, например, геотермические и гидрогеологические исследования нефтяных и газовых скважин, процессов бурения, контроль работы установок добычи нефти и газа и др., где температура измеряемой среды может достигать 600 °С.
В настоящий момент такие измерения либо не реализуются вообще, либо проводятся с помощью датчиков давления, имеющих значительно меньший рабочий температурный диапазон, когда измерения проводятся с помощью систем охлаждения, либо дистанцированием датчика от измеряемого объекта, что отрицательно влияет на частотные, динамические и конструкционно-технологические характеристики измерительной системы. Например, широко распространенный метод измерения давления высокотемпературных сред, при котором давление с помощью отводной трубки или капилляра с жидкостью передается в низкотемпературную зону, где измеряется с помощью стандартных датчиков, имеет ряд недостатков. В частности, при измерении давления паров в отводных трубках образуется конденсат или сублимат; при измерении давления расплавов в качестве передающей жидкости обычно используют экологически вредную ртуть.
Представленные в данной статье решения позволяют решить существующую проблему измерения давления высокотемпературных сред: достаточно глубоко освоенная технология создания ЧЭ на основе компонентов из поликристаллического кремния совмещается с изначально более совершенной по сравнению с традиционными подходами (ЧЭ на основе объемного кремния, поликристаллического кремния, металло-пленочных компонентов и др.) КНД-техно-логией, являющейся технологически менее привлекательной для создания ЧЭ датчиков давления.
Литература
- Баринов И. Полупроводниковые чувствительные элементы датчиков давлений на основе структуры «кремний-на-диэлектрике». Дис. на зв. канд. техн. наук. Защищена 22.12.05. Пенза. 2005.
- ГОСТ РВ 20.39.304-98. Аппаратура, приборы, устройства и оборудование военного назначения. Требования стойкости к внешним воздействующим факторам.
- Баринов И. Полупроводниковые тензорезистив-ные датчики давления на основе КНД-структу-ры // Компоненты и технологии. 2009. № 5.
- Madou M. J. Fundamentals of microfabrication: the science of miniaturization. 2nd ed. CRC Press, 2002.
- Патент RU2284613.
- ТУ 11-ЕТ0.035.206ТУ-83. Пластины монокристаллического кремния для МОП БИС.
- Hiller K. Technologieentwicklung fur kapazitive Sensoren mit bewegten Komponenten. Chemnitz, Technische Universitat Chemnitz, 2004.
- www.soitec.fr
- Akhtar J., Dixit B. B., Pant B. D., Deshwal V. P. Polysilicon piezoresistive pressure sensors based on MEMS technology // IETE journal of research. 2003. Vol. 49. № 6.
- Maier-Schneider D., Kprll A., Holm S. B., Obermeier E. Elastic properties and microstructure of LPCVD polysilicon films // Journal of Micromechanics and Microengineering. 1996. Vol. 6. № 4.
- http://www.grc.nasa.gov/WWW/SiC/ publications.html
- Katulka G. L. Micro-electromechanical Systems and Test Results of SiC MEMS for High-g Launch Application // Proceedings of IEEE Sensors. 2002. 12-14 June. USA.