Микроэлектронная технология изготовления тонкопленочных датчиков газов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.01, кандидат технических наук Просвирин, Денис Борисович

• Просвирин, Денис Борисович
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Просвирин, Денис Борисович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ДАТЧИКИ ГАЗОВ.

1.1. Общие требования к конструкциям датчиков газов.

1.2. Конструкции толстопленочных датчиков газов.

1.3. Конструкции тонкопленочных датчиков газов.

1.4. Технологические способы получения пленок диоксида олова.

1.4.1. Окисление слоев металлического олова.

1.4.2. Гидролиз растворов хлорного олова.

1.4.3. Метод магнетронного напыления.

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 1.

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЕ ГАЗОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ СВОЙСТВ ГАЗОВЫХ ДАТЧИКОВ.

2.1. Конструкции кристаллов газовых датчиков.

2.2. Технологические маршруты изготовления кристаллов газовых датчиков.

2.3. Технологические маршруты сборки кристаллов газовых датчиков в корпуса.!.

2.4. Термообработка и газочувствительные свойства пленок Sn02 в составе газовых датчиков.

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 2.

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ И УСТОЙЧИВОСТИ КОНСТРУКЦИЙ ГАЗОВЫХ ДАТЧИКОВ К МЕХАНИЧЕСКИМ ВОЗДЕЙСТВИЯМ.

3.1. Тепловые характеристики элементов датчика.

3.2. Анализ распределения тепловых потоков в конструкции датчика.

3.2.1. Излучение.

3.2.2. Конвекция.

3.2.2. Теплопередача.

3.3. Экспериментальное определение тепловых потерь в конструкции газового датчика.

3.3.1. Статический режим электропитания (нагрева).

3.3.2. Импульсный режим электропитания (нагрева).

3.4. Устойчивость к механическим воздействиям различных конструкций газовых датчиков.

3.4.1. Объекты и методика исследования устойчивости к механическим воздействиям конструкции газовых датчиков.

3.4.2. Вибрационное воздействие.

3.4.3. Воздействие одиночных ударов многократного действия и однократных ударов.

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 3.

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ СТАБИЛЬНОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИИ ГАЗОВОГО ДАТЧИКА.

4.1. Испытательный стенд для исследования стабильности свойств элементов конструкции датчиков газа под воздействием энергоциклов.

4.2. Режимы испытаний датчиков газа.

4.3. Результаты исследования стабильности свойств элементов конструкции датчиков газа при импульсном режиме работы.

4.4. Результаты исследования стабильности свойств элементов конструкции датчиков газа при непрерывном режиме работы.

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 4.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Микроэлектронная технология изготовления тонкопленочных датчиков газов»

Актуальность темы

Для обеспечения безопасной жизнедеятельности персонала на химических, горнодобывающих, металлургических и других объектах, а также в быту и для проведения экологического мониторинга окружающей среды необходимо применение датчиков токсичных и взрывоопасных газов. Подобные устройства должны обеспечивать выборочную реакцию на определенные компоненты газовой среды, обладать высокой надежностью и воспроизводимостью результатов. Сенсорные элементы таких систем должны обладать максимально высокой чувствительностью, избирательностью, стабильностью свойств и технологичностью в производстве. В случае охранной и предупредительной сигнализации газовые датчики также должны обладать миниатюрностью для скрытности, низким энергопотреблением для увеличения срока автономности и устойчивостью к механическим воздействиям.

Наличие таких приборов, например датчиков утечки бытового газа, в каждом доме повышает безопасность жизни человека.

Среди всего многообразия газовых датчиков наиболее полно предъявленным требованиям удовлетворяют полупроводниковые датчики на основе широкозонных полупроводников, из которых Sn02 (диоксид олова) исторически наиболее популярен.

Один из первых промышленно изготовленных газовых датчиков был сконструирован и изготовлен японским ученым Тагучи (Taguchy) в 60-х годах прошлого века. Датчики этого типа изготавливаются по толстопленочной технологии. Главными недостатками данных конструкций в противовес простоте изготовления являются высокое энергопотребление, а также нетехнологичность в производстве.

Несмотря на то что подобные изделия до сих пор изготавливаются и находят применение, наиболее перспективными для использования являются датчики, изготовленные по микроэлектронной технологии. При этом за счет применения хорошо отработанных, высокотехнологичных процессов может достигаться массовость, стабильность и воспроизводимость параметров газовых датчиков (ГД), низкая себестоимость изделий.

В этой связи вопросы разработки микроэлектронной технологии изготовления полупроводникового ГД, обеспечения стабильности электрических и механических свойств элементов, входящих в конструкцию ГД, являются актуальными. Цель работы

Разработка микроэлектронной технологии изготовления тонкопленочных датчиков газов, изготовление макетных образцов датчиков во взрывозащитном исполнении и проведение испытаний, подтверждающих оптимальность технологии их изготовления.

Для достижения поставленной цели в диссертации следовало решить следующие задачи:

1. Разработать технологию изготовления датчиков газа с металлизацией на основе различных материалов. Изготовить макетные образцы датчиков газа во взрывозащитном исполнении и исследовать их газочувствительные свойства.

2. Провести анализ и экспериментальные исследования тепловых потерь в конструкциях газовых датчиков. Определить вклад различных видов тепловых потоков в общие тепловые потери конструкции.

3. Исследовать устойчивость макетов датчиков газа к механическим воздействиям в соответствии с ГОСТ 20.57.406-81 "Изделия электронной техники, квантовой электроники и электротехнические. Методы испытаний".

4. Разработать испытательный стенд и провести исследования стабильности свойств элементов конструкции газовых датчиков под воздействием энергоциклов и в условиях длительной работы под нагрузкой.

Научная новизна

1. Разработана технология изготовления датчиков газа с платиновой и нихромовой системами металлизации с использованием технологических операций производства СВЧ транзисторов и метода взрывной фотолитографии для нанесения сенсорной пленки Sn02.

2. Получены данные по газовой чувствительности макетных образцов газовых датчиков во взрывозащитном исполнении и тепловым потерям в газовых датчиках.

3. Показано, что применение специального компаунда для монтажа кристалла в корпус улучшает механическую прочность конструкции газового датчика, при этом практически не увеличивая тепловые потери.

4. Установлена длительность переходных тепловых процессов при импульсном режиме нагрева газовых датчиков. Показана высокая стабильность свойств элементов конструкции газового датчика с платиновой системой металлизации при длительной эксплуатации в импульсном и непрерывном режимах работы.

Практическая значимость

1. Технология и маршрут изготовления кристалла газового датчика совместимы с маршрутом серийного производства СВЧ транзисторов.

2. Разработана технология сборки датчиков газа во взрывозащитном исполнении с использованием стандартного оборудования в корпуса интегральных схем, позволяющая снизить энергопотребление изделия и обеспечить устойчивость конструкции к механическим нагрузкам.

3. Проведены исследования устойчивости газовых датчиков к механическим воздействиям и стабильности свойств элементов конструкции в реальных условиях эксплуатации.

4. Разработана электрическая схема и конструкция испытательного стенда для проведения испытаний макетных образцов датчиков газа на стабильность их параметров под воздействием энергоциклов и в условиях длительной работы под нагрузкой.

Положения, выносимые на защиту

1. Технология изготовления газового датчика, адаптированная к технологии серийного производства СВЧ транзисторов и соответствующая требованиям взрывозащиты.

2. Газочувствительные свойства макетных образцов газовых датчиков.

3. Расчетные и экспериментальные данные по исследованию механизмов тепловых потерь при статическом и импульсном режимах электропитания.

4. Экспериментальные данные по исследованию устойчивости макетных образцов газовых датчиков к механическим воздействиям и стабильности свойств датчиков газа в реальных условиях эксплуатации.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и научно - технических семинарах: I Всероссийской конференции "Физико - химические процессы в конденсированном состоянии и на межфазных границах "ФАГРАН 2002" (Воронеж, 2002); IV Научно - технической конференции "Электроника и информатика 2002" (Москва, 2002); Научно - практической конференции Союза металловедческих обществ России "Новые функциональные материалы и экология" (Москва, 2002); XV Научно - технической конференции с участием зарубежных специалистов "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления" (Москва, 2003); XVI Научно - технической конференции с участием зарубежных специалистов "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления" (Москва, 2004); XXI Международной конференции "Релаксационные явления в твердых телах" (Воронеж, 2004).

Публикации

По материалам исследований опубликовано 13 работ.

В совместных работах автору принадлежит проведение и обработка результатов экспериментальных исследований, разработка технологических маршрутов изготовления газового датчика, разработка методик испытаний макетных образцов датчиков газа, выполнение теоретических расчетов.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения. Работа изложена на 123 страницах текста, включая 6 таблиц, 38 иллюстраций и список использованной литературы из 68 наименований.

Заключение диссертации по теме «Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и нано- электроника на квантовых эффектах», Просвирин, Денис Борисович

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В диссертации получены следующие научно-технические результаты:

1. Разработана технология изготовления датчиков газа с платиновой и нихромовой металлизацией с использованием стандартных технологических операций производства СВЧ транзисторов и метода взрывной фотолитографии для нанесения сенсорной пленки Sn02. Экспериментально апробированы и отработаны все этапы технологического маршрута изготовления датчиков газа. Изготовлены макетные образцы датчиков газа во взрывозащитном исполнении и исследованы их газочувствительные свойства.

2. Проведен анализ тепловых потоков в конструкции газового датчика. Основной отвод тепла от кристалла газового датчика осуществляется через проволочные контактные выводы. Экспериментально исследованы тепловые потери при статическом и импульсном режимах электропитания. Показано, что применение специального компаунда для приклейки кристалла к корпусу не приводит к существенному увеличению тепловых потерь по сравнению с традиционной конструкцией датчика с кристаллом, подвешенным на проволочных выводах.

3. Проведены исследования различных конструктивных исполнений газовых датчиков на устойчивость к вибрационному воздействию, воздействию одиночных ударов многократного действия и однократных ударов. Показано, что для использования в составе микроэлектронной аппаратуры предпочтительно применение конструкции с наклейкой кристалла на специальный компаунд и проволочными выводами диаметром 35 мкм, так как эти конструкции обладают требуемой механической прочностью.

4. Проведен анализ длительности переходных тепловых процессов при импульсном режиме нагрева газовых датчиков. На основании полученных данных обоснован выбор режимов проведения испытаний газовых датчиков. Разработан и изготовлен испытательный стенд для исследования стабильности свойств элементов конструкции газовых датчиков под воздействием энергоциклов и в условиях длительной работы под нагрузкой. Проведены исследования стабильности свойств элементов конструкции газового датчика. Установлено, что наибольшей стабильностью свойств обладают конструкции с кристаллом, имеющим металлизацию на основе платины.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Просвирин, Денис Борисович, 2005 год

1. Бутурлин А.И., Габузян Т.А., Голованов Н.А. Газочувствительные датчики на основе металлоксидных полупроводников // Зарубежная электронная техника №10, 1983, стр. 3-39.

2. Виглеб Г. Датчики. М.: Мир, 1989, 196 с.

3. Simon I., BaArsan N., Bauer M., Weimar U. Micromachined metal oxide gas sensors: opportunities to improve sensor performance // Sensors and Actuators В 73 (2001) p. 1-26.

4. R. Taguchi. Japanese Patent 45-38200 (1992).

5. Dong Hyun Kim, Ji Young Yoon, Нее Chan Park, Kwang Ho Kim. CO2 -sensing characteristics of Sn02 thick film by coating lanthanum oxide //

6. Sensors and Actuators В 62 (2000) p.61-66.th6. 153 Meeting of the Electrochemical Society Seatle, Washington, 1978, Abstr. N 37.

7. Моррисон С.P. Химическая физика поверхности твердого тела.-М.: Мир, 1982.-583 с.

8. Полупроводниковые сенсоры в физико-химических исследованиях Мясников И.А., Сухарев В.Я., Куприянов Л.Ю., Завьялов С.А.-М.: Наука, 1991-327с.

9. Solid State Gas Sensors / Edit. P.S. Mosley, B.S. Tofield // Bristol. 1994.

10. Астафьева Л.В., Скорняков Г.П. Установка для получения пленок двуокиси олова // ПТЭ.-1980.- №5.- С.235 237.

11. Popova L.I., Michailov M.G., Georguiev V.K. Structure and morpholo of thin SnCb films // Thin Solid Films.- 1990.- Vol. 186.- P. 107 112.

12. Astie S., Gue A.M., Scheid E., Guillement J.P. Design of a low power Sn02 gas sensor integrated on silicon oxynitride membrane // Sensors and Actuators В 67 (2000) p.84-88.

13. Gotz A., Gratia I., Plaza J.A., Cane C., Roetsch P., Bottner H., Seibert K. A novel methodology for the manufacturability of robust CMOSsemiconductor gas sensor arrays // Sensors and Actuators В 77 (2001) p.395-400.

14. Kim C.K., Choi S.M., Noh I.H., Lee J.H., Hong C., Chae H.B., Jang G.E., Park H.D. A study on thin gas sensor based on SnC>2 prepared by pulsed laser deposition method // Sensors and Actuators В 77 (2001) p.463-467.

15. Gardner J., Pike A., N. de Rooji, Koudelka-Hep M., Clerc P., Hierlemann A., Gopel W. Integrated array sensor for detecting organic solvents // Sensors and Actuators В 26/27 (1995) p. 135-139.

16. Lee D., Chung W., Choi M., Back J. Low-power micro gas sensor // Sensors and Actuators В 33 (1996) p.147-150.

17. Maccagnani P., Don L., Negrini P. Thermo-insulated microstructures based on thick porous silicon membranes, in: Proceedings of the 13th European Conference on Solid-State Transducers, The Hague, The Netherlands, 1215 September 1999, p.817-820.

18. Becker Th., Ahlers S., Bosch-v.Braunmuhl Chr., Muller G., Kiesewetter O. Gas sensing properties of thin- and nhick-film tin-oxide materials // Sensors and Actuators В 77 (2001) p.55-61.

19. Briand D., Krauss A., B. van der Schoot, Weimar U., Barsan N., Gopel W., N.F. de Rooij Design and fabrication of high-temperature micro-hotplates for drop-coated gas sensors // Sensors and Actuators В 68 (2000) p.223-233.

20. Dusco C., Va zsonyi E., Adam M., Szabo I., Barsony I., Gardeniers J., A. van den Berg Porons silicon hulk micromachining for thermally isolated membrane formation // Sensors and Actuators A 60 (1997) p.235-239.

21. Semancik S., Cavicchi R.E., Wheeler M.C., Tiffany J.E., Poirier G.E., Walton R.M., Suehle J.S., Panchapakesan В., DeVoe D.L. Microhotplate platforms for chemical sensor research // Sensors and Actuators В 77 2001, p.579-591.

22. Sheng L., Tang Z., Wu J., Clian P., Sin J. A low-power CMOS compatible integrated gas sensor using maskless tin oxide sputtering // Sensors and Actuators В 49 1998, p.81-87.

23. Philip C.H. Chan, Gui-zhen Yan, Lie-yi Sheng, Rajnish K. Sharma, Zhenan Tang, Johnny K.O. Sin, I-Ming Hsing, Yangyuan Wang An integrated gas sensor technology using surface micro-machining // Sensors and Actuators В 82 2002, p.277-283.

24. Chung W., Shim C., Choi S., Lee D. Tin oxide microsensor for LPG monitoring // Sensors and Actuators В 20 (1994) p. 139-143.

25. Storm U., Bartels O., Binder J. A resistive gas sensor with elimination and utilization of parasitic electric fields // Sensors and Actuators В 77 2001, p.529-533.

26. Иоффе А.Ф. Сообщение о научно-технических работах в республике Катализ. Л.: НХТИ, 1930. - 53 с.

27. Киселев В.Ф. Поверхностные явления в полупроводниках и диэлектриках. М: Наука, 1970. - 399 с.

28. Hille P., Strack H. A heated membrane for a capacitive gas sensor // Sensors and Actuators A 32 (1992) p.321-325.

29. Gotz A., Gracia I., Cane C., Lora-Tamayo E. Thermal and mechanical aspects for designing micromachined low-power gas sensors // J. Micromech. Microeng. 7 (1997) p.247-249.

30. Tuller H., Mlcak. R. Photo-assisted silicon micromachining: opportunities for chemical sensing // Sensors and Actuators В 35/36 (1996) p.255-261.

31. Saul C., Zemel J. Diode-based microfabricated hot-plate sensor // Sensors and Actuators A 65 (1998) p. 128-135.

32. Панкратов Е.М., Рюмин В.П., Щелкина Н.П. Технология полупроводниковых слоев двуокиси олова М.: Энергия, 1969 — 56 с.

33. Stoev I., Khol D. An integrated gas sensor on silicon substrate with sensitive layer of SnOx // ISPPME 6th International School on Physical Problems in Microelectronics 1989 - P.482 - 489.

34. Onyiat A.I., Okeket C.B. Fabrication and characterisation of tin oxide Sn02 thin films using simple glass spray systems // Appl. Phys 1989 - Vol.22.— P.1515- 1517.

35. Минайцев B.M. Нанесение пленок в вакууме.-М.: Высш. шк., 1989 — 110 е.: ил.

36. Технология СБИС / Под ред. С.Зи.-М.: Мир, 1986М53 с.

37. Данилин Б.С., Сырчин В.К. Магнетронные распылительные системы.-М.: Радио и связь, 1982.-72 с.

38. Рембеза С.И., Буслов В.А., Рембеза Е.С., Викин О.Г., Викин Г.А. Твердотельный интегральный датчик газов / Патент РФ № 2257567 от 27.07.2005 г.

39. Harold Sobol // Applications of Integrated Circuit Technology of the IEEEE, (1971) N8 p.59.

40. Влияние термообработок на элементы конструкции микроэлектронных датчиков газов / С.И. Рембеза, Д.Б. Просвирин, О.Г. Викин, Г.А. Викин, В.А. Буслов // Электроника и информатика -2002: Тез. докл. IV междунар. науч.-техн. конф. М.: МИЭТ, 2002. С. 344-345.

41. Ефимов И.Е., Козырь И.Я., Горбунов Ю.И. //Микроэлектроника М.:1. Высшая школа, с. 172 187.

42. Технологические схемы изготовления микроэлектронных датчиков газов / С.И. Рембеза, Д.Б. Просвирин, О.Г. Викин, Г.А. Викин, В.А. Буслов // Электроника и информатика 2002: Тез. докл. IV Междунар. науч.-техн. конф. М.: МИЭТ, 2002. С. 342-343.

43. Технологические схемы изготовления микроэлектронных датчиков газов / С.И. Рембеза, Д.Б. Просвирин, О.Г. Викин, В.А. Буслов // Твердотельная электроника и микроэлектроника: Межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ВГТУ, 2003. С. 110-115.

44. Особенности конструкции и технологии изготовления тонкопленочных металлоксидных интегральных сенсоров газов / С.И. Рембеза, Д.Б. Просвирин, О.Г. Викин, Г.А. Викин, В.А. Буслов, Д.Ю. Куликов // Сенсор. 2004. №1, С. 20-28.

45. Технология тонких пленок (справочник). Под ред. JT. Майссела, Р. Глэнга. Нью-Йорк, 1970. Пер с англ. под ред. М.И. Елинсона, Г.Г. Смолко, Т.2. М., "Сов. радио", 1977, 768 с.

46. Технология тонких и толстых пленок / Рейсман А., Роуза К. — М.: Мир, 1972.- 175 с.

47. Данилин Б.С., Сырчин В.К. Магнетронные распылительные системы. М.: Радио и связь, 1982.-72 с.

48. Пленочная технология. Под ред. JT. Холлэнда. Пер. с англ. под ред. М.И. Елинсона. М., "Мир", 1968. - 367 с.

49. Джоветт Ч.Е. Технология тонких и толстых пленок для микроэлектроники // Пер. с англ. М.: "Металлургия". 1980. 112 с.

50. Технология получения тонких пленок SnOx / С.И. Рембеза, Н.П. Бутырин, Д.Ю. Куликов, Д.Б. Просвирин // Твердотельная электроника и микроэлектроника: Межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ВГТУ, 2005. С. 76-81.

51. ГОСТ Р 51330.1-99 (МЭК 60079-1-98) ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ ВЗРЫВОЗАЩШЦЕННОЕ. Часть 1. Взрывозащита вида "взрывонепроницаемая оболочка".

52. ГОСТ 6613-86 "Сетки проволочные тканые с квадратными ячейками. Технические условия".

53. Охотин А.С., Боровикова Р.П., Нечаева Т.В., Пушкарский А.С. Теплопроводность твердых тел // Справочник, Под ред. А.С. Охотина. М., Энергоатомиздат, 1984. 320 с.

54. Таблицы физических величин // Справочник, Под ред. акад. И. К. Кикиона. М., Атомиздат, 1976, 1008 с.

55. Закс Д.И. Параметры теплового режима полупроводниковых микросхем. М.: Радио и связь, 1983. 128 с.

56. Карслоу Г., Егер Д. Теплопроводность твердых тел. М.: Наука, 1964.

57. Захаров А.Л., Асвадурова Е.И. Расчет тепловых параметров полупроводниковых приборов: Метод эквивалентов. М.: Радио и связь, 1983.- 184с.

58. Тепловые переходные процессы в газовых сенсорах / С.И. Рембеза, Д.Б. Просвирин, О.Г. Викин, Г.А. Викин, В.А. Буслов, Д.Ю. Куликов // Сенсор. 2005. №1. С. 49-54.

59. Тепловые переходные процессы в конструкции газовых сенсоров / С.И. Рембеза, Д.Б. Просвирин, Д.Ю. Куликов, О.Г. Викин, Г.А.Викин, В.А. Буслов // Релаксационные явления в твердых телах: Тез. докл. XXI Междунар. конф. Воронеж, 2004. С. 53.

60. ГОСТ 20.57.406-81 "Изделия электронной техники, квантовой электроники и электротехнические. Методы испытаний".

61. Методы измерения параметров полупроводниковых приборов, ГНТИ, пер. с англ. под ред. М.И. Иглицына, Москва, 1961, 264 с.