Применение диэлектрических тугоплавких окислов в датчиках измерения давления

УДК 621.793.7

А. В. Хошев, Д. В. Попченков, Е. М. Соловьева

ПРИМЕНЕНИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ТУГОПЛАВКИХ ОКИСЛОВ В ДАТЧИКАХ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ

A. V. Khoshev, D. V. Popchenkov, E. M. Solov'eva

THE USAGE OF DIELECTRIC HIGH-MELTING OXIDES IN SENSORS FOR PRESSURE MEASUREMENT

Аннотация. Представлены результаты исследования применения тугоплавких окислов для формирования диэлектрических структур на чувствительных элементах тонкопленочных тензорезистивных датчиков давления. Показано, что электронно-лучевой метод распыления позволяет формировать диэлектрические слои на основе тугоплавких окислов с заданными параметрами.

Abstract. The research results of high-melting oxides usage for dielectric structures forming on sensing elements of thin-film piezoresistive pressure sensors have been given. It has been shown that the electron - beam sputtering method allows to form dielectric layers on the basis of high-melting oxides with the preset parameters.

Ключевые слова: чувствительный элемент, гетероструктура, тонкопленочный диэлектрик, изоляция, температурный коэффициент линейного расширения.

Key words: sensing element, heterostructure, thin-film dielectric, insulation, temperature coefficient of linear expansion.

Тонкопленочные датчики давления предназначены для преобразования давления рабочих сред в электрический сигнал и выдачи информации в систему телеметрических измерений или систему автоматического управления [1].

Обязательным условием работы металлопленочного датчика давления является обеспечение изоляции между упругим элементом (УЭ) и тензорезисторами. Для выполнения этого условия на упругом элементе методами тонкопленочной технологии формируют пленку из диэлектрического материала.

Главным недостатком использующегося в действующей технологии оксида кремния

является его температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) - 0,55 -10-6 °C-1 в н.у., сильно отличающийся от ТКЛР материала УЭ - сплава 36НХТЮ-Ш, ТКЛР которого (12-18)-10_б °C-1 в н.у. Эта разница приводит к возникновению напряженности тонкопленочной гетероструктуры, увеличивает риск дефектообразования и локальных отслоений диэлектрической пленки при температурных воздействиях (технологические операции термо-циклирования, штатная эксплуатация). По этой причине практически по всей номенклатуре металлопленочных датчиков давления в качестве изоляционного слоя используют пленку из моноокиси кремния (SiO), ТКЛР которой (8 -10-6 °C-1 в н.у.) не столь сильно отличается от ТКЛР сплава УЭ. Однако моноокись кремния - неустойчивое соединение и на воздухе медленно окисляется до SiO2. Этот эффект является причиной дефектообразования, так как окисление идет неравномерно по всей поверхности пленки. Диэлектрическая пленка быстрее окисляется в тех местах, где имеются утоненные места на рельефной несовершенно гладкой подложке, макро- и микропоры, в которые попадает влага и кислород с образованием областей повышенной плотности. Объем окисленной области увеличивается примерно в б раз по

26

Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль

сравнению с исходным состоянием в моноокиси кремния, что приводит к механическим напряжениям в структуре пленки и ее локальному разрушению (рис. 1). Пробои диэлектрика по этой причине и, как следствие, отказы датчиков давления регулярно отмечались в технологических потерях и при анализе брака (возвратов).

Рис. 1. Пленка диэлектрика из моноокиси кремния при увеличении 800* после искусственного старения

С целью решения вышеобозначенной проблемы - повышения эксплуатационных качеств и стабильности метрологических характеристик в условиях многократных перегрузок и повышенных температур - поставлена задача разработки технологии получения тонких диэлектрических пленок на основе новых материалов, а также комплекса базовых технологических процессов изготовления чувствительных элементов (ЧЭ) датчиков давления.

Изоляционная пленка должна иметь ТКЛР, близкий к ТКЛР УЭ, обладать сопротивлением изоляции при напряжении до 100 В в н.у. - не менее 1000 МОм; тангенс угла диэлектрических потерь на частоте 1,0 кГц в н.у. должен быть не более 80 -10-4; адгезия к металлической подложке, характеризующаяся усилием отрыва, - не менее 80 г/мм; диапазон рабочих температур - от минус 196 до плюс 300 °С. Диэлектрическая пленка должна обладать механической стойкостью к деформации мембраны или балки ЧЭ датчиков давления для обеспечения гарантированной безотказной работы датчика с перегрузкой не менее 3 Рн (Рн - верхний предел измерения датчика давления).

В табл. 1 приведены краткие характеристики материалов, способных заменить двуокись и моноокись кремния.

Таблица 1

Характеристики диэлектрических материалов

Наименование материала Диэлектрическая проницаемость, є Ширина запрещенной зоны, Ер эВ Температурный коэффициент линейного расширения, Р, °С-1х10-6 Температура плавления, °С Температура испарения, °С Плотность, кг/м3

20 °С 300 °С 20 °С 300 °С

Моноокись кремния БЮ 5,0 6,0 8,0 1705 2180 2202 ± 5

Двуокись кремния БЮ2 2,5 3,9 8,0-8,9 0,55 10,7 1713 2950 2320

Окись алюминия А12О3 7,0 10,0 6,0-8,7 8,0 6,7 2044 2980 3970

Двуокись гафния НГО2 14-18 25 5,6-8,0 6,18 6,84 2780 4500 9680

Двуокись циркония ггО2 10 12 7,8 5,2 7,6 2667 4350 5400

Окись иттрия У2О3 12 14 5,6 7,2 7,3 2415 4330 5050

Представленные оксиды относятся к так называемым «Л/£Л-&»-диэлектрикам - диэлектрикам с высокой диэлектрической проницаемостью. Возникший в последнее десятилетие научный и практический интерес к подобным диэлектрикам обусловлен широкими возможностями их применения, прежде всего в электронной технике. К настоящему времени практически достигнута предельная степень интеграции электронных микросхем на основе композиции Б1/БЮ2. Переход к использованию «high-k»-диэлектриков является ключевым моментом для продолжения генеральной линии развития полупроводниковой электроники, связанной с уменьшением топологических размеров. В связи с этим по исследованию строения и свойств этих материалов проведено большое количество работ.

При изготовлении ЧЭ датчиков давления пленки из тугоплавких окислов применялись для обеспечения межслойной изоляции, где важно получить низкую паразитную емкость. В этом случае их большую диэлектрическую проницаемость можно отнести к недостаткам, так как одной из существенных проблем, которые возникают практически со всеми известными альтернативными диэлектриками с высокой диэлектрической проницаемостью, являются недопустимо высокие токи утечки через пленку «high-k»-диэлектрика. В отсутствие дефектов перенос заряда лимитируется туннельной инжекцией электронов и дырок на контактах [2].

Определяющим фактором выбора материала для замены БЮ2 и БЮ выступает значение ТКЛР. Как видно из таблицы, ТКЛР тугоплавких окислов имеют значения, более близкие к

ТКЛР УЭ ((12-18) 10_6 °С-1), чем двуокись кремния, причем данные оксиды имеют стабильные кристаллические модификации в отличие от моноокиси кремния.

Представленные тугоплавкие окислы прочнее и жестче оксида кремния и в принципе позволяют работать с большим уровнем деформаций. Сапфир (А12О3) обладает отличными упругими и изолирующими свойствами вплоть до температур порядка 1000 °С, химически и радиационно стоек, что делает ЧЭ на его основе работоспособными при высоких температурах и в условиях высокой радиации [3].

Диэлектрические пленки из тугоплавких окислов наносились методом электроннолучевого распыления. Тугоплавкие оксиды, использованные в работе, представляли собой таблетки определенной формы - А12О3, НГО2, 2гО2, У2О3.

На этапе отработки были изготовлены образцы с напыленными на них структурами М-Д-М. В качестве подложек использовались пластины ситалла и УЭ датчика давления ДАВ-099.

На подложку наносились комбинации тугоплавких окислов, формируемых в одном вакуумном цикле для изменения характера зародышеобразования и «запечатывания» пор (рис. 2). Материал первого слоя выбирался из соображений значений ТКЛР, близких к значению ТКЛР материала УЭ. Этот материал - А12О3.

6 5

Рис. 2. «Запечатывание» пор в структуре двухкомпонентного диэлектрика:

1 - УЭ; 2 - первый слой из тугоплавкого окисла; 3 - второй слой из тугоплавкого окисла;

4 - тензорезистивный слой; 5 - контактный слой; 6 - поры в диэлектрической пленке

В вакуумную камеру установки помещалась предварительно очищенная в кислородной плазме подложка (ситалл, УЭ), после чего в камере создавался вакуум - (7-8) • 10-5 мм. рт. ст. После нагрева подложки до нужной температуры и выдержки происходил процесс распыления. Смена навески для электронного луча (одного тугоплавкого окисла на другой) производилась вращением медного охлаждаемого тигля.

В результате нескольких пробных процессов определены технологические режимы напыления (значение вакуума, температуры и время выдержки, стабилизации и напыления,

28

Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль

скорость напыления, токи электронного луча, метод электронного сканирования по таблетке) для получения требуемых параметров диэлектрических пленок.

На экспериментально полученных образцах - ЧЭ датчика давления ДАВ-099 - проведены замеры параметров тонких диэлектрических структур (табл. 2).

Таблица 2

Параметры диэлектрических гетероструктур

Параметр

Структура Толщина, мкм Адгезия, г/мм Тангенс угла диэлектрических потерь Сопротивление изоляции при 100 В

Y2O3-HfO2 2,6 81 0,008 >1000 Ом

Al2O3-HfO2 2,5 92 0,005 >1000 Ом

Al2O3-ZrO2 2,8 76 0,007 >1000 Ом

Al2O3-Y2O3 2,4 95 0,004 >1000 Ом

Пленки стабильны и не отслаиваются. Исследования полученных структур при увеличении 7000* не выявили растрескивания пленок и, как следствие, внутренних напряжений структуры.

Диэлектрические пленки имеют крупнозернистую структуру, обусловленную малой скоростью напыления (около 1 А/с).

Лучшие характеристики из представленных структур имеет комбинация окислов А1203-У203. Тонкая диэлектрическая пленка на основе А1203-У203 обладает наименьшим тангенсом угла диэлектрических потерь и большим усилием отрыва при определении адгезионных свойств.

Выводы

Разработка технологического процесса формирования диэлектрических пленок из тугоплавких окислов и замена моноокиси и двуокиси кремния позволят решить следующие проблемы:

1) снизить напряженность и, как следствие, риск дефектообразования в диэлектрической пленке при воздействии высоких температур (замена БЮ2);

2) повысить устойчивость диэлектрических пленок к окислительным воздействиям влаги и воздуха (замена БЮ);

3) повысить радиационную устойчивость диэлектрических пленок, что немаловажно в условиях применения датчиков давления в военной и ракетно-космической технике.

Список литературы

1. Волохов, И. В. Технологические методики повышения стабильности параметров тонкопленочных тензорезистивных датчиков давления : автореф. дис. ... канд. техн. наук / Волохов И. В. - Пенза, 2008. - 21 с.

2. Перевалов, Т. В. Применение и электронная структура диэлектриков с высокой диэлектрической проницаемостью / Т. В. Перевалов, В. А. Гриценко // Успехи физических наук. - 2010. - Т. 180, № 6. - С. 587-602.

3. Абдукадырова, И. Х. Радиационное модифицирование электрических свойств оксидных диэлектриков / И. Х. Абдукадырова // Перспективные материалы. - 2009. - № 6. -С. 61-65.

Хошев Александр Вячеславович

инженер-технолог цеха микроэлектроники, Научно-исследовательский институт физических измерений E-mail: Hoshev85@mail.ru

Попченков Дмитрий Валентинович

начальник подразделения, Научно-исследовательский институт физических измерений E-mail: Popchenkov79@mail.ru

Khoshev Aleksandr Vyacheslavovich

engineer of the microelectronics shop, Research Institute of Physical Measurements

Popchenkov Dmitriy Valentinovich

head of division,

Research Institute of Physical Measurements

Соловьева Елена Михайловна Solov'eva Elena Mikhaylovna

инженер-технолог цеха микроэлектроники, engineer of the microelectronics shop,

Научно-исследовательский институт Research Institute

физических измерений of Physical Measurements

E-mail: Ems_79@mail.ru

УДК 621.793.7 Хошев, А. В.

Применение диэлектрических тугоплавких окислов в датчиках измерения давления /

А. В. Хошев, Д. В. Попченков, Е. М. Соловьева // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. -2013. - № 1(3). - С. 25-29.