Малогабаритный радиационно стойкий высокотемпературный тензочувствительный элемент преобразователя давления

Малогабаритный радиационно стойкий высокотемпературный тензочувствительный элемент преобразователя давления
МПК G01L 9/04
Полезная модель относится к области измерительной техники, а именно к преобразователям давления, и может быть использована в разработке и изготовлении малогабаритных полупроводниковых преобразователей давления, работоспособных в условиях жестких внешних воздействий.
Известен полупроводниковый преобразователь давления, содержащий измерительную пластину из кремния, защитную пластину, соединенную с измерительной пластиной и разделительную пластину с центральным отверстием (патент № US 7775119 B1, 17.08.2010). Измерительная пластина состоит из микрообработанного устройства из кремния, содержащего мембрану и основание, на первую поверхность мембраны подается давление, приводящее к перемещению мембраны; диэлектрического слоя, расположенного на второй стороне мембраны, противоположной первой стороне; и кремниевых чувствительных элементов, расположенных на диэлектрическом слое. Коэффициент теплового расширения материала чувствительных элементов практически совпадает с коэффициентом теплового расширения материала измерительной пластины. Защитная пластина соединена с измерительной пластиной и содержит выемку на внутренней поверхности, ограничивающей герметичную опорную полость, которая окружает чувствительные элементы и предотвращает воздействие внешней среды на чувствительные элементы. Разделительная пластина с центральным отверстием выровнена относительно мембраны и соединена с основанием микро обработанного устройства. Описанная конструкция имеет неоптимальную форму мембраны, а также отсутствует концентратор механических напряжений на мембране, что приводит к низкой прочности и малому диапазону линейного преобразования.
Недостатком данного преобразователя давления является высокая погрешность измерений, обусловленная высокой нелинейностью выходного сигнала и низкой прочностью мембраны.
Известен радиационно стойкий высокотемпературный тензочувствительный элемент преобразователя давления, содержащий выполненный из кремния и имеющий лицевую и тыльную стороны полупроводниковый кристалл, с тыльной стороны которого анизотропным травлением сформирована квадратная кремниевая мембрана с жёстким центром, а на лицевой стороне находится мостовая измерительная схема, каждое плечо которой сформировано из тонкоплёночного кремниевого тензорезистора р-типа, соединённого концами с кремниевыми токоведущими дорожками, при этом тензорезисторы на лицевой стороне полупроводникового кристалла располагаются в местах концентрации механических напряжений, первое плечо соединяется со вторым алюминиевой контактной площадкой, третье плечо соединяется с четвертым алюминиевой контактной площадкой, первое плечо соединяется с третьим последовательно соединенными алюминиевой токоведущей дорожкой и контактной площадкой, четвертое плечо соединяется со вторым последовательно соединенными алюминиевой токоведущей дорожкой и контактной площадкой, причем мостовая измерительная схема, содержащая тензорезисторы, кремниевые и алюминиевые токоведущие дорожки и алюминиевые контактные площадки, изолирована от подложки из монокристаллического кремния n-типа слоем термического оксида кремния, а поверхность полупроводникового кристалла с лицевой стороны и мостовая измерительная схема, кроме алюминиевых контактных площадок, покрыты пассивирующим слоем оксида кремния, плечи мостовой измерительной схемы расположены параллельно друг другу, величина угла между стенками тензорезисторов и слоем термического оксида кремния составляет от 85° до 95°, величина угла между стенками кремниевых токоведущих дорожек и слоем термического оксида кремния составляет от 85° до 95°, толщина квадратной кремниевой мембраны составляет от 20 мкм до половины толщины полупроводникового кристалла. Патент на полезную модель RU 167463, МПК G01L 9/04, 10.08.2016. Данное техническое решение принято в качестве прототипа.
Недостатком прототипа являются большие габаритные размеры преобразователя давления, обусловленные наклонными стенками мембраны с жестким центром и, как следствие пониженная прочность преобразователя давления.
Полезная модель устраняет недостаток прототипа.
Техническим результатом полезной модели является уменьшение габаритных размеров преобразователя давления за счет использования практически вертикальных стенок мембраны с жестким центром и, как следствие, увеличение прочности преобразователя давления.
Технический результат достигается тем, что радиационно стойкий высокотемпературный тензочувствительный элемент преобразователя давления, содержащий выполненный из кремния и имеющий лицевую и тыльную стороны полупроводниковый кристалл, с тыльной стороны которого сформирована квадратная кремниевая мембрана с жёстким центром, а на лицевой стороне находится мостовая измерительная схема, каждое плечо которой сформировано из тонкоплёночного кремниевого тензорезистора р-типа, соединённого концами с кремниевыми токоведущими дорожками, при этом тензорезисторы на лицевой стороне полупроводникового кристалла располагаются в местах концентрации механических напряжений, первое плечо соединяется со вторым алюминиевой контактной площадкой, третье плечо соединяется с четвертым алюминиевой контактной площадкой, первое плечо соединяется с третьим последовательно соединенными алюминиевой токоведущей дорожкой и контактной площадкой, четвертое плечо соединяется со вторым последовательно соединенными алюминиевой токоведущей дорожкой и контактной площадкой, причем мостовая измерительная схема, содержащая тензорезисторы, кремниевые и алюминиевые токоведущие дорожки и алюминиевые контактные площадки, изолирована от подложки из монокристаллического кремния n-типа слоем термического оксида кремния, а поверхность полупроводникового кристалла с лицевой стороны и мостовая измерительная схема, кроме алюминиевых контактных площадок, покрыты пассивирующим слоем оксида кремния, плечи мостовой измерительной схемы расположены параллельно друг другу, величина угла между стенками тензорезисторов и слоем термического оксида кремния составляет от 85° до 95°, величина угла между стенками кремниевых токоведущих дорожек и слоем термического оксида кремния составляет от 85° до 95°, толщина квадратной кремниевой мембраны составляет от 20 мкм до половины толщины полупроводникового кристалла, величина угла между стенками боковой поверхности мембраны и дном мембраны составляет от 85° до 95°, величина угла между стенками жесткого центра мембраны и дном мембраны составляет от 85° до 95°, величина радиуса скругления стенок боковой поверхности мембраны составляет от 200 до 300 мкм, величина радиуса скругления стенок жесткого центра мембраны составляет от 200 до 300 мкм.
Сущность полезной модели поясняется чертежами фиг. 1–4.
На фиг. 1 представлена топология малогабаритного радиационно стойкого высокотемпературного тензочувствительного элемента преобразователя давления, где
1 – полупроводниковый кристалл;
2 – алюминиевые токоведущие дорожки;
3 – алюминиевые контактные площадки;
4 – кремниевые токоведущие дорожки;
5 – тонкопленочные кремниевые тензорезисторы р-типа.
На фиг. 2 представлена тыльная сторона малогабаритного радиационно стойкого высокотемпературного тензочувствительного элемента преобразователя давления, где
6 – квадратная кремниевая мембрана с жестким центром;
На фиг. 3 представлен разрез А–А малогабаритного радиационно стойкого высокотемпературного тензочувствительного элемента преобразователя давления, где
7 – слой термического оксида кремния;
8 – подложка из монокристаллического кремния n-типа;
9 – пассивирующий слой оксида кремния.
На фиг. 4 представлен сравнительный расчет паразитных механических напряжений, возникающих на тыльной стороне мембраны в зависимости от давления, для прототипа и предлагаемой конструкции малогабаритного радиационно стойкого высокотемпературного тензочувствительного элемента преобразователя давления.
Устройство содержит полупроводниковый кристалл 1, выполненный из кремния, с тыльной стороны которого находится квадратная кремниевая мембрана 6 с жестким центром, а на лицевой стороне – мостовая измерительная схема.
Исходный полупроводниковый кристалл 1 содержит последовательные слои: подложку 8 из монокристаллического кремния n-типа, слой 7 термического оксида кремния и приборный слой кремния, из которого в процессе изготовления формируются кремниевые токоведущие дорожки 4 и тонкопленочные кремниевые тензорезисторы 5 р-типа. Затем осаждается слой алюминия, из которого изготавливаются алюминиевые токоведущие дорожки 2 и алюминиевые контактные площадки 3. Вся поверхность кристалла и мостовая измерительная схема, кроме алюминиевых контактных площадок 3, покрыта пассивирующим слоем 9 оксида кремния.
Мембрана 6 создается комбинированным травлением, включающим сухое глубинное травление (Bosch-процесс или криогенное травление) и жидкостное изотропное травление кремния. Сначала проводится реактивное ионное травление кремния во фторсодержащей индуктивно-связанной плазме с высокой скоростью травления (15÷19 мкм/мин) для удаления основного слоя кремния. Вследствие неравномерного травления и пассивации на стенках мембраны 6 и жёсткого центра мембраны, а так же на дне мембраны 6 могут появляться шероховатости и микроиглы. Для удаления этих нежелательных дефектов завершающий этап травления на глубину от 10 мкм до 20 мкм проводится в полирующем изотропном растворе, состав которого подбирается исходя из скорости и равномерности травления, а так же требуемой шероховатости стенок мембраны 6, стенок жёсткого центра мембраны и дна мембраны 6.
Мостовая измерительная схема состоит из четырёх тонкопленочных кремниевых тензорезисторов р-типа 5; оба конца каждого тензорезистора соединены с кремниевыми токоведущими дорожками 4, объединенными алюминиевыми токоведущими дорожками 2 и алюминиевыми контактными площадками 3. Тензорезисторы 5 лежат в местах концентрации механических напряжений и при подаче измеряемого давления испытывают максимальные деформации. Мостовая измерительная схема изолирована от подложки 8 из монокристаллического кремния n-типа слоем 7 термического оксида кремния. Тензорезисторы 5 и кремниевые токоведущие дорожки 4 сформированы селективным плазмохимическим травлением, обеспечивающим угол 90°±5° между стенками тонкопленочных кремниевых тензорезисторов 5 и слоем 7 термического оксида кремния, а также угол 90°±5° между стенками кремниевых токоведущих дорожек 4 и слоем 7 термического оксида кремния. Поверхность кристалла 1 и мостовой измерительной схемы, кроме алюминиевых контактных площадок 3, покрыта пассивирующим слоем 9 оксида кремния.
Устройство работает следующим образом.
При подаче измеряемого давления на полупроводниковый кристалл 1, оно воздействует на квадратную кремниевую мембрану 6 с жестким центром, которая, изгибаясь, деформирует тонкопленочные кремниевые тензорезисторы 5, расположенные на лицевой стороне полупроводникового кристалла 1. При этом в тензорезисторах 5 возникает тензоэффект, то есть изменяется их сопротивление, и, соответственно, увеличивается разбаланс мостовой измерительной схемы, в которую объединены тензорезисторы 5, кремниевые токоведущие дорожки 4 и алюминиевые токоведущие дорожки 2. Величина разбаланса снимается в виде выходного сигнала с помощью кремниевых токоведущих дорожек 4, объединенных алюминиевыми токоведущими дорожками 2 и алюминиевыми контактными площадками 3. Слой 7 термического оксида кремния, которым мостовая измерительная схема отделена от подложки 8 из монокристаллического кремния n-типа, и пассивирующий слой 9 оксида кремния, покрывающий поверхность кристалла 1 и мостовую измерительную схему, кроме алюминиевых контактных площадок 3, повышают работоспособность радиационно стойкого высокотемпературного тензочувствительного элемента преобразователя давления в условиях жестких внешних воздействий (радиационных, температурных).
В предлагаемой конструкции устройства мембрана 6 создается с помощью комбинированного травления, включающего сухое глубинное травление (Bosch-процесс или криогенное травление) и жидкостное изотропное травление кремния. Сухое травление полупроводникового материала не зависит от кристаллографических направлений, а определяется лишь параметрами травления (давление в реакторе, частота плазмы, мощность источника и т.д.), и можно формировать мембрану 6 с жестким центром практически любой формы. Такое решение позволяет получить стенки мембраны 6 близкие к вертикальным с отклонением боковой поверхности мембраны 6  и жесткого центра мембраны от дна мембраны 6 не более 5°. Благодаря этому можно уменьшить площадь мембраны 6 в 1,5÷2 раза по сравнению с прототипом в зависимости от толщины мембраны.
У прототипа для достижения необходимой площади мембраны, получаемой анизотропным жидкостным травлением, габаритные размеры преобразователя давления увеличиваются из-за наклонных стенок, угол между стенками боковой поверхности мембраны и дном мембраны составляет 125,3° и угол между стенками жесткого центра и дном мембраны составляет 125,3°, так как травление осуществляется по кристаллографическим плоскостям кремния.
2
Чувствительность преобразователя давления зависит от площади мембраны, воспринимающей внешнее воздействие, и растет линейно с ее увеличением. И для достижения одинаковой чувствительности прототипа и разрабатываемого устройства с толщиной кристалла 400 мкм, толщиной квадратной мембраны 20 мкм и размером, например, 1 мм, исходные кристаллы будут иметь различные линейные размеры. У прототипа за счет угла между стенками боковой поверхности мембраны и дном мембраны, между стенками жесткого центра и дном мембраны равному 125,3°, при прочих равных условиях, размер квадратного кристалла будет равен 3 мм. У разрабатываемого устройства, благодаря углу между стенками боковой поверхности мембраны и дном мембраны, углу между стенками жесткого центра мембраны и дном мембраны равному практически 90° размер квадратного кристалла будет равен 2,12 мм, что приведет к уменьшению площади, занимаемой устройством в 2 раза.
Форма мембраны 6 с жестким центром, получаемая при использовании сухого глубинного травления обеспечивает повышенную прочность кристалла 1 за счет отсутствия областей с повышенной концентрацией паразитных механических напряжений. Главным образом такие области располагаются в углах жесткого центра мембраны, причем эти области напряженности не участвуют в формировании полезного тензометрического сигнала и являются слабым местом кристалла 1 при перегрузочном давлении. Основания мембраны 6 и жесткого центра мембраны выполняются квадратными с радиусом скругления R равным от 200 до 300 мкм. Такие значения радиуса скругления обеспечивают создание сглаженных ребер и минимальных паразитных механических напряжений в мембране 6 при подаче давления. При снижении радиуса скругления менее 200 мкм в этих местах концентрируются повышенные паразитные механические напряжения. При увеличении радиуса скругления больше 300 мкм, растет свободная площадь мембраны 6 и снижается ее прочность.
У прототипа присутствуют области с повышенной концентрацией паразитных механических напряжений, расположенные главным образом в углах жесткого центра, и образующиеся при травлении по кристаллографическим плоскостям анизотропным жидкостным травлением, которые наиболее уязвимы для разрушения при перегрузочном давлении. При обработке этих областей в изотропном растворе, можно добиться снижения общей шероховатости в 2 раза и незначительного сглаживания ребер, но углы, образованные пересечением кристаллографических плоскостей, по-прежнему будут являться концентраторами паразитных механических напряжений.
Таким образом, благодаря комбинированному травлению, включающему сухое глубинное травление (Bosch-процесс или криогенное травление) и жидкостное изотропное травление мембраны 6 с жестким центром, достигается заявленный технический результат, а именно, уменьшение габаритных размеров преобразователя давления за счет использования практически вертикальных стенок мембраны 6 с жестким центром. Как следствие появляется возможность для увеличения прочности преобразователя давления.