Конструкция, технология и теплофизические свойства кристаллов датчиков газов в микроэлектронном исполнении

Актуальность темы

Автоматизация промышленности, в особенности сложных и опасных технологических процессов, остро нуждается в средствах, позволяющих получить информацию о составе газовых сред. Подобные устройства должны обеспечивать выборочную реакцию на определенные компоненты среды, обладать высокой надежностью и воспроизводимостью результатов. Современное развитие научной мысли предоставляет множество способов и методик для реализации данной проблемы, поэтому, как правило, решающим и определяющим критерием выбора является объем затрат на создание и эксплуатацию необходимого оборудования. В случаях, когда требуется сверхточное измерение и контроль, например в опасных производствах или в условиях специализированных лабораторий, вопрос о стоимости и габаритах средств измерения не так актуален. Однако находится множество случаев, когда требуются миниатюрные, дешевые, простые в использовании и обслуживании системы, пригодные для использования в любых условиях, от систем кондиционирования воздуха внутри жилых помещений до систем безопасности на складах и хранилищах. Сенсорные элементы таких систем должны обладать максимально высокой чувствительностью, избирательностью, стабильностью свойств и технологичностью в производстве. В случае охранной и предупредительной сигнализации приборы также должны обладать миниатюрностью для скрытности и низким энергопотреблением для увеличения срока автономности. Наличие таких приборов, например датчиков утечки бытового газа, в каждом доме повышает безопасность и качество жизни.

Среди всего многообразия газовых сенсоров наиболее полно предъявленным требованиям удовлетворяют так называемые полупроводниковые сенсоры на основе широкозонных полупроводников, таких как ZnO, У2С>5, 1п2Оз, СоО, М§-0, из которых 8пОг (диоксид олова) исторически наиболее популярен. Все перечисленные материалы обладают электронным типом проводимости при нормальных атмосферных условиях в рабочем диапазоне температур 300 — 500 °C.

Основы современной теории газовой чувствительности были заложены в работах А. Ф. Иоффе еще в 30-х годах 20-го века. Однако один из первых промышленно изготовленных газовых сенсоров был сконструирован и изготовлен японским ученым Та^сЬу в 60-х годах прошлого века. Конструкция этого типа сенсоров практически не изменилась с того времени, он представляет собой керамическую трубку, внутри которой проходит спираль нагревателя из платиновой проволоки, оба конца трубки обмотаны платиновой проволокой, образующей контакты к нанесенному на поверхность чувствительному слою. Главными недостатками данной конструкции 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 являются сенсоры, изготовленные по микроэлектронной технологии. При этом за счет применения стандартных, хорошо отработанных, высокотехнологичных процессов может достигаться массовость, стабильность и воспроизводимость параметров газовых датчиков (ГД), низкая себестоимость изделий. Производственный цикл состоит из последовательных процессов подготовки подложки, формирования нагревателя и контактов к чувствительному слою, формирования чувствительного слоя, стабилизационного отжига полученной структуры, монтажа в корпус и присоединения внешних выводов.

В качестве материала подложки обычно используются тонкие пластины из керамики, оксида алюминия, кремния и т. п. Главным требованием к такому материалу является низкая стоимость, технологичность, химическая инертность. Нагреватель чаще всего изготавливают путем нанесения тем или иным методом платины, поскольку она обладает достаточно высоким температурным коэффициентом сопротивления и химически инертна. Материалом для контактов к чувствительному слою может являться платина или золото.

Изготовление элементов конструкции из золота или платины сопряжено с определенными трудностями. Как правило, такие контакты многослойные, поэтому трудоемки в производстве, а также дорогостоящи из-за больших безвозвратных потерь драгоценных металлов.

Использование тонких пленок из альтернативных материалов для нагревателей и токосъемных контактов^, А1 и др.) ограничено из-за высоких рабочих температур ГД 300 — 500 °C или несоответствия требованиям к электрофизических параметрам. Работа датчика при высоких температурах и зависимость его параметров от равномерности распределения температуры определяют проблемы теплофизических характеристик кристалла датчика.

В этой связи вопросы оптимизации конструкции ГД, обеспечение стабильности электрических и механических свойств элементов, входящих в конструкцию ГД, к началу исследований в доступной литературе были освещены недостаточно полно, что создавало определенные трудности использования их в конкретной разработке.

Данная работа выполнялась по госбюджетной теме кафедры полупроводниковой электроники ВГТУ: ГБ — 2001 — 34 (изучение технологических и физических процессов в полупроводниковых структурах и приборах), а также в соответствии с программой гранта МО РФ ТО 2 — 02. — 3484 и НТП 207. 02. 017 и 208.06. 01. 003.

Цель работы. Разработка конструкции и технологии изготовления интегральных датчиков газов в микроэлектронном исполнении. Для достижения поставленной цели в диссертации следовало решить следующие задачи: 1. Разработать варианты конструкций кристалла датчика.

2.Разработать технологические маршруты изготовления кристаллов датчиков газа.

3.Исследовать возможности использования тонких пленок №Сг в качестве нагревательных элементов и токосъемных контактов.

4.Разработать тепловую модель ГД, провести расчет и экспериментальные исследования влияния взаимного расположения элементов конструкции на распределение температуры по поверхности газочувствительного слоя.

5.Исследовать влияние методов монтажа кристаллов ГД в корпус на его теплофизи чески е параметры.

6. Разработать структурную схему, алгоритм программы измерений, электрическую схему полуавтоматического порогового устройства для регистрации паров органических растворителей в воздухе.

7.Изготовитъ макетный образец датчика.

Научная новизна.

1.Разработана оригинальная топология кристалла ГД, обеспечивающая при экономичном режиме энергопотребления перепад температуры по поверхности газочувствительной области не более 3 — 5 °C.

2.Впервые исследована и экспериментально обоснована возможность использования сплава нихром (№Сг) в качестве материала для токосъемных контактов и нагревательных элементов вместо традиционно используемой в производстве ГД дорогостоящей платины.

3.Разработают и экспериментально подтверждена тепловая модель ГД, учитывающая тепловые свойства входящих в его конструкцию материалов. Получено хорошее (не хуже 10%) совпадение расчетных и полученных экспериментальным путем данных по распределению температуры по поверхности кристалла ГД.

4.Впервые путем регистрации интенсивности ИК излучения с поверхности кристалла ГД исследован характер распределения температуры по поверхности кристаллов разработанных ГД. Экспериментально подтверждена эффективность методов монтажа в корпус разработанных кристаллов ГД.

Практическая значимость 1 Технология и маршрут изготовления кристалла ГД, полностью совместим с маршрутом серийного производства планарных транзисторов. 2. Разработанная конструкция ГД со специальным расположением нагревателей и метод монтажа в корпус обеспечивают разброс температуры по поверхности кристалла ГД не более 5 °C. 3. Предложены способы монтажа кристалла ГД в корпус, позволяющие снизить энергопотребление и обеспечить устойчивость конструкции к механическим нагрузкам. 4. Разработана электрическая схема, конструкция малогабаритного устройство со встроенным источником питания для автоматического измерения порогового значения концентрации различных газов. Изготовлен и испытан опытный образец.

Положения выносимые на защиту.

1.Топология и маршрут изготовления кристалла ГД, полностью адаптированного к технологии серийного производства полупроводниковых приборов на кремнии.

2.Конструкция чувствительного элемента на основе БпОг с использованием сплава из №Сг для создания нагревателя и токосъемных контактов ГД.

3.Тепловая модель разработанных конструкций датчиков газов и результаты расчетов тепловых потерь.

4.Экспериментальные данные по распределению тепла по поверхности кристалла датчика в зависимости от конструкции и способа монтажа в корпус.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и научно — технических семинарах: Всероссийская научно — техническая конференция «Охрана и безопасность» (Воронеж, 2001) — Международная школ — семинар

Нелинейные процессы в дизайне материалов" - 1 Всероссийская конференция «Физико — химические процессы в конденсированном состоянии и на межфазных границах «ФАГРАН 2002» (Воронеж, 2002) — IV Научно — техническая конференция «Электроника и информатика 2002» (МИЭТ г. Москва, 2002) — научно — практическая конференция Союза металловедческих обществ России «Новые функциональные материалы и экология «(Москва, 2002) — XV научно — техническая конференция с участием зарубежных специалистов (Москва 2003) — Второй Международный симпозиум «Безопасность и экология водородного транспорта» И^БЕНТ -2003 (Саров, 2003).

Публикации. По материалам исследований опубликовано 11 работ.

Личный вклад автора. В совместных работах автору принадлежит проведение и обработка результатов экспериментальных исследований, разработка конструкции газового сенсора, выполнение теоретических расчетов.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и приложения. Работа изложена на 138 страницах текста, включая 4 таблицы, 71 иллюстрацию и список использованной литературы из 95 наименований.

Выводы и результаты.

1. Установлена зависимость изменения сопротивления пленок 5пОг от температуры отжига, исследованы статические и динамические характеристики изменения газовой чувствительности пленок 8п02, полученные методом магнетронного напыления.

2. Определена температурно-временная диаграмма работы ГС, для задания временных интервалов функционирования измерительной схемы.

3. Установлена возможность применения полученных пленок Бп02 в качестве чувствительного элемента для разработанных конструкций ГД.

4. Разработана управляющая программа работы микроконтроллера.

5. Изготовлен и испытан опытный образец полуавтоматического порогового индикатора и подтверждена его работоспособность.

Заключение

.

В диссертации получены следующие научно — технические результаты.

1.С учетом высокотемпературной специфики работы газового сенсора осуществлен выбор конструкционных материалов и проведен расчет топологии двух типов конструкций: с платиновой и нихромовой металлизацией, обеспечивающих равномерность температуры по всей площади кристалла датчика.

2.Обоснована возможность применения в качестве высокотемпературного нагревателя и термометра более дешевых по сравнения с платиной пленок нихрома с процентным содержанием 50/50%. Исследовано влияние режимов термостабилизационного отжига при 510 °C пленок №Сг на их электрофизические свойства. Показана возможность замены платиновой металлизации на нихромовую с защитным покрытием от воздействия газовой атмосферы из пиролитической пленки БЮг.

3.Предложена схема технологического процесса изготовления ГС с платиновой и нихромовой металлизацией, экспериментально исследованы и отработаны методы взрывной фотолитографии, разработаны методы монтажа и сборки датчиков, создающие наиболее благоприятные тепловые режимы для оптимального функционирования всех элементов конструкции датчика вплоть до температур ~ 500 °C. Изготовлены макетные образцы датчиков, на которых исследованы их теплофизические характеристики.

4.Разработана тепловая модель газового датчика и проведен анализ возможных механизмов рассеяния мощности. Показано, что потери тепла за счет радиационного рассеяния и конвекции в общей сумме потерь тепла составляют 10 — 15%, при этом основной отвод тепла от кристалла газового датчика (-90%) осуществляется через проволочные выводы. Для тепловой модели кристалла газового датчика решена задача распределения температуры по поверхности кристалла. Показано, что неравномерность распределения тепла по поверхности кристалла при температуре ~ 300 °C не превышает 1 — 2%, что подтверждается результатами расчета и экспериментальными исследованиями.

З.Разработана методика прямого анализа тепловых процессов на поверхности кристалла с помощью микропирометров 14 КИ1 — 001 и ИК тепловизора ТегшаСАМ- 60. Исследовано распределение температуры по поверхности кристаллов датчиков трех различных конструкций в зависимости от конструкции нагревателей и способов монтажа кристалла.

6. Исследована динамика нагрева и охлаждения датчика до температур ~ 250 °C. Установлен экспоненциальный характер кривых нарастания и спада температуры и предложен механизм их объяснения. Динамические тепловые характеристики использованы для задания временных интервалов функционирования измерительной схемы.

7.Установлена зависимость изменения сопротивления пленок БпОг от температуры отжига и исследованы статические и динамические характеристики изменения газовой чувствительности пленок БпОг. Разработана конструкция, электрическая схема управления процессом десорбционного отжига и последующего измерения сопротивления газочувствительного слоя, алгоритм программы нагрева и измерения для управления микроконтроллером, изготовлен образец полуавтоматического порогового устройства для индикации трех уровней концентрации паров этанола в выдыхаемом воздухе, проверена его работоспособность. В качестве чувствительного элемента применяется ГД, который изготовлен на основании результатов исследований и технических работ в ходе выполнения данной диссертационной работы.