(испр) 1 Модуль Раздел 2 Технология пьезорезистивного микродатчика_Журнал (Лекции Цветкова), страница 2

Рис. 2.8. Формирование контактов

а – фотошаблон, б – сечение подложки

2.4.6. Металлизация и формирование контактных площадок

На рабочую поверхность подложки наносится тонкий слой алюминия, который является материалом межсоединений пьезорезисторов. Операция может выполняться, например, термическим вакуумным напылением. Проводится фотолитография и локальное травление Al сквозь вскрытые в фоторезисте окна. При этом формируется топология металлической разводки на поверхности подложки, включая контактные площадки для последующего соединения с внешними выводами (рис. 2.9).

а б

Рис. 2.9. Напыление алюминия и формирование контактных площадок

а - фотошаблон, б - сечение подложки после завершения этапа

2.4.7. Анизотропное травление упругой диафрагмы

На слой нитрида кремния Si₃N₄ наносится фоторезист и проводится фотолитография. Через образующиеся окна в фоторезисте проводится плазменное травление Si₃N₄ , после чего фоторезист удаляется (рис. 2.10, а).

Далее следует операция анизотропного травления (рис. 2.10, б), основанная на том, что у кремния скорости травления разных кристаллографических плоскостей в щелочных растворах, например, KOH резко различаются. Так, скорость травления плоскости (100) в 400 раз выше, чем плоскости (111). Поэтому плоскости (100) удаляются при травлении, а плоскости (111) остаются, придавая профилю травления характерный вид с наклонными стенками.

Травление ведется до момента достижения требуемой толщины диафрагмы (рис. 2.10, б), которая в рассмотренном примере равна толщине эпитаксиального слоя.

Отметим, что на рабочей поверхности подложки формируется дополнительный алюминиевый контакт. Через него на слой n+ и, соответственно, на эпитаксиальный слой, подается потенциал, обеспечивающий самоостановку процесса травления при достижении фронтом травления эпитаксиального слоя.

Заметим также, что при анизотропном травлении в агрессивных жидких средах, например KOH при температуре 60-80 ^оС, оабочая сторона подложки должна быть надежно защищена.

После травления защитный слой Si₃N₄ удаляется, поскольку обратная сторона кремниевой подложки должна быть подготовлена для соединения со стеклянным основанием.

а б в

Рис. 2.10 . Формирование упругой диафрагмы

а – создание защитной маски в нитриде кремния, подложка после анизотропное травления (б) и снятия пленки нитрида кремния (в)

2.5. Монтаж кремниевого чувствительного элемента на стеклянное основание

Чувствительный элемент должен быть закреплен на стеклянной опоре так, чтобы обеспечить герметичность полости под диафрагмой и минимизировать в ней сборочные напряжения (рис. 2.1, б; 2.2, а). Наиболее часто для этого применяется анодная сварка кремния со стеклом, обеспечивающая соединение этих материалов в твердой фазе.

Приложение 2.1. Тензо- и пьезоэффект в кремнии

Принцип работы ряда чувствительных элементов измерительных устройств основан на эффекте изменения сопротивления тела в зависимости от возникающих в нем напряжений – тензоэффекте.

Сопротивление R резистора длиной l определяется известным выражением

(1)

где ρ - удельное сопротивление материала резистора;

S - площадь поперечного сечения резистора.

Тензоэффект характеризуется выходным сигналом, связанным с относительным изменением сопротивления резистора ΔR/R.

Отношение ΔR/R математически можно получить, дифференцируя (1),

предварительно прологарифмировав это выражение:

₍₂₎

Учитывая, что зависимость относительного изменения сопротивления проводника при его продольной деформации в дифференциальной форме и при переходе к конечным разностям можно представить в виде:

(3)

где ΔR, Δρ, ΔL, ΔS - абсолютные приращения сопротивления, удельного сопротивления, длины и площади поперечного сечения проводника соответственно.

При нагружении твердого тела силой F величины продольных и поперечных упругих деформаций (рис. 2.11) связаны выражением

₍₄₎

где - значение относительной продольной (longitudinal )деформации;

- значение относительной поперечной (transverse)деформации;

A – поперечный размер проводника;

μ - коэффициент Пуассона.

Рис. 2.11. Продольные и поперечные деформации при нагружении твердого тела

Знак «минус» означает, что при удлинении проводника, его поперечный размер уменьшается и наоборот. В общем виде, безотносительно к прилагаемой нагрузке (растяжение или сжатие) можно записать:

(5)

Учитывая, что в выражении (3)

и переходя к конечным разностям получим:

Основным параметром тензоэлемента является коэффициент относительной тензочувствительности К, который равен относительному изменению сопротивления, приходящемуся на единицу деформаций:

(6)

Заметим, что относительное изменение электропроводности r материала определяется возникающими в нем напряжениями s и описывается выражением:

, (7)

где p - пьезорезистивный коэффициент.

Как известно, зависимость между деформациями e и напряжениями s в твердом теле описывается законом Гука:

, (8)

где Е - модуль Юнга.

Таким образом:

(9)

Тогда коэффициент тензочувствительности имеет вид:

₍₁₀₎

Выражение для К наглядно показывает, что изменение сопротивления тела в зависимости от возникающих в нем напряжений определяется, во-первых, изменением его геометрических размеров, а во-вторых – изменением удельной проводимости материала резистора.

У большинства металлов значение p очень мало, а величина m лежит в диапазоне m £ 0,25…0,35, поэтому значение К изменяется в пределах 1,5…1,7.

Полупроводники имеют большие значения пьезокоэффициентов, поэтому приращение сопротивления за счет изменения удельного сопротивления может быть в несколько десят­ков и сотен раз больше, чем изменение за счет геометрии.

Пьезоэлектрические свойства кремния являются основой изготовления чувствительных элементов датчиков для измерения различных физических величин – силы, давления, ускорения и т.п. Именно поэтому кремниевые микродатчики с высокой чувствительностью в микроминиатюрном исполнении часто называют пьезорезистивными.

Пьезорезистивность – явление изменения электрического сопротивления полупроводника под действием механических напряжений, приложенных вдоль определенных кристаллических осей.