Диссертация (1143641), страница 29
Текст из файла (страница 29)
Миниатюрные размеры сенсоров позволяют устанавливать их втрубопроводы и проводить анализы без отбора пробы. Высокая чувствительность истабильность сенсоров используется при их работе в индивидуальных сигнализаторахтоксичныхиопасныхгазов[110].Сенсорсостоитизчувствительногоэлемента,обрабатывающей и управляющей электроники и корпуса.Чувствительный элемент (ЧЭ) состоит из небольшой изолирующей подложки диэлектрической мембраны (чаще всего из диоксида или нитрида кремния), нагревательныхэлементов, чувствительного слоя, электродов.
Его принцип работы состоит в измеренииэлектропроводности газочувствительного слоя, которая изменяется за счет адсорбции наповерхности молекул детектируемых газов [111]. Процесс зависит от температуры иосуществляется в интервале 100 - 600С в зависимости от используемого материала, причем длякаждого газа существует довольно узкий диапазон температур, в котором чувствительностьматериалакконкретномугазунаибольшая.Дляповышениячувствительностиполупроводниковый материал (обычно окись металла) изготовляют в виде тонкодисперсногослоя, в котором основное влияние на электропроводность оказывают области контакта междузернами [112, 113].Для улучшения потребительских свойств газовых сенсоров необходимо снижатьпотребляемую мощность. Для этого необходимо уменьшать размеры площадки, содержащейчувствительный слой.
В качестве основной конструктивной схемы чувствительного элементаиспользуют мостик или мембрану. Пример такой структуры с нанесенным чувствительнымслоем показан на рисунке 5.4.3. Стадия синтеза или переноса наноструктурированного слоя нарабочую область чувствительного элемента является ключевым процессом изготовления.158Типовую технологическую схему изготовления чувствительного элемента газовогосенсораможноописатьследующимобразом.Наисходнойкремниевойпластинепоследовательно формируют диэлектрический слой оксида или нитрида кремния, нагреватель,контактные площадки и электрические дорожки. С обратной стороны пластины путемселективноготравленияформируютдиэлектрическуюмембрануилимостик.Назаключительном этапе происходит разделение пластины на отдельные чувствительныеэлементы и нанесение на каждый из них газочувствительного слоя.Рисунок 5.4.3 – СЭМ изображение чувствительного элемента газового сенсора в видемостика с нанесенным газочувствительным слоем [114]Сама мембрана или мостик являются очень хрупкими и разрушаются при незначительномвоздействии на них.
Возникает проблема нанесения чувствительного слоя на рабочую областьгазового сенсора без ее механического разрушения. На данный момент нет универсальнойпромышленной методики, которая бы решала проблему получения чувствительных слоев намембранах и мостиках без физического воздействия на них.Технология микрореакторного осаждения является удачным решением данной проблемы.ОнапозволяетлокальноформироватьметодомХОГФгазочувствительныеслоинепосредственно на мембранах и мостиках, обрабатывая как отдельные ЧЭ, так и всю пластину.Можно решить вопрос, связанный с производительностью метода.
Главным недостаткомвсех методик типа «direct writing» является низкая скорость процесса. Типовым решениемпроблемы является использование множества инструментов, т.е. в нашем случае множествамикрореакторов. При серийном производстве газовых сенсоров, они изготавливаются погрупповой технологии, их расположение в массиве (или на пластине) заранее известно. Имеетсявозможность создать массив микрореакторов, который бы повторял расположение сенсоров.Это позволяет проводить одновременное осаждение функциональных слоев на множестве ЧЭ159одновременно. Число одновременно обрабатываемых чипов определяется экономическимисоображениями, которые включают в себя расчет стоимости одного микрореактора, временипроведенияпроцессовидругиесоображения.Аналогичныйподходувеличенияпроизводительности применим к уже обсуждавшимся проблемам создания функциональныхслоев в МЭМС структурах для непланарных элементов.Во всех описанных случаях технология локального осаждения в микрореакторах успешнорешает существующие технологические проблемы производства изделий микросистемнойтехники, заменяя существующие неэффективные методики производства.Другой аспект применения технологии микрореакторного осаждения связан с отходом отконцепции группового технологического процесса.
Первый пример использования – решениепроблемы устранения дефектов в функциональных слоях.На полупроводниковой пластине после проведения автоматической инспекции можетбыть обнаружено несколько точечных дефектов, например, в виде проколов металлизации.Вместо того, чтобы отправлять пластины на переделку, можно провести локальное осаждениефункционального слоя в месте дефекта. Наиболее эффективно этот метод борьбы с дефектамиможет быть применен для слоев металлизации, поскольку структуры в нем имеют достаточнобольшие линейные размеры, а также для ретуширования маскирующих слоев перед процессамитравления, когда необходимо избежать проколов в маске.Можно возразить, что в нормальном производственном процессе дефекты описанногорода не возникают, на что мы заметим, что существует целый парк технологическогооборудования в виде лазерных и лучевых ретушеров, который призван решать описанный кругпроизводственных задач.Развитием темы является предложение использовать технологию микрореакторногоосаждения для индивидуализации изделий, когда изделие микросистемной техники должноиметь уникальный дизайн или характеристики, не повторяющиеся у других чипов.Такая ситуация часто возникает при рассмотрении любых систем электроннойидентификации, когда каждая метка имеет свой уникальный номер.
В идеальном случаенеобходимо иметь отличие и уникальную структуру чипа на физическом уровне. Такоетребование идет в разрез с самой логикой группового производственного процесса и обычнодля решения этой проблемы так или иначе приходится использовать технологию прямогоформирования структур в одном из функциональных слоев. Обычно это делают в операцияхфотолитографии. Применение технологии микрореакторного осаждения позволяет делать этово всех остальных функциональных слоях, что существенно расширяет возможности дляпроизводства.160Эту логику построения производственного процесса можно распространить на решениезадачи быстрого прототипирования изделий и поиска оптимальной конфигурации.
Рассмотримпример, когда разрабатывается микроструктура, имеет один варьируемый параметр, влияющийна еѐ функционирование. Изначально неизвестно какое значение параметра соответствуетоптимальному состоянию устройства. Проблема решается следующим образом. Производитсяпартия изделия с одинаковой конфигурацией, а варьирование указанного параметра происходитпутем формирования уникальной топологической структуры в каждом чипе, которая приводитк контролируемому изменению этого параметра. Произвести много одинаковых изделийдостаточнопросто,атехнологиялокальногоосаждениявмикрореактореможетиндивидуализировать каждый чип (или множество чипов), создав, таким образом, вариативноеразнообразие для проведения последующих измерений.Еще одним примером возможного использования технологии микрореакторногоосаждения является создание индивидуальных микроструктур с уникальными свойствами.Идею проще всего иллюстрировать на таком примере.
Допустим имеется некотораямикромеханическая структура содержащая набор масс и систему подвеса. Очень часто длятаких систем необходимо получать высокую добротность механических колебаний. Однакоэтому препятствует неравномерность микромеханической структуры, в частности неравенствоподвижных масс, вызванное случайными вариациями технологического процесса производства,которые не устранимы в традиционном технологическом процессе. Применение локальногоосаждения в микрореакторе дает ключ к решению этой проблемы. Имея изначальносформированную микросистему и приводя еѐ в движение можно понять, какая из масс легче(или тяжелее), после чего локально осадить на нее слой материала, изменив тем самым еѐмассу.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
