RU2702820C1 - Способ изготовления полупроводниковых датчиков давления - Google Patents

Способ изготовления полупроводниковых датчиков давления Download PDF

Info

Publication number
RU2702820C1
RU2702820C1 RU2019102133A RU2019102133A RU2702820C1 RU 2702820 C1 RU2702820 C1 RU 2702820C1 RU 2019102133 A RU2019102133 A RU 2019102133A RU 2019102133 A RU2019102133 A RU 2019102133A RU 2702820 C1 RU2702820 C1 RU 2702820C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
sapphire
silicon
dielectric
semiconductor
glass
Prior art date
Application number
RU2019102133A
Other languages
English (en)
Inventor
Сергей Павлович Малюков
Юлия Владимировна Клунникова
Александр Викторович Саенко
Дина Алексеевна Бондарчук
Александр Михайлович Светличный
Дмитрий Викторович Тимощенко
Original Assignee
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет" (Южный федеральный университет)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет" (Южный федеральный университет) filed Critical федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет" (Южный федеральный университет)
Priority to RU2019102133A priority Critical patent/RU2702820C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2702820C1 publication Critical patent/RU2702820C1/ru

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/18Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic System or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials

Abstract

Изобретение относится к технологии изготовления полупроводниковых приборов и может быть использовано для изготовления полупроводниковых датчиков давления. Технический результат изобретения заключается в повышении параметров надежности и обеспечении долговременной стабильности параметров датчика давления за счет того, что полупроводниковый чувствительный элемент структуры «кремний на сапфире» соединен с керамической шайбой стекловидным диэлектриком системы PbO-В2О3-ZnO. Способ изготовления полупроводникового датчика давления включает выполнение чувствительного элемента на основе структуры «кремний на сапфире» с нанесением стекловидного диэлектрика методом центрифугирования, при этом полупроводниковый чувствительный элемент структуры «кремний на сапфире» соединен с керамической шайбой стекловидным диэлектриком системы PbO-В2О3-ZnO, при этом коэффициент линейного термического расширения стекловидного диэлектрика согласован с коэффициентом линейного термического расширения сапфира и керамики, при времени осаждения стекловидного диэлектрика методом центрифугирования 3-5 мин, скорости вращения ротора центрифуги 7000 об/мин и оплавлении полученного слоя при температуре 560-580°С. 2 ил.

Description

Изобретение относится к технологии изготовления полупроводниковых приборов и может быть использовано для изготовления полупроводниковых датчиков давления, включающий полупроводниковый чувствительный элемент на основе структуры «кремний-на-сапфире».
Известен усовершенствованный способ изготовления преобразователей кремний-на-сапфире [Патент US 2001029087 А1], включающий в себя этапы: формирования первого кремниевого слоя на первой стороне первой сапфировой пластины; склеивание второй сапфировой пластины с первой стороной первой сапфировой пластины, так что первый слой кремния расположен между первой и второй сапфировыми пластинами; уменьшение толщины первой сапфировой пластины до заданной толщины; осаждение второго слоя кремния на вторую поверхность первой сапфировой пластины, причем вторая поверхность первой сапфировой пластины расположена противоположно от первой поверхности первой сапфировой пластины; связывание кремниевой пластины со второй поверхностью первой сапфировой пластины, так что второй слой кремния помещен между первой сапфировой пластиной и кремниевой пластиной, причем кремниевая пластина включает в себя области р +, указывающие на структуру преобразователя и не-р + области; и, удаляя не-р + области кремниевой пластины, формируя, таким образом, структуру преобразователя р + областей на второй поверхности первой сапфировой пластины.
Общим признаком аналога, совпадающим с существенными признаками заявляемого изобретения, является то, что чувствительный элемент выполнен на основе структуры «кремний на сапфире».
Недостатком данного способа является наличие большого количества технологических операций, влияющее на параметры работы полупроводникового датчика давления.
Наиболее близким техническим решением является способ изготовления полупроводниковых датчиков давления [Патент SU 835268], включающий выращивание маскирующего слоя двуокиси кремния на пластине кремния, его травление, формирование тензорезисторов, после, на обратной стороне пластины кремния располагают кристаллодержатели/ ковар, инвар, титан, керамика/, на поверхность которых методом центрифугирования из суспензии стеклопорошка, например, системы SiO22О3-Al2O3-RO при времени осаждения 5-7 мин и воздействии линейных перегрузок (1,5-2,0)⋅103g наносят слой стекловидного диэлектрика толщиной 6-9 мкм/ оплавление полученного слоя производят при температуре 900-950°С в течение 8-10 мин с последующим охлаждением со скоростью 3-5°С/мин, коэффициент линейного термического расширения /КЛТР/ которого согласован с КЛТР кристаллодержателя, спаивают вместе пластину кремния с кристаллодержателями, покрытыми стекловидным диэлектриком, при температуре не более 1000°С, формируют металлизацию на тензорезисторы и разделяют пластину кремния совместно с кристаллодержателями на отдельные модули с полупроводниковыми датчиками и приваривают выводы к контактным площадкам тензорезисторов.
Признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками предлагаемого изобретения, является то, что полупроводниковый чувствительный элемент выполнен на основе структуры «кремний на сапфире», включающий в себя нанесение стекловидного диэлектрика методом центрифугирования.
Недостатком данного способа при массовом изготовлении является применение стекловидного диэлектрика системы SiO22О3-Al2O3-RO с высокой температурой оплавления, приводящее к снижению параметров надежности структуры.
Технический результат заключается в повышении параметров надежности и обеспечении долговременной стабильности параметров датчика давления за счет того, что полупроводниковый чувствительный элемент структуры «кремний на сапфире» соединен с керамической шайбой стекловидным диэлектриком системы PbO-В2О3-ZnO.
Для достижения технического результата предложен способ изготовления полупроводниковых датчиков давления, включающий полупроводниковый чувствительный элемент структуры «кремний на сапфире», соединенный с керамической шайбой стекловидным диэлектриком системы PbO-B2O3-ZnO, при этом коэффициент линейного термического расширения стекловидного диэлектрика согласован с коэффициентом линейного термического расширения сапфира и керамики, при времени осаждения стекловидного диэлектрика методом центрифугирования 3-5 мин., скорости вращения ротора центрифуги 7000 об/мин. и оплавлении полученного слоя при температуре 560-580°С.
На фиг. 1 изображена конструкция датчика давления, разработанного в рамках структуры «сапфир-стекловидный диэлектрик-керамика».
На фиг. 2 представлен пример технологического маршрута создания датчика давления на основе структуры «сапфир-стекловидный диэлектрик-керамика».
Способ изготовления полупроводниковых датчиков давления осуществляется следующим способом. Полупроводниковый чувствительный элемент выполнен на основе КНС. Пластины сапфира с ориентацией
Figure 00000001
которые служат подложками для изготовления чувствительного элемента, перед осаждением слоев кремния отжигались при температуре 1400°С в течение 60 минут непосредственно в камере, что позволяет удалить с поверхности сапфира углеродные и кислородные загрязнения и обеспечивает высокое структурное совершенство приповерхностной области слоя Si. Осаждается слой поликристаллического кремния методом высокочастотного распыления. Проведена фотолитография для формирования резисторов. Травление слоев поликристаллического кремния методом избирательного анизотропного травления необходимо для последующего формирования контактов к резисторам.
Электрическая схема чувствительного элемента, имеет замкнутый измерительный мост. Контроль температуры здесь ведется по величине тока, протекающего через мостовую схему. Для подгонки измерительного моста и термокомпенсации в схему введена линейка подгоночных резисторов, включенных в противолежащие плечи моста и вынесенных на одну сторону кристалла. Это не только позволяет правильно сбалансировать схему, но также исключить возможность возникновения теплового разбаланса, так как все резисторы находятся в одинаковых условиях.
Керамика, которая использовалась как основа при производстве датчиков давления, уменьшает температурную погрешность преобразования из-за возможности лучшего согласования коэффициента линейного термического расширения (КЛТР) керамики (85-100×10-7 К-1) и сапфировой (60-75×10-7 К-1) подложки, позволяет уменьшить стоимость технологического процесса из-за использования керамики вместо дорогостоящих титановых сплавов и сложной металлообработки. Исходную керамическую основу разрезаем с помощью лазера с длиной волны 1064 нм, подвергаем ее очистке, после резки, шлифовки и полировки.
Полупроводниковый чувствительный элемент на основе КНС, применяя метод центрифугирования, соединяется с основанием корпуса из керамического материала с помощью стекловидного диэлектрика системы PbO-В2О3-ZnO с коэффициентом линейного термического расширения (КЛТР), равному 82-88×10-7 К-1, под воздействием температурного режима. Формирование отверстия в керамическом основании производится механическим методом.
В конструкции разработанного чувствительного элемента датчика давления контактные площадки, например, алюминиевые, вынесены из зоны измерений, при этом токоразводка до контактных площадок осуществляется в виде длинных линий коммутации, изготавливаемых из того же материала, что и контактные площадки. На фиг. 1 изображена конструкция датчика давления, разработанного в рамках структуры «сапфир-стекловидный диэлектрик-керамика», где 1 - сапфировая мембрана, 2 - отверстие, 3 - алюминий, 4 - поликристаллический кремний, 5 - полость, 6 - паяное соединение (стекловидный неорганический диэлектрик), 7 - керамическое основание.
На фиг. 2 представлен пример технологического маршрута создания датчика давления на основе структуры «сапфир-стекловидный диэлектрик-керамика».
На сапфировую подложку диаметром 76 мм, тщательно обработанную механической и химической полировкой, ориентированной в плоскости
Figure 00000001
осаждается слой поликристаллического кремния высокочастотным распылением. Толщина нанесенного слоя составляет примерно 5 мкм.
Технологическими особенностями изготовления чувствительного элемента преобразователя давления являются:
- получение слоев кремния на сапфировой подложке с использованием технологии высокочастотного распыления, что позволяет реализовать процесс осаждения химически и структурно упорядоченных слоев Si на инородную подложку, так как при высокотемпературном газофазном эпитаксиальном росте КНС-структур из-за значительного различия коэффициентов термического расширения кремния и сапфира (35⋅10-7 против 80⋅10-7 град-1) в слоях кремния при их росте возникают большие механические напряжения и это приводит к низкому качеству гетероэпитаксиальных слоев кремния: плотность дислокаций в слоях составляет 105-109 см-2.
- избирательное локальное травление слоев кремния по заданному топологическому рисунку, осуществляемое методом избирательного анизотропного травления кремния с помощью оксидной маски.
Следующим этапом проводилась фотолитография для формирования резисторов. Травление слоев поликристаллического кремния проводили методом избирательного анизотропного травления.
Последующей операцией является формирование контактов к резисторам. Напыление алюминия и фотолитография для формирования контактной металлизации и контактных площадок необходимо для присоединения тензорезистивной схемы к внешним выводам корпуса.
Для того чтобы вытравить необходимых размеров канавку, используем химически-стойкий лак, им изолируем нанесенный слой кремния и сформированные контактов, поскольку их необходимо оставить. Формирование сапфировой канавки осуществляется с использованием метода химического травления. Для профилирования сапфир травится в смеси кислот H2SO4 96% и Н3РО4 85% с использованием SiO2 маски, сформированной травлением в стандартном буферном травителе. Скорость травления сапфира составляет (0,6-0,8) м/ч. Температура подложки варьируется от 240 до 280°С.
Исходную керамическую подложку разрезаем с помощью лазера с длиной волны 1064 нм, подвергаем ее очистке, после резки, шлифовки и полировки. Для нанесения стекловидного диэлектрика методом центрифугирования первоначально происходит грануляция легкоплавкого неорганического диэлектрика системы PbO-В2О3-ZnO с удельной поверхностью 5000 см2/г (сухой помол). Для приготовления агрегативно устойчивой рабочей суспензии в полученный порошок добавляется изобутиловый спирт, в следующем соотношении 20 гр. порошка на 25 гр. спирта. Полученный раствор помещается в вибромельницу, в яшмовый барабан с яшмовыми шарами на 48 часов. Нанесение суспензии из легкоплавкого неорганического диэлектрика системы PbO-B2O3-ZnO на керамическую подложку осуществлялось методом центрифугирования в течение 3-5 минут при скорости вращения ротора на центрифуге ОПН-16 (Labtex) 7000 об/мин. Сушка равномерно нанесенной стекловидной диэлектрической пленки проводилась в термошкафу при температуре 50-60°С в течение 3-5 мин. Высокотемпературный отжиг осуществлялся в муфельной печи при Т<580°С, а для уменьшения механических напряжений была введена изотермическая выдержка продолжительностью 10 мин. при Т=320°С. Некристаллизующиеся стекловидные пленки легкоплавкого неорганического диэлектрика обладают хорошей адгезией к материалам подложек, согласованностью по коэффициенту линейно-термического расширения (КЛТР=82-88×10-7 К-1) между компонентами структуры и температурам их формирования, позволяющим получить наиболее равномерное по толщине и однородности стекловидное диэлектрическое покрытие.
Формирование отверстия в структуре «стекловидный диэлектрик-керамика» производится механическим методом. Проведение процесса очистки сформированных отверстий.
Следующим этапом сборки датчика давления является соединение чувствительного элемента с керамическим корпусом. Предварительно получив структуру «стекловидный диэлектрик-сапфир» системы PbO-B2O3-ZnO методом центрифугирования при скорости вращения ротора центрифуги 7000 об/мин в течение 3-5 мин. и при высокотемпературном отжиге в муфельной печи при Т<560-580°С продолжительностью 5-7 мин. сапфировый чувствительный элемент соединяется с основанием корпуса из керамического материала, посредством стекловидного диэлектрика системы PbO-B2O3-ZnO с помощью груза (массой 200 гр.), при Т<600°С и с выдержкой 5-7 минут.
В заключении происходит формирование электрических выводов к контактным площадкам тензопреобразователя давления, выводам корпуса, а также герметизация и корпусирование датчика давления.
Таким образом, структура «сапфир-стекловидный диэлектрик-керамика» показывает возможность повышения чувствительности датчика и снижения погрешности при расширении его функциональных возможностей, упрощении конструкции и повышении технологичности изготовления. Датчик давления на основе структуры КНС обладает высокой чувствительностью, стабильностью, практически не имеет механического гистерезиса, может работать в широком диапазоне температур от -60 до +350°С и при воздействии радиации.

Claims (1)

  1. Способ изготовления полупроводникового датчика давления, включающий выполнение чувствительного элемента на основе структуры «кремний на сапфире» с нанесением стекловидного диэлектрика методом центрифугирования, отличающийся тем, что, полупроводниковый чувствительный элемент структуры «кремний на сапфире» соединен с керамической шайбой стекловидным диэлектриком системы PbO-B2O3-ZnO, при этом коэффициент линейного термического расширения стекловидного диэлектрика согласован с коэффициентом линейного термического расширения сапфира и керамики, при времени осаждения стекловидного диэлектрика методом центрифугирования 3-5 мин, скорости вращения ротора центрифуги 7000 об/мин и оплавлении полученного слоя при температуре 560-580°С.
RU2019102133A 2019-01-25 2019-01-25 Способ изготовления полупроводниковых датчиков давления RU2702820C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019102133A RU2702820C1 (ru) 2019-01-25 2019-01-25 Способ изготовления полупроводниковых датчиков давления

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019102133A RU2702820C1 (ru) 2019-01-25 2019-01-25 Способ изготовления полупроводниковых датчиков давления

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2702820C1 true RU2702820C1 (ru) 2019-10-11

Family

ID=68280048

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019102133A RU2702820C1 (ru) 2019-01-25 2019-01-25 Способ изготовления полупроводниковых датчиков давления

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2702820C1 (ru)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU835268A1 (ru) * 1980-04-03 1999-12-27 Таганрогский радиотехнический институт им.В.Д.Калмыкова Способ изготовления полупроводниковых датчиков давления
US20010029087A1 (en) * 1999-01-12 2001-10-11 Kurtz Anthony D. Method for making silicon-on-sapphire transducers
RU2384825C1 (ru) * 2008-12-10 2010-03-20 Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) Датчик для измерения давления
RU2392592C1 (ru) * 2009-04-30 2010-06-20 Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ" (ЮФУ) Датчик давления
RU2603446C1 (ru) * 2015-07-30 2016-11-27 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского" (ФГУП "ЦАГИ") Устройство для измерения давления и температуры

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU835268A1 (ru) * 1980-04-03 1999-12-27 Таганрогский радиотехнический институт им.В.Д.Калмыкова Способ изготовления полупроводниковых датчиков давления
US20010029087A1 (en) * 1999-01-12 2001-10-11 Kurtz Anthony D. Method for making silicon-on-sapphire transducers
RU2384825C1 (ru) * 2008-12-10 2010-03-20 Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) Датчик для измерения давления
RU2392592C1 (ru) * 2009-04-30 2010-06-20 Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ" (ЮФУ) Датчик давления
RU2603446C1 (ru) * 2015-07-30 2016-11-27 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского" (ФГУП "ЦАГИ") Устройство для измерения давления и температуры

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US3951707A (en) Method for fabricating glass-backed transducers and glass-backed structures
US4625561A (en) Silicon capacitive pressure sensor and method of making
JP5033421B2 (ja) 超純粋環境および高腐食環境において使用可能なセンサーとその製造方法
US20080283944A1 (en) PHOTOSTRUCTURABLE GLASS MICROELECTROMECHANICAL (MEMs) DEVICES AND METHODS OF MANUFACTURE
KR101652369B1 (ko) 습식 및 건식 식각공정을 이용한 압저항형 압력센서 제조방법
JPH0434953A (ja) 静電チャック板
RU2702820C1 (ru) Способ изготовления полупроводниковых датчиков давления
JP3730868B2 (ja) 薄膜圧電抵抗センサ製作の方法
CN113675327A (zh) 一种热电堆传感器的制造方法
TW200401308A (en) Conductor for movable circuit and vibration-type rotating instrument
US6993828B2 (en) Method for manufacturing metal thin film resistor
RU2137249C1 (ru) Способ изготовления микромеханических приборов
CN114112085A (zh) 一种高效率mems高温薄膜热电偶传感器的制造方法
CN110780090B (zh) 基于碳化硅材料的压阻式加速度传感器的制造方法
JP3427616B2 (ja) 静電容量型センサ及びその製造方法
CN112501593A (zh) 一种流量传感器芯片的制造方法
RU2794560C1 (ru) Способ формирования объемных элементов в кремнии для устройств микросистемной техники и производственная линия для осуществления способа
RU2704199C1 (ru) Способ создания структуры - кремний на изоляторе
US11644364B1 (en) High temperature thermal sensors
WO1992005575A1 (en) Field-assisted bonding
JPH11260609A (ja) 白金抵抗温度計の検出素子の製造方法及びその方法で製造された検出素子
JPH1073505A (ja) 半導体装置の製造方法
JPH02143465A (ja) 半導体センサおよびその製造方法
JPH06102120A (ja) 半導体圧力センサの製造方法
GB2145284A (en) Processes for applying a semiconductor material to a substrate