close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

ТОП lab1 max (2)

код для вставкиСкачать
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
"УЛЬЯНОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ"
Кафедра "Измерительно-вычислительные комплексы"
Практическая работа №1
Вариант №2
Выполнил: студент гр. Пд-41
Голунов М.А.
Проверил: преподаватель
Тихоненков В.А.
Ульяновск 2005
Задание
Разработать технологический процесс изготовления чувствительного элемента металлопленочного датчика абсолютного давления с мостовой измерительной цепью на основании УЭ в виде жесткозащемленной мембраны если известно:
* температура рабочей среды: Тс = 50ºС;
* нестабильность датчика за время эксплуатации: н = 1,5%;
* время непрерывной работы (эксплуатации) датчика: tp = 300 ч;
* температурный коэффициент тензорезистора:  = 1010-4 1/ºС;
* основная погрешность датчика:  = 2%.
Разработка чувствительного элемента производится в несколько этапов:
* на первом этапе производится выбор материалов УЭ и элементов тонкопленочной структуры чувствительного элемента;
* на втором этапе - выбор метода и технологии напыления элементов тонкопленочной структуры;
* на третьем этапе - выбор метода и технологии формирования топологии элементов тонкопленочной структуры.
1 этап
Выбор материалов чувствительного элемента производится на основании технических требований и с учетом предполагаемой технологии напыления и формирования топологии.
Материал УЭ
В связи с агрессивностью среды, высокой температурой эксплуатации и жестким требованием к метрологическим характеристикам, а также, учитывая технологические особенности изготовления тонкопленочной структуры, материал УЭ должен обладать следующими характеристиками:
* химическая стойкость к агрессивной рабочей среде и травителям, применяемым в процессе изготовления тонкопленочной структуры;
* для обеспечения защиты тонкопленочной измерительной схемы от агрессивной рабочей среды материал должен обладать хорошей свариваемостью с корпусными элементами датчика;
* для обеспечения рабочего диапазона температур и температуры в процессе напыления материал должен быть работоспособным в температурном диапазоне
(-130+500ºС);
* для обеспечения метрологических характеристик в процессе эксплуатации с одной стороны температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) должен иметь минимальное значение (для исключения температурных напряжений на пленке), а с другой - его ТКЛР должен быть близок к ТКЛР резистивного сплава (для обеспечения требования по r). Кроме того, для минимизации мультипликативной температурной составляющей погрешности температурный коэффициент модуля упругости (ТКЕ) материала УЭ э должен быть близок к температурному коэффициенту тензочувствительности (ТКЧ) тензорезистивного материала к;
* высокими прочностными характеристиками и малым гистерезисом для получения минимальных погрешностей и обеспечения широкого диапазона измерения;
* для обеспечения требуемого класса чистоты в процессе полировки материал должен обладать значительной вязкостью при твердости в пределах 3550 HRCэ.
Перечисленными характеристиками в достаточной степени обладает сталь ШХ15 (использование в вакууме).
Характеристики стали ШХ15:
В = 2200 МПа; 02 = 1700 МПа; 10 = 15 %; Е = 210 ГПа; 1 = 12,010-6 1/ºС; =7,8 мг/м3
Диэлектрический слой
В связи с широким диапазоном рабочих температур и большой длительностью эксплуатации, а также учитывая технологические особенности в процессе напыления, материал диэлектрического слоя должен обладать следующими характеристиками:
* для исключения температурных напряжений в пленке материал должен обладать значением ТКЛР близким к ТКЛР УЭ;
* для получения воспроизводимых характеристик материал должен обладать высокими адгезионными свойствами по отношению к материалу УЭ;
* с целью исключения катастрофических отказов (трещины, отслоение пленки и др.) материал должен обладать механическими характеристиками не хуже материала УЭ;
* для обеспечения основного назначения (изоляция измерительной схемы от УЭ) материал должен обладать высокими диэлектрическими свойствами при минимальной толщине слоя;
* обладать высокой временной и температурной стабильностью для обеспечения требуемых метрологических характеристик в заданном временном интервале и температурном диапазоне эксплуатации.
Такими характеристиками не обладает ни один из существующих в микроэлектронике материалов. Поэтому диэлектрический слой необходимо изготавливать из двух слоев:
* для обеспечения высокой адгезии и снятия температурных напряжений в слое диэлектрика использовать в качестве буферного подслоя Cr, который, обладая малым диаметром атомов, имеет высокую адгезию ко всем конструктивным материалам и при толщинах пленки 1500 А до 3000 А обеспечивает снятие температурных напряжений, возникающих в процессе напыления диэлектрической пленки, которые появляются в результате отличия ТКЛР диэлектрической пленки и материала УЭ;
* для обеспечения высоких диэлектрических свойств в диапазонах, указанных в ТЗ, в наибольшей степени подходят пленки из боросиликатных и алюмосиликатных стекол. Применение данных материалов ограничено как временем непрерывной работы (не более одного года), так и нижним рабочим диапазоном температур (не ниже -50 ºС), что удовлетворяет техническим требованиям.
Резистивный слой
Данный слой должен обладать следующими характеристиками:
* механические характеристики должны обеспечивать относительные деформации до 310-3 в диапазоне напряжений пропорциональности без явлений гистерезиса;
* иметь высокую адгезию к материалу диэлектрического слоя;
* для обеспечения требуемого диапазона измерений материал должен иметь максимальное значение коэффициента тензочувствительности;
* для обеспечения токовых режимов работы измерительной цепи его удельное сопротивление должно быть не менее 500 Ом/;
* временная стабильность должна обеспечивать 0,5 %/год;
* рабочий диапазон температур от -150 ºС до +200 ºС;
* ТКЧ материала должен быть близок к ТКЕ материала УЭ;
* ТКЛР материала должен быть близок к ТКЛР материала УЭ, а ТКС не превышать 110-4 1/ºС.
В наибольшей степени, с обеспечением технологического ужесточения по техническим характеристикам, подходит напыление нихрома Х20Н80: время непрерывной работы более 10 лет, временная нестабильность находится в пределах 22,5 % в год для отдельного тензорезистора и до 11,5 % в год для тензорезисторов, собранных в мостовую измерительную цепь, ТКС не превышает 110-3 1/ºС, рабочий диапазон температур от -80 ºС до 100 ºС.
Однако, для повышения его адгезии к диэлектрическому слою необходимо ввести подслой Cr толщиной не более 1000 А, что, с одной стороны, приведет к увеличению адгезии резистивной пленки к диэлектрическому слою, а с другой - исключит явления электро и тепло миграции Cr в материал резистивного слоя, т.к. последний в своем составе уже имеет Cr.
Контактные группы
В соответствии с эксплутационными требованиями и с учетом температурного диапазона выберем Ni с подслоем Cr. А т.к. в конструкцию чувствительного элемента предлагается введение вакуумирования в процессе сварки, то это позволяет повысить температурный диапазон до 180 ºС. Подслой Cr одновременно обеспечит повышение адгезии контактных групп к материалу резистивного слоя и будет служить барьером для электро и тепло миграции кремния из резистивного слоя в контактные группы.
2 этап
Выбор метода и технологии напыления элементов тонкопленочной структуры.
Производят с целью обеспечения требуемых технических характеристик датчика с учетом технологических особенностей напыления выбранных материалов и обеспечения максимальной технологичности при производстве металлопленочной структуры.
С точки зрения обеспечения максимальной технологичности при производстве металлопленочной структуры подходит ионно-плазменное распыление. Его особенности:
* универсальность метода, позволяющая в ряде случаев с помощью одного унифицированного устройства распылять металлы, диэлектрики, полупроводники, сплавы и соединения;
* лучшая адгезия пленок к подложкам за счет большой кинетической энергии распыляемых частиц, атомов, молекул;
* улучшение стехиометрии формируемых пленок вследствие равномерного удаления атомов и молекул с поверхности мишени сложного состава в процессе ионной бомбардировки;
* повышение воспроизводимости пленки от подложки к подложке и от партии к партии за счет хорошей контролируемости и управляемости процесса.
3 этап
Выбор метода формирования топологии измерительной цепи.
По аналогии с выбором метода напыления, выбор метода формирования топологии измерительной цепи производится с целью обеспечения требуемых технических характеристик датчика с учетом технологических особенностей формирования топологии и обеспечения максимальной технологичности при производстве металлопленочной структуры.
Исходя из выбора метода ионно-плазменного распыления, а также с точки зрения обеспечения максимальной технологичности при производстве металлопленочной структуры останавливаем свой выбор на формировании топологии селективным травлением с помощью фотолитографии.
Это не только позволит применять групповые методы в технологии производства датчиковой аппаратуры, что само по себе дает такие преимущества как уменьшение времени производственного цикла изготовления чувствительных элементов, уменьшение себестоимости, увеличение воспроизводимости характеристик как в партии, так и между партиями продукции и т.д., но и повысит точность изготовления всех элементов топологии и избавиться от топологических ограничений, связанных с применением масочного метода формирования схемы.
Структурно-технологическая схема изготовления чувствительного элемента
Разработка частного технологического процесса
Ионно-плазменное распыление
Принцип метода состоит в создании в установке плазменного заряда, ионы которого, бомбардируя мишень напыляемого вещества, расположенного на катоде, выбивают атомы этого вещества, переводя его в парообразное состояние. Положительно заряженные частицы пара распыляемого вещества под действием электрического поля устремляются к аноду, где устанавливается подложка, на которой эти частицы конденсируются (осаждаются) в виде пленки испаряемого вещества.
Основным параметром технологичности метода является коэффициент распыления [ат/ион]:
,
где Vр - скорость распыления вещества, кг/(м2с);
NA - число Авагадро;
e - заряд электрона, Кл;
М - молярная масса распыляемого вещества;
ju - плотность ионного потока на поверхности мишени, А/см2.
Напыление диэлектрического слоя
Обычными методами ионно-плазменного распыления невозможно распылять диэлектрики, поскольку на их поверхности в процессе ионной бомбардировки накапливается положительный заряд, что приводит к концентрации поля у диэлектрика, а не в распыляющей газовой среде. При этом плотность потока ионов и их энергия на столько падает, что заметного распыления диэлектрика не происходит.
В связи с этим был разработан метод высокочастотного распыления, который, благодаря попеременной бомбардировки катода электронами и ионами, позволяет распылять диэлектрик.
Распыление диэлектрика осуществляется следующим образом.
Диэлектрическую мишень крепят на проводящей пластине, к которой подводят высокочастотный потенциал частотой около 10 МГц. Положительный потенциал, который накапливается у поверхности мишени за отрицательный полупериод подведенного высокочастотного потенциала, нейтрализуется бомбардировкой электронами за полупериод, в течении которого мишень заряжена положительно. Из-за различия в подвижности электронов и ионов вокруг мишени возникает обогащенная ионами оболочка. Эти ионы бомбардируют мишень, вызывая ее распыление. Эффективный ионный поток при этом равен половине общей величины, т.к. ионы бомбардируют мишень лишь на протяжении полупериода, когда на мишень подается отрицательный потенциал. Скорость осаждения диэлектриков этим методом составляет 3 - 6 нм/с.
Напыление резистивного слоя
Одним из основных недостатков ионно-плазменного распыления является низкая скорость напыления. Это приводит к загрязнению напыленных пленок, увеличению (уменьшению) выше допустимого ТКС резистивных материалов, уменьшению временной стабильности и сужению температурного диапазона работы.
Для исключения этих недостатков широкое распространение получил магнетронный метод распыления, позволяющий увеличить скорость напыления в 30 - 50 раз. Это достигается за счет того, что электроны, имитирующие с мишени под действием бомбардирующих ионов, захватываются постоянным магнитным полем, которое заставляет их двигаться по сложной циклоидальной траектории вблизи поверхности мишени, резко увеличивая степень ионизации плазмы. При этом электроны, локализуясь вблизи мишени, не воздействуют на подложки, за счет чего снижается температура подложки.
При магнетронном распылении скорость напыления может быть рассчитана по формуле:
,
где  - угол падения ионов на мишень (угол распыления);
 - плотность распыляемого материала, кг/м3;
z - кратность заряда иона;
SM - площадь распыляемой поверхности мишени, м2.
На основании этого выражения, при условии выполнения закона косинуса, скорость осаждения, а следовательно, и толщина пленки будет различной в центре и на периферии подложек, что наглядно можно увидеть на рисунке. Для преодоления закона косинуса камера ионно-плазменного напыления оборудуется коническими мишенями, геометрия которых рассчитывается с учетом закона косинуса.
Разработка частного технологического процесса
Ионно-плазменное распыление
Принцип метода состоит в создании в установке плазменного заряда, ионы которого, бомбардируя мишень напыляемого вещества, расположенного на катоде, выбивают атомы этого вещества, переводя его в парообразное состояние. Положительно заряженные частицы пара распыляемого вещества под действием электрического поля устремляются к аноду, где устанавливается подложка, на которой эти частицы конденсируются (осаждаются) в виде пленки испаряемого вещества.
Основным параметром технологичности метода является коэффициент распыления [ат/ион]:
,
где Vр - скорость распыления вещества, кг/(м2с);
NA - число Авагадро;
e - заряд электрона, Кл;
М - молярная масса распыляемого вещества;
ju - плотность ионного потока на поверхности мишени, А/см2.
6
2
Документ
Категория
Рефераты
Просмотров
61
Размер файла
114 Кб
Теги
топ, lab1, max, улгту
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа