Способ механической компенсации температурной зависимости чувствительности интегральных датчиков малых давлений

 

Союз Советских

Социалистических

Республик

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ () 746218 (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 060378 (21) 2592807/18-25 (Я)М. Кл.2

G О! L 9/04 с присоединением заявки Ко

Государствеииый комитет

СССР по делам изобретеиий и открытий (23) Приоритет

Опубликовано 070780. Бюллетень Мо 25

Дата опубликования описания 070.780 (53) УДК 537. 312.6 (088. 8) (72) Авторы изобретения

О.В.Яковлев, С.M.Çàñåäàòåëåí, В.И.Воробьев и A.Ã.Ëåïèí (54) СПОСОБ МЕХАНИЧЕСКОЙ КОМПЕНСАЦИИ

ТЕМПЕРАТУРНОЙ ЗАВИСИМОСТИ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ

ИНТЕГРАЛЬНЬ!Х ДАТЧИКОВ МАЛЫХ ДАВЛЕНИЙ

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано для компенсации температурной зависимости чувствительности тонких кремниевых мембран интегральных датчиков малых давлений в широком диапазоне температур окружающей средыИзвестны механические способы компенсации температурных погрешностей полупроводниковых тензорезисторных преобразователей с использованием, в частности, биметаллических компенсаторов (. Ц .

Недостатком этих способов являются большие габариты и вес, трудоемкость настройки термокомпенсации и низкая эффективность °

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату 79 является способ механическом компенсации температурной зависимости чувствительности интегральных датчиков малых давлений, включающий термическое окисление при 1200 C обеих по- 25 верхностей пластин-заготовок, формирование тонких кремниевых мембран, удаление пленки двуокиси кремния с внешней поверхности тонких мембран, термическое окисление при 1200 С 3р обеих поверхностей тонких кремниевых мембран, формирование тензочувствительньвс элементов и металлических выводов Г23 °

Однако этот способ не увеличивает процент .выхода годных температурно-компенсированных интегральных датчиков малых давлений из- за того, что уменьшение толщины исходной кремниевой пластины заготовки на начальной стадии (операции формирования тонких кремниевых мембран ) приводит к снижению ее механической прочности и, следовательно, процент выхода годных датчиков, особенно на операциях, связанных с нанесением и удалением фоторезиста, диффузии примеси, разделении пластины на отдельные кристаллы.

Целью изобретения является расширение температурного диапазона использования и увеличение процента выхода годных температурно-компенсированных интегральных датчиков малых давлений.

Для этого в способе, включающем о термическое окисление при 1200 С обеих поверхностей пластин-заготовок, формирование тонких кремниевых

746218 мембран, нанесение пленки двуокиси кремния на внешнюю и внутреннюю поверхности тонких мембран, формирование теíзочувcTHèòåëüíûõ элементов и металлических выводов, после термического окисления пластин-заготовок осуществляют последовательно операции формирования тензочувствительных элементов, металлических выводов и тонких кремниевых мембран, после чего на внутреннюю поверхность о при 500 C наносят пленку двуокиси кремния, толщину которой, вычисляют по Формуле: (1Ю Елb h (4 dà) (fë (î,) Я РМЯ((г (о з(з î (Юг "г(Р ")г 94 где,ЯД А - модуль упругости, коэФфициент Пуассона, толщина и температурный коэФфициент расширения кремниевой мембраны;

gj pJj g (g — модуль упругости, коэФфициент Пуассона, толщина и температурный коэффициент расширения пленки двуокиси кремния на внешней поверхности мембраны;

Ез,/ 3 ñ(- модуль упругости, коэффициент Пуассона, толщина и температурнйй коэффициент расширения пленки двуокиси кремния на внутренней поверхности мембраны; комнатная температура; температура образования пленки двуокиси кремния на внешней поверхности мембраны; температура нанесения

3 пленки двуокиси кремния на внутреннюю поверхность мембраны.

На чертеже изображен температурно-компенсированный чувствительный элемент интегрального датчика малых давлений, разрез.

Чувствительный элемент содержит тонкую кремниевую мембрану 1, пленку 2 двуокиси кремния. на внешней поверхности мембраны, пленку 3 двуокиси кремния на внутренней поверхности мембраны, тензочувствительные элементы 4, металлические (алюминиевые) выводы 5, кремниевую пластинузаготовку б.

В качестве исходной пластины-заготовки б используется монокристаллический кремний марки КЭФ-1 толщиной 250 мкм, ориентированный в плоскости (100). Термическим окислением о при 1200 С образуется слой двуокиси кремния толщиной 0,72 мкм, который используется в качестве маскирующего слоя на операциях формирования тензочувствительных элементов 4 (диФфузионые тензорезисторы р-типа с поверхностным сопротивлением 200 ом/и и глубиной диФфузии 1,8 мкм) и алюми— ниевых выводов 5. Тонкие квадратные кремниевые мембраны 1 формируются путем анизотропного травления пластины-заготовки б в кипящем гидразинеГидрате Иг Н ° Н 0 марки ЧДА, причем стороны мембрай ориентированы по кристаллографическим направлениям

< 110). По завершении операций формирования тензочувствительных элементов 4, алюминиевых выводов 5 и тонких кремниевых мембран 1 вследствие термоупругих напряжений в системе кремний — двуокись кремния, вызванных различием температурных коэффициентов

15 расширения кремниевой мембраны 1 и ,пленки 2 двуокиси кремния на внешней поверхности мембраны, появится прогиб мембраны 1 выпуклостью вверх. Величина прогиба изменяется в зависимости

2О от температуры окружающей среды,что изменяет и чувствительность мембраны. Так, например, для мембран со сторонами 3х3 мм, толщиной 10 мкм, прогиб центра составляет 8 мкм. С целью устранения температурной зависимости чувствительности тонких кремниевых мембран 1 на их внутреннюю поверхность пиролизом тетраметоксисилана 5i(ОСНОВ)> при 500 С наносят пленку 3 двуокиси кремния тол щиной 0,46 мкм, модуль упругости, коэффициент Пуассона и температурный коэффициент расширения которой отличается от толщины, модуля упругости, коэффициента Пуассона и температурного коэффициента расширения пленки 2 двуокиси кремния. При этом в системе кремний-двуокись. кремния возникает такое распределение терм.эупругих напряжений, которое устранит

4р первоначальный прогиб мембраны 1.

В лабораторных условиях МВТУ им. Баумана проводились экспериментальные исследования предлагаемого и известного способов, которые показали, что предлагаемый способ имеет температурный диапазон от -15 C о

+60 С, а известный от +10 С до +60 С при одной и той же величине температурной погрешности 0,12%.

Кроме того, использование предлагаемого способа температурной компенсации 22% увеличивает на 22% выход годных температурно-компенсированных интегральных датчиков малых

55 давлений по сравнению с известным способом.

Формула изобретения

Способ механической компенсации

40 температурной зависимости чувствительности интегральных датчиков малых давлений, включакхцих термическое окисление при 1200 С обеих поверхностей пластин-заготовок, формироваб5 ние тонких кремниевых мембран, на746218

Составитель В.Гусева

Редактор М.Стрельникова Техред Н. Бабурка

Корректор E.Папп

Подписное

Эаказ 3928/28 тираж 1019

ЦНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д ° / . 4/5 филиал ППП "Патент", г.ужгород, ул.Проектная несение пленки двуокиси кремния на внешнюю и внутреннюю поверхности тонких мембран, формирование тензочувствительных элементов и металлических выводов, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью расширения . температурного диапазона использования и увеличения процента выхода . годных температурно-компенсированных интегральных датчиков малых давлений, после термического окисления пластин-

-заготовок осуществляют последовательно операции формирования тензочувствительных элементов, металлических выводов и тонких кремниевых мембран, после чего на внутреннюю поверхность мембран пиролизом тетраметоксисилана при 500 С наносят пленку двуокиси кремния, толщину которой вычисляют по формуле (/з 4EJbr hz (a 3,) 2 toj 2(Ь Еу (4И )Е Щ з о tan 2 /Я дд (Р - (.,гдеЕ,Я; 6>ф модуль упругости, коэффициент Пуассона, толщина и температурный коз@- 2 фициент расширения кремниевой мембраны

E °

2)Я ) gj 42 — модуль упругости, коэффициент Пуассона, толщ на и температурный коз фициент расширения пленки двуокиси кремни на внешней поверхности мембраны; gjPzj h jît — модуль упругости, коэффициент Пуассона, толщ) на и температурный коз< фициент расширения пле ки двуокиси кремния на внутренней поверхности мембраны; — комнатная температура; — температура образовани: пленки двуокиси кремни. на внешней поверхности мембраны; — температура нанесения пленки двуокиси кремни на внутреннюю поверхность мембраны.

Источники информации принятые во внимание при экспертиз

1. Патент США 9 3199345, кл. 73-141, 1965.

2. Патент ChtA 9 3753196, кл. 338-4, 1973.