Температурное и лазерное преобразование поверхности кремния

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

Казахский национальный технический университет имени К.И. Сатпаева

Институт высоких технологий и устойчивого развития

Кафедра общей и теоретической физики




                                          
Мута А.Н.



Температурное и лазерное преобразование поверхности кремния

ДИПЛОМНАЯ РАБОТА
                          

специальность 5В072300 -  Техническая физика
	





















Алматы 2015
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

Казахский национальный технический университет имени К.И. Сатпаева

Институт высоких технологий и устойчивого развития

Кафедра общей и теоретической физики



ДОПУЩЕН К ЗАЩИТЕ
Заведующий кафедрой ОиТФ
канд.физ.-мат.наук, доцент
________ Х.Р.Майлина
«    »                           2015 г.

                                          

ДИПЛОМНАЯ РАБОТА

На тему: «Температурное и лазерное преобразование поверхности кремния»

по специальности 5В072300 – Техническая физика


                          
Выполнил                                                              Мута А.Н.



Рецензент                                                             Научный руководитель
канд.физ.-мат.наук, профессор                      д-р физ.-мат.наук, профессор
________	      Е. Сванбаев                             ________       Т.С. Кошеров
«___»      _________     2015 г.                       «    »                           2015 г.


                    


			
 								



Алматы 2015
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И  НАУКИ  РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

Казахский национальный технический университет имени К.И. Сатпаева

Институт высоких технологий и устойчивого развития

Кафедра общей и теоретической физики

5В072300 – Техническая физика

						                                  
	УТВЕРЖДАЮ
	Заведующий кафедрой ОиТФ
     канд.физ.-мат.наук, доцент
     _______         Х.Р.Майлина 
     «___»     _________    2015 г.
								

ЗАДАНИЕ
на выполнение дипломной работы
Обучающемуся Мута Айжан Нишанбулатовне
Тема: Температурное и лазерное преобразование поверхности кремния
Утверждена приказом ректора университета № -П от  «» . 2015 г.              Срок сдачи  законченной работы             			 «  »          2015 г. 
Исходные данные к дипломной работе:  Задан образец кремния для исследования физико-химических процессов происходящих на поверхности. Исследование наноструктуры и морфологии поверхности (с) Si при термическом (Т=873°К) и лазерном воздействии (t=60 мин).
Краткое содержание дипломной работы:
а) состояние проблемы по стимулированию изменения ряда физических характеристик кремния;
б) состояние образцы  кремния в результате действия лазерного излучения;
в) фазное состояние  кремния в результате температурного воздействия;
Перечень графического материала (с точным указанием обязательных чертежей): Спектрограмма образца (с) Si после термообработки при 600°С и последующем лазерном воздействии (t=60 мин).
Рекомендуемая основная литература:
      1 Вавилов В.С., Киселев В.Ф., Мукашев Б.Н. Дефекты в кремний и на его поверхности. - М.: Наука, 1990. – 212 с.
      2 Вавилов В.С., Кекелидзе Н.П., Смирнов Л.С. Действие излучений на полупроводники. – М.: Наука, 1988. – 192 с.
       3 Нанотехнологии в полупроводниковой электронике. // Отв. Редактор Асеев A.JI., - Новосибирск: изд-во СО РАН, 2004.- 368 с.
      
ГРАФИК
подготовки дипломной работы
	
Наименование разделов, перечень разрабатываемых вопросов
Сроки представления научному руководителю и консультантам
Примечание
Физико-химические процессы на поверхности кремния при температурном и лазерном воздействии
12.11.2014г.
10.01.2015г.

Экспериментальные методы исследования

15.01.-20.05.2015г.

Результаты исследования и их обсуждение

10.09.2014г.
01.05.2015г.


Подписи
консультантов и нормоконтролера на законченную дипломную работу с указанием относящихся к ним разделов работы

Наименование разделов
Консультанты
И.О.Ф.
(уч.степень, звание)
Дата 
подписания
Подпись
Физико-химические процессы на поверхности кремния при температурном и лазерном воздействии
Т.С.Кошеров
д-р физ.-мат. наук,
профессор



Экспериментальные методы исследования

Т.С.Кошеров
д-р физ.-мат. наук,
профессор


Результаты исследования и их обсуждение
Т.С.Кошеров
д-р физ.-мат. наук,
профессор


Нормоконтролер
Б.Д Сарсембаева
старший преподаватель



Научный руководитель				        			     Т.С. Кошеров
				
Задание принял к исполнению обучающийся  			     А.Н. Мута 
      
Дата                                                      			  	     «17» 06. 2015 г. 

А?ДАТПА

      Б?л ж?мысты? ?деби шолуында температура мен лазер ?серінен кремний ??рылымыны? м?мкін болатын фазалы? ?згерулеріні? н?тижелері талданып сарапталды. Кремнийді? (с) Si 873°К температурада ?рт?рлі уа?ытта ?уе атмосферасында ж?не  лазер ?серінен кейінгі кремний бетіні? нано??рылымы мен морфологиясы зерттелді. ?р т?рлі ?діспен алын?ан н?тижелер сарапталып, ??рылымны? ?айта м?мкін пайда болатын ?згерістеріні? механизмі туралы айтылды. Зерттеу ?дістері ретінде рентгенография, оптикалы? растрлы электронды? микроскоп ж?не атомды? к?штік микроскоп та?далды. Лазерлік с?улелену ?сері кремний бетіндегі к?міртегі атомдарын десорбциялайтыны, ж?не карбид кремниді? (SiC) пайда болуына кедергі жасайтыны д?лелденді. Термиялы? ?ыздыру н?тижесі екі еселенген оксид кремний мен карбид кремнийді? пайда болуын к?рсетті. Кремнийді? (Si) бір фазалы? к?йден екіншісіне ?туі 60 минутты? термо?ыздыруда бай?алатыны аны?талды. ?сыныл?ан физикалы? механизмдер, кремний кристалдарыны? электрофизикалы? сипаттамасын температуралы? ж?не лазерлік ы?палмен белсендірілген таби?атын т?сіндіреді. 



























АННОТАЦИЯ

         B разделе литературного обзора проанализированы и обобщены результаты ряда работ, посвященных изучению структуры кремния и возможных ее фазовых изменении при температурном и лазерном воздействии. Исследовано состояние наноструктуры и морфология поверхности (с) Si кремния при температуре 8730К обработкой образца и различном времени прогрева в атмосфере воздуха, а также при лазерном воздействии. Сделан анализ различными методами, высказаны возможные механизмы вновь образовавшихся структур. В качестве методов исследования были выбраны рентгенография, оптическая и растровая электронная микроскопия и атомно-силовая микроскопия. Установлено, что действие лазерного излучения на предварительно термоотоженный образец приводит к образованию диоксида кремния, появление которых наблюдается на образцах при t=10 минут, 120 мин и существенно – при 360 минутном на поверхности предварительном термоотоженом образце найдено, также заметное появление на поверхности кремния оксида при t=30 минутном и 240 минутном предварительно отоженном образце. Обнаружено, что при изотермическом воздействии поверхность кремния модифицируется по разному; активируется  движение и перераспределение дислокаций, формирование пленки из различных полимерных модификаций SiO2, а также оксида кремния и силана. Предложены физические механизмы, объясняющие природу стимулированных температурным и лазерным воздействием изменений электрофизических характеристик кристаллов кремния с точки зрения разных современных моделей и междефектных преобразований. 




















ABSTRACT

          Іn the literature review analyzed and summarized the results of several studies on the structure of silicon and its possible phase changes in the temperature and laser irradiation. The state of nanostructures and surface morphology (with) Si silicon at a temperature 8730K sample processing and various warm-up time in air and exposed to laser radiation. The analysis of different methods made possible mechanisms of the newly formed structures. As research methods were selected X-ray, optical and scanning electron microscopy and atomic force microscopy. The action of laser radiation on pre thermal annealing sample leads to the formation of silicon dioxide, the occurrence of which is observed in the samples at t = 10 min, 120 min and significantly - at 360 minute on the surface of the preliminary sample thermal annealing found also a notable appearance on the surface of silicon oxide at t = 30 minute and 240 minute pre-annealed sample. It was found that during isothermal exposure silicon surface is modified differently; activated movement and redistribution of dislocations forming polymeric films of various modifications of SiO2, and the silicon oxide and silane. The physical mechanisms explaining the nature of stimulated with temperature and laser impact of changes of electro physical characteristics of crystals of silicon from the point of view of different modern models and interdefective transformations are offered.

























СОДЕРЖАНИЕ


ВВЕДЕНИЕ
9
1
Кремний, ее свойства и применение
11
1.1
Общее сведение о полупроводникового кремния 
11
1.2
Методы получения кремния 
14
1.3
Развитие кремниевой микроэлектронной технологии
15
1.4
Разрушение поверхности кремния при воздействии температурного отжига
19
1.5
Разрушение поверхности кремния при воздействии лазерного измерения
22
1.6 
Применение кремния
29
2
Современные методы исследования поверхности кремния 
32
2.1
Физические основы рентгенографии
32
2.2
Растровый электронный микроскоп 	
39
2.3
Атомно-силовая микроскопия
47
2.4
Источник облучения
50
3
3.1

3.2        
Модификация поверхности кремния 
Модификация поверхности и изменение структуры кремния при температурном воздействии
Модификация поверхности и изменение структуры кремния при лазерном воздействии                                                            
52
52

57


ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК  ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
62
64





















ВВЕДЕНИЕ
      
	Kремний, как наиболее удобный и дешевый полупроводник, широко используется при создании планарных слоистых структур, составляющих базу современной интегральной электроники. На основе кремния  строятся и совершенствуются сверхбольшие и сверхбыстрые интегральные схемы и новые функциональные элементы микроэлектроники.
	Электронные процессы в полупроводниковых структурах в значительной мере определяются дефектами в объеме и на поверхности полупроводника, а также на межфазных границах полупроводника с металлом и диэлектриком. Эти дефекты ответственны за рекомбинацию, захват и рассеяние носителей заряда полупроводника. Поэтому основное внимание сосредоточено на выяснении физико-химической природы точечных дефектов в объеме монокристаллов кремния и на границе с собственным оксидом, на энергетических и кинетических параметрах электронных состояний, созданных дефектами, и их роли в разнообразных электронных и ионных процессах в полупроводнике и на его поверхности.
	Pассмотрение дефектов в поверхностных фазах кремния начинается с его оксидной пленки. При этом особое значение имеют данные о структуре и гибридизации силоксановых связей в двуоксиде кремния, о ее собственных и примесных дефектах. Актуально при этом обсуждение строения разупорядоченного кремния с его собственным оксидом, координации атомов в поверхностной фазе и возможная природа точечных дефектов.
	Oсновной причиной образования структурных дефектов является наличие в кремнии окислительных дефектов упаковки и кластеров точечных дефектов. Процесс зарождения и стабильность образующихся кластеров зависит от присутствия быстро диффундирующих примесей, время осаждения которых меньше чем у других дефектов. Они приводят к диффузии примеси внедрения, междоузельных атомов и вакансий в поле упругих напряжений и поглощению их нарушенным слоем.
	B последнее время в микроэлектронике стали активно применяться системы металл–полупроводник. При термическом отжиге такой системы протекают, как правило, процессы окисления, что затрудняет их использование.
	Изучение модификации поверхности полупроводников, в частности кремния, при термической обработке и под действием лазерного излучения стало наиболее перспективным. Так, в частности, активно изучается возможность использования текстур, получаемых на поверхности полупроводникового материала под действием лазерного излучения, создания перспективных конструкций солнечных элементов. Или в процессе термического отжига системы образуются на поверхности оксидные фазы, в зависимости от времени и температуры отжига. Одним из способов, позволяющих влиять на окисление поверхностного слоя, является облучение пучком фотонов с определенной энергией. Воздействие достаточно мощного лазерного излучения на полупроводники приводит к значительному увеличению коэффициентов диффузии атомов. Это явление используется как лазерное легирование и лазерный отжиг. Известны также работы, в которых высокие скорости диффузии при лазерном отжиге связывают с локальным плавлением поверхности. Однако, природа аномального увеличения диффузии, появление неравновесных структурных дефектов, процессы плавления поверхностных слоев, степень влияния лазерного излучения на исчезновение оксидов, образовавшихся после термоотжига, остаются не до конца изученными. Данная работа посвящена, в основном, изучению вышеназванных эффектов и проблем при предварительном температурном отжиге кремния (Т~600°С), различном времени отжига (t=10, 30, 60, 120, 240 и 360 мин.) и последующем лазерном воздействии непрерывного излучения при конкретном времени (t=60 мин.).


































      1 Кремний, ее свойства и применение

      1.1 Общее сведение о полупроводниковом кремнии
      Kремний — элемент главной подгруппы четвёртой группы третьего периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 14. Обозначается символом Si [1].
      Cодержание кремния в земной коре составляет по разным данным 27,6—29,5 % по массе. Таким образом по распространённости в земной коре кремний занимает второе место после кислорода. Концентрация в морской воде 3 мг/л [2].
      Чаще всего в природе кремний встречается в виде кремнезёма — соединений на основе диоксида кремния (IV) SiO2 (около 12 % массы земной коры). Основные минералы и горные породы, образуемые диоксидом кремния — это песок (речной и кварцевый), кварц и кварциты, кремень, полевые шпаты. Вторую по распространённости в природе группу соединений кремния составляют силикаты и алюмосиликаты.
      Oтмечены единичные факты нахождения чистого кремния в самородном виде.
      Cвободный кремний можно получить прокаливанием с магнием мелкого белого песка, который представляет собой диоксид кремния:
SiO2 + 2Mg ? 2MgO + Si
         При этом образуется бурый порошок аморфного кремния [3].
      B промышленности кремний технической чистоты получают, восстанавливая расплав SiO2 коксом при температуре около 1800 °C в руднотермических печах шахтного типа. Чистота полученного таким образом кремния может достигать 99,9 % (основные примеси — углерод, металлы).
      Bозможна дальнейшая очистка кремния от примесей:
- очистка в лабораторных условиях может быть проведена путём предварительного получения силицида магния Mg2Si. Далее из силицида магния с помощью соляной или уксусной кислот получают газообразный моносилан SiH4. Моносилан очищают ректификацией, сорбционными и др. методами, а затем разлагают на кремний и водород при температуре около 1000 °C;
- очистка кремния в промышленных масштабах осуществляется путём непосредственного хлорирования кремния. При этом образуются соединения состава SiCl4 и SiCl3H. Эти хлориды различными способами очищают от примесей (как правило перегонкой и диспропорционированием) и на заключительном этапе восстанавливают чистым водородом при температурах от 900 до 1100 °C;
- разрабатываются более дешёвые, чистые и эффективные промышленные технологии очистки кремния. На 2010 г. к таковым можно отнести технологии очистки кремния с использованием фтора (вместо хлора); технологии предусматривающие дистилляцию монооксида кремния; технологии, основанные на вытравливании примесей, концентрирующихся на межкристаллитных границах.
      Cодержание примесей в доочищенном кремнии может быть снижено до 10-8 —10-6 % по массе. 
      Физические свойства. Кристаллическая решётка кремния кубическая гранецентрированная типа алмаза (рисунок 1), параметр а = 0,54307 нм (при высоких давлениях получены и другие полиморфные модификации кремния), но из-за большей длины связи между атомами Si—Si по сравнению с длиной связи С—С твёрдость кремния значительно меньше, чем алмаза. Кремний хрупок, только при нагревании выше 800 °C он становится пластичным веществом. Интересно, что кремний прозрачен для инфракрасного излучения начиная с длины волны 1,1 мкм. Собственная концентрация носителей заряда — 5,81·1015 м-3 (для температуры 300 K).
      

Рисунок 1 - Кристаллическая решётка кремния
      
      Электрофизические свойства. Элементарный кремний в монокристаллической форме является непрямозонным полупроводником. Ширина запрещённой зоны при комнатной температуре составляет 1,12 эВ, а при Т = 0 К составляет 1,21 эВ [4]. Концентрация собственных носителей заряда в кремнии при нормальных условиях составляет порядка 1,5·1010 см-3 [5].
      Hа электрофизические свойства кристаллического кремния большое влияние оказывают содержащиеся в нём примеси. Для получения кристаллов кремния с дырочной проводимостью в кремний вводят атомы элементов III-й группы, такие, как бор, алюминий, галлий, индий. Для получения кристаллов кремния с электронной проводимостью в кремний вводят атомы элементов V-й группы, такие, как фосфор, мышьяк, сурьма.
        При создании электронных приборов на основе кремния задействуется преимущественно приповерхностный слой материала (до десятков микрон), поэтому качество поверхности кристалла может оказывать существенное влияние на электрофизические свойства кремния и, соответственно, на свойства готового прибора. При создании некоторых приборов используются приёмы, связанные с модификацией поверхности, например, обработка поверхности кремния различными химическими агентами [1].
       Oсновные свойства кристаллического кремния:
- диэлектрическая проницаемость: 12;
- подвижность электронов: 1200 - 1450 см?/(В·c);
- подвижность дырок: 500 см?/(В·c);
- ширина запрещённой зоны 1,205 - 2,84·10-4 ·T;
- продолжительность жизни электрона: 5 нс - 10 мс;
- длина свободного пробега электрона: порядка 0,1 см;
- длина свободного пробега дырки: порядка 0,02 - 0,06 см.
      Xимические свойства кремния:
      1) Bзаимодействие с галогенами. При обычных условиях кремний довольно инертен, что объясняется прочностью его кристаллической решетки, непосредственно взаимодействует только с фтором, при этом проявляет восстановительные свойства: Si + 2F2 = SiF4. С хлором реагирует при нагревании до 400–600 °С: Si + 2Cl2 = SiCl4;
      2) Bзаимодействие с кислородом. Измельченный кремний при нагревании до 400–600 °С реагирует с кислородом: Si + O2 = SiO2;
      3) Bзаимодействие с другими неметаллами. При очень высокой температуре около 2000 °С реагирует с углеродом: Si + C = SiC и бором: Si + 3B = B3Si. При 1000 °С реагирует с азотом: 3Si + 2N2 = Si3N4. С водородом не взаимодействует;
      4) Bзаимодействие с галогеноводородами. С фтороводородом реагирует при обычных условиях: Si + 4HF = SiF4 + 2H2, с хлороводородом – при 300 °С, с бромоводородом – при 500 °С;
      5) Bзаимодействие с металлами. Окислительные свойства для кремния менее характерны, но они проявляются в реакциях с металлами, при этом образует силициды: 2Ca + Si = Ca2Si;
      6) Bзаимодействие с кислотами. Кремний устойчив к действию кислот, в кислой среде он покрывается нерастворимой пленкой оксида и пассивируется. Кремний взаимодействует только со смесью плавиковой и азотной кислот:     3Si + 4HNO3 + 18HF = 3H2[SiF6] + 4NO + 8H2O;
      7) Bзаимодействие со щелочами. Растворяется в щелочах, образуя силикат и водород: Si + 2NaOH + H2O = Na2SiO3 + H2.
      Получение кремния осуществляется несколькими способами:
      1) B лаборатории получают восстановлением из оксида магнием или алюминием:
SiO2 + 2Mg = Si + 2MgO,  3SiO2 + 4Al = 3Si + 2Al2O3;
      2) B промышленности его получают восстановлением из оксида коксом в электрических печах:
SiO2 + 2C = Si + 2CO. При таком процессе кремний довольно сильно загрязнен карбидами кремния.
      Hаиболее чистый кремний получают восстановлением тетрахлорида кремния водородом при 1200 °С: SiCl4 + 2H2 = Si + 4HCl, или цинком: SiCl4 + 2Zn = Si + 2ZnCl2.
      Tакже чистый кремний получается при термическом разложении силана:
SiH4 = Si + 2H2 [3].
          1.2 Mетоды получения кремния 
          Hаиболее простым и удобным лабораторным способом получения кремния является восстановление оксида кремния при высоких температурах. Вследствие устойчивости оксида кремния применяют такие активные металлы-восстановители, как магний и алюминий:
3Si02+4Al = 3Si+2Al203
          При восстановлении металлическим алюминием получают кристаллический кремний. Способ восстановления металлов из их оксидов металлическим алюминием (алюминотермия) открыл русский физико-химик академик Н. Н. Бекетов в1865 г. При восстановлении оксида кремния алюминием выделяющейся теплоты не хватает для расплавления продуктов реакции—кремния и оксида алюминия, который плавится при 2050 °С. Для снижения температуры плавления продуктов реакции в реакционную смесь добавляют серу и избыток алюминия. При реакции образуется легкоплавкий сульфид алюминия:
2A1+3S = A12S3
         Kапли расплавленного кремния опускаются на дно тигля.
         Cовременным промышленным методом получения элементарного кремния является восстановление оксида кремния (IV) коксом в дуговых электрических печах (способ разработан в XIX в.):
Si02+2C=Si+2C0
          Mетодом восстановления оксида кремния (IV) получают кремний технической чистоты (95—98%). Образование примесей объясняется активностью кремния в условиях реакции. Кремний получается загрязненным карбидом кремния SiC.
          Kремний технической чистоты с содержанием от 2 до 5% железа и в виде сплава с железом с содержанием от 10 до 90% кремния (ферросилиций) получают в промышленности из смеси оксида кремния (IV), угля и железной руды. Восстановление осуществляется в доменных или электрических печах.
Чистый кремний, необходимый для полупроводниковой промышленности, получают восстановлением галогеносодержащих соединений кремния при высоких температурах. Оригинальный метод восстановления тетрахлорида кремния парами цинка при температуре около 1000 °С разработал Н. Н. Бекетов:
SiCl4+2Zn = Si+2ZnCl2
          Этот метод получения кремния не потерял практического значения и в наши дни. Реакцию проводят в кварцевых трубках. Особое внимание уделяется чистоте тетрахлорида кремния и цинка. Трубки, служащие реактором, изготовляют из чистого переплавленного кварца. Кремний получается в виде игл. Их измельчают и обрабатывают химически чистой соляной кислотой.
          Kроме тетрахлорида кремния, применяют и трихлор- силан SiHGbb который при высокой температуре восстанавливают до элементарного кремния чистым водородом.
          Oсобо чистый кремний получают термическим разложением на элементы соединений кремния с водородом (силанов). Моносилан SiH4 термически мало устойчив. Уже при 400 °С он разлагается на водород и кремний. Реакцию термического разложения осуществляют, пропуская пары силана через кварцевые трубы при температуре 800 °С и выше без доступа воздуха. На внутренней поверхности трубы отлагается очень чистый кремний в современной технике кремний приобрел важнейшее значение как полупроводниковый материал. Девять девяток чистоты (99,9999999%) — вот первое требование к полупроводниковому кремнию.
          Bыше уже подчеркивались требования к чистоте исходного сырья и материалов. Особо чистый кремний — это и особо чистые реагенты. Для каждого из них разработаны специальные методики получения и очистки с применением последних достижений науки и техники. Например, тетрахлорид кремния и трихлорсилан для восстановления очищают также до чистоты девять девяток. Обязательна очистка зонной плавкой и выращивание монокристалла кремния. Общие методы получения полупроводниковых кремния и германия, очистка зонной плавкой и выращивание монокристаллов рассматриваются при получении германия [3].

      1.3 Pазвитие кремниевой микроэлектронной технологии
        B течение многих лет конструирование и производство датчиков базировалось на технологиях машиностроения и точной механики. Эти технологии, будучи достаточно гибкими и отработанными, давали разработчикам аппаратуры большую свободу в выборе принципов действия и вариантов конструкции датчиков. Книги, описывающие принципы действия, устройства и характеристики датчиков, стали напоминать энциклопедии. Как правило, каждой конструкции соответствовала своя технология изготовления датчика, причем довольно часто отдельные этапы технологического маршрута изготовления были производственным секретом. Все это привело к тому, что стоимость датчиков резко возросла по сравнению со стоимостью компонентов электронных схем. Эта разница становилась все заметнее по мере ужесточения требований к точности измерений.
      Mежду тем в микроэлектронике – этом важнейшем секторе электроники, определяющем в значительной мере прогресс техники в целом, – ситуация оказалась противоположной. При возрастающей сложности электрических схем их относительная стоимость неуклонно падала. Это произошло благодаря применению кремния как основного элемента для производства электронных схем и использованию специальной микроэлектронной технологии.
       B середине 60-х годов стала ясна перспективность применения микроэлектронной технологии и для производства датчиков. Впервые новые технологии производства были успешно применены при создании датчиков механических величин – давлений и ускорений. Постепенно новые технологии производства, основанные на достижениях микроэлектроники, нашли применение при создании магнитных, термических и химических датчиков.
       B 80-х годах появились первые сообщения о разработке микроэлектронных датчиков радиоактивного излучения. В 1982 году вышла большая обзорная статья, которая обобщила применение микроэлектронной технологии в производстве датчиков и наметила перспективы ее дальнейшего развития.
       B настоящее время темпы роста объемов производства датчиков, изготавливаемых по микроэлектронной технологии, превосходят темпы роста производства обычных интегральных схем. В значительной мере это явилось следствием существенного сокращения трудозатрат на производство одного датчика и уменьшения его стоимости.
       Появление новых технологий изготовления датчиков оказало решающее влияние на их конструкции и выбор материалов. Эти конструкции и материалы должны быть, прежде всего, совместимы с микроэлектронной технологией производства чувствительных кремниевых элементов. В технологии производства датчиков различных физических величин оказалось много общих операций и приемов, что, хотя и не привело к созданию универсальной технологии изготовления, значительно уменьшило трудоемкость изготовления и стоимость датчиков.
       Yчитывая исключительную роль кремния как материала для датчиков, необходимо остановиться на его свойствах и характеристиках подробнее.
       Kремний как основной материал микроэлектроники
        B настоящее время и в обозримом будущем кремний останется основным материалом микроэлектроники. Это объясняется рядом его уникальных физических и химических свойств, из которых можно выделить следующие:
       1 Kремний как исходный материал доступен и дешев, а технология его получения, очистки, обработки и легирования хорошо развита, что обеспечивает высокую степень кристаллографического совершенства изготавливаемых структур. Необходимо специально подчеркнуть, что по этому показателю кремний намного превосходит сталь.
       2  Kремний обладает хорошими механическими свойствами. По значению модуля Юнга кремний приближается к нержавеющей стали и намного превосходит кварц и различные стекла. По твердости кремний близок к кварцу и почти вдвое превосходит железо. Монокристаллы кремния имеют предел текучести, который в три раза больше, чем у нержавеющей стали. Однако при деформации он разрушается без видимых изменений размеров, тогда как металлы обычно претерпевают пластическую деформацию. Причины разрушения кремния связаны со структурными дефектами кристаллической решетки, расположенными на поверхности монокристаллов кремния. Полупроводниковая промышленность успешно решает проблему высококачественной обработки поверхности кремния, так что зачастую кремниевые механические компоненты (например, упругие элементы в датчиках давления) превосходят по прочности сталь. В табл. 1 указаны механические характеристики кремния и других материалов, применяющихся в датчиках.

       Таблица 1 – Сравнительные характеристики основных материалов электроники
   
Материал
Предел текучести, 109Па
Твердость, кг/мм2
Модуль Юнга, 1011 Па
Теплопроводность, Вт/(см2?°C)
Коэффициент теплового расширения, 10-6/°C
Si
7,0
850
1,9
1,57
2,33
Сталь (высшей прочности)
4,2
1500
2,1
0,97
12
Нержавеющая сталь
2,1
660
2,0
0,329
17.3
Al
0,17
130
0,7
2,36
25
      
       Mикроэлектронная технология изготовления кремниевых приборов основана на применении тонких слоев, создаваемых ионной имплантацией или термической диффузией атомов легирующей примеси, что в сочетании с методами вакуумного осаждения металлов на кремниевую поверхность оказалось весьма удобно для целей миниатюризации изделий.
       Kремниевые микроэлектронные приборы изготавливаются по групповой технологии. Это означает, что все производственные процессы осуществляются для целой кремниевой пластины, которая содержит несколько сотен отдельных кристаллов («чипов»). И только на последнем этапе изготовления пластина разделяется на кристаллы, которые далее используются при сборке отдельных приборов, что в итоге резко снижает их себестоимость.
       Для воспроизведения размеров и форм структур кремниевых приборов используется метод фотолитографии, обеспечивающий высокую точность изготовления.
       Для производства датчиков особенно важна способность кремния реагировать на различные виды воздействий: механические, тепловые, магнитные, химические и электрические. Универсальность применения кремния способствует снижению стоимости датчиков и унификации технологии их изготовления.
       B датчиках кремний служит преобразователем, основное назначение которого – превращать измеряемое физическое или химического воздействие в электрический сигнал. Функции кремния в датчиках оказываются значительно более широкими, чем в обычных интегральных схемах. Это обусловливает некоторые специфические особенности технологии изготовления кремниевых чувствительных элементов [6].
        Преимущества интегральных механоэлектрических преобразователей
         Преимущества интегральных механоэлектрических преобразователей по сравнению с традиционными:
         – монолитная конструкция преобразователей решает проблему сложности и высокой стоимости процесса установки и закрепления миниатюрных упругих элементов (мембран, балок и т.д.), поскольку упругий элемент выполнен с массивным основанием;
        – тензочувствительный элемент является неотъемлемой частью упругого элемента преобразователя, представляя собой всего лишь область или совокупность областей различного типа проводимости и с различной степенью легирования примесей, полученной либо диффузией, либо ионной имплантацией, либо эпитаксией с помощью планарной технологии. Это исключает промежуточный, например соединительный, слой и тем самым устраняет явление ползучести и гистерезиса преобразователей характеристики и способствует повышению стабильности преобразователя;
        – упругий элемент преобразователя выполнен из монокристаллического материала, обладающего более совершенными по сравнению с поликристаллическими или аморфными материалами упругими свойствами. Кроме того, относительные механические перегрузки, не вызывающие изменения характеристик интегральных преобразователей, в несколько раз превышают аналогичные перегрузки традиционных преобразователей. Это относится и к предельным разрушающим нагрузкам;
        – использование технологии интегральных микросхем и, в частности, процесса фотоэлектронной литографии позволяет получить преобразователи с исключительно малыми размерами и массой;
        – миниатюрность размеров упругих элементов интегральных преобразователей определяет их малую механическую инерционность а, следовательно, хорошие частотные свойства и малую чувствительность к механическим перегрузкам;
        – использование технологии интегральных микросхем позволяет получать на одном упругом элементе совокупность тензочувствительных компонентов, объединённых в схему, например, полную резистивную мостовую схему, состоящую из различных тензочувствительных компонентов – тензотранзисторов и тензорезисторов. Это позволяет улучшить характеристики преобразователя и, в первую очередь, его чувствительность при тех же самых геометрических размерах;
        – технология интегральных микросхем и использование монокристаллического материала для упругих элементов преобразователей определяют их значительно более высокую надежность по сравнению с традиционными преобразователями;
        – групповой способ производства, включая автоматизированную настройку преобразователей, определяет их основное преимущество – существенно более низкую стоимость при сопоставимых технических характеристиках.
                     Перечисленные выше преимущества интегральных преобразователей,       
        по сравнению с традиционными, связаны с улучшением практически всех    
        технических и экономических характеристик преобразователей [7].


      1.4 Pазрушение поверхности кремния при воздействии температурного отжига
          Kак показали морфологические исследования, поверхность (с) Si при температурной обработке начинает окисляться. Поверхность окисленных слоев металла  неоднородна по фазовому составу. Наиболее ярко это выражено по мере увеличения температуры и времени обработки образцов. Так увеличение температуры обработки (с) Si окисление приводит к росту размеров и плотности островков окислов компонентов структуры, а также их числа и уменьшению слоя металла.   




































  a                                  
                      
b
                                                                              
c
                     
d
                   
e
                          
                                  A                                                                    B                                                              
Рисунок 2 - Атомно – силовое изображение поверхности (с) кремния при различном температурном интервале обработки. Время прогрева образцов t=60 минут. a-200 ?C, b-400 ?C, c=600 ?C, d=.......................