Известия РАН. Серия физическая, 2019, T. 83, № 11, стр. 1474-1477

ВВЕДЕНИЕ

В последние годы отчетливо наблюдается тенденция внедрения микромеханических преобразователей на основе кремния или гетероструктуры кремний-на-изоляторе (КНИ) в новые разработки различных отраслей промышленности и прежде всего авиационной и ракетно-космической: микромеханические акселерометры и гироскопы инерциальных систем, микроэлектромеханические датчики давления аэрометрических систем и систем автоматического управления.

Остаточные и вносимые механические напряжения, возникающие в процессе производства микромеханических преобразователей, исходных полупроводниковых пластин и пластин с гетероструктурами, являются основными причинами погрешности измерения физико-механических величин, особенно в жестких условиях эксплуатации авиационной и ракетно-космической техники.

Известны теоретические исследования в области физики твердого тела с приближенной оценкой упругих деформаций на пластинах из изотропных материалов и моделях простейших кристаллов с кубической или гранецентрированной кристаллической решеткой [1]. Из экспериментальных исследований известно, что на КНИ-пластинах с гетероструктурой “кремний–слой стекловидного диэлектрика–кремний”, полученных методом термоэлектростимулированного соединения, возникает проблема образования нанокластеров стекла в переходном слое на границе раздела кремний–стекло [2].

Однако экспериментальные исследования по определению упругих деформаций на профилированных пластинах с КНИ-гетероструктурой типа “кремниевая тензорамка–слой стекловидного диэлектрика–кремниевая мембрана” не известны. При исследовании упругих напряжений на таких структурах методом компьютерного моделирования [3] не известна точность полученных результатов, обусловленная степенью неадекватности модели.

В настоящее время еще недостаточно исследованы причины, обусловливающие остаточные и вносимые механические напряжения в процессе производства микромеханических преобразователей как фактор нестабильности преобразовательной характеристики датчиков.

Исследования напряжений и топологии поверхностей на границах раздела переходных областей кремний–диэлектрик–кремний позволяют провести качественный анализ возможных причин образования центров механических напряжений в микромеханической структуре преобразователя.

ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ

Объектом исследования являются упругие напряжения на границах раздела микромеханической КНИ-гетероструктуры “кремниевая тензорамка–слой стекловидного диэлектрика–кремниевая мембрана” и топология локальной области на поверхности переходного слоя “кремний–стекло” чипа тензопреобразователя.

В чипе тензопреобразователя, показанном на рис. 1, тензорамка трапецеидального сечения соединена своим широким основанием через тонкий слой стекла с мембраной и одновременно является и функциональным (мостовая измерительная схема), и конструктивным элементом микромеханической структуры преобразователя. В поперечном направлении тензорамка своими длинными сторонами максимально приближена к продольной оси симметрии, которая совпадает с кристаллографическим направлением [110] кремния, рис. 1б [4]. В качестве изолирующего слоя использовался стекловидный диэлектрик на основе оксидов BaO–Al₂O₃–SiO₂, температурный коэффициент расширения (ТКР) которого хорошо совпадает с ТКР кремния в рабочем диапазоне температуры преобразователя. Микромеханическую структуру формировали двухсторонним анизотропным химическим травлением монокристаллического кремния на КНИ-пластине, полученной методом прямого термокомпрессионного сращивания [5].

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

С помощью микроскопа комбинационного рассеяния SenterraII фирмы ООО “Bruker” определяли значения пиков волнового числа в напряженном состоянии чипа тензопреобразователя, обусловленном остаточными механическими напряжениями, в заданных точках вблизи углов тензорамки (рис. 2а, 2б) и вблизи центра рамки в поперечном направлении (рис. 2в). Кроме этого – в виде цветовой схемы вблизи углов тензорамки в трехмерном изображении (рис. 3а) и на плоскости (рис. 3б). По измеренным значениям пиков выполнен расчет напряжений (в MПa) по известной формуле [6]:

где W – пик волнового числа в напряженном состоянии чипа тензопреобразователя, W₀ = 520.5 – пик волнового числа в ненапряженном состоянии кремния.

Полученные расчетные значения предельных статических напряжений сжатия в поперечном направлении вблизи центра рамки сравнивали с известными статическими напряжениями в микромеханических кремниевых структурах-аналогах [6].

На изображении переходного слоя 4 (рис. 4а) выделена в увеличенном масштабе локальная область 1 (рис. 4б) для изучения топологии поверхности переходного слоя. Топология поверхности переходного слоя исследовалась с помощью растрового электронного микроскопа HitachiTM-3000.

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Двум точкам вблизи углов тензорамки (красной – вблизи продольной оси симметрии и синей – в углу рамки, рис. 2а) соответствуют сдвиги пиков (рис. 2б) влево относительно пика волнового числа в ненапряженном состоянии кремния W₀ = 520.5. Такой сдвиг (рамановский сдвиг) характеризует напряжения сжатия в указанных точках на чипе тензопреобразователя (рис. 2а). При этом уровень напряжения в синей точке несколько больше, чем в красной, что соответствует теории микромеханики для мембраны с рельефной поверхностью.

В табл. 1 приведены расчетные значения предельных статических напряжений сжатия в поперечном направлении вблизи центра рамки в сравнении с кремниевым микромеханическим аналогом. Наблюдается примерное совпадение интервалов предельных значений изменения величины напряжений в исследуемых образцах с кремниевыми микромеханическими структурами-аналогами [6].

Из результатов анализа цветовой схемы вблизи углов тензорамки в трехмерном изображении (рис. 3а) и на плоскости (рис. 3б) следует, что максимумы напряжений распложены на боковых гранях {111} рамки вблизи границы их пересечения с плоскостями {100}.

В переходном слое монокремний–стекловидный диэлектрик в локальной области под тензорамкой наблюдаются образования в виде наноразмерных кластеров, предположительно кластеров атомов кремния, а в приповерхностном слое кремния – локальные образования предположительно нанокластеров стекла (рис. 3, 4). Возможные причины таких образований – межфазные взаимодействия компонентов стекловидного диэлектрика в фазе пара с приповерхностным слоем монокремния в твердой фазе, сопровождающиеся взаимной диффузией компонентов стекловидного диэлектрика в кремний и атомов кремния в стекловидный диэлектрик. Возникающие в результате этих процессов дефекты в кремниевых слоях гетероструктуры могут быть причиной локальных механических напряжений в кремнии. Эти процессы объясняются теорией межфазных взаимодействий [7, 8].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Экспериментально установлен характер распределения статических упругих напряжений в локальных областях микромеханической структуры чипа КНИ тензопреобразователя давления с максимумами напряжений на боковых гранях {111} рамки вблизи границы их пересечения с плоскостями {100}, а также определены величины и знак напряжений сжатия. Установлено примерное совпадение интервалов изменения величин предельных напряжений и знака напряжений с известными кремниевыми микромеханическими структурами-аналогами.

2. Проведен анализ возможных причин образования локальных центров зарождения напряжений в процессе формирования микромеханической структуры тензопреобразователя, а также в процессе производства КНИ-пластин. В переходном слое кремний–стекло обнаружены кластерные образования, предположительно атомов кремния, а также ионов бария и алюминия, входящих в состав синтезированного стекла BaO–Al₂O₃–SiO₂. Возможная причина – межфазные взаимодействия компонентов стекловидного диэлектрика в паровой фазе с приповерхностным слоем монокремния в твердой фазе в процессе термокомпрессионного сращивания кремниевых пластин. Локальные структурные изменения в переходном слое, обусловливающие дефекты дислокации в прилегающих кремниевых слоях гетероструктуры, могут стать причиной зарождения локальных центров механических напряжений в кремнии.

Автор выражает благодарность менеджеру ООО “Bruker” В.В. Репникову за совместные исследования упругих напряжений на образцах КНИ тензопреобразователей давления.