Закономерности деградации полупроводниковых чувствительных элементов автомобильных датчиков холла тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.07, кандидат технических наук Максимова, Екатерина Александровна

• Максимова, Екатерина Александровна
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Максимова, Екатерина Александровна

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

1.1. Основные тенденции развития автомобил ь-ной электроники.

1.2. Характеристика датчиков на основе гальваномагнитных эффектов.

1.3. Надежность датчиков Холла.

1.4. Определение механических напряжений в чувствительных элементах полупроводниковых структур.

1.5. Энергетический спектр носителей заряда в деформированных полупроводниковых структурах.

1.6. Механизмы влияния механических напряжений на чувствительные элементы полупроводниковых структур.

1.7. Методы исследования электрофизических параметров полупроводников и их структурных дефектов.

Выводы по главе 1 и постановка задач исследования.

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ЗАВИСИМОСТИ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ОТ УРОВНЯ МЕХАНИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ.

2.1. Постановка задачи.

2.2. Алгоритм расчета внутренних механических напряжений.

2.3. Методика определения корреляции между электрофизическими и механическими свойствами полупроводниковых элементов.

Выводы по главе 2.

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМОВ И ПРИЧИН ДЕГРАДАЦИИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ.

3.1. Изучение микроструктуры чувствительных элементов металлографическим методом.

3.1.1. Разработка методики проведения эксперимента.

3.1.2. Анализ полученных результатов.

3.2. Изучение деградации свойств чувствительных элементов методом микротермо-ЭДС.

3.2.1. Разработка методики измерения микроротермо-ЭДС.

3.2.2. Результаты измерений.

3.2.3. Анализ полученных зависимостей.

Выводы по главе 3.

ГЛАВА 4. ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ДАТЧИКОВ С КРЕМНИЕВЫМИ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ.

4.1. Оптимизация процесса разделения полупроводниковых пластин на кристаллы.

4.2. Оптимизация технологии финишной сборки датчиков Холла.

Выводы по главе 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Закономерности деградации полупроводниковых чувствительных элементов автомобильных датчиков холла»

Актуальность работы заключается в следующем.

Исследование механизмов изменения электрофизических характеристик полупроводников под действием различных внешних факторов относится к фундаментальным проблемам современной физики. Обладая высокой чувствительностью ко многим внешним воздействиям, полупроводниковые структуры нашли широкое применение в различных типах датчиков. Эти датчики составляют большую долю электронных систем в автомобилях, которая с каждым годом продолжает увеличиваться. Среди всей массы датчиков наиболее выделяется группа датчиков, принцип действия которых основан на эффекте Холла. Но, несмотря на огромные количества производимых таких датчиков, в настоящее время все еще остается актуальной проблема повышения их надежности. Из-за сложности процессов, протекающих в чувствительных элементах, до сих пор не удается получить стабильные выходные характеристики датчиков. Ситуация также усугубляется жесткими условиями эксплуатации автомобиля, которые являются своеобразными катализаторами при протекании тех или иных деградационных процессов. Поэтому для повышения надежности работы датчиков необходимо понять физические процессы, протекающие в полупроводниковых элементах и исключить случайные маскирующие факторы, мешающие однозначному определению причин необратимых изменений параметров датчиков. Это определяет актуальность представленной работы.

Объектом исследования в данной работе являются автомобильные датчики, принцип действия которых основан на эффекте Холла и в которых чувствительным элементом является кремниевый кристалл.

Предметом исследования выбраны теоретические методы определения внутренних механических напряжений в кристаллах и связанные с ними изменения их электрофизических свойств, а также экспериментальные методы исследования микроструктуры и электрофизических свойств полупроводников.

Целью настоящей работы является установление закономерностей деградации полупроводниковых чувствительных элементов автомобильных датчиков Холла в процессе их производства и эксплуатации.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

Установить механизмы, протекающие в полупроводниковых чувствительных элементах при их производстве и эксплуатации и вызывающие необратимые изменения их выходных параметров.

Разработать алгоритм расчета уровня механических напряжений в полупроводниковых структурах и определить величины внутренних напряжений для исследуемых чувствительных элементов датчиков.

Разработать математическую модель, позволяющую описывать зависимость электрофизических параметров полупроводникового элемента от уровня механических напряжений.

Разработать методики экспериментального исследования электрофизических свойств чувствительных элементов с различным уровнем внутренних механических напряжений, которые позволяли бы, не разрушая, анализировать на различных жизненных этапах датчиков полупроводниковый материал их чувствительного элемента.

Провести анализ влияния внутренних напряжений в полупроводниках на наличие в них структурных дефектов.

На основе полученных результатов разработать способы позволяющие минимизировать возможность необратимого изменения параметров датчиков, тем самым повысить их надежность.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Установлены закономерности и механизм деградации чувствительных элементов датчиков Холла, в основе которого лежат необратимые изменения структуры и свойств полупроводникового материала. Поэтому при решении задач повышения надежности датчиков необходимо брать за основу первоначальное изучение физических механизмов, протекающих непосредственно в полупроводниковом материале и вызывающих необратимые изменения его свойств, и после этого, на основе полученных результатов вырабатывать решения по повышению надежности: вводить компенсирующие электронные схемы и оптимизировать технологии изготовления.

2. Разработана методика экспериментального исследования электрофизических свойств с помощью измерения микротермо-ЭДС полупроводниковых кристаллов, которая может быть применена на предприятиях в качестве неразрушающего метода контроля для анализа кремниевых кристаллов на любой стадии производства и эксплуатации датчика.

3. Предложена модель изменения электрофизических свойств от дефектов структурного строения в кремниевых кристаллах.

Практическая ценность предложенного подхода состоит в том, что он позволяет комплексно решать задачи надежности. Найденные закономерности могут быть распространены на другие классы полупроводниковых датчиков и приборов, где в качестве активного компонента используется кремниевый кристалл. Используя полученные при выполнении данной диссертационной работы результаты, на предприятии ОАО «Автоэлектроника» была оптимизирована технология окончательной сборки датчиков Холла, что подтверждается актом внедрения.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Механизм деградации чувствительных кремниевых элементов датчиков Холла.

2. Методика определения внутренних механических напряжений, возникающих в чувствительных элементах в процессе производства и эксплуатации датчиков.

3. Модель, описывающая взаимное влияние механических и электрических свойств чувствительных элементов.

4. Методика металлографического исследования структур применительно к рассматриваемым чувствительным элементам.

5. Методика измерения микротермо-ЭДС чувствительных элементов с различным уровнем механических напряжений и установленная закономерность между измеренными значениями микротермо-ЭДС и основными электрофизическими свойствами чувствительных элементов.

Апробация работы и публикации.

Результаты работы докладывались и обсуждались на международных научно-технических конференциях в г. Калуге и г. Одесса. Результаты работы опубликованы в сборниках статей «Труды МГТУ», журналах «Нано- и микросистемная техника», «Наукоемкие технологии». Основное содержание работы и результаты работы отражены в [1-7].

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы. Работа изложена на 102 страницах, в том числе основного текста 93 страницы, библиографический список из 88 наименований.

Заключение диссертации по теме «Физика конденсированного состояния», Максимова, Екатерина Александровна

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

Главными выводами диссертационной работы являются следующие:

1. Установлены закономерности и механизм деградации полупроводниковых датчиков Холла, которые происходят в результате внесения структурных несовершенств в материал чувствительных элементов при финишных сборочных операциях и в процессе эксплуатации.

2. Разработан алгоритм определения величины упругих механических напряжений в чувствительных элементах датчиков, который позволил вычислить значения внутренних напряжений в исследуемых кристаллах 3,2-106 - 2,9-107 Па и найти их распределение по всему кристаллу.

3. Разработана методика определения зависимости электрофизических свойств от уровня внутренних механических напряжений в полупроводниковых чувствительных элементах.

4. Разработана методика металлографического исследования микроструктуры чувствительных элементов. Установлена плотность структурных дефектов в кристаллах на различных стадиях жизненного цикла датчиков, которая после окончательной сборки составила более 106 Па. Определена их природа. Дефекты были идентифицированы как дислокации.

5. Разработана методика исследования полупроводниковых чувствительных элементов датчиков, обеспечивающая получение прямой зависимости между концентрацией структурных несовершенств в этих элементах и их электрофизическими свойствами, путем измерения микротермо-ЭДС. На основе полученных температурных зависимостей микротермо-ЭДС определено, что концентрация носителей заряда в деформированном кристалле увеличилась в 1,27-2,1 раза для области подложки и 1,262,07 для области чувствительного элемента по сравнению с бездефектными кристаллами.

6. Разработаны рекомендации по оптимизации технологического процесса сборки датчиков. Результаты исследований внедрены в процесс производства датчиков Холла.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Максимова, Екатерина Александровна, 2007 год

1. Адарчин С.А., Косушкин В.Г., Максимова Е.А. Методика расчета величин упругих напряжений в МЭМС датчиков давления // Труды МГТУ. 2004. - Вып. 587. - С.37-47.

2. Адарчин С.А., Косушкин В.Г., Максимова Е.А. Механизмы деградации микроэлектромеханических структур датчиков давления // Труды МГТУ. 2004. - Вып. 587. - С.48-56.

3. Адарчин С.А., Косушкин В.Г., Максимова Е.А. Зависимость электрофизических параметров полупроводниковых структур от уровня механических напряжений // Труды МГТУ. 2006. - Вып. 592. - С.3-9.

4. Адарчин С.А., Косушкин В.Г., Максимова Е.А. Деградация чувствительных элементов полупроводниковых структур как следствие механических напряжений // Наукоемкие технологии. -2007.-Т.8, №4. С.38-44.

5. Адарчин С.А., Косушкин В.Г., Максимова Е.А. Определение влияния механических напряжений на концентрацию носителей заряда методом микротермо-ЭДС II Нано- и микросистемнаятехника. 2007. - №7. - С.45.

6. Сысоева C.B. Взгляд на современный рынок автомобильных датчиков. Основные тенденции и важнейшие рыночные фигуры // Компоненты и технологии. 2006. - №7. - С. 18-25.

7. Мокров Е.В. Датчики и преобразующая аппаратура НИИ физических измерений для авиационно-космической техники и других отраслей народного хозяйства // Электронные компоненты. 2003. - №2. - С.35-39.

8. Звонарев Е.А. Коммерческая классификация датчиков физических величин // Электронные компоненты. 2003. - №2. -С.9-12.

9. Зыбайло A.A. Датчики положения // Электронные компоненты. -2003. №2. - С.87-93.

10. Кривченко Т.С., Чепурин И.В. Полупроводниковые датчики компании Motorola // Электронные компоненты. 2003. - №2. -С.43-49.

11. Головин П.Д., Блинов A.B. Физические явления (эффекты), используемые для построения первичных преобразователей (датчиков) // Датчики и системы. 2003.- №11.- С.3-9.

12. Сысоева C.B. Автомобильные датчики положения. Современные технологии и новые перспективы. Часть 5 // Компоненты и технологии. 2005. - №6. - С.34-41.

13. Прогноз британской техники: стратегия в области датчиков до 2015г. //Датчики и системы. 2003. -№11.- С.51-59.

14. Иукович Э. Современные датчики и тенденции их развития // Электронные компоненты. 2003. - №2. - С.23-26.

15. Адарчин С.А. Деградация микроэлектромеханических структур измерительных тензопреобразователей датчиков давления: Дис. . канд. техн. наук. Калуга: КФ МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003.138 с.

16. Микротехнологии: от микроэлектроники к микросистемной технике / E.H. Пятышев, М.С. Лурье, Ю.Д. Акульшин, А.И. Скалон //Датчики и системы. 2001. - № 6. - С.58-65.

17. Сысоева C.B. Новые тенденции и перспективы технологии автомобильных датчиков систем Powertrain и контроля эмиссии. Часть 1 // Компоненты и технологии. 2006. - №7. - С.86-94.

18. Сысоева С.В Автомобильные датчики положения. Современные технологии и новые перспективы. Часть 14 // Компоненты и технологии. 2006. - №7. - С.40-48.

19. Панкраткин A.A. Датчики уровня освещенности, приближения и света // Компоненты и технологии. 2006. - №7. - С.68-71.

20. Бартенев В.Г. Цифровые датчики температуры и их применение //Датчики и системы. -2004. №12. -С.33-37.

21. Эпитаксиальные датчики Холла и их применение / М.М. Мирзабаев, К.Д. Потаенко, В.И. Тихонов и др. Ташкент: Фан, 1986.-215 с.

22. Сысоева C.B. Автомобильные датчики положения. Современные технологии и новые перспективы. Часть 2 // Компоненты и технологии. 2005. - №3. - С.32-42.

23. Сысоева C.B. Автомобильные датчики положения. Современные технологии и новые перспективы. Часть 1 // Компоненты и технологии. 2005. - №2. - С.32-39.

24. Burger F., Besse P.A., Popovic R.S. New fully integrated 3-D silicon Hall sensor for precise angular-position measurements // Sensors and actuatirs A. 1998. - V.67. - P.72-74.

25. Blanchard H., Montmollin F.De, Popovic R.S. Highly sensitive Hall sensor in CMOS technology // Sensors and actuatirs A. -2000. -V.82. P.144-148.

26. Чернышев A.A. Основы надежности полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. М.: Радио и связь, 1988. -256 с.

27. Проников A.C. Параметрическая надежность машин. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. - 560 с.

28. Литвинский И.Е., Прохоренко В.А., Смирнов А.Н. Обеспечение безотказности микроэлектронной радиоаппаратуры на этапе производства. Минск: Беларусь, 1989. - 312 с.

29. Боровиков С.М. Теоретические основы конструирования, технологии и надежности. Минск: Дизайн ПРО, 1998. - 336 с.

30. Надежность и эффективность в технике: Справочник / B.C. Авдуевский, И.В. Апполонов, Е.Ю.Барзилович и др. М.: Наука,1986.-Т.7.-420 с.

31. Горлов М., Строганов А., Ануфриев Д. Качество и надежность полупроводниковых изделий II Технологии в электронной промышленности. 2005. - №2. - С.54-57.

32. Стрельников В.П. Оценка остаточного ресурса на основе измерения диагностических параметров // Надежность. 2003. -№1. - С.43-48.

33. Лидский Э.А. Прогноз надежности микроэлементов по результатам кратковеменных испытаний // Надежность. 2004. -№1,-С. 11-20.

34. Строганов А. Прогнозирование деградации выходных параметров ТТЛ ИС // Технологии в электронной промышленности. 2005. - №8. - С.210-214.

35. Напряжения и деформации в элементах микросхем / B.C. Сергеев, O.A. Кузнецов, Н.П.Захаров и др. М.: Радио и связь,1987.-88 с.

36. Мужиченко О.Г., Плис Н. Термомеханические напряжения всборочных микроузлах // Электроника: Наука, технология, бизнес. 2000. - №6. - С.63-64.

37. Концевой Ю.А., Литвинов Ю.М., Фаттахов Э.А. Пластичность и прочность полупроводниковых материалов и структур. М.: Радио и связь, 1982. - 240 с.

38. Полякова А.Л. Деформация полупроводников и полупроводниковых приборов. М.: Энергия, 1979. -168 с.

39. Илларионов В.А., Нанушьян C.B. Природа внутренних напряжений в защитных компаундах // Компоненты и технологии. -2004,-№7.-С. 164-165.

40. Исследование механических напряжений в селективно-оксидированных структурах GaAs/(AIGa)xOy / С.А. Блохин, А.Н. Смирнов, A.B. Сахаров и др. // ФТП. 2005. - Т.39, №7. - С.782-787.

41. Бир Г.Л., Пикус Г.Е. Симметрия и деформационные эффекты в полупроводниках. М.: Наука, 1972. - 584 с.

42. Владимиров В.И. Физическая природа разрушения металлов. -М.: Металлургия, 1984. 280 с.

43. Физика кристаллов с дефектами / A.A. Предводителев, H.A. Тяпунина, Г.М. Зиненкова, Г.В. Бушуева. М.: Изд-во МГУ, 1986. -239 с.

44. Материаловедение: Учебник для ВУЗов / Б.Н. Арзамасов, В.И. Макарова, Г.Г. Мухин и др. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001.-648 с.

45. Ормонт Б.Ф. Введение в физическую химию и кристаллографию полупроводников. М.: Высшая школа, 1968.-487 с.

46. Шикин В.Б., Шикина Ю.В. Заряженные дислокации в полупроводниковых кристаллах // Успехи физических наук. -1995. Т. 165, №8. - С.887-917.

47. Электронные свойства дислокаций в полупроводниках / Под ред. Ю.А. Осипьяна. М.: Эдиториал УРСС, 2000. - 320 с.

48. Бабич В.М. Кислород в монокристаллах кремния. Киев: Интерпресс ЛТД, 1997. - 240 с.

49. Выявление тонкой структуры кристаллов: Справочник / Под ред. Ю.П. Пшеничнова. М.: Металлургия, 1974. - 528 с.

50. Рид. С. Электронно-зондовый микроанализ. М.: Мир, 1979. -423 с.

51. Воробьев Ю.В., Добровольский В.И., Стриха В.И. Методы исследования полупроводников. Киев: Выща школа, 1988. -356 с.

52. Кучис Е.В. Методы исследования эффекта Холла. М.: Советское радио, 1974. - 328 с.

53. Методы исследования термоэлектрических свойств полупроводников / В.М. Глазов, A.C. Охотин, Р.П. Боровикова, A.C. Пушкарский. М.: Атомиздат, 1969. - 176 с.

54. Шаскольская М.П. Кристаллография: Учебник для втузов. М.: Высшая школа, 1976. - 391 с.

55. Горбачев В.В., Спицына Л.Г. Физика полупроводников и металлов. М.: Металлургия, 1976. - 368 с.

56. Щенников В.В., Попова C.B., Misiuk А. Термоэлектрические свойства кремния при высоком давлении в области перехода полупроводник-металл // Письма в ЖТФ. 2003. - Т.29, вып. 14. -С.57-65.

57. Термо-ЭДС в твердотельных наноструктурах / А.Г. Погосов, М.В. Буданцев, А.Е. Плотников и др. // Труды IV-ой российской конференции по физике полупроводников. Санкт-Петербург, 2003. - С.14-16.

58. Иоффе А.Ф. Избранные труды. Излучение. Электроны. Полупроводники. М.: Наука, 1975.-T.il. -471 с.

59. Смит Р. Полупроводники: Пер. с англ. М.:. Мир, 1982. - 560с.

60. Термоэлектрические свойства облученных ионами водорода кристаллов кремния при сверхвысоком давлении до 20 GPa / Овсянников C.B., Щенников В.В., Антонова И.В. и др. // Физика твердого тела. 2006. - Т.48, вып.1. - С.44-47.

61. Термоэлектродвижущая сила металлов / Пер. с англ. Под ред. Д.К. Белащенко. М.: Металлургия, 1980. -248с.

62. Кристаллография, рентгенография и электронная микроскопия /Я.С. Уманский, Ю.А. Скаков, А.Н. Иванов, Л.Н. Расторгуев. М.: Металлургия, 1982.-632 с.

63. Афанасьев В.А. Оптические измерения. М.: Высшая школа, 1981.-229 с.

64. Геллер Ю.А., Рахштадт А.Г. Материаловедение. Методы анализа, лабораторные работы и задачи. М.: Металлургия, 1989.-456 с.

65. Русаков A.A. Рентгенография кристаллов. М.: Атомиздат, 1977. -480 с.

66. Горелик С.С., Расторщев Л.Н., Скаков Ю.А. Рентгенографический и электронографический анализ. М.: Высшая школа, 1970. -460 с.

67. Внутреннее трение в исследовании металлов, сплавов и неметаллических материалов. М.: Наука, 1989. -282 с.

68. Влияние рентгеновского облучения на внутреннее трение вкремнии / Н.П. Кулиш, П.А. Максимюк, Н.А. Мельникова и др. // ФТТ. 1998. -Т.40, вып.7. - С. 1257-1258.

69. Онанко А.П., Подолян А.А., Островский И.В. Влияние ультразвуковой обработки на внутреннее трение в кремнии // Письма в ЖТФ. 2003. - Т.29, вып. 15. - С.40-44.

70. Новик А., Берри Б. Релаксационные явления в кристаллах. М.: Атомиздат, 1975. - 472 с.

71. Амелинкс С. Методы прямого наблюдения дислокаций. М.: Мир, 1968.-440 с.

72. Технология СБИС / Под. ред. С.Зи. М.: Мир, 1986. - Т.2. - 404 с.

73. Расчет термонапряженного состояния и взаимодействия собственных точечных дефектов в дислокационных монокристаллах кремния / Н.А. Верезуб, М.Г. Мильвидский, И.В. Панфилов, А.И. Простомолов // Материалы электронной техники. 2001. - №2. - С.52-57.

74. Материалы электронной техники / В.Н. Андреев, М.Н. Бронгулеева, С.Н. Дацко и др. М.: Радио и связь, 1989. - 352 с.

75. Физико-химические свойства элементов: Справочник / Под ред. Г.В. Самсонова. Киев: Наукова думка, 1965. - 807 с.

76. Физико-химические свойства полупроводниковых веществ: Справочник / Под ред. А.В. Новоселова, В.Б. Лазарева, З.С. Медведева и др. М.: Наука, 1978. - 339с.

77. Фридель Ж. Дислокации. М.: Мир, 1967. - 643 с.

78. Салтыков С.А. Стереометрическая металлография. М.: Металлургия, 1976.-272 с.

79. Yang К.Н. An etch for delineation of defects in silicon // Journal Electrochemistry Society. 1984. - V.131, №5. - P.1140-1145.

80. Фистуль В.И. Введение в физику полупроводников. М.: Высшая школа, 1975.-296 с.

81. Бонч-Бруевич В.Л., Калашников С.Г. Физика полупроводников. -М.: Наука, 1990.-688 с.

82. Мильвидский М.Г., Освенский В.Б. Структурные дефекты в полупроводниках. М.: Металлургия, 1987. - 380 с.

83. Казакевич Л.А., Лугаков П.Ф. Влияние дислокаций на электрофизические характеристики кремния // Электронная техника. Материалы. 1979. - Вып. 12. - С.43-48.

84. Головин П.Д., Блинов A.B. Физические явления, используемые для построения первичных преобразователей // Датчики и системы. 2003. -№11.- С.3-9.

85. Примесные состояния олова в твердых растворах Bi2Te3.xSex / M.K. Житинская, С.А. Немов, Т.Е. Свечникова, Е. Мюллер // Физика и техника полупроводников. 2004. - Т.38, вып.2. -С. 186-189.