чувствительный элемент мембранного типа

Формула изобретения

1. Чувствительный элемент мембранного типа, содержащий подложку из монокристаллического кремния с базовой ориентацией (100), мембрану, включающую слой нитрида кремния, расположенную над отверстием, выполненным в подложке для образования мембранной камеры, и узел съема информативного сигнала, отличающийся тем, что мембрана дополнительно включает слой карбида кремния.

2. Чувствительный элемент по п.1, отличающийся тем, что узел съема информативного сигнала выполнен на базе торцевого волоконно-оптического интерферометра Фабри-Перо, который установлен с возможностью регистрации прогиба мембраны.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к микроэлектронному приборостроению и может быть использовано в конструкции широкого класса микроэлектронных приборов, оснащенных чувствительным элементом мембранного типа, - датчиков давления и температуры, акселерометров, микрореле и т.д.

Известен чувствительный элемент мембранного типа, содержащий кремниевую подложку с выполненным в ней углублением для образования мембраны и мембранной камеры, и узел съема информативного сигнала, представляющий собой тензосхему, сформированную на поверхности мембранного элемента и подключенную к внешним контактным площадкам (SU 1591776, H 01 L 29/84, G 01 L 1/22, 1994).

Известен также чувствительный элемент мембранного типа, содержащий подложку из монокристаллического кремния n-типа проводимости с базовой ориентацией (100), на тыльной стороне которой выполнено углубление, образующее квадратную в плане мембрану. На планарной стороне мембраны сформирован тензорезистивный мост Уитстона для съема информативного сигнала (RU 93027803, G 01 L 9/04, 1995).

Чувствительность известных устройств лимитируется толщиной монокристаллической кремниевой мембраны. По технологическим соображениям выполнить такую мембрану с толщиной менее 3 мкм не представляется возможным, в связи с чем данные устройства обладают низкой чувствительностью.

Наиболее близким к заявляемому является чувствительный элемент мембранного типа, содержащий подложку из монокристаллического кремния с базовой ориентацией (100), мембрану, изготовленную из нитрида кремния и расположенную над отверстием, выполненным в подложке для образования мембранной камеры, и оптический узел съема информативного сигнала, в качестве которого установлен интерферометр, регистрирующий величину прогиба мембраны под действием приложенного давления (D.Maier-Schneider, J. Maibach, E, Obermeier. Computer-aided characterization of the elastic properties of thin films //Journal of Micromechanics and Microengineering, Vol.2, 1992, p. 173-175).

Чувствительность такого устройства выше, чем при использовании монокристаллической кремниевой мембраны. Тем не менее, прототипное устройство также обладает невысокой чувствительностью.

Технической задачей предлагаемого устройства является повышение чувствительности измерений.

Решение указанной задачи состоит в том, что в чувствительном элементе мембранного типа, содержащем подложку из монокристаллического кремния с базовой ориентацией (100), мембрану, включающую слой нитрида кремния, расположенную над отверстием, выполненным в подложке для образования мембранной камеры, и узел съема информативного сигнала, мембрана дополнительно включает слой карбида кремния (SiC).

Как впервые обнаружено авторами, дополнительный SiC-слой мембраны уменьшает ее начальное внутреннее напряжение, что имеет следствием повышение чувствительности устройства. Данный эффект наблюдается в диапазоне толщин SiC- и Si₃N ₄-пленок, обеспечивающих функционирование нанесенной композиции SiC/Si₃N₄ как мембраны, в связи с чем значения размерных параметров не заявляются. В зависимости от формы и размеров мембраны толщину SiC- и Si₃N₄-пленок устанавливают общеупотребительным путем (например, постановкой двухфакторного эксперимента) исходя из требуемого компромисса между чувствительностью и прочностью мембраны. Очевидно также, что последовательность расположения слоев мембраны и направление приложенного давление могут быть любыми.

Узел съема информативного сигнала может быть выполнен тензометрическим или оптическим, как в описанных аналогах. Возможно также выполнение данного узла на базе оптического микроскопа. Наиболее целесообразным является выполнение этого узла на базе торцевого волоконно-оптического интерферометра Фабри-Перо (см., например: P.G.Davis, I.J.Bush, G.S.Maurer. Fiber Displacement Sensor. Proc. SPIE, v. 3489, 1998; S.A.Meller et al. Development of Fiber Optic Sensor for Advanced Aircraft Testing and Control. Proc. SPIE, v. 3541, p.134-139, 1998; http://www.infoline.ru/q23/5495/rusensor.htm, 12.10.02), установленного с возможностью регистрации прогиба мембраны.

На чертеже представлено схематическое изображение предлагаемого чувствительного элемента.

В табл. 1 приведены значения технических характеристик чувствительного элемента в зависимости от материала слоев мембраны.

Чувствительный элемент содержит подложку 1, выполненную из монокристаллического кремния с базовой ориентацией (100), мембрану, расположенную над отверстием 2, выполненным в подложке 1 и образующим мембранную камеру, и узел 3 съема информативного сигнала. Мембрана выполнена двухслойной и включает пленку 4 из нитрида кремния и пленку 5 из карбида кремния. В данном варианте узел 3 съема информативного сигнала содержит торцевой волоконно-оптический интерферометр Фабри-Перо, включающий оптическое волокно 6, лазерный диод 8, фотоприемник 9 и волоконно-оптический ответвитель 7, установленный с возможностью регистрации величины прогиба мембраны под действием приложенного к ней давления Р.

При подаче давления на мембрану происходит ее прогиб, который регистрируется интерферометром.

Оптимальный вариант чувствительного элемента может быть изготовлен следующим образом. На рабочей поверхности подложки 1 из монокристаллического кремния с базовой ориентацией (100) выращивают пленку 4 из Si ₃N₄ толщиной 0,1-0,4 мкм методом пиролиза силана при 850°С в атмосфере аммиака с использованием подслоя SiO₂ (не показан).

На пленку 4 наносят пленку 5 из SiC толщиной 0,1-0,4 мкм с помощью магнетронного распыления монокристаллической мишени из SiC в атмосфере аргона при 600°С. На нерабочей поверхности подложки 1 формируют мембранную камеру 2 в форме глухого отверстия квадратного сечения (~1,5×1,5 мм) с помощью жидкостного анизотропного травления участка материала подложки 1 (с подслоем SiO₂) до слоя 4. Изготовленный первичный преобразователь оснащают узлом 3 съема информативного сигнала (на чертеже узел 3 представляет собой торцевой волоконно-оптический интерферометр Фабри-Перо).

Технические характеристики предлагаемого чувствительного элемента в сравнении с прототипом, а также устройствами с другим материалом мембраны приведены в табл. 1 по данным авторских испытаний в 5-кратной повторности образцов с мембранами размером 1,46×1,46 мм. Испытания проводили в диапазоне давлений Р=0-200 кПа. Учитывали прогиб центра мембраны в зависимости от приложенного давления и рассчитывали начальное внутреннее напряжение и чувствительность мембраны по следующим формулам:

где - начальное внутреннее напряжение мембраны, ГПа;

l - размер мембраны (сторона квадрата), мкм;

h - толщина мембраны, мкм;

k - коэффициент, определяемый экспериментально с использованием аппроксимирующей функции:

где Р - давление, действующее на мембрану, кПа;

y - перемещение центра мембраны от положении при Р=0, мкм;

Е - модуль Юнга мембраны, ГПа;

- коэффициент Пуассона мембраны;

где S - чувствительность мембраны, нм/Па.

Формулы 1-3 выведены из описания прототипа применительно к испытываемым образцам.

Всего испытано 6 вариантов материалов мембраны: Si₃N₄ (прототип - образцы №1 и 2); SiC/Si ₃N₄ (заявляемое техническое решение - образцы № 3 и 4 с толщиной слоя SiC, равной 0,13 и 0,21 мкм соответственно); BN/Si₃N₄; AlN/Si₃N₄ ; Al/Si₃N₄ и С (слой структуры алмаза) /Si₃N₄. Для сопоставимости результатов толщина слоя Si₃N₄ мембраны во всех образцах (кроме образца №1) взята равной 0,25 мкм (как в описании прототипа).

Как видно из таблицы, заявляемые образцы с мембраной SiC/Si ₃N₄ (варианты №3 и 4 табл. 1) обладают чувствительностью S=1,53-3,45 нм/Па, что в 2,1-5,3 раза превышает чувствительность однослойного датчика из Si₃N ₄ прототипа (0,65-0,73 нм/Па). Уровень значимости различий - менее 5%. Этот результат достигнут за счет уменьшения начального внутреннего напряжения мембраны в 3-10 раз (0,11-0,30 ГПа в новом устройстве против 0,90-1,08 ГПа в прототипе), что создается компенсацией значительной части начального внутреннего напряжения Si₃N₄ -мембраны ее покрытием пленкой SiC. Чувствительность образца из BN/Si₃N₄ (№5) составляет 0,94 нм/Па, что хотя и выше, чем в прототипе, но все же существенно ниже, чем в предлагаемом техническом решении. Это связано с недостаточной компенсацией слоем BN (=0,65 нм/Па). Чувствительность остальных образцов (AlN/Si₃ N₄ - №6; Аl/Si₃N₄ - №7 и С/Si ₃N₄ - №8) ниже, чем в прототипе и составляет от 0,46 до 0,56 нм/Па. При этом образцы с дополнительным слоем из Аl и AlN нетехнологичны из-за их частичного стравливания при формировании мембранной камеры 2, что подтверждается значительным разбросом значений и S, указанным в табл. 1.

В данном примере наилучшим является вариант №6 устройства, в котором толщина слоя SiC равна 0,21 мкм. Этот вариант обладает чувствительностью 3,45±0,05 нм/Па при начальном внутреннем напряжении мембраны 0,11±0,01 ГПа.

Таким образом, использование предлагаемого технического решения обеспечивает повышение чувствительности измерений за счет уменьшения начального внутреннего напряжения мембраны.