CC BY
63
Байдаров С.Ю., Михайлов П.Г., Мокров Е.А., Митрохин С.В., Соколов А.В., Петрин В.А.
ФГУП ФНПЦ ПО «Старт», г. Заречный
ВОПРОСЫ ДИАГНОСТИКИ ЭЛЕМЕНТОВ И СТРУКТУР МИКРОЭЛЕКТРОННЫХ ДАТЧИКОВ
В процессе разработки микроэлектронных датчиков (МЭД) проводятся комплексные исследования их элементов, структур и узлов путем всесторонних их испытаний при различных условиях и величинах внешних воздействующих факторов (ВВФ).
При этом могут быть использованы различные методы диагностики, отличающиеся физическими эффектами, регистрируемыми при диагностических воздействиях (рисунок 1)[1].
Рисунок 1 Классификация методов диагностики структур и элементов МЭД
В процессе исследований были использованы комплексные методы диагностики элементов и структур МЭД, при которых испытывались как разработанные МЭД, так и их отдельные узлы, и элементы, в частности измерительные модули, чувствительные элементы (ЧЭ) и настроечные платы [2]. Задачей исследования узлов и элементов являлась проверка основных конструктивных и технологических решений (КТР), созданных в процессе разработки и изготовления экспериментальных МЭД. Так, например, при исследовании методов и средств термокомпенсации погрешностей для МЭД, были разработаны математическая модель термокомпенсатора и его принципиальная схема. После этого было проведены макетирование термокомпенсатора и испытание его совместно с ПЧЭ, а по их результатам осуществлялся подбор оптимального соотношения плеч резисторного делителя регулирующего транзистора, обеспечивающего минимизации погрешности чувствительности датчика.
По полученным данным рассчитывали топологию компенсационной платы. При исследовании ЧЭ были определены номиналы и разброс пьезорезисторов, их температурный коэффициент сопротивления (ТКС) и тензочувствительность, по которым корректировалась топология, фотошаблоны, уровни легирования и режимы проведения основных технологических операций по формированию интегральных и пленочных элементов ЧЭ и плат [3].
Результаты исследований ПЧЭ, измерительных модулей и микроэлектронных датчиков
В ходе проведения экспериментальных работ для отдельных пьезорезисторов ЧЭ были исследованы зависимости вида:
Rz=f1(t°); (1)
Rz=f2(Px ст). (2)
По указанным зависимостям определены ТКС и температурные коэффициенты чувствительности (ТКЧ) тензорезисторов. Были исследованы также такие комплексные параметры ЧЭ, как изолирующие свойства, светочувствительность, чувствительность к давлению и температуре, вольтамперные, нагрузочные и иные характеристики:
I=fs(U) ; (3)
1ут = f 4 ( Ф ) ; (4)
иВЫх ^5(Рк); (5)
ивЫх 0 = fe(t°K) при Рк=0; (6)
ивых= f7 ( t°K) при Рк=Рн, (7)
где I - прямой ток в мостовой схеме ЧЭ при подаче напряжения U; 1уТ- обратный ток (ток утечки) при освещении кристалла световым потоком Ф;Цвыхо, Цвыхм и Цвых- соответственно напряжение разбаланса и выходные напряжения мостовой схемы при нулевом давлении (Рк=0) , при текущем Рк и при номинальном давлении (Рн); t^-температура нагрева.
После обработки и анализа экспериментальных данных был определен ряд показателей качества ЧЭ, по которым в дальнейшем проводился контроль и отбраковка ЧЭ при изготовлении макетных и опытных образцов датчиков.
При исследованиях ЧЭ была подтверждена высокая диагностическая информативность вольтамперных характеристик (ВАХ)- характеристика (5) для ЧЭ, имеющих пьезорезисторы и коммутационные шины, изолированные p-n переходами. По виду ВАХ и по числовым значениям токов утечки, обратного напряжения и прочих параметров можно судить о наличии и характере дефектов, прогнозируя, таким обра-
зом, потенциальные надежность и стабильность ПЧЭ. Полученные в ходе исследований данные подтверждают выводы о характере дефектов, приведенные в [4]. На основе рекомендаций отраслевых стандартов, проведенных расчетов, опыта разработки МЭД и большого числа экспериментальных данных был определен ряд частных оценочных информационно - энергетических параметров качества, которые были внесены в конструкторско-технологическую документацию на датчики.
Так для ЧЭ МЭД с пьезорезисторами включенными в мостовую схему такими параметрами качества являются следующие (в скобках дано их граничное значение):
Начальный разбаланс моста (Ц)<1мВ);
Разброс номиналов пьезорезисторов (5R/R<2...3%) ;
Номинальный выходной сигнал (ЦнН100мВ);
Температурный коэффициент начального сигнала (а<0,02%/°С);
Температурный коэффициент чувствительности (р<0,05%/°С);
Ток утечки (Ху<0,2 мкА при Цобр=10 В; Ту<0,5 мкА (при Цобр=30 В);
Обратное напряжение (Цобр^30 В) .
Кроме того, при контроле и диагностике ЧЭ анализируются виды прямой и обратной ветвей ВАХ на наличие аномалий вызванных дефектами структуры.
Исследование светочувствительности (4) проводилось при расположении источника излучения, как с планарной, так и с непланарной сторон кристалла ПЧЭ. В качестве информативного параметра был принят ток утечки. При этом в первом случае световой поток (Ф) не нормировался и источником излучения была лампа подсветки микроскопа, а во втором он нормировался и исследования проводились на специальной испытательной установке. Исследовались как отдельные ПЧЭ, так и готовые датчики.
Было обнаружено, что по изменению тока утечки (ТуТ) при освещении планарной стороны ЧЭ, на которой расположена пьезорезистивная мостовая схема, можно судить о годности и стабильности элементов последней, в частности, если ХуТ возрастает в б...8 раз и стабилизируется, то кристалл, как правило , годный.
Таким образом, по фотоотклику можно производить первичную разбраковку кристаллов ЧЭ еще на пластине до разделения, что позволяет значительно уменьшить трудоемкость контроля.
При исследовании температурных, нагрузочных и иных характеристик как ПЧЭ, так и отдельных его элементов были использованы оригинальные испытательные устройства и методики, позволяющие нагревать и охлаждать кристаллы, термоциклировать, подавать на них контролируемое давление или разрежение [5, б].Схематично одно из таких устройств изображено на рисунок2.
и электромагнитным держателем; б - схема измерения: 1 - источник давления (разрежения);
2 - задатчик температуры; 3 - терморегулятор; 4 - усилитель; 5 - столик; б - регулятор давления (разрежения); 8 - ЧЭ; 9 - зонды; 10 - устройство сравнения
Диагностическая информация при исследовании ЧЭ на таком устройстве снимается с контактных площадок кристалла с помощью зондов установки «Зонд А-4», на которую монтируется испытательное устройство. Данное устройство, благодаря широким функциональным возможностям, позволяет проводить комплексные испытания как отдельных ЧЭ, так и кристаллов в составе пластин и выявлять на этапе функционального контроля потенциально ненадежные, имеющие микротрещины, дефекты металлизации, «р-п» переходов и т.д.
Измерительные модули (ИМ) датчиков подвергались комплексным испытаниям по воздействию давления и температуры (7) . ИМ закреплялись в групповом приспособлении, через трубопровод на них подавалось нагрузочное давление от источника сжатого воздуха, после чего они помещались в камеру тепла и холода. Значения выходных сигналов ИМ регистрировались измерительными приборами и периодически выводились на дисплей персонального компьютера. Те ИМ, которые соответствовали техническим требованиям, изложенным в конструкторской и технологической документации, после проведения контроля допускались на дальнейшую сборку МЭД. Забракованные измерительные модули, в зависимости от дефекта или дорабатывались с помощью дополнительной термотоковой технологической тренировки, или уничтожались с выпуском соответствующего акта.
Испытания кристаллов МЭД
При групповых технологиях, с помощью которых изготавливаются кристаллы ЧЭ, существует определенный технологический разброс их характеристик, в частности разброс по размерам упругих частей мембран. Поэтому при их изготовлении осуществляется индивидуальный контроль каждого кристалла и производится разбраковка их по диапазонам давлений согласно фактическим толщинам мембран. Контроль осуществляется по выходному сигналу ЧЭ, нагруженного определенным усилием. В разработанном устройстве силовое нагружение имитируется подачей контролируемого разряжения. Кроме того, для более полной имитации реальных условий эксплуатации, одновременно с подачей разряжения ЧЭ нагревают или охлаждают. Контроль характеристик каждого ЧЭ осуществляют в реальном масштабе времени, используя подачу питания и измерение сигнала с ЧЭ за время проведения испытаний.
С целью проведения испытанийЧЭ на нагрев и охлаждение, в корпусе испытательного устройства размещен нагреватель и сформирована спиралевидная канавка, по которой подается хладоагент-азот или фреон. В центре стола устройства расположены отверстия, ведущие к патрубку, соединенному с вакуумным насосом, а съем измерительных сигналов с ЧЭ осуществляется с помощью зондов, устанавливаемых на контактных площадках кристалла.
По результатам замеров электрофизических характеристик ЧЭ принимают решение о годности кристаллов .
Примеры унифицированных, контролепригодных конструкций ИМ и ЧЭ МЭД, которые контролировались с использованием универсального испытательного устройства приведены на рисунокЗ и рисунок4.
а
Рисунок 3 Конструкция измерительного модуля МЭД а - внешний вид; б - электрическая схема: 1 - ЧЭ; 2 - плата компенсационная; 3 - защитная сетка; 4 - стеклобуса
Указанные ИМ и ЧЭ имеют топологию удобную для проведения диагностики с использованием стандартных зондовых установок и универсальных измерительных приборов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Михайлов П.Г. Контроль и диагностика чувствительных элементов датчиков / П.Г Михайлов, А.П. Михайлов // Контроль. Диагностика № 10, 2003. С. 28-31.
2. Цибизов П.Н., Михайлов П.Г., Михайлов А.П. Методы и средства функциональной диагностики сенсорных элементов и структур микроэлектронных датчиков. Датчики и системы. 2005.№10. С.9-11.
3. Михайлов П.Г. Изготовление неразъёмных узлов микроэлектронных датчиков / П.Г. Михайлов, С.Ю. Байдаров, Е . А. Мокров // Контроль. Диагностика № б, 2011.
4. Чернышев А.А. Основы надежности полупроводниковых приборов и интегральных микросхем / М.: Радио и связь,1998.
5. Михайлов П.Г. Устройство для настройки. / П.Г.Михайлов, С.А. Козин, К.А. Афанасьев // Авт. св. № 1569634.
6. Михайлов П.Г. Устройство для испытания полупроводниковых чувствительных элементов датчиков давления. П.Г. Михайлов, С.А. Козин, К.А. Афанасьев // Авт. св. № 1661600.
