Учебное пособие 688

УДК 621.3

А.С. Лизункова, А.В. Арсентьев

РАЗРАБОТКА ВАРИАНТОВ ТОПОЛОГИЧЕСКИХ ШАБЛОНОВ ДЛЯ СЕНСОРНОГО ЭЛЕМЕНТА ДАТЧИКА ГАЗОВ

Датчик газов относится к области приборостроения. Данное исследование проводится для улучшения важных метрологических характеристик – снижения рабочей температуры максимальной газочувствительности и потребляемой мощности полупроводниковых датчиков газов на основе оксидов металлов.

Топология кристалла для сенсорного элемента датчика газов с нагревателем 2x2 мм2 со встречно-штыревой структурой состоит из двух электродов 200х200 мкм, имеющих форму квадрата (сток и исток транзистора с нижним расположением затвора), а также из гребешков с периодически расположенными длинными узкими штырями. Расстояние между штыревыми электродами составляет 20х20 мкм.

На готовом, созданным в топологическом редакторе L-edit, кристалле устанавливается тонкоплёночный нагреватель, расположенный по периметру устройства (рис. 1). Материал нагревателя – платина; питание – три батарейки мощностью 1,5 V; сопротивление

– 15 - 20 Ом.

Топология кристалла с нагревателем

10

УДК 621.382

Т.Г. Меньшикова, П.С. Панов

ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА РАЗВАРКИ КОНТАКТОВ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ ИС

Внастоящее время в современных СБИС и полупроводниковых приборах, у которых размер контактных площадок достиг микронных размеров, процесс присоединения проволочных выводов контактных площадок корпуса с контактными площадками кристалла занимает одну из самых сложных и трудоемких операций.

Целью данной работы является оптимизация режима ультразвуковой сварки методом «клин – клин» алюминиевой проволокой 35 мкм и исследование разрывных показателей газового датчика при разных диаметрах проволоки.

Вданной работе были исследованы зависимости прочности микросварных соединений от параметров ультразвуковой микросварки. Испытания разрывных характеристик проводились на установке механического контроля DAGE 4000 PXY.

Варьировались три параметра: время сварки, усилие давления инструмента и мощность УЗГ. Конечным результатом анализа стало определение прочности соединения.

Экспериментальные исследования были проведены для того, чтобы определить какое воздействие имеет каждый из параметров на прочностные характеристики. Из проделанных опытов можно сделать вывод, что увеличение времени сварки благоприятно влияет на прочность соединения. С другой стороны, повышение параметров усилия давления и мощности УЗГ даёт обратный результат и как следствие, снижает прочностные показатели.

Применение данных результатов исследований позволит повысить качество и надежность выпускаемой продукции. Так как оптимальные режимы параметров используются не для конкретного прибора, а имеют большой диапазон применения, данные результаты перспективны в использовании.

11

УДК 621.3.082.5

Л.А. Плахотник, А.В. Арсентьев

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ВИДИМОГО И УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ

ХАРАКТЕРИСТИКИ ТОНКИХ ПЛЕНОК ZnO И SnO2

В настоящее время большое внимание исследователей привлекают тонике пленки оксидов металлов. В данном случае рассматриваются газочувствительные датчики.

Для повышения чувствительности датчиков газа используется нагрев чувствительного элемента до 350 – 550 °C. Достаточно высокая рабочая температура позволяет атомам и молекулам кислорода десорбироваться с поверхности. В настоящей работе нагрев датчика был заменен на облучение ультрафиолетовым светом для выяснения вклада процессов, проходящих при облучении.

Целью данной работы является исследование влияния видимого и ультрафиолетового излучения на электрические характеристики тонких пленок ZnO и SnO2.

Были рассмотрены ранние исследования электрического сопротивления пленок ZnO, а также был проведен эксперимент. В качестве экспериментальных образцов использовались датчики газов с сенсорными пленками на основе SnO2. Сопротивление чувствительного элемента датчиков равно чэ ≈ 30,4 кОм и чэ ≈ 50 кОм. Для облучения ультрафиолетом использовались полупроводниковые диоды Nichida с длиной волны λ = 365 нм.

В результате эксперимента было установлено, что сопротивление датчика под действием ультрафиолетового света резко уменьшается и после выключения света восстанавливается, стремясь к первоначальному значению.

Анализируя данные эксперимента и ранние исследования, можно сделать вывод, что ультрафиолетовое излучение значительно улучшает проводимость, а значит и чувствительность датчиков газа на основе тонких пленок оксидов. Что в свою очередь позволяет использовать такие датчики при комнатной температуре.

12

УДК 538.975

Ю.О. Пономарева, Т.Г. Меньшикова

ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИИ ФОРМИРОВАНИЯ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ РЕЗИСТОРОВ.

Внастоящее время интегральные микросхемы являются неотъемлемой и наиболее часто используемой деталью любого современного радиотехнического или электронного устройства.

Активные элементы диодов и транзисторов из-за низких свойств и сложности изготовления не получили широкого распространения. Поэтому их заменили гибридные микросхемы.

Широкое распространение на практике получили микросхемы, которые изготовлены из резисторов и конденсаторов. Пленочные интегральные микросхемы имеют пассивный элемент, который нанесен на подложку из диэлектрика (стекло, керамика и др.). При изготовлении пленочных резисторов на подложку наносят резистивные пленки.

Для пленок резистора используют материал, который способен подобрать номинальные значения сопротивления в диапазоне от 1 Ом до сотен килоОм, иметь низкий температурный коэффициент и сохранять параметры в течении определенного времени. На практике большее внимание получили синихромовые пленки резисторов, так как они имеют малый коэффициент сопротивления и способны сохранять параметры во времени.

Входе нашей работы мы будем получать пленки SiNiCr с поверхностным сопротивлением от 70 до 1000 Ом.

Для того чтобы увеличить сопротивление пленочного резистора и уменьшить занимаемую им площадь, элемент проектируют зигзагообразной формы.

Для упорядочения структуры и уменьшения внутренних механических напряжений пленок с целью повышения их стабильности и улучшения адгезии к подложкам производят термообработку путем отжига при температуре порядка 500˚С в азоте.

13

УДК 533.9

Ю.В. Рукина, Т.Г. Меньшикова

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКИ НА КАЧЕСТВО СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ ИС

В современной микроэлектронной промышленности, в частности при производстве интегральных микросхем (ИМС) плазменные технологии играют важнейшую роль, как в кристальном производстве, так и в сборочных операциях интегральных микросхем.

Особый интерес вызывает процесс, протекающий не только в низкотемпературной неравновесной плазме, но и на границе взаимодействия плазменной среды с обрабатываемыми поверхностями. Уникальных свойства плазменной обработки нашли свое применение для тонкопленочного травления, удаления резиста, очистки поверхности подложек, а также для очистки и активации поверхности при сборочных операциях металлокерамических корпусов ИМС.

Активное внедрение плазменных технологий позволяет повысить разрешающую способность применяемых технологических способов, увеличить производительность труда и улучшить автоматизацию производства ИЭТ.

Для современного развития нанотехнологии и микромеханики представляет большой интерес совершенствование плазменных технологий и систем плазменного травления для удовлетворения потребностей производства современных типов ультрабольших интегральных схем, микроэлектромеханических систем и наносистем, что обусловлено в первую очередь возможностью поддержания высокой степени чистоты и освежения поверхности методом плазмохимического травления.

Целью данной работы стало исследование влияния плазменной обработки на качество сварных соединений при изготовлении интегральных схем в металлокерамических корпусах в различных средах и варьируемых технологических режимах.

14

УДК 538.975

Т.В. Свистова, А.С. Ханин

СРАВНЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ОТЕЧЕСТВЕННЫХ И ЗАРУБЕЖНЫХ ДАТЧИКОВ ГАЗА

Газовые датчики получили широкое применение как в быту, так и на производстве. Они используются для определения наличия различных газов в воздушной среде, а также для измерения их концентрации. Большинство импортных газовых датчиков имеет довольно высокую стоимость, поэтому важно иметь отечественный аналог, не уступающий им по характеристикам.

Целью работы является сравнение динамических характеристик газовых датчиков, разработанных на кафедре полупроводниковой электроники и наноэлектроники ВГТУ, и бюджетных датчиков серии MQ, созданных китайской компанией HANWEI.

Для получения динамических зависимостей газовой чувствительности был проведен следующий эксперимент. После нагрева чувствительного элемента (ЧЭ) до рабочей температуры измеряют его сопротивление ЧЭ (Rв), соответствующее началу отсчета времени. Затем в измерительную камеру, объемом 0,5 л, напускается исследуемый газ известной концентрации. Сопротивление ЧЭ начинает уменьшаться. Уменьшение сопротивления ЧЭ (Rг) фиксируется через равные промежутки времени до тех пор, пока оно не стабилизируется, то есть система датчик - исследуемый газ будет находиться в состоянии равновесия. После этого в измерительную камеру поступает чистый воздух и происходит восстановление сопротивления Rг до исходного значения Rв. Контроль восстановления сопротивления также наблюдается через равные промежутки времени.

Обнаружено, что время установления равновесия в смеси эта- нол-воздух у газовых датчиков серии MQ составляет 17 - 322 секунды в интервале концентраций от 86791.48 до 433987.4 ppm. После удаления датчика из исследуемой смеси исходное сопротивление восстанавливается в течение 49 - 91 секунд. А у отечественного датчика - время установления равновесия 12 - 199 секунд, время восстановления сопротивления 20 - 96 секунд.

15

УДК 621.372

Т.В. Свистова, С.А. Ромасев

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПЛЕНОК ОКСИДОВ МЕДИ (CuOx) ДЛЯ ДАТЧИКОВ ГАЗОВ

Датчики газов - основные приборы, позволяющие оперативно анализировать воздушное пространство как вокруг человека, так

ив технологической среде. Требования к таким устройствам становятся все жестче, вызывая необходимость разработки новых технологических процессов для получения газочувствительных материалов с нужными характеристиками. Цель данной работы - исследование электрофизических свойств газочувствительных пленок и оценка их пригодности для изготовления датчика, чувствительного к газам.

Приведены экспериментальные результаты синтеза пленок

CuOx, изготовленных методом спрей-пиролиза. Полученные образцы имеют толщину порядка 1,4 мкм и ширину запрещенной зоны 2,1

эВ. Прозрачность пленок составляет более 45 %. Удельное сопротивление пленок CuOx имеет значение 3,29·106 Ом×см.

Изучение температурной зависимости сопротивления пленок

иих газовой чувствительности к парам изопропилового спирта

(32000 ppm) дало возможность выяснить, что пленки CuOх отлично подходят на роль газочувствительного элемента для сенсоров газов. Газовая чувствительность к парам изопропилового спирта в воздухе составляет 1,06 отн. ед.

Пленки оксидов меди также зарекомендовали себя в качестве

чувствительного слоя газовых сенсоров для датчиков аммиака NH3, оксида азота NO2 и сероводорода H2S. Необходимо продолжить работы по определению газовой чувствительности пленок CuOх к парам различных веществ в воздухе при повышенных температурах.

16

УДК 538.975

Т.Г. Меньшикова, М.А. Авдеев

ВНЕДРЕНИЕ НОВЫХ ИСПЫТАНИЙ ДЛЯ ВЫЯВЛЕНИЯ ГОДНЫХ ИЗДЕЛИЙ

Проведение испытаний на наличие посторонних частиц в подкорпусном пространстве электронных компонентов (ИМС) позволяет своевременно обнаружить изделие, не соответствующее требующим нормам (брак). Осуществить проведение данных испытаний можно благодаря установке ДМТ-141, которая обеспечивает проведение неразрушающих испытаний на контроль посторонних частиц в подкорпусном пространстве полупроводниковых приборов, ИМС, реле и твердотельных дискретных элементов по уровню шума. В основу работы установки положен принцип механического воздействия на испытуемый элемент и анализа уровня шума в диапазоне частот 150 кГц – 160 кГц в подкорпусном пространстве испытуемого образца. Управляемая базовым блоком вибрационная платформа обеспечивает ударное и вибрационное воздействие с заданными параметрами на испытуемый образец. Пьезоэлектрический преобразователь ДМТ-ПЭП01 регистрирует сигналы, создаваемые свободными частицами в подкорпусном пространстве испытуемого образца, преобразует звуковой сигнал соударений частиц внутри корпуса испытуемого образца в электрический сигнал, который затем поступает в усилитель и электрическую схему детектирования базового блока.

Детектирование наличия частицы осуществляется на основании следующей информации во время вибрации: посредством анализа сигнала на экране осциллографа, подключенного к базовому блоку; по акустическому звуку из громкоговорителя (щелчки, треск); по превышению порогового значения (определяется автоматически) по загоранию светодиодного индикатора «НЕ ГОДЕН».

Благодаря данной операции бракованные изделия проще обнаружить ещё на более ранних стадиях исследований, что уменьшает время работы с образцом и время на анализ несоответствия параметров, характеризующее годное изделие.

17

УДК 621.372

Т.Г. Меньшикова, Т.В. Свистова, А.А. Карионова, А.О. Левченко

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЕ ГАЗОВОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ПЛЁНОК

ОКСИДОВ МЕДИ

В современном мире сфера газовой сенсорики становится все более актуальной. Газовые датчики необходимы везде: от контроля состояния помещений на предприятиях до новейших медицинских комплексов. В частности, они используются для предупреждения приступов у людей, болеющих астмой.

Целью работы является разработка технологии изготовления и исследование газовой чувствительности плёнок оксидов меди.

Исходя из условий и поставленной задачи была выбрана технология синтеза плёнок – золь-гель метод.

Согласно выбранной методике, первым этапом стало приготовление основного раствора: использовались гидроксид натрия (NaOH), гидразин гидрат (N2H4∙H2O) и дистиллированная вода в соотношении 1:1:5. После полного смешивания в полученный раствор с постоянным магнитным перемешиванием капали 2 мл 0,1 М раствора Cu2 +. Прозрачный раствор превращался в светло-синий (промежуточный переход), а затем постепенно менял цвет с синего на оранжевый.

По мере увеличения времени перемешивания последующие растворы медленно приобретали коричневый цвет и, наконец, становились черными. Все эксперименты были выполнены при комнатной температуре. В каждой точке реакции полученные осадки промывали дистиллированной водой и этанолом более трех раз, а затем использовали непосредственно в качестве чувствительного материала. Осадки промывали и наносили на подложку окисленного кремния, после чего их высушивали в течение одной недели.

Толщина пленок измерялась на интерференционном микроскопе МИИ-4 и имела величину 300 нм. Спектры оптического пропускания пленок измерялись с помощью спектрофотометра СПЕКС ССП-715-М.

18

УДК 538.975

Е.И. Мещерякова, А.В. Арсентьев

ВЛИЯНИЕ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА СВОЙСТВА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПЛЕНОК НА ОСНОВЕ ZnO SnO2

Прозрачные проводящие оксиды (ППО) – это оксиды, которые вобрали в себя способность к оптическому пропусканию и имеют хорошую электропроводимость. Наиболее часто объектами изучения в электронике являются проводящие оксиды олова (SnO2) и цинка (ZnO). Так же данные оксиды являются более используемыми по сравнению с другими.

Получение пленок ZnO и SnO2 с улучшенными свойствами является одной из важных целей исследований и разработок. Тонкие пленки металооксидных полупроводников много лет находили применение при изготовлении солнечных элементов, датчиков газа, полевых транзисторов и в других областях науки и техники.

Наиболее популярными материалами в последнее десятилетие стали ZnO и SnO2. Широкое применение пленок ZnO и SnO2 объясняется тем, что они имеют высокую прозрачность, высокую проводимость и хорошо совместимы с условиями формирования слоев активных полупроводников.

Целью данной работы является исследование структур тонких полупроводниковых пленок на основе ZnO SnO2 в зависимости от методов и условий их формирования, изучение влияния оптического излучения на свойства данных пленок.

Проводилось исследование влияния оптического излучения на чувствительность слоев ZnO и SnO2. Изучены изменения сопротивления чувствительного элемента при изменении света. Так же получено, что оптическая активация поверхности SnO2 повышает газовую чувствительность датчика.

19