Разработка термодатчика на основе кремния с нанокластерами атомов никеля и технологии его изготовления

Аннотация

Актуальность и востребованность темы диссертации. В настоящее время одним из важных физико-технологических проблем в динамично развивающемся направлении электронно-вычислительной и информационной техники является разработка датчиков температуры с улучшенными функциональными характеристиками на основе модифицированных полупроводников, в частности, с нанокластерами, используемых для диагностики различных параметров и процессов в промышленности, на атомных реакторах, научных исследованиях и в других областях народного хозяйства. Исследование взаимосвязи электрофизических параметров активной области кремниевых терморезисторов содержащих нанокластерные включения различных атомов с их эксплуатационными параметрами, позволяют раскрыть их ранее неизвестные новые технические решения. Усовершенствование активной области, увеличение чувствительности и решение проблем снижения разброса параметров, а также разработка технологии изготовления нового поколения термодатчиков на основе материалов с нанокластерами обеспечивающих измерение температуры при различных условиях контроля является важным направлением исследований. Применение в устройствах и системах контроля параметров промышленных объектов термодатчиков входящих в класс полупроводниковых приборов на основе материалов с нанокластерами требует исследования путей повышения их чувствительности и схем включения. Поэтому исследования, проводимые по диффузионным процессам различных нановключений, а также влияния на свойства терморезисторов нанокластерных включений, направленных на оптимизацию функциональных параметров терморезисторов являются актуальными. Данное исследование направлено на создание нового способа диффузии обеспечивающего формирование нановключений, а также выбору параметров материала базы и разработке путей получения контактов с улучшенной адгезией, что в совокупности направлено на изготовление термодатчиков со стабильными параметрами. Необходимость улучшения функциональных характеристик таких термодатчиков, разработка экономичной технологии их изготовления и создание технологического маршрута этой технологии имеет важное научно-практическое значение. Настоящая диссертация в определенной степени служит выполнению задач по повышению конкурентоспособности изделий электронной техники отмеченных в постановлении Президента Республики Узбекистан ПП-1442 «О приоритетах развития промышленности республики Узбекистан в 2011 -2015 годах» от 15 декабря 2010 года, а также в других нормативно-правовых документах, принятых в данной сфере. Целью исследования является развитие диффузионной технологии получения высокочувствительных датчиков температуры с нанокластерами никеля и разработка на их основе управляющих температурные процессы комплекса термодатчиков и устройств со стабильными параметрами и устойчивых к различным видам воздействий для систем контроля температуры объектов. Научная новизна исследования заключается в следующем: разработан способ диффузии никеля в объем кремния с встраиваемыми нанокластерами в кремнии, который состоит из трех ступеней, то есть в каждой ступени температура (300-600; 600^-900; 900-4200 °C) последовательно повышается со скоростью 5 град/мин., выдерживается в течение определенного времени (10 минут), затем охлаждается со скоростью 100 град/сек; создана технология получения сильнолегированного слоя для омических контактов к кремниевой структуре легированной никелем, которая заключается в том, что на поверхность кремниевой структуры слой металла никеля осаждается химическим способом и подвергается термо-обработке при 650°С в течение 10 минут; впервые на основе кремния с нанокластерами разработан термодатчик обладающий высокой чувствительностью (7800 К) и стабильностью выходных характеристик и предложен технологический маршрут его изготовления; экспериментально показано, что введение корректирующей обратной связи с помощью операционного усилителя приводит к снижению времени переходного процесса термодатчика до одного порядка; экспериментально показано, что удельное сопротивление легированных никелем кремниевых датчиков температуры с концентрацией носителей больше 1016 см'3 при воздействии гамма радиации дозой 106 рентген изменяется незначительно, то есть являются устойчивыми воздействию радиации, а в образцах с концентрацией носителей меньше 1014 см'3 при дозах (5-Н0)106 рентген происходит инверсия типа проводимости (п —>р); предложен способ оптимального структурного параметрического проектирования измерительного преобразователя на основе термодатчика путем компьютерного моделирования позволяющая выбрать, в соответствии с требуемыми параметрами (чувствительность, линейность статических характеристик, быстродействие и других), форму, контактные вывода, защитный слой и параметры измерительной схемы; определена возможность уменьшения погрешностей термодатчиков, характеризуемых тепловой инерционностью и нелинейностью статических характеристик, путем подбора требуемого граничного интервала температуры. ЗАКЛЮЧЕНИЕ На основе проведённых исследований по докторской диссертации на тему «Разработка термодатчика на основе кремния с нанокластерами атомов никеля и его технологии изготовления» представлены следующие выводы: 1. Предложен новый способ процесса диффузии никеля в кремний, заключающийся в проведении процесса диффузии в режиме нарастания температуры со скоростью 5-40 градус/минут в интервале температур 60СН-1250 °C обеспечивающий получение нанокластеров никеля в объеме кремния. 2. Для получения омического контакта с улучшенной адгезией к поверхности кремния, в объем которого проведена диффузия никеля, предложено произвести осаждение тонкого слоя (3 мкм) металла никеля химическим способом с последующей термообработкой при 650 градусах Цельсия в течение 10 минут. 3. Впервые предложены принципы создания термодатчика на основе кремния с нанокластерами никеля обладающего высокой чувствительностью (7800 К) и стабильностью выходных характеристик, предложен технологический маршрут его изготовления. 4. Показано, что при воздействии гамма излучением дозой 106 рентген удельное сопротивление легированных никелем кремниевых термодатчиков остается неизменным, а по мере увеличения дозы облучения до 10s рентген коэффициент температурной чувствительности увеличивается на 10%. 5. Путем компьютерного моделирования в зависимости от требуемого фактора (чувствительности, стоимости, точности, надежности и т.д.) предложены методы структурного параметрического проектирования измерительного преобразователя позволяющие выбрать соответствующую форму датчика, контактные выводы, защитный слой датчика и параметры измерительной схемы. 6. Установлена взаимосвязь между корректирующими (линеаризующими измерительный параметр) сопротивлениями и чувствительностью термодатчика, позволяющая выявить область максимальной чувствительности датчика в электронной схеме. 7. Выявлена возможность снижения погрешностей датчиков температуры от 10% до 2% обусловленных нелинейностью их статических характеристик и тепловой инерционностью путем выбора корректирующих сопротивлений и интервала температуры в требуемой окрестности.