Кремний на изоляторе (КНИ) (англ. Silicon on insulator, SOI) — технология изготовления полупроводниковых приборов, основанная на использовании трёхслойной подложки со структурой кремний-диэлектрик-кремний вместо обычно применяемых монолитных кремниевых пластин. Данная технология позволяет добиться существенного повышения быстродействия микроэлектронных схем при одновременном снижении потребляемой мощности и габаритных размеров[1]. Так, например, максимальная частота переключения транзисторов, выполненных по технологическому процессу 130 нм, может достигать 200 ГГц [2][3]. В перспективе, при переходе к технологическим процессам с меньшим размером активных элементов[4] (уже существующему 22 нм, или только разрабатываемому сейчас 10 нм), возможно ещё большее повышение этого показателя. Кроме собственно наименования технологии, термин «кремний на изоляторе» также часто употребляется в качестве названия поверхностного слоя кремния в КНИ-структуре.
Схема КНИ-подложки
Тензорезистивный принцип преобразования широко используется в датчиках разнообразн ых механических величин благодаря высокой точности и относительной простоте конструкции приборов, реализующих этот принцип.Принципиально новые возможности в развитии тензорезисторных датчиков на основе полупроводниковых чувствительных элементов(ПЧЭ) открылись с разработкой и исследованием гетероэпитаксиальных полупроводниковых структур типа «кремний на диэлектрике» Из них наиболее изучена и технологически освоена в производстве структура «кремний на сапфире» (КНС), представляющая собой тонкую монокристаллическую пленку кремния, выращенную на монокристаллической же сапфировой подложке с определенной кристаллографической ориентацией. Толщина кремниевой пленки варьируется от долей до нескольких микрометров. При изготовлении ПЧЭ на структуре КНС формируют тензочувствительную схему, в которой тензорезисторы имеют вид мезаструктур, отделенных друг от друга промежутками чистого сапфира. отделенных друг от друга промежутками чистого сапфира. Т ензопреобразователи(ТП) с ПЧЭ на основе структур КНС обладаю; всеми достоинствами ТП с интегральными кремниевыми ПЧЭ, а именно: упругий элемент таких преобразователей может быть изготовлен из монокристалла диэлектрика, так что в нем отсутствуют гистерезис и усталостные явления; тензорезисторы монолитно связаны с упругим элементом, что исключает явления гистерезиса и ползучести, характерные для слоев связующего; ПЧЭ изготавливаются методами твердотельной технологии, что обеспечивает высокую воспроизводимость характеристик при массовом производстве. Вместе с тем, ПЧЭ на основе КНС имеют дополнительные преимущества, ибо сапфир прочнее и жестче кремния и в принципе позволяет работать с большим уровнем деформаций, чем в интегральных ПЧЭ; сапфир обладает отличными упругими и изолирующими свойствами вплоть до температур порядка 1000° С, что делает ПЧЭ на основе КНС работоспособными при высоких температурах (до начала пластических деформаций в кремнии, т. е. приблизительно до 700° С); сапфир химически и радиационно исключительно стоек, поэтому интегральные схемы на основе КНС могут работать в условиях высокой радиации [6]; наконец, в ПЧЭ на основе КНС отсутствует p-n -переход, а следовательно, существенно упрощается технология их изготовления и увеличивается выход годных изделии. Такие ПЧЭ работоспособны в самых жестких условиях эксплуатации при широком интервале рабочих температур и обладают повышенной надежностью и стабильностью параметров. Важной особенностью ПЧЭ на основе структур КНС является также зависимость электрофизических характеристик пленки кремния и чувствительности тензорезисторов к величине деформации сапфировой подложки от геометрических размеров последних. При формировании тензорезисторов в виде мезаструктуры по линии контакта кремний – сапфир – воздух возникают большие сдвиговые напряжения в кремнии, поскольку на свободной боковой грани тензорезистора термические напряжения отсутствуют [22]. Более совершенным в конструктивном и метрологическом отношениях являются тензопреобразователи силы и давления с металлическими упругими элементами и ПЧЭ размером 10х10 ммНа основе этих тензопреобразователей силы и давления разработан комплекс общепромышленных высокоточных датчиков «Сапфир-22» класса точности 0,1-0,25 [33]. Датчики предназначены для преобразования в сигнал постоянного тока 0-5, 0-20 или 4-20 мА абсолютного и избыточного давлений, разрежения, разности давлений, расхода жидкостей и газов, уровня жидких сред и работают в диапазоне температур от -50 до +80°например в двигателестроении
|
|
|
|
Рис.пример построений ПЧЭ на КНД структуре Перспективы использования структур «кремний на сапфире» в ПЧЭ и ТП определяются прежде всего их достоинствами. Возможность автокомпенсации температурной погрешности чувствительности в ПЧЭ на основе КНС позволяет выпускать датчики механических величин достаточно высокой точностиВысокие механические характеристики и стабильность свойств структур КНС в полной мере должны проявиться в тензопреобразователях, упругие элементы которых выполнены из монокристаллического сапфира и жестко соединены с корпусными деталями из сапфира или глиноземной керамики. Сегодня можно указать на два недостатка структур КНС, несколько ограничивающих возможности их использования в ТП механических величин: относительно высокая стоимость сапфировых подложек по сравнению с кремниевыми и сложность профилирования сапфира при массовом изготовлении ПЧЭ. Эти недостатки мешают ПЧЭ на основе КНС успешно конкурировать с интегральными кремниевымиТаким образом, использование в тензопреобразователях специфических свойств гетероэпитаксиальных структур «кремний на сапфире» позволило создать новое поколение датчиков механических величин на основе тензорезисторных ПЧЭ.
|
|