СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МУЛЬТИСКАНА Российский патент 1997 года по МПК H01L31/18 

Изобретение относится к полупроводниковой технике и может быть использовано для изготовления координаточувствительного фотоприемника мультискан, используемого для измерения положения светового сигнала.

В настоящее время в бесконтактных методах измерения положения объектов используется целый ряд фотоэлектрических полупроводниковых координаточувствительных приборов, таких как приборы с зарядовой связью (ПЗС), p-i-n-фотодиоды с резистивным слоем, мультисканы. Для всех этих приборов важнейшими параметрами являются линейность координатной характеристики и пространственная чувствительность. ПЗС обладает жестким дискретным шагом, что обеспечивает высокую линейность координатной характеристики, но ограничивает пространственную чувствительность и точность. Для получения точности лучше 10 мкм в случае ПЗС требуется дополнительная сложная обработка электрического сигнала. P-i-n-фотодиоды с резистивным слоем и мультисканы имеют непрерывную координатную характеристику и высокую пространственную чувствительность (до 0,1 мкм), но их точность ограничена нелинейностью координатной характеристики.

Известен способ изготовления координаточувствительного полупроводникового прибора фирмы Hamamatsu (тип S1352) [1] основанный на создании p-i-n-фотодиодов путем двустороннего легированного высокоомной подложки и нанесении электродов на p-слой, являющийся резистивным. Приборы, созданные по такому способу изготовления, имеют непрерывную координатную характеристику и высокую пространственную чувствительность (до 0,1 мкм).

Однако точность данных приборов ограничивается нелинейностью координатной характеристики ±1 связанной с неравномерностью резистивного слоя, и составляет величину до 600 мкм при рабочей длине 3 см.

Наиболее близким к изобретению является способ изготовления мультискана [2] заключающийся в формировании на подложке изолированных друг от друга и от подложки двух базовых областей и изготовлении линейки встречно включенных p-n-переходов в упомянутых базовых областях, изготовлении общей шины вдоль внешнего края одной базовой области и создании делительного слоя вдоль базовой области другой базовой области. Данный прибор обладает координатной чувствительностью 0,01 мкм и статистической погрешностью 0,2 мкм. Линейность его координатной характеристики зависит от равномерности распределения сопротивления вдоль делительного слоя. Делительный слой выполняют газофазным осаждением n⁺-поликристаллического кремния или диффузией фосфора.

Данный способ не позволяет получить неравномерность лучше 1% Данная неравномерность распределения сопротивления приводит к соответствующим ошибкам в измерении координаты, что составляет величину 200 мкм на длине 2 см.

Задача изобретения создание способа изготовления мультискана, позволяющего изготовить мультискан с повышенной точностью измерений за счет линеаризации его координатной характеристики.

Задача решается c помощью способа изготовления мультискана, заключающегося в формировании на подложке изолированных друг от друга и от подложки двух базовых областей, изготовлении линейки встречно включенных p-n-переходов в упомянутых базовых областях, формировании общей шины вдоль внешнего края одной базовой области и нанесении делительного слоя на внешний край другой базовой области.

Новым в изобретении является то, что на поверхность делительного слоя дополнительно наносят резистивный слой, выступающий за пределы делительного слоя с его внешней по отношению к p-n-переходам стороны на величину не менее ΔM_min где
ΔM_min = Δm•f*max

/f_min,
и обладающий сопротивлением, превышающим сопротивление делительного слоя не менее чем в К раз, где
K=Δm/M•f_min,
затем определяют зависимость величины ошибки координирования f(x) путем измерения величины выходного напряжения в зависимости от положения центра светового пятна, находят максимальное значение ошибки координирования f_max, затем корректируют сопротивление делительного слоя путем изменения ширины дополнительного резистивного слоя с его наружной стороны по отношению к p-n-переходам в соответствии с зависимостью
m(x) M[1+R_m/R_d•(f(x)-f_max)]
где m(x) скорректированное распределение ширины дополнительного резистивного слоя, мкм;
R_m сопротивление дополнительного резистивного слоя, Ом;
R_d сопротивление делительного слоя, Ом;
Δm минимальная заданная величина изменения ширины дополнительного резистивного слоя, мкм;
f(x) зависимость ошибки координирования от положения центра светового пера,
f_max максимальное значение измеренной ошибки координирования,
f*max максимально возможная заданная ошибка координирования,
f_min заданная ошибка координирования,
M ширина дополнительного резистивного слоя, мкм;
D ширина делительного слоя, мкм.

На чертеже приведено поперечное сечение структуры мультискана, где 1 - линейка встречно включенных p-n-переходов; 2 делительный слой; 3 общая шина; 4 дополнительный резистивный слой; 5 и 6 базовые области; 7 - подложка.

Для решения вышеуказанной задачи изготовления мультискана, обладающего линейной координатной характеристикой с ошибкой координирования не более 0,1 необходимо обеспечить равномерность распределения сопротивления делителя с такой же точностью.

Распределение сопротивления вдоль делительного слоя имеет неравномерность приблизительно 1 при ширине делителя 100 мкм. Коррекция такого сопротивления с точностью меньшей 0,1 требует возможности изменения ширины делительного слоя с точностью 0,1 мкм, что недоступно для современной техники. Для коррекции распределения сопротивления делительного слоя необходимо дополнительно нанести на его поверхность резистивный слой, имеющий более высокое сопротивление, чем сопротивление делительного слоя. Минимальную ширину дополнительного резистивного слоя, выступающую за пределы делительного слоя ΔM определяют из необходимости компенсации максимально возможного заданного значения ошибки координирования f*max

. В мультисканах, изготовленных по технологии прототипа, величина максимальной ошибки координирования обычно составляет 1 2% Для оценки ΔM величину f*max выбирают равной 2% Численно ΔM должно быть во столько раз больше Δm во сколько f*max превышает заданную ошибку координирования f_min, по современным требованиям точности f_min 0,05.

ΔM_min=Δm•f*max

/f_min,
что и определяет максимально необходимую ширину дополнительного резистивного слоя, расположенную вне делителя.

Максимальная величина выступающей части дополнительного резистивного слоя определяется топологией прибора и может занимать всю свободную площадь окисленной поверхности кристалла вне базовой области. Максимальная величина ΔM не накладывает ограничений на диапазон компенсируемых ошибок.

Перекрытие дополнительным резистивным слоем делительного слоя осуществляют с внешней стороны последнего, что позволяет сохранить неизменной фоточувствительную площадь прибора и не подвергать ее разрушающему воздействию при коррекции сопротивления.

Минимальная полная ширина дополнительного резистивного слоя состоит из минимальной ширины выступающей части резистивного слоя ΔM и ширины делительного слоя D, т.е.

M_min=ΔM_min+D.

Минимальную величину сопротивления дополнительного резистивного слоя выбирают с учетом минимально возможного изменения ширины дополнительного резистивного слоя Δm, которое определяется техническими возможностями устройства коррекции.

Минимальное значение отношения сопротивления дополнительного резистивного слоя к сопротивлению делителя определяется из минимально возможной величины Δm полной ширины дополнительного резистивного слоя М и заданной точности координирования f_min как
K=Δm/M•f_min,
Из этого выражения по известному сопротивлению делительного слоя R_d определяют величину сопротивления дополнительного резистивного слоя R_m.

В качестве дополнительного резистивного слоя можно использовать пленки типа РС с сопротивлением приблизительно 1000 Ом/□ наносимые магнетронным распылением.

Далее определяют зависимость величины ошибки координирования от положения центра светового пера f(x), для чего снимают координатную характеристику мультискана путем сканирования световым путем вдоль фотоприемной площадки мультискана и измерения выходного напряжения мультискана с помощью цифрового вольтметра.

Полученные данные вводятся в ДВК-2, где производят вычисление распределения ошибки координирования вдоль фоточувствительного поля мультискана f(x) и определяют максимальную величину этой ошибки f_max. По найденным f(x) и f_max и известным сопротивлениям делительного слоя R_d и дополнительного резистивного слоя М вычисляют m(x) распределение ширины дополнительного резистивного слоя, линеаризующее распределение сопротивления делителя, из уравнения
m(x) M[1+R_m/R_d•(f(x)-f_max)] (1)
Вычисленную зависимость вводят в блок управления перемещениями устройства коррекции ширины дополнительного резистивного слоя. Затем производят изменение ширины дополнительного резистивного слоя с его наружной стороны по отношению к p-n-переходам в соответствии с найденной зависимостью m(x) с помощью устройства коррекции.

Способ осуществляется следующим образом.

По технологии КСДИ (кремний с диэлектрической изоляцией) [3] на подложке из поликристаллического кремния формируют изолированные слоем SiO₂ друг от друга и от подложки две базовые области 5 и 6 монокристаллического кремния n-типа; затем изготавливают линейку 1 встречно включенных p-n-переходов в базовых областях 5 и 6; формируют общую шину 3 путем напыления алюминия вдоль внешнего края базовой области 6, затем газофазным осаждением n₊-поликристаллического кремния или диффузией фосфора создают делительный слой 2 вдоль внешнего края другой базовой области 5. Поверх делительного слоя 2 наносят магнетронным распылением резистивный слой 4, перекрывающий поверхность делительного слоя 2 с его наружной стороны. Затем измеряют выходное напряжение мультискана в зависимости от положения центра светового пера при сканировании последним вдоль фотоприемной площади. Из измеренной зависимости находят зависимость величины ошибки координирования от положения центра светового пера, затем корректируют сопротивление делительного слоя 2 путем изменения ширины резистивного слоя 4 с наружной стороны вдоль делителя в соответствии с зависимостью
m(x) M[1+R_m/R_d•(f(x)-f_max)]
с помощью азотного лазера.

Пример. С целью подтверждения возможности линеаризации координатной характеристики и создания мультискана с систематической погрешностью менее 0,1% был изготовлен мультискан с дополнительным резистивным слоем. Для этого использовали кремниевые пластины n-типа с сопротивлением 7,5 Ом•см, на которых разделение двух базовых областей выполнено технологией КСДИ (кремний с диэлектрической изоляцией) [3] В базовых областях вблизи линии их раздела и симметрично относительно нее сформированы дискретные точечные p⁺-области путем газофазного осаждения поликристаллического кремния. Пары p-n-переходов соединялись p⁺-перемычками для образования встречного включения. Расстояния между центрами перемычек составляло 30 мкм. Общее количество пар встречно включенных диодов составило величину 640. Общая шина была выполнена напылением алюминия. Делительный слой создан газофазным осаждением поликристаллического кремния n⁺-типа с сопротивлением 10 Ом/□. Длина поликремниевого делителя составляла 2•10⁴ мкм, а ширина 100 мкм, что дало полное сопротивление делителя 2 кОм. Поверх делительного слоя магнетронным распылением наносился дополнительный резистивный слой РС3710 толщиной 300 A, шириной 300 мкм. Данный слой имел сопротивление 1000 Ом/□, что составило 67 кОм для всего слоя. В данном случае величина K составила 33,5 при величине перекрытия 200 мкм. Определялась зависимость ошибок координирования светового пера f(x) с помощью ДВК-2, шагового двигателя и цифрового вольтметра В7-34. После чего с помощью программных средств на ДВК-2 производился пересчет снятой зависимости ошибок f(x) в форму внешнего края дополнительного резистивного слоя в соответствии с формулой (1). Ширину дополнительного резистивного слоя изменяли путем его подрезки азотным лазером, работающим в импульсном режиме. Длительность импульса составляла величину 10^-8 с при мощности 0,8 кВт. Луч лазера фокусировали в пятно 5 мкм. При подрезке поступательное движение мультискана вдоль оси X и отклонение по оси Y в соответствии с функцией m(x) осуществлялось с помощью двухкоординатного столика с управлением от ДВК-2. Минимальная величина изменения ширины дополнительного резистивного слоя Δm, которая соответствует минимально возможному перемещению двухкоординатного столика по оси Y, составляла 1 мкм. Максимальная погрешность измерения координаты светового пера по всей длине фотоприемника без коррекции дополнительного резистивного слоя составляла величину 210 мкм, после коррекции 16 мкм. Таким образом, ошибка координирования снижена с 1,05 до 8•10^-2
Выводы. Таким образом, показано, что коррекция дополнительного резистивного слоя позволяет производить линеаризацию координатной характеристики мультискана вплоть до величины 5•10^-2 что соответствует максимальной абсолютной ошибке порядка 10 мкм и менее на длине 2 см. Такая величина нелинейности вместе с координатной чувствительностью 0,1 мкм позволяет создать принципиально новый по точности класс прецизионных координаточувствительных приемников.

Литература
1. Витглеб Г. Датчики. М. Мир, 1989. 195с.

2. Берковская К. Ф. Кириллова Н. В. Подласкин Б. Г. Столовицкий В. М. Токранова Н. А. Позиционночувствительный фотоприемник мультискан с высоким координатным разрешением. В сб. "Научно-технические достижения". М. ВИМИ, 1992, в. 2, с. 22 25.

3. Брюхно Н. А. Жарковский Е. М. Концевой Ю. А. Сахаров Ю. Г. Кремниевые структуры с диэлектрической изоляцией для изделий микроэлектроники. Обзоры по электронной технике. Серия 3, в. 4(1304), 1987, 40 с.

Использование: полупроводниковая техника для изготовления координаточувствительного фотоприемника мультискана, используемого для измерения положения светового сигнала. Сущность изобретения: в способе изготовления мультискана, заключающемся в формировании на подложке изолированных друг от друга и от подложки двух базовых областей, изготовлении линейки встречно включенных р-n-переходов в упомянутых базовых областях, формировании общей шины вдоль внешнего края одной базовой области и нанесение делительного слоя на внешний край другой базовой области, новым является то, что на поверхность делительного слоя дополнительно наносят резистивный слой, выступающий за пределы делительного слоя с его внешней по отношению к p-n-переходам стороны на величину не менее ΔM_min, где ΔM_min= Δm•f*max

/f_min и обладающий сопротивлением, превышающим сопротивление делительного слоя не менее чем в К раз, где К = m/M•f_min, затем определяют зависимость величины ошибки координирования f(x) путем измерения величины выходного напряжения в зависимости от положения центра светового пятна, находят максимальное значение ошибки координирования f_max, затем корректируют сопротивление делительного слоя путем изменения ширины дополнительного резистивного слоя с его наружной стороны по отношению к p-n-переходам в соответствии с зависимостью m(x)= M[1+R_m/R_d•(f(x)-f_max)], где m(x) - скорректированное распределение ширины резистивного слоя, мкм; R_m - сопротивление дополнительного резистивного слоя, Ом; R_d - сопротивление делительного слоя, Ом; Δm - минимальная заданная величина изменения ширины дополнительного резистивного слоя, мкм; f(x) - зависимость ошибки координирования от положения центра светового пятна, %; f_max - максимальное значение измеренной ошибки координирования, %; f*max - максимально возможная заданная ошибка координирования, %; f_min - заданная ошибка координирования, %; М - ширина дополнительного резистивного слоя, мкм; D - ширина делительного слоя, мкм. 1 ил.

Способ изготовления мультискана, заключающийся в формировании на подложке изолированных друг от друга и от подложки двух базовых областей, изготовлении линейки встречно включенных p n-переходов в упомянутых базовых областях, формировании общей шины вдоль внешнего края одной базовой области и нанесении делительного слоя на внешний край другой базовой области, отличающийся тем, что на поверхность делительного слоя дополнительно наносят резистивный слой, выступающий за пределы делительного слоя с его внешней по отношению к p n-переходам стороны на величину не менее
ΔM_min, где ΔM_min= Δm•f*max

/f_min,
и обладающий сопротивлением, превышающим сопротивление делительного слоя не менее чем в К раз
K = Δm/M•f_min,
где М ширина дополнительного резистивного слоя, мкм;
Δm - минимальная заданная величина изменения ширины дополнительного резистивного слоя, мкм;
f*max максимально возможная заданная ошибка координирования,
f_m i n заданная ошибка координирования,
затем определяют зависимость величины ошибки координирования от положения центра светового пятна f(x), путем измерения величины выходного напряжения в зависимости от положения центра светового пятна находят максимальное значение ошибки координирования f_m a x, затем корректируют сопротивление делительного слоя путем изменения ширины дополнительного резистивного слоя с его наружной стороны по отношению к p - n-переходам в соответствии с зависимостью
m(x) M[1 + R_m/R_d • (f(x) - f_m a x)]
где m(x) скорректированное распределение ширины дополнительного резистивного слоя, мкм;
R_m сопротивление дополнительного резистивного слоя, Ом;
R_d сопротивление делительного слоя, Ом;
D ширина делительного слоя, мкм.