СПОСОБ АВТОМАТИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ ТЕНЗОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ПЛЁНОК ТЕЛЛУРИДОВ ВИСМУТА-СУРЬМЫ

АННОТАЦИЯ

В работе исследуется влияние циклической деформации на полупроводниковые пленочные элементы, а также описан способ автоматизации технологического процесса получения тензочувствительных пленок на основе теллуридов висмута - сурьмы, содержащих наногранулы.

ABSTRACT

The paper investigates the effect of cyclic deformation on semiconductor film elements, and also describes a method for automating the technological process of obtaining strain-sensitive films based on bismuth tellurides - antimony, containing nanogranules.

Ключевые слова: тензометрия, циклическая деформация, полупроводниковые пленочные элементы, деформационные характеристики,  коэффициент тензочувствительности, внутренниe механические напряжения, датчики накопленной усталостной повреждаемости, метод термовакуумного напыления, вакуумная установка.

Keywords: strain gauge, cyclic deformation, semiconductor film elements, deformation characteristics, strain gage coefficient, internal mechanical stresses, accumulated fatigue damage sensors, thermal vacuum deposition, vacuum installation.

Как известно, одной из важнейших задач тензометрии является изготовление тензодатчиков с линейной и симметричной деформационной характеристикой.  В зависимости от причины возникновения нелинейности её можно компенсировать несколькими путями. Ассиметричность деформационных характеристик скорей всего связана с внутренними (технологическими) механическими напряжениями. Исследование свойств плёночных тензочувствительных образцов, полученных из твёрдого раствора Bi₂Te₃ -  Sb₂Te₃,  используемого в термоэлектрических преобразователях, показало, что при некоторой оптимальной технологии, коэффициент тензочувствительности может достигать 6,2·10⁴ единиц [3].Тензочувствительные плёнки теллуридов висмута-сурьмы используются  для создания датчиков-преобразователей механических величин в электрические сигналы, в частности использовать их для получения чувствительного элемента датчика накопленной усталостной повреждаемости (ДНУП). В данной работе описан способ автоматизации технологического процесса изготовления ДНУП на основе полупроводникового соединения (BiSb)_2-XTe_3-X. Контроль параметров процесса напыления и управления отдельными узлами установки осуществляется с помощью программы, заложенной в компьютер типа IBM/PC по технологической карте, составленной заранее. Для получения нанокристаллических образцов из полупроводникового соединения теллуридов висмута и сурьмы методом термовакуумного напыления, необходимо специальное технологическое оборудование - модернизированная однопостовая типовая вакуумная установка УВН-73П. С помощью вакуумной установки со штатным оборудованием, снабженной дополнительной системой для автоматического регулирования температуры по заданной программе мы получали тензочувствительные плёнки теллуридов висмута-сурьмы, содержащих наногранулы  с воспроизводимыми характеристиками [2-4]. В качестве исходных материалов при получении соединения Bi₂ Te_3, Sb₂Te₃ использовался гетерогенный материал со следующим процентным содержанием: 40 % Bi₂ Te₃ + 50 % Sb₂Te₃ + 10 % Bi. Ранее полученные подложки, с напыленными контактными площадками закладывают вместе с масками в подложкодержатели, которые помещают в вакуумную установку, после чего устанавливают основной и вспомогательный свидетели. При получении нанокристаллических тензоплёнок Bi_xSb_2-xTe₃ расстояние между испарителем и подложкой варьировалась в пределах 80÷150 мм. После завершения подготовительного периода камера герметически закрывается и  в подколпачном объёме устанавливается высокий вакуум с давлением 1,33·10^-2÷1,33·10^-3  Па, так как  наилучшие деформационные свойства независимо от других параметров технологии обеспечивают при остаточном давлении  в вакуумной камере в пределах 6,7×10^-2 ÷ 6,7×10^-4  Па.

Следующий этапом является ионная очистка, разогрев и поддержание температуры подложек 343,15 ÷ 348,15 К. Испарение части навески исходного материала проводится при закрытой заслонке при температуре испарителя 623 ÷ 643 К, при этом сопротивление вспомогательного свидетеля должно достигнуть величины ~ 7000 Ом за время 27 мин.Испарение исходного материала при открытой заслонке проводится при температуре испарителя  643÷1073 К. При завершении испарения сопротивление свидетеля должно быть ~ 150 Ом. Время испарения 7-8 мин.После остывания подложек производится напуск воздуха.

Контроль параметров процесса напыления и управление отдельными узлами установки осуществляется программно компьютером типа IBM/РС по технологической карте составленной заранее. На рис.1  приведен снимок работы программы.  Прежде чем начать технологический процесс, необходимо ввести данные для Протокола работы.  К ним относятся значения, величина температуры  подложек в данный момент времени сопротивление свидетелей.  Во время работы Система начнет отрабатывать, заданные величины и отображать соответствующие им измеренные значения.

Автоматизация процесса получения тензочувствительных плёнок теллуридов висмута-сурьмы позволило резко сократить разброс сопротивлений получаемых полупроводниковых  тензопреобразователей, который определялся по их средним значениям и среднеквадратичным отклонениям. 

На рис.1.а и рис.1.б  приведены зависимости среднего значения сопротивления плёнок и  их среднеквадратичного  отклонения от числа циклов наложенной деформации по партиям (DNUP7) и (DNUP 6LD).    

а                                                         б

Рисунок 1.  Зависимость среднего значения сопротивления плёнок,  и их среднеквадратичного отклонения от  числа циклов наложенной деформации по партиям: а – партия (DNUP7) и б – партия  (DNUP 6LD)

Из сравнения приведенных на этих рисунках данных можно отметить, что партия (DNUP7) имеет наименьший разброс сопротивлений, о чём свидетельствуют и значения среднеквадратичного отклонения сопротивлений. Полученные данные могут быть использованы как один из критериев выбраковки плёнок  из полученной технологической партии.

Из сравнения приведенных на этих рисунках данных можно отметить, что партия (DNUP7) имеет наименьший разброс сопротивлений, о чём свидетельствуют и значения среднеквадратичного отклонения сопротивлений. Полученные данные могут быть использованы как один из критериев выбраковки плёнок  из полученной технологической партии. Выходные данные, установленных чувствительных элементов, носят статистический характер и должны быть определены для всей серии, при этом диапазон разброса должен быть как можно уже. Поэтому необходимо использовать высокий уровень автоматизации как для технологического процесса изготовления ЧЭ, так и для процесса калибровки полученных тензоплёнок. Таким образом, с помощью использования эффектов самоорганизации наноструктур и автоматизации технологического процесса получения нанокристаллических полупроводниковых плёнок, а также автоматизации процесса их отбраковки можно обеспечить ~10 процентную воспроизводимость свойств чувствительных элементов.

Список литературы:

1. Catalytic activity of Au nanoparticles. // Nanotoday. -August 2007-. V. 2,  № 4. -РР. 14-18.
2. Мухамедиев Э., Шамирзаев С., Онаркулов К., Юсупова Д.,Смирнов В.  Технологические установки для получения чувствительных элементов ДНУП на основе (BiSb)_2-xTe_3+x. // Международная конференция, посвященная 90-летию академика С.А.Азимова «Фундаментальные и прикладные вопросы физики» :-Тошкент, -18-19 ноября 2004.- № 3.- 429 с.
3. Юсупова Д.А. Автоматизация технологического процесса калибровки плёночных чувствительных элементов// науки: новые достижения (Issues of modern science: new achievements) Материалы Международной (заочной) научно-практической конференции научное электронное издание Научно-издательский центр «Мир науки» Издателска Къща «СОРоС» . София . Болгария.-18 февраля 2018 г.- с.26-30
4. Юсупова Д.А. Автоматизация процесса получения тензочувствительных плёнок теллуридов висмута-сурьмы, содержащих наногранулы с воспроизводимыми характеристиками// Актуальные научные исследования в современном мире. Сборник научных Трудов. Переяслав-Хмельницкий Апрель 2017г.- Выпуск 4(24).- Часть 4.-128-133 с