close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Bogoslovskiy

код для вставкиСкачать
Федеральное агенТство по образованию
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
Санкт-петербургский государственный университет
аэрокосмического приборостроения
ОСНОВЫ
МИКРОСИСТЕМОТЕХНИКИ
Учебное пособие
Санкт-Петербург
2008
1
УДК 621.3.049.77
ББК 32.844.1
О75
Рецензенты:
ЗАО «Авангард-Элионика»; доктор технических наук, профессор
В. В. Новиков
Утверждено
редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
Шубарев В. А. и др.
О75 Основы микросистемотехники: учебное пособие / В. А. Шубарев, В. А. Пикулев, С. В. Богословский, Г. А. Сапожников,
В. В. Перлюк. – СПб.: ГУАП, 2008. – 196 с.: ил.
ISBN 978-5-8088-0335-0
Учебное пособие посвящено микросистемотехнике – одному из
самых современных направлений науки и техники. Рассмотрены
принципы организации и построения микроминиатюрных функциональных устройств, преобразующих изменение физических параметров среды в электрические сигналы, или электрические сигналы –
в изменение физических параметров среды.
Предназначено для студентов III–IV курсов, обучающихся по специальности 210202.
УДК 621.3.049.77
ББК 32.844.1
ISBN 978-5-8088-0335-0
© ГУАП, 2008
© В. А. Шубарев, В. А. Пикулев,
С. В. Богословский, Г. А. Сапожников,
В. В. Перлюк, 2008
2
Содержание
Введение...................................................................... 5
1. Классификация и принципы построения средств
микросистемной техники................................................... 8
2. Принципы действия и конструктивно-технологического
исполнения микросистемотехнических устройств ................. 19
3. Первичный чувствительный элемент. Актюаторы.......... 29
4. Конструирование и расчет микросистемотехнических
устройств, основанных на кремниевой технологии................ 36
5. Конструирование и методы расчета кремниевых
подвижных микромеханических систем и микрогироскопов
на поверхностных акустических волнах............................... 46
6. Конструирование кремниевых акселерометров.............. 61
7. Анализ и подход к конструированию и расчету
микросистемотехнических устройств на основе
тензорезистивных полупроводниковых структур.................. 68
8. Конструирование и расчет микросистемотехнических
устройств, основанных на пьезоэлектрических принципах..... 75
9. Конструирование и расчет пьезоэлектрических мембран,
предназначенных для работы на объемных акустических
волнах............................................................................. 86
10. Конструирование и расчет резонаторов, линий
задержки на поверхностных акустических волнах как
первичных чувствительных элементов микросистемотехнических устройств...................................................... 94
11. Технические требования к конструкции и основным
параметрам микросистемотехнических устройств как
первичным чувствительным элементам................................ 102
12. Основы технологии производства кремниевых (полупроводниковых) микросистемотехнических устройств........... 109
13. Физико-химические основы диффузионных и
окислительных процессов, технологические режимы и
оборудование.................................................................... 119
14. Механизмы и методы эпитаксиального роста монокристаллических пленок................................................... 127
15. Основы литографии в микросистемотехнических
устройствах...................................................................... 135
16. Физико-химические основы ионно-химических
процессов травления кремниевых структур. Технологические
режимы и оборудование..................................................... 141
17. Технологический процесс сборки, монтажа, вакуумирова3
ния и герметизации микросхемотехнических устройств......... 148
18. Методы и средства контроля электрических и физикомеханических параметров микросистемотехнических
устройств......................................................................... 154
19. Основы технологии производства пьезоэлектрических
микросистемотехнических устройств.................................. 158
20. Особенности технологии вакуумного напыления
пленок при изготовлении пьезоэлектрических микросистемотехнических устройств...................................................... 164
21. Прецизионная фотолитография при производстве
микросистемотехнических устройств на поверхностных
акустических волнах......................................................... 170
22. Особенности ионного и ионно-химического травления
отражающих решеток малой глубины и переменного
профиля.......................................................................... 178
23. Конструкция корпусов микросистемотехнических устройств............................................................................. 184
Заключение................................................................. 187
Библиографический список............................................ 194
4
ВВЕДЕНИЕ
Микросистемотехника (МСТ) – это раздел науки и техники,
изучающий микроэлектронные устройства, предназначенные для
выполнения нерадиотехнических задач.
Микросистемотехника − одно из самых быстро развивающихся
направлений в современной науке и технике. Наиболее развитые
страны относят МСТ к престижным направлениям развития экономики.
Она изучает принципы организации и построения микроминиатюрных функциональных устройств, преобразующих физические
параметры среды в электронную форму информации (или преобразующих электрические сигналы в изменение физических параметров среды) и предназначенных для выполнения нерадиотехнических задач.
Целью микросистемотехники является создание высокоэффективных интеллектуальных средств радиоэлектронного приборостроения для управления, контроля, мониторинга, диагностики в
различных сферах применения.
Микросистемотехническое устройство (МСТУ) – микроминиатюрная, функционально завершенная система измерения и преобразования физических и химических параметров среды. Отдельно
можно выделить микроэлектромеханические системы (МЭМС).
Микросистемотехнические устройства включают в себя следующие функциональные составные части:
− первичные чувствительные элементы, преобразующие физические параметры среды в электрический сигнал или наоборот;
− электронные схемы обработки сигнала (усилители, аналоговые ключи, коммутаторы, фильтры, запоминающие устройства
(ЗУ) и др.);
− цифроаналоговые и аналого-цифровые преобразователи;
− исполнительные микромеханические элементы микроперемещений (микродвигатели, микрозеркала, редукторы, сопла, микрозаслонки и др.).
Кроме МЭМС, к МСТУ относятся:
− микрооптоэлектромеханические системы (МОЭМС);
− микроакустоэлектромеханические системы (МАЭМС);
− микророботехнические средства (МРТС);
− микроаналитические системы (МАС).
В учебном пособии будут рассмотрены только особенности МЭМС
и МАЭМС.
5
Микросистемотехника развивается на основе научного, производственного и технологического задела микроэлектроники: материалов, топологических конструкций, прецизионных интегрально-групповых технологических процессов. Если на первых этапах
развития МСТ перечисленные составные части изготавливались
отдельно, а затем собирались в гибридную конструкцию, то в настоящее время идет процесс интеграции всех компонентов в единую
функционально завершенную радиоэлектронную систему. При
этом ввиду большой значимости трехмерности структуры микросистемотехнических устройств появилась необходимость в разработке и освоении новых технологических направлений:
− формирование трехмерных структур (в том числе, мембран)
методом глубокого травления;
− продольное травление «жертвенных» слоев;
− формирование микро- и наноконструкций из несвойственных
для планарной технологии материалов;
− новые виды сборочных процессов, связанных с интеграцией
разнородных материалов в единой конструкции;
− объединение разнородных, ранее не связанных технологий,
относящихся к микроэлектронике, механике, оптике, химии и др.,
в едином технологическом процессе.
Благодаря значительному снижению габаритов, массы, потребляемой мощности и особенно стоимости производства область применения МСТУ быстро расширяется. Общий объем производства
микросистемотехнических устройств в 2003 г. в США составил 11
млрд дол. Значительные объемы производства имеют фирмы Японии. Прогнозируется рост их производства к 2010 г. до 17 млрд дол.
Планируется расширение сферы применения для гражданского
применения и для создания средств высокоточного оружия. Распределение изделий МСТ по областям применения в высокоразвитых странах выглядит следующим образом, %:
− информационные технологии − 42;
− средства коммуникации − 26;
− биотехнологии − 21;
− автомобильная промышленность − 5;
− товары народного потребления − 3;
− другие сферы − 3.
В США наиболее активно в области МСТУ работают фирмы
Analog Device, Intel, Motorola, IBM, Drapрer, Sandia и др.
В России и ближнем зарубежье также ведутся работы в области МСТ, но с большим отставанием от западных фирм. В г. Зеленограде ОАО «НИИМЭ и Микрон», ОАО «Ангстрем», ФГУП «НИИ
6
физических проблем», научно-технологический центр при МИЭТ
проводят разработку и производство сенсоров ряда физических
величин на основе кремниевой технологии. В ОАО «Авангард»
(г. Санкт-Петербург) ведутся разработки и производство микроэлектронных газовых сенсоров на базе кремниевых мембран и газоанализаторов на их основе. Ведутся разработки датчиков физических величин (давления, глубины погружения, вибрации, деформации, крутящего момента, температуры, угловой скорости и ускорения) на основе поверхностных акустических волн. Весомый вклад
в разработку микромеханических гироскопов внес ФГУП «ЦНИИ
«Электроприбор». Созданные им образцы гироскопов не уступают
лучшим мировым образцам.
Перспективные работы проводятся также в научном центре
микроэлектроники и нанотехнологии при СПбГЭТУ и в лаборатории микротехнологии и микроэлектромеханических систем при
СПбГТУ.
Замечания, вопросы и предложения по содержанию учебного
пособия можно направлять по адресу e-mail: svb@aanet.ru.
7
1. Классификация и принципы построения
средств микросистемной техники
Электромеханические преобразователи можно разделить на три
класса:
− индуктивные, в которых рабочим полем является магнитное
поле (магнитные);
− емкостные (электростатические), в которых рабочим полем является электрическое;
− индуктивно-емкостные, в которых электромагнитное преобразование осуществляется магнитным и электрическим полями.
Электромеханические преобразователи, в которых электрическая энергия изменяет физические параметры среды, в частности
преобразуется в механическую, называются двигателями или приводами (актюаторами, actuator).
Электрофизические преобразователи, в которых физические параметры энергия преобразуется в электрические, называются сенсорами (sensor).
Один и тот же электромеханический преобразователь может работать и приводом, и сенсорным элементом.
Как правило, электромеханические преобразователи выполняются с одной подвижной частью, называемой ротором и одной неподвижной, называемой статором.
Классификация МСТУ по принципу действия, использующие:
− пьезоэффект;
− электростатические силы;
− электромагнитные силы;
− тензоэффект;
− эффект Холла;
− магниторезистивный эффект.
К числу реализованных в настоящее время относятся датчики.
1. Деформации.
2. Перемещения.
3. Угловой скорости твердого тела.
4. Ускорения (акселерометры).
5. Крутящего момента.
6. Давления.
7. Вязкости.
8. Расхода газов и жидкостей.
9. Наличия химических веществ.
10. Температуры.
11. Влажности.
8
12. Электрических и магнитных величин.
13. Химических величин, в том числе концентрации газов и параметров химических реакций.
14. Систем радиочастотной идентификации (РЧИД).
Первоочередными задачами МСТ является производство:
– датчиков физических величин;
– датчиков химических величин;
– преобразователей механических движений (микромеханические двигатели);
– исполнительных механизмов и т. д.
Наибольшее распространение в МСТ получили два типа материалов – полупроводники и пьезоэлектрики. Общий вид структуры
МСТУ показан на рис. 1.1.
На рис. 1.1 обозначено: ПЧЭ – первичный чувствительный элемент; СУ – согласующее устройство; КС – канал связи; ИУ – исполнительное устройство.
Различают прямой пьезоэффект (появление потенциалов при
наличии механического напряжения) и обратный пьезоэффект (деформация под действием приложенного напряжения).
Пьезоэлектрические устройства используют распространение
поверхностных акустических волн (ПАВ) или объемных акустических волн (ОАВ). Наибольшее распространение получили МСТУ
на продольных упругих ПАВ (на волнах Рэлея). При этом ПАВ возбуждается, как правило, с использованием встречно-штыревых
преобразователей (ВШП). В простейшем случае ВШП представляет
собой периодическую решетку из металлизированных поверхностей (штырей).
Геометрические соотношения показаны на рис. 1.2.
Широко используется анодизация ВШП, т. е. изменяется глубина взаимопроникновения ВШП. Другой важнейший параметр
МСТУ или ПАВ апертура – размер ВШП в направлении, перпендикулярном распространению ПАВ.
Различают фазовую Vф и групповую скорости Vгр ПАВ, что иллюстрируется рис. 1.3.
ПЧЭ
СУ
КС
ИУ
Рис. 1.1. Структура микросистемотехнических устройств
9
λ /2
α =λ /4
λ
Рис. 1.2. Схема формирования поверхностных акустических волн в микросистемотехнических устройствах
Y
T1
Vгр
Vф
T2
T3
Х
Рис. 1.3. Схема распространения поверхностных акустических волн
В настоящее время ПАВ широко применяется в диапазоне частот от 10 МГц до 3 ГГц.
В диапазоне от 10 кГц до 100 МГц широкое распространение получили МСТУ на ОАВ (рис. 1.4).
Различают продольные и поперечные ОАВ. Возбуждение ОАВ,
как правило, реализуется за счет подачи напряжения на электроды, сформированные на поверхности пьезоэлектриков, которые в
λ /2
Рис. 1.4. Электрическая схема микросистемотехнических устройств
на объемных акустических волнах
10
совокупности образуют пьезопреобразователь; МСТУ на ОАВ состоит из одного или нескольких преобразователей и звукопровода.
Для всех типов МСТУ качество конечного изделия в значительной степени определяется качеством исходных материалов (металлов и материалов подложек: пьезоэлектриков или полупроводников).
Можно выделить следующие этапы подготовки подложек: выращивание кристалла (в основном, по методу Чохральского); резка;
шлифовка; полировка.
Получить идеальный кристалл не удается. Всегда существует
нарушенный слой (т. е. слой с дефектами). Дефекты кристаллических структур во многом определяют значения структурно чувствительных свойств. Дефекты классифицируются по размерному
фактору.
1. Точечные дефекты – размерность 0.
2. Линейные дефекты – размерность 1.
3. Поверхностные дефекты – размерность 2.
4. Объемные дефекты – размерность 3.
Точечные дефекты связаны с одним узлом или междоузлием
кристаллической решетки. К ним относятся:
1. Вакансии – отсутствие атомов в узлах.
2. Междоузельные атомы – собственные или примесные.
3. Примеси замещения.
4. Примеси вычитания – в решетке соединения удален атом одного типа.
К линейным дефектам относят:
1. Упорядоченные цепочки вакансий атомов внедрения.
2. Дислокация – важнейший тип линейных дефектов.
К поверхностным дефектам относят:
1. Границы зерен.
2. Границы субзерен в монокристаллах.
3. Границы фаз.
К объемным дефектам относят:
1. Микропоры в материале.
2. Микровключения второй фазы, если ее характерный размер
много меньше размера зерен основной фазы.
Важнейшими типами точечных дефектов являются дефект
Шоттки и дефект Френкеля. Дефект Шоттки образуется, если атом
из узла решетки переместить на поверхность кристалла. Дефект
Френкеля образуется, если атом из узла решетки переместить в
междоузлие. С ростом температуры равновесная концентрация дефектов растет.
11
Управляя концентрацией точечных дефектов, можно управлять
структурно чувствительными свойствами материалов. Существуют
четыре основных способа управления концентрацией дефектов:
1. Радиационная обработка материала.
2. Закалка материала с более высокой температуры, при которой концентрация дефектов более высокая.
3. Механическое воздействие на материал
4. Введение примесных атомов в узлы или междоузлия (легирование).
Управление по второму способу обычно осуществляют в два этапа. На первом проводят закалку. При этом концентрация дефектов
трудно воспроизводима. На втором этапе проводят отжиг материала при не очень высокой температуре, контролируя одновременно
какое-либо структурно чувствительное свойство (твердость, электросопротивление).
Микросистемотехника в настоящее время является не только
наукой, но и составной частью многих производственных процессов. Одновременно процесс микроминиатюризации продолжается
и на смену микротехнологиям приходят нанотехнологии и наносистемотехника.
Принципы построения средств микросистемной техники
Анализ современного состояния в области «критических» технологий в ряде наиболее развитых стран позволяет сделать заключение о том, что с начала 90-х гг. ХХ в. наиболее бурно развивающимся глобальным направлением в области электронных компонентов
является «микросистемная техника». В рамках данного направления создаются миниатюрные чувствительные исполнительные и
энергообеспечивающие системы, в основе функционирования которых лежит активное использование классических принципов механики, оптики, акустики, электротехники, теплотехники, химии
и биологии, интегрируемых в конструктивные решения на микроуровне с широким использованием материаловедческой и технологической баз микро- и оптоэлектроники, а в последнее время – и
биотехнологии. Микромашины, механизмы и приборы микросистемной техники по стоимости, надежности, ресурсу, малогабаритным показателям, энергопотреблению, широте и эффективности
применения настолько превосходят традиционные аналоги, что
созданная без использования микросистемной техники продукция
специального гражданского назначения в ближайшем будущем
может оказаться неконкурентоспособной.
12
Можно выделить следующие стимулирующие факторы развития микросистемной техники как научно-технического направления.
1. Появление в 1982 г. статьи К. Петерсона, сотрудника фирмы
IBM, рассматривающей кремний не как полупроводниковый, а как
конструкционный механический материал.
2. Разработка в конце 70-х гг. ХХ в. рядом фирм промышленной
технологии объемного жидкостного травления кремния для формирования мембран, струн, балок в датчиках давления, вибрации
и ускорения.
3. Разработка в конце 70-х начале 80-х гг. ХХ в. в Центре ядерных исследований в Карлсруэ (Германия) технологии формирования объемных структур с использованием синхронного излучения,
гальванического осаждения и прецизионного литья полимерами,
получившей название LIGA-технология (LIGA – аббревиатура немецких слов Lithography − литография, Galvanotechnik – гальванотехника).
С середины 90-х гг. ХХ в. в качестве наиболее часто используемого собирательного понятия для расширенного толкования направления, связанного с созданием микросистем, в англоязычной
литературе применяют сокращение MST (Microsystems technology),
что дословно означает «технология микросистем».
В России наибольшее распространение получил термин «микросистемная техника», который был использован в официальных документах, связанных с принятием в 1996 г. «Перечня критических
технологий федерального уровня».
Выделим наиболее важные факторы, способствующие развитию
МСТ.
1. Наличие научной и технологической культуры, сформировавшейся в период становления и развития микро- и оптоэлектроники.
2. Наличие базового оборудования, производственных мощностей и организационной инфраструктуры микроэлектронного производства, пригодных для реализации на них объектов МСТ.
3. Активный рынок сенсорных систем различного функционального назначения и конструктивного исполнения.
4. Тенденции к интеграции процессов микро- и биотехнологии
в рамках бионического «ренессанса» в области архитектуры, принципов функционирования и материалов.
5. Появление на рынке систем обработки информации и управления перспективного поколения интегральных схем с нейроподобной структурой, обеспечивающих новый уровень «интеллекту13
альных» возможностей и быстродействия микросистем при сохранении или улучшении прежних массогабаритных энергетических
показателей.
6. Перспективы нового активного рынка в области миниатюрных недорогих диагностических систем обеспечения жизнедеятельности человека за счет принятия концепции экономической
целесообразности массовой профилактики заболеваний по отношению к их лечению.
7. Формирование рынка оборудования для технологий на микроуровне (не микроэлектронных) за счет широкого развития биотехнологии и ужесточения требований к работе с радиоактивными,
токсичными, взрывоопасными веществами, что определяет переход на использование сверхмалых количеств веществ в ограниченных объемах.
Материаловедческий и технологический базис микросистем
Давая краткую характеристику материаловедческого базиса,
отметим, что при создании микросистем фактически выделяют две
группы материалов:
− «конструкционные» (стекло, монокристаллический, наткристаллический пористый кремний, диоксид и нитрид кремния, полиимид, вольфрам, никель, медь, золото, алмазоподобный углерод),
использующиеся для формирования несущих конструкций, проводников, смазки;
− «активные – умные» (никель/титан, пермаллой, кварц, окись
цинка, пьезокерамика, материалы группы А3В5, А4В6), выполняющие за счет электростатических, электромеханических, пьезоэлектрических, магнитных, оптических явлений и эффекта памяти
формы функции источников движения, сенсорных и активирующих сред.
При создании микросистем различного функционального назначения на основе композиций разнородных материалов должны
учитываться следующие критерии.
1. Кристаллическая совместимость.
2. Термохимическая совместимость.
3. Тепловая стойкость (допустимая тепловая нагрузка, учитывающая температуру Дебая, точку Кюри, а для проводников и температуру перехода в состояние, когда концентрация собственных
носителей заряда близка к примесной; тепловую стойкость также
характеризует способность вещества отдавать энергию в окружаю-
14
щую среду за счет теплопроводности, а при высоких температурах
и за счет теплоизлучения).
4. Электрическая стойкость.
5. Механическая стойкость.
6. Механическая усталость.
Мировой стереотип изготовления МСТ основан на широком
использовании кремния – дешевого и доступного материала. Наибольшее значение имеют гибридные системы, в которых наряду
с кремнием и другими полупроводниковыми материалами используются полимеры, керамика, металлы. В классической микроэлектромеханике, ориентированной на базовые кремниевые микротехнологии, в настоящее время господствует структура «кремний на
диоксиде кремния». Микросистемы представляют собой сложные
гетерогенные сочетания совокупности разнородных материалов.
Учитывая возможные особенности функционирования (высокие
температуры, агрессивные среды, радиация), несомненный интерес представляет в качестве базовой материаловедческой среды
композиция «карбид кремния–нитрид алюминия». Данная композиция сочетает в себе два широкозонных материала, один из которых – нитрид алюминия – является явно выраженным диэлектриком и обладает хорошими пьезоэлектрическими свойствами,
а другой – карбид кремния – широкозонный полупроводник. Оба
материала оптически активны, в том числе, в ультрафиолетовой
области спектра, имеют высокую теплопроводность и температуру
Дебая, характеризующую стойкость материала к внешним воздействиям (термическим, химическим, радиационным).
Анализируя особенности развития технологического базиса МСТ
и, в частности, микроэлектромеханических систем, следует выделить один из основных факторов, определивших необходимость видоизменения классических технологических приемов микроэлектронного производства: толщина микромеханических элементов в
отличие от классической микроэлектроники может превосходить
их линейные размеры в плоскости, т. е. возникает необходимость
формирования «3D» (D − dimension) структур.
В рамках технологии микросистем развиваются следующие технологические направления.
1. Групповая технология «поверхностей» микромеханики на основе процессов тотального нанесения и избирательного удаления
слоев.
2. Групповые технологии «объемной» микромеханики, реализуемые в виде:
− технологии глубинного объемного травления;
15
− LIGA-технологии (технология матричного микрокопирования);
− волоконной технологии.
3. Технология индивидуального формообразования методами
локального стимулирования роста (полимеризации), корпускулярно-лучевого и электростатического микропрофилирования, а также алмазного фрезерования.
Технологии «объемной» микромеханики позволяют активно
развивать в конструкторско-технологическом плане третье измерение, однако по технологическим приемам и оборудованию они
существенно отличаются от традиционных операций планарного
процесса, известного из кремниевой технологии.
Краткий анализ основных компонентов микросистемной
техники
Сенсоры−трансдьюсеры (transducer). Следует отметить, что
именно потребность в сенсорных элементах и ясная концепция
их возможного развития послужит основным стимулирующим
фактором для расширения исследований и развития производства объектов МСТ. Интегрированные сенсоры с аналитическими
возможностями определили возникновение такого направления
МСТ, как микроаналитические системы, первым наиболее ярким
представителем которого следует считать газовый микрохроматограф, созданный в конце 70-х гг. XX в. с использованием элементов
кремниевой технологии (планарная конструкция с капиллярной
колонкой, выполненной в виде спиральной канавки, вытравленной в пластине кремния).
Аналитико-технологические микросистемы. Одним из перспективных направлений создания и использования микросистем
является разработка аналитико-технологических микросистем,
оперирующих со сверхмалыми объемами и количествами вещества, что позволяет повысить эффективность реализации процессов
по энергетическим и временным параметрам, обеспечивает возможность реализации процессов работы с вредными и токсичными
веществами, упрощает утилизацию отходов. Все это создает предпосылки к высокой экономической эффективности таких систем.
Микроинструмент. Микроинструмент представляет собой комплекс сменных технологических микромодулей для выполнения
различного рода операций с высокой локальностью воздействия.
Комплекс состоит из микроустройств, обеспечивающих на микроуровнях захват, подачу и отсос, нагрев, препарирование, стимуля16
цию и сверхлокальную (вплоть до наноуровня) диагностику. Это
позволяет осуществить операции дозирования, присоединения,
удаления, модифицирования, измерения. Минимальная достаточность комплекта инструмента, устанавливаемого в прецизионный
микроманипулятор, определяется, исходя из возможности локального проведения трех основных видов микроопераций: нанесения,
удаления и модификации вещества. Для остальных операций и
специфических процессов возможно изменение базовых технологических микромодулей, оснащение их встроенными средствами
контроля. Базовый комплект микротехнологического инструмента, предназначенного как для индивидуальных микроопераций и
микроманипулирования с объектами органической и неорганической природы, так и обеспечивает требуемую гибкость в работе технологических кластерных микросистем.
Микромашины и минироботы. В направлении МСТ вот уже более 10 лет ведутся целенаправленные работы в области создания
микродвигателей. Преимущественно это электростатические двигатели, что связано с особенностями конструкции из-за технических ограничений в использовании третьего измерения. Создание
эффективных электромагнитных двигателей стало возможным в
связи с развитием так называемой «объемной» технологии, когда
базовые элементы конструкции формируются за счет сборки стекловолоконного пакета, его последующего утончения с помощью
втягивания и, наконец, избирательного травления стекла с образованием полостей, которые затем при формировании обмоток двигателей заполняются металлом или выполняют функцию полости
для микроротора. Обращает на себя внимание и тот факт, что в
качестве источников движения в микросистемах используются не
только электрические, но и пневматические элементы. В последние
годы уникальными являются работы в области микросистемной
техники по проблемам автономных миниатюрных систем энергообеспечения и нетрадиционных двигателей. Наибольший интерес в
этой области представляют микротурбины – миниатюрные аналоги
классических турбин, вращение которых обеспечивается, например, за счет сжижения газов, водорода при высоких температурах,
что обеспечивает возможность генерации мощности до десятков
ватт при габаритах микромашины, составляющих несколько миллиметров. Наряду с этим для обеспечения «динамического» и энергетически эффективного передвижения в пространстве ведутся активные работы по миниатюрным плазменным двигателям. Указанные разработки представляют особый интерес для робототехники.
Минироботы, как правило, предназначены для эксплуатации в ус17
ловиях, непосредственно недоступных человеку (живой организм,
зоны с повышенными уровнями радиации и загрязнения ядовитыми веществами, взрывоопасные объекты). Следует особо отметить,
что основным стимулирующим фактором развития миниатюрных
робототехнических систем является возможность их применения
для обеспечения безопасности и обороноспособности государства.
Дальнейшее развитие работ связано с переходом от технологических приемов микроэлектроники к нанотехнологии (НТ) – к
совокупности методов и приемов, обеспечивающих возможность
создавать и модифицировать объекты, включающие компоненты с
размерами менее 100 нм, хотя бы в одном измерении, и в результате этого получившие принципиально новые качества, позволяющие осуществлять их интеграцию в полноценно функционирующие системы большего масштаба.
В более широком смысле этот термин охватывает также методы
диагностики и исследований таких объектов.
Наноматериал – материал, содержащий структурные элементы, геометрические размеры которых, хотя бы в одном измерении,
не превышают 100 нм, и, благодаря этому, обладающий качественно новыми свойствами, в том числе заданными функциональными
и эксплуатационными характеристиками.
Наносистемная техника – созданные полностью или частично на основе наноматериалов и нанотехнологий функционально
законченные системы и устройства, характеристики которых кардинальным образом отличаются от показателей систем и устройств
аналогичного назначения, созданных по традиционным технологиям.
Наноиндустрия – вид деятельности по созданию продукции на
основе нанотехнологий, наноматериалов и наносистемной техники.
18
2. Принципы действия
и конструктивно-технологического исполнения
микросистемотехнических устройств
Развитие изделий микросистемной техники идет в следующих
направлениях:
− сенсоры и трансдьюсеры;
− аналитико-технологические микросистемы;
− микроинструмент;
− микромашины и минироботы.
Каждое из перечисленных направлений развития МСТУ предполагает и развитие соответствующих направлений деятельности.
Так, сенсоры и трансдьюсеры как вид МСТУ предполагают.
1. Разработку и создание мультисенсоров, объединяющих совокупность чувствительных элементов – первичных преобразователей.
2. Разработку и создание интегрированных сенсоров, объединяющих чувствительный элемент и вторичный преобразователь, при
условии их исполнения в рамках единой технологической системы.
3. Разработку и создание интегрированных сенсоров с активной исполнительной обратной связью на чувствительный элемент
(например, электростатический подвес или возбуждение ротора в
микрогироскопе).
4. Разработку и создание интегрированных сенсоров с аналитическими возможностями, т. е. с повышенной чувствительностью
и/или селективностью за счет использования нетрадиционных
сенсорных сред, способов разделения и удержания пробы, методов
регистрации и обработки информации.
Миниатюрные аналитико-технологические системы нового поколения характеризуются:
− блочно-модульной унификацией технологических и контрольно-диагностических подсистем;
− полифункциональностью и гибкостью, определяющими многономенклатурность продукции и многообразие решаемых классов,
задач в условиях различных потребителей (химия, биотехнология,
медицина, микроприборостроение, микромашиностроение);
− интегрированностью аналитических и технологических модулей в пределах одного рабочего места, определяющей возможность
разделения и концентрации различных видов воздействий в рабочей зоне;
19
− интеллектуальностью микрооборудования, определяемой развитой системой контрольно-диагностических модулей и гибкой
связью между аналитическими технологическими модулями и
подсистемами информационного и энергетического обеспечения;
− локальностью и прецизионностью воздействия, что позволяет работать со сверхмалыми объемами и количествами вещества,
уменьшить энергетические затраты, повысить эффективность и
скорость процесса;
− экономичностью, определяемой групповыми принципами производства, используемыми при создании технологических микросистем, их низкой материало- и энергоемкостью, а также высокой
эффективностью применения микротехнологических систем при
работе со сверхмалыми количествами веществ, простотой утилизации отходов, и определяющей возможность работы со сверхмалыми количествами вредных и токсичных веществ.
Аналитико-технологические микросистемы являются основным видом оборудования нового направления для работы со сверхмалыми количествами веществ неорганической и органической
природы, с высокой степенью локализации воздействий; дифференциацией и интеграцией физико-химических процессов в условиях микрообъемов и магистралей, создаваемых методами микротехнологии твердого тела. В состав интегрированной кластерной
технологической микросистемы (роботизированного технологического чипа) входят:
− технологические модули;
− контрольно-диагностические модули;
− модули хранения и утилизации;
− транспортные магистрали;
− подсистемы энергообеспечения;
− информационно-управляющие подсистемы.
Отличительными признаками роботизированного технологического чипа являются:
− номенклатура и характеристики технологических модулей,
контрольно-диагностических модулей и транспортных магистралей;
− количество рабочих позиций и возможность их наращивания
(открытость);
− структурно-компоновочные схемы и способ агрегатирования;
− взаимно-пространственное расположение модулей (линейное,
радиальное, смешанная композиция) и способ обеспечения межмодульных связей;
20
− принцип функционирования (последовательный, параллельный, параллельно-последовательный).
Магистрально-модульная система построения кластерного комплекса, унификация конструкции технологических, контрольнодиагностических модулей и транспортных магистралей, а также
их дублирование и возможность внесения изменений в топологические связи между модулями на этом этапе проектирования (за
счет замены ограниченного числа шаблонов при проведении литографических операций) без радикального изменения технологии
предопределяет внутреннюю гибкость кластерной аналитико-технологической микросистемы, что обеспечивает ее полифункциональность.
Создание нового поколения аналитико-технологических микросистем и микроинструмента, предназначенных для работы на микроуровне с объектами неорганической и органической природы,
предусматривает:
− разработку новых принципов организации и функционирования аналитико-технологических микросистем с учетом возможности модификации конструкции и технологии их создания с целью обеспечения гибкости в отношении номенклатуры решаемых
задач, т. е. гармонизации конструкторско-технологического единообразия и многофункциональности системы;
− освоение новых принципов конструирования технологических микросистем и микроинструмента с учетом эффектов масштабирования, определяемых миниатюризацией технологических
и диагностических модулей, необходимостью прецизионного манипулирования микрообъектами, а также реализацией процессов
в сверхмалых объемах с использованием ограниченных количеств
веществ;
− широкое использование принципов и элементной базы микроэлектромеханики и микрооптики при создании аналитико-технологических микросистем и микроинструментов с учетом особенности интеграции в ограниченных объемах исполнительных и
чувствительных элементов с электрическими, оптическими, механическими и магнитными связями;
− широкое использование классических конструктивных решений, применяющихся при создании традиционных микрорадиоэлектронных компонентов, в конструкциях технологических, контрольно-диагностических модулей и особенно при конструировании подсистем информационного и энергетического обеспечения;
− освоение новой номенклатуры материалов с повышенной устойчивостью к внешним воздействиям при создании технологи21
ческих микросистем и микроинструмента, работающих в условиях высокой пространственной и временной концентрации энергии
при непосредственном контакте с рабочей средой, в том числе химически активной;
− модернизацию и адаптацию оборудования и основных процессов классической технологии и производства изделий микроэлектроники к решению задач создания аналитико-технологических
микросистем и микроинструмента.
Различные принципы действия МСТУ и их конструкций предопределяют развитие и принципы конструктивно-технологического
исполнения МСТУ.
Основные процессы современных технологий
«поверхностной» и «объемной» микромеханики, а также
корпускулярно-лучевого формообразования
1. Конструктивно-технологическое направление
«поверхностной» микромеханики
В классической микромеханике, ориентированной на базовые
кремниевые микротехнологии, в настоящее время господствует
так называемая «поверхностная» микротехнология с «жертвенным» слоем. В ее основе лежат два основных процесса:
− нанесение «жертвенного», а затем и рабочего слоев;
− удаление через отверстие в рабочем слое «жертвенного» слоя с
целью формирования объемных полостей между рабочим слоем и
подложкой.
В качестве основной материаловедческой базы господствует
структура «кремний на диоксиде кремния», где в качестве «жертвенного» слоя выступает диоксид кремния.
Последовательность технологических операций при реализации
поверхностной микромеханики сводится фактически к планарной
технологии:
− формирование слоя диоксида кремния на кремнии;
− нанесение на диоксид кремния слоя поликристаллического
кремния;
− нанесение маскирующего слоя на поликристаллический кремний и проведение операций фотолитографической обработкой для
вскрытия окон в маске;
− травление поликристаллического кремния через маску для
формирования окон для последующего избирательного удаления
«жертвенного» слоя из диоксида кремния;
22
− избирательное травление диоксида кремния;
− промывка образовавшихся объемных полостей.
В поверхностной микромеханике особое значение приобретают такие параметры материалов рабочего и «жертвенного» слоев,
как термомеханическая совместимость и механическая прочность.
Данное обстоятельство не позволяет рассматривать классическую
структуру «кремний−диоксид кремния» как оптимальную. В настоящее время в конструктивно-технологическом направлении кремниевой «поверхностной» микромеханики в качестве «жертвенных»
слоев начинают использовать пористый кремний. Предпочтение
по термомеханическим свойствам и устойчивости к воздействиям
экстремальных факторов имеет композиция алмазоподобных материалов «карбид кремния–нитрид алюминия», в которой карбид
кремния является основным рабочим материалом (например, из
карбида кремния изготавливают ротор микрогироскопа), а нитрид
алюминия выполняет функцию «жертвенного» слоя или элемента
несущей конструкции, обладающего изолирующими и пьезоэлектрическими свойствами.
2. Конструктивно-технологические направления
«объемной» микромеханики
Здесь следует, прежде всего, рассмотреть три основных технологических направления.
2.1. Технологии глубинного объемного травления
Исторической основой развития технологии глубинного объемного травления являются процессы, разработанные в 70-х гг. ХХ в.
при создании датчиков давления мембранного типа. В основе их
создания лежит так называемое ориентационно-чувствительное
травление кремния в жидкостных травителях, преимущественно в
растворе щелочей.
Данный процесс при маскировании поверхности кремниевой
пластины позволяет осуществлять формирование фактически
трехмерных структур в объеме пластины, при этом глубина протравы может достигать 300−400 мкм. В случае анизатропного травления используется технологическая операция, топологически
и объемно согласующаяся с кристаллической структурой. Выбор
топологии маски, ее ориентация относительно определенных кристаллографических направлений пластины, подвергаемой травлению, а также выбранные геометрические размеры окон определяют в конечном итоге объемные конфигурации, формируемые в
23
материале. К сожалению, необходимость выполнения кинетических условий травления ограничивает допустимое разнообразие поверхностных топологических фигур, поскольку их конфигурация
определяет и объемный результат травления (наклон стенок, глубину травления). Последнее обстоятельство потребовало развития
более простых методов получения сложных топологических фигур
на различных подложках с обязательным формированием третьего
измерения, т. е. глубинного травления.
В настоящее время таким альтернативным вариантом глубинного травления подложек является технология, основанная на использовании в качестве подложек фотометаллов.
Фотометалл – стеклокристаллический материал, получаемый
с помощью искусственной кристаллизации стекла со светочувствительными добавками, например, окислами цезия или олова. Фотометалл обладает высокой механической и термической стойкостью. Под воздействием ультрафиолетового излучения возможно
формирование в фотометалле участков, отличающихся от неосвещенных растворимостью в жидкостных травителях. Таким образом, экспонируя через фотошаблон фотометалл, можно, как и на
фоторезисте, задавать области с различными скоростями травления. Фотохимическая обработка позволяет получать детали любой
формы и отверстия с пространственным разрешением на уровне
десятков микрон. Сейчас данное конструктивно-технологическое
направление развивается применительно к решению задач создания элементов микромеханических систем, не требующих высокого пространственного разрешения. Стоимость такой технологии
невысока. Как технология производства самого фотометалла, так и
технология его обработки хорошо отработаны, однако достаточно
широкого применения не получили.
2.2. LIGA-технология
Сущность процесса формирования объемных структур заключается в активном использовании рентгеновского излучения от синхотрона для получения глубоких, с отвесными стенками топологических картин в полимерном материале (рентгенорезисте). Синхротронное излучение имеет сверхмалый угол расходимости пучка
(0,006°), т. е. фактически формируется пучок параллельных лучей.
Глубина проникновения излучения, источником которого являются высокоэнергетические электроны (Е >1 ГэВ), движущиеся с
релятивистскими скоростями, достигает единиц миллиметров. За
счет локализации излучения в узком телесном угле яркость источников синхротронного излучения в 106 раз больше, чем у стандарт24
ных источников рентгеновского излучения и плотность мощности
достигает 105−106 Вт /см 2, что определяет высокую эффективность
экспонирования в условиях малых временных затрат. После формирования в полимерном материале объемной структуры осуществляется операция электрохимического осаждения металла, например, гальванического никеля, в образовавшуюся полость в полимере.
Следующим этапом является удаление полимера с сохранением на поверхности субстрата объемного металла определенной топологии. Далее над металлической матрицей размещается штамповочная плита и через отверстие в ней вводится пластик. Металлический штамп удаляется для дальнейшего использования при
получении других пресс-форм. Следующий этап характеризуется
нанесением гальванического покрытия в ранее сформированную
пластиковую форму, после чего пластик вытравляется, освобождая
объемную металлическую структуру.
Возможность многократного тиражирования за счет интегральных принципов обработки позволяет изготавливать объемные
структуры высотой до 1 мм в количестве до 1000 шт. на одной пластине.
Основным недостатком данной технологии является необходимость использования уникальных источников синхротронного излучения и нетрадиционность технологии, связанной с гальванопластикой на микроуровне.
2.3. Волоконная технология
Несколько лет тому назад в России были инициированы работы в области использования стекловолоконной технологии для
создания устройств микроэлектромеханики со значительными
размерами в направлении третьего измерения. Изделия из стекла
с малым поперечным сечением в виде определенной микроструктуры и технология их изготовления известны достаточно давно
(микроканальные пластины, рентгеношаблоны из стекловолокна,
устройства волоконной оптики). Суть стекловолоконной технологии заключается в спекании пучка стеклянных волокон (полых
или сплошных), отличающихся субизбирательностью к травлению
по отношению к растворителю, вытягивании этого пучка до требуемого поперечного размера, разрезаний вытянутой части пучка на
куски и вытравливании затем из куска растворимых волокон. Укладка волокон в пучок осуществляется таким образом, что нерастворимые волокна образуют в сечении пучка топокопию изготавливаемой микроструктуры в некотором масштабе. При производстве
25
изделий микромеханики, для которых характерно наличие отверстий и поверхностей различных конфигураций, требуется подбор
материалов и геометрии волокон. Данные процессы сборки пучка
и его вытягивания не являются тривиальными, но позволяют изготавливать детали с минимальными поперечными размерами отверстий до 0,2 мкм при высоте (глубине, длине) от 100 мкм до 1 мм.
Особо следует отметить возможность изготовления деталей с винтообразными поверхностями с помощью скручивания вытянутого
пучка вокруг оси. Такие поверхности, как известно, характерны
для винтов, червячных и косозубых колес и принципиально не могут быть реализованы с помощью LIGA-технологии. Волоконная
технология может быть отнесена к групповой технологии, так как
однотипные изделия тиражируются в данном случае в составе одного волоконного пучка.
3. Конструктивно-технологическое направление
корпускулярно-лучевого формообразования
В настоящее время существуют два направления корпускулярно-лучевого формообразования:
− локально-стимулированный рост (осаждение или полимеризация);
− локально-стимулированное прецизионное травление, в основе
которого лежит воздействие на среду или материал концентрированного потока энергии (световые, электронные, ионные пучки),
управляемого во времени и пространстве.
Традиционной технологией формирования объемного рисунка в
стекле, полимерах, керамике является обработка объекта острофокусированным лазерным пучком (лазерное микрофрезирование).
Данный вид воздействия в зависимости от локально выделяемой
мощности (105−109 Вт/см2), длительности и скважности воздействия, поглощающей способности обрабатываемого материала и его
теплопроводности, позволяет осуществлять как процессы модифицирования материалов, так и удаления за счет испарения. На пространственное разрешение наряду с особенностями фокусировки
лазерного излучения влияют все ранее перечисленные параметры
пучка, определяющие его энергетические и временные характеристики, а также физические свойства материала, подвергаемого воздействию. Изменение глубины фокуса, наряду с вариацией ранее
указанных параметров, позволяет переходить от поверхностной к
объемной микрообработке объектов.
26
В последнее время за рубежом применительно к решению задач
формирования трехмерных микрообъектов интенсифицировались
работы в области локального стимулированного роста 3D-структур
сложной конфигурации (пружины, клапаны).
Существует два основных направления получения объемных
микрообъектов за счет лазерной стимуляции:
− лазерное осаждение из газовой фазы (LCVD);
− фотостимулированная полимеризация.
Последний вариант получения объемных микрообъектов из полимеров назван микростереолитографией. Осаждение и полимеризация осуществляются слой за слоем и позволяют реализовывать
разнообразные трехмерные объекты размером до нескольких миллиметров с микронным разрешением.
Достоинством лазерного формообразования являются:
− возможность реализации операций в открытых невакуумных
системах, что упрощает позиционирование и перемещение объекта;
− возможность работы не только с плоскими (планарными) объектами, но и с «заготовками» сложной формы;
− доступность формирования на объекте в едином технологическом цикле сложных тополого-морфологических картин с изменяющимися геометрическими размерами в трех измерениях, приемлемым пространственным разрешением (единицы микрон) и глубиной обработки нескольких миллиметров;
− возможность обеспечения высокой степени автоматизации обработки, гибкость процесса и перестраиваемость в реальном масштабе времени;
− возможность не только осуществлять локальное поверхностное или объемное нанесение или удаление материала, но и модифицирование его свойств, определяющее изменение физико-химических характеристик (например, структуры или фазового состава,
механической прочности или растворимости).
Недостатками метода лазерного формообразования являются:
− невысокая производительность метода из-за индивидуального
характера обработки;
− остаточные явления в материале из-за «паразитного» воздействия лазерного излучения в зоне обработки и необходимости рассеяния значительной энергии в малых объемах;
− относительно высокая сложность систем пространственного
позиционирования пучка и объекта при необходимости иметь микронное пространственное разрешение и высокие скорости обработки;
27
− ограниченный срок службы дорогостоящих оптических систем
при использовании высокоэнергетических воздействий, наряду с
лазерным формообразованием возможно применение электронноионной и плазменной микрообработки, но особенности получения
фокусирования и позиционирования данных видов воздействий,
позволяющих обеспечить субмикронное разрешение, требуют использования вакуумных технологий, технологических систем, а
также создают существенные ограничения по глубинам обработки
в условиях проведения пространственно-прецизионных операций.
В заключение обратим внимание и на тот факт, что использование при создании микросистем групповых принципов производства
создает предпосылку снижения себестоимости продукции, которая
может быть доступна более широкому кругу потребителей в сфере
науки, образования, здравоохранения, в том числе в условиях малых и средних фирм.
Можно выделить следующие, широко используемые в настоящее время в промышленности, методы травления.
1. Газовое химическое травление, разновидности химического
травления в газовой среде. Особенностью является газовая фаза
продуктов реакции.
2. Ионное травление. В значительной мере аналог пескоструйной технологии, где роль песчинок играют ионы, фактически «выбивающие» вытравливаемый материал.
3. Комбинированный ионно-химический метод.
28
3. Первичный чувствительный элемент.
Актюаторы
Являясь новым направлением в развитии техники, микросистемотехника имеет, однако, традиционную структуру (рис. 3.1).
На рис. 3.1 обозначено: 1 – входное воздействие (на МСТУ);
2 – величина, пропорциональная входному воздействию, преобразованная чувствительным элементом в электрическую форму;
3 – сигнал управления исполнительным устройством; 4 – сигнал
обратной связи; 5 – воздействие на физический объект.
Важнейшей составной частью большинства МСТУ являются
микроактюаторы. Обычно данные устройства преобразовывают
электрическую энергию в управляемое движение. Размеры микроактюаторов могут варьироваться в довольно больших пределах:
диапазон их применения сегодня чрезвычайно широк и при этом
постоянно увеличивается.
Все методы получения активации (движение, деформация,
приведение в действие) в микроактюаторах можно свести к следующим: электростатический, магнитный, пьезоэлектрический,
гидравлический (пневматический) и тепловой. При оценке того
или иного метода часто пользуются законами пропорционального
уменьшения размеров. Наиболее перспективными методами считаются пьезоэлектрический и гидравлический, хотя и другие имеют важное значение. Электростатическая активация применяется
примерно в одной трети микроактюаторов, и, вероятно, это наиболее общий и хорошо разработанный метод. Магнитные микроактюаторы обычно требуют относительно большого электрического
тока. При одном и том же размере электростатическое устройство
выдает более хороший выходной сигнал. Тепловые (термические)
микроактюаторы потребляют довольно много электрической энергии, но главный их недостаток состоит в том, что генерируемое тепло должно быть рассеяно.
1
Первичный
чувствительный
элемент
4
Исполнительное
устройство
(микроактюатор)
5
3
2
Устройство
обработки, хранения
и передачи сигнала
(в аналоговой или
цифровой форме)
Рис. 3.1. Структура микросистемотехнического устройства
29
Для оценки микроактюаторов используют такие критерии качества, как линейность, точность, погрешность, повторяемость,
разрешение, гистерезис, пороговое значение, люфт, шум, сдвиг,
несущая способность, скорость, переходная характеристика, масштабируемость и т. д.
Основные проблемы в построении микроактюаторов: при использовании очень гладких поверхностей, типичных для микромашинных устройств, слипание или примерзание двух частей между
собой это обычное дело, а в конструировании микроактюаторов –
целая проблема. Эти эффекты могут увеличить трение до такой
степени, что вся выходная мощность такого устройства сводится
к преодолению трения, а трение и, как следствие, износ приводит
к преждевременному старению и поломке. Для преодоления этих
проблем необходимо использовать точно рассчитанные конструкции и хорошо подобранные материалы, но и в этом случае во многих конструкциях микроактюаторов неисправности, связанные с
этими эффектами, не исчезают. Еще одну опасность для конструкции микроактюатора представляет поверхностное натяжение в момент извлечения его из травителя, поскольку довольно часто микроустройства изготавливают при помощи гальванотехники.
Актюаторные элементы микромеханических систем
Актюатор – это механическое устройство, которое преобразовывает различные виды энергии (электрическая, химическая или термическая) в механическую работу, излучение тепла и света (рис. 3.2).
В настоящее время разработаны термические, термопневматические, пьезоэлектрические, электростатические и магнитные актюаторы.
Термоактюаторы были разработаны одними из первых и использовались в сенсорах измерения и параметров потоков жидкости и газов в качестве нагревательных элементов.
Механическое
перемещение
Приложенная
энергия:
электрическая,
термическая,
химическая
Топологические размеры
актюатора
Физические и
механичские свойства
материала актюатора
Нагревание
Излучение
света
Рис. 3.2. Преобразование входной энергии в работу актюатора
30
Основное применение термоактюаторы нашли в механизмах горизонтального и вертикального поворота структур элементов МСТ.
Принцип работы термоактюаторов основан на тепловом расширении элементов микросистемной техники.
Если при однородном нагреве температура твердого тела (рис. 3.3)
возрастает на ∆T, то тело испытывает деформацию
ε = α ∆T, (3.1)
где α – коэффициент теплового расширения; T – температура.
Деформацией твердого тела называется изменение его размеров
и объема и во многих случаях характеризуется относительным удлинением
ε=
∆l
,
l
(3.2)
где Δl – абсолютное удлинение; l – первоначальный размер тела.
Подставив (3.2) в (3.1), получим выражение, позволяющее определять абсолютное удлинение термоактюатора
∆l = l α ∆T. (3.3)
Напряжением называется физическая величина, равная упругой силе, приходящейся на единицу площади сечения тела
σ=
Fm
,
S
(3.4)
где F – сила; S – площадь сечения, расположенная перпендикулярно нормали силы F.
Согласно закону Гука, величина удлинения зависит от размеров
стержня, материала и величины приложенной силы
σ = Еε, (3.5)
где E – модуль Юнга.
Подставив (3.1) и (3.4) в (3.5), получим выражение для определения силы, создаваемой термоактюатором
Q
l
Δl
F
Рис. 3.3. Деформация термоактюатора при нагреве
31
Fm = w h E α ∆T, (3.6)
где w – ширина; h – толщина.
Тепловая деформация зависит от кристаллографической ориентации структурного материала. Таким образом, для анизотропных
сред выражение примет вид
ε ij = α ij ∆T. (3.7)
Термоактюаторные элементы МСТ изготавливаются по технологии поверхностной и объемной микрообработки.
Дальнейшее развитие термоактюаторы получили в виде термопневматических актюаторов.
Данный тип актюаторов содержит нагревательный элемент и
герметичную полость с упругой мембраной (рис. 3.4). Нагреватель
представляет собой, как правило, полупроводниковый резистор
меандрового типа. Электрический ток, протекая через резистор,
нагревает его.
Количество теплоты, выделяемое в нагревателе, определяется
следующим образом:
Q=
U2 t
,
R
(3.8)
где U – напряжение на нагревателе; t – время прохождения тока
через нагреватель; R – сопротивление нагревателя.
В результате происходит расширение газовой среды в герметичной области, что, в свою очередь, приводит к деформации мембраны. Так как объем герметичной полости остается постоянным, то
Нагреватель
Мембрана
Герметичная полость
Рис. 3.4. Термопневматический актюатор
32
изменение давления в полости в первом приближении будет подчиняться законам для идеальных газов
pT = p 0 β T, (3.9)
где p – давление газа до нагревания; β – коэффициент объемного
расширения; T – температура нагревания.
Коэффициент объемного расширения практически одинаков у
всех газов и с хорошим приближением равен коэффициенту объемного расширения идеального газа 0,003661 K−1.
Сила, создаваемая термопневматическим актюатором, будет определяться следующим выражением:
Fmn = S p 0 β T, (3.10)
где S – площадь мембраны.
Термопневматические актюаторы изготавливаются по технологии объемной микрообработки и LIGA-технологии.
Более простым вариантом термопневматического актюатора является пьезоэлектрический актюатор. Данный тип актюаторов содержит пьезоэлектрический диск и упругую мембрану (рис. 3.5).
В основу работы пьезоэлектрических актюаторов положен обратный пьезоэлектрический эффект: под действием электрического поля в пьезоэлектриках появляется механическая деформация.
При обратном пьезоэлектрическом эффекте электрическое поле
и деформацию актюатора связывают те же пьезоэлектрические коэффициенты, которые связывают напряжение и деформацию при
прямом эффекте
ε ij = π ij Ei , (3.11)
U
U =0B
U
U = U0
Рис. 3.5. Структура пьезоэлектрического актюатора
33
где εij – тензор относительной деформации; πij – тензор пьезокоэффициентов материалов; Ei – напряженность электрического поля.
В качестве материалов пьезоэлектриков используются кварц,
LiTaO3 и ZnO. Данный тип актюаторных элементов изготавливается с использованием технологии объемной микрообработки и
LIGA-технологии.
Следующим типом актюаторных элементов МСТ являются электростатические актюаторы.
В общем виде электростатический актюатор содержит подвижный и неподвижный электроды (рис. 3.6). В качестве подвижного
электрода выступают консольные балки и мембраны. Принцип
действия данных актюаторов основан на возникновении электростатической силы между подвижным и неподвижным электродами.
При подаче управляющего напряжения на неподвижный электрод
относительно подвижного возникает электростатическая сила
d Fэл = E d q, (3.12)
где E – напряженность электрического поля; q – электрический заряд.
Поскольку
и
d q = C dU E=
то выражение (3.12) примет вид
d Fэл =
(3.13)
U
,
d
(3.14)
C
U d U. d
(3.15)
Подвижный электрод
y
d
Неподвижный электрод
Рис. 3.6. Электростатический актюатор
34
Тогда электростатическая сила, действующая на подвижный
электрод, будет определяться следующим выражением:
Fэл =
C
d
U
∫
U dU =
C U2
,
2d
(3.16)
где U – отклоняющее напряжение; d – расстояние между подвижным и неподвижным электродами; C – емкость, создаваемая подвижным и неподвижным электродами
0
C=
ε ε0 S
,
d
(3.17)
где ε − относительная диэлектрическая проницаемость воздушного зазора; ε0 − электрическая постоянная (8,85⋅10−12 Ф/м); S – площадь подвижного электрода.
Подставив (3.17) в (3.16), получим выражение для определения
силы, действующей на подвижный электрод
Fэл =
1 ε ε0 S 2
U .
2 d2
(3.18)
При подаче напряжения U между подвижным и неподвижным
электродами возникает электростатическое взаимодействие и подвижный электрод притягивается к неподвижному. По мере отклонения подвижного электрода от первоначального положения расстояние между электродами d будет уменьшаться, что, согласно
выражению (3.18), приводит к увеличению электростатической
силы Fэл. Следовательно, выражение (3.18) лучше использовать в
виде
Fэл =
1 ε ε0 S 2
U .
2 (d − y) 2
(3.19)
При изготовлении электростатических актюаторов могут использоваться технологии поверхностной и объемной микрообработки. Магнитные актюаторы являются новым типом актюаторных элементов МСТ. Принцип их работы основан на деформации
поликремниевых балок или мембран с нанесенным на них слоем
пермаллоя (NiFe) под действием внешнего магнитного поля. Данный тип актюаторов нашел широкое применение в интегральной
микросборке элементов МСТ. Основной недостаток магнитных
актюаторов – необходимость использования внешних источников
магнитного поля.
35
4. Конструирование и расчет
микросистемотехнических устройств,
основанных на кремниевой технологии
Для МСТУ выбор материалов и технологии их обработки является важнейшим элементом их создания. Так как чувствительные
элементы или мембраны приборов представляют сложные структуры (типа «сэндвич») из различных материалов, при их выборе необходимо учитывать следующие факторы:
− совместимость кристаллических решеток;
− согласование температурных коэффициентов линейного расширения;
− учет допустимой тепловой нагрузки, а для полупроводниковых материалов – температуру перехода в состояние, при котором
концентрация собственных носителей заряда близка к примесной;
при выборе материалов необходимо руководствоваться и традиционными требованиями;
− электрическую и механическую прочность, высокую тепло- и
электропроводность, устойчивость к внешним воздействиям.
Безусловным фаворитом среди конструкционных материалов
для изготовления мембран (чувствительных элементов) различных
МСТУ – акселерометров, гироскопов, датчиков давления и т. д. является кремний, обладающий таким важным свойством, как возможность получения в окислительной среде тонкого, прочного и
влагонепроницаемого слоя аморфной двуокиси кремния (SiO2) на
поверхности кристаллического кремния.
Пленка двуокиси кремния играет важную роль, поскольку может быть использована как для защитного покрытия поверхности
кремния, так и для диэлектрической изоляции схемных элементов.
Для реализации МСТУ с функциями источников и приемников
механических движений с использованием электростатических,
пьезоэлектрических и электромагнитных эффектов используются
кварц, никель, пьезокерамика и др. Для изготовления несущих
конструкций (подложек), наряду с кремнием используется сапфир. Разводка электрических схем, контакты и другие элементы
выполняются из золота, меди, алюминия, никеля и др.
Технология изготовления МСТУ зависит от возможности наносить и травить тонкие пленки с контролируемыми физическими и
химическими свойствами, которые создаются с помощью процессов легирования примесей, например бора, и др.
36
Поиск композиций материалов с учетом особенностей их функционирования и эксплуатации продолжается (например, для
конструкции одного из вариантов гироскопа, предложена гетероструктура «карбид кремния–нитрид алюминия». Данная композиция сочетает в себе два широкозонных материала, один из которых
(нитрид алюминия) является ярко выраженным диэлектриком, а
другой, обладающий лучшими, чем кремний, физическими и эксплуатационными характеристиками – широкозонный полупроводник.
Полупроводниковые свойства материалов, используемых в
МСТУ, позволяют создавать планарные (плоские) электронные
схемы.
Напомним, что полупроводники (в частности, кремний) отличаются тремя особенностями:
− относительно высокой подвижностью электронов и дырок;
− концентрацию свободных носителей в них можно менять в
нужных пределах с помощью добавления определенных примесей
(доноров и акцепторов);
− возможно создание невыпрямляющего (оптического) контакта
между полупроводниками и металлами.
Полупроводники разделяются на полупроводники N-типа и
Р-типа в зависимости от того, каким типом основных носителей,
отрицательно заряженными электронами или положительно заряженными дырками, определяется их проводимость. Граница раздела (переход) между N- и Р-областями обладает выпрямляющими
свойствами, так как электрическое поле, приложенное в одном направлении, является причиной движения обоих типов носителей
к области перехода, где они рекомбинируют, вызывая тем самым
протекание тока, тогда как поле противоположного направления отталкивает основные носители от перехода до тех пор, пока
не наступит равновесие за счет возникновения внутреннего поля,
ограничивающего ток величиной, обусловленной рекомбинацией
неосновных носителей заряда. Концентрацию основных носителей заряда можно изменять в широких пределах от очень малых
(собственная концентрация) до очень больших величин, варьируя
степень чистоты полупроводникового материала. Полупроводник
с концентрацией примесей выше 1018 обозначается как Р− или Р+.
Даже в слабо легированном кремнии отношение концентраций основных и неосновных носителей превышает 108.
Развитие микротехнологии обеспечил так называемый планарный процесс, или планарная технология. Идея процесса заключается в последовательном изготовлении слоев с заданным рисунком,
37
расположенных друг над другом и состоящих из материалов с различными электрическими свойствами. Используя такой «сэндвич»
со слоями заданной структуры, изготавливают различные схемные
элементы, такие как транзисторы, конденсаторы и диоды. Эти элементы затем соединяют друг с другом поверхностным токопроводящим слоем заданного рисунка, создавая интегральные МСТУ.
Слои с различными электрическими свойствами можно получать, изменяя свойства подложки, например, с помощью ее легирования или окисления, или осаждения на ее поверхность слоя с
помощью внешнего источника посредством испарения или распыления в вакууме. Заданный рисунок получается в процессе фотолитографии. При этом рисунок с фотографического трафарета проецируется на поверхность подложки, предварительно покрытой
слоем фоторезиста. Фоторезистивные материалы обладают двумя
свойствами. Одно из них заключается в том, что под действием света способность фоторезиста растворяться в определенном классе
растворителя изменяется. После проявления в таком растворителе спроецированный рисунок остается на поверхности подложки.
Другое свойство заключается в том, что нерастворенные области
фоторезиста совершенно не взаимодействуют (резистивны) с другим классом растворителей, которые способствуют травлению или
изменению каким-либо образом нижележащего слоя материала.
Если один и тот же материал не обладает одновременно этими
двумя свойствами, то для получения законченного рисунка необходимо добавить промежуточный слой, имеющий требуемые резистивные свойства для проведения процесса травления подложки или
другого изменения ее свойств. Например, примеси, взаимодействующие с органическим резистом, могут диффундировать в кремниевую подложку через окна в предварительно нанесенном слое SiO2,
который для примесей является непроницаемым. Такая окисная
маска позволяет легировать примесями кремниевую подложку по
заданному рисунку. Для изготовления кремниевых структур МСТУ
требуется многократное применение этого процесса.
На единой подложке может быть изготовлено большое количество схем МСТУ одновременно. В отличие от тонкопленочной технологии при создании кремниевых мембран МСТУ требуется формирование объемных (твердотельных) структур. Это достигается
анизотропным и избирательным травлением материалов.
После завершения операций формирования мембраны механического элемента (вместе с интегральной электроникой) необходимо отделить от общей пластины чипы с чувствительными элементами и выполнить их закрепление.
38
В качестве примера объемной микроконструкции можно рассмотреть чувствительный элемент акселерометра (рис. 4.1). Данный прибор представляет собой конструкцию, вернее − микроконструкцию, состоящую из кремниевого кристалла, в котором с
помощью анизотропного травления изготовлена балка с концентратором механических напряжений и с массивной частью – инерционной массой. Балка отделена от кольцевого основания щелевым
отверстием.
На рис. 4.1 обозначено: 1 − инерционная масса; 2 − концентратор напряжения; 3 – основание. На концентраторе напряжений с
помощью процессов литографии нанесены тензорезисторы, включенные в электронную схему.
Изготовление интегральной тензосхемы – стандартный планарный процесс изготовления интегральных полупроводниковых микросхем. С помощью планарного процесса можно изготовить почти
все известные тензочувствительные компоненты: тензорезисторы,
диоды и биполярные транзисторы, тензодиоды Шоттки, МДП-тензотранзисторы и далее тензочувствительные схемы. Заметим также, что при формировании упругих элементов решают несколько
задач, главными из которых являются обеспечение и контроль воспроизводимости:
− геометрической формы упругих элементов преобразователей и
их размеров;
− толщины упругих элементов преобразователей.
Кремниевый кристалл закрыт сверху и снизу стеклянными
крышками, имеющими вытравленные полости, которые образуют замкнутую камеру, предохраняющую балку и тензоэлемент от
воздействия внешней среды и ограничивающую свободный ход
балки при перегрузках. Крышки соединяются с кремнием с помощью анодной посадки. На верхней крышке, кроме того, изготовлены контактные площадки, к которым присоединяются внешние
выводы. Размеры МСТУ – акселерометра – находятся в пределах
1
2
3
Рис. 4.1. Чувствительный элемент акселерометра
39
2×3×0,6 мм, масса до 0,02 г. Как видно из рис. 4.1, микроконструкция состоит (как минимум) из двух деталей, например, основания
с чувствительным элементом и крышки. Помимо анодного (электростатического) соединения деталей, используют клеевые соединения, соединения с помощью многослойных металлических покрытий и низкотемпературных слоев.
Рассмотрим основы построения и конструкцию наиболее распространенных типов кремниевых мембран МСТУ-преобразователей перемещений чувствительных элементов микромеханических
приборов. В этом качестве в настоящее время наиболее часто используются тензорезисторы и емкостные датчики. Существенным
обстоятельством является возможность интеграции этих датчиков
с чувствительными элементами методами электронной микротехнологии.
Емкостные первичные чувствительные элементы
перемещений
Работа ПЧЭ этого типа основана на изменении емкостей между
подвижным электродом, располагаемым обычно на чувствительном элементе прибора и неподвижными электродами, располагаемыми на элементах корпуса (рис. 4.2, а).
Емкости между соответствующими парами электродов определяются зависимостями:
C1 =
ε 0 εS
,
(h 0 +∆h)
C2 =
ε 0 εS
,
(h 0 +∆h)
(4.1)
где ε – относительная диэлектрическая проницаемость среды между электродами; ε0=8,85⋅10−12 [Ф/м] – абсолютная диэлектрическая
проницаемость; S – площадь взаимного перекрытия электродов;
h0 – начальный зазор между электродами; ∆h – изменение расстояния между электродами.
Величина ∆h для линейного перемещения означает поступательное перемещение чувствительного элемента (подвижного электрода), а для углового перемещения определяется в соответствии с
рис. 4.2, б.
40
∆h = ±(y r + аϑ). (4.2)
Из зависимостей (4.1) следует, что изменение параметров ε, S,
Δh приводит к изменению емкостей преобразователя. Для исключения влияния изменения площади взаимного перекрытия обычно площадь одного из электродов, например, подвижного, меньше
площади других электродов. Влияние изменения параметра ε реализуется на этапе обработки информации.
На рис. 4.2: а – линейный преобразователь; б – угловой преобразователь; 1 – подвижный электрод; 2 – неподвижные электроды.
Статическая характеристика преобразователя имеет вид
U вых =
−U 0 ∆h
,
2h 0
(4.3)
где U0 – напряжение питания мостовой схемы, в которую включен
преобразователь.
Следует иметь в виду также, что между каждой парой электродов существует силовое взаимодействие (притяжение), определяемое формулой
Ft =
q 2t
,
(ε 0 εS)
(4.4)
C1
где qt – электрические заряды на электродах.
Кроме силы притяжения, в датчиках с подвижными узлами отрицательную роль играет также эффект электростатического «заа)
h0
2
1
Δh
C1
C2
h0
2
Δh а 2
а
C2
hy
ν
h0
h0
б)
1
2
Рис. 4.2. Емкостные преобразователи перемещений
41
липания». В емкостных преобразователях перемещений, как в любых конструкциях из разнородных материалов, ощутимыми могут
быть температурные ошибки, обусловленные линейным расширением элементов преобразователя.
Подвижные электроды обычно получают либо диффузией проводящих областей, отделяемых от кремниевой пластины V-образными канавками, либо металлизацией на боросиликатных стеклах.
Толщина слоя металлизации выбирается из условия постоянства
зазора h0 при изменении температуры.
Металлизация обычно выполняется по подслою, например,
алюминий по хрому, для снижения температурных напряжений,
определяемых по формуле
σT =
∆α ∆T E i
,
(1 − ν i )
(4.5)
где Ei, νi – модуль упругости и коэффициент Пуассона i-го кристаллографического направления соответственно; ∆α – разница между
температурными коэффициентами линейного расширения сопрягаемых материалов; ΔТ – температурный диапазон.
Коэффициент линейного расширения подслоя определяется как
среднее значение из коэффициентов линейного расширения сопрягаемых слоев. Например, для материала, разделяющего стекло и
слой алюминия, требуется материал с коэффициентом теплового
(2,2 + 23,8) ⋅ 10 −6
расширения α T =
= 1,3 ⋅ 10 −5 С −1, что примерно со2
ответствует хрому. Емкостные преобразователи перемещений хорошо сочетаются с конструкцией и технологиями МЭМС и находят
широкое применение в практике приборостроения.
Тензорезистивные преобразователи перемещений
Идея преобразователей этого типа основана на изменении характеристик полупроводниковых материалов в зависимости от
деформации чувствительного элемента. Влияние деформаций на
сопротивление проводника связано как с изменением удельной
проводимости его материала, так и с изменением длины и площади поперечного сечения образца. В проводниках влияние этих изменений примерно одинаково. Для полупроводников, таких как
германий (Ge) и кремний (Si), изменение удельной проводимости
является более существенным, чем изменение геометрических размеров образца.
42
В микромеханических приборах (акселерометрах, наклономерах, датчиках давлений и др.) нашли применение тензопреобразователи двух типов: диффузионные (имплантированные) и эпитаксиальные.
Диффузионные тензорезисторы представляют собой примеси nили р-типа проводимости, которые в виде узких полосок внедряют
(имплантируют) в приповерхностный слой кристалла через вскрытые окна в окисле.
Эпитаксиальные тензорезисторы изготавливают следующим образом. Вначале на поверхности кристалла выращивают эпитаксиальную пленку и с помощью фотолитографии наносят на нее рисунок топологии тензорезисторов. Остальную часть эпитаксиального
слоя удаляют. Диффузионный тензорезистор фактически врастает
в стуктуру исходного кристалла. Поэтому особенно важно соответствие их кристаллических решеток. В противном случае при
температурном воздействии упругий элемент, например мембрана,
деформируется (коробится) и в тензорезисторах возникают напряжения, которые приводят к появлению ложного сигнала. Эпитаксиальные тензорезисторы с трех сторон свободны и аналогичны
обычным тензорезисторам.
Тензорезисторы являются нелинейными преобразователями деформации в изменения сопротивлений. Известна следующая зависимость для слаболегированного кремния, которая справедлива и
для сильнолегированного кремния
n
∆R
= K iε i,
R i =1
∑
где R – сопротивление тензорезистора; ∆R – приращение сопротивления тензорезистора под действием деформации; ε – относительная деформация; Ki – коэффициенты, определяемые теоретически на основе допущения статистки Больцмана для распределения
электронов на энергетических уровнях деформированной кристаллической решетки.
Для устранения нелинейностей тензорезисторов при создании
полных мостовых схем обычно применяют следующие способы:
− включение в смежные плечи одинаковых тензорезисторов
(при этом один тензорезистор работает на растяжение, другой – на
сжатие);
− включение тензорезисторов, рассчитанных на один вид деформации; при этом способе тензорезисторы n-типа и р-типа с одинако-
43
вой концентрацией примесей включены в противоположные плечи
моста.
Возможно улучшение характеристик тензорезисторов технологическими способами.
Для расчета температурных напряжений в местах локализации
неоднородностей материалов по температурным коэффициентам
линейных расширений существует следующая зависимость:
σT =
Ei
∆α ∆T, 1− νi
(4.6)
где Δα – разница между температурными коэффициентами линейных расширений сопрягаемых материалов; ΔT – температурный
диапазон; Ei, νi –модуль упругости и коэффициент Пуассона i-го
кристаллографического направления соответственно.
Найдем минимальную величину деформации тензорезисторного
преобразователя εmin, которую можно измерить на фоне «тепловых
шумов», т. е. того напряжения выходного сигнала, которое имеет
место при нагреве тензорезистора, но без внешней нагрузки. Очевидно, напряжение полезного сигнала тензорезистора Uп должно
удовлетворять соотношениям
Uп ≥
U т.ш
,
δΣ
(4.7)
где Uт.ш – напряжение, соответствующее «тепловому шуму»; δΣ –
относительная суммарная ошибка тензопреобразователя.
Напряжение сигнала «тепловых шумов» для всех полупроводников определяется формулой
U т.ш = 2 κ T R ∆F , (4.8)
где k = 1,3807⋅10−23 Дж/К – постоянная Больцмана; Т – температура в градусах Кельвина; R – сопротивление тензорезистора, Ом;
ΔF – ширина полосы пропускания, 1/с.
Для мостовой схемы с двумя тензодатчиками, включенными
дифференциально, напряжение полезного сигнала
∆R 1
1
= U 0 Kε, Uп = U0
R 2
2
(4.9)
где U0 – напряжение питания тензомоста; K – коэффициент тензочувствительности; ε – относительная деформация тензорезистора;
44
K = (∆R / R)/(∆ lт lт ); ε =
∆ lт
.
lт
Для полупроводниковых тензодатчиков K = 50−200. Допустимое напряжение питания тензомоста можно определить из условия
исключения его саморазогрева
U 02 / R ≤ 4 lт bт p 0 , (4.10)
где lт, bт – длина и ширина тензорезистора; р0 – допустимая удельная мощность рассеяния р0 < 0,5 ⋅ 106 [Вт/м2].
Объединяя формулы (4.7), (4.9), (4.10), получим
∆R / R = K ε =
2 k T ∆F
.
δ ε lт b т p 0
(4.11)
откуда
ε=
k T ∆F
2
.
Kδ ε lт b т p 0
Чувствительность тензорезисторов зависит от их кристаллографического направления и определяется тензорезистивными коэффициентами. Анизотропия материала, в который имплантируется
тензорезистор, также влияет на его чувствительность.
45
5. Конструирование и методы расчета
кремниевых подвижных микромеханических
систем и микрогироскопов на поверхностных
акустических волнах
Особенности расчета микрогироскопов целесообразно рассмотреть на примере конструирования и разработки микрогироскопов
на основе многослойных структур кремния и стекла, поскольку в
сравнении с обычной кремниевой технологией система «кремния
на стекле» имеет низкие паразитные емкости и является более
перспективной. Существует огромное число различных вариантов
организации механических систем, опирающихся на известные
(ранее широко применяемые) и новые решения, учитывающие
специфику используемых материалов и процессов. Одним из интереснейших направлений разработки микроэлектромеханических
систем (МЭМС) являются микродвигатели и микроколебательные
системы − акселерометры и гироскопы. Кремний, как самый популярный полупроводниковый материал, имеет массу достоинств и
неоспоримые преимущества перед многими другими материалами,
используемыми для изготовления на их основе микромеханических устройств.
Микроколебательные системы, основанные на гироскопическом эффекте, имеют широкие перспективы применения в системах
ориентации в пространстве. К достоинствам микрогироскопов (МГ)
вибрационного типа можно отнести следующее:
− возможность микроминиатюризации; методы интегральной
технологии позволяют изготовить микромеханическую колебательную систему гироскопа с габаритными размерами 5−10 мм (и
менее) при точности изготовления 1−2 мкм;
− возможность совместного изготовления микромеханической
части гироскопа и электронной схемы обработки сигналов в едином
технологическом цикле;
− приемлемую точность определения угловых скоростей и ускорений; оценки показывают, что случайная составляющая собственного ухода может составлять до 1 угл. град/ч, а погрешность
измерения 0,05 %.
Существует значительное число конструкций МГ. Все они содержат несколько подвижных механических систем, которые могут колебаться во взаимно перпендикулярных плоскостях. Колебания в одной плоскости являются вынужденными. Наведенные
колебания в другой плоскости появляются тогда, когда появляется
46
угловая скорость. Колебания по измерительной оси определяются
силами Кориолиса.
Структурная схема МГ приведена на рис. 5.1. Она содержит
внутреннюю колебательную систему (ВКС) 1 и внешнюю рамку
(ВР) 2. Между собой ВКС и ВР соединены с помощью упругих торсионов 3. Внешняя рамка соединена с неподвижным основанием
посредством аналогичных упругих торсионов 4. Внешняя рамка и
внутренняя колебательная система электрически соединены между собой и подключены к нулевой шине; ВКС может совершать вынужденные колебания относительно оси Х под действием генератора гармонических колебаний 5 и системы обкладок 6, которые совместно с ВКС образуют плоский конденсатор. В случае вращения
системы вокруг оси Z внешняя рамка будет совершать колебания
относительно оси Y, амплитуда которых является функцией угловой скорости и частоты колебаний ВКС.
Информация об угловой скорости снимается с помощью системы
обкладок 7 (образующих с внешней рамкой плоский конденсатор)
и устройства обработки информации 8.
Анализ предложенной структурной схемы показывает, что она
технологически реализуема, однако при изготовлении устройства
проблемными вопросами являются следующие:
− способ создания микрообъема, получение полированных поверхностей вытравливаемых элементов, форма поперечного сечения торсионов, обеспечивающих упругие колебания, и получение
необходимых размеров элементов;
− способ возбуждения вынужденных колебаний;
− способ снятия сигнала, являющийся функцией угловой скорости;
Z
6
Ω
1Y
4
X
7
3
5
2
8
Рис. 5.1. Структурная схема микрогироскопа
47
− обеспечение одинаковой собственной частоты колебаний во
взаимно перпендикулярных плоскостях;
− групповая сборка элементов конструкции микрогироскопа.
Способ создания элементов устройства (механических и электронных плат колебательной системы, рамок и торсионов, обеспечивающих упругие колебания) определяется технологией изготовления. Получение высокого рельефа при травлении достигается
благодаря использованию химического анизотропного или плазмохимического травления. Характерные размеры зазоров в МГ
50–100 мкм. Сочетание различных методов травления позволяет
формировать торсионы, имеющие в сечении треугольную, трапециевидную, X-образную и прямоугольную формы, а также может
обеспечить получение гладкой (полированной) поверхности вытравливаемых элементов, что является необходимым, поскольку
сказывается на добротности колебательной системы.
В практически важных случаях модуль кручения для торсиона
треугольной формы имеет максимальное значение. Использование
трапецеидального и прямоугольного сечения уменьшает модуль
кручения на 6,7 и 13,3 % соответственно. Наименьшее значение
модуля кручения имеет торсион круглой формы. В расчетах использованы значения параметров торсионов, изготовленных из
кремния длиной lt = 50 мкм, высотой a =50 мкм, модуль сдвига составил GS = 55 ГПа.
Следует отметить, что при химическом травлении технологически наиболее легко реализовать торсионы трапецеидальной и
треугольной формы, что связано с кристаллографической ориентацией плоскостей подложки кремния. Получить идеально круглое
сечение торсиона очень сложно, однако использование изотропных
травителей позволяет достичь округления острых углов при неизбежном растраве других участков поверхностей. Изготовление
торсионов с вертикальными стенками (прямоугольной формой в
разрезе) требует применения специальных методов, например реактивно-ионного травления.
Для возбуждения колебаний и снятия информации об угловой
скорости целесообразно использовать конденсаторы типа металл −
диэлектрик − полупроводник (МДП). При этом все подвижные части микроколебательной системы необходимо подключить к нулевой
шине. Это означает, что материал колебательных систем должен
быть проводящим. Как видно из рис. 5.1, подключение к нулевой
шине внутренней колебательной системы и внешней рамки обеспечивается через торсионы. Недостатком такого способа возбуждения колебаний и снятия полезной информации является необходи48
мость в прецизионном изготовлении зазора в МДП конденсаторах.
В большинстве случаев это достигается методами прецизионного
травления и посадки изготовленных микроколебательных систем
в специальные посадочные места.
Обеспечение одинаковой собственной частоты колебаний внутренней системы и внешней рамки необходимо для эффективной работы МГ. Уравнение собственной частоты колебаний:
ω 20 =
12fk
,
mlk
(5.1)
где m и lk − масса и длина колебательной системы соответственно;
fk – модуль кручения.
Анализ выражения (5.1) с учетом технологических возможностей показывает, что одним из наиболее эффективных способов подстройки собственных частот колебаний внутренней колебательной
системы и внешней рамки является изменение длины торсиона и/
или массы системы.
Как было отмечено ранее, основными недостатками МГ, таких
как, например, конструкции приборов компании Charles Stark/
Draper Lab., Inc., является прецизионная посадка микроколебательной системы в специально изготовленное посадочное место.
При этом точность посадки должна составлять 0,5−1 мкм, так как
от этого зависит чувствительность устройства к угловой скорости.
Избежать прецизионной посадки можно формированием колебательной системы на многослойных структурах (типа структур
кремний на изоляторе (КНИ), имеющих строго определенную толщину монокристаллического кремния и промежуточного слоя диэлектрика (SiO2 или многокомпонентного стекла) на специальном
основании. Технология получения подобных структур включает
операции прецизионной химико-механической обработки пластин кремния, формирование рельефа методами травления (обычно
жидкостного анизотропного и/или плазмохимического), наращивание вспомогательных и конструкционных слоев, сращивание
кремниевых пластин. Повторные операции химико-механической
обработки, травления и наращивания позволяют формировать необходимую многослойную структуру.
Основными принципами проектирования и изготовления МГ из
кремния являются следующие:
− прибор должен быть изготовлен с использованием интегральной кремниевой технологии;
49
− конструкция прибора должна обеспечивать простоту выполнения и расчетную точность функционирования;
− зазоры между элементами колебательной системы обеспечиваются методами селективного травления материалов с различными
свойствами или методами плазмохимического травления;
− габаритные размеры механических элементов прибора определяются на основании расчета колебательной системы и ограничиваются технологическими возможностями производства.
Схематично конструкция МГ приведена на рис. 5.2.
На рис 5.2 обозначено: lb – длина внутренней рамки; Wb – ширина внутренней рамки; l – длина внешней рамки; h – толщина SiO2;
H – толщина базовой подложки; b – толщина; lt – длина торсиона;
W – ширина внешней рамки.
Ее основу составляет колебательная система в виде центральной
рамки, прикрепленной двумя торсионами к внешней рамке, которая, в свою очередь, прикреплена торсионами (расположенными
перпендикулярно к направлению торсионов центральной рамки)
к основанию. Генерация и измерение параметров колебаний осуществляется с помощью емкостной схемы, расположенной на несущей подложке.
В соответствии с (5.1) и соотношением для модуля кручения
можно определить размеры конструкции
lb3 =
24 G Se b 3
,
3 ω 20 lt ρ Se
(5.2)
где lb, b, lt – геометрические размеры колебательной системы –
длина, ширина, толщина рамки и длина торсиона соответственно
W
lt
lb
l
h
Wb
H
b
Рис. 5.2. Конструкция микрогироскопа
50
(рис. 5.2); ω0 − собственная частота колебаний, определяемая по
формуле (5.1); ρSe – плотность кремния.
Результаты расчета геометрических размеров колебательной
системы позволяют конкретизировать технологические параметры многослойной структуры, составить и проанализировать эквивалентную схему паразитных элементов МГ. Эквивалентная схема
паразитных элементов МГ показана на рис. 5.3, где Rt1, Rt2 – сопротивление внутренних и внешних торсионов соответственно; Rm –
сопротивление обкладок конденсатора внутренней колебательной
системы; Cr – емкость конденсатора внутренней колебательной
системы; CU – емкость конденсатора внешней колебательной системы; Rb/2 – сопротивление внешней рамки; Rp – сопротивление разводки. Из схемы следует, что часть напряжения, обеспечивающая
раскачку внутренней колебательной системы, поступает на измерительный конденсатор CU и является паразитной Uп. Напряжение
Uп определяется выражением
Uп =
U r R t2
,
R
R + R t1 + R t2 + b + R p + Z Cr
2
(5.3)
где ZCr =1/(jω0Cr) – емкостное сопротивление конденсатора Cr; Ur –
напряжение раскачки внутренней колебательной системы.
При b = 25 мкм и lt = 25−50 мкм сопротивление внутреннего и
внешнего торсионов составит от 3 до 10 Ом. Сопротивление внешней и внутренней рамки при lb = 2,5 мм составит 4−5 Ом, а сопротивление электропроводящей разводки из поликремния (при
10 Ом) составит 25−30 Ом. Наибольший вклад в сумму паразитных
сопротивлений вносит поликремниевая разводка, наличие которой
R t1
Rр
R m Cγ
Rр
Ux
Rр C γ
R m R t1
Rр
Rр
Rb
2
CU
Rр
Rр
CU
Rb
Rр
2
R t2
Uвых
Рис. 5.3. Эквивалентная схема паразитных элементов микрогироскопа
51
обусловлено высокотемпературными процессами формирования
слоев МГ. Однако возможно снижение сопротивления разводки в
2−3 раза при использовании металлов с низким удельным сопротивлением.
Микроэлектромеханические системы обычно являются сложными многослойными конструкциями, состоящими из полупроводниковых, диэлектрических и проводящих слоев. Большинство
технологических процессов изготовления многослойных структур
связано с высокотемпературными операциями. Вследствие различий физико-механических свойств материалов в слоях возникают
значительные механические и структурные напряжения, которые
существенно влияют на технологические процессы формирования
слоев и сборку МЭМС, на электрические параметры и качество изделий.
Неоднородное распределение деформаций и напряжений по
толщине слоев обусловливает изгиб и коробление конструкции.
Напряжения приводят к активации периферийных, поверхностных и гетерогенных внутренних источников дислокации в слоях.
Основной причиной влияния механических напряжений на электрические параметры изделия является изменение структуры энергетических зон полупроводниковых материалов. Для обеспечения
качества изделий необходим минимальный уровень внутренних
механических напряжений в слоях. Поэтому разработка конструктивно-технологических мероприятий оптимизации напряженнодеформированного состояния по слоям является актуальной задачей, для решения которой необходим выбор параметров слоев с
учетом согласования их физико-механических свойств и геометрических размеров.
Оценку напряженно-деформированного состояния проводят с
применением теории упругости многослойных пластин [6]. При
этом используются допущения о малости деформаций, о неизменности нормалей, о ненадавливании слоев. Поэтому соотношения
справедливы для тонких, жестких однородных изотропных слоев
постоянной толщины. Кривизну нейтральной поверхности многослойной структуры при температуре T можно определить по формуле
n
1
=6
ρ
52
T
E h
∑ 1 −i υii (α i −α1 )
i =2
E1 h1
(1 − υ1 )
,
(5.4)
где Ei, υi, αi, hi – модуль упругости, коэффициент Пуассона, температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР), толщина
i-го слоя соответственно; n – число слоев, первому слою i = 1 соответствует кремниевая подложка.
Толщина и жесткость слоя кремния существенно превышает
аналогичные параметры остальных слоев, поэтому линейные деформации всех слоев приблизительно равны и определяются температурной деформацией слоя кремния.
Напряжения в i-м слое и напряжения в подложке определяются
по формулам
σ=
σ1 = −
1
h1
E i (α 1 −α i )T
,
1 − νi
n
∑ σ i h i [1 + 6(z +
(5.5)
h1
)h 2 ], 2
(5.6)
i =2
где z – расстояние от нейтральной линии.
Для минимизации напряженно-деформированного состояния
многослойной структуры, уменьшения влияния напряжений на
свойства материалов и электрофизические параметры технологические режимы нанесения слоев и их физико-механические и геометрические параметры подбирают так, чтобы слои имели деформации разных знаков. При этом толщину стекло припоя определяют по формуле
n −1
h n=
∑ E i H i (α i −α1 )T Σ
i =2
,
(5.7)
T n E n (α i −α 1 )
где TΣ – суммарная температура технологического воздействия на
i-й слой.
Модуль упругости – аддитивное свойство материала, поэтому
модуль упругости слоев в многослойном образце
E=
∑Ei Ji , J1
(5.8)
где Ei, Ji – модуль упругости и момент инерции образца; J1 – момент инерции слоя.
Модуль упругости образцов определяют с использованием резонансного метода испытаний и формулы (5.7)
53
E=
12ρ 2 2 l 4
Kп Kт ,
4π fp
h2
(αl) 4
(5.9)
где ρ – плотность материала образца; h, l − толщина и длина свободной части образца; fp – значение первого основного тона резонансной частоты колебаний; αl – коэффициент, зависящий от условий
закрепления и формы колебаний; для первой формы при консольном закреплении αl=1,875; Kп – коэффициент, который исключает
влияние систематической погрешности модуля упругости в результате возникновения сдвиговых компонент тензора деформации и
инерции вращения при возбуждении колебаний; Kт – коэффициент, учитывающий температурное расширение материала в исследуемом интервале температур.
В качестве конструкционного материала многослойной структуры используют кремний. Изоляционные слои выполняют из оксида кремния SiO2, или нитрида кремния Si3N4. Некоторые элементы
электропроводной разводки выполнены из поликремния. Сборку
слоев осуществляют с применением стеклоприпоев, низкотемпературного свинцово-силикатного материала С-67 (температура соединения около 500оС) или аморфного стекла барий-алюмо-силикатной системы БАС (температура соединения около 1200оС). Физикомеханические свойства материалов, используемых при формировании многослойных структур, приведены в табл. 5.1.
Первостепенное влияние на точностные и массогабаритные характеристики микрогироскопа на ПАВ имеет выбор материала
подложки.
Таблица 5.1. Физико-механические свойства материалов, используемых
в многослойных структурах
Материал
Ориентация
Модуль упругости
E, ГПа
Коэффициент
Пуассона, ν
ТКЛР,
10−6 ⋅К−1
Кремний
(100)
130−169
0,065−0,3
2,8−4,5
(111)
169
0,26
(130)
130−169
0,09−0,3
Поликремний
−
155−167
0,2
3,0−3,8
SiO2
−
75
0,17
0,5−0,6
C-67
−
70
0,2
6,3−6,7
БАС
−
100
0,2
3,7
54
Окончание табл. 5.1
Материал
Ориентация
Модуль упругости
E, ГПа
Коэффициент
Пуассона, ν
ТКЛР,
10−6 ⋅К−1
Si3N4
−
130−180
0,26
2,25−2,9
На рис. 5.4 приведены характеристики наиболее распространенных в акустоэлектронике материалов − кварца и ниобата лития.
Поскольку, как будет показано далее, чувствительность микрогироскопа на ПАВ увеличивается с увеличением частоты, то, как
следует из рис. 5.4, целесообразно в качестве материала подложки
использовать ниобат лития.
Представляет интерес сравнение микромеханических гироскопов и гироскопов на поверхностных акустических волнах, разрабатываемых в ЗАО «Аванград-Элионика».
Сравнительный анализ микромеханических гироскопов и
гироскопов на поверхностных акустических волнах
Известно, что за последнее десятилетие во многих странах мира
проводились и продолжают развиваться разработки микроэлектромеханических систем (МЭМС). К настоящему моменту создан
мир кремниевой микромеханики с использованием двух основных
технологий: поверхностной и объемной. В то же время идут интенсивные разработки МЭМС на основе других видов материалов: пьезокварца, металлооксидных полупроводников, карбида кремния,
нитридных пленок и даже полиимидных пленок, а в перспективе −
на основе пленок Ленгмюра−Блоджта и нанотрубок.
1,0
А отн
0,8
0,6
0,4
Ниобат лития
Кварц
0,2
0
f, МГц
400
800
1200
1600
2000
Рис. 5.4. Нормированные амплитудно-частотные характеристики пьезоматериалов
55
Микромеханические измерительные преобразователи (ИП)
угловой скорости, в частности, микромеханические гироскопы
(ММГ), необходимы для измерения параметров движения объектов, используемых при создании автоматизированных систем обработки информации. В качестве возможных областей применения
можно назвать системы навигации, управления полетом летательных аппаратов, стабилизации платформ, робототехники и др.
В настоящее время распространены ММГ на основе кремния.
Однако конструкция и технология этих изделий на кремнии является сложной и дорогостоящей. Существующие ММГ в значительной степени повторяют свои макромеханические аналоги, в
том числе им присущи все известные методологические недостатки
механических устройств, связанные с наличием упругих механических подвесов [1]. Микромеханический гироскоп на основе кремния представляет собой пластину, закрепленную на торсионах и
совершающую вынужденные колебания на собственной резонансной частоте. Этот гироскоп приводится в колебательное движение
с помощью подачи сигнала на драйвер (как правило, электростатический). При внешнем вращении ММГ возникает сила Кориолиса,
создающая колебания относительно измерительной оси. При этом
зазор между подвижной массой ММГ и основанием изменяется, что
приводит к изменению расстояния между электродами и соответствующей величины емкости. Измеряя изменение величины емкости, можно определить изменение угловой скорости вращения ММГ.
Известен ряд разработок ММГ, поставляемых на рынок зарубежными фирмами, однако в России в настоящее время нет законченных
разработок и серийного производства подобных приборов. Анализ
показал, что имеющаяся технологическая база практически полностью позволяет осуществлять разработку и изготовление микрогироскопов и ИП ускорения по кремниевой технологии. Ключевыми
технологическими операциями при этом являются управляемые
вакуумные, плазмохимические и фотолитографические процессы.
Эти технологические процессы и оборудование в значительной степени определяют качество создаваемых микрогироскопов.
Оригинальным решением проблемы создания дешевых высокоточных ИП угловой скорости (микрогироскопов) является новый
принцип работы, основанный на использовании поверхностных
акустических волн (ПАВ). Достоинства таких приборов: простота
конструкции, отсутствие подвижных конструктивных элементов,
широкая полоса частот измеряемых сигналов, низкая стоимость.
На рис. 5.5 схематически показана конструкция микрогироскопа на ПАВ, где приняты следующие обозначения: 1 − пьезоэлектри56
5
4
1
2
3
3
2
4
Рис. 5.5. Структура микрогироскопа на поверхностных акустических
волнах
ческий кристалл; 2 − отражающие решетки; 3 − встречно-штыревой
преобразователь драйвера; 4 − встречно-штыревой преобразователь
измерительного устройства; 5 − дополнительные инерционные массы.
Микрогироскоп изготовляется на основе пьезоплаты 1 из ниобата лития или из другого пьезоэлектрика. На поверхности пьезоплаты на основе ВШП драйвера формируется двухвходовый резонатор
на ПАВ 3 с отражающими решетками 2.
В перпендикулярном направлении по отношению к оси распространения акустической волны расположены два выходных ВШП
4 измерительного устройства. В центральной части резонатора размещена двухмерная матрица дополнительных инерционных масс
5. Каждая инерционная масса представляет собой пленочный фрагмент круглой, квадратной или какой-либо иной формы. Геометрический период пленочных фрагментов инерционных масс равен
или кратен половине длины акустической волны. Дополнительные
инерционные массы могут быть сделаны из того же материала, что
и ВШП, или из более тяжелых металлов.
Принцип действия микрогироскопа на ПАВ заключается в
следующем. Резонатор 3 за счет внешнего генератора возбуждает
стоячую поверхностную акустическую волну с максимумом интенсивности колебаний в зоне инерционных масс 5. Благодаря этому
система, состоящая из инерционных масс и прилегающего к ним
приповерхностного слоя пьезоэлектрика, переводится в режим
колебательного движения с частотой резонатора. При появлении
вращательного движения всей системы возникают силы Кориолиса, приложенные к колеблющимся массам и материалу припо57
а
А
верхностного слоя пьезоэлектрика. Под действием сил Кориолиса
колеблющиеся инерционные массы и колеблющийся материал
приповерхностного слоя пьезоплаты возбуждают вторичную поверхностную акустическую волну в направлении, перпендикулярном
к направлению первичной волны. Расположенные в соответствующем направлении ВШП 4 формируют при этом выходной сигнал,
пропорциональный величине угловой скорости.
На рис. 5.6 схематически приведены характеристики ПАВ: λ −
длина волны; а − толщина материала, в пределах которой распространяется волна; А − амплитуда ПАВ; dап − апертура.
Между этими характеристиками существуют следующие соотношения: а ≅ 2λ; А ≅ 0,01λ; dап ≅100λ. Для частот в диапазоне около
1 ГГц и ниобата лития λ ≅ 4⋅10−6 м.
В России отсутствуют разработки ИП угловой скорости такого
типа. В настоящее время широко используются кремниевые гироскопы фирмы «Analog Device». Применение гироскопов на ПАВ
позволит решить проблему импортозамещения. Авторами накоплен большой опыт работ по технологии управляемых вакуумных
и плазмохимических процессов, изготовления акустоэлектронных
изделий на поверхностных и объемных акустических волнах с использованием нового поколения оборудования для ионно-химической обработки (МИХО-1), основанного на электронно-циклотронном резонансе.
Таким образом, имеющиеся технологии обеспечивают высокую
точность получения электродных структур.
На базе указанных технологических процессов и оборудования
создан задел по проектированию и изготовлению нового поколения
ИП угловой скорости на ПАВ. Имеющийся технологический задел
и опыт исполнителей дают основание полагать, что можно успешно справиться с поставленной задачей обеспечения разработчиков
d ап
λ
Рис. 5.6. Характеристики поверхностных акустических волн
58
аппаратуры отечественными дешевыми, чувствительными и высокоточными ИП угловой скорости.
Конструктивно в каждом микрогироскопе можно выделить две
составные части: драйвер и чувствительный элемент.
Рассмотрим основные отличия микрогироскопа на ПАВ от
ММГ.
1. Микрогироскоп на ПАВ
Основными особенностями микрогироскопа на ПАВ являются:
− возбуждение стоячей волны;
− введение корректирующего контура обратной связи для устранения перекрестных связей.
Драйвер конструктивно представляет собой ВШП с генератором
и имеет ярко выраженный резонанс.
Чувствительный элемент (кварцевая пластина) в рабочей области частот не имеет резонанса, поэтому в достаточно широком диапазоне его математическая модель может быть представлена коэффициентом усиления.
Таким образом, микрогироскоп на ПАВ может иметь математическую модель нулевого порядка
c x = FК, (5.10)
где с − жесткость материала подложки; x – смещение элементарного объема материала подложки под действием силы Кориолиса;
FК =2A1ν1ωизмcos(ν1t) − сила Кориолиса; А1, ν1 − амплитуда и частота ПАВ соответственно; ωизм − измеряемая угловая скорость.
Амплитуда выходного сигнала
x a = 2 A1 ω изм ν 1 / с. (5.11)
Таким образом, с ростом рабочей частоты ν1 повышается чувствительность гироскопа на ПАВ.
2. Микромеханический гироскоп
Математическая модель ММГ на кремнии в первом приближении является уравнением второго порядка
 + 2ξ c x + c x = FК, x
(5.12)
где ξ − коэффициент затухания; с − жесткость материала подложки; FК =2A2ν2ωизмcos(ν2 t) − сила Кориолиса; А2, ν2 − амплитуда и
частота колебаний драйвера; ωизм − измеряемая угловая скорость.
59
Математическая модель ММГ учитывает динамику масс, подвешенных на торсионах, поэтому амплитудно-частотная характеристика имеет ярко выраженный экстремум. При этом драйвер
(электростатический двигатель) в рабочей области частот не имеет
резонанса, а чувствительный элемент (кремниевая структура) имеет резонанс. На резонансной частоте чувствительного элемента νр,
которая определяется из уравнения νр2 = с, амплитуда ха выходного сигнала
xa =
A2 ω изм
.
ξ
νр
(5.13)
Таким образом, с ростом рабочей резонансной частоты νр чувствительность микромеханического кремниевого гироскопа падает.
60
6. Конструирование кремниевых акселерометров
Один из первых кремниевых акселерометров был выполнен
по схеме рис. 6.1. На рис. 6.1 обозначено: 1 – балка; 2 – кремний;
3 – воздушный зазор; 4 – инерционная масса (золото). На противоположной от вытравленного углубления плоскости на балке выполнен тензометрический мост. Инерционная масса может быть
выполнена из кремния за одно с балкой, либо из другого материала, например, золота. Диапазон измеряемых ускорений от 0,1 до
500 м/с2 в частотном диапазоне от 0 до 100 Гц.
По этой схеме был разработан и первый отечественный линейный акселерометр по кремниевой технологии.
Размеры кристалла 5×2,5×0,3 мм; толщина упругой балки до 20
мкм; чувствительность до 10−2 м/с2. Для съема информации о действующих ускорениях также использован тензомост, выполненный
по планарной технологии.
По такой же схеме в РПКБ (г. Раменское) был разработан акселерометр с частотным выходом. Структурная схема электроники
акселерометра показана на рис. 6.2.
АА
2
3
А
А
1
4
Рис. 6.1. Балочный акселерометр
Г1
С1
а
СМ
С2
f
Г2
Рис. 6.2. Структурная схема акселерометра с частотным выходом
61
Чувствительный элемент акселерометра состоит из двух маятников размерами 5×3, 8×0,38 мм, каждый из которых подвешен на
трех упругих перемычках. Номинальный зазор составляет 0,03 мм.
Маятники образуют две емкости С1 и С2 с электродами, установленными на корпусе прибора. Причем обкладки емкостей включены таким образом, что при действии ускорения зазор в одном конденсаторе увеличивается, а в другом, соответственно, уменьшается.
Каждая емкость включена в состав контуров генераторов Г1 и Г2.
Соответственно, частота одного генератора уменьшается, а другого увеличивается. Сигналы от каждого генератора смешиваются в
смесителе СМ, а разностная частота этих сигналов является выходным сигналом акселерометра. Такая схема акселерометра позволяет исключить дополнительные детали на маятнике и значительно
упростить конструкцию чувствительного элемента прибора. При
действии ускорения вдоль оси чувствительности прибора емкость
одного конденсатора увеличивается, а другого уменьшается. Измеряя разность частот двух генераторов, можно определить действующее ускорение. На рис. 6.3 приведена зависимость выходного
сигнала акселерометра от величины действующего ускорения.
При работе данного типа акселерометра разработчикам пришлось столкнуться с целым рядом технических проблем: явлением
самосинхронизации частот двух генераторов, довольно значительной зависимостью выходного сигнала акселерометра от величины
питающего напряжения и температуры окружающей среды. Для
повышения точности необходимо вводить компенсацию всех этих
ошибок. Основные достоинства этого акселерометра: простота
конструкции и малая стоимость, поэтому он может найти применение для недорогих систем управления различными объектами, где
не требуется высокая точность.
f, Гц
700
600
500
400
300
–40
–20
0
20
40
a, g
Рис. 6.3. Зависимость выходного сигнала акселерометра от действующего ускорения
62
Акселерометр подобного типа с частотным выходом имеет следующие характеристики: диапазон измерения ±40 g; крутизна
характеристики 4,0±0,5 кГц/g; точность 0,1 %; время готовности
0,2 с; напряжение питания ±5 В.
В настоящее время широко используется также подвес маятника по схеме рис. 6.4.
С такой подвеской маятника могут работать как угловые, так
и линейные акселерометры (при смещении центра масс маятника
относительно оси упругих перемычек). Маятником может служить
как внутренняя, так и наружная пластина. Маятник такого типа,
разработанный в РПКБ (г. Раменское), имеет диаметр 18 мм. Маятник изготовлен из пластины монокристаллического кремния толщиной 0,38 мм. Перемычки (упругие подвесы торсионного типа)
имеют размеры 1,3×0,12×0,008 мм.
Структурная схема акселерометра приведена на рис. 6.5.
А
АА
а
А
Рис. 6.4. Гибридный акселерометр компенсационного типа
R
У1
В1
ДМ
ЗГ
+
ДУ
–
а
R
У2
В2
В1 Вых
Rэ
Маятник
Рис. 6.5. Структурная схема акселерометра
63
Схема состоит из задающего генератора 3Г, двух усилителей У1
и У2, двух выпрямителей В1 и В2, дифференциального усилителя
ДУ, датчика момента ДМ и эталонного сопротивления Rэ, с которого снимается выходной сигнал.
Акселерометр имеет гибридную конструкцию – датчик момента
контура обратной связи выполнен по традиционной технологии и
имеет неподвижный постоянный магнит и обмотку на маятнике.
На маятнике напылены электроды, которые являются общей обкладкой емкостного датчика перемещений маятника, а два других
электрода выполнены на корпусе прибора. Зазор между маятником (подвижный электрод) и электродами на корпусе составляет
0,021 мм. Акселерометр имеет встроенную схему обработки на основе гибридно-пленочной технологии.
Данные акселерометры выпускаются в нескольких модификациях в зависимости от конкретного применения и устанавливаются в карданные и бескарданные инерциальные системы. Они выдерживают удары до 50 g и имеют следующие параметры:
− диапазон измеряемых ускорений ±35 g;
− масштабный коэффициент 1,3 мА/g;
− нестабильность масштабного коэффициента 0,02 %;
− дрейф нулевого сигнала в течение одного часа 10 мg;
− дрейф нулевого сигнала за время более одного часа 20 мg;
− порог чувствительности 0,5 мg;
− масса акселерометра 38 г.
Основным недостатком этой конструкции акселерометра является сложность конструкции чувствительного элемента.
Возможный вариант построения акселерометра прямого измерения с подвесом маятника по схеме рис. 6.5 показан на рис. 6.6.
Маятник также выполнен по обращенной схеме. Подвижная
пластина 3 (рис. 6.6, а) является маятником, который с помощью
четырех упругих перемычек подвеса 2 соединен с базовой неподвижной пластиной 1. Вся маятниковая система может быть выполнена из монокристаллического кремния анизотропным травлением. Торцевые поверхности базы 1 могут быть соединены со
стеклянными боросиликатными крышками, например, электростатической сваркой. Подвижная пластина является одновременно центральным электродом емкостного датчика перемещений.
Неподвижные электроды напылены на крышки. Схема включения
электродов датчика перемещений для линейного акселерометра
показана на рис. 6.6, б, а для углового – на рис. 6.6, в.
Акселерометры подобного типа изготавливают с применением
технологии травления кремниевой пластины. Полученная струк64
АА
1
+Uоп
б)
а)
2
С1
А 3
С2
–Uоп
А
в)
Θ
+Uоп
С1
С2
Рис. 6.6. Конструкция маятника акселерометра: а − схема подвеса; б −
включение электродов датчика перемещений для линейного акселерометра; в − включение электродов для углового акселерометра
тура анодной сваркой крепится к стеклянной подложке, на которой
размещены электроды. В сравнении с проводящими подложками
система «кремний на стекле» имеет низкую паразитную емкость.
Разработку маятникового акселерометра с электростатической обратной связью также проводит РПКБ (г. Раменское). Конструкция
акселерометра состоит из следующих элементов: плоского прямоугольного кремниевого маятника, подвешенного с одной стороны
на упругих перемычках, нанесенных на корпусе прибора электродов датчика угла и исполнительного элемента обратной связи.
На рис. 6.7 показана схема осевого чувствительного элемента акселерометра с четырьмя упругими элементами (балки, растяжки)
подвеса. С подобными чувствительными элементами выпускаются акселерометры с емкостными преобразователем перемещений в
габаритах 25×16×10 мм. Предел измерений 0,5−10 g. Демпфирование – газодинамическое. Полоса пропускания до 1000 Гц. Точность
от 5 до 0,1 % в зависимости от стоимости. Акселерометры с подобными чувствительным элементом, с жидкостным демпфированием
и пьезорезисторным преобразователями перемещений выпускает
65
А
А А
а
А
Рис. 6.7. Принципиальная схема чувствительного элемента акселерометра
НИИФИ (г. Пенза). Подобная схема чувствительного элемента положена в основу микромеханического наклономера.
Наклон – важный фактор в нескольких автомобильных применениях таких, как регулирование в зависимости от нагрузки автоматических передач, регулирования шасси и обнаружения юза.
Другие возможные области применения: ручные оптические инструменты, электронные датчики уровня воды и замена ртутных
выключателей. Будущие применения могли бы быть в медицинской области (сердечные датчики, операции под управлением компьютера).
В таких датчиках центральная подвижная масса закреплена четырьмя тонкими кремниевыми балками к внешней рамке. Балки
расположены в пределах маленьких промежутков подвижной массы. По сравнению с другими подходами к конструкции акселерометра это расположение имеет преимущество – значительно большую чувствительность. Чувствительность увеличивается с увеличением длины поддерживающих балок и достигает максимума для
некоторого отношения длины к размеру датчика. Для данного размера датчика 5×5 мм2 можно подобрать конфигурацию поддерживающих балок, так чтобы чувствительность оказалась максимально возможной. Как принцип измерения выбран тензорезистивный
эффект, который приводит к относительным изменениям сигнала
от наклона, которые примерно на 60 % больше, чем для емкостного
съема той же самой информации.
Датчик выдерживает ускорение около 100 g во всех направлениях. Полный диапазон измерения углов ±80°. Средняя чувстви66
тельность прибора около 0,1 мВ на градус наклона. Датчик получен
с помощью процесса литографии с восемью масками, используя
p−Si(100) подложку и обработку с двух сторон. Для рассмотренных
типов акселерометров диапазон измерения ускорений колеблется
от ±2 до ±100 g.
Микромеханические акселерометры находят широкое применение в самых различных областях, особенно в тех, где требование
миниатюризации в сочетании с малой стоимостью имеют решающее значение. Это, прежде всего, медицина, робототехника, космические аппараты, авиация, автомобили. Выпускаемая номенклатура датчиков по своим точностным характеристикам вполне
удовлетворяет всем перечисленным применениям.
67
7. Анализ и подход к конструированию и расчету
микросистемотехнических устройств на основе
тензорезистивных полупроводниковых структур
Основные подходы рассмотрим на примере полупроводникового
ПЧЭ на основе структуры «кремний на диэлектрике» для высокотемпературного датчика давления.
Изучение научно-технической и патентной литературы, фирменных каталогов, материалов конференций, а также исследование образцов зарубежных фирм «Kulite», «Kistler», «Honeywell»,
«Siemens» и др. дают возможность спрогнозировать направления
развития и совершенствования полупроводниковых первичных
чувствительных элементов (ППЧЭ) датчиков давлений. Наиболее
важными направлениями являются:
− повышение чувствительности и уменьшение геометрических
размеров ППЧЭ с помощью введения в его конструкцию элементов
сложных форм с концентраторами и т. д., получаемых методами
прецизионного микропрофилирования;
− применение в ППЧЭ структур, конструкций, позволяющих
расширить температурный диапазон датчика от −80 до +300 °С,
повысить значение пробивного напряжения до 1000 В и при этом
сохранить выходной сигнал, равный 100 мВ.
Конструкция чувствительного элемента
Одним из вариантов конструкции ППЧЭ для датчика давления
на основе структуры «кремний на диэлектрике» (КНД) является
датчик, топология и конструкция которого приведены на рис. 7.1,
а внешний вид профилированной мембраны – на рис. 7.2.
На рис. 7.2 обозначено: 1 – мембрана; 2 – утолщенное периферийное основание; 3 – концентраторы механических напряжений;
ППЧЭ содержит монокремниевые тензорезисторы R1−R4, расположенные на мембране 1 (см. рис. 7.1) в областях наибольших поверхностных механических напряжений. Тензорезисторы сформированы методом высокотемпературной диффузии бора от пластин
нитрида бора и имеют концентрацию носителей не менее 1019 см−3.
Высота тензорезисторов, определяемая глубиной диффузии, равна
3 мкм. Сопротивление одного любого тензорезистора составляет
500 Ом. С помощью коммутационных дорожек из алюминия все
тензорезисторы объединены в измерительную схему, образуя мост
Уитстона. На концах коммутационных дорожек сформированы
контактные площадки, позволяющие разваривать металлические
(золотые) проводники для подачи питания и съема выходного сиг68
0,3
R3
0,003
0,003
R4
4
3
6
1
2
7
5
R2
R5
R1
0,3
0,0006
20
Рис. 7.1. Топология и конструкция полупроводниковых первичных чувствительных элементов на основе структуры «кремний на диэлектрике»
3
2
1
Rtz
Рис. 7.2. Внешний вид профилированной мембраны
нала. Поверхность тензорезисторов покрыта защитным слоем двуокиси кремния толщиной 0,15 мкм. Наличие такого защитного покрытия препятствует проникновению и абсорбции на поверхности
тензорезисторов нежелательных примесей и влаги, содержащихся
во внешней среде. В результате повышается временная и темпера69
турная стабильности характеристик тензорезисторов и уменьшается уровень погрешностей измерений.
Помимо тензорезисторов, реагирующих непосредственно на измеряемое давление, ППЧЭ содержит терморезистор R5, нечувствительный к прилагаемому давлению и служащий для уменьшения
температурных погрешностей. Тензорезисторы изолированы от
кремниевой подложки слоем двуокиси кремния толщиной 1,5 мкм
и высоколегированным бором слоем кремния. Последний имеет
одинаковую с высотой тензорезисторов толщину 3 мкм и концентрацию носителей не менее 1019 см−3. Данный слой выполняет две
функции:
− конструкционную – наряду с концентраторами напряжений
как дополнительная защита слоя двуокиси кремния и всей мембраны от механического разрушения;
− технологическую – выбор концентрации носителей данного
слоя не менее 1019 см−3 позволяет методами анизотропного «стоп»травления формировать тонкие мембраны толщиной 3−4 мкм без
разрушения структуры.
Так как тензорезисторы и высоколегированный слой кремния
имеют одинаковую толщину и концентрацию носителей, то за счет
согласования тепловых коэффициентов линейного расширения
высоколегированного слоя кремния и тензорезисторов значительно уменьшается кажущаяся продольная деформация, а, следовательно, и термическая ползучесть, вызванные температурными изменениями в тензорезисторах. Термически выращенный слой двуокиси кремния толщиной 1,5 мкм выполняет функцию изолятора
тензорезисторов друг от друга и от кремниевой подложки.
Мембрана состоит из утолщенного периферийного основания 2
(см. рис. 7.2) и профиля с концентраторами механических напряжений 3, представляющих собой сочетание утонченных участков и
жестких центров. Данная конструкция профиля уменьшает массу
кремния, расположенного на тонкой части мембраны, и увеличивает жесткость самой мембраны, что способствует увеличению надежности всего преобразователя, повышает линейность выходного
сигнала и расширяет диапазон линейного преобразования.
Технология изготовления полупроводниковых первичных
чувствительных элементов
Существует множество способов формирования КНД-структур
для использования их при изготовлении ППЧЭ датчиков давления,
например, метод рекристаллизации, эпитаксиального наращива70
ния, анодного соединения. Но наиболее используемыми в мире методами являются.
1. Имплантационный метод (Silicon Implanted by OxygenSIMOX), когда происходит внедрение в глубину кристалла ионов
кислорода с последующим синтезом скрытого окисла при отжиге.
2. Метод водородного переноса кремния с окислом (Smart−Cut
SOI), когда облученная водородом окисленная пластина кремния
соединяется с опорной подложкой. Далее происходит почти полное
удаление окисленной пластины с помощью ее скола имплантированным водородом.
3. Метод рекристаллизации поликремния на диэлектрике.
Общим недостатком КНД-структур, полученных методами 1 и 2
применительно к изготовлению на их основе ППЧЭ датчиков давления, является их высокая стоимость, обусловленная применением сложного оборудования и длительностью обработки, что является фактором, ограничивающим использование данных методов
при производстве ППЧЭ на КНД-структурах. Кроме того, ППЧЭ,
выполненные на SIMOX-КНД структурах, ограниченно работоспособны при температурах выше 150 °С из-за несовершенства структуры имплантированного (по сравнению с термическим) слоем двуокиси кремния, теряющего при повышенных температурах свои
изолирующие свойства. К недостаткам метода 3 относятся большие
затраты времени на обработку одной пластины и тепловые потери,
диффузия загрязняющих примесей, а также низкая временная стабильность из-за наличия дислокаций.
Для формирования ППЧЭ на КНД-структурах можно использовать метод прямого сращивания без предварительной имплантации одной из пластин, когда происходит соединение двух пластин – опорной и приборной (рис. 7.3).
На рис. 7.3 обозначено: 1 – опорная пластина; 2 – приборная
пластина; 3 – высоколегированный p+-слой; 4 – двуокись кремния
(толщина 1,5 мкм); 5 – тензорезисторы; 6 – боросиликатное стекло;
7 – двуокись кремния (толщина 0,15 мкм); 8 – контактная металлизация.
На первой пластине обычными методами выращивается слой
двуокиси кремния необходимой в конечной структуре толщины.
На второй – формируется тензорезистивная мостовая схема мезатипа методами «стоп»-травления. После сращивания методами
анизотропного «стоп»-травления происходит выявление тензорезистивной схемы, расположенной после завершения травления на
слое двуокиси кремния.
71
в)
а)
б)
г)
Рис. 7.3. Этапы технологического маршрута изготовления полупроводниковых первичных чувствительных элементов датчика давления на основе структуры «кремний на диэлектрике»
Данная технология, не требующая применения специального
дорогостоящего оборудования и реализуемая на стандартном оборудовании предприятий, производящих изделия микроэлектронной промышленности, является достаточно эффективной для создания ППЧЭ на КНД-структурах.
Технологический маршрут изготовления ППЧЭ на КНД-структурах методом прямого сращивания включает в себя следующие
этапы (рис. 7.3, а − г):
1. Формирование партии из двух пластин – приборной и опорной.
2. Формирование на опорной пластине высоколегированного p+слоя кремния с концентрацией носителей не менее 1⋅1019 см−3 и высотой 4 мкм (а).
3. Формирование на опорной пластине слоя двуокиси кремния
толщиной, равной толщине этого диэлектрика в конечной структуре поверх высоколегированного слоя (а).
4. Формирование на приборной пластине тензорезистивной
мостовой измерительной схемы Уитстона меза-типа глубиной
8−12 мкм операциями окисления, фотолитографии, дуффузии бора
и анизотропного «стоп»-травления с концентрацией носителей не
менее 1⋅1019 см−3 и высотой тензорезисторов 4 мкм [режим проведения диффузии идентичен режиму при формировании высоколегированного слоя на опорной пластине] (б).
5. Формирование тонкого слоя боросиликатного стекла (БСС)
на поверхности приборной пластины с целью обеспечения лучшего
качества соединения (б).
72
6. Проведение химической обработки двух пластин с целью
удаления поверхностных органических и неорганических загрязнений, макрочастиц, а также увеличения содержания гидроксильных групп на поверхностях пластин, включающее в себя обработку
в кислотно-перекисном и перекисно-аммиачном растворах, а также в растворе фтористо-водородной кислоты (последняя − только
для опорной пластины).
7. Соединение двух пластин в деионизированной воде с ориентацией по базовому срезу и их сушка центрифугированием с целью
обеспечения их предварительного связывания при комнатной температуре за счет сил Ван-дер-Ваальса и дипольного взаимодействия
адсорбированных на поверхности радикалов (в).
8. Проведение операции отжига двух соединенных пластин; при
этом происходит образование сильных ковалентных связей между
двумя пластинами по границе сращивания из-за реакции дегидратации, в результате которой образовавшиеся на поверхностях ОНгруппы превращаются в связи Si−0−Si, обеспечивая прямое связывание поверхностей (в).
9. Проведение операции «стоп»-травления двух сращенных
пластин в этилендиамине до выявления схемы, представляющей
теперь зеркальное отражение первоначальной и расположенной на
опорной пластине (г).
10. Формирование тонкого (0,15 мкм) слоя двуокиси кремния на
поверхности тензорезисторов (г).
11. Формирование профилированной мембраны с концентраторами механических напряжений на не планарной стороне пластины
методами фотолитографии и анизотропного «стоп»-травления (г).
12. Формирование контактной металлизации методами напыления, фотолитографии, травления и вжигания (г).
13. Разделение пластины на кристаллы. Характерные параметры ППЧЭ:
− диапазон измеряемых давлений 0−0,01 МПа;
− выходное напряжение при номинальном значении давления и
питания 10−100 мВ;
− ток утечки (при напряжении 40 В) 0,001−0,01 мкА;
− напряжение пробоя 1000−1500 В;
− диапазон рабочих температур (−60)−(+300) °С.
С момента своего появления технология изготовления МСТУ
утвердилась как обязательная часть всех исследовательских центров по микросистемам в мире. Вновь создаваемые комплексы в
мире (Германия, Великобритания, Китай, Корея) ориентированы
в первую очередь на микротехнологии. Изделия на основе МСТУ73
микроструктур не только успешно дополняют функциональные
возможности кремниевых структур, но и занимают полностью самостоятельные сферы рынка микросистем во многих направлениях
современной техники. Три главные области, где требуются микрокомпоненты самого разного назначения: микромеханика, микрооптика и флюидика. Набор миниатюрных функциональных модулей
с системой мониторинга может выполнять целый технологический
цикл на месте потребления какого-либо продукта, исключая необходимость хранения и транспортировки. Для этого необходимо изготовить и исследовать не только отдельные компоненты (насосы
для газов и жидкостей различной вязкости, клапаны, микрофильтрационные мембраны, смесители и т. д.), но и разработать новую
концепцию химической технологии – микрореакторную. Имея
большое отношение поверхности к объему в смесителях, реакторы
(микрореакторы) позволяют повысить чистоту продукта, становятся менее опасным объектом для персонала и окружающей среды.
Роста выпуска продукта можно достичь не увеличением объема
микрореакторов, а наращиванием количества миниатюрных модулей. И в этом большую роль может сыграть миниатюрная система
полного анализа, включая, например, и биомедицинскую диагностику. Микрооптические компоненты быстро внедряются в системы
связи вследствие перехода с проводных линий на оптоволоконные и
необходимости передачи больших объемов видеоинформации. Поскольку оптическое волокно производится с субмикронным допуском в размерах, совмещение и стыковка оптоволоконного канала
с другими оптическими и механическими компонентами с аналогичной точностью возможно лишь средствами микротехнологии.
В качестве примеров можно привести микротурбины с оптическим
считыванием скорости потока газа или узел связи оптических волокон с цилиндрическими линзами.
74
8. Конструирование и расчет
микросистемотехнических устройств,
основанных на пьезоэлектрических принципах
В настоящее время в промышленности используется множество потенциально опасных объектов, которые требуют постоянного
контроля за их целостностью, перемещением в пространстве и технологическими параметрами в процессе эксплуатации. Слежение за
состоянием объектов осуществляется с помощью различных датчиков. К основным недостаткам такого контроля относятся наличие
гальванической (проводной) связи между датчиком и устройством
согласования с объектом и наличие источника электрического питания в месте размещения датчиков. Поэтому особый интерес представляет создание дистанционных, энергонезависимых датчиков,
активация которых осуществляется импульсом через радиоканал.
Построение таких датчиков возможно с использованием устройств
на поверхностных акустических волнах [1, 2].
Схематически иллюстрация возбуждения и распространения
ПАВ приведена на рис. 8.1.
Для возбуждения поверхностных акустических волн в пьезоэлектриках в большинстве случаев используются встречно-штыревые преобразователи, представляющие систему из двух вложенных
друг в друга гребенок электродов [3,4]. С помощью ВШП осуществляется прямое преобразование энергии электрических сигналов
в акустические волны, так и обратное преобразование этих волн в
электрические сигналы.
Переменное электрическое напряжение, подаваемое на входной
ВШП, в соответствии со свойствами пьезоэлектрического эффекта
вызывает механические напряжения материала в промежутках
между штырями. Появляющиеся механические колебания той же
Входной электромагнитный
Задержанный
электромагнитный сигнал
сигнал
Пьезоэлектрический
материал
Входной
ВШП
ПАВ
Выходной
ВШП
Рис. 8.1. Схематическое представление возбуждения и распространения
поверхностных акустических волн
75
частоты, что и частота приложенного сигнала, возбуждают акустическую волну, распространяющуюся в обе стороны от входного
преобразователя. Энергия волны экспоненциально затухает при
распространении вглубь материала и обычно локализуется в приповерхностном слое толщиной в несколько длин волн. В одном из
направлений волна затухает в поглощающей среде, а в другом достигает входного преобразователя, где обнаруживается с помощью
обратного пьезоэлектрического эффекта.
Основным носителем информации в различных устройствах
являются ПАВ, условия распространения которых отличаются от
идеальных. Они обусловлены эффектами первого порядка, под которыми обычно понимают процессы преобразования электрического сигнала рабочей частоты в полезный акустический сигнал и
обратную трансформацию, однозначно определяемую топологией
используемых преобразователей. Все другие побочные явления,
сопровождающие возбужденное распространение и детектирование полезной ПАВ, а также определяющие параметры приборов на
ПАВ называют эффектами второго порядка [5]. Для большинства
применений устройств на ПАВ эффекты второго порядка оказываются нежелательными и с ними борются как конструктивными,
так и расчетно-аналитическим методами. Однако для применений
устройств на ПАВ в качестве различных датчиков эти эффекты
представляют наибольший интерес. К ним относятся эффекты, определяемые взаимодействием ПАВ с электродной структурой ВШП
и внешней электрической цепью, а также эффекты, обусловленные
чувствительностью характеристик материалов звукопровода и преобразователей к влиянию внешних дестабилизирующих факторов:
температуры, давления, влаги, радиации и т. п. Использование
других эффектов вызывает значительные трудности, связанные с
неоднозначностью воздействия на условия распространения акустической волны.
Работа датчиков, использующих чувствительность пьезоэлектрической подложки к изменению физических параметров, основывается на влиянии измеряемой величины на характеристики материала звукопровода и, как следствие, на условия распространения
акустической волны.
Температурное воздействие в устройствах на ПАВ проявляется
в виде теплового расширения материла подложки, вследствие чего
изменяется длина пути акустической волны и значения упругих
постоянных, влияющих на ее скорость UПАВ. Оба эффекта определяют значение температурного коэффициента задержки (ТКЗ)
акустической волны – величины, характеризующей изменение
76
времени прохождения акустической волны в зависимости от температуры
ТКЗ =
1 dτ
,
τ dT
(8.1)
где Т – температура; τ – время задержки сигнала.
Учитывая, что τ = L / UПАВ, где L – длина пробега для ПАВ, можно преобразовать выражение для ТКЗ
ТКЗ =
1 dL
1 d U ПАВ
−
= ТКР − ТКС, L d T U ПАВ d T
(8.2)
где ТКР – температурный коэффициент расширения для заданного
направления; ТКС – температурный коэффициент скорости.
Таким образом, величина ТКЗ не зависит от длины пробега L.
Обычно относительное изменение времени τ невелико, а зависимость τ(Т) линейна, поэтому величина ТКЗ практически постоянна. В работе [6] приводятся данные о величинах ТКЗ и температурных коэффициентах скорости для ряда материалов. Для датчиков,
предназначенных для измерения температуры, необходимо выбрать материал подложки с наибольшим ТКЗ (у ниобата лития YZсреза значение ТКЗ = 93⋅10−6 / °С). Относительное изменение времени задержки от температуры с учетом (8.1)
∆τ τ(T0 ) = ТКЗ ∆T.
Относительное изменение
времени задержки
На рис. 8.2 приведена зависимость относительного изменения
времени задержки ∆τ / τ(Т0) ниобата лития YZ-среза от температуры T (считается, что при Т0 = 25°С изменение времени задержки
равно нулю).
0,016
0,012
0,008
0,004
0
50
100
150
200
Температура, ° С
Рис. 8.2. Зависимость относительного изменения времени задержки от
температуры
77
Поскольку работа устройств на ПАВ основывается на возбуждении, прямом и обратном преобразовании электромагнитной волны
и получении информационного сигнала, то для изготовления датчика практический интерес представляет получение зависимостей
таких параметров сигнала, как амплитуда и фаза, от воздействующего измеряемого фактора.
Рассмотрим влияние температуры на частотные характеристики устройства с двумя преобразователями (рис. 8.1), которое находится при температурах Т1 и Т2, где Т1 – температура, при которой
характеристика устройства считается идеальной. Если τ1 и τ2 – времена задержки между некоторыми двумя точками при температурах Т1 и Т2, соответственно, то можно ввести малую величину ε такую, что
τ 2 = τ 1(1 + ε). (8.3)
Если τ линейно зависит от T, то
ε = ТКЗ (T2 − T1). (8.4)
Допустим, что выражение (8.3) справедливо для любых двух
точек вдоль пути распространения. Так как по предположению
дисперсия пренебрежимо мала, изменение температуры вызывает
изменение временного масштаба импульсной характеристики, которая описывается функциями h1(t) при температуре Т1 и h2(t) при
температуре T2, следовательно, можно записать следующее соотношение:
t 
h2 (t) = h1 
. 1+ ε 
(8.5)
Считается, что импульсные характеристики соответствуют режиму короткого замыкания, т. е. оба преобразователя нагружены
на нулевые электрические сопротивления, чтобы исключить влияние температуры на электрические цепи. Частотные коэффициенты передачи H1(ω) и H2(ω) при температурах Т1 и Т2 являются
преобразованиями Фурье от функций h1(t) и h2(t) соответственно.
Используя теорему об изменении масштаба, получаем
H2 (ω) = H1(ω [1 + ε]).
Если воспользоваться экспоненциальной формой представления
комплексных чисел
H1(ω) = A1(ω)exp[ jϕ1(ω)],
78
H2 (ω) = A2 (ω)exp[ jϕ 2 (ω)],
то можно получить
A2 (ω) = A1(ω[1 + ε]),
ϕ 2 (ω) = ϕ1(ω[1 + ε]).
Следовательно, масштаб АЧХ и ФЧХ с изменением температуры
меняется по частоте в (1 + ε) раз. Полученные выражения вполне
приемлемы для практических оценок температурных эффектов.
Время прохождения акустической волны по звукопроводу можно также изменить с помощью механического напряжения. Деформация подложки приводит к изменению не только длины пути, но
и скорости распространения ПАВ.
Относительное изменение фазы ПАВ под влиянием деформации
среды определяется соотношением
∆U ф
∆ψ ∆L ∆U ф
=
−
= Sp −
,
ψ
L
Uф
Uф
где Sp – деформация в направлении распространения волны; L –
расстояние между двумя преобразователями; Uф – фазовая скорость.
Изменение скорости распространения ПАВ зависит от нескольких причин: изменения модулей упругости под действием деформации; изменения плотности деформированного вещества; распространения ПАВ в среде с механическими напряжениями в соответствии с видоизмененными уравнениями движения.
На рис. 8.3 изображен график изменения скорости ПАВ для
подложки из LiNbO3 YZ-среза от деформации в направлении распространения [3] в зависимости от отдельных факторов (изменения
модулей упругости и плотности, наличия начальных напряжений)
и представлен суммарный результат при одновременном воздействии этих факторов. Как следует из приведенных данных, влияние изменения плотности материала подложки довольно мало, а
эффекты, обусловленные начальными напряжением и изменением
модулей упругости, нейтрализуют друг друга, поэтому полное относительное изменение скорости незначительно. Следовательно, в
материалах типа LiNbO3 YZ-среза влияние относительного изменения скорости на задержку фазы распространяющейся ПАВ пренебрежимо мало по сравнению с эффектами, связанными с удлинением деформируемой среды.
79
Относительное изменение
4
скорости,
о
V·10
20
10
0
3
6
9
–10
–20
4
Деформация в направлении распространения, X·10 м
Рис. 8.3. Зависимость относительного изменения скорости от деформации для подложки из LiNbO3 YZ-среза: − изменение модулей упругости; − начальное напряжение; − изменение плотности;
− суммарный эффект
Таким образом, при использовании влияния температуры и деформации на амплитуду, фазу, время задержки сигнала в устройствах на ПАВ, возможно создание датчиков температуры и давления.
Другим вариантом конструкции является проектирование датчиков, содержащих устройство на ПАВ, характеристики выходного информационного сигнала которого модулируются внешним элементом, чувствительным к измеряемой величине и изменяющим
свой нагрузочный импеданс в зависимости от ее значения. Работа
датчиков с использованием в качестве чувствительных элементов
внешних исполнительных устройств основывается на влиянии внешних электрических цепей на коэффициент отражения выходного
встречно-штыревого преобразователя. Для определения коэффициента акустического отражения от нагруженного ВШП рассмотрим
преобразователь, работающий в режиме приема (рис. 8.4) и подключенный к произвольной электрической нагрузке с проводимостью Yн. Здесь ВШП рассматривается как трехпортовое устройство,
имеющее два акустических и один электрический порт.
В общем случае при воздействии ПАВ на преобразователь возникает отраженная волна Фотр, а амплитуда волны, выходящей из
противоположного конца преобразователя Фпр, отличается от амплитуды падающей волны Фпад.
В дальнейшем для упрощения оценки влияния внешней электрической нагрузки будем считать, что отражения от короткозамкнутого преобразователя отсутствуют, хотя на практике коротко80
Акустический порт 1
Акустический порт 2
Фпр
Фпад
Uн
Yн
Фотр
L
Рис. 8.4. Представление встречно-штыревого преобразователя как
трехпортового устройства: Uн − напряжение на нагрузке
замкнутый преобразователь может вызывать заметные отражения
из-за взаимодействия волны с электродами. К основным механизмам отражения ПАВ от металлических электродов относятся: закорачивание электрического поля; пьезоэлектрическая регенерация
ПАВ; массовая нагрузка и геометрическая неоднородность. Чаще
всего действуют несколько механизмов, хотя один из них может
быть доминирующим. Они могут как усиливать, так и ослаблять
друг друга в зависимости от того, в какой фазе или противофазе
складываются отраженные волны.
Встречно-штыревой преобразователь можно представить эквивалентной схемой (рис. 8.5), состоящей из параллельно включенных активной (действительной) Ga(ω), и реактивной Ba(ω) составляющих проводимости преобразователя и статической емкости CT.
Исходя из приведенной эквивалентной схемы, проводимость
преобразователя YВШП(ω) определим следующим образом:
YВШП (ω) = G a (ω) + i[Ba (ω) + ωCT ].
На центральной частоте (при ω = ω0) реактивная составляющая
акустической проводимости Ba(ω) равна нулю, активная Ga(ω) равна Ga, проводимость преобразователя имеет емкостной характер и
определяется как
iB a (ω)
CT
G a (ω)
Рис. 8.5. Эквивалентная схема встречно-штыревого преобразователя
81
YВШП = G 0 + i[ω 0CT ]. (8.6)
Активная составляющая акустической проводимости на центральной частоте определяется по формуле
G a (ω 0 ) = G 0 = Mω 0 (ε 0 + ε Tp ) 2 N p2W Г SG aм, (8.7)
где М – номер гармоники; ω0 – резонансная частота; ε0 – диэлектрическая проницаемость вакуума; ε Tp – диэлектрическая проницаемость пьезоэлектрика; Np – число периодов электродов ВШП;
W − апертура преобразователя; Gaм – нормированная проводимость
(зависит от степени металлизации и числа электродов на период);
Гs − постоянный коэффициент;
ГS ≈
U0 − Um
1
;
T
U0
ε0 + εp
где U0 и Um – скорость ПАВ на свободной и металлизированной поверхности соответственно.
Статическая емкость преобразователя рассчитывается по формуле
 T, C T = WN p (ε 0 + ε Tp )C
(8.8)
 T – нормированная емкость (зависит от степени металлизагде C
ции и числа электродов на период).
Если преобразователь в режиме приема подключен к произвольной электрической нагрузке, то возникает отраженная волна и коэффициент акустического отражения R(ω) на порте 1 записывается
в виде
G a (ω)
exp(−ik0 L), YВШП (ω) + Yн
(8.9)
G0
exp(−ik0 L). G 0 + i(ω 0CT ) + Yн
(8.10)
R(ω) = −
где Ga(ω) – действительная часть проводимости преобразователя;
YВШП – проводимость преобразователя; Yн – проводимость нагрузки; k0 – волновое число на свободной поверхности; L – длина преобразователя.
С учетом формулы (8.6) коэффициент акустического отражения
(8.9) на центральной частоте преобразуется к виду
R(Yн ) = −
82
Исходя из вышеизложенного, рассчитаем значение коэффициента акустического отражения для классической линии задержки,
выполненной на подложке из ниобата лития (128 град), имеющей
центральную частоту f = 340 МГц. Линия задержки имеет входной
и выходной неаподизированные встречно-штыревые преобразователи. Необходимые для расчета параметры ВШП и ниобата лития
(128 град) приводятся в табл. 8.1.
На основе этих параметров можно рассчитать основные характеристики выходного ВШП:
− активную составляющую акустической проводимости на центральной частоте по формуле (8.7) G0 = 1,285⋅10−3;
− статическую емкость преобразователя из формулы (8.8) CT =
= 2⋅10−12 Ф;
− проводимость преобразователя на центральной частоте по формуле
Yвх (ω 0 ) = G 0 + i[ω 0CT ] = 1,285 ⋅ 10 −3 + i(ω 0 2 ⋅ 10 −12 ).
Таблица 8.1. Параметры ПАВ-датчика
Параметр
Значение
Центральная циклическая частота
ω0 = 2πf
Скорость ПАВ
U0 = 3992 м/с
Длина волны ПАВ
λПАВ = U0/f = 12 мкм
Апертура преобразователей
W = 100 λПАВ = 1,2 мм
Число периодов электродов
Np = 4
Относительная диэлектрическая
проницаемость
εpT/ε0 = 50,2, где ε0 = 8,85⋅10−12 Ф/м
Число электродов на период
Se = 2
Параметр пьезоэлектрической
связи
(U0 − Um)/ U0 = 2,72 %
Степень металлизации
a/p = 1/2
Волновое число на свободной
поверхности
Номер гармоники
k0 = ω0 / U0 = 5,3⋅105
Нормированная проводимость
Gaм = 2,871
Нормированная емкость
CT = 1
М=1
83
Подставив расчетные значения в (8.10), получим выражение
для коэффициента акустического отражения в зависимости от проводимости нагрузки
R(Yн ) = −
1,285 ⋅ 10 −3
exp(−25i). 1,285 ⋅ 10 + i(ω 0 2 ⋅ 10 −12 ) + Yн
−3
(8.11)
С учетом вышеприведенных формул можно оценить влияние
внешней электрической нагрузки, подключенной к линии задержки. Проведенный анализ подключения различных нагрузок в виде
индуктивности, емкости и сопротивления к выходному ВШП ПАВ
устройства показывает, что изменение их номиналов приводит к
изменению как модуля, так и фазы коэффициента отражения.
Наибольшее влияние нагрузок лежит в следующих пределах:
− модуль коэффициента акустического отражения изменяется от нуля до 0,288 при изменении резистивной нагрузки от 0 до
400 Ом;
− модуль коэффициента акустического отражения уменьшается
до нулевого значения при изменении индуктивности катушки от
0,1 мкГн в меньшую сторону и до 0,288 при изменении индуктивности в большую сторону до 1 мкГн;
− модуль коэффициента акустического отражения при нагрузке
в виде последовательного соединения конденсатора и катушки индуктивности, имеющей величину, компенсирующую статическую
емкость ВШП, изменяется от нуля до 1 при варьировании емкости
конденсатора от 2 до 30 пФ; изменение коэффициента акустического отражения в конечном счете приводит к изменению параметров
выходного сигнала.
Использование температурного изменения амплитуды, фазы,
времени задержки сигнала в устройствах на поверхностных акустических волнах с материалом подложки звукопровода (ниобатом
лития YZ-среза) делает возможным создание высокоточного датчика температуры. Использование зависимости изменения фазы ПАВ
от деформации дает возможность построения датчика давления.
В таких датчиках реализуется линейная зависимость параметров
сигнала от измеряемой физической величины.
Датчики, использующие в качестве чувствительных элементов
внешние исполнительные устройства, работают с использованием
свойств изменения коэффициента отражения выходного встречноштыревого преобразователя при нагружении элементами, меняющими свой импеданс в зависимости от внешнего воздействия.
84
Для датчика температуры возможно подключение терморезистора, изменяющего свое сопротивление от 10 до 400 Ом под воздействием температуры. В датчике давления подключение изменяющейся индуктивности от резонансного значения под действием
давления влечет за собой изменение коэффициента акустического
отражения. Возможно, при последовательном подключении емкости и резонансной индуктивности изменять емкость от 2 до 30 пФ
под воздействием давления или другой физической величины, при
этом модуль коэффициента акустического отражения резко увеличится от нуля до единицы.
85
9. Конструирование и расчет
пьезоэлектрических мембран, предназначенных
для работы на объемных акустических волнах
Датчики на пьезоэлектрических мембранах для работы на
ОАВ – разновидность преобразователей электромеханического
типа. Основа такого устройства – механическая мембрана из кристаллического или поликристаллического пьезоэлектрического материала в виде элемента правильной формы (прямоугольной пластины, диска, стержня и т. д.). На мембрану наносится система из
двух или более электродов, используемых для возбуждения в ней
механических колебаний. Для соединения с источником питания
мембрана снабжается токопроводами, а для фиксации в присоединенной конструкции – элементами крепления. Работы пьезоэлектрической мембраны основана на пьезоэффекте, обеспечивающем
преобразование входного электрического напряжения в теле мембраны (обратный пьезоэффект) в ответную реакцию по выходу в
виде зарядов на электродах, возникающих в результате деформаций мембраны под действием механических напряжений (прямой
пьезоэффект). Обратимость пьезоэлектрических устройств позволяет выполнять элемент в виде двухполюсника, объединяющего
системы электрического возбуждения механических колебаний и
съема электрического сигнала, пропорционального их амплитуде.
Как всякое упругое твердое тело, пьезомембрана обладает набором собственных частот механических колебаний. Спектр собственных частот определяется размерами и конструктивным выполнением мембраны и электродов, способом крепления, упругими
свойствами пьезоматериала и типом деформаций элемента в процессе колебаний.
Чтобы заданный тип колебаний мог быть возбужден, необходимо, чтобы электрическое поле, создаваемое при подводе электрического сигнала, возбуждало на основе обратного пьезоэффекта
соответствующий тип деформаций в теле мембраны. Пьезоэлектрические материалы анизотропны, их электрофизические и механические свойства не одинаковы по различным направлениям, поэтому в конкретной пьезомембране, электрически, через пьезоэффект,
возбуждается только часть из собственных частот механических
колебаний.
Вдали от частот резонанса ток в цепи возбуждающих электродов мал и определяется в основном межэлектродная емкость. По
мере приближения частоты возбуждающего напряжения к частоте
одного из возбуждаемых пьезоэлектрических резонансов – f0 мем86
браны – амплитуда механических колебаний растет, достигая максимума на этой частоте. Пропорционально возрастает и заряд на
электродах. Полярность зарядов Q изменяется с частотой входного
сигнала, в результате через пьезомембрану протекает переменный
ток, пропорциональный амплитуде механических колебаний.
Если рассматривать мембрану как электрический двухполюсник, на вход которого подается переменное напряжение U частотой
f, а выходной характеристикой является ток I в цепи электродов, то
мембрану можно характеризовать комплексным сопротивлением
Z = U/I, зависящим от частоты. Вблизи частоты резонанса значение |Z| минимально, и через мембрану протекает максимальный
ток. Прирезонансная область амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) пьезомембраны – наиболее существенная часть ее частотного спектра.
Для определения АЧХ пьезомембраны и ее эквивалентной
схемы в прирезонансной области воспользуемся универсальным
методом У. Мэзона. Для построения эквивалентной схемы пьезомембраны необходимо составить уравнение движения мембраны и
уравнение пьезоэффекта. Если задаться граничными условиями на
двух активных поверхностях мембраны, то после интегрирования
можно получить систему из трех уравнений, описывающих электрический и механические процессы в мембране. На основе этих
уравнений строится эквивалентная схема мембраны, имеющая в
одномерном приближении одну пару электрических и две пары механических зажимов и «идеальный» электромеханический трансформатор, связывающий электрическую и механическую цепи
мембраны. Следующий этап – переход от «смешанной» эквивалентной схемы к однородной, все элементы которой имеют вне зависимости от физической природы смысл сопротивлений (активных
и реактивных). Для этого перехода используется метод аналогий
между механическими и электрическими величинами и объектами, приведенными в табл. 9.1.
Таблица 9.1. Электромеханические аналогии
Механические величины
и объекты
Электрические величины
и объекты
Сила F
Скорость смещения V
Механическое сопротивление Zм
Поверхность
Масса M
Податливость S
Электрическое напряжение U
Электрический ток I
Электрическое сопротивление Zэ
Соединительные зажимы
Индуктивность L
Емкость C
87
U1
I
U
–С 0
С0
1: N
jZ0 tg(ωl) /(2υ)
Z 0 /( j sin[ωl/υ])
U2
F1
F2
Рис. 9.1. Эквивалентная схема пьезомембраны
В результате схема мембраны с двумя рабочими поверхностями
может быть изображена в виде эквивалентной схемы (рис. 9.1).
На рис. 9.1 обозначено: U – скорость распространения упругих
ОАВ; N – коэффициент трансформации, определяемый как отношение статической внешней силы к возбуждаемому ею внутреннему электрическому напряжению.
При закороченной емкости С0 схема справедлива для мембран,
в которых ОАВ распространяются перпендикулярно к электрическому полю возбуждения. При этом N зависит от конструкции
преобразователя, типа колебаний и определяется упругими, пьезоэлектрическими и диэлектрическими свойствами материала.
С практической точки зрения интерес представляет работа мембраны в трех режимах:
− в заторможенном (холостой ход), при котором скорости смещений поверхностей равны нулю, а комплексные сопротивления
нагрузки – бесконечны (U1 = U2 = 0; Zм1 = Zм2 = ∞);
− в ненагруженном, или режиме короткого замыкания, при котором усилия F1 и F2, действующие на поверхности, и комплексные сопротивления нагрузки равны нулю (F1 = F2 = Zм1 = Zм2 = 0);
− в промежуточном режиме, при котором скорости и силы на поверхности имеют конечные значения.
Заторможенная мембрана
Для этого режима зажимы на механической части разомкнуты
(Zм = ∞), и эквивалентная схема содержит единственный элемент –
статическую межэлектродную емкость C0.
Ненагруженная мембрана
Примером такого режима мембраны служит резонатор, работающий в вакууме. В этом случае механические зажимы замкнуты
(Zм1,2 = 0), и система упрощается (рис. 9.2).
При условии
ω l π 3π
2n − 1 π
= , , ...,
U 2 2
2 2
88
электромеханический трансформатор оказывается закороченным
в механической части. Этому условию соответствует режим последовательного резонанса, при котором ток I максимален.
I
U
1:2 N
С0
(2 Z 0)/(j s in[ωl/υ])
Рис. 9.2. Эквивалентная схема ненагруженной мембраны
Для нахождения эквивалентной схемы ненагруженной мембраны вблизи частоты основного резонанса ωр воспользуемся соотношением
где
2Z 0
2Z 0
ε π2 ε2
=
= jZ 0 (
+
+ ...), π ω
π
ε
ω p 12 ω 2р
)
j tg
j tg (1 +
2 ωр
2
ωр
ω p = 2πfp =
(9.1)
πU
; ω = ω p + ε.
l
Если заменить сопротивление
2Z 0
π ω
j tg
2 ωp
последовательной цепочкой из сосредоточенной индуктивности L1
и емкости C1, так что
ωp = 1
L1 C1
,
то комплексное сопротивление такой цепочки Z = j(ωL1−1/ωC1) может быть представлено в виде ряда, подобного (9.1), поэтому схема
рис. 9.2 преобразуется (рис. 9.3).
Физический смысл сосредоточенных «механических» индуктивности L1 и емкости С1 достаточно очевиден: индуктивность пропорциональна массе пьезомембраны, а емкость – ее податливости.
Исключая из схемы трансформатор, приходим к эквивалентной
схеме ненагруженной пьезомембраны, в которой (рис. 9.4)
Ck = Lk 4N 2 , Lk = 4N 2Ck. (9.2)
89
I
1:2 N
L
C
С
U
Рис. 9.3. Преобразованная эквивалентная схема ненагруженной мембраны
Ck
C0
Lk
Rk
Рис. 9.4. Упрощенная эквивалентная схема ненагруженной пьезомембраны
Активные механические потери в первом приближении учитываются сопротивлением Rk.
Ненагруженная мембрана
Для режима нагруженной мембраны, характеризующегося наличием акустической нагрузки (F1,2 ≠ 0, U1,2 ≠ 0), эквивалентная
схема имеет вид (рис. 9.5). Акустическая нагрузка Za одной рабочей поверхности может быть чисто реактивной, изменяющей только эквивалентную податливость колебательной системы, часто
активной, изменяющей потери энергии мембраны на излучение, а
также комплексной, влияющей одновременно на податливость, и
на эквивалентные потери мембраны. Вопрос о влиянии акустичес1:2 N С k
I
U
С0
Lk
Rk
Z0
2
Рис. 9.5. Эквивалентная схема нагруженного трансформатора
90
кой нагрузки сводится к тому, что мембрана может быть изображена эквивалентной схемой, аналогичной рис. 9.5, при внесении
соответствующих поправок на численные значения емкости Ck (податливость) и сопротивления Rk (потери).
Анализ эквивалентной схемы
В большей части спектра реактивная проводимость носит емкостной характер, и только в узком диапазоне частот fr − fа мембрана
ведет себя подобно индуктивности. На частотах fr и fа реактивная
составляющая полной проводимости равна нулю. Низшую из этих
частот fr принято называть частотой резонанса, верхнюю fа − частотой антирезонанса.
Две другие частоты fa и fr характеризуются тем, что на первой из
них fs наблюдается максимум проводимости в динамической ветви
Lk, Ck, Rk на второй fp – ее минимум.
Частоту f0 называют частотой последовательного резонанса. Эта
частота совпадает с частотой механического резонанса мембраны и,
таким образом, характеризует наиболее точно механические свойства пьезомембраны
f0 =
1
.
2π LkCk
(9.3)
Частоту fp называют частотой параллельного резонанса
fp =
C
1
1
(1 + k ). 2π LkCk
C0
(9.4)
Из сравнения соотношений (9.3) и (9.4) видно, что межрезонансный промежуток ∆f = fp − f0, определяется емкостным отношением
m = Ck C0 . (9.5)
Обычно m << 1, поэтому
(fp − f0 ) f0 = 1 2 m.
fа = fr и f p = f0.
(9.6)
В общем случае частота последовательного резонанса f0 отличается от частоты резонанса fr, а частота параллельного резонанса fp
от частоты антирезонанса fa. Однако для m << 1 можно полагать,
что
(9.7)
91
Оценки показывают, что для пьезорезонаторов из кварца (m =
= 4·10−3) относительные разности пренебрежимо малы
f0 − fr fp − fа
=
= 2 ⋅ 10 −7. f0
fа
(9.8)
Столь же мало отличаются от частот f0 и fr, и частоты fm и fn, соответствующие максимуму и минимуму полной проводимости. Так
что вместо трех пар характеристических частот можно упоминать
всегда только две характеристичекие частоты – частоту последовательного или механического резонанса f0 и частоту параллельного
резонанса fp.
Наряду с резонансными частотами другой практически важной
характеристикой пьезомембраны является ее механическая добротность Q, определяемая как
Q=
2πfб Lk
1
π
=
= ,
2πfsCkR k δ
Rk
(9.9)
где δ – логарифмический декремент затухания.
Механическая добротность характеризует способность мембраны сохранять запасенную в ней механическую энергию.
Управление частотой колебаний мембраны
Как следует из анализа эквивалентной схемы, управление частотой пьезомембраны может осуществляться тремя способами.
1. Воздействием на эквивалент податливости Ck, на эквивалент
массы Lk колебательной системы или на оба указанных параметра
одновременно.
2. Вариацией активных потерь Rk, что приводит к увеличению
декремента затухания δ и, как известно, понижает частоту собственных колебаний в соответствии с соотношением
ω = ω 20 − δ 2 .
3. Управление значением межэлектродной емкости C0 или емкостного отношения m = Ck / C0. Практическое распространение
получил первый из перечисленных способов, основанный на модуляции эквивалента податливости Ck или эквивалента массы Lk колебательной системы.
Для построения датчиков на мембранах на ОАВ обычно используются высокодобротные мембраны, в которых декремент затухания настолько мал, что практически не оказывает влияния на ре92
зонансные частоты. Это объясняет причины, по которым второй
способ управления частотой не нашел применения.
Третий способ (модуляция C0) интересен с точки зрения управления полосой пропускания пьезоэлектрических фильтров на
мембранах. При построении датчиков этот способ применения не
нашел, поскольку пьезоэлектрические материалы, в которых эффекты модуляции проявляются сильно, характеризуются большой
нестабильностью свойств.
93
10. Конструирование и расчет резонаторов,
линий задержки на поверхностных
акустических волнах как первичных
чувствительных элементов
микросистемотехнических устройств
Резонаторы и линии задержки на ПАВ как первичные чувствительные элементы МСТУ представляют собой настолько важную
часть микросистемной техники, что их рассмотрение следует провести по возможности подробнее. Наиболее подробно рассмотрим
резонаторы на ПАВ, которые представляют собой линии задержки,
определенным образом включенные в электронную схему.
Резонаторы на ПАВ являются устройством из класса изделий
акустоэлектроники. Одним из их достоинств является то, что они
могут найти применение в устройствах стабилизации частоты и узкополосной фильтрации в диапазоне частот 100–2500 МГц. Широко применяемые кварцевые резонаторы на ОАВ ограничивают диапазон частот высокостабильных генераторов частотами не выше
200 МГц при работе на основной гармонике. При возбуждении на
более высоких гармониках кварцевые генераторы работают менее
стабильно, кроме того, усложняется их схема, ухудшаются шумовые свойства. Умножение частоты приводит также к увеличению
шума генератора и ухудшению спектральных характеристик.
Резонаторы на ПАВ заменяют кварцевые резонаторы на ОАВ и
позволяют создавать автогенераторы и узкополосные фильтры в
более высокочастотном диапазоне. Более того, принципиально возможно создание резонаторов на ПАВ, по долговременной стабильности сравнимых с прецизионными кварцевыми резонаторами, а
совершенствование технологии изготовления позволяет получать
и высокостабильные устройства.
Кратковременная стабильность и фазовый шум генератора обратно пропорциональны произведению добротности резонатора,
частоты и мощности. Уже в настоящее время резонаторы на ПАВ
значительно превосходят все другие устройства стабилизации частоты в указанном диапазоне, а по долговременной стабильности
приближаются к кварцевым резонаторам.
Резонаторы на ПАВ можно изготовить на любом пьезоэлектрике, однако требование температурной стабильности ограничивает
выбор материала только кварцем. Далее будут рассмотрены резонаторы на ПАВ на кварце ST-среза, обладающие наибольшей температурной стабильностью.
94
Основой конструкции резонатора на ПАВ является распределенный отражатель в виде периодической решетки из элементов,
незначительно изменяющих условия распространения ПАВ. Конструкции кварцевых резонаторов и резонаторов на ПАВ отличаются конструкцией отражающих элементов. В классическом кварцевом резонаторе отражающим элементом является грань пластины,
т. е. сосредоточенный отражатель. Резонаторы на ПАВ отличаются
конструкцией отражающих элементов. В резонаторе на ПАВ отражатель должен быть распределенным, так как от сосредоточенного
отражателя ПАВ рассеивается в виде объемных волн вглубь подложки.
Резонаторы на ПАВ имеют несколько меньшие стабильность и
добротность. Это объясняется тем, что ПАВ распространяется по
поверхности, которая сильнее подвержена эффектам старения, чем
объем кристалла. Кроме того, возникают искажения вследствие загрязнений и частичного рассеяния ПАВ при взаимодействии с отражателем, что приводит к дополнительным потерям. Однако быстрое совершенствование технологии изготовления резонаторов на
ПАВ обеспечивает уже сейчас широкое применение их в различной
аппаратуре, в частности в МСТУ.
Конструкция резонатора на поверхностных
акустических волнах
Основная идея конструкции резонатора на ПАВ заключается в создании акустического аналога оптического резонатора
Фабри−Перо. Так как не существует высокоэффективного сосредоточенного отражателя ПАВ, в резонаторе типа Фабри−Перо применяются отражатели в виде периодических структур. Для достижения предельной добротности резонатора эффективность отражения
ПАВ от периодической структуры должна быть как можно выше.
Резонаторы на ПАВ представляют собой кварцевую подложку,
на которой располагаются две решетки, ограничивающие резонансную полость. Связь с колебаниями в резонансной полости осуществляется с помощью встречно-штыревых преобразователей, которые
существенно не влияют на АЧХ резонаторов, а выполняют лишь
роль элемента связи внешних цепей с резонансной полостью.
Введение ВШП внутрь полости ограничивает добротность резонатора и искажает его АЧХ, поскольку наличие ВШП внутри резонансной полости приводит к потерям из-за конечной проводимости
электродов, преобразования ПАВ в объемные волны, акустического отражения и т. д.
Собственные частоты резонатора Фабри−Перо
95
f = (nU) (2L),
где n – целое число; U – скорость ПАВ; L – расстояние между отражателями. Интервал между резонансными частотами ∆f = fp − f0 =
= U / (2L).
Резонатор на ПАВ имеет распределенные отражатели, поэтому
необходимо определить размер полости резонатора, используя понятие эффективного центра отражения Lэ. Резонатор Фабри−Перо
имеет множество собственных резонансных частот, но число их ограничивается частотными свойствами распределенного отражателя, т. е. резонатор на ПАВ может иметь резонансные частоты (моды),
лежащие в полосе отражения распределенного отражателя. Выбирая размер полости, число элементов решетки, коэффициент отражения от каждого элемента, можно получить одно- или многомодовый режим работы резонатора. На практике обычно используется
одномодовый режим, поэтому расчет резонатора на ПАВ будем производить именно для такого режима. При возбуждении резонатора
возникают стоячие волны, которые могут быть симметричны или
антисимметричны относительно средней плоскости полости. Моды
с нечетными n антисимметричны, а моды с четными n симметричны, как и в резонаторах на объемных волнах. Однако когда электроды расположены на краях объемного резонатора, электрическое
напряжение на них оказывается антисимметричным относительно
средней плоскости, в результате чего возбуждаются только нечетные гармоники. При расположении ВШП внутри образованной
отражателями полости происходит селекция нечетных гармоник.
Такая селекция не является дискретной, и можно плавно регулировать связь между ВШП и модой колебаний. Если центральная
линия полости проходит через середину между двумя электродами
ВШП, то эффективная связь с антисимметричными модами. Если
же центральная линия полости проходит через середину одного из
электродов ВШП, то эффективна связь с четными модами.
В простейшем случае в полости резонатора на ПАВ находится
один ВШП – это так называемый одновходовый резонатор. Применение его в автогенераторах оказалось затруднительным из-за наличия статической емкости ВШП, что приводит к снижению реактивного сопротивления вдали от резонанса и к возникновению паразитных колебаний. Двухвходовый резонатор обеспечивает большую устойчивость автогенератора и возникновение паразитных
колебаний. Кроме того, двухвходовые резонаторы особенно удобны
в узкополосных фильтрах, поскольку они сами по себе являются
особым классом резонансных фильтров.
96
Конструкция распределенных отражателей на поверхностных
акустических волнах
Существует несколько типов отражателей для резонаторов на
ПАВ, основные из которых приведены на рис. 10.1. В структуре
(а) материалом является тонкий слой металла, который отражает
ПАВ за счет эффекта массовой нагрузки. Такой отражатель изготавливают в одном технологическом процессе.
Создание структур, в которых отражение происходит на границах канавок (б), усложняет технологию изготовления, однако такая
структура позволяет получить наибольшую добротность. Структура, полученная ионной имплантацией (в), увеличивает скорость
ПАВ в кварце из-за уменьшения коэффициента электромеханической связи, что приводит к изменению акустического сопротивления. Данное явление используется для получения распределенных
отражателей ПАВ.
Наибольшее распространение получили структуры с канавками
благодаря возможности точной регулировки коэффициента отражения изменением глубины травления. Кроме того, резонаторы с
такими структурами обладают наибольшей долговременной стабильностью, поскольку скорость старения отражателя с канавками
меньше, чем отражателей с нанесенными покрытиями или с имплантированными ионами. Поскольку эти резонаторы имеют лучшие параметры, будем рассматривать именно такие структуры.
Для определения частотных характеристик отражающих структур рассмотрим процесс отражения ПАВ от единичной ступеньки.
Каждая канавка состоит из ступеньки «вниз» и ступеньки «вверх»
относительно плоскости подложки. Точной и полной теории отражения ПАВ от неоднородностей на поверхности в настоящее время
не существует, поэтому моделирование процесса отражения производят при условиях слабого отражения. Считают, что каждая
а)
w
d
s
б)
d
s
в)
Рис. 10.1.Отражающие структуры: а − нанесенные на поверхность; б −
в виде канавок; в − полученные ионной имплантацией или диффузией металла
97
ступенька отражает лишь небольшую часть энергии ПАВ. Именно
этот случай реализуется в резонаторах на ПАВ, так как при сильных отражениях от единичной ступеньки происходит преобразование поверхностной волны в объемную, что приводит к уменьшению
добротности резонатора.
Вследствие малого возмущения поверхности коэффициент отражений от ступеньки можно представить в первом приближении
как отношение высоты ступеньки h к длине волны λ
r = A h λ,
где r – коэффициент отражения от ступеньки; А – постоянная величина.
При малых значениях h / λ коэффициент отражения линейно зависит то h / λ, т. е. можно изменять коэффициент отражения, изменяя высоту ступеньки. Это одно из наиболее важных свойств таких
отражающих структур. Экспериментально-аналитическими методами было установлено, что для кварца ST-среза r = 0,27 h / λ.
Интересно, что фаза коэффициента отражения от ступенек вниз
отличается от фазы коэффициента отражения от ступенек вверх
на 180 град. Поэтому отраженные от системы канавок волны будут складываться в фазе при периоде решетки, равном λ / 2, где λ −
длина падающей ПАВ.
В периодической решетке канавок происходят и многократные
отражения, которые необходимо учитывать при анализе работы
отражающих структур. Свойства канавок и промежутков между
ними определяются характеристическими сопротивлениями. Для
расчета коэффициента отражения от решетки в виде канавок наиболее удобна эквивалентная схема линии передачи (рис. 10.2). В
данной схеме Z0 и Z1 выбраны так, чтобы получить необходимый
Отраженная
волна
Падающая
волна
w = λ/4 s = λ/4
1
2
…
N
Z1
Z0
Z1
d
Z0
Z1
Z0
Рис. 10.2. Эквивалентная схема в виде линии передачи
98
коэффициент отражения от единичной ступеньки. Эти сопротивления не связаны с какими-либо конкретными физическими величинами, они характеризуют лишь отражения. С помощью этой модели можно рассчитать АХЧ и ФЧХ решетки.
Частотные характеристики близки к виду (sin x / x), полоса отражения становится более плоской при увеличении отношения Z1/Z0.
Расчет резонаторов на поверхностных
акустических волнах
Одним из важнейших элементов любого акустоэлектронного
устройства является ВШП – это планарная структура противофазных проводящих электродов, сформированных на поверхности
звукопровода.
Пространственный шаг h электродов ВШП в совокупности со скоростью ПАВ в звукопроводе Ua определяют частоту акустического
синхронизма, т. е. частоту сигнала, при которой пространственный
период электрического поля, создаваемого в звукопроводе, равен
длине акустической волны λa. Имея конкретный звукопровод с известной скоростью распространения ПАВ, мы легко определим шаг
электродов ВШП, обеспечивающий работу на заданной частоте. С
помощью ВШП удается осуществить эффективное преобразование
энергии входного электрического сигнала в энергию ПАВ. Требования, предъявляемые к звукопроводу, зависят от назначения МСТУ:
в линии задержки, например, желательно иметь звукопровод с минимальной скоростью ПАВ.
Определяющим параметром при выборе материала изготовления подложки является коэффициент электромеханической связи
Kм. Значение этого коэффициента − очень важная характеристика
звукопровода и во многом определяет основные электрические параметры устройства.
В табл. 10.1 приведены параметры Kм для некоторых материалов.
Таблица 10.1. Параметры пьезоматериалов
Материал Скорость ПАВ,
Ua, км/с
Кварц
Ниобат
лития
Германат
висмута
Коэффициент
электромеханической
связи, (Kм)2
Температурный
коэффициент задержки,
αr⋅106 1/°C
3,15−3,2
3,48−4,0
0,0012−0,0024
0,0052−0,0054
− (3−3,8)
77−96
1,62−1,7
0,007−0,0164
− (115−140)
99
Окончание табл. 10.1
Материал Скорость ПАВ,
Ua, км/с
Силикат
висмута
Тантанат
лития
Пьезокерамика
Окись
цинка
Коэффициент
электромеханической
связи, (Kм)2
Температурный
коэффициент задержки,
αr⋅106 1/°C
1,7
0,018
118
3,22−3,31
0,0069−0,0093
36−67
2,21
0,043
−
2,7
0,01
40
Приведем основные формулы, при помощи которых выполняется расчет, где ширина электрода – λ/4; расстояние между электродами λ/4;, пространственный шаг электродов – λ/2.
Добротность электрического контура на фиксированной частоте
Q = π [8( K м ) 2 N], (10.1)
где N – число электродов ВШП; Kм − коэффициент электромеханической связи.
Акустическая добротность обратно пропорциональна относительной полосе пропускания
Qa = f 0 ∆f = 2N, (10.2)
где ∆f = 1 / T = f0 / (2N).
Число электродов N, необходимое для полной перекачки волны
N = λ a (K м ) 2 . (10.3)
Длина волны на центральной частоте
λ = U 0 f0 . (10.4)
Wa = 80λ. (10.5)
ω(f ) = 2πf. (10.6)
Апертура ВШП
Центральная частота
Скорость волны под ВШП
100
Ut =
2U 0U e
.
Ue + U0
(10.7)
Электрическая емкость преобразователя
Ct = Cs N pWε, (10.8)
где Cs − емкость пары электродов преобразователя; Cs =50 pF / m.
Для кварца Cs =50 pF / m.
Коэффициент S11
S11(f ) =
1 50 − Yвх (f )
.
1 50 + Yвх (f )
(10.9)
Если к отдельному преобразователю приложено напряжение Ut,
то в преобразователе протекает ток I. Отношение комплексных амплитуд 1/ Ut представляет собой входную проводимость преобразователя Yt. Основная часть тока определяется электростатической
плотностью зарядов σ(x, ω), которая находится в фазе с напряжением Ut и вносит емкостной вклад в Yt, который обычно записывают в явном виде, как статическую емкость Ct
Yt (ω) = G a (ω) + jωCt + jBa (ω). (10.10)
В формуле (10.10) слагаемые Ga(ω) и Ba(ω) представляют собой
действительную и мнимую части вклада проводимости, обусловленной поверхностной плотностью зарядов σ(x, ω).
101
11. Технические требования к конструкции
и основным параметрам
микросистемотехнических устройств
как первичным чувствительным элементам
Разработка МСТУ как ПЧЭ датчиков крутящего момента, деформации, давления, ускорения, микрогироскопа на ПАВ является современным направлением развития микромеханики. Преобразователь на ПАВ, предназначенный для этих датчиков – это
преобразователь деформаций. Рассмотрим принцип его работы.
Преобразователь на ПАВ (рис. 11.1) представляет собой пленку
из пьезоэлектрического материала (пьезокварца, нитрида алюминия, окиси цинка и т. д.), нанесенную на тщательно подготовленную поверхность подложки, изготовленной из материала с малыми
механическими потерями (кремний, стекло, керамика и т. д.).
По температурному коэффициенту линейного расширения наилучшим образом согласуются кремниевая подложка и пленка из
оксида цинка. Подложка может быть частью ПЧЭ прибора, например, датчика давления или акселерометра. С помощью встречноштыревых электродов на поверхности пьезоэлектрической пленки
возбуждаются электрические колебания. На концы пластины наносят металлические слои для устранения влияния отраженных
волн от краев пластины. Шаг решетки d выбирают равным половине длины возбуждаемой волны d = λ / 2, а длину рабочего поля –
кратной шагу решетки, т. е. l = m d.
Для возбуждения ПАВ используют прямой и обратный пьезоэффекты. Возбуждение ПАВ-структур осуществляется по методу
автогенератора. Амплитуда смещения в направлении нормали к
поверхности пленки − порядка 10−2 λ.
Основная зависимость при расчете преобразователя
v = E p = ω κ, A
ZnO
Электроды
По А
(11.1)
Возбуждаемая волна
Sin
d
Рис. 11.1.Схема преобразователя на поверхностных акустических волнах
102
где v − скорость распространения ПАВ; Е – модуль упругости; p −
плотность пьезослоя; ω − частота колебаний; κ – волновое число,
зависящее от продольной скорости волны.
Оптимизация характеристики преобразователя достигается на
частоте акустического синхронизма
fc = v c f ,
где vc − скорость синхронизма.
Частота синхронизма с учетом (11.1) определяется зависимостью
fc =
E p
.
f
(11.2)
Очевидно, что при деформации подложки с пьезослоем изменяется размер d, т. е. изменяется и частота fc. На основании (11.2)
можно заключить, что изменение частоты fc обратно пропорционально зависит от деформации чувствительного элемента прибора.
В некоторых работах выполнено исследование характеристик
акселерометров на ПАВ. В частности, отмечена сильная температурная зависимость преобразователей.
При построении датчиков силы, ускорения или давления используется силовое воздействие на резонатор (пластину с ВШП).
Основной параметр датчика деформации на ПАВ − чувствительность, представляющая собой зависимость резонансной частоты
датчика от силы или деформации.
Силочувствительность присуща всем типам датчиков деформации и является следствием зависимости частотно-определяющих
параметров датчика – его геометрических размеров, плотности и
упругих свойств от напряжений, создаваемых в теле подложки.
В зависимости от схемы включения в конструкцию датчика ПЧЭ
может характеризоваться либо как преобразователь сила−частота,
либо как преобразователь деформация−частота. В первом случае
входное воздействие на подложку задается в виде силы F, во втором
– в виде деформации S упругого элемента. В соответствии с двумя
основными режимами работы можно ввести:
− коэффициент силочувствительности
KF = d f f d F; (11.3)
− коэффициент преобразования силы в частоту
S F = d f d F = K F f; (11.4)
103
− коэффициент деформационной чувствительности
K S = d f f d S; (11.5)
− коэффициент преобразования деформации в частоту
S S = d f d S = K S f. (11.6)
Изменения частоты при деформациях пьезоокустической подложки определяется уровнем и характером механических напряжений σ в подложке, поэтому целесообразно ввести коэффициент
тензочувствительности
K σ = df dσ. (11.7)
Между коэффициентами Kσ и KF существует простая связь
K σ = K F (d f d σ), (11.8)
K σ = K F hDK ф,
(11.9)
где D – ширина и h – толщина, определяющие сечение, через которое передается усилие F; Kф − коэффициент формы, учитывающий
особенности конструкции датчика и схему его нагружения.
Поскольку частотная постоянная N = f h / n, то
или
K σ = K F D( Nn f ) K ф (11.10)
(d f d F)( Dn f 2 ) = K σ ( NK ф ). (11.11)
Коэффициенты Kσ и N определяются ориентацией подложки,
видом используемого колебания и направлением прикладываемого
силового воздействия. Правая часть выражения (11.11) представляет собой коэффициент Kf, однозначно описывающий свойства
ПЧЭ вне зависимости от его рабочей частоты, номера обертонов и
размеров. Этот коэффициент (называемый коэффициентом Ратайского) обычно используют для сравнения силовой чувствительности
датчиков различных типов
K f = (d f d F)( Dn f 2 ). (11.12)
Из множества разновидностей ПЧЭ-деформаций на ПАВ применяются только элементы, использующие колебания сдвига по
толщине и колебания изгиба. Только для этих типов колебаний
удается достаточно просто решить одну из важнейших проблем,
характерную для датчиков на основе электромеханических колеба104
тельных систем – проблему акустической развязки. Сущность этой
проблемы заключается в том, что в процессе работы в теле пьезоподложки и на ее поверхности существуют механические колебания с
резонансной частотой. Для большинства применений силочувствительный элемент должен находиться в жестком механическом контакте с другими элементами, образующими конструкцию датчика.
Так, в датчиках силы пьезопреобразователь на ПАВ сочленяется с
упругим элементом, передающим на него деформацию, в датчиках
давления – с мембранами, сильфонами и другими манометрическими элементами, в акселерометрах – с подвесом и корпусом и т. д.
Сочленение датчика с элементами конструкции может вызвать
утечку акустической энергии из датчика, если присоединение осуществляется в местах пьезоэлемента, обладающих ненулевыми
амплитудами смещений. В результате утечки энергии снижаются
добротность, стабильность частоты и в конечном счете точность
датчика. Для устранения этих нежелательных явлений необходимо применять методы акустической развязки, обеспечивающих
локализацию колебательной энергии в объеме пьезоподложки и
предотвращающих ее утечку.
Для резонаторов с колебаниями сдвига по толщине проблема
акустической развязки решается наиболее просто, поскольку периферия датчиков этого типа свободна от колебаний благодаря
эффекту локализации энергии в центральной области подложки.
Резонаторы, использующие изгибные колебания пластин, требуют принятия специальных мер, предотвращающих утечку энергии
из колеблющейся пластины через ее основание. Одним из методов
борьбы с утечкой энергии является использование специальных
акустических фильтров-пробок.
Указанные методы акустической развязки используются для локализации акустических волн во всех типах датчиков деформации.
Следует отметить, что ПАВ, локализующиеся в тонком слое вблизи
поверхности подложки, в значительной степени решают проблему
акустической развязки.
В заключение приведем некоторые характеристики ПЧЭ различных датчиков.
Датчик давления (по схеме преобразования давления p в интервал времени τ)
τ = 1 (m p + b), (11.13)
где b – коэффициент, определяемый по добротности при давлении
p = 0; m – масштабный коэффициент.
105
Крутизна преобразования
d T d p = m [2 p (b + m p ) 2 ]. (11.14)
Гироскоп на ПАВ: рабочий диапазон измерения – 0,01−100 рад / с;
максимальная измеряемая угловая скорость – 500 град / с; скорость
дрейфа − 0,25 град / с за 1 мин; чувствительность к линейным ускорениям − менее 0,05 % верхнего предела на 10 м / с2.
Пассивные акустоэлектронные приборы радиочастотной
идентификации
Современная концепция построения системы физической защиты с учетом специфики и особенностей России, предусматривает создание иерархической структуры охраняемых зон, периметр каждой из которой оснащается многорубежными средствами охраны.
Важное место в комплексе технических средств защиты занимает создание качественно новой технологии высокоточных систем радиочастотной идентификации (РЧИД) и определения местонахождения объекта, а также информационных систем контроля
и управления доступа (СКУД). Перспективные разработки в этом
направлении ведут как ряд западных компаний – HID, Motorola,
Sensormatic, так и российские фирмы. Развитие РЧИД и СКУД в
реальной помеховой обстановке невозможно без использования
сверхминиатюрных акустоэлектронных устройств. Малая скорость
распространения ПАВ на пять порядков меньше скорости света,
высокая технологичность, надежность, малые массогабаритные
характеристики, воспроизводимость характеристик, высокая температурная стабильность (10−4−10−6) позволяют утверждать, что
системы РЧИД на основе ПАВ наиболее перспективны. Помимо
остро обсуждаемого в литературе уменьшения дальности действия
систем РЧИД из-за внутрисистемных коллизий, возможно также
негативное существенное уменьшение дальности действия, вызванное высоким уровнем индустриальных помех. Таким образом,
необходимость учета помеховой обстановки определяется работоспособностью РЧИД, которая кардинальным образом зависит от
реальной, постоянно растущей фоновой помехи. В коммерческих
описаниях эта характеристика скрыта за диапазоном дальности работы систем РЧИД, поэтому проблема создания качественно новой
технологии высокоточных систем радиочастотной идентификации
и определения местонахождения объекта, а также информационных систем управления доступа на основе сверхминиатюрных
106
акустоэлектронных устройств в реальной помеховой обстановке
является актуальной.
Это накладывает определенные требования на характеристики нижнего уровня системы – приемо-передающие считывающие
устройства (ППСУ) и ПАВ радиочастотную метку (РМ). Этот уровень характеризуется используемой технологией идентификации
и плотностью расположения ППСУ и необходимостью проведении
анализа помехоустойчивости выделения сигналов РЧИД на фоне
естественных помех (шумы приемника) и индустриальных помех
дециметрового диапазона при формировании отклика радиочастотной метки с помощью микроминиатюрных высокостабильных
акустоэлектронных устройств.
Система ППСУ–РМ работает следующим образом: ППСУ посылает импульс опроса – радиосигнал высокой частоты; РМ на ПАВ –
пассивный элемент, представляющий встречно-штыревой преобразователь ПАВ и кодированную последовательность отражающей
системы электродов (ОСЭ) или ВШП (ОС ВШП). При этом может
быть выбрана вполне определенная последовательность кодов, присущая только данному изделию, любой разрядности. После небольшого времени задержки ПАВ (~ 0,1−0,5 мкс), РМ на ПАВ переизлучает кодированный радиосигнал, который затем обнаруживается
ППСУ, например, приемником с временным разделением и схемой
фазового детектора.
Легко показать, что для достоверной идентификации объекта необходимо, чтобы дальность распространения сигнала между передатчиком и РМ на ПАВ, была больше чем размер ОСЭ (ОС ВШП).
В архитектуре ППСУ может быть использован прием сигналов
как с использованием гетеродина (рис. 11.2, а), так и разнесенный
во времени (рис. 11.2, б). В последнем случае в приеме не используется гетеродин для преобразования сигнала с понижением частоты. Вместо этого выделенный ПАВ-фильтром полезный сигнал
поступает в систему с временным разделением – линию задержки
на ПАВ. Время разделения сигнала управляется импульсным генератором, который поочередно переключает вкл./выкл. (P+/P−)
усилители на входе и выходе линии задержки.
Неодновременная работа усилителей исключает нежелательную обратную связь и обеспечивает устойчивость схемы. Малые
вносимые потери (менее ~ 3 дБ) линии задержки на ПАВ обеспечиваются структурой DGI, например ОСЭ или однонаправленными
преобразователями ПАВ типа SPUDT (Single Phase Unidirectional
Transducers). Характерное время задержки такой структуры ~
0,5 мкс. Сигналы стробирующего импульса удаляются от полезно107
Смеситель
ПАВ 
фильтр
ПЧ
блок
Детектирующий
блок
Выход
Гетеродин
приемника
+
ПАВ 
фильтр
Генератор
импульсов
Линия
задержки
на ПАВ
Детектирующий
блок
Выход
Рис. 11.2.Структура считывателя системы радиочастотной идентификации
го сигнала в детектирующем устройстве. Качество обрабатываемого сигнала, полученного с разнесением во времени, сравнимо с качеством, полученным супергетеродинным приемом однократного
преобразования.
Таким образом, рассмотренная здесь архитектура ППСУ и РМ
на ПАВ обеспечивают высокую чувствительность и очень низкую потребляемую мощность. Частота может быть увеличена до
2−2,5 ГГц.
108
12. Основы технологии производства
кремниевых (полупроводниковых)
микросистемотехнических устройств
На примере технологии производства микроактюаторов рассмотрим такие особенности технологии производства кремниевых
МСТУ, как: общая схема технологического процесса изготовления
кремниевых МСТУ, химическая обработка пластин, окисление,
диффузия примесей, эпитаксиальный рост пленки кремния, рост
поликремниевых пленок, вакуумное напыление тонких металлических и диэлектрических пленок, изготовление фотомасок, оптическая фотолитография, вертикальное и горизонтальное травление
структур, контроль электрических и физико-механических параметров кремниевых МСТУ, интегрально-групповой принцип производства МСТУ.
Технологии производства микроактюаторов
В настоящее время существует несколько базовых технологий
производства микроактюаторов, точнее технологий производства
МЭМС (микроэлектромеханических устройств), составной частью
которых являются, в частности, микроактюаторы. Это технология
объемной микрообработки, поверхностной микрообработки, LIGAи SIGA-технологии, а также MUMPs процесс.
Кремниевая объемная микрообработка
Под кремниевой объемной микрообработкой понимают технологию глубинного объемного травления, причем травление может
быть как жидкое химическое анизотропное, так и плазменное.
Сухое травление − это метод селективного удаления немаскированных участков поверхности. Особенности процесса заключаются
в том, что этот процесс можно комбинировать с технологией тонких
пленок и с технологией КМОП. Также посредством физико-химического травления контролируется профиль травления (табл. 12.1).
Таблица 12.1. Анализ процессов сухого травления
Технологические процессы
1. Параметры плазмы:
– состав газа;
– напряжение смещения;
– температура подложки;
– плотность плазмы;
– давление процесса
Преимущества
Недостатки
1. Плоское изоб- 1. Обработка пластин
ражение
по отдельности
109
Окончание табл. 12.1
Технологические процессы
Преимущества
Недостатки
2. Маскирование полимерами и
тонкими пленками:
− термически SiO;
− химическим осаждением из 2. Изменяемый
паровой фазы при пониженном профиль
давлении SiO2 или Si3N4;
− нанесение фоторезиста;
− металлизация (Cr, Al)
2. Увеличение времени
травления
3. Химическое воздействие:
− с обратной стороны (мембраны, отверстия);
− геометрическая форма определяется шаблоном маски
с передней стороны (консоли,
каналы, затворы);
− геометрическая форма определяется подтравливанием
3. Возможно
получение рельефных изображений
3. Нет собственного ограничителя травления
и определения изображения
–
–
4.Газы травителя:
SF6 − CBrF3 при t < 270 K;
SF6 − O2 при t < 100 K;
CHF3 − O2 при t < 100 K;
CHCl3 при t < 270 K
Жидкостное химическое анизотропное травление
В процессе жидкостного химического анизотропного травления используется тот факт, что разные кристаллографические направления кристалла травятся с разной скоростью (остается поверхность с ориентацией 111) [табл. 12.2].
Таблица 12.2. Анализ процессов жидкостного травления
Технологические процессы
1. Ориентация подложки:
– 111 (канавка V-образного
сечения);
– 110 (канавка U-образного
сечения, не стандартизована)
2. Маскирование тонкими
пленками:
− термическим SiO2;
− химическим осаждением из
паровой фазы при пониженном
давлении SiO2 или Si3N4;
− металлизацией (Cr) для термомеханической обработки
110
Преимущества
1. Простой процесс группового
изготовления
−
Недостатки
1. Маскирование для
глубинного травления
2. Ограниченный
набор получаемых
изображений
Окончание табл. 12.1
Технологические процессы
3. Химическое воздействие:
– с обратной стороны (мембраны, каналы);
– геометрическая форма определяется кристаллографическими плоскостями с передней
стороны (консоли, каналы);
− геометрическая форма определяется подтравливанием
Преимущества
−
Недостатки
3. Точность угловой
ориентации
Подробно этапы жидкостного химического анизотропного травления приведены в табл. 12.3. Главной особенностью этой технологии является то, что она совместима с полупроводниковой технологией.
Таблица 12.3. Этапы жидкостного травления
Изображение
(100)
p – Si
+
p
Название этапа
1. (100 − подложка)
2. p+-легирование для получения
слоя остановки травителя
p – Si
3. осаждение эпитаксиального слоя
SiO2
4. окисление
5. литография и травление
SiO2
6. анизотропное травление
Кремниевая поверхностная микрообработка
(КМОП-технология)
КМОП-технология используется для микрообработки (табл.
12.4).
111
Таблица 12.4. Анализ процессов КМОП-технологии
Технологические процессы
1. Плазмохимическое осаждение
из паровой фазы или химическое
осаждение из паровой фазы при
пониженном давлении поликристаллического кремния, фосфорокварцевого стекла
2. Маскирование полимерами и
тонкими пленками:
− нанесение фоторезиста;
− термически SiO2;
− химическим осаждением из
паровой фазы при пониженном
давлении SiO2 или Si3N4 фосфорокварцевого стекла
3. Сухое и жидкое термическое
окисление
4. Геометрическая форма определяется маскированием и при
травлении
5. Травление (сухое и жидкое)
Преимущества
Недостатки
1. Планарная
геометрическая
форма
1. Уменьшенное
отношение ширины канала к длине
2. Изменяемый
профиль
Сокращение
номенклатуры
материалов
3. Есть возможность получать
свободные структуры
–
4. Совместимость с
КМОП
–
–
–
Подробно этапы КМОП-технологии (кремниевой поверхностной
микрообработки) приведены в табл. 12.5.
Таблица 12.5. Этапы КМОП-технологии
Изображение
PolySi
Si N4
Название этапа
1. Осаждение изолирующего слоя и основы из
поликристаллического кремния
2. Осаждение 1-го жертвенного слоя и формирование исходного рисунка
Статор
Ротор
PolySi
3. Осаждение поликристаллического кремния и формирование изображения рисунка
статора и ротора
PolySi
4. Нанесение рисунка на 1-й жертвенный
слой и на 2-й жертвенный слой
112
Окончание табл. 12.5
5. Травление жертвенных слоев
и освобождение ротора
LIGA-технология
Технология разработана в Германии в 1970-х гг. Аббревиатура
образована из первых двух букв слов: литография и гальваника.
Сущность процесса заключается в использовании рентгеновского
излучения от синхротрона для получения глубоких, с отвесными
стенками топологических картин в полимерном материале. Излучение синхротрона имеет сверхмалый угол расходимости пучка.
Источником излучения являются высокоэнергетические электроны (энергия Е >1 ГэВ), движущиеся с релятивистскими скоростями. Глубина проникновения излучения достигает единиц миллиметров. Это обусловливает высокую эффективность экспонирования при малых временных затратах (табл. 12.6)
Таблица 12.6. Анализ процессов LIGA- технологии
Технологические
процессы
Преимущества
1. Имеет наилучшее
1. Рентгенолитограотношение ширины
фия (синхротрон) в
канала к длине при
полиметилметакриминимальных размелате 0 < d < 2 мм
рах
2. Гальваника
2. Структуры с высоким разрешением
топографического
изображения
3. Дочерняя и
большая дочерняя
3. Жесткий допуск
копия из полимеров
или металла
Недостатки
1. Ограничена возможность
комбинирования с полупроводниковой технологией
(КМОП)
2. Есть ограничения на форму рельефа и на получение
свободно перемещаемых
структур
3. Ограничена точность по
высоте
–
4. Возможно получение свободно перемещаемых структур
–
5. Разнообразие мате- 5. Чрезвычайно дорогие
риалов
маски и экспонирование
4. Высокая сложность изготовления
Подробно этапы LIGA-технологии приведены в табл. 12.7
113
Таблица 12.7. Этапы LIGA-технологии
Изображение
Маска
Фоторезист
Подложка
Название этапа
Экспонирование
Структура из
фоторезиста
Обработка
Металлическая структура
Гальвано-формовка
Шаблон  вставка
Получение шаблона
Затвор фотошаблона Формовка
Заливка шаблона
Удаление формовки
Структура из пластика
Из особенностей этого процесса можно отметить, что можно управлять шириной профиля и то, что технология совместима с технологией тонких пленок (табл. 12.8)
Технология тонких пленок
Таблица 12.8. Анализ процессов технологии тонких пленок
Технологические
процессы
Преимущества
1. Ультрафиоле1. Хорошее разрешение
товая литография топографического изобфоторезиста
ражения
114
Недостатки
1. Ограничена точность по
высоте (КМОП)
Окончание табл. 12.8
Технологические
процессы
Преимущества
Недостатки
2. Осаждение сло- 2. Низкий допуск
ев и плазменное
травление
3. Гальваника
3. Высокое отношение
ширины канала к длине
4. Дочерняя и
4. Возможно получение
большая дочерняя свободно перемещаемых
копия из полиме- структур
ров или металла
5. Разнообразие материалов
6. Уменьшены работы
по производству
7. Возможно получение
рельефных изображений
8. Совместима
с кремниевой технологией
2. Есть ограничение для
высоких структур
3. Ограничена скорость
травления
4. Обработка подложек
только по отдельности
Этапы технологии тонких пленок приведены в табл. 12.9
Таблица 12.9. Этапы технологии тонких пленок
Изображение
Кремниевая подложка
Название этапа
Окисление
Напыление Cr
Фотолитография Cr
Травление SiO2
Плазменное травление кремния
Кремниевая подложка
Удаление резиста и Cr
Кремниевая подложка
115
Окончание табл. 12.9
Изображение
Название этапа
Термическое окисление
Кремниевая подложка
Анизотропное травление SiO2
Кремниевая подложка
Гальванизация
Кремниевая подложка
Травление SiO2
Гальванизация
Кремниевая подложка
MUMPs-технология
Аббревиатура MUMPs означает: «многопользовательскую МЭМСтехнологию» − это коммерческая программа, которая предоставляет
разработчику эффективный доступ к поверхностной механической
обработке. Она начала использоваться в декабре 1992 г. Основное
назначение MUMPs – проектировать и проверять опытные образцы
МЭМС устройств и ускорять процессы развития изделия; MUMPs −
это процесс трехслойной поликристаллической поверхностной микрообработки. Подробно этапы MUMPs приведены в табл. 12.10
Таблица 12.10. Этапы MUMPs-технологии
Изображение
Диффузионный
0й слой полиSi
Нитрид слой POCl 3
116
Название этапа
1. сильное легирование фосфором
2. осаждение нитрида кремния
(0,5 мкм)
3. осаждение поликремния
(0,5 мкм) при низком давлении и
отжиге
Продолжение табл. 12.10
Изображение
Название этапа
4. нанесение изображения на 0-й
слой поли-Si при помощи реактивного ионного травления
1й слой фосфатосиликатного стекла
5. осаждение 1-го слоя фосфосиликатного стекла (2 мкм)
6. получение изображения
углублений (глубина 0,75 мкм)
при помощи реактивного ионного
травления
7. получение изображения контактного окна к слою поли−Si /
нитрида (2 мкм) при помощи реактивного ионного травления
Жесткая маска из фос
1й слой полиSi фосиликатного стекла
8. осаждение 1-го слоя поликремния (2 мкм)
9. осаждение маски из фосфосиликатного стекла (0,2 мкм)
10. отжиг при температуре 1050 °C
11. вытравливание маски из
фосфосиликатного стекла при
помощи реактивного ионного
травления
12. нанесение изображения на 1-й
слой поли-Si при помощи реактивного ионного травления
2й слой фосфатосиликатного стекла
13. осаждение 2-го слоя фосфосиликатного стекла (0,5 мкм)
117
Окончание табл. 12.10
Изображение
Название этапа
14. получение изображения контактного окна к 1-му слою поли-Si
при помощи реактивного ионного
травления
15. получение изображения контактного окна к 0-му слою полиSi/нитриду при помощи реактивного ионного травления
Жесткая маска из фос
2й слой полиSi фосиликатного стекла
16. осаждение 2-го слоя поли-Si
(1,5 мкм)
17. осаждение маски из фосфосиликатного стекла (0,2 мкм)
18. вытравливание маски из
фосфосиликатного стекла при
помощи реактивного ионного
травления
19. нанесение изображения на 2-й
слой поли-Si при помощи реактивного ионного травления
20. осаждение слоя металла
(0,5 мкм)
21. частичное снятие металлического слоя
22. внесение в концентрат HF на
2,5 мин для получения окончательной структуры
118
13. Физико-химические основы
диффузионных и окислительных процессов,
технологические режимы и оборудование
Процесс диффузии представляет собой обусловленное тепловым движением перемещение частиц в направлении убывания их
концентрации. При изучении диффузии в кристаллах различают
перемещение примесных атомов и перемещение атомов данного
твердого тела. Последний процесс получил название самодиффузии. Движущая сила диффузии создается при наличии градиента
концентрации атомов. Чем больше градиент концентрации, тем
интенсивнее перемещение атомов.
Рассмотрим наиболее важные механизмы диффузии атомов в
кристаллах. К ним, в первую очередь, относятся: механизм обмена
атомов местами; кольцевой механизм; механизм перемещения по
междоузлиям и вакансионный механизм.
Механизм обмена двух атомов местами в кристаллической решетке является наиболее простым элементарным актом диффузии.
Однако такой обмен местами в плотно упакованной структуре требует преодоления большого потенциального барьера, связанного с
необходимостью раздвижения соседних атомов. В случае кольцевого механизма несколько атомов, расположенных примерно по
кольцу, согласованно перемещаются так, что все кольцо из атомов
поворачивается на одно межатомное расстояние. В этом случае для
энергии потенциального барьера, приходящаяся на каждый атом
будет меньше, чем при обмене пары атомов. Однако эта энергия
возрастает с увеличением числа атомов в кольце и вероятность осуществления такого процесса за счет флюктуационного накопления
необходимой энергии резко падает. Оба эти механизма могут проявляться лишь в совершенных кристаллических решетках с рыхлой упаковкой.
В реальных кристаллах с большим числом дефектов по Шоттки
и по Френкелю наиболее вероятными являются междоузельный и
вакансионный механизмы диффузии. Теория диффузии по междоузельному и вакансионному механизмам была впервые предложена
Я. И. Френкелем. Согласно этой теории, процесс диффузии атомов
в кристалле можно представить следующим образом. В результате
тепловых колебаний некоторые атомы приобретают энергию, достаточную для преодоления потенциального барьера, удерживающего их в равновесных положениях решетки. В кристаллической
решетке возникнут дефекты по Френкелю. Вакантное место в процессе тепловых колебаний может быть легко занято одним из сосед119
них атомов, что приводит к перемещению вакантных мест по узлам
кристаллической решетки. Внедренные между узлами атомы также обладают подвижностью. Они связаны с кристаллической решеткой слабее, чем атомы, занимающие в кристалле равновесные
положения. Таким образом, атомы в твердом теле могут постепенно перемешиваться. Скорость такого перемешивания, выражаемая
вероятностью перехода ω частицы в решетке из одного положения
в другое, вследствие статического характера процесса возрастает с
повышением температуры по экспоненциальному закону
ω = ω 0 exp(−
∆H
), kT
(13.1)
где ∆H − высота потенциального барьера, который преодолевает
атом при переходе из одного равновесного положения в другое.
Величина ∆H зависит от силы химической связи в кристалле и
механизмов диффузии. Можно внести понятие среднего времени
нахождения атома в одном из положений равновесия, равного
η=
1
∆H = τ 0 exp(
),
ω
kT
(13.2)
где τ0 − постоянная величина, равная периоду собственных колебаний атомов в узлах решетки.
Постоянная величина τ0 связана с величиной ω0 соотношением
τ0 =
1
.
ω0
(13.3)
Если воспользоваться аналогией в характере движения атомов в
твердом теле или газе, то можно определить важнейший параметр
диффузионного процесса – коэффициент диффузии. В кинетической теории газов коэффициент диффузии определяется следующим
выражением:
D=
1 l2
,
3 τ
(13.4)
где l – длина свободного пробега атомов, а τ − время между двумя
столкновениями.
Разница между кинетикой движения атомов в газе и твердом
теле заключается в том, что если в газе длины пробегов имеют самые
различные значения, то в кристаллах все элементарные перемещения имеют одну и ту же величину, равную постоянной решетки а.
120
Кроме того, в кристаллах диффузионное перемещение атомов несколько упорядочивается определенным геометрическим наложением атомов в решетке, что эквивалентно уменьшению количества
степеней свободы диффундирующих атомов. Это приводит к тому,
что выражение для коэффициента диффузии в кристалле в общем
случае приобретает вид
D=α
a2
,
τ
(13.5)
где α − множитель, зависящий от геометрии элементарной ячейки
кристалла и конкретного механизма диффузии.
Подставляя (13.2) в (13.5), получим выражение для коэффициента диффузии атомов в кристалле
D = D0 exp(−
где сомножитель D0 равен
D0 = α
∆H
), kT
a2
.
τ0
(13.6)
(13.7)
Величину ∆H в формуле (13.6) принято называть энергией активации. Вакансионный и междоузельный механизмы наблюдаются
в кристаллах как при самодиффузии, так и при диффузии примесных атомов. Коэффициент диффузии в обоих случаях описывается
формулой (13.6). При этом множитель α имеет различное значение.
Так, в случае объемно-центрированной кубической решетки при
вакансионном механизме α = 1/8, а при междоузельном механизме
α = 1/24.
Примесные атомы, перемещающиеся по вакансионному механизму, называются примесями замещения, а перемещающиеся по
междоузельному механизму, называются примесями внедрения.
Следует заметить, что процессу диффузии примесных атомов по вакансиям непременно сопутствует процесс самодиффузии. Однако в
силу более слабой химической связи атомов примеси с решеткой,
чем между основными атомами, процесс диффузии примесных атомов протекает значительно быстрее, чем самодиффузия.
Некоторые виды примеси с изменением температуры могут видоизменять механизм диффузии. Например, процесс диффузии по
вакансиям заменяется диффузией по междоузлиям. В промежуточной области возможно одновременное существование обоих механизмов диффузии. Изменение механизма диффузии неизбежно
121
сопровождается изменением диффузионных параметров D0, ∆H
и, соответственно, изменением коэффициента диффузии. Следует
иметь в виду, что с повышением концентрации примеси коэффициент диффузии может изменяться (увеличиваться) без изменения
механизма диффузии, а в результате кулоновского взаимодействия
между атомами примеси.
В реальных кристаллах существенное влияние на процесс диффузии могут оказывать примесные атомы другого типа (третья
компонента) и прочие дефекты решетки. Наличие этих эффектов,
с одной стороны, приходит к появлению искажений в кристаллической решетке, способствующих процессу диффузии, а с другой
стороны, накладывает дополнительные связи на диффундирующие
атомы. Эти факторы в конкретных условиях могут существенно отразиться на скорости диффузии.
Практически все диффузанты в полупроводниковых кристаллах имеют предельную растворимость. Под предельной растворимостью примеси подразумевается максимальная концентрация
примесных атомов при данной температуре, которая может быть
введена в полупроводниках. Предельная растворимость, как и скорость диффузии, определяется концентрацией вакантных мест,
куда могут попасть примесные атомы. Поэтому в определенном
температурном диапазоне предельная растворимость возрастает по
закону
N = N 0 exp(−
∆H′
), kT
(13.8)
где ∆H′ − теплота растворения.
С повышением температуры предельная растворимость достигает максимума, а затем уменьшается. Рассмотренные выше механизмы диффузии приводит лишь к изменению концентрации диффундирующего вещества в кристалле. При этом имелось в виду,
что в процессе диффузии возникают твердые растворы внедрения
или замещения, которые практически не изменяют структуру и основные физические свойства кристалла. Однако во многих случаях
введение однородных атомов приводит к возникновению в диффузионной области новой фазы (химического соединения) с другой
структурой и с другими физическими свойствами, чем основное вещество. Такой процесс получил название «реактивной диффузии».
Условием образования новой фазы может служить сильное различие в значениях электроотрицательностей или наличие валентных
электронов в одинаковых состояниях у атомов основного и диффун122
дирующего веществ. В этих случаях могут возникнуть, например,
химические соединения с ионной связью и интерметаллические полупроводниковые соединения типа АIIIВV, AIIBVI и др.
Возникновение новой фазы приводит к замедлению процесса
диффузии по следующим причинам. Поскольку диффундирующие
атомы связываются атомами основного вещества, то происходит
постепенное уменьшение диффузионного потока. Кроме того, с
ростом толщины слоя новой фазы увеличивается путь, по которому
должны проходить диффундирующие атомы, чтобы проникнуть в
объем основного вещества.
К этому же виду диффузии относится процесс окисления полупроводниковых и металлических веществ. Изучение кинетики возникновения и роста окисных пленок металлов и полупроводников
имеет важное значение для решения ряда задач микроэлектроники, в первую очередь, для создания рациональной технологии изготовления микроэлектронных активных и пассивных элементов.
Различают два этапа роста окисной пленки: начальный этап при
низкой температуре и диффузионный этап (высокотемпературное
окисление). Начальный этап образования пленки связан с процессом перехода электронов от поверхностных атомов кристалла к абсорбированным на этой поверхности атомам кислорода. Со стороны
кристалла возникает слой положительных ионов (слой, обедненный электронами), а со стороны газа – слой отрицательных ионов.
В этом двойном слое появляется сильное электрическое поле, которое вызывает направленное к внешней поверхности пленки движение положительно заряженных атомов основного вещества (катионов). Катионы на поверхности пленки связываются с отрицательно
заряженными атомами кислорода (анионами) и достраивают следующий слой пленки. На пленке вновь абсорбируются атомы кислорода, к которым из металла благодаря тоннельному эффекту поступают электроны. В результате вновь образуется двойной заряженный слой с сильным электрическим полем, тянущем катионы из
кристалла к наружной поверхности пленки. Стадия формирования
окисной пленки прекращается при достижении толщины пленки
порядка десятка атомных слоев, что вызвано резким спадом вероятности тоннельного эффекта. Описанным обусловлено появление
тонких окисных слоев на поверхности большинства полупроводников и металлов, находящихся на воздухе или в атмосфере кислорода при низких температурах.
В отличие от первого этапа второй этап окисления полностью
определяется процессами диффузии. При высокой температуре
происходит процесс диффузионного перемещения либо ионов окис123
ляемого вещества и электронов к поверхности раздела окисел−газ,
либо атомов кислорода в объем основного вещества. Соответственно, реакция окисления происходит либо на границе раздела
окисел−газ, либо на грани раздела окисел–окисляемое вещество. В
каждом конкретном случае проявляется тот или иной процесс диффузионного перемещения либо их сочетание.
В кремнии электрически наиболее активными примесями являются элементы III и V групп периодической системы. Они образуют
твердые растворы замещения. Акцепторные элементы в кремнии
диффундируют значительно быстрее донорных. Исключения составляют лишь бор и фосфор, коэффициенты диффузии которых
почти одинаковы.
Основные диффузионные параметры ряда элементов различных
групп в кремнии, полученные различными исследователями, сведены в табл. 13.1.
Таблица 13.1. Диффузионные параметры различных элементов в кремнии при 1200 °С
ПреТип
дельная
проводирастворимости
мость, см−3
Элемент
Коэффициент
диффузии
D, см2/с
Множитель
D0, см2/с
Энергия
активации
∆H, эВ
Бор
2,8⋅10−12
5−10.5
3.5−3.7
1021
p
Алюминий
1,5⋅10−11
4.8−8.0
3.3
7⋅1018
p
Галлий
(2,5−4,1)⋅10−12
3.5−4.1
1020
p
Индий
8,3⋅10−13
16.0
3.9
1019
p
Таллий
8,3⋅10−13
16.0
3.9
1017
p
−
3.6
Азот
−
−
−
1019
Фосфор
2,8⋅10−12
10.5
3.7
1022
n
Мышьяк
2,9⋅10−13
0.32
3.6
1020
n
Сурьма
2,2⋅10−13
5.6
3.9
1019
n
Висмут
2,0⋅10−13
103
4.6
1017
n
Литий
1,3⋅10−5
2,3⋅10−3
0.66
1019
n
Марганец
2,0⋅10−7
−
−
1016
n
Железо
10−6
6,2⋅10−3
1.1
3⋅1016
−
Медь
10−5
−
0.21
1018
p
Цинк
10−6
−
−
6⋅1016
p
Золото
1,1⋅10−6
1,1⋅10−3
1.1
5⋅1016
Амфотерный
124
Окончание табл. 13.1
ПреТип
дельная
проводирастворимости
мость, см−3
Элемент
Коэффициент
диффузии
D, см2/с
Множитель
D0, см2/с
Энергия
активации
∆H, эВ
Олово
−
−
−
2⋅1019
−
Сера
−
2.1
1016
−
0.92
В кремнии элементы I и VIII групп (медь, литий, серебро, золото, железо) имеют высокую скорость диффузии. В отличие от элементов III и V групп, диффундирующих по вакансиям решетки, эти
элементы перемещаются по междоузлиям. Предельная растворимость примесей в кремнии хорошо описывается в широком диапазоне температур формулой (13.8). В области температур, близких к
температуре плавления кремния, наблюдается максимум предельной растворимости.
Процесс окисления кремния является одним из важнейших.
Пленки двуокиси кремния играют исключительно большую роль в
процессе создания МСТУ. Высокие изолирующие и стабилизирующие качества слоев двуокиси кремния, полученных на поверхности
полупроводников, позволили разработать прогрессивный планарный метод изготовления кремниевых МСТУ, согласно которому все
p−n-переходы структуры локально формируются с одной стороны
кристаллов, покрытой слоем двуокиси кремния.
В подавляющем большинстве практических случаев слои двуокиси кремния на кремнии образуются высокотемпературным окислением исходного полупроводника в среде сухого или влажного
кислорода.
Рассмотрим механизм термического окисления кристалла кремния. Следует иметь ввиду, что перед началом высокотемпературного окисления на поверхности кремния уже имеется слой окисла некоторой малой, но конечной толщины Х0, возникший в результате
низкотемпературного окисления. Поэтому следует рассматривать
окисление не чистой поверхности, а покрытой слоем окисла.
Большое количество экспериментальных данных свидетельствует о том, что процесс окисления кремния в установившемся режиме слагается из следующих этапов. Молекулы окислителя (молекулы кислорода или пары воды) адсорбируются на поверхности
двуокиси кремния, создавая некоторую концентрацию. Величина
концентрации адсорбированных частиц окислителя прямо пропорциональна давлению газа при условии отсутствия диссоциации
125
или ассоциации окислителя на поверхности. Это условие обычно
выполняется при окислении кремния. Далее частицы окислителя диффундируют сквозь окислительный слой к границе SiO2−Si.
На границе раздела сред окислительный слой–кремний атомы
кислорода вступают в реакцию с атомами кремния, в результате
чего увеличивается толщина окисного слоя. При этом в процессе
установившегося окисления предполагается, что в слое двуокиси
кремния и на границах раздела сред отсутствует накопление атомов окислителя. Очевидно, что поток окислителя из одной среды
в другую возникает только в том случае, если существует разность
концентраций на границах сред.
126
14. Механизмы и методы эпитаксиального роста
монокристаллических пленок
Рассмотрим механизмы зарождения и роста пленки при вакуумном напылении, необходимые технологические режимы и оборудование. Ориентированной кристаллизацией при выращивании монокристаллических пленок, или эпитаксиальным наращиванием,
называется процесс роста пленок, решетка которых определенным
образом ориентирована относительно исходной подложки. Процесс
ориентированного нарастания вещества на монокристалле того же
вещества называется автоэпитаксией.
С помощью автоэпитаксии создаются тонкие монокристаллические слои кремния, легированные требуемой примесью до нужной концентрации, в которых формируются активные и пассивные
элементы. Эпитаксия на инородных полупроводниковых подложках позволяет получить гетеропереходы, обладающие специфическими электрофизическими характеристиками. Наконец, эпитаксия на диэлектрических и металлических подложках открывает
большие возможности для разработки новейших МСТУ.
Прежде чем рассмотреть механизм ориентированного роста монокристаллических пленок, остановимся кратко на методах их получения. В настоящее время известно несколько методов эпитаксиального наращивания. К их числу относятся: конденсация в вакууме (вакуумная эпитаксия), конденсация из газообразной фазы
в отпаянных ампулах или в проточной системе с использованием
газотранспортных химических реакций или реакций разложения
галогенов или органических соединений полупроводников (газовая эпитаксия), кристаллизация из раствора или расплава (жидкостная эпитаксия), молекулярно-лучевая (пучковая) эпитаксия.
Процесс вакуумного нанесения материала осуществляется превращением в вакууме исходного вещества в газообразное состояние с последующей конденсацией его на подложке. Для получения
эпитаксиальных слоев вакуумным методом в качестве подложек
используются кристаллические тела, позволяющие осуществлять
ориентированный рост. Однако вакуумные методы получили широкое распространение для осаждения неэпитаксиальных пленок
на неориентирующие подложки (стекло, ситалл).
Наиболее широкое применение для создания эпитаксиальных
слоев получили методы газовой и жидкостной эпитаксии. Процесс
кристаллизации из газовой фазы при помощи газотранспортной
реакции переноса является достаточно простым методом получения эпитаксиальных пленок на подложках полупроводниковых
127
материалов. Этот процесс может осуществляться как в опаянных
ампулах, так и в проточной системе. В опаянной ампуле эпитаксиальный рост происходит за счет химического переноса наращиваемого вещества конвекцией или диффузией химических соединений
при наличии двух зон постоянного нагрева с небольшой разностью
температур.
В предварительно откачанной опаянной ампуле находится исходный материал, подлежащий осаждению на подложку, а также
реагент, выполняющий роль транспорта. Перед началом процесса
эпитаксии с помощью двухзонной печи в ампуле обеспечивают температурный режим с перепадом температур по длине трубки и проводят кратковременное травление поверхности. Продукты травления скапливаются и после травления переходят в другой температурный режим (рис. 14.1).
При этом реагент-носитель вступает в химическую реакцию с
исходным материалом и образует газообразное соединение, которое за счет конвекции или диффузии переносится к подложке. Так
как в этой части ампулы температура ниже, то газообразное соединение разлагается, выделяя исходный материал, который осаждается на подложку.
При выращивании полупроводников в качестве реагента-носителя используются обычно галогены: йод, бром, хлор, фтор, а также сера, селен, теллур, мышьяк, фосфор и др.
В отличие от замкнутой системы в проточной системе продукты химической реакции транспортируются из одной зоны в другую
потоком нейтрального газа (водород, аргон, азот, гелий и др.). Процесс осаждения в проточной системе аналогичен предыдущему, но
за исключением того, что в проточной системе продукты реакций
постоянно удаляются потоком нейтрального газа из зоны реакции.
T
a
b
X
Рис. 14.1.Температурные режимы: а – при травлении; б – в процессе наращивания эпитаксиальных пленок
128
К числу методов, основанных на транспортных реакциях, относится также и метод близких расстояний, или так называемый
сэндвич метод. Сущность метода заключается в том, что исходный
материал и подложка накладываются друг на друга с малым зазором и помещаются в печь, обеспечивающую малый градиент температуры между ними. Процесс ведется как и в предыдущих газотранспортных методах, в среде, образующей летучие соединения с
переносимым веществом.
Более распространенными и хорошо освоенными промышленностью методами создания эпитаксиальных полупроводниковых
слоев являются методы гидролиза и восстановления летучих соединений полупроводниковых элементов. Таким обычно являются
галогены и органические соединения полупроводников. Из галогенов чаще всего применяют хлориды. Поэтому часто этот метод
эпитаксиального наращивания называют хлоридным. В качестве
исходного материала берется четыреххлористый кремний SiCl4,
представляющий собой при комнатной температуре прозрачную
жидкость, быстро испаряющуюся на воздухе.
Совместно с водородом испаряющийся хлорид из сосуда поступает в реактор. В реакторе, выполненном из кварцевого стекла,
находится многогранная графитовая пирамида, на гранях которой размещены кремниевые пластины. Пирамида с кремниевыми
пластинами нагревается с помощью индукционного нагревателя
до температуры 1150−1250 °С, при которой происходит реакция
разложения хлорида и восстановленный кремний осаждается на
поверхности кремниевых пластин. Для получения высокой равномерности эпитаксиальных слоев графитовая пирамида с пластинами в процессе осаждения вращается.
При пиролизе органических соединений применяемая аппаратура в принципе не отличается от рассмотренной. В качестве исходных материалов в этом процессе применяют в настоящее время
сплавы: трихлор силан (SiHCl3) или моносилан (SiH4).
Сущность метода эпитаксиального выращивания из растворов
(жидкостная эпитаксия) заключается в следующем:
1) при определенной температуре в металлическом растворителе
растворяют некоторое количество вещества, подлежащего осаждению, до получения насыщенного раствора;
2) полученный раствор вводят в соприкосновение с подложкой;
3) каким-либо способом (снижением температуры, испарением
растворителя и т. п.) в растворе создают пересыщение, в результате
которого из раствора на поверхность подложки высаживается растворенное вещество.
129
Если температура плавления осажденного вещества не очень
важна, то приготавливается не раствор, а расплав этого вещества.
При этом процесс выращивания эпитаксиального слоя остается таким же, что и в случае раствора. Метод выращивания эпитаксиальных слоев из раствора чаще всего используется применительно к
полупроводникам типа AIIIBV. В качестве растворителей при этом
используют обычно элементы третьей группы, имеющие малую
температуру плавления.
Рассмотрим процесс получения эпитаксиальных пленок GaAs
осаждением из раствора.
В наклонной кварцевой трубе размещается графитовая лодочка, содержащая подложку, удерживаемую в верхнем положении
держателем, и раствор арсенида галлия в металлическом галлии.
После включения печи смесь GaAs и Ga расплавляется и происходит очистка подложки от окисной пленки восстановлением в потоке
водорода. В момент времени t1 печь выключатся и подложка приводится в соприкосновение с раствором. Если в этот момент раствор
не является насыщенным, то подложка несколько подтравливается. При понижении температуры раствор становится пересыщенным и из него начинает высаживаться на подложку растворенный
арсенид галлия. Величина перенасыщения и, соответственно, скорость роста пленки регулируются скоростью охлаждения раствора.
Особенностью наращивания по этому методу является протекание
роста при переменных условиях: изменяются температура, состав
жидкостной фазы и скорость кристаллизации.
Интересным методом жидкостной эпитаксии является метод
движущегося растворителя. Сущность этого метода заключается в
том, что на подложку и исходный материал (GaAs) напыляют тонкий слой металла-растворителя (Ga) и вводят в соприкосновение напыленными сторонами. Полученную структуру помещают в печь с
вертикальным температурным градиентом. В области повышенной
температуры исходный материал растворяется в металле, а около
подложки при пониженной температуре высаживается на подложку. В результате растворитель постепенно перемещается в сторону
исходного материала за счет уменьшения объема последнего.
Механизмы зародышеобразования и роста
эпитаксиальных слоев
Рассмотрим механизм возникновения зародыша. При данной
температуре подложки и концентрации адсорбированных атомов
существует такое скопление их, добавление к которому еще одного
атома вызывает стягивание адсорбированных атомов, спонтанное
130
превращение их в критический зародыш. Такое поведение вызвано конкурирующими взаимодействиями адсорбированных атомов
друг с другом и с атомами подложки. Силы связи адсорбированных атомов с подложкой стремятся удержать их в скоплениях, в
то же время как силы взаимодействия между атомами образующими скопления стремятся собрать их в кристаллическую решетку с
межатомными расстояниями, характерными для структуры данного материала. По мере роста числа атомов в скоплении увеличивается суммарная сила, стремящаяся стянуть скопление в зародыш.
Поэтому в некоторый момент времени при добавлении к скоплению
очередного атома суммарная сила взаимодействия между атомами
превысит силу связи с подложкой и начнется процесс стягивания.
При этом по мере уменьшения расстояния между атомами силы
взаимодействия между ними возрастают, что приводит к лавинообразному развитию процесса стягивания скопления к мгновенному
образованию зародыша. Образование зародыша является неустойчивым состоянием, поскольку отрыв хотя бы одного атома приводит к распаду зародыша, а добавление к нему атомов приводит к
дальнейшему росту и упрочнению его. Такой критический зародыш обладает максимальной свободной энергией, основной вклад
в которую вносит поверхностная энергия.
Приведем расчет скорости образования и размера критических
зародышей. Будем полагать, что критический зародыш имеет форму диска радиусом r, высотой в одноатомное расстояние а и содержащий i атомов. Скорость образования зародышей пропорциональна концентрации скоплений критической величины Ni−1, содержащих i−1 атомов, и частоте υ, с которой в критических скоплениях
добавляется по одному атому
Vзар = Z υ N i −1, (14.1)
где Z – коэффициент, учитывающий уменьшение концентрации
критических скоплений за счет отрыва от скопления атомов. Частота υ, в свою очередь, пропорциональна скорости миграции атомов Va размеру критического скопления 2Vc, и концентрации одиночных атомов na. Учитывая, что скорость миграции одиночных
адсорбированных атомов равна
Va =
La
−Wa − U a
= aυ a exp(
), τa
2kT
(14.2)
а их концентрация определяется формулой
131
n a = m0τ a =
получим
m0
W
exp( a ), Va
kT
(14.3)
Wa − U a
). 2kT
(14.4)
υ = 2Vcam0 exp(
Коэффициент Z зависит от сводной энергии образования зародыша Fi и температуры
Z=
Fi
1
.
i 4πkT
(14.5)
Сводная энергия Fi слагается из кинетической свободной энергии края зародыша F1 = 2πVυ1, свободной энергии образования «поверхность зародыша–пар» F2 = πr2υ2, изменения свободной энергии
образования «поверхность зародыша–подложка» F3 = πr2(υ3 − υ4),
свободной объемной энергии F4 = πr2aυV, а также электронной энергии
F5 = −kT ln
n0
,
na
(14.6)
учитывающей энергию распределения зародышей по n0 возможным узлам решетки поверхности подложки. Здесь υ1 обозначает
удельную реберную свободную энергию; υ2, υ3 и υ4 – удельные свободные энергии поверхностей раздела «зародыш–пар», «зародыш–
подложка», «подложка–пар» соответственно, а υV – свободную
энергию единицы объема. Следовательно, свободная энергия образования зародыша новой фазы на поверхности подложки равна
Fi = 2πr υ1 + πr 2 (υ1 + υ 2 − υ 4 ) + πr 2aυ V − kT ln
n0
.
na
(14.7)
Из условия максимума свободной энергии критического зародыша найдем выражение для радиуса. Продифференцировав (14.7)
по r и приравняв производную нулю, получим
ri =
υ1
.
υ 4 − υ 3 − υ 2 − aυ V
(14.8)
Подставляя значение ri в выражение (14.7), получим выражение
для свободной энергии образования критического зародыша
132
Fi =
n
πυ12
− kT ln 0 . υ V + υ4 − υ3 − υ2
na
(14.9)
Согласно общей теории образования зародышей новой фазы, отношение концентрации критических скоплений к концентрации
одиночных адсорбированных атомов равно
Ni
F
= exp(− i ). na
kT
(14.10)
Подставляя выражения (14.4), (14.5), (14.10) в уравнение (14.1),
получим
Vзар =
am0n0Vc
i
Fi
W ′  U 2Fi0
exp a a
,
πkT
2kT
(14.11)
где Fi0 – свободная энергия образования критического зародыша.
Из выражения (14.11) следует, что скорость образования зародышей уменьшается с увеличением температуры подложки. Следовательно, при осаждении пленок с одинаковой скоростью при
более высокой температуре должны образоваться более крупные
зернистые пленки.
Наблюдаемая зависимость объясняется тем, что с повышением
температуры подложки интенсифицируется процесс миграции адсорбированных атомов, в результате чего недостаточно глубокие
потенциальные ямы поверхностных дефектов не в состоянии удержать попавшие в них атомы. Это приводит к уменьшению концентрации скоплений, а, следовательно, и зародышей. Из формулы
(14.11) следует также линейная зависимость между скоростью образования зародышей и плотностью осаждаемого потока атомов.
Значительный интерес представляет определение размера критического зародыша. Приведем оценку размера критического зародыша. Из теории кристаллизации следует, что удельная объемная
свободная энергия образования кристалла, конденсированного из
пара, равна
υ V = − NkT ln
na
,
n ea
(14.12)
где N – концентрация атомов в скоплении; nea – равновесная концентрация адсорбированных атомов.
Отношение na / nea характеризует степень насыщения адсорбированных атомов на подложке. Атомы скоплений характеризуются
энергией взаимодействия друг с другом (υ2 + υ3) и энергией взаимо133
действия с подложкой υ4. В момент взаимодействия критического
зародыша эти энергии оказываются равными
υ 2 + υ 3 = υ 4. (14.13)
Подставляя (14.12) и (14.13) в (14.8), получим
ri =
υ1
n
aNkT ln n a
.
(14.14)
ea
Радиус критического зародыша по полученной формуле для
случая осаждения меди на подложку NaCl ri ≈ 10−7 см.
Возникновение скоплений ориентированных атомов не является достаточным условием для образования ориентированных зародышей.
При превращении критического скопления в зародыш новой
фазы происходит стягивание, смещение атомов конденсата. При
этом может произойти некоторый поворот скопления относительно подложки, особенно если центр стягивания ее совпадает с центром скопления. Вероятность поворота скопления увеличивается
с уменьшением размера скопления. В результате разворота образуются зародыши, разориентированные относительно друг друга,
дальнейший рост зародыша приводит к появлению поликристаллической пленки. Увеличение температуры подложки или уменьшение скорости осаждения приводит к уменьшению перенасыщения, что вызывает увеличение размеров скоплений и уменьшению
разориентации образующихся кристаллических зародышей. Следовательно, существует некоторая температура подложки и скорость осаждения, обусловливающие образование таких скоплений,
переход которых в кристаллические зародыши не сопровождается
разворотом последних.
В процессе дальнейшего осаждения адсорбированные атомы,
мигрируя по поверхности подложки, примыкают к возникающим
зародышам. На определенной стадии роста зародыши начинают
смыкаться друг с другом. Возможно также и поглощение большими зародышами малых. На этой стадии также возможна переориентация зародышей, вызванная тем, что зародыши имеют некоторую вращательную и поступательную подвижность. Эта переориентация может привести к появлению разориентированных блоков,
двойников и других дефектов структуры монокристаллической
пленки.
134
15. Основы литографии
в микросистемотехнических устройствах
Получение рельефа требуемой конфигурации в диэлектрических, полупроводниковых и металлических пленках, нанесенных
на поверхность подложек, является неотъемлемым процессом
изготовления МСТУ и называется литографией. Литография основана на использовании особых высокомолекулярных соединений – резистов, обладающих способностью изменять свои свойства
под действием различного рода излучений – ультрафиолетового
(фотолитография), рентгеновского (рентгено-лучевая литография),
потока электронов (электронно-лучевая литография), потока ионов (ионно-лучевая литография) и т. д. Отдельно можно выделить
туннельную литографию, когда для формирования топологии используется туннельный эффект перехода электронов и ионов (например, золота) с иглы на подложку или с подложки на иглу.
В ионно-лучевой литографии вместо электронного луча формируется луч ионов (например, протонов и т. п.) при соответствующем
подборе резиста.
Наиболее широкое применение в производстве МСТУ получила
фотолитография, которая состоит в следующем. Чувствительные
к свету соединения (фоторезисты) наносятся на поверхность подложки и подвергаются воздействию излучения (экспонируются).
Использование специальной маски с прозрачными и непрозрачными полями (фотошаблона) приводит к локальному изменению его
свойств. При последующем воздействии определенных химикатов
происходит удаление с подложки отдельных участков пленки фоторезиста, освещенных или неосвещенных в зависимости от типа
фоторезиста (проявления). Таким образом, из пленки фоторезиста
создается защитная маска с рисунком, повторяющим рисунок фотошаблона. Далее подробно рассмотрим основные технологические
операции, составляющие процесс фотолитографии.
Фоторезисты
В зависимости от механизма фотохимических процессов, протекающих под действием излучения, растворимость экспонированных участков фоторезиста может либо возрастать, либо падать. В
первом случае фоторезисты называют позитивными, во втором –
негативными. Пленка позитивного фоторезиста под действием излучения становится неустойчивой и растворяется при проявлении.
Пленка негативного фоторезиста, наоборот, под действием излучения становится нерастворимой, в то время как неосвещенные учас135
тки при проявлении растворяются. Свойства фоторезистов характеризуются следующими параметрами.
1. Чувствительность. Широкое распространение получили фоторезисты, чувствительные к ультрафиолетовому излучению. Это
негативные фоторезисты на основе нафтохинондиазида для негативного процесса, в которых в результате фотохимических реакций происходит сливание молекул в полимерные структуры и позитивные фоторезисты на основе поливинилцинамата, в которых
под действием света происходит разрушение межмолекулярных
связей. Для каждой длины волны разработаны специальные фоторезисты. Критерием чувствительности является получение локальных участков с высокими защитными свойствами. Для повышения
чувствительности (сенсабилизации) используются специальные
сенсибилизаторы. Для негативных фоторезистов это означает задубливание или полимеризацию в экспонированных участках на
глубину, достаточную для защиты от воздействия травителей. С
увеличением экспозиции (энергии излучения на единицу площади) растет толщина слоя, в котором произошло сливание молекул.
Наилучшее качество рисунка (четкость края) достигается, если эта
толщина близка к полной толщине слоя фоторезиста. Критерием
чувствительности позитивного фоторезиста является полное удаление пленки фоторезиста в экспонированных участках. Полное
удаление происходит в том случае, если достигается максимальная
скорость проявления.
2. Разрешающая способность. Разрешающая способность слоя
фоторезиста определяется как число задубленных линий на 1 мм,
разделенных свободными от резиста промежутками. Для современных проекционных установок разрешающая способность достигает 10 000 (0,1 мкм). Разрешающая способность, характеризующая
слой фоторезиста, обычно не достигается при создании рисунка на
пленке SiO2. Это обусловлено рядом факторов, влияющих на процесс фотолитографии, таких как параметры источника излучения,
метод получения пленки SiO2 и обработка ее поверхности, выбор
травителя и др. В связи с этим вводится еще одно понятие разрешающей способности, характеризующей для данного фоторезиста
фотолитографический процесс в целом. Разрешающая способность
процесса определяется как число линий, вытравленных в пленке
SiO2 на 1 мм и чередующихся с линиями окисла такой же ширины.
3. Кислотостойкость. Этот параметр определяет стойкость фоторезистов к воздействию агрессивных травителей. Нестойкость
проявляется в растворении пленки на границах рельефа, в резуль136
тате чего возникает «клин» − растравленная область с переменной
толщиной. Кислотостойкость принято характеризовать отношением толщины пленки под фоторезистом к ширине растравленной области, которое обычно называют «клином» травления.
Основные требования к фоторезистам состоят в повышении их
чувствительности, разрешающей способности и кислотостойкости.
Кроме этих, выдвигаются и другие требования:
– фоторезисты должны обеспечивать получение тонких (до
0,1 мкм) и сложных пленок, достаточно легко наносимых и удаляемых;
− обладать высокой адгезией;
− не должны содержать механических включений.
Технология фотолитографического процесса
Эта технология заключается в следующей последовательности
производственных операций: обработка поверхности подложки;
нанесение фоторезиста; сушка фоторезиста; совмещение и экспонирование; проявление защитного рельефа; сушка фоторезиста
(задубливание); травление подложки; удаление фоторезиста.
Обработка поверхности. Качество защитного рельефа определяется свойствами поверхности. От них, в частности, зависит адгезия фоторезиста. Адгезия снижается, а боковое растравливание
возрастает, если поверхность гидрофильна.
Нанесение и сушка фоторезиста. Для этого используются
центрифугирование, пульверизация, окунание в раствор, полив.
Наиболее часто используется нанесение фоторезиста с помощью
центрифуги. Подложка помещается на вращающийся диск, на
центральную часть которой наносится фоторезист. Равномерность
нанесения обеспечивается центробежными силами. Скорость вращения – сотни и тысячи оборотов в минуту. Первая сушка нанесенного фоторезиста производится с целью удаления растворителя.
При этом время и температура процесса выбираются таким образом, чтобы исключить разрушение молекул, которое может происходить в результате не только фотохимических, но и температурных процессов.
Операции совмещения и экспонирования. Эти операции выполняются на специальных установках, конструкции которых определяются способом передачи изображений. Наибольшее применение
нашли два способа передачи изображений: контактное экспонирование и проекционное экспонирование. Разрешающая способность
контактной фотолитографии ограничена длиной волны излучения,
к которому чувствительны фоторезисты. В результате дифракции
137
света при контактной печати происходит расширение получаемого
окисла. Контактная печать при нулевом зазоре между фотошаблоном и подложкой и толщине фоторезиста 0,2 мкм позволяет получать размеры структур до 0,4 мкм.
Повышение разрешающей способности фотолитографии может
быть достигнуто применением проекционного экспонирования, при
котором устраняются дифракционные явления. При этом размеры
рисунка на фотошаблоне могут превышать заданные, и проецирование осуществляется в масштабе 10:1 и др. Трудности в повышении
разрешающей способности вызваны явлением интерференции при
экспонировании в монохроматическом свете. Переход на глубокий
ультрафиолет позволяет достичь разрешения 0,09 мкм. Начиная с
длины волн 200 нм и менее процесс экспонирования должен проходить в вакууме, так как особенно сильным становится поглощение
излучения, в том числе газами.
Методы повышения разрешающей способности литографии
Возможности контактной литографии ограничены длиной волны излучения, к которому чувствительны разработанные фоторезисты, так как в результате дифракции света происходит расширение получаемого окна. При проекционной фотолитографии
разрешающая способность снижается в результате интерференции
при экспонировании в монохроматическом свете. Использование
ионно-плазменных и плазмохимических методов в обработки позволяет получить размеры рисунка в рабочих пленках близкими
к размерам в слое фоторезиста. Но с уменьшением длины волны
дифракционное рассеяние уменьшается. Поэтому перспективными являются разработки процессов литографии, направленные на
использование коротковолнового УФ-излучения, излучения в рентгеновском диапазоне, а также электронных пучков.
Электронно-лучевая литография
Метод электронно-лучевой литографии основан на использовании электронных пучков для экспонирования пленок резистов.
При взаимодействии электронного пучка с резистом происходят
разрывы в межатомных связях, приводящие к перестройке молекулярной структуры резиста. Длина волны электрона, ускоренного напряжением U, равна
λ = 10 −4
138
150
.
U
Если U =15 кВ, то λ = 10−5 мкм, т. е. длина волны электрона
может быть на несколько порядков ниже длины волны светового
излучения. При столь малых длинах волн минимально возможные размеры рисунков при экспонировании резистов определяются не дифракционным рассеянием, а условиями взаимодействия
электронного пучка с системой резист−подложка. Разработаны
установки для экспонирования резиста сфокусированным пучком
электронов и установки для проекционной электронно-лучевой литографии. Установка для экспонирования резиста сфокусированным пучком содержит электронную пушку, систему фокусирования и отклонения по координатным осям технологического стола,
на котором располагается экспонируемая подложка. Включение и
отключение электронного пучка, его сканирование и управление
оснасткой осуществляется с помощью высокопроизводительной
вычислительной техникой. Установки производят также и совмещение рисунков, получаемых на различных стадиях электронного
экспонирования. Для этого при первом экспонировании на подложке создаются специальные реперные метки.
Для оптимизации процесса экспонирования с целью получения
минимального размера большое значение имеет правильный выбор
ускоряющего напряжения. Это связано с тем, что от ускоряющего
напряжения зависят минимальный размер (диаметр) сфокусированного пучка и ореол рассеяния электронов, т. е. диаметр экспонированной области резиста. Вследствие рассеяния электронов и
образования вторичных электронов с достаточно высокими энергиями размер области резиста, которая экспонируется электронами, больше чем размеры электронного пучка. Обычно минимальный размер экспонируемой области равен сумме диаметра пучка
электронов и толщины слоя резиста. Экспонирование сфокусированным пучком позволяет получить разрешающую способность
до 0,01 мкм. Общий недостаток всех систем электронно-лучевой
литографии состоит в необходимости помещения подложек в вакуум, что в целом усложняет технологический процесс литографии.
Исключить трудности технологического процесса электронно-лучевой литографии при сохранении высокой разрешающей способности позволяет использование рентгеновского излучения.
Рентгено-лучевая литография
При рентгено-лучевой литографии поток мягких рентгеновских
лучей (с длиной волны 0,4−1,4 нм) направляется на шаблон, под которым располагается подложка, покрытая резистом, чувствительным к указанному излучению. Время экспонирования составляет
139
несколько минут. Выбор диапазона длин волн рентгеновского излучения обусловлен свойствами технологических материалов (резистов), которые чувствительны к этому излучению, хорошо поглощают его и изменяют под его воздействием свою структуру. Кроме
того, при выборе длины волны используемого излучения следует
исходить из необходимости исключить поглощение излучения
подложкой, которое становится достаточно сильным при λ = 10 нм.
Разработаны рентгенорезисты, которые обладают уникальными
свойствами в области рентгеновского излучения с длиной волны
порядка 1 нм. Для изготовления шаблонов можно использовать
кремний в виде тонких пленок (толщиной до нескольких микрон),
он прозрачен для рентгеновского излучения. Негативное изображение рисунка создается из пленки золота толщиной до 0,3 мкм.
Выбор золота обусловлен максимальной способностью к поглощению рентгеновских лучей по сравнению со всеми другими распространенными материалами.
В качестве источников рентгеновского излучения могут быть
использованы рентгеновские трубки с электронно-лучевым испарением металлов с алюминиевых или медных мишеней. Ускоряющее напряжение составляет около 8 кВ. Перспективным является
использование синхротронного излучения в качестве источника
рентгеновских лучей. Минимальный размер, получаемый при рентгено-лучевой литографии, − 0,1 мкм. Повышение разрешающей
способности ограничено образованием вторичных электронов, способных вызывать структурные изменения в резисте, аналогичные
происходящим при воздействии на резист рентгеновского излучения. Наряду с высокой разрешающей способностью, рентгено-лучевая литография обладает еще рядом достоинств. Одним из них
является нечувствительность к загрязнениям, поскольку пылинки
и другие инородные частицы на поверхности подложки не поглощают рентгеновского излучения. Кроме того, рентгено-лучевая литография проводится в безвакуумной среде. При этом используется
более простое и более дешевое оборудование по сравнению с оборудованием при электронно-лучевой литографии. Наиболее перспективными для выполнения исследовательских работ являются туннельная и ионно-лучевая литографии.
140
16. Физико-химические основы ионно-химических
процессов травления кремниевых структур.
Технологические режимы и оборудование
Обычно травление ассоциируется с использованием специальных растворов-травителей для общего или локального удаления поверхностного слоя твердого тела на ту или иную глубину. Действительно, жидкие травители остаются главным средством для достижения указанной цели. Однако в технологии производства МСТУ
появились и другие средства, выполняющие ту же задачу. Поэтому
в общем случае травление можно рассматривать как немеханические способы изменения рельефа поверхности твердого тела. Так,
например, можно рассматривать очистку поверхности кремния газовым травлением. В последнее время в технологии МСТУ широко
используется газовое травление пластин кремния как метод окончательной очистки их поверхности. Помимо удаления загрязнений
с поверхности, происходит стравливание слоя кремния с механическими нарушениями.
В качестве травителей используют смеси водорода или гелия с
галогенами (фтор, хлор, бром), галогеноводородами (HBr, HCl), сероводородом H2S, гексафторидом серы SF6. Молярное содержание
этих веществ в водороде или гелии может изменяться от десятых
долей до единиц процентов. Обработка осуществляется при температурах 800−1300 °С либо в установках для окисления, либо непосредственно в реакторах для эпитаксиального наращивания. При
травлении кремния в HCl происходит следующая реакция:
1150 −1300 °C
Si(тв) + 2HCl(газ) 
→ SiCl 2 (газ) + H 2 (газ).
Аналогичная реакция происходит при травлении кремния в
HBr. При травлении в сероводороде идут реакции
850 −1100 °C
Si(тв) + 2H 2S(газ) 

→ SiS 2 (тв) + 2H 2 (газ);
SiS 2 (тв) + Si(тв) → 2SiS(газ).
Продуктами реакции при газовом травлении являются только
газообразные вещества, чем и обусловлена высокая эффективность
очистки поверхности. Прогрессивным методом очистки является
ионно-плазменное травление, которое будет рассмотрено ниже.
Теперь же рассмотрим классический процесс химического травления. Указанный вид травления состоит в химической реакции
жидкого травителя с твердым телом с образованием растворимого
соединения; последнее смешивается с травителем и в дальнейшем
141
удаляется вместе с ним. Переход поверхностного слоя твердого
тела в раствор означает удаление этого слоя. Однако в отличие от
механического удаления травление обеспечивает гораздо большую
прецизионность процесса: стравливание происходит плавно – один
мономолекулярный слой за другим. Подбирая травитель, его концентрацию, температуру и время травления, можно весьма точно
регулировать толщину удаления слоя. Например, при химической
полировке пластины кремния, используя соответствующий травитель, можно обеспечить скорость травления 0,1 мкм/мин, т. е. за
20−30 с снять слой толщиной всего 40−50 нм.
Для большей равномерности травления и удаления продуктов
реакции с поверхности ванночку с раствором вращают в наклонном положении (динамическое травление) или вводят в раствор
ультразвуковой вибратор (ультразвуковое травление). Конечно,
травление подчиняется законам физической химии, но в реальных
условиях имеется столько всяческих обстоятельств, что рецептура
травителей для каждого материала подбирается не расчетным методом, а экспериментально.
Характерной особенностью локального травления (через защитную маску) является так называемое подтравливание – эффект, в
какой-то мере аналогичный боковой диффузии. Он выражается в
том, что травление идет не только вглубь пластины, но и в стороны – под маску. В результате стенки вытравленного рельефа оказываются не совсем вертикальными, а площадь углубления – несколько больше площади окна в маске (рис. 16.1). Электролитическое травление отличается тем, что химическая реакция жидкости с
твердым телом и образование растворимого соединения происходят
в условиях протекания тока через жидкость, причем твердое тело
играет роль одного из электродов – анода.
Твердое тело в данном случае должно обладать достаточной
электропроводностью, что, конечно, ограничивает круг используТравитель
(111)
(100)
SiO2
(100)
Si
Рис. 16.1.Локальное травление кремния: а – изотропное; б – анизотропное
142
емых материалов. Преимуществом электролитического травления
является возможность регулировать скорость травления с помощью изменения токов цепи и прекращать процесс с помощью обрыва цепи.
Так называемое ионное травление (один из специфических процессов в производстве МСТУ) не связано с использованием жидкостей. Пластина кремния помещается в разряженное пространство,
в котором невдалеке от пластины создается тлеющий разряд. Пространство тлеющего разряда заполнено квазинейтральной электронно-ионной плазмой. На пластину относительно плазмы подается достаточно большой отрицательный потенциал. В результате положительные ионы плазмы бомбардируют поверхность пластины и
слой за слоем выбивают атомы с поверхности, т. е. травят ее. При
этом внедрения ионов в пластину не происходит в силу того, что напряжение, свойственное ионному травлению (2−3 кэВ), значительно меньше ускоряющих энергий при ионной имплантации.
Аналогичным способом достигается очистка поверхности от загрязнений – ионная очистка.
Ионное травление, как и химическое, может быть общим и локальным. Несомненным преимуществом локального ионного травления является отсутствие «подтравливания» под маску: стенки
вытравленного рельефа практически вертикальны, а площади углублений равны площади окон в маске. Общее преимущество ионного травления заключается в его универсальности (не требуется
индивидуального кропотливого подбора травителей для каждого
материала), а общий недостаток – в необходимости дорогостоящих
установок и значительных затрат времени на создание в них нужного вакуума.
За последние годы разработаны и широко используются методы
так называемого анизотропного травления. Эти методы основаны
на том, что скорость химической реакции, лежащей в основе классического травления, зависит от кристаллографического направления. Наименьшая скорость травления кремния свойственна направлению (111), в котором плотность атомов на единицу площади
максимальна, а наибольшая – направлению (100), в котором плотность атомов минимальна. Поэтому при использовании специальных анизотропных травителей скорость травления оказывается
разной в разных направлениях и боковые стенки лунок приобретают определенный рельеф – огранку. Такой пример огранки был
показан на рис. 16.1. Как видим, в данном случае травление идет
параллельно плоскости (111), поскольку в направлении (111), пер143
пендикулярном этой плоскости, скорость травления намного меньше, чем в других направлениях.
Углы, под которыми вытравливают боковые стенки лунок, строго определены и поддаются расчету. Например, если угол между
плоскостями (100) и (111) составляет 61,5 град (рис. 16.1), то вместе
с методом масок метод анизотропного травления дает разработчику
МСТУ возможность проектировать рельеф отверстий не только по
плоскости, но и по глубине.
Тот факт, что плоскость (111) как бы непроницаема для травителя, обеспечивает еще одно преимущество анизотропного травления:
если края окон в маске ориентированы по осям (100), то отсутствует явление подтравливания, свойственное изотропному травлению.
Соответственно, при анизотропном травлении нарушенные размеры лунок могут практически совпадать с размерами окон в маске.
Травление пластин кремния происходит на границе твердой и
жидкой сред и может рассматриваться как гетерогенная реакция.
Процесс травления состоит из пяти стадий: диффузия реагента к
поверхности; адсорбция реагента; химическая реакция; десорбция
продуктов реакции; диффузия продуктов реакции от поверхности.
Скорость всего процесса определяется скоростью наиболее медленной (контролирующей) стадии. При травлении кремния контролирующими стадиями могут быть либо диффузия реагентов к поверхности, либо химическая реакция.
Скорость травления. Скорость диффузии реагента в соответствии с первым законом Фика
Vg =
D( N об − N пов )
,
δ
(16.1)
где Nоб и Nпов – концентрация реагента соответственно в объеме и
на поверхности; δ − толщина приповерхностного слоя травителя, в
котором существует градиент концентрации; D – коэффициент.
Скорость химической реакции
− ∆W
RT , Vp = ( N A ) a ( N B ) b e
(16.2)
где NA и NB – концентрация реагирующих веществ; ∆W – энергия
активации химической реакции; R – универсальная газовая постоянная.
Показатели a и b для простых реакций равны численным коэффициентам, стоящим перед формулами веществ в уравнении химической реакции. Энергия активации – это избыточная энергия
(по сравнению со средней), которой должна обладать молекула в
144
момент столкновения, чтобы быть способной к химическому взаимодействию. При увеличении энергии активации влияние температуры на скорость реакции возрастает.
Энергия активации, определяющая скорость диффузии в жидкостях (∆Wg), составляет 1−4 ккал/моль. Энергия активации химических реакций для различных травителей может иметь порядок
единиц, десятков и сотен килокалорий на моль. В зависимости от
соотношения ∆W и ∆Wg контролирующей стадией является либо
химическая реакция (∆W > ∆Wg), либо диффузия (∆W < ∆Wg).
В первом случае скорость травления чувствительна к состоянию
поверхности, поскольку энергия активации химической реакции в
большой мере зависит от неоднородности поверхности. Так, шлифованная поверхность имеет меньшие значения энергии активации, чем полированная. Энергию активации снижают дислокации
и другие дефекты кристалла. Поскольку различные кристаллографические плоскости имеют различные значения ∆W, скорость
травления зависит от ориентации пластины, а также от температуры, что и было показано выше. Травители, для которых контролирующей стадией является химическая реакция, называют селективными.
Во втором случае (контролирующая стадия − диффузия) скорость травления нечувствительна к неоднородности поверхности;
слабо зависит от температуры и резко – от факторов, влияющих на
скорость диффузии, например, от перемешивания травителя, его
вязкости. Травители, для которых контролирующей стадией является диффузия, называются полирующими.
Травление в полирующих травителях. Типичными полирующими травителями для кремния являются смеси азотной и плавиковой кислот. Травление кремния происходит в соответствии с
электрохимической теорией растворения кремния.
Согласно этой теории, вся поверхность пластины, покрытая
раствором травителя, состоит из большого числа микроэлектродов – катодов и анодов. На анодных участках происходит окисление кремния с последующим растворением окисла и образованием
кремнийфтористоводородной кислоты, на катодных – восстановление азотной кислоты. Результирующее управление, описывающее
растворение кремния в смеси азотной и плавиковой кислот, имеет
вид
3Si+ 4HNO 3 + 18HF = 3H 2SiF6 + 4NO+ 8H 2O.
Скорость травления кремния в смеси кислот HF и HNO3 определяется диффузией реагентов к поверхности кремния. При этом
145
происходит сглаживание поверхностного рельефа. Выступы на поверхности травятся быстрее впадин вследствие более высокого градиента концентрации.
Травление в селективных травителях. Селективными травителями для кремния являются водные растворы щелочей и гидразин-гидрат (NH2)2⋅H2O. Химические реакции для этих травителей
имеют высокие энергии активации: 13 ккал/моль для 10 %-ного
раствора NaOH и 6−10 кал/моль для гидразин-гидрата. Для селективных травителей характерна большая разница в скоростях
травления различных кристаллографических плоскостей. Так, в
названных травителях плоскости (100) травятся в несколько десятков раз быстрее плоскостей (111). Поэтому травление в таких
травителях иногда называют анизотропным.
В технологии МСТУ применяются V-образные изолирующие области. Представленные на рис. 16.2 V-образные области получаются локальным травлением пластин кремния, ориентированных по
плоскости (100). Для маскирования используется пленка двуокиси
кремния. Границы окон в пленке SiO2 следует располагать по направлению пересечения плоскостей (111) с поверхностью, т. е. по
направлению (110). Каждую плоскость (100) пересекает ряд плоскостей (111). Анизотропный травитель растворяет плоскость (100)
до тех пор, пока не выявятся плоскости (111), начинающиеся у краев окна в пленке SiO2. Точность углов между плоскостями (в данном случае угол, образованный плоскостями (111) с вертикалью,
составляет 35,3 град) позволяет получить углубление строго определенной формы.
Анизотропное травление – неотъемлемый процесс при изготовлении МСТУ с балочными выводами (рис. 16.3).
35,3 град
(100)
SiO 2
(111)
Si
Рис. 16.2.Получение V-образных областей при локальном анизотропном
травлении кремния
146
Au
Si
Рис. 16.3. Структура кристалла с балочными выводами
Разделение пластины кремния на чипы с балочными выводами
методом анизотропного травления
Разделение пластины кремния на кристаллы также происходит
сквозным анизотропным травлением кремния – на участках между
балками (рис. 16.4).
1
2
3
Рис. 16.4. Разделение пластины кремния на чипы
На рис. 16.4 показано: 1 – пластина кремния с кристаллами
МСТУ; 2 – участки пластины, покрытые SiO2, на которых располагаются кристаллы МСТУ; 3 – участки пластины (окна в пленке
SiO2), вытравливаемые в анизотропном травителе.
147
17. Технологический процесс сборки, монтажа,
вакуумирования и герметизации
микросхемотехнических устройств
После того, как все основные технологические этапы создания
МСТУ (включая металлизацию) закончены, пластина, содержащая
сотни кристаллов МСТУ, разделяется методом скрайбирования,
т. е. процарапыванием вертикальных и горизонтальных рисок в
промежутках между кристаллами. После скрайбирования пластину помещают на мягкую резиновую подушку и с помощью нажатия
разламывают по рискам подобно тому, как стекольщик разламывает стекло по риске, нанесенной алмазным резцом. Годные кристаллы далее монтируются в корпуса. Другой метод разделения – дисковая резка пластин.
Сборка кристалла в корпусе начинается с операции, которую называют посадкой на ножку (под ножкой подразумевают дно корпуса). При этом кристалл приклеивается или припаивается (легким
плавким припоем) в средней части дна. Затем контактные площадки на кристалле соединяются со штырьками-выводами корпуса.
Соединения осуществляются с помощью тонких (20−30 мкм) алюминиевых или золотых проволочек, которые одним концом закрепляются на контактных площадках, а другие на торцах штырьков.
Надежный электрический контакт между металлическими деталями (в данном случае контакт проволочек со штырьками и контактными площадками) может быть обеспечен разными методами.
Наибольшее распространение в настоящее время имеет метод термокомпрессии, т. е. сочетание достаточного давления (прижатия деталей друг к другу) с повышенной температурой 200−300 °С, способствующей взаимной диффузии атомов из одной детали в другую.
Термокомпрессия, в свою очередь, реализуется в виде разных
конструктивных вариантов. Часто используется клинообразный
пуансон, который прижимает проволочку к металлической поверхности в поперечном направлении; на проволочке образуется
поперечный шов. Более совершенную конструкцию представляет
другое устройство: пуансон, в котором проволочка проходит по его
внутреннему каналу. У выхода пуансона при отрезании проволочки пламенем газовой горелки образуется парообразная капля (образование капли свойственно золотым проволочкам). Когда пуансон
снова прижимается к металлической поверхности, капля расплющивается и площадь контакта оказывается больше, чем поперечное сечение проволочки (термокомпрессия типа «шляпки гвоздя»).
Затем пуансон поднимается и пропускает через себя отрезок про148
волочки, достаточный для присоединения к другой детали. После
этого проволочка снова перерезается газовым пламенем. Операция
термокомпрессии, если она осуществляется оператором, производится под микроскопом. Однако возможен и автоматический процесс. Следует отметить, что термокомпрессионная сварка основана
на одновременном воздействии на свариваемые участки повышенной температуры и давления. Уровень давления подбирают таким
образом, чтобы проводник деформировался только после его разогрева. Сила давления 0,1−0,6 кг передается через сварочный инструмент. Место сварки нагревают не только газовой горелкой, но
еще тремя способами: специальным подогревателем (разогрев всей
подложки), подогретым сварочным инструментом или подсоединяемой проволокой, через которую пропускают импульс тока в месте
сварки. Режимы термокомпрессионной сварки не критичны и могут изменяться в достаточно широких пределах.
Существенными недостатками термокомпрессионной сварки
является трудность ее автоматизации и сравнительно невысокая
прочность свариваемого соединения. Более перспективной является ультразвуковая сварка (УЗ-сварка), обеспечивающая лучшее
качество соединений, разнородных по составу и толщине. Достоинством УЗ-сварки также является возможность ее выполнения
групповым методом.
Метод ультразвуковой сварки основан на одновременном воздействии колебаний ультразвуковой частоты, возбуждаемых в свариваемых деталях, и давления в области сварки. Под действием
продольных УЗ-колебаний разрушается окисная пленка контактирующих поверхностей, обнажаются чистые слои металлов. В результате давления и ультразвуковых колебаний в месте контакта
происходит металлургическое сращивание соприкасающихся поверхностей. Образуется довольно прочное соединение.
Основным требованием к сборочно-монтажным процессам создания МСТУ является обеспечение высокой плотности монтажа
и высокой надежности монтажных соединений, высокой производительности и низкой стоимости. Поэтому, наряду с корпусными
МСТУ используются и бескорпусные изделия. Процесс сборки и
монтажа бескорпусных МСТУ сводится к установке их на общую
подложку или коммутационную плату и подсоединению внешних
выводов этих элементов к пленочным контактным площадкам. Метод монтажа в значительной степени определяется типом выводов
МСТУ. В настоящее время наиболее широкое применение получили бескорпусные МСТУ с проволочными, шариковыми (столбиковыми), балочными и паучковыми выводами (рис. 17.1). Соответс149
твенно, и методы монтажа называют по типу выводов ИМСТ: метод
проволочного монтажа, метод перевернутого кристалла, метод балочных и паучковых выводов.
С точки зрения обеспечения отвода тепла наилучшие характеристики имеет конструкция МСТУ с проволочными выводами. В
сочетании с эвтектической пайкой она обеспечивает минимальное
тепловое сопротивление; МСТУ с паучковой конструкцией выводов
имеет такие же тепловые характеристики, что и МСТУ с проволочными выводами. Столбиковая конструкция выводов, а также паучковая и балочная позволяют устранить основной недостаток проволочного монтажа – индивидуальную ручную сборку.
МСТУ с мягкими выводами
МСТУ в промежуточной таре:
МСТУ с эвтектической посадкой:
МСТУ с жесткими выводами
МСТУ с припаянными шариками:
МСТУ с гальваническими столбиками
с высоким жестким основанием
МСТУ с паучковыми выводами
(алюминиевыми, приварные):
МСТУ с гальваническими
столбиками из мягкого припоя:
МСТУ с балочными выводами
(золотыми или алюминиевыми)
МСТУ с паучковыми
выводами припаянными:
Рис. 17.1.Виды конструкций бескорпусных микросистемотехнических
устройств
При всех указанных методах монтажа, кроме метода перевернутого кристалла, имеется возможность визуально контролировать
качество контактирования. Наилучшим материалом для контактных площадок является золото. Однако применение золота повышает стоимость МСТУ, создает трудности в производстве и требует
150
дополнительных мер для уменьшения его растворения в припое.
Поэтому достаточно широкое применение получило припойное
покрытие – в качестве материала контактных площадок. В качестве материала припойного покрытия обычно применяют олово с добавлением висмута (0,5 %). Поскольку этот материал не смачивает
диэлекрическую подложку, не имеет к ней адгезии, то приходится последовательно напылять хром, никель, олово. Важно, чтобы
максимальная толщина олова была всегда больше максимальной
неровности подложки.
Одним из факторов, определяющих надежность контактирования с полужесткими столбиковыми выводами, является согласованность коэффициента линейного расширения кремния и диэлектрической подложки. Чем больше число выводов в кристалле
МСТУ и больше разница коэффициентов, тем меньше устойчивость
соединения к циклическому воздействию тепла в интервале температур эксплуатации.
В процессе сборки бескорпусные МСТУ крепят на плате с помощью эпоксидных компаундов или эвтектических сплавов. В первом
случае переход активный элемент – подложка является электроизоляционным, во втором случае – омическим. Подбирая отвердители,
эпоксидным компаундам можно придать различные физические и
технологические свойства, высокую теплопроводность, желаемый
коэффициент линейного расширения, рабочую температуру, малую степень усадки и требуемую эластичность. При эвтектическом
спае на подложку в нужном месте наносят слой золота толщиной в
несколько микрометров, на который и помещают кристалл МСТУ.
Затем подложку с микросхемой разогревают до температуры, несколько превышающей температуру эвтектики кремний-золото
(370 °С). При такой температуре и некотором равномерном давлении на кристалл МСТУ взаимно растворяются кремний и золото, и
образуется эвтектический спай на границе раздела. Если толщина
пленки золота мала, то между ней и кремнием помещают таблетку
эвтектического сплава толщиной 10−20 мкм.
Мягкие же проволочные выводы МСТУ подсоединяют к контактным площадкам чаще всего термокомпрессионной или ультразвуковой сваркой.
Для защиты кристаллов МСТУ прибегают к корпусированию,
которое производят либо в вакууме, либо в среде инертного газа.
Дело том, что в реальных условиях эксплуатации МСТУ подвергаются воздействию различных факторов (тепла, влаги, агрессивных химических сред и т. д.). Для защиты от внешних воздействий
МСТУ герметизируют. Степень необходимой герметизации, ее спо151
собы зависят от назначения МСТУ и области их применения, материалов МСТУ, герметизирующих материалов, уровня развития
технологии и экономических соображений.
По конструктивно-технологическим признакам герметизация
разделяется на корпусную и бескорпусную. Эта герметизация является наиболее надежным способом защиты от влаги для чипов –
вакуум-плотная герметизация с использованием специальных
корпусов. В зависимости от материала, применяемого для изготовления корпусов и способа герметизации их внешних выводов, вакуум-плотные корпуса подразделяются на стеклянные, металлостеклянные, металлические, керамические и металлокерамические.
Для герметизации чипов МСТУ применяют в основном металлические, керамические и металлокерамические корпуса. Металлические корпуса штампуют из алюминиевого сплава, а затем анодируют для придания им декоративного вида. Для герметизации
чипы МСТУ устанавливают в анодированные корпуса и заливают
эпоксидным компаундом со стороны штырей (выводов).
Керамические и металлокерамические корпуса, как и металлостеклянные, состоят из двух частей: основания и крышки. Основание корпуса изготавливают из вакуум-плотной алюмосиликатной
керамики или окисла бериллия, характеризующихся повышенной
стойкостью к температурам, а крышку – либо из этой же керамики, либо из металла. При герметизации в металлокерамическом
корпусе коэффициенты линейного расширения материалов крышки и основания должны быть одинаковыми. Обычно металлическую крышку изготавливают из ковара, никеля, меди. Чтобы обеспечить прочное соединение крышки с керамическим основанием,
плоскости их контактирования металлизируют молибдено-марганцевой пастой с последующим осаждением слоя никеля или меди.
Крышку припаивают к основанию серебряным припоем. Кроме
того, для герметизации корпусов всех видов, используются лазерная, конденсаторная, роликовая герметизация – в зависимости от
применяемого оборудования. Качество герметизации определяется
скоростью натекания газов из внешней среды. Герметичность проверяют масс-спектрометрическим методом с помощью гелиевого
течеискателя.
Бескорпусную герметизацию выполняют в основном заливкой
чипов МСТУ в специальные заливочные формы. Герметизацию
производят в вакуумной камере или при небольшом избыточном
давлении. В качестве заливочных материалов применяют эпоксидные, кремний-органические и полиуретановые компаунды, а
также полиэфиры и полисульфиты. Наибольшее распространение
152
получили компаунды с различными наполнителями, обеспечивающими необходимые физические и технологические свойства: механическую прочность, теплопроводность, эластичность и пр. При
бескорпусной герметизации масса и габариты приблизительно в 1,5
раза, а стоимость примерно на 30 % меньше, чем при корпусной.
Однако бескорпусная герметизация, как и защита пластмассовыми корпусами, не обеспечивает надежной защиты чипов от влаги.
Дело в том, что даже в условиях нормальной влажности на поверхности защитного слоя чипа всегда имеется пленка воды толщиной около 0,01 мкм. А так как диаметр молекул воды значительно
меньше размеров микропор и микротрещин защитных материалов,
то проникновение влаги под защитный слой со временем неминуемо. И хотя этот процесс протекает очень медленно, со временем под
защитной пленкой накапливается влага. Как известно, вода – химически активное вещество, способствующее образованию солей,
щелочей, кислот. Поэтому появление под герметизирующим слоем воды приводит к образованию там концентрированного водного
раствора солей. Так как с внешней стороны пленки раствор солей
менее концентрированный, создаются условия для интенсивного
проникновения влаги под пленку. В результате под пленкой возникает значительное давление, приводящее к вспучиванию и отслаиванию защитного слоя.
153
18. Методы и средства контроля электрических
и физико-механических параметров
микросистемотехнических устройств
Проектирование МСТУ должно производиться с учетом условий
их производства, а также высокого качества выполнения сборочно-монтажных операций, что является единственно приемлемой
стратегией, позволяющей осуществить реализацию испытаний,
контроля внешнего вида и демонтажа (с целью ремонта) изготавливаемых изделий. Ремонт изделий с помощью замены неисправных компонентов приемами демонтажа представляет собой операцию тонкую, потенциально несущую в себе опасность повреждения
соседних компонентов, близлежащих паяных соединений и коммутационных дорожек и может быть приемлем только на уровне
ремонта систем, состоящих из отдельных МСТУ. Хорошо отлаженный процесс сборки и монтажа и надлежащее использование систем технического зрения при контроле внешнего вида обеспечивает
выход годных свыше 80 % в случае сложных МСТУ. Основным препятствием в достижении высокого уровня годных изделий при первом их предъявлении является несовершенство процесса пайки,
что вызывает необходимость внутрисхемного контроля. При этом
следует обеспечить совместимость испытательной оснастки с конструкцией МСТУ, требуются такие испытательные контрольные
площадки, которые рекомендуются выполнять (и проектировать)
только с одной стороны плат, на которых размещены МСТУ.
Следует отметить, что до сих пор нерешенной остается проблема
обеспечения высокого уровня выхода годных. Так, введение в технологический процесс изготовления МСТУ либо автоматизированного, либо ручного контроля связано с неадекватными затратами.
Единственно приемлемые решения проблем качества МСТУ обеспечиваются:
− проектированием МСТУ с максимальным учетом условий производства изделий;
− настройкой технологического процесса, а не изделия.
Обеспечение контролепригодности на этапе проектирования
является проблемой номер один при проектировании МСТУ. На
сборочно-монтажных линиях проводятся обычно два типа испытаний МСТУ: внутрисхемные и функциональные. Функциональные
испытания не связаны с конструкцией корпусов МСТУ, поскольку
подключение тестера может производиться через разъем платы с
установленными на ней МСТУ. Вместе с тем монтаж МСТУ нередко
связан с усложнением программирования последовательности кон154
трольных операций и снижением надежности испытаний, поскольку речь идет о контроле изделий сверхвысокой функциональной
сложности. Частично данная задача может быть решена с помощью
разработки средств группового контактирования для контроля и
использования программ, изолирующих (отделяющих от функциональной схемы устройства) неисправности. В тех случаях, когда
функциональные испытания не в состоянии обеспечить проверку
полного набора функциональных параметров испытуемого изделия, 100 %-ный входной контроль компонентов (отдельных МСТУ)
приобретает особое значение.
Современная техника монтажа оказывает большое влияние на
методы реализации внутрисхемных испытаний, при этом, например, требуется испытательная оснастка с «матричным» расположением для проведения внутрисхемных испытаний в требуемом
объеме. В этом случае такой оснасткой может стать уменьшенная
площадь контактных площадок и плат в целом.
Перечислим основные правила проектирования МСТУ с учетом
требований встроенного тест-контроля.
1. Местами зондирования должны быть испытательные контактные площадки или межслойные переходы, а не компоненты и
их выводы. При этом необходимо иметь ввиду, что введение испытательных контактных площадок снижает плотность монтажа до
10 %.
2. Следует избегать зондирования обеих сторон платы с МСТУ
(при проектировании).
3. Испытательные площадки, по мере возможности, должны
быть равномерно распределены по поверхности платы с МСТУ, так
как концентрация большего числа зондов в какой-либо зоне способствует ее прогибу.
Оснастка для внутрисхемных испытаний
Обычно оснастка используется при внутрисхемных испытаниях
и представляет собой набор игольчатых стержней, т. е. сформулированную матрицу подпружиненных зондов. Для создания надежного контакта зондов с испытуемой схемой применяется предварительная вакуумная фиксация платы с установленными МСТУ.
Отсюда следует, что плата с МСТУ не может иметь сквозных отверстий. Серьезной проблемой испытания высокочастотных МСТУ является то, что присоединительные провода испытательной оснастки существенно увеличивают емкость и индуктивность измеряемой
схемы и тем самым ухудшают ее характеристики. При этом вместо
155
проводов часто используются коаксиальные кабели, что несколько
смягчает проблему.
Другим направлением контроля являются схемы самотестирования МСТУ. Напряжение питания на эти схемы подается от источника питания МСТУ. Встроенная испытательная схема, работая по соответствующей программе, проверяет функциональные
параметры МСТУ. Основным недостатком такого способа испытаний является, естественно, значительное усложнение конструкции
сборки МСТУ и снижение эффективности ее использования. Однако реализация технологии системы на кристалле во многом решает
эту проблему.
Проблемы встроенного контроля можно упростить введением
стандартной «шины тестирования». Она имеет связь с наиболее
важными функциональными точками МСТУ и со встроенным (или
внешним) процессором, осуществляющим обработку результатов испытаний с помощью шины тестирования и обычных линий
ввода−вывода. Основное достоинство Т-схемы (как варианта стандартного испытательного средства) заключается в том, что она может быть реализована с помощью небольшого числа компонентов.
Увеличение стоимости изделия в этом случае может быть незначительным (примерно 1 %).
Кроме того, Т-схема позволит также уменьшить капиталовложения в автоматизированное испытательное оборудование, необходимое для нормальной работы технологической линии, а также
текущие расходы на него и одновременно обеспечит дополнительные возможности (например, самотестирование и калибровку) во
время работы.
Еще одним развивающимся подходом к испытаниям МСТУ, их
контролю и ремонту является разделение устройств на ячейки (части общей функциональной схемы), которые можно испытывать отдельно или, по крайней мере, с разумной степенью независимости,
поочередно. В этом случае для испытаний в каждой части схемы
МСТУ могут быть доступными значительно больше узлов, чем если
бы ИМСТ испытывалось как единое целое, и, таким образом, испытание оказывается существенно более полным.
Конкретным примерам реализации такого подхода является иерархическая техника испытаний (ИТИ). Система ИТИ представляет собой модуль (в виде платы стандартных размеров), подключаемый к испытуемому МСТУ в выбранных контрольных точках. Несколько таких модулей могут устанавливаться на соединительной
плате, образуя с ней систему для проведения испытаний. Каждая
плата первого уровня системы ИТИ имеет соединитель и с его по156
мощью может без пайки подключаться к плате второго уровня или
к испытуемому МСТУ.
Автоматизированный контроль микросистемотехнических
устройств с помощью систем технического зрения
Ручной контроль МСТУ весьма дорог и неэффективен, поскольку компоненты слишком малы по размеру. Единственным практически приемлемым решением является применение компьютеризованных систем технического зрения с высокой разрешающей способностью. Системами технического зрения укомплектовываются
все современные машины для позиционирования, обеспечивающие прецизионную установку выводов компонентов на контактные
площадки. Автоматизированный контроль реализуется в четырех
основных этапах технологического процесса создания МСТУ: нанесения припойной пасты, позиционирования компонентов, отверждения адгезива и проверки после пайки.
Существуют и другие бесконтактные методы контроля: с применением лазерного, инфракрасного, ультразвукового излучений и
рентгеноскопический. Они обычно дороги при реализации и поэтому их применение не всегда экономически оправдано.
157
19. Основы технологии производства
пьезоэлектрических микросистемотехнических
устройств
Рассмотрим общую схему технологического процесса производства пьезоэлектрических МСТУ, включающую выращивание и
механическую обработку пьезоэлектрических кристаллов, химическую обработку пластин, вакуумное напыление металлических
пленок, фотолитографию, разделение пластин на чипы, сборку,
монтаж, герметизацию. Технологический процесс изготовления
устройств пьезоэлектрических МСТУ можно разбить на три укрупненные стадии: изготовление подложки из пьезоэлектрика; нанесение металлических электродов; сборка устройства. Изготовление
подложки включает следующие основные операции: выращивание
и ориентация кристаллов, резка, полировка, шлифовка и отмывка.
При нанесении металлических электродов выполняются операции
отмывки, нанесения тонкой пленки металла и фотолитографии.
Сборка включает нанесение акустического поглотителя, приклейку пластины в корпус, монтаж электрических выводов и герметизацию.
Все приведенные технологические операции производства пьезоэлектрических МСТУ используются и в технологии изготовления интегральных микросхем. Однако применение пьезоэлектрических материалов вместо полупроводниковых, а также специфика производства пьезоэлектрических МСТУ поставили ряд требований к известным технологическим процессам. Так, устройства
пьезоэлектрических МСТУ требуют более точной ориентации
подложки, высокой разрешающей способности при изготовлении
элементов на больших площадках (иногда более 20 см2), высокого
качества герметизации. Вместе с тем существуют и значительные
упрощения в технологии изготовления пьезоэлектрических ИМСТ
по сравнению с технологией изготовления интегральных микросхем. Например, технология пьезоэлектрических МСТУ однослойная и поэтому исключаются сложные процессы совмещения слоев,
отсутствуют процессы диффузии и т. д.
Основой любого пьезоэлектрического МСТУ является пьзоэлектрик, в котором происходит возбуждение, детектирование и распространение поверхностных акустических волн (ПАВ). Поэтому
свойства этих материалов определяют параметры МСТУ. Рассмотрим, какие параметры характеризуют пьезоэлектрическое МСТУ.
Прежде всего, это скорость распространения ПАВ в пьезоэлектрике – основной параметр. Зная ее, легко определить такие пара158
метры электроакустического МСТУ, как период встречно-штыревого преобразователя для получения нужной средней частоты, границу верхних частот, а также габариты МСТУ.
Следующим важным параметром материала являются его пьезоэлектрические свойства. Мерой пьезоэлектрических свойств
пьезоэлектрического МСТУ является коэффициент электромеханической связи, отражающий относительную разность скоростей
распространения ПАВ на свободной поверхности и на поверхности,
покрытой идеально тонкой и проводящей металлической пленкой.
Каждый материал имеет свой температурный коэффициент частоты и обладает конкретной величиной температурной стабильности. Наибольшей температурной стабильностью из всех пьезоэлектриков обладает кварц, однако низкий коэффициент электромеханической связи не позволяет создать на его основе все требуемые
МСТУ. Пьезоэлектрики же с сильным пьезоэффектом, к сожалению, значительно уступают кварцу по температурной стабильности.
При создании пьезоэлектрических МСТУ, работающих на высоких частотах, необходимо учитывать и затухание ПАВ при распространении. Потери на распространение определяются тремя факторами: вязкостным затуханием в кристалле; расстоянием волны на
кристаллических дефектах и дефектах, возникающих в результате механической обработки, потерями энергии из-за присутствия
воздуха над поверхностью звукопровода. Влияние второго фактора
можно уменьшить, улучшая технологию обработки поверхности.
Воздушную нагрузку можно исключить, вакуумируя устройства.
Вязкостное же затухание присуще самому материалу.
Все эти факторы необходимо учитывать при изготовлении пьезоэлектрических МСТУ. Перейдем теперь к рассмотрению основных
шагов производства ИМСТ на пьезоэлектрических подложках.
Изготовление пьезоэлектрической подложки
микросистемотехнических устройств
Для ИМСТ применяются пьезоэлектрические подложки в форме параллелепипеда. Длина и ширина подложки определяются
размерами ВШП для фильтров и временем задержки для линий задержки. Толщина подложки должна быть не менее 5−10 длин волн.
На высоких частотах толщина подложки определяется удобством
изготовления и составляет 0,2−0,5 мм. С уменьшением толщины
уменьшается прямое прохождение сигнала. Однако при уменьшении толщины подложки возрастают паразитные емкости, поэтому
должен быть найден компромисс.
159
Многие пьезоэлектрические монокристаллы выращивают методом Чохральского в виде цилиндрических буль, диаметр которых
может достигать 50−100 мм и длиной 100−400 мм. Пьезоэлектрический монокристалл кварца выращивают в автоклавах высокого давления гидротермальным способом. Кристаллографические
направления в булях определяются ориентацией затравок, из которых выращивают кристалл. Первой стадией изготовления подложки является ориентация були рентгеновскими методами и
распиловка на заготовки на станках с алмазными дисками. После
распиловки пластины проходят подшлифовку для создания базовой поверхности необходимой ориентации с точностью ± 10−9, что
приемлемо для большинства МСТУ. После подшлифовки на шлифовальных станках обрабатывается контур, а затем обратная поверхность подложки.
Как и следует ожидать, ВШП, кроме ПАВ, возбуждает и объемные акустические волны, которые, многократно отражаясь от
нижней и верхней граней подложки, достигают ВШП, искажая
при этом характеристики устройства. Для подавления этих волн
обратную сторону подложки необходимо обрабатывать так, чтобы
объемные волны не отражались от нее, а рассеивались в ней. Для
этого на нее наносится алмазным диском насечка под углом к направлению распространения ПАВ. Шаг насечки может составлять
5−15 длин волн ПАВ, глубина равна половине шага. На низких
частотах (ниже 20 МГц) для увеличения эффективности рассеяния
объемных волн иногда наносят еще одну насечку, перпендикулярную первой. На высоких частотах (свыше 100 МГц) для эффективного рассеивания объемных волн достаточно обработать обратную
сторону подложки грубым шлифовальным порошком.
Перед полировкой пластины подвергают шлифовке порошком
М20 – при этом снимается слой 0,25 мм, порошком М10 – снимается слой 0,15 мм, и еще раз порошком М20 – снимается слой 0,1 мм.
Полировка пластин производится на плоскошлифовальных станках. Полировальником служит смола из древесного хека и канифоли. Для полировки кварца используется суспензия крокуса (полирита), с помощью которой снимается слой толщиной 5−10 мкм, а
для полировки ниобата лития – суспензия на основе синтетических
алмазных порошков ACH3/2 и ACH1/0. Скорость вращения шлифовального круга и давление на колодку с пластинами подбирают
экспериментальным методом, и обычно они, соответственно, составляют 50−200 мин−1; 0,5−2,0 H/см2. Процесс полировки пластин необходимо производить в отдельных технологических помещениях, имеющих низкую запыленность. Полировальные суспен160
зии должны быть тщательно приготовлены и не содержать частиц,
размер которых превышает размер частиц полирующего вещества.
После полировки пластины не должны иметь царапин и поверхность должна отвечать требованиям класса чистоты.
Описанный метод изготовления подложки позволяет изготавливать пьезоэлектрические МСТУ на частотах вплоть до 500−2000 МГц.
Однако при работе устройств на более высоких частотах необходимо дополнительно обрабатывать поверхность с целью уменьшения глубины нарушенного слоя. Широкое применение в производстве пьезоэлектрических МСТУ нашли химико-механические
методы полировки. Применение этих методов позволяет получить
качественную поверхность на подложках из ниобата лития.
Для удаления нарушенного слоя может применяться ионно-химическое травление (например, в среде фреона). Данным методом
можно удалять слои толщиной до 1 мкм.
Качество очистки подложки в значительной степени определяет
и характеристики подложки пьезоэлектрических МСТУ, и процент
выхода годных изделий. Процесс очистки подложки заключается
в тщательной отмывке ее от органических и механических загрязнений, а также в активации поверхности для повышения адгезии
металлической пленки. Процесс очистки кварца и ниобата лития
можно проводить по следующей схеме:
− обезжиривание в трихлорэтилене (C2HCl3), скорость обезжиривания увеличивается при температуре кипения, длительность
процесса составляет 10 мин;
− промывка кварца в ацетоне либо в этиловом спирте в течение
10 мин;
− отмывка в кислотном или щелочном растворе (можно использовать раствор двуххромовокислого калия, а также раствор перекиси водорода с добавлением щелочи; в обоих случаях подложки необходимо выдерживать в кипящем растворе в течение 15−20 мин);
− отмывка в проточной деионизированной воде с механической обработкой вращающимися колонковыми кистями в течение
30−40 мин (следует обратить внимание на качество деионизированной воды: в системах рециркуляции воды должны быть фильтры,
отфильтровывающие частицы размером более 0,25 мкм, и вода
должна иметь удельное сопротивление 10−18 МОм);
− сушка пластины проводится в центрифугах находящихся в
обеспыленных скафандрах.
Не вынимая из скафандра, пластины загружают в герметичные кассеты для передачи на другие операции. Недостаточно качественная очистка подложек обычно приводит к плохой адгезии
161
металлической пленки, а механические загрязнения и пылинки –
к проколам в пленке, которые ведут к обрывам электродов ВШП.
Несоблюдение режимов отмывки, а также некачественные приготовления растворов и воды может привести к 100 %-ному браку
при изготовлении пьезоэлектрические МСТУ.
Следующим шагом в создании пьезоэлектрических МСТУ является формирование на подложках электродных структур, включающее в себя процессы изготовления фотошаблонов и фотолитографии. Далее пластины подвергаются разделению на отдельные чипы
и затем поступают на сборку, монтаж и герметизацию. Указанные
процессы изготовления пьезоэлектрических МСТУ будут подробно
описаны в последующих разделах. Здесь же отметим лишь основные моменты, характерные для описанных шагов производства
МСТУ.
Изготовление фотошаблонов для пьезоэлектрических
микросистемотехнических устройств
Процесс изготовления фотошаблонов для пьезоэлектрических
МСТУ принципиально не отличается от аналогичного процесса для
интегральных микросхем. Однако имеется ряд особенностей, которые необходимо учитывать:
− для изготовления фотошаблонов на заданную частоту пьезоэлектрического МСТУ необходимо предварительно определить с
точностью до четвертого знака масштаб пересъема на фотоповторителе, на котором будут изготавливаться эталонные фотошаблоны;
− еще одно специфическое требование к фотошаблонам устройств МСТУ – размеры элементов топологии, такие, как входной
и выходной ВШП, многополосковый ответвитель, экранирующий
электрод − все эти элементы должны располагаться, согласно топологии на эталонном фотошаблоне.
Методы формирования электродных структур
для пьезоэлектрических микросистемотехнических устройств
При изготовлении пьезоэлектрических МСТУ, как и при изготовлении интегральных микросхем, применяется планарная технология. В основу процесса формирования топологии на подложке
методом фотолитографии положена способность некоторых высокомолекулярных соединений изменять свои свойства под действием
света. Такие соединения называют фоторезистами. Теоретический
предел разрешающей способности контактной фотолитографии равен длине волны светового излучения. Однако главным фактором,
162
ограничивающим разрешающую способность процесса фотолитографии, является дифракция света на элементах топологии.
Металлизация пьезоэлектрической подложки
В большинстве устройств МСТУ на основе пьезоэлектрических
эффектов ВШП изготавливаются из тонкой пленки алюминия,
нанесенной методами вакуумного напыления. Пленки алюминия
с подслоем состоят из кристаллов размерами 0,5−1 мкм. Толщина
пленки алюминия колеблется в пределах 0,05−0,3 мкм в зависимости от рабочей частоты устройства.
Конструкция пьезоэлектрических микросистемотехнических
устройств
Для защиты от внешних воздействий пьезоэлектрические подложки, на которых размещается структура устройств МСТУ, помещают в корпуса. Корпуса изготавливаются из высокопроводящих
материалов (металлов) – медь, латунь, алюминий – для электромагнитной развязки между входом и выходом устройства. Корпуса имеют высокочастотные герметичные выводы, расположенные
вблизи контактных площадок устройства МСТУ. Перед установкой
в корпуса пьезоэлектрическая пластина разрезается или скрайбируется и разламывается на отдельные чипы, каждый из которых
размещается в отдельном корпусе. Герметизация корпусов производится методом опайки оловянным припоем. Однако недостаток
этого процесса (непроизводительность, попадание паров флюса на
поверхность подложки) вызвали необходимость в применении холодной сварки. Пьезоэлектрическая пластина приклеивается на основание корпуса и разваривается либо золотой, либо алюминиевой
(с помощью ультразвуковой установки) проволокой. В некоторых
случаях при сборке МСТУ производится заполнение внутреннего
объема корпуса инертным газом.
163
20. Особенности технологии вакуумного
напыления пленок при изготовлении
пьезоэлектрических микросистемотехнических
устройств
Вопросы, связанные с электронно-лучевыми магнетронными
способами вакуумного напыления пленок, технологическими режимами и оборудованием, интересно рассмотреть на примере получения пьезоэлектрических пленок на основе формирования многослойных структур, используемых для создания систем хранения и
обработки оптической информации и находящих применение при
создании МСТУ.
Светочувствительный белок бактериородопсин, вырабатываемый некоторыми бактериями, способен замедлять скорость распространяющегося света до 0,1 мм/с. Технологические перспективы этого открытия самые многообещающие. Использование
молекул бактериородопсина (БР) для создания систем хранения
и обработки оптической информации является перспективным в
сочетании с различными материалами подложек. Большая часть
неудачных попыток использования уникальных свойств БР обусловлена их применением в виде макромассивов (в частности, сухих
пленок), когда электростатическое влияние молекул друг на друга, практически нивелирует наиболее чувствительные свойства
молекул БР (отметим, что строение зрительных клеток сходно со
строением фотонных кристаллов). Задача состоит в применении
ансамблей индивидуальных молекул БР, «заменяя» образование
протонного градиента искусственно создаваемыми электрическими полями при сохранении механизмов отрицательной обратной
связи, а именно в использовании внутримолекулярного механизма
фотопревращений и его зависимости от электрического поля. Для
этого используются различные системы, содержащие пленки БР с
нанесенными на них слоями различных материалов.
Модернизированная установка магнетронного распыления
Металлизация (нанесение слоев металлов) пленок БР представляет собой сложную задачу, поскольку при использовании стандартного оборудования весьма вероятно их повреждение. По указанной причине необходимо использовать модернизированную установку магнетронного распыления.
Модернизация установки заключается в монтаже охлаждаемого
жидким азотом (LN2) подложкодержателя, аналогичного устройству PLN100 фирмы ALCATEL [4]. Подложкодержатель необходим
164
для поддержания температуры пленки БР в процессе осаждения
металлов при температуре < 273 К, что предотвращает ее разрушение. Конструкция вакуумной камеры модернизированной установки приведена на рис. 20.1.
Подложкодержатель состоит из резервуара для LN2, воронки и
нагревателя, который служит для удаления LN2 из подложкодержателя после завершения технологического процесса. Нагреватель
представляет собой медный стержень диаметром 20 мм, на котором закреплена нихромовая спираль, обеспечивающая мощность
нагрева 150 Вт, а управление нагревателем осуществляется специальным электронным устройством.
При достижении температуры 300 К опорное напряжение становится равным падению напряжения на терморезисторе. Опорное
напряжение стабилизировано. Напряжение на выходе компаратора становится равным нулю, что вызывает отпускание электромагнитного реле, при этом контакты размыкаются и снимают напряжение (~220 В) с нагревателя. Одновременно, нормально разомкнутые контакты замыкаются и подготавливают включение цепи
клапана напуска в вакуумную камеру.
Воронка для
заливки LN 2
Тепловые
развязки
Нагреватель
Верхняя
плита
Подложкодержатель
Подложки
Ar
Терморезистор
Нижняя
плита
Заслонка
Магнетроны
Рис. 20.1.Конструкция модернизированной вакуумной камеры установки магнетронного распыления, предназначенной для нанесения
слоев металла на пленки бактериородопсина
165
Установка термического осаждения металлов
Помимо установки, рассмотренной в предыдущем разделе, для
осаждения на поверхность пленок БР слоев металлов использовалась специально разработанная установка электронно-лучевого
испарения (рис. 20.2) [1]. С целью улучшения чистоты осаждаемых материалов и упрощения возможности изготовления многослойных структур была выбрана конструкция испарителя с электронным нагревом, в которой отсутствует тигель [5]. Источником
испаряемого материала служат стержни диаметром ~3 мм. В процессе формирования пленок капля расплава держится на стержне
только за счет сил поверхностного натяжения, поэтому в подобных
конструкциях максимально достижимые скорости осаждения не
превышают 5 нм/с, что является достаточным для модификации
пленок БР металлами. Высокая чистота осаждаемых пленок достигается тем, что их загрязнение материалом тигля невозможно.
Установка состоит из вакуумного поста и стойки управления,
при этом вакуумная камера цилиндрической формы выполнена из
нержавеющей стали 12Х18Н10Т. Внутри вакуумной камеры размещен испаритель с электронным нагревом, охлаждаемый жидким азотом подложкодержатель (аналогичный приведенному на
Толщиномер
Подложкодержатель
LN2 Нагреватель
Датчик
измерителя
толщины
Отверстие
для откачки
Блок управления
вакуумной системой
Блок управления
заслонкой
Блок питания
электронной
пушки
Заслонка
Электронная
пушка
Диффузионный
насос
Рис. 20.2. Конструкция установки термического осаждения металлов
166
Подложкодержатель
Нагреватель
Подложка
LN2
Измеритель
толщины
Датчики толщиномера
VL1 VL2
Заслонка
Электронная
пушка
Y1
Измерительный
генератор
V1
N S
V3
V5
V2
Блок питания
электронной
пушки
Вакуумные магистрали
Силовые цепи
Цепи управления
V4
VL3
K V2V5
Блок управления
вакуумной системой
Рис. 20.3.Функциональная схема установки термического осаждения металлов
рис. 20.1), кварцевые датчики толщины пленки, заслонка электромагнитного типа.
На стойке управления, расположенной рядом с вакуумной камерой, размещены блок управления вакуумной системой, измеритель
толщины, блок управления заслонкой и блок питания испарителя.
Схема установки, на которой показаны взаимосвязи ее основных
узлов и блоков, приведена на рис. 20.3
Испаритель с электронным нагревом. Конструкция испарителя с электронным нагревом показана на рис. 20.4. Данная установка позволяет осаждать пленки Ta, W, C и др., причем W и C используются для электронно-микроскопических исследований (W осаждают на поверхность образцов для отвода заряда при исследовании
пленок на сканирующем электронном микроскопе, а С − для создания реплик при просвечивающей электронной микроскопии).
Испаритель с электронным нагревом состоит из водоохлаждаемого медного корпуса, в котором крепятся стержни из испаряемого
материала (Ta, W, Mo, графит и др.). Диаметр стержней составляет
3 мм. На корпусе с использованием изоляторов из керамики 22ХС
крепится основание, на котором расположены накаливаемые катоды из W, арматура крепления катодов и фокусирующие электроды.
Поскольку пленки БР чувствительны к электронной бомбардировке, с находящемся под нулевым потенциалом корпусом испарителя
соединен коллектор вторичных электронов, состоящий из оправки
167
Сетка
Коллектор электронов
Стержень из испаряемого
материала
Фокусирующий электрод
Основание
Вольфрамовый
катод
Высоковольтный
вакуумный ввод
Изолятор
Водоохлаждаемый
корпус
Узел охлаждения
Вода
Рис. 20.4. Конструкция испарителя с электронным нагревом
с закрепленной в ней вольфрамовой сетки. Испаритель смонтирован на фланце, где также размещены высоковольтные вакуумные
вводы. Испаритель является законченной конструкцией, которая
может быть встроена в любую вакуумную установку. Испаритель
имеет следующие характеристики:
− ускоряющее напряжение − 2500 В;
− максимальный ток эмиссии − 300 мА;
− напряжение накала 0−15 В;
− ток накала до 18 А;
− количество испаряемых материалов − 2.
Осаждение пленок производится при давлении в вакуумной камере 1,33·10–4 Па. При токе эмиссии 200 мА скорости осаждения
составляют для: Ta − 0,6−10 нм/с; W − 0,5−0,8 нм/c; С − 2−3 нм/с.
Блок измерения толщины слоев. Для получения воспроизводимых толщин осажденных слоев используется кварцевый измеритель толщины. Прибор, предназначенный для контроля толщины
осажденных пленок, имеет относительно низкую стабильность частоты опорного генератора (дрейф частоты составляет ~50 Гц/ч) [9].
Радикальным средством повышения стабильности частоты является отказ от однократного преобразования частоты с использованием генератора плавного диапазона (ГПД). В данном случае исполь168
зуется двойное преобразование частоты. Первая промежуточная
частота равна разнице частот между измерительным генератором,
резонатор которого размещен в вакуумной камере (начальная частота 6 МГц), и генератором опорной частоты (6,2 МГц), имеющим
кварцевую стабилизацию частоты. Смеситель выполнен по балансной схеме. Система термостатирования собрана на компараторе.
Датчиком температуры служит терморезистор, закрепленный на
корпусе ГПД. Нагревательный элемент (выполнен из нихромовой
проволоки диаметром 0,2 мм, сопротивление 50 Ом) также закреплен на корпусе ГПД.
169
21. Прецизионная фотолитография
при производстве микросистемотехнических
устройств на поверхностных акустических
волнах
Рассмотрим разрешающую способность, неравномерность края
протравленных структур, зависимость ширины топологических
элементов от режимов травления в процессе фотолитографии, технологическое оборудование. При изготовлении СМТУ на ПАВ, как
и при изготовлении интегральных микросхем, применяется планарная технология.
Рассмотрим процесс формирования топологии на подложке методом фотолитографии (рис. 21.1).
На рис. 21.1 приведены основные этапы фотолитографирования:
а − напыление металлической пленки; б − нанесения фоторезиста;
в − экспонирование через фотошаблон; г − проявление фоторезиста;
д − травление металлической пленки; е − удаление фоторезиста.
а) Металлическая пленка
б) Пленка фоторезиста
Подложка
в)
Освещение
Фотошаблон г)
д)
е)
Рис. 21.1. Основные этапы процесса фотолитографирования
170
В основу процесса положения способность некоторых высокомолекулярных соединений изменять свои свойства под действием
света. Такие соединения называют фоторезистами. Фоторезисты
бывают позитивными и негативными. Позитивный фоторезист разрушается под действием света, затем растворяется в проявителе и
удаляется. Негативный фоторезист полимеризуется под действием
света и не растворяется в проявителе. На рис. 21.1 показан пример экспонирования через фотошаблон позитивного фоторезиста.
Непроявленные участки фоторезиста служат маскирующим слоем
при травлении металлической пластины. Так как экспонирование
проводится через плотно прижатый к поверхности пластины фотошаблон, данный метод называется контактной фотолитографией.
Этот метод прост и удобен, позволяет автоматизировать процесс фотолитографии, осуществлять групповую обработку пластин на всех
стадиях формирования рисунка устройств на ПАВ.
Теоретический предел разрешающей способности контактной
фотолитографии равен длине волны активного излучения. При
использовании стандартных источников глубокого ультрафиолетового излучения разрешающая способность составляет примерно
0,2 мкм. Однако в настоящее время в производственных условиях
методом контактной фотолитографии создаются элементы с несколько большими размерами. Главным фактором, ограничивающим разрешающую способность, является дифракция света на
элементах топологии. Возникновение дифракционных эффектов,
искажающих изображение рисунка на слое фоторезиста, связано с
наличием зазора между фотошаблоном и рабочей пластиной. Даже
в условиях жесткого прижима шаблона к пластине контактирующие поверхности не прилегают друг к другу по всей плоскости из-за
неплоскостности как фотошаблона, так и рабочей пластины. Кроме
того, каждая пылинка, попадающая на контактирующие поверхности, валик фоторезиста по краю пластины, появляющиеся при
нанесении фоторезиста центрифугированием или толщина самого
фоторезиста, также приводит к образованию зазора. Оценка размера остаточного зазора при жестком прижиме по кольцам Ньютона
показала, что для пластин кварца и ниобата лития он составляет
от 3 до 5 мкм. Для получения качественных данных о допустимых
значениях зазора при формировании элементов разных размеров
приведены расчеты дифракционных распределений интенсивности на поверхности фоторезиста как функции условий экспонирования. В реальных условиях используются источники ультрафиолетового излучения с конечной шириной спектра и ограниченной
когерентностью вдоль волнового фронта. Однако размытие диф171
ракционной картины за счет этих эффектов не превышает 5 % по
сравнению с теорией. В основном, такое соответствие определяется
благодаря закону подобия дифракционных изображений. Суть его
состоит в том, что распределение интенсивности остается неизменным, если при увеличении размеров элементов на шаблоне в m раз
одновременно увеличивается произведение зазора на длину волны
в m2 раз. Однако на практике точность получения заданных геометрических размеров структур МСТУ на ПАВ определяется и режимами травления в процессе фотолитографии, и неравномерностью
края протравленных структур, что также влияет на ширину топологических элементов. Все эти особенности необходимо учитывать
при изготовлении фотошаблонов. Для этого необходимо выбрать
некоторые критерии оценки пригодности того или иного фотошаблона для получения неискаженного изображения при заданных
условиях. Такими критериями могут служить интенсивность освещенности под краем геометрической тени, как определяющая экспозицию, обеспечивающую точную передачу размера элемента, а
также разность интенсивностей освещенностей в главных дифракционных максимумах и минимумах в области геометрической тени
и света соответственно. На рис. 21.2 приведена картина расчетной
интенсивности освещенности под фотошаблоном с шириной линии
0,58 мкм.
Из результатов расчетов, приведенных на рис. 21.2, видно, что
распределение интенсивностей освещенности соответствует зазору
между фотошаблоном и пластиной приблизительно 0,2 мкм.
Возможно применение контактной фотолитографии для получения элементов субмикронных размеров. Так, при изготовлении
фотошаблона с рисунком на пленке Cr2O3, имеющей низкий коэффициент отражения, с размерами элементов ВШП на фотошаблоне
0,58 мкм, были получены реальные ВШП с размером электродов
0,58 мкм. При этом толщина стеклянной заготовки выбиралась
2,4 мкм
1,2 мкм
0,2 мкм
Промежуток
Линия
Рис. 21.2. Расчетная интенсивность освещенности под фотошаблоном
172
больше обычной для исключения изгиба при совмещении. Применение хромовых фотошаблонов дает возможность получения резонаторов ПАВ на частоту 1,3 ГГц и выше – с субмикронными размерами электродов ВШП.
Следует отметить, что при нанесении фоторезиста центрифугированием не обеспечивается идеально равномерный слой, что приводит к искажениям рисунка ВШП. Период модуляции ширины
штырей при этом точно совпадает с периодом колебаний толщины
фоторезиста и на крупных элементах (более 5−10 мкм) не замечен.
На элементах размером около 1 мкм колебания ширины линий
уже составляют 20 % от ширины линий на фотошаблоне. Эффект
модуляции ширины штыря также служит серьезным ограничением в достижении теоретического предела разрешения контактной
фотолитографии. Самым очевидным методом снижения дифракционных искажений является устранение зазора под фотошаблоном.
Однако неплоскостность пьезоподложек МСТУ и стекол фотошаблонов не позволяет осуществить их оптический контакт при экспонировании.
Наиболее перспективным методом устранения зазора при контактной фотолитографии является применение гибкого фотошаблона. Основой его является эластичное стекло толщиной около
0,2 мм. В качестве маскирующего слоя используется пленка хрома,
такая же, как стандартных фотошаблонов. Такой шаблон повторяет поверхность подложки, на которую экспонируется изображение.
На рис. 21.3 показан принцип экспонирования через гибкий фотошаблон. В специальную кассету 3 помещается пластина 2, покрытая фоторезистом, сверху накладывается гибкий фотошаблон 1, а
через специальный канал 4 в полости под шаблоном создается вакуум. Под действием атмосферного давления шаблон равномерно
прижимается к подложке. Зазор между шаблоном и подложкой в
Ультрафиолетовое
излучение
1
4
3
2
Рис. 21.3. Экспонирование через гибкий фотошаблон
173
этом случае может быть равен нулю. Поэтому применение гибкого
шаблона позволят получить ширину элементов, равную примерно 0,4 мкм. Так, при использовании гибкого шаблона толщиной
0,15 мм с помощью специальной вакуумной кассеты удалось реализовать дисперсионные линии задержки на ПАВ с шириной электродов 0,4 мкм. Рисунок на фотошаблоне получен с применением
электронно-лучевой литографии. Преимуществом гибкого шаблона является его более длительный срок службы благодаря тому, что
частицы пыли не приводят к порче шаблона в результате сильного
прижима к подложке, т. е. шаблон изгибается, сохраняя маскирующий слой хрома. Благодаря отсутствию зазора расширяется и
диапазон экспозиции.
Другим методом, позволяющим получить размер элементов,
приближающийся к теоретическому пределу, является проекционная фотолитография. Изображение экспонируется на пластину с фоторезистом через высокоразрешающий объектив, обычно с
уменьшением в 10 раз. При этом промежуточный фотошаблон, с
которого производится экспонирование, имеет увеличенные размеры, что позволяет их легко получать, кроме того, отсутствие
механического контакта неограниченно увеличивает срок службы
фотошаблона. Однако ограничивающими факторами здесь являются неплоскостность подложки (в результате изображение может
оказаться не в фокусе), а также аберрации объектива, снижающие
разрешающую способность.
Ограничение, связанное с дифракцией на апертуре объектива,
можно оценить по известной упрощенной формуле
αmin = (1,22 λ/2 ) А,
где αmin – минимальный размер элемента топологии; λ – длина волны света; А – чистовая апертура объектива.
Существующие в настоящее время оптические системы позволяют получить разрешения до 0,09 мкм. Однако несмотря на перечисленные недостатки, проекционная фотолитография позволяет
получать субмикронные элементы ВШП довольно простым способом по сравнению с электронно-лучевой литографией. Поэтому эта
технология производства МСТУ на ПАВ развивается самыми быстрыми темпами и находит самое широкое применение.
Так, при толщине фоторезиста 0,3 мкм и толщине пленки алюминия 0,05 мкм возможно получать методами проекционной фотолитографии линии задержки на частоту 2,2 ГГц с шириной электродов 0,425 мкм. Современная проекционная фотолитография
174
сможет конкурировать с электронно-лучевыми методами при получении элементов ВШП размерами до 0,09 мкм.
Существенные трудности при формировании рисунка с минимальными размерами элементов связаны с традиционным травлением металлической пленки. Применяемые обычно травители для
пленки алюминия на основе ортофосфорной кислоты хорошо себя
зарекомендовали для устройств на ПАВ с шириной штырей более
4−5 мкм. Для элементов меньших размеров эти травители не обеспечивают «мягкого» травления, и ошибка оператора во времени
травления на десятые доли секунды приводит к браку. Дефекты в
фоторезистивной пленке, ведут к разрыву электродов и браку всей
структуры. Поэтому для высокочастотных МСТУ на ПАВ весьма
эффективным является метод обратной фотолитографии.
На рис. 21.4 показана последовательность операций формирования изображения этим методом. На чистую подложку наносится пленка фоторезиста, которая экспонируется через негативный
фотошаблон. После проявления рисунка на пластину напыляется
тонкий слой алюминия, излишки которого удаляются при раствоб)
а)
Освещение
Фоторезист
Фотошаблон
Подложка
в)
г)
Позитивный фоторезист
д)
Al
Al
Рис. 21.4. Формирование топологии методом обратной фотолитографии
175
рении фоторезиста. Применение методов обратной фотолитографии
требует высокой точности экспонирования фоторезиста. Стенки
экспонируемых участков фоторезиста должны быть вертикальными. При малейшей расфокусировке края фоторезиста становятся
наклонными − и пленка алюминия не удаляется. Толщина пленки
алюминия должна быть значительно меньше толщины фоторезиста, например, 0,1−0,2 мкм при толщине фоторезиста 0,8−0,9 мкм.
После проявления и при напылении пленки подложку нельзя
нагревать до температуры выше 40 °С, так как при этом происходит
оплавление краев фоторезиста, что тоже приводит к браку. Однако
качество электронных структур, высокий процент выхода годных
изделий, простота метода, делают его основным при изготовлении
МСТУ на ПАВ на частоты свыше 100−200 МГц. На частотах же, где
ширина элементов устройств на ПАВ становится менее 1,5−2 мкм,
целесообразно применение гибких фотошаблонов и метода обратной фотолитографии. На более низких частотах можно использовать контактную фотолитографию, которая позволяет получать
ИМСТ на ПАВ групповыми методами. На высоких частотах необходимо использовать проекционные установки глубокого ультрафиолета.
Для проведения процессов фотолитографии применяется высокопроизводительное оборудование, на котором производится и
изготовление интегральным микросхем. Фоторезист наносится
методом центрифугирования на оборудовании, предназначенном
для работы с круглыми кремниевыми пластинами. Для нанесения
фоторезиста на прямоугольные пьезоэлектрические пластины применяется специальная оснастка, с помощью которой можно проводить нанесение фоторезиста на пластины длиной до 50−60 мкм.
Для нанесения фоторезиста на пластины больших размеров метод
центрифугирования не приемлем. Например, подложка для дисперсионных линий задержки достигает в длину 200 мм и более.
Для нанесения фоторезиста на такие пластины применяется метод
вытягивания пластины из фоторезиста. Благодаря малой скорости
вытягивания фоторезист, оставшийся на поверхности пластины,
успевает подсохнуть, не деформируясь, а силы поверхностного натяжения фоторезиста определяют толщину пленки, причем чем
больше скорость вытягивания, тем толще пленка.
Толщина пленки определяется также вязкостью фоторезиста.
Наиболее удачным для этого метода является фоторезист, обладающий повышенной вязкостью (8,4 сантиСтокса). Оптимальная
скорость его вытягивания составляет 3,2 см/мин, толщина пленки
при этой скорости − 0,8 мкм. Пленка легко проявляется и надежно
176
защищает металл при травлении. Данный метод менее производителен, чем центрифугирование, но он дает хорошие результаты на
пластинах длиной более 60 мм. Сушка фоторезиста может производиться как в сушильном шкафу, так и в установке инфракрасной сушки. При этом время процесса сокращается в несколько раз.
Температура сушки − 80−90°С.
Совмещение подложки с фотошаблоном при изготовлении
МСТУ на ПАВ значительно проще, чем совмещение при изготовлении интегральных микросхем. Топология устройства на ПАВ однослойная, а поэтому точность совмещения не определяется минимальными размерами элементов топологии, как при изготовлении
интегральных микросхем. При совмещении достаточно выдержать
параллельность граней подложки с контактными площадками
ВШП. Требования параллельности вытекает из необходимости получения заданной точности получения средней частоты устройства,
которая изменяется в зависимости от направления распространения ПАВ по подложке. Таким образом, единственным требованием
при совмещении является соблюдение допуска на угол разворота
топологии относительно грани подложки. Так, при угле разворота
топологии на кварце ST-среза на 1 град средняя частота устройства
на ПАВ изменяется примерно на 60⋅10−6 от f0. Обычно на фотошаблон наносятся фигуры (например, в виде крестов), обозначающие
углы пластины, по которым производится совмещение.
177
22. Особенности ионного и ионно-химического
травления отражающих решеток малой глубины
и переменного профиля
Разработка и внедрение в технологию МСТУ процессов ионного
травления направлены на преодоление тех недостатков, которые
свойственны жидкостному травлению:
− отклонение размеров элементов решеток ВШП на подложке и
металлических дорожек от размеров рисунка в фоторезистивной
маске; в результате бокового подтравливания под слоем фоторезиста увеличиваются размеры элементов и уменьшается ширина дорожек ВШП;
− неконтролируемое загрязнение поверхности подложки звуконосителя из-за недостаточной очистки от примесей жидкостных
травителей;
− трудоемкость операций химического травления и определенная сложность автоматизации этого процесса.
Ионно-плазменный метод травления
Разрушение мишени (катода) бомбардировкой ионов в плазме
тлеющего разряда может иметь самостоятельное значение. Если в
качестве мишени используется пластина звукопровода с нанесенной на ее поверхность тонкой пленкой металла, которую необходимо локально удалить, то в данном случае процесс разрушения
поверхности мишени принято называть ионно-плазменным травлением (рис. 22.1). При этом в качестве защитной маски может
использоваться материал с более низкой (по сравнению с пленкой)
скоростью травления. Основные закономерности процесса разрушения (травления) мишени и основные факторы, влияющие на
скорость удаления материала мишени, сводятся к следующему:
энергия бомбардирующих ионов, коэффициент распыления остаточных газов, угол падения ионов на поверхности мишени. Однако поскольку травление бывает локальным, то без установления
особенностей локального ионно-плазменного травления нельзя
правильно выбрать режимы травления и материалы для создания
маски.
На рис. 22.1 обозначено: 1 – поток ионов; 2 – маска; 3 – подложка. Поток ионов может быть с достаточно высокой точностью
направлен нормально к обрабатываемой поверхности, при этом
боковое подтравливание существенно ослабляется. Однако существуют факторы, нарушающие нормальное падение ионов к обрабатываемой поверхности, и без подавления действия этих факторов
178
1
2
α < 90 °
3
Рис. 22.1.Формы и размеры рисунка на начальной и более поздней стадиях травления
невозможно устранить боковой уход размеров элементов. Один из
них состоит в том, что боковые стенки защитной маски не являются вертикальными по всей глубине рельефа. Верхние углы маски
имеют некоторое закругление, поэтому на таких участках углы
падения ионов (отсчет ведется от поверхности) уменьшаются, а
скорость травления увеличивается. В результате первоначальные
незначительные закругления на углах маски приводят к резко выраженному изменению профиля ее боковых стенок и к изменению
формы и размеров, получаемых при травлении рисунков. Чтобы
снизить боковой уход размеров, необходимо выбирать для маски
материалы с низким коэффициентом распыления. Тогда влияние
изменения углов падения ионов будет снижено. При отклонении
боковых стенок маски от вертикали на форму и размеры рисунка
влияет также отражение ионов от боковых стенок маски. При снижении угла падения те ионы, которые отразились от боковых поверхностей, увеличивают поток бомбардирующих ионов на некотором расстоянии δ от края маски (рис. 22.2).
В результате вблизи края маски травление пленки происходит
на большую глубину по сравнению с центральной областью окна.
α
Маска
δ
Подложка
Рис. 22.2.Поток бомбардирующих ионов, возникающих из-за отражения
от боковых стенок маски
179
При наличии на подложке многослойной пленки это может вызвать протравливание нескольких слоев и привести к браку пластин, например, к коротким замыканиям. Влияние эффекта отражения можно уменьшить, изменяя угол падения ионов на боковые
стенки. Для этого необходимо при разработке реакционной камеры предусматривать возможность вращения держателя обрабатываемых пластин относительно направления ионного пучка. Кроме
того, условия экспонирования и проявления в процессе создания
маски нужно выбирать с учетом необходимости получения вертикальных стенок маски.
Другим фактором, влияющим на форму рисунка, является переосаждение распыляемого материала. Поверхность травления служит
одновременно и приемной поверхностью для атомов, распыляемых
с других участков вытравливаемой поверхности. Скорость травления определяется соотношением количества материала удаляемого с поверхности и принимаемого ею с других участков. Скорость
травления значительно уменьшается из-за переосаждения при вытравливании узких канавок. При этом они приобретают V-образную форму, и результатом переосаждения могут явиться короткие
замыкания между соседними дорожками (рис. 22.3). На рис. 22.3
обозначено: 1 – подложка; 2 – металлический слой; 3 – маска.
Учитывая эти факторы, можно сформулировать требования к
маскам при использовании ионного травления. Отношение скоростей травления материалов маски и пленки (поверхности травления) должно быть минимальным. Материал маски должен иметь
слабую зависимость коэффициента распыления от угла падения
ионов. Для ослабления эффекта переосаждения стравливаемого
материала и снижения размеров элементов рисунка толщина маски
должна быть минимально возможной при сохранении ее защитных
свойств. Угол наклона боковых стенок маски должен быть близок
к 90 град, а материал маски должен быть термостойким, поскольку
при повышении плотности ионного тока происходит интенсивный
разогрев подложки (мишени), подвергающейся травлению.
3
2
1
Рис. 22.3.Замыкание металлических дорожек вследствие вытравленных
областей V-образной формы
180
При ионном травлении используют маски трех типов: фоторезистивные (ФР) из полимерных органических материалов, металлические и графитовые. Скорости травления ФР масок (0,4–0,85 нм/с)
близки к скорости травления Si (0,49 нм/с) и SiO2 (0,44 нм/с). Поэтому при использовании этих масок глубина травления не должна превышать толщину маски. Для более точного воспроизведения размеров форм рисунков следует допускать только частичное
протравливание маски (рис. 22.3), поэтому глубина травления не
должна превышать примерно четверти толщины маски. Толщина
ФР-масок обычно составляет 0,5−1,5 мкм. Повышение стойкости
ФР-масок ионному травлению достигается некоторой модификацией обычного, применяемого в фотолитографировании, процесса
задубливания фоторезиста. Модификация заключается в использовании термообработки в среде азота или инертных газов, а не воздуха, а также в оптимизации температуры задубливания по стойкости к ионному травлению.
Недостатком ФР-масок является резкое увеличение скорости
их травления в зависимости от давления остаточных химически
активных газов (водорода, кислорода, паров воды) в реакционной
камере. Определенные трудности при использовании ФР-масок
возникают в силу их недостаточной термостойкости. Кроме того,
в структуре фоторезиста при ионной бомбардировке происходят
изменения, аналогичные тем, которые происходят при экспонировании. При этом фоторезисты становятся труднорастворимыми в
химических растворах, обычно используемых для их удаления.
Металлические маски получают из пленок Ti, Cr, V, Mo, Ta,
используя либо обычную фотолитографию, либо фотолитографию
с применением ионного травления через ФР-маски. На скорость
травления металлических масок также сильно влияет содержание
в реакционной камере химически активных газов, в частности,
кислорода. Но для металлических масок в отличие от ФР-масок
скорость травления резко падает. Поскольку присутствие активных
газов на скорость травления таких материалов, как кварц и т. п.,
влияет незначительно, металлические маски можно использовать
для глубокого ионного травления. Достоинством металлических масок является их высокая термостойкость, что позволяет повысить
плотность ионного тока и увеличить скорость травления. Удаление
металлических масок производится либо в жидких химических
травителях, либо ионным травлением. В последнем случае при расчете времени травления подложки необходимо учитывать время,
требуемое на удаление маски. Графитовые маски используют для
глубокого травления таких подложек и пленок, у которых скоро181
сти травления сравнимы со скоростями травления металлических
масок.
Плазмохимический метод травления
Наиболее широкое распространение получил плазмохимический метод удаления материала. Он используется и в тех случаях,
когда применяются обычные методы жидкостного травления, а
также в сочетании с методами ионно-плазменного травления. В качестве активного газа для удаления продуктов травления обычно
используют кислород, иногда с небольшими (до 1 %) добавками водорода или азота. Разрушение обрабатываемого материала происходит благодаря химическим реакциям между ионами активного
газа или другими активными частицами, образующимися в плазме
газового разряда, и атомами этого материала. При этом в результате
химических реакций образуются химические летучие соединения.
Активными частицами, вступающими в химическую реакцию,
являются атомарный кислород и озон, которые возникают благодаря диссоциации молекул кислорода в плазме газового разряда.
Концентрация атомарного кислорода в такой плазме оценивается
величиной 10–20 %. Наблюдаемое увеличение скорости удаления
продуктов травления при добавлении водорода и азота объясняют
их католическим действием в тех химических превращениях, которые приводят к появлению атомарного кислорода.
Схема установки для плазмохимического метода травления показана на рис. 22.4. На рис. 22.4 обозначены: 1 – разрядная камера;
2 − индуктор; 3 – крышка; 4 − натекатель; 5 – редуктор; 6, 7 – краны; 8 − баллон с кислородом.
Травление происходит в кислородной среде. Установка состоит
из кварцевой реакционно-разрядной камеры 1, в которой образу1
К насосу 7
2
3
4
5
6
8
Рис. 22.4. Схема установки для плазмохимического травления
182
ется ВЧ плазма, ВЧ индуктора 2, обеспечивающего индукционное
возбуждение газового разряда, газовой системы, позволяющей с
контролируемой скоростью (обычно 100−1000 см3 / мин) вводить
кислород в реакционно-разрядную камеру, и откачной системы.
Реакционно-разрядная камера 1 работает в условиях постоянного
натекания кислорода при непрерывной его откачке, при этом давление кислорода поддерживается на уровне 4 Па. Расположение
индуктора 2 вне реакционно-разрядной камеры повышает чистоту
химических процессов.
183
23. Конструкция корпусов
микросистемотехнических устройств
К микросистемотехническим устройствам в зависимости от назначения могут предъявляться различные требования: герметичность; вакуумирование; пригодность для поверхностного монтажа.
Требования герметичности и вакуумирования могут быть реализованы двумя способами: корпусированием; бескорпусной герметизацией.
Различают несколько видов корпусов: металлостеклянные; металлокерамические; металлические с различными разъемами (например, С-50 и т. д.); металлические с микрополосками.
Применяют следующие типы соединений.
1. Пайка.
2. Сварка:
− термокомпрессионная;
− контактная точечная;
− давлением с косвенным импульсным нагревом;
− ультразвуковая;
− лазерная;
− электронная.
3. Соединение с помощью контактов.
4. Соединение накруткой.
Для частот до 400 МГц очень хорошо подходят стандартные металлостеклянные корпуса. Проводящий материал корпуса обеспечивает хорошую развязку между входными выходными цепями
СВЧ устройств.
Для устройств в диапазоне частот свыше 400 МГц целесообразно
применять металлокерамические корпуса или специально фрезерованные корпуса, что обеспечивает наилучшую развязку входа и
выхода.
Все большее распространение получают матричные корпуса, эффективность применения которых возрастает при числе выводов
более 200 и уменьшениями расстояния между выводами до 0,5 мм.
Наиболее употребительные типы корпусов:
− РВСтА – пластмассовые корпуса с матрицей шаровых выводов;
− СВСтА – керамические корпуса с матрицей шаровых выводов;
− СССтА – керамические корпуса с матрицей столбиковых выводов;
− ТВСтА – матричные корпуса на ленте;
184
Кристалл
ИС
Столбиковые
выводы
Отверстие,
Основание заполненное Контактная
площадка
металлом
Герметизирующая рамка
Герметизирующая рамка
− CSP – корпуса размером с кристалл;
− Flip-chip – технология «перевернутого кристалла».
Среди бескорпусных методов герметизации следует выделить
группу Flip-chip-методов.
Рассмотрим вариант бесфлюсовой бескорпусной сборки полупроводниковых, акустоэлектронных и других электронных изделий размером с кристалл (рис. 23.1).
Разработана новая конструкция бескорпусной упаковки интегральных схем (ИС), акустоэлектронных устройств, других микроэлектронных компонентов и микроэлетромеханических изделий. Конструкция упаковки состоит из кристалла ИС или другого
бескорпусного компонента и диэлектрического (керамического,
ситаллового и т. п.) основания, равного кристаллу по размерам в
плане. Кристалл и основание снабжены столбиковыми выводами и
герметизирующими рамками, которые расположены по периметру
кристалла и основания. При этом столбиковые выводы и герметизирующая рамка на кристалле или на основании снабжены острыми жесткими вертикальными пиками, предназначенными для разрушения окисных пленок в процессе бесфлюсовой эвтектической
пайки. Диэлектрическое основание в зоне каждого столбикового
вывода имеет сквозные отверстия, заполненные металлом, заканчивающиеся с противоположной стороны наружными контактами
площадками для поверхностного монтажа.
Для обеспечения высокой производительности сборка ИС осуществляется на групповом диэлектрическом основании, которое
после контроля электрических параметров схем разрезается на отдельные ИС. В перспективе возможна организация процесса сборки с помощью совмещения пайки группового основания с групповой неразрезанной пластиной с ИС и последующей разрезкой «вафли» на отдельные ИС. Таким образом, весь процесс изготовления
Рис 23.1. Структура контактного узла бескорпусной упаковки
185
ИС становится интегрально-групповым. Конструкция упаковки и
способ сборки обладают следующими преимуществами:
− предельная минимизация массы и габаритов;
− исключение необходимости применения корпусов;
− предельная простота конструкции и высокая технологичность
изделия;
− обеспечение бесфлюсовой сборки без восстановительной среды;
− возможность осуществления интегрально-группового процесса до и после операции;
− как следствие, низкая себестоимость изделия.
Такое конструкторско-технологическое решение улучшает массогабаритные характеристики и тактико-технические параметры
электронной аппаратуры практически всех видов и характеризует,
по существу, новое поколение электронной техники.
Для повышения эффективности данного направления в промышленном производстве необходимо создать комплекс автоматизированного оборудования для сборки и контроля (сборочный
кластер) изделий электронной техники указанной конструкции,
что обеспечит высокую производительность и низкую себестоимость изделий.
186
Заключение
Датчики, или первичные измерительные преобразователи, являются важнейшими элементами информационно-измерительных
систем. Они, преобразуя неэлектрические физические величины в
электрические сигналы, находят разнообразные области применения во всех сферах жизнедеятельности человека. В рамках технологии микросистем развиваются следующие технологические направления.
1. Групповая технология поверхностной микромеханики на основе процессов тотального нанесения и избирательного удаления
слоев.
2. Групповые технологии объемной микромеханики, реализуемые в виде:
− технологии глубинного объемного травления;
− LIGА-технологии (технологии матричного микрокопирования);
− волоконной технологии.
3. Технология индивидуального формообразования методами
локального стимулирования роста (полимеризации), корпускулярно-лучевого и электростатического микропрофилирования, а также алмазного фрезерования.
Технологии объемной микромеханики позволяют активно развивать в конструкторско-технологическом плане третье измерение и поэтому по технологическим приемам и оборудованию они
существенно отличаются от традиционных операций планарного
процесса, известного из кремниевой технологии.
К современным групповым технологиям поверхностной и объемной микромеханики, а также корпускулярно-лучевого формообразования относятся:
− технология поверхностной микромеханики;
− технология объемной микромеханики;
− технология глубинного объемного травления;
− LIGA-технология;
− волоконная технология;
− технология корпускулярно-лучевого формообразования.
Существует два основных направления получения объемных
микрообъектов за счет лазерной стимуляции:
− лазерное осаждение из газовой фазы (LCVD);
− фотостимулированная полимеризация.
Последний вариант получения объемных микрообъектов из полимеров назван мuкростереолuтографuей.
187
Темпы роста в микроэлектронике основаны на эффективных
технологиях проектирования и производства. Воспроизводимость
параметров изделий и их надежность основаны на использовании
кристалла (совершенной структуры) в качестве основного носителя
компонентов и межсоединений. Групповой характер изготовления
кристаллов (даже в случае индивидуальной обработки пластины)
обеспечивает высокие экономические показатели производства.
Опыт в области микроэлектроники служит фундаментом при создании микросистем и изделий микроэлектромеханики. Это подтверждается практикой разработки и производства полупроводниковых микроэлектронных датчиков.
Одно из наиболее перспективных направлений − биохимические МСТУ. Они позволяют решить проблему массовых и дешевых
анализов. Прогресс биотехнологий позволяет быстро и надежно
устанавливать заболевание и своевременно обеспечивать нужную
профилактику.
Выбор КМОП-технологии в качестве базовой был продиктован
не только ее распространенностью, но и возможностью варьировать
различные приложения в технологии, схемотехнике и компоновке
полупроводниковых приборов. КМОП обеспечивает:
− создание на одном полупроводниковом кристалле чувствительного элемента и схем усиления, нормализации и обработки
сигналов;
− минимальное энергопотребление и достаточно высокую помехозащищенность;
− благоприятную для изготовления целого ряда изделий микромеханики ориентацию поверхности кремниевой пластины.
Эти свойства делают КМОП базовой технологией для создания
микроэлектронных датчиков. Многие датчики имеют свои особенности и не могут быть полностью изготовлены в рамках стандартного конструктивно-технологического базиса КМОП-приборов.
При ориентации на массовое производство миниатюрных объектов, прежде всего, необходимо разработать методы самосборки и
самоорганизации. Поскольку элементные блоки МСТ и НТ (атомы
и молекулы) – малы, то если собирать их последовательно, процесс
сборки будет очень длительным. Природа использует массовый параллелизм и самосборку для массового производства и принципы
эволюции для отбора хорошего решения.
Переход в нанообласть миниатюризации связан с двумя факторами. Один из них переход к размерам менее 100 нм (хотя бы в
одном измерении). Второй − это переход в явном виде от законов
классической физики к квантовым. Эти факторы могут сочетать188
ся, но могут действовать и раздельно в определенных диапазонах
размеров. Фактор размеров проявился, прежде всего, в слоистых
структурах. Минимизация одного из размеров (толщины) часто
приводит и к новым качествам изделий. Технические параметры
изделий на КНИ-структурах (интегральных схем и сенсоров) оказываются часто на порядок лучше, чем на объемном кремнии.
Революционным для электроники стало использование структур с гетеропереходами для активных компонентов и многослойных наноструктур, для магниточувствительных структур запоминающих устройств вычислительной техники на базе эффекта гигантского магнитосопротивления.
Другим перспективным направлением являются фуллерены,
обладающие уникальными свойствами, связанными с их структурой и наноразмерами. Высокое отношение площади поверхности
к объему, характерное для миниатюрных объектов, химические
свойства поверхности, возможность существенно менять электрофизические свойства − от характеристик проводника до диэлектрика − сразу вызвали большой поток предложений по возможным
способам использования. Перечислим некоторые из них: зонды,
включая зонды для туннельных и атомно-силовых микроскопов;
сверхострые катоды и элементы транзистора в электронике; эффективные катализаторы и хранилища для газов; шаблоны для изготовления нанотрубок из других материалов и т. д. В настоящее
время именно фуллерены служат основой практического промышленного использования нанотехнологии. Как и в случае использования человечеством металлов, практическое значение приобретают прежде всего их высокие механические свойства (например, для
применения в композитах).
Мировой фонд финансирования исследований в области микрои нанотехнологий составляет несколько миллиардов долларов, а
ожидаемый вклад в мировой рынок − несколько триллионов долларов. Однако следует иметь ввиду чрезвычайную широту потенциального рынка МСТУ: от мази для лыж до искусственных органов человека. Реальная значимость приложений МСТУ связана со
степенью технологического обеспечения массового производства.
Наибольший прогресс достигнут в создании новых композитных
материалов. Перспективная одежда может менять свою прочность,
жесткость, проницаемость с помощью воздействия на свойства волокон, заполненных, например, магнитными наночастицами. Другим примером практического применения МСТУ может быть технология корпорации Pikington по нанесению 40 нм специального
слоя на поверхность оконного стекла, в результате чего она стано189
вится гидрофильной и сплошная пленка воды смывает грязь. Противоположное действие оказывает пленка с «лотос-эффектом». В
этом случае поверхность становится гидрофобной и самоочищается
от загрязнений. В микроэлектронике, классическом примере массового производства высокотехнологичных изделий, нанотехнология станет эффективной, если будут найдены способы параллельной
(групповой) обработки за счет самоорганизации. Наиболее вероятен
процесс освоения области размеров < 10 нм в электронике и МСТ за
счет различных форм комбинирования традиционных технологий
и материалов с новыми процессами и привлечением новых материалов, в природе которых заложена возможность осуществления подобных процессов (полимеры, биомолекулы). Существенное значение имеет выбор основных топологических элементов, из которых
будут строится новые приборы наноэлектроники и наноэлектромеханические системы. Уникальные параметры, которые были получены на наноразмерных объектах, известны сравнительно давно.
Главным препятствием их практического применения всегда является отсутствие надежной технологии массового производства.
Единственным прибором микроэлектроники, сохраняющим свои
переключательные свойства до 6−10 нм является кремниевый полевой нанотранзистор со структурой МДП. Анализ положения в разработке приборов наноэлектроники показал, что для области около
1 нм к 2001 г. не было предложено нанотехнологий для массового
производства приборов и интегральных схем. Однако в целом очевиден прогресс в решении проблем наноэлектроники при освоении
области 10−1 нм. Например, появились технологии повышения однородности квантовых точек для одноэлектронных транзисторов.
Реперные точки истории (и прогноза) нанотехнологии могут
быть определены из разных предпосылок. Специалисты фирмы
Nonmix Inc., созданной в 2000 г. при университете Беркли, представили линейную шкалу: 1980 г. − наночастицы (Тi02 в солнечных
экранах); 1990 г. − нанокомпозиты; 2010 г. − наноэлектроника;
2020 г. − спинтроника, квантовый компьютинг, далее системы памяти на одном электроне или атоме.
Разработка фирмой Infineon методов точного позиционирования углеродных нанотрубок на кремниевых пластинах существенно продвигает их использование как элементов в субмикрометровом массовом производстве интегральных схем. Вместе с тем идея
создания наноприборов на базе самих углеродных нанотрубок ставится под сомнение, так как невозможно изменять их физические
свойства по длине. Нанокомпоненты важны для создания не только
активных элементов на чипе, но и дополнительных элементов, обес190
печивающих их функционирование. Уже сейчас технология МСТ
используется для создания матрицы микрофлюидных каналов на
обратной стороне интегрального чипа в целях отвода теплоты. Запатентован метод охлаждения с помощью «коронного ветра», который создается разрядом на матрице углеродных нанотрубок в кварцевой подложке, или на поликристаллических алмазных пленках.
Число предложений по применению нанотехнологий в электронике
постоянно растет, но доля тех из них, которые позволяют перейти
к технологиям массового производства, пока невелика. Широкий
фронт исследований вступает в противоречие с задачей доведения
результатов научных исследований до практического результата.
В Англии первая программа по нанотехнологии началась в середине 1980-х гг. В июле 2003 г. принята новая государственная шестилетняя программа с объемом финансирования на 160 млн дол.
(Micro and Nanotechnology Manufacturing Initiative). Несомненно, что широкое распространение наноустройств и наноприборов
(включая наноэлектронику) может произойти только тогда, когда
конкретные изделия станут основой массового производства. Перечислим основные достижения современной МЭМС технологии.
1. Дискретный химический дозатор на основе микрожидкостного чипа. Контролируемое химическое расщепление находит множество применений, включая уход за больными диабетом и стимуляцию нейронов. Методы дискретного химического отделения
позволяют разделять объемы в пиколитр химических растворов,
размер которых достигает 100 мкм за промежуток в 20 мкс. Механизм основан на переносе дискретно выделяемых капель с сопла на
воспринимающую апертуру через гидрофобную камеру с гидравлическим затвором. Этот метод может быть ключом к технологии
контролируемого точного выделения биохимикатов, сильнодействующих медикаментов и нейротрансмиттеров для современных
клинических и терапевтических исследований.
2. Двухосный электромагнитный сканирующий микроотражатель. Сканер состоит из однокристального кремниевого микроотражателя в кардановом подвесе и одного витка гальванизированного металлического кольца, смонтированного пассивно над площадкой, обладающей концентрическим постоянным магнитным
полем. Силовое возбуждение карданового подвеса и резонансное
возбуждение микроотражателя приводит к медленному вертикальному и быстрому горизонтальному сканированию.
3. Жидкостная клиновидная призма с настройкой по углу с помощью электроувлажнения. Клиновидные призмы используются в
малогабаритных камерах или эндоскопах, поскольку такие призмы
191
позволяют изменить обзор без использования крупногабаритных
инструментов. Данная призма состоит из двух граней, параллельных друг к другу и жидкости, заполняющей пространство между
ними. При изменении угла между пластинами призма приобретает клиновидную форму. Электроувлажнение используется для изменения угла призмы. Это обеспечивает малые размеры призмы,
тогда как жидкость, управляемая электроувлажнителем, работает
как призма.
4. Детектор частиц на основе МЭМС разрабатывается на основе
аэрозольной технологии и реализуется с использованием микромашинных процессов. Устройство состоит из двух частей:
− микроскопический виртуальный импактор для классификации частиц по размерам;
− микроразрядник коронного разряда для определения концентрации частиц.
Интегрированный чип используется для классификации частиц
больших и малых размеров и окончательного определения величины концентрации частиц на основе измерения их заряда. После оборудования, осуществлявшего конвективное детектирование
частиц, и имевшего большие габариты, данное устройство может
стать первым среди недорогих устройств мониторинга в реальном
времени.
5. Микроэлектромеханический пьезоэлектрический генератор
микромощностей на радиоизотопах. Микроскопический генератор
RPG (Radioisotope-powered Piezoelectric Generator, генератор на
основе пьезоэлектрического эффекта с применением радиоактивных изотопов) с высокой эффективностью преобразования ядерной
энергии в электрическую (до 4 %). Генератор позволяет напрямую
преобразовывать кинетическую энергию β-частиц в электромеханическую энергию, а используя пьезоэффект, получать из механической энергии электрическую. Этот метод позволяет получить
высокую выходную мощность – 1,13 мкВт, в то время как радиоактивные пленки вырабатывают непрерывно только 100 нВт энергии.
6. Новый способ трехмерной литографии основан на использовании PDLC-пленок (Polymer Dispersed Liquid Crystal, жидкие кристаллы с рассредоточенными полимерами). Разброс или коэффициент передачи УФ-лучей через PDLC-пленку варьируется изменением напряжения на электродах. Различные наклоны и профили
трехмерной фоторезистивной фотоструктуры легко и эффективно
изготавливаются с помощью контроля прикладываемых напряже192
ний и времени смещения в процессе однократного облучения УФволнами в процессе литографии.
7. Трехмерные магнитные пинцеты для исследования характеристик одиночных молекул ДНК. На основе МЭМС были разработаны магнитные пинцеты для манипуляций одиночными 2 нм молекулами ДНК. Новый аппарат использует магнитные силы выше
20 нм, с меньшим перегревом по сравнению с другими методами,
разрешая при этом растяжение молекулы ДНК для исследования
энтропии и эластичности. Микромеханические резонаторы – технология многообещающая, которая может вытеснить генераторы
на кварцевых кристаллах. Точные модели резонаторов, в том числе DETF-резонатора (Double Ended Tuning Fork, двух стержневой
камертон) с одним якорем, с инкапсулированным эпитаксиальным
слоем кремния активно исследуются в настоящее время.
Рассмотренные в учебном пособии вопросы дают только базовые
знания в сложнейшем и наиболее высокотехнологичном направлении развития промышленности – микросистемотехнике.
193
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Алферов Ж. И. и др. Наноматериалы и нанотехнологии // Микросистемная техника. 2003. № 8. С. 3−13.
2. Броудай И., Мерай Д. Физические основы микротехнологии.
М.: Мир, 1985. 494 с.
3. Быстров Ю. А., Колгин Е. А., Котлецов Б. Н. Технологический
контроль размеров в микроэлектронном производстве. М.: Радио и
связь, 1998. 168 с.
4. Ваганов В. И. Интегральные тензопреобразователи. М.: Энергоатомиздат, 1983. 136 с.
5. Волков В. А. Сборка и герметизация микроэлектронных устройств. М.: Радио и связь, 1982. 144 с.
6. Вульвет Дж. Датчики в цифровых системах. М.: Энергоиздат,
1981. 2000 с.
7. Ефимов И. Е., Козырь И. Я., Горбунов Ю. И. Микроэлектроника. М.: Высш. шк., 1987. 416 с.
8. Киселев В. К., Князев И. А., Никулин С. М., Труфанова, Т. В.
Принципы построения датчиков физических величин на ПАВ //
Датчики и системы. 2003. № 10. С. 8−11.
9. Левшина Е. С.,Новицкий П. В. Электрические измерения физических величин (измерительные преобразователи): учебное пособие для вузов. Л.: Энергоатомиздат, 1983. 320 с.
10. Малов В. В. Пьезорезонансные датчики. М.: Энергия, 1978.
248 с.
11. Мокров Е. А. Интегральные датчики. Состояние разработок
и производства. Направление развития и объемы рынка // Датчики и системы. 2000. № 1. С. 28−30.
12. Морган Д. Устройства обработки сигналов на поверхностных
акустических волнах / пер. с англ. М.: Радио и связь, 1990.
13. Моро У. Микролитография. М.: Мир, 1990. Т. 1−2. 1240 с.
14. Мэзон У. Полупроводниковые преобразователи // Физическая акустика / под ред. У. Мэзона. М.: Мир, 1967. Т.1. С. 139−186.
15. Нано- и микросистемная техника. От исследований к разработкам // Сб. ст. под ред. П. П. Мальцева. М.: Техносфера, 2005.
592 с.
16. Новиков В. В. Теоретические основы микроэлектроники,
1972 г.
17. Обухов В. И. Технология интегральных измерительных преобразователей / РИО НГТУ, Нижний Новгород, 1996. 150 с.
18. Орлов В. С., Бондаренко В. С. Фильтры на поверхностных
акустических волнах. М.: Радио и связь, 1984. 410 с.
194
19. Пичугин И. Г., Таиров Ю. М. Технология полупроводниковых приборов. М.: Высш. шк., 1984. 288 с.
20. Погалов А.И., Тимошенков В. П., Тимошенков С. П., Чаплыгин Ю. А. Разработка микрогироскопов на основе многослойных
структур кремния и стекла // Микросистемная техника. 1999.
№ 1. С. 36−41.
21. Распопов В. Я. Микромеханические приборы / ТулГУ, 2002.
392 с.
22. Речицкий В. И. Акустоэлектронные радиокомпоненты: элементы и устройства на поверхностных акустических волнах. М.:
Сов. радио, 1980. 240 c.
23. Тил У., Лахсон Дж. Интегральные схемы. Материалы, приборы, изготовление. М.: Мир, 1985. 504 с.
24. Черняев В. Н. Физико-химические процессы в технологии
РЭА. М.: Высш. шк., 1987. 376 с.
25. Черняев В. Н. Технология производства интегральных микросхем и микропроцессоров. М.: Радио и связь, 1987. 464 с.
26. Madou M. I. Fundamentals of microfabrication. CRC PRESS,
2002. 340 p.
27. Slobodnik A. J. Materials and their influence on performance //
Acoustic Surface Waves, Springer. 1978. 450 p.
195
Учебное издание
Шубарев Валерий Антонович
Пикулев Валерий Александрович
Богословский Сергей Владимирович
Сапожников Геннадий Анатольевич
Перлюк Владимир Владимирович
ОСНОВЫ МИКРОСИСТЕМОТЕХНИКИ
Учебное пособие
Редактор А. В. Семенчук
Верстальщик С. Б. Мацапура
Сдано в набор 15.05.08. Подписано к печати 23.06.08.
Формат 60×84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная.
Усл.-печ. л. 11,4. Уч.-изд. л. 12,4. Тираж 150 экз. Заказ №
Редакционно-издательский центр ГУАП
190000, Санкт-Петербург, Б. Морская ул., 67
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
32
Размер файла
4 710 Кб
Теги
bogoslovskiy
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа