Особенности формирования микроэлектромеханических элементов первичных преобразователей информации

ЭЛЕКТРОНИКА, ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА И РАДИОТЕХНИКА

УДК 681.518

И. А. Аверин, В. Е. Пауткин

ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ МИКРОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ ПЕРВИЧНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ИНФОРМАЦИИ

Аннотация.

Актуальность и цели. Цель работы: анализ технологических особенностей формообразования кремниевых кристаллов акселерометров - элементов первичных преобразователей информации, выполненных на основе базовых МЭМС-технологий. Применение монокристаллического кремния в качестве конструкционного материала при создании датчиков позволило вывести на качественно новый уровень технические характеристики приборов, получивших общее название МЭМС-датчиков. Одними из наиболее распространенных приборов, выполненных по МЭМС-технологиям, являются микромеханиче-ские акселерометры емкостного и пьезорезисторного типа.

Материалы и методы. Кремниевые микромеханические акселерометры изготавливаются по технологиям поверхностной либо объемной микромеханики. Показаны преимущества и недостатки рассмотренных технологий: поверхностная микрообработка позволяет формировать множество чувствительных элементов для создания акселерометров массового производства, а технологии объемной микрообработки менее производительны, но обеспечивают получение чувствительных элементов акселерометров с высокими выходными параметрами.

Результаты и выводы. Преимущества чувствительного элемента, выполненного по технологии объемной микромеханики, заключаются в высоких метрологических и эксплуатационных характеристиках за счет большой величины инерционной массы по сравнению с чувствительными элементами, выполненными по технологии поверхностной микрообработки. Отличительной особенностью чувствительных элементов пьезорезисторного типа по сравнению с емкостными является более сложный технологический процесс, обусловленный необходимостью формирования пьезорезисторов на поверхности упругих перемычек. Выходные параметры МЭМС-приборов определяются технологическими особенностями изготовления кремниевых кристаллов МЭМС-акселерометров.

Ключевые слова: МЭМС, акселерометр, технологии поверхностной и объемной микромеханики.

I. A. Averin, V. E. Pautkin

FORMATION FEATURES OF MICROELECTROMECHANICAL ELEMENTS OF PRIMARY INFORMATION CONVERTERS

Abstract.

Background. The aim of the work is to analyze technological features of formation of silicon accelerometer crystals - elements of primary information converters based on basic MEMS -technologies. Application of the single-crystal silicon as a structural material in creation of sensors allowed to bring a new level of technical characteristics of the devices that received the common name of MEMS-sensors. One of the most common devices manufactured by MEMS-technologies is a micromechanical accelerometer of capacitive and piezoresistive type.

Materials and methods. Silicon micromechanical accelerometers are manufactured using surface or bulk micromechanics. The article shows advantages and limitations of the considered technologies as follows: surface micromachining allows to form a plurality of sensing elements to create accelerometer mass production, and bulk micromechanics technology is less powerful, but provide formation of sensitive elements of accelerometers with high output parameters.

Result and inclusions. Advantages of the sensing element formed by bulk micromechanics technologies consist in high metrological and operational characteristics due to the large magnitude of the inertial mass compared with the sensitive elements made by surface micromechanics technologies. A distinctive feature of the sensing elements of piezoresistive type compared with the capacitive ones is a more complex process due to the need of development of the elastic piezo bridges on the surface. Output parameters of MEMS-devices are determined by technological features of silicon crystals MEMS-accelerometers production.

Key words: MEMS, accelerometer, surface and bulk micromechanics.

Применение монокристаллического кремния в качестве конструкционного материала при создании датчиков физических величин - элементов первичных преобразователей информации, позволило вывести на качественно новый уровень технические характеристики приборов, получивших общее название МЭМС-датчиков [1-5].

Преимущество монокристаллического кремния заключается в наличии уникальных механических и электрических свойств, таких как отсутствие долговременной усталости, гистерезиса, возможность создавать в объеме кристалла слои с различными электрофизическими свойствами, при этом кремний распространен, его технология хорошо отработана [2, 6].

Одними из наиболее распространенных приборов, выполненных по МЭМС-технологиям, являются микромеханические акселерометры.

Микромеханические акселерометры, выполненные на основе базовых МЭМС-технологий, получили распространение благодаря миниатюрным размерам кристаллов чувствительных элементов (ЧЭ), малой массе, низким электропотреблению и стоимости, высокой надежности. Кремниевые микро-механические акселерометры по принципу действия разделяются на два класса - емкостные и пьезорезисторные акселерометры.

Принцип действия емкостных акселерометров заключается в измерении емкости дифференциального конденсатора, изменение которой возникает при

воздействии ускорения на инерционную массу чувствительного элемента. При этом дифференциальный конденсатор образован подвижной инерционной массой (маятником) и неподвижными обкладками со слоем металлизации.

Пьезорезисторные акселерометры состоят из чувствительного элемента с инерционной массой, закрепленной упругими подвесами с рамкой кристалла. На упругом подвесе располагаются пьезорезисторы, образующие простейший вторичный преобразователь - мостовую схему Уитстона. Деформация упругого подвеса при воздействии ускорения приводит к изменению сопротивления пьезорезисторов, разбалансу моста и появлению выходного сигнала.

Кремниевые микромеханические акселерометры могут быть выполнены по технологиям поверхностной либо объемной микромеханики.

Технология поверхностной микромеханики, ориентирующая на базовые кремниевые микротехнологии, в настоящее время является одной из основных МЭМС-технологий. Поверхностная микрообработка основана на осаждении тонких слоев на поверхности кремниевой подложки и травлении одного или нескольких слоев. Освобождение подвижных частей (структурных слоев) чувствительных элементов (удаление жертвенных слоев) производится на последнем этапе процесса изготовления. В качестве жертвенных слоев могут быть использованы следующие материалы: 8Ю2, SiзN4, ОаЛ8, ЛЮаЛ8, Л1, фосфоросиликатное стекло (ФСС, PSG), боросиликатное стекло (БСС, BSG), ЛШ и т.д. [7].

На рис. 1 представлены основные этапы формирования структур методами объемной микромеханики.

1 4

Si Si

2 /Si02 5 _/polySi / SiO,>

л********************************** xY>6666j:::: :::: l**666«

Si Si

/ Si02 /polySi

3 wam шщиаднм mmjm 6

Si Si

Рис. 1. Основные этапы формирования структур методом поверхностной микромеханики: 1 - исходная кремниевая пластина; 2 - окисление поверхности кремниевой пластины (создание жертвенного слоя); 3 - вскрытие окон в окисле кремния под контакт с поликристаллическим кремнием; 4 - осаждение поликристаллического кремния (структурный слой); 5 - фотолитография по слою поликремния, формирование структуры чувствительного элемента;

6 - травление жертвенного слоя, высвобождение структуры

Поверхностная микрообработка характеризуется построением микроструктуры на поверхности кремния путем осаждения тонких защитных и структурных слоев. Основная часть подложки в этом процессе не затрагивается. Данный метод изначально применялся лишь для создания устройств толщиной менее 2 мкм, так как на подложку можно нанести только тонкие

пленки. Этот класс технологических процессов более перспективен и распространен для создания акселерометров массового применения. В настоящее время толщина формируемых структур в поверхностной микрообработке не превышает 30 мкм. На рис. 2 представлен пример реализации чувствительного элемента емкостного акселерометра, выполненного по технологиям поверхностной микромеханики.

Рис. 2. Фотография поверхностного акселерометра с осью чувствительности в плоскости кристалла для применения в автомобильных подушках безопасности (Robert Bosch GmbH) [7]

К достоинствам технологии поверхностной микрообработки можно отнести возможность создания большого количества чувствительных элементов МЭМС в одном технологическом цикле изготовления и совместимость с технологией интегральных схем. К недостаткам технологии поверхностной микрообработки следует отнести прилипание тонких подвешенных частей элементов МЭМС к подложке, возникающее в процессе промывания продуктов травления жертвенных слоев и при работе элемента; ограниченный диапазон измерений, связанный с небольшой массой структурных слоев.

В объемной микрообработке структуры формируются путем травления исходной монокристаллической кремниевой подложки. Различают два типа травления кремния: анизотропное и изотропное. Каждый тип травления различается своей селективностью по отношению к используемым материалам, скоростью травления, фигурами травления и т.д.

Анизотропное травление кремния является отработанной технологией объемной микрообработки и широко используется при изготовлении наиболее распространенных микромеханических датчиков, таких как датчики ускорения и давления. Селективное удаление кремния основано на анизотропных свойствах материала - плотности упаковки атомов в кристаллической решетке в зависимости от кристаллографического направления. В результате могут быть получены квадратные или прямоугольные фигуры травления, ограниченные полоскостями {111}, V-образные канавки, отверстия с прямоугольными стенками и некоторые другие фигуры травления [8, 9]. Для изготовления кристаллов МЭМС-датчиков применяют технологические операции, которые традиционно используются в микроэлектронике для изго-

товления интегральных схем: окисление кремниевых пластин, фотолитография по формированию рисунка структур, легирование примесью, металлизация и т.д., а также специально разработанные технологические операции для сборки чувствительных элементов - методы анодной и диффузионной сварки для соединения пластин.

После формирования рисунка защитного слоя на обеих сторонах кремниевой пластины методом фотолитографии удаляют окисел кремния на открытых участках в буферном травителе и проводят анизотропное травление кремния в растворе КОН, поддерживая температуру в пределах 96-98 °С [7]. Так как скорость травления зависит от свойств кремния (кристаллографическая ориентация, чистота поверхности, присутствие дефектов или нарушенного поверхностного слоя) и свойств травителя (состав, концентрация компонентов, наличие примесей в растворе, температура и скорость перемешивания раствора), то можно рассчитать скорость травления кремния и получить необходимые структуры кристаллов.

Однако при сходстве процессов изготовления элементов интегральных схем и МЭМС между ними существуют различия, связанные с требованиями к геометрическим размерам формируемых элементов.

Использование различных сочетаний технологических операций технологий объемной и поверхностной микромеханики позволяет формировать чувствительные элементы МЭМС-акселерометров емкостного и пьезорезисторного типов.

Чувствительный элемент емкостного микромеханического акселерометра, выполненного методами объемной микромеханики, представляет собой дифференциальный микроконденсатор, подвижная пластина которого выполнена анизотропным травлением монокристаллического кремния, а неподвижная - напылением металла на стеклянные детали. Для подключения кремниевой пластины к электрической цепи используется металлизированная площадка на опорном элементе кремниевого кристалла.

На рис. 3 представлен чувствительный элемент емкостного дифференциального акселерометра, в котором инерционная масса (центральная часть кремниевого кристалла) расположена между стеклянными пластинами. Масса поддерживается упругой перемычкой. Инерционная масса и упругая перемычка сформированы анизотропным травлением кремния. Верхняя и нижняя пластины, полученные анизотропным травлением кремния, отделены от инерционной массы емкостным зазором.

Сборка чувствительного элемента в монолитную конструкцию осуществляется методами электростатического соединения (анодной посадки) и обеспечивает электрическую изоляцию между кремниевым маятником и металлизированными площадками на стеклянных пластинах [10, 11].

Преимущества чувствительного элемента заключаются в высоких метрологических и эксплуатационных характеристиках за счет большой величины инерционной массы по сравнению с чувствительными элементами, выполненными по технологии поверхностной микрообработки.

В структуре кристалла пьезорезистивного МЭМС-акселерометра присутствует миниатюрная инерционная (сейсмическая) масса, которая подвешена с помощью упругих перемычек, на которых в зонах максимальных деформаций располагаются пьезорезистивные элементы [12, 13].

Рис. 3. Микромеханический емкостной чувствительный элемент [10]:

1 - стеклянные пластины; 2 - напыленная металлизированная площадка;

3 - кремниевый кристалл; 4 - внешняя рамка кристалла;

5 - упругая перемычка; 6 - инерционная масса; 7 - охранные выступы

Кремниевый кристалл с инерционной массой располагается между двумя пластинами (рис. 4), которые могут выполняться из стекла либо из мо-нокристаллического кремния. В пластинах формируются углубления, которые позволяют инерционной массе, с одной стороны, свободно перемещаться, а с другой стороны, ограничивают перемещения инерционной массы при перегрузках, испытываемых акселерометром.

Инерционная масса и упругие перемычки формируются методами анизотропного травления кремния, пьезорезисторы выполняются методами диффузии либо ионного легирования примеси в открытые окна на поверхности кремниевых пластин в слое термически выращенного оксида кремния. Сборка чувствительного элемента в монолитную конструкцию осуществляется методами электростатического соединения.

Отличительной особенностью чувствительных элементов пьезорезисторного типа по сравнению с емкостными является более сложный технологический процесс, обусловленный необходимостью формирования пьезорезисторов на поверхности упругих перемычек.

Преимущества акселерометров пьезорезисторного типа - высокая механическая прочность, хорошее соотношение сигнал/шум, малые размеры, что позволяет использовать их при испытаниях на разрушение конструкций, измерение ударных процессов и высокочастотных вибраций.

Таким образом, рассмотренные особенности технологий поверхностной и объемной микромеханики связаны с различным подходом при изготовлении кристаллов МЭМС-акселерометров - формирование структур на поверхности или в объеме материала подложки. Показаны преимущества и недостатки рассмотренных технологий: поверхностная микрообработка позволяет

формировать множество чувствительных элементов для создания акселерометров массового производства, а технологии объемной микрообработки менее производительны, но обеспечивают получение чувствительных элементов акселерометров с высокими выходными параметрами.

Рис. 4. Чувствительный элемент пьезорезисторного акселерометра [12]

Следовательно, технологические особенности изготовления кремниевых кристаллов МЭМС-акселерометров определяют выходные параметры

МЭМС-приборов.

Список литературы

1. Петерсен, К. Э. Кремний как механический материал / К. Э. Петерсен // Труды института инженеров по электротехнике и радиоэлектронике. - 1982. - Т. 70, № 5. - С. 113.

2. Аверин, И. А. Управляемый синтез гетерогенных систем: получение и свойства : моногр. / И. А. Аверин. - Пенза : Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2006. - 316 с.

3. Аверин, И. А. Влияние типа и концентрации собственных дефектов на свойства структур диоксида олова / И. А. Аверин, В. А. Мошников, И. А. Пронин // Нано- и микросистемная техника. - 2013. - № 1. - С. 27-29.

4. Аверин, И. А. Исследование поверхностей слоев резистивных структур на низкоразмерном уровне / И. А. Аверин, Ю. В. Аношкин, P. M. Печерская // Нано-и микросистемная техника. - 2010. - № 1. - С. 25-26.

5. Распопов, В. Я. Микромеханические приборы : учеб. пособие / В. Я. Распопов. - М. : Машиностроение, 2007. - 400 с.

6. Телец, В. А. Микроэлектромеханические инерционные преобразователи физических величин: типовые варианты исполнения» / В. А. Телец // Нано- и микросистемная техника. - 2004. - № 2. - С. 2-5.

7. Advanced Micro and Nanosystems. CMOS - MEMS / H. Baltes, O. Brand, G. K. Fed-der, C. Hierold, J. Korvink, O. Tabata // WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, 2005. - Vol. 2.

8. Матвеев, В. В. Выбор ориентации топологии микрогироскопа на пластине монокристаллического кремния / В. В. Матвеев, В. Я. Распопов // Нано- и микро-системная техника. - 2008. - № 7. - С. 44-47.

9. Козин, С. А. Микроэлектронные датчики физических величин на основе МЭМС-технологии / С. А. Козин, А. В. Федулов, В. Е. Пауткин, И. Н. Баринов // Компоненты и технологии. - 2010. - № 1. - С. 24-27.

10. Папко, А. А. Об оптимизации структур построения микромеханических акселерометров на основе моделирования влияния паразитных МДП-структур в информационных целях / А. А. Папко, М. А. Калинин, В. В. Алексеева // Микротехнологии в космосе : тезисы докладов VIII науч.-техн. конф. с междунар. участием (Москва, 6-7 октября 2010 г.). - М., 2010. - С. 38-39.

11. Блинов, А. В. Создание полупроводниковых интегральных датчиков механических параметров на основе технологии МЭМС / А. В. Блинов, С. А. Козин, А. В. Федулов, И. Г. Акимов, В. Е. Пауткин // Мир измерений. - 2008. - № 1. -С. 49-53

12. Джексон, Р. Г. Новейшие датчики / Р. Г. Джексон. - М. : Техносфера, 2007. -384 с.

13. Галушков, А. И. Методы проектирования и калибровки микроэлектронных пьезорезистивных преобразователей ускорения / А. И. Галушков, О. В. Панкратов, А. И. Погалов, А. Н. Сауров, В. С. Суханов, С. В. Угольников // Нано- и мик-росистемная техника. - 2006. - № 7. - С. 45-49.

References

1. Petersen K. E. Trudy instituta inzhenerov po elektrotekhnike i radioelektronike [Proceedings of the Institute of Electrical and Electronics Engineers]. 1982, vol. 70, no. 5, p. 113.

2. Averin I. A. Upravlyaemyy sintez geterogennykh sistem: poluchenie i svoystva: monogr. [Controlled synthesis of heterogeneous systems: obtainment and properties: monograph]. Penza: Izd-vo Penz. gos. un-ta, 2006, 316 p.

3. Averin I. A., Moshnikov V. A., Pronin I. A. Nano- i mikrosistemnaya tekhnika [Nano-and microsystem technology]. 2013, no. 1, pp. 27-29.

4. Averin I. A., Anoshkin Yu. V., Pecherskaya P. M. Nano- i mikrosistemnaya tekhnika [Nano- and microsystem technology]. 2010, no. 1, pp. 25-26.

5. Raspopov V. Ya. Mikromekhanicheskie pribory: ucheb. posobie [Micromechanical devices: tutorial]. Moscow: Mashinostroenie, 2007, 400 p.

6. Telets V. A. Nano- i mikrosistemnaya tekhnika [Nano- and microsystem technology]. 2004, no. 2, pp. 2-5.

7. Baltes H., Brand O., Fedder G. K., Hierold C., Korvink J., Tabata O. WILEY-VCH Ver-lag GmbH & Co. KGaA. Weinheim, 2005, vol. 2.

8. Matveev V. V., Paspopov V. Ya. Nano- i mikrosistemnaya tekhnika. [Nano- and microsystem technology]. 2008, no. 7, pp. 44-47.

9. Kozin S. A., Fedulov A. V., Pautkin V. E., Barinov I. N. Komponenty i tekhnologii [Components and technologies]. 2010, no. 1, pp. 24-27.

10. Papko A. A., Kalinin M. A., Alekseeva V. V. Mikrotekhnologii v kosmose: tezisy dokladov VIII nauch.-tekhn. konf. s mezhdunar. uchastiem (Moskva, 6-7 oktyabrya 2010 g.) [Mecrotechnology in space: report theses of VIII scientific technological conference with international participation (Moscow, 6-7 October 2010)]. Moscow, 2010, pp. 38-39.

11. Blinov A. V., Kozin S. A., Fedulov A. V., Akimov I. G., Pautkin V. E. Mir izmereniy [World of measurement]. 2008, no. 1, pp. 49-53

12. Dzhekson R. G. Noveyshie datchiki [Latest sensors]. Moscow: Tekhnosfera, 2007, 384 p.

13. Galushkov A. I., Pankratov O. V., Pogalov A. I., Saurov A. N., Sukhanov V. S., Ugol'nikov S. V. Nano- i mikrosistemnaya tekhnika [Nano- and microsystem technology]. 2006, no. 7, pp. 45-49.

E-maiL PVE1976@yandex.ru

УДК 681.518 Аверин, И. А.

Особенности формирования микроэлектромеханических элементов первичных преобразователей информации I И. А. Аверин, В. Е. Пау-ткин II Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2014. - № 2 (30). - С. 24-32.

Аверин Игорь Александрович доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой нано- и микроэлектроники, Пензенский государственный университет

Б-таП: PVE1976@yandex.ru

Averin Igor' Aleksandrovich

Doctor of engineering sciences, professor,

head of sub-department of nano-

and microelectronics, Penza State

University (40 Krasnaya street,

Penza, Russia)

Пауткин Валерий Евгеньевич аспирант, Пензенский государственный университет

Pautkin Valeriy Evgen'evich Postgraduate student, Penza State University