СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО СИЛОВОГО МЭМС КЛЮЧА
METHOD OF MAKING ELECTROSTATIC POWER MEMS SWITCH

Изобретение относится к микроструктурным микроэлектромеханическим системам. Изобретение может быть использовано в коммутирующих устройствах цепей питания и управления изделий бортовой и космической аппаратуры, автоэлектронике, бытовых устройствах, схемах управления электродвигателями и компрессорами, защитных устройствах различного назначения.
Известен способ изготовления электростатического реле по патенту США US 6486425 (МПК H01H 59/0009, опубликован 26.11.2002 г.). Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемого изобретения, являются следующие операции способа: изготовление микромеханического элемента, в котором на первом этапе на обратной стороне подложки кремния формируют глубоким анизотропным травлением технологическую мембрану, затем с лицевой стороны кремниевой подложки жидкостно-химическим травлением формируют выступы на технологической мембране, на лицевой стороне формируют изоляционный слой, после чего формируют металлический шунт; с лицевой стороны формируют подвижный электрод в виде консоли с гибкими поддерживающими балками сквозным плазмохимическим травлением щелевидных отверстий; изготовление основания, содержащего силовые шины и нижний электрод; соединение микромеханического элемента и основания.
В отличие от заявляемого изобретения рабочую мембрану формируют после процесса соединения подложки и основания, материалом основания по указанному патенту является стекло.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к предлагаемому изобретению является способ изготовления электростатического ключа, описанный в заявке США US 2008223700 (МПК H01H 59/00, опубликовано 19.09.2008 г.). Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемого изобретения, являются следующие операции способа: изготовление микромеханического элемента, в котором формируют приповерхностный высоколегированный n+слой путем диффузии фосфора, формируют металлический шунт с напылением золота; формируют подвижный электрод в виде консоли; изготовление основания, содержащего силовые шины и нижний электрод; соединение микромеханического элемента и основания.
Недостатками данного технического решения являются высокое управляющее напряжение и низкий максимально допустимый ток коммутации.
Задачей изобретения является разработка способа изготовления электростатического МЭМС ключа, где основанием является печатная плата с обеспечением заданного зазора между подвижным электродом и печатной платой.
Технический результат заключается в обеспечении плоскопараллельного соединения поверхности кремниевого кристалла и печатной платы, обеспечении заданного зазора между подвижной структурой кремниевого кристалла и печатной платой, что определяет оптимальное соотношение между величиной управляющего напряжения и жесткостью подвижной структуры кремниевого кристалла.
Для достижения вышеуказанного технического результата способ изготовления электростатического силового МЭМС ключа включает изготовление микромеханического элемента, в котором на первом этапе на обратной стороне подложки кремния формируют глубоким анизотропным травлением технологическую мембрану, затем с лицевой стороны кремниевой подложки формируют маску нитрида кремния и проводят глубокое термическое окисление кремния в парах воды с последующим жидкостно-химическим травлением с образованием выступов на технологической мембране, далее с лицевой стороны путем анизотропного травления через маску формируют рабочую мембрану и микрорельеф на кремниевой рамке микромеханического элемента, с лицевой и обратной сторон подложки формируют приповерхностный высоколегированный n+ слой путем диффузии фосфора из парогазовой фазы с последующим удалением жидкостно-химическим методом образующегося фосфоросиликатного стекла, на лицевой стороне формируют изоляционный слой путем окисления с последующим осаждением нитрида кремния и формированием рисунка изоляции фотолитографией, после чего обратной фотолитографией формируют металлический шунт путем напыления золота на подслой вольфрама; с лицевой стороны формируют подвижный электрод в виде консоли с гибкими поддерживающими балками сквозным плазмохимическим травлением щелевидных отверстий в рабочей мембране; изготовление металлической печатной платы, на которой на диэлектрический слой методом накатки медной фольги и иммерсионным осаждением золота и фотолитографии формируют силовые шины, нижний электрод и рамку для верхнего электрода; соединение микромеханического элемента и металлической печатной платы при помощи проводящего клея в месте совмещения рамки для верхнего электрода, расположенной на металлической печатной плате, и кремниевой рамки микромеханического элемента с микрорельефом.
От прототипа способ изготовления электростатического силового МЭМС ключа отличается тем, что при изготовлении микромеханического элемента на первом этапе на обратной стороне подложки кремния формируют глубоким анизотропным травлением технологическую мембрану, затем с лицевой стороны кремниевой подложки формируют маску нитрида кремния и проводят глубокое термическое окисление кремния в парах воды с последующим жидкостно-химическим травлением с образованием выступов на технологической мембране, далее с лицевой стороны путем анизотропного травления через маску формируют рабочую мембрану и микрорельеф на кремниевой рамке микромеханического элемента, на лицевой стороне формируют изоляционный слой путем окисления с последующим осаждением нитрида кремния и формированием рисунка изоляции фотолитографией, с лицевой стороны формируют подвижный электрод в виде консоли с гибкими поддерживающими балками сквозным плазмохимическим травлением щелевидных отверстий в рабочей мембране; основание изготавливают в виде металлической печатной платы, на которой на диэлектрический слой методом накатки медной фольги и иммерсионным осаждением золота и фотолитографии формируют силовые шины, нижний электрод и рамку для верхнего электрода; соединяют микромеханический элемент и металлическую печатную плату при помощи проводящего клея в месте совмещения рамки для верхнего электрода, расположенной на металлической печатной плате, и кремниевой рамки микромеханического элемента с микрорельефом.
При соединении клеевым способом поверхности кремниевого кристалла и печатной платы, клей заполняет объем сформированного микрорельефа, обеспечивая минимальное содержание клея и минимальный зазор между соединяемыми плоскостями. Использование данного соединения позволяет наиболее точно обеспечивать заданные зазоры между элементами структуры кремниевого кристалла и печатной платы. Использование данного соединения позволяет снизить напряжение включения силового МЭМС ключа, а также обеспечить последовательно-параллельные схемы из кремниевых кристаллов силовых МЭМС ключей на металлической печатной плате.
В частном случае выполнения изобретения технологическую мембрану формируют толщиной 35-40 мкм.
В частном случае выполнения изобретения рабочую мембрану формируют толщиной 20-25 мкм.
В частном случае выполнения изобретения формируют приповерхностный высоколегированный n+слой с поверхностным сопротивлением 5-10 Ом на квадрат.
В частном случае выполнения изобретения металлический шунт формируют путем напыления золота толщиной 1 мкм на подслой вольфрама толщиной 0,05 мкм.
Совокупность признаков, характеризующих изобретение, позволяет изготовить силовой МЭМС ключ с более низким управляющим напряжением и большим максимально допустимым током коммутации.
Изобретение поясняется чертежами, где
на фиг.1 - кремниевый кристалл;
на фиг.2 - формирование технологической мембраны;
на фиг.3 - формирование выступов;
на фиг.4 - формирование рабочей мембраны и выступов;
на фиг.5 - формирование приповерхностного высоколегированного n+ слоя;
на фиг.6 - формирование изоляционного слоя;
на фиг.7 - формирование металлического шунта;
на фиг.8 - формирование подвижного электрода;
на фиг.9 - соединение чувствительного элемента силового МЭМС ключа с металлической печатной платой.
Способ изготовления электростатического силового МЭМС ключа включает следующие операции.
В качестве исходного материала для создания кремниевого кристалла силового МЭМС ключа используют подложки монокристаллического электронного кремния типа КЭФ-4,5 (100) 420-430 мкм с двусторонней полировкой (Фиг.1).
Формирование технологической мембраны (2) при помощи глубокого анизотропного травления в 33% растворе КОН толщиной 35-40 мкм. (Фиг.2).
3
4
2
Формирование выступов (3) проводится методом локального глубокого термического окисления кремния с использованием маски (SiN) в парах воды при температуре 950°C, с образованием и последующим удалением 2,0 мкм SiO методом житкостно-химического травления (Фиг.3).
Формирование микрорельефа (4) и мембраны подвижного электрода (5) при помощи анизотропного травления кремниевой пластины в 33% растворе КОН (Фиг.4).
Создание приповерхностного высоколегированного n+ слоя (6) с поверхностным сопротивлением 5-10 Ом на квадрат путем диффузии фосфора из парогазовой фазы при температуре 950°С с последующим удалением образующегося фосфоросиликатного стекла (Фиг.5).
2
3
4
Формирование изоляционного слоя путем окисления пластины до 0,65 мкм SiO с последующим осаждением 0,19 мкм SiN и формированием рисунка изоляции (7) в фотолитографическом цикле (Фиг.6).
Формирование металлического шунта (8) при помощи напыления 1 мкм золота на подслой 0,05 мкм вольфрама с использованием обратной фотолитографии (Фиг.7).
Формирование подвижного электрода в виде консоли с выполненными в ней симметричными щелевидными отверстиями (9), образующими гибкие поддерживающие балки при помощи процесса глубокого плазмохимического травления кремния (Bosch-процесса) (Фиг.8).
Соединение микромеханического элемента силового МЭМС ключа с металлической печатной платой (10), на которой на диэлектрическом слое методом накатки медной фольги и иммерсионным осаждением золота и фотолитографией сформированы силовые шины (11), нижний электрод (12) и рамка для верхнего электрода (13) с использованием проводящего клея в месте совмещения рамки для верхнего электрода, расположенной на металлической печатной плате, и области микрорельефа (4) микромеханического элемента. Микрорельеф обеспечивает распределение клея таким образом, что позволяет провести плоскопараллельное соединение микромеханического элемента и металлической печатной платы с требуемым зазором между нижним и верхним электродами.