2. Особенности производства микроэлектромеханических систем

Во втором разделе модуля «Технологический анализ изделий микротехнологии» рассмотрены принцип действия кремниевого микродатчика давления, маршрут и особенности основных операций изготовления чувствительного элемента из монокристаллического кремния.

Оглавление

2. Особенности производства микроэлектромеханических систем 1

Введение 1

2.1. Принцип действия и структура пьезорезистивного микродатчика 2

2.3. Влияние конструктивных и технологических факторов на чувствительность пьезоэлектрического датчика давления 4

2.4. Технология изготовления чувствительного элемента кремниевого микродатчика давления 5

2.5. Монтаж кремниевого чувствительного элемента на стеклянное основание 10

Приложение 2.1. Тензо- и пьезоэффект в кремнии 11

Введение

В основе появления и бурного развития микроэлектромеханических систем (МЭМС) лежат четыре основных фактора:

• кремний как исходный материал доступен, а технология его получения, очистки, обработки и легирования хорошо развита, что обеспечивает высокую степень кристаллографического совершенства изготавливаемых структур;

• кремний может использоваться как прецизионный, высоконадежный и прочный конструкционный материал;

• форма и размеры элементов приборов воспроизводятся с помощью фотолитографии. Беспрецедентная точность этого метода позволяет довести процесс миниатюризации до микронного уровня;

• кремниевые МЭМС, как и интегральные схемы изготавливаются по групповой технологии.

МЭМС включают широкий круг функциональных микроустройств, основными из которых являются:

• микродатчики для измерения физических параметров и преобразования их в электрические сигналы;

• исполнительные микроустройства - микродвигатели, микроэлементы гидравлики, микросопла, микропоршни, микроредукторы, микрозеркала, микроприводы.

Рассмотрим в качестве примера технологического анализа МЭМС кремниевый пьезоэлектрический микродатчик давления, в основе которого лежит такое свойство кремния, как пьезорезистивность. Именно такие микродатчики все более широко используются в настоящее время в самых различных отраслях – от авиакосмической до автомобильной и бытовой.

2.1. Принцип действия и структура пьезорезистивного микродатчика

Кремниевые микродатчики давления являются самыми массовыми микроэлектромеханическими изделиями, составляя до 40% от их общего объема. Обладая высокой чувствительностью к давлению, такие микродатчики имеют размеры, сопоставимые с размерами полупроводниковых приборов (рис. 2.1, а).

По принципу действия такие датчики могут быть пьезорезистивными или емкостными. В наиболее распространенных пьезорезистивных микродатчиках чувствительный элемент представляет собой упругую диафрагму, выполненную в кристалле монокристаллического кремния и закрепленную на жестком, обычно стеклянном основании (рис. 2.1, б).

а	б
Рис. 2.1. Пьезорезистивный кремниевый микродатчик давления а – микродатчик в корпусе, б – конструкция чувствительного элемента

Толщина диафрагмы обычно составляет 10-20 мкм, при этом толщина кристалла соответствует толщине кремниевой пластины и лежит в пределах 0,4-0,8 мм.

Толщина стеклянного основания, предотвращающего передачу на чувствительный элемент механических напряжений от корпуса, обычно не менее 3 мм. При габарите кристалла 3 мм, размер диафрагмы составляет 1 мм. Отметим, что профиль углубления под диафрагмой имеет наклонные стенки, определяемые методом формирования диафрагмы – анизотропным травлением кремния.

На поверхности диафрагмы методами микротехнологии (диффузионным легированием) сформированы четыре пьезорезистора, соединенные металлическими проводниками с контактными площадками (рис. 2.1, б). При приложении давления диафрагма изгибается, на ее верхней поверхности возникают напряжения (рис. 2.2, а).

а	б
Рис. 2. 2. Пьзорезисторы на кремниевой диафрагме а – размещение, б – соединение в мостовую схему

В результате пьезоэлектрического эффекта (подробнее см. Приложение 1) сопротивления резисторов R₁…R ₄ , соединенных в мостовую схему, меняются, измерительный блок фиксирует выходной сигнал (рис. 2.2, б).

В датчиках относительного давления в стеклянном основании выполняется отверстие для подачи давления к внутренней полости чувствительного элемента. В датчиках абсолютного давления отверстия нет, а объем под диафрагмой вакуумируется.

При измерении давления коррозионной и загрязненной внешней среды необходимо исключить ее воздействие на проволочные соединения контактов резисторов с внешними выводами. Для этого используют промежуточные герметичные полости, ограниченные металлической диафрагмой и заполненные силиконовым маслом (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Герметизация кремниевого чувствительного элемента

2.3. Влияние конструктивных и технологических факторов на чувствительность пьезоэлектрического датчика давления

Основные технические характеристики кремниевого микродатчика давления представлены в таблице 1.

Таблица 1. Технические характеристики датчика давления

Параметр	Значение
Воспринимаемое давление, атм.	0¼1
Чувствительность, мкВ/(В×мм.рт.ст.)	10
Диапазон температур, °С	-50¼+90
Размер кристалла, мм	3´3´0,6
Размер диафрагмы, мм	1´1
Толщина диафрагмы, мкм	10-20
Максимальная погрешность, %	1

Установлено, что для чувствительного элемента, имеющего резисторы длиной 100 мкм и шириной 10 мкм, в котором параллельные резисторы расположены на расстоянии 50 мкм от края диафрагмы, чувствительность составляет 57 мкВ/(В×мм.рт.ст). Эту расчетную величину, полученную при толщине диафрагмы 10 мкм можно считать физическим пределом для датчиков такого типа.

В таблице 2 приведены результаты расчета влияния различных технологических факторов на разброс значений чувстви­тельности пьезоэлектрических датчиков.

Таблица 2.

Влияние параметров мембраны на чувствительность датчика давления

Параметр диафрагмы	Вариации чувствительности, %
Толщина: 10 мкм ± 1 мкм ± 0,2 мкм	± 19 ± 4
Клиновидность: ± 2 мкм/мм ±0,1мкм/мм	± 4 << ± 1
Размер: 1 мм ± 7мкм	< ± 1
Рассовмещение: ± 10 мкм	± 7

Как следует из таблицы, наибольший вклад в нестабильность выходных параметров вносят разнотолщинность получаемых кремниевых диафрагм и рассовмещение топологии резисторов по отношению к краям диафрагмы.

2.4. Технология изготовления чувствительного элемента кремниевого микродатчика давления

В
качестве заготовки для изготовления чувствительного элемента пьезорезистивного кремниевого микродатчика давления используется кремниевая монокристаллическая подложка ориентации (100), имеющая p-тип проводимости (рис. 2.4).

а б

Рис. 2.4. Пьезорезистивный кремниевый микродатчик давления

а – чувствительный элемент датчика в разрезе; б – вид сверху на чувствительный элемент

Предварительно проводится эпитаксиальное наращивание слоя n-типа. Заметим, что в данном случае эпитаксиальный слой служит не только для формирования в нем активной структуры прибора. На заключительном этапе процесса этот слой будет превращен в упругую диафрагму чувствительного элемента датчика.

На основных этапах изготовления чувствительного элемента кремниевого микродатчика давления формируются:

• проводники p+ типа к пьезорезисторам;

• области n+ типа для контакта к эпитаксиальному слою;

• пьезорезисторы p типа;

• контакты к пьезорезисторам;

• металлизация;

• упругая диафрагма.

2.4.1. Формирование проводников p+ типа к пьезорезисторам

П
роводники p+ типа - это области, дублирующие токоподводы к будущим пьезорезисторам (рис. 2.5).

а б

Рис. 2.5. Формирование проводников p+ типа

а – фотошаблон, б – сечение подложки

Пластина тщательно очищается, затем термическим оксидированием формируется пленка из SiO₂

Далее проводится фотолитография: наносится и сушится слой фоторезиста, проводится его экспонирование через фотошаблон и проявление. Через защитную фоторезистивную маску проводится травление оксида, а затем через оксидную маску – диффузионное легирование бором для формирования p+ дорожек к будущим пьезорезисторам.

2.4.2. Формирование области n+ типа для контакта к эпитаксиальному слою

Эта операция необходима для создания электрического контакта к эпитаксиальному слою для осуществления электрохимической остановки травления при формировании диафрагмы.

Для этого снова проводится термическое оксидирование подложек, нанесение фоторезиста и вскрытие окон сначала в фоторезисте, а затем в оксиде (рис. 2.6).

Области будущих пьезорезисторов и дорожки к ним закрываются маской из SiO₂. Затем проводится диффузия фосфора для формирования n+ проводящих областей

а б

Рис. 2.6. Формирование областей n+ типа

а – фотошаблон, б – сечение подложки

2.4.3. Формирование пьезорезисторов

На концах проводящих областей p+ типа формируют пьезорезисторы p-типа проводимости (рис. 2.7). Их выполняют, как правило, в виде меандров, образованных полосками заданной ширины и длины.

На этом этапе применяется уже рассмотренный набор операций: проводится термическое оксидирование подложек, нанесение фоторезиста и вскрытие окон по форме пьезорезисторов, травление оксида и снятие фоторезиста. Затем проводится диффузия бора для формирования пьезорезисторов р-типа проводимости (рис. 2.7.).

а б

Рис. 2.7. Формирование пьезорезисторов

а – фотошаблон, б – сечение подложки

2.4.4. Осаждение Si₃N₄ на обратную сторону пластины

Эта операция необходима для создания на обратной стороне пластины защитного слоя, который будет впоследствии использован при создании мембраны чувствительного элемента. Слой нитрида кремния Si₃N₄ осаждается из паровой фазы при пониженном давлении.

2.4.5. Формирование контактных окон

Н
а этом этапе вновь производится термическое оксидирование подложек. Фотолитографией и последующим травлением на концах меандров в оксидной пленке получают окна, через которые будут сформированы межсоединения формируемой мостовой схемы (рис. 2.8.).

а б