Modul_1_2_Tekhnologia_Pyezorezistivnogo_ Mikroda (Лекции Цветкова)
Описание файла
Файл "Modul_1_2_Tekhnologia_Pyezorezistivnogo_Mikroda" внутри архива находится в папке "Лекции Цветкова". Документ из архива "Лекции Цветкова", который расположен в категории "". Всё это находится в предмете "технология и оборудование микро и наноэлектроники" из 5 семестр, которые можно найти в файловом архиве МГТУ им. Н.Э.Баумана. Не смотря на прямую связь этого архива с МГТУ им. Н.Э.Баумана, его также можно найти и в других разделах. Архив можно найти в разделе "лекции и семинары", в предмете "технология и оборудование микро и наноэлектроники" в общих файлах.
Онлайн просмотр документа "Modul_1_2_Tekhnologia_Pyezorezistivnogo_ Mikroda"
Текст из документа "Modul_1_2_Tekhnologia_Pyezorezistivnogo_ Mikroda"
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
а б
Рис. 2.5. Формирование проводников p+ типа
а – фотошаблон, б – сечение подложки
Проводники p+ типа - это области, дублирующие токоподводы к будущим пьезорезисторам (рис. 2.5).
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).