Диссертация (Методы формирования объемных микроструктур устройств микроэлектроники и микросистемной техники космического назначения), страница 3

Мощность, рассеиваемая засчет омического падения напряжения на внутреннем сопротивлении, ограничивала допустимыенагрузки по току транзистора, а также эффективность силовых цепей, в которых онииспользовались.В двухдиффузионных МОП-структурах (VD-MOSFET) канал был сформирован за счетконтроля толщины двух p-n переходов. Это позволило создать структуры с короткимиканалами, не прибегая к дорогостоящей литографии высокого разрешения. ОднакоVD-MOSFETструктурасодержалабазовыепаразитныесопротивления,которыепрепятствовали дальнейшему улучшению функционирования, нацеленному на улучшениевнутреннего сопротивления.В 1990-х гг. была разработана альтернативная конструкция транзистора, основанная наиспользовании технологии формирования канавок, которая эволюционировала для примененияв динамической оперативной памяти.

Структура канавки-затвора (U-MOSFET или СТВЗ)предоставляла возможность для снижения внутреннего сопротивления конструкции МОПтранзистора, приближая к идеальному значению область p-n перехода полевого VD-MOSFETтранзистора. Оптимизация данной структуры позволила повысить рабочую частоту МОПтранзистора до 1 МГц [3]. Схема, иллюстрирующая работу прибора, представлена на рисунке 1.Рисунок 1 – Типовая конструкция СТВЗ [3]Хотя СТВЗ имеют улучшенные характеристики, на сегодняшний день большинствоприменяемых МОП-транзисторов являются планарными. В России не производятся силовыетранзисторы с вертикальными затворами. В основном, подобные приборы закупаются12изготовленными иностранными фабриками в пластинах, либо разделенными на кристаллы исобираются на отечественных сборочных производствах.

Разработка и внедрение впроизводство силовых вертикальных МОП-транзиров позволит освоить целое направлениесиловой микроэлектроники с рабочими напряжениями вплоть до 400 В.Технология изготовления СТВЗ полностью совместима с технологией изготовлениябиполярных транзисторов с изолированным затвором (БТИЗ, англ. IGBT), которые позволяюткоммутировать токи в несколько тысяч ампер и работают при напряжениях от 400 В донескольких киловольт. При этом, развитие отечественной преобразовательной техники, какобщепромышленной, так и военной, происходит практически полностью за счет импорта БТИЗи комплектных преобразователей на их основе, поскольку отставание от передовых странсоставляет 15-20 лет.

Годовой объем импорта БТИЗ в 2013 году превысил 2 млрд. USD [4].Таким образом, силовые транзисторы с вертикальным затвором являются наиболееперспективными для дальнейшей разработки и освоения их производства, а разработкатехнологии изготовления с использованием объемных микроструктур позволит создать на ихоснове полный спектр силовых полупроводниковых преобразователей.Анализ микросистем терморегуляции КАВ настоящее время основной тенденцией развития бортовой аппаратуры ракетнокосмической техники (РКТ) является уменьшение массогабаритных характеристик прирасширении функциональных возможностей и увеличении срока активного существования.Развитие указанных тенденций для аппаратуры РКТ существенно ограничивают вопросы,связанные с широким температурным диапазоном эксплуатации.

Известно, что в космическомпространстве передача тепла может осуществляться только за счет теплопроводности иизлучения в открытое пространство. При этом возникает техническое противоречие, связанноес тем, что массогабаритные характеристики известных теплоотводящих систем при снижениимассогабаритных характеристик изделий РКТ (микроплатформы и наноспутники) весьмазначительны. В США с 2006 года в лабораториях NASA проводятся работы по созданиюэлектрорегулируемых покрытий с изменяемой отражающей способностью (Variable EmittanceCoating)наосновемикроэлектромеханическихсистем(МЭМС),обеспечивающихсущественное снижение массогабаритных характеристик теплоотводящих систем [5].

В Россиисуществуютразработкитехнологийизготовленияадаптивныхмикросистем,функционирующих на основе эффекта памяти формы и предназначенных для эксплуатации наповерхности наноспутников (для случая внешнего источника тепла). Однако, при эксплуатацииаппаратуры в изделиях РКТ имеются два источника тепла – внутренний и внешний, при этомвозникает необходимость обратной связи – электроуправления [6, 7].13Разработано большое количество самых разнообразных микросистем терморегуляцииКА, различающихся конструкцией, принципом действия, наличием системы управления исоответственно технологией изготовления. Классификация микросистем терморегуляции КАпредставлена на рисунке 2.Системытерморегуляциималых КАЭлектрохромныепокрытияВариант конструкцииисполнительного элемента Технология Принцип Системасистем терморегуляции изготовления действия управленияМОЭМСАктивнаяПассивнаяПассивнаяТермомеханический Термомеханический Пьезоэлектрический ЭлектростатическийТехнологияповерхностноймикрообработкикремнияТехнологияповерхностноймикрообработки кремнияАктюаторыАктюаторыТехнологияповерхностноймикрообработки кремнияПереключателиОбъемнаятехнологияДатчики Актюаторы Датчики ПереключателиМикрозеркалаЗаслонки (1 илинесколькомембран)Заслонки (1 илинесколькомембран)Рисунок 2 – Классификация микросистем терморегуляции КА [6, 7]Выделяют2большиемикрооптоэлектромеханическиегруппысистемымикросистем(МОЭМС)итерморегуляцииэлектрохромныепокрытия.КА:Насегодняшний день электрохромные покрытия не получили широкого распространений визделиях РКТ из-за наличия проблем с эксплуатацией данных устройств в условиях открытогокосмоса.

В связи с этим для дальнейшего изучения была выбрана МОЭМС [8].В качестве исполнительного элемента микросистем чаще всего применяют балочные имембранныеактюаторы,действиекоторыхоснованонапьезоэлектрическом,электростатическом эффекте, или тепловой активации движения балки [9]. Классическаяконструкция балочного актюатора представляет собой одно- или двухконсольную балку вмикроминиатюрном исполнении, сформированную методами микрообработки. Тип актюатораиегоконструктивно-технологическоеисполнениекакосновногокомпонентамикромеханического устройства выбирают в зависимости от назначения, технологическогоуровня и условий эксплуатации микросистемы.14В ходе анализа принципов активации исполнительных элементов МОЭМС, выявлено,что в основном применяются электростатический и электротермический принципы активации[9, 10].

Электротермическая активация применяется в пассивных системах терморегуляции.Электростатические исполнительные механизмы применяются в микросистемах с активнойсистемой управления, что делает такие системы более “гибкими” и функциональными.Электростатическиемеханизмыудовлетворяютпринципамэнергосбережения,такнеобходимым при эксплуатации приборов в условиях космоса.

На основании изложенногоэлектростатический механизм является наиболее предпочтительным для систем активацииМОЭМС [6, 11].Для снижения теплопроводности от поверхности микросистемы к поверхности КА,применяют микропрофилирование лицевой и обратной стороны основания микросистемыметодами объемной микрообработки путем формирования различных канавок и отверстий.Таким образом, для создания электроуправляемых ЭВИКА основной тенденциейявляется получение матричной структуры, выполненной с повышенными (до 85-95 %)коэффициентами отражения, поглощения и заполнения, содержащей систему обратной связи наоснове контроля температуры поверхности. Для снижения теплоемкости и, как следствие,времени срабатывания системы необходимо одновременно уменьшать массогабаритныехарактеристики. Указанные характеристики могут быть достигнуты путем применениягрупповойМЭМС-технологииповерхностнойиобъемноймикрообработкисмикропрофилированием лицевой и обратной стороны основания микросистемы и совместимой стехнологией комплементарной структуры металл окисел полупроводник (КМОП) сверхбольшихинтегральных схем (СБИС) [1].Анализ SIW-фильтровСоздание микроприборов с ранее не достижимыми характеристиками, прежде всегоустройств, основанных на технологии трехмерной интеграции кристаллов и СВЧ-устройств,потребовало разработки сквозных микроотверстий различной конфигурации [12].Современные технологии разработки и производства устройств МЭ открываютвозможности интегрирования в одну структуру трехмерных элементов, в частностипрямоугольных волноводов и объемных резонаторов на их основе, встроенных вдиэлектрическую подложку.

На сегодняшний день существует множество СВЧ-устройств начастоты 3-6 ГГц, совместимых с микросборками. Однако для изготовления микросборок счастотами 20-40 ГГц применяются фильтры с коаксиальными вводами, часто волноводные,препятствующие внутриприборной интеграции и увеличивающие массо-габаритные показатели[13, 14]. Интегрированный в подложку полосно-пропускающий фильтр – Substrate IntegratedWaveguide (SIW) представляет собой структуру, созданную двумя рядами металлических15цилиндров, соединяющих две параллельные металлические пластины, ограничивающиевысокоомную подложку.

Таким образом, объемный прямоугольный волновод может бытьизготовлен в планарной форме с использованием существующих технологий производства.SIW-фильтры позволяют добиться минимального уровня потерь и высокой собственнойдобротности, особенно в сантиметровом и миллиметровом диапазоне длин волн. ОсобенностьюSIW-фильтров являются малые размеры и вес, низкая стоимость производства. SIW-фильтрывозможно интегрировать с другими SIW-компонентами на одной подложке, включая пассивныекомпоненты, активные элементы и антенны. Также возможно создавать многослойныеинтегральные схемы. SIW-фильтры могут найти применение в системах передачи информации,средствах радиоэлектронной борьбы, радарах и измерительном оборудовании [13-16].Поскольку подстройка SIW-фильтров по частоте приводит к ухудшению характеристики усложнению конструкции, весьма желательно избегать необходимости их подстройки, чтоведет к жестким требованиям по разбросу центральной частоты и, соответственно, к жесткимдопускам при изготовлении [17].

Для современного кремниевого SIW-фильтра требуемыйразброс по частоте составляет не более 0,1 %, что эквивалентно 5 мкм допуска на диаметрмикроотверстия и расстояния между микроотверстиями по пластине [18].Очевидно, что чем меньше диаметр микроотверстий, тем выше становится плотностьмонтажа, а значит степень интеграции. Надежность таких металлизированных сквозныхмикроотверстий определяется наличием или отсутствием утонения металлизации на краяхмикроотверстий, что и определяет требования к их профилю.Критерием качества служат величина электрического сопротивления металлизации,профиль и форма входного и выходного микроотверстий, качество очистки поверхностимикроотверстий перед металлизацией, адгезия металлизации к поверхности кремниевойпластины,шероховатостьрассматриваемыхстенокконструкциймикроотверстий.являетсятребованиеТакимналичияобразом,особенностьюположительныхклиньевтравления микроотверстий. Известен эффект образования положительного клина травления вкремнии на боковой поверхности микроотверстия на границе «полупроводник-диэлектрик» вструктурах «кремний на изоляторе» (КНИ) [19, 20] или структурах «кремний – стекло».

Однаков конструкциях интегрированных в подложку волноводов не применяются толстыедиэлектрики или диэлектрические слои, адгезионно соединенные с кремниевыми пластинами, априменение тонких слоев диоксида кремния приводит к невоспроизводимости полученияположительногоклинатравленияиз-замеханическойнеустойчивостиформируемыхстеклянных мембран [21]. В связи с этим, остро стоит задача формирования сквозныхмикроотверстий в кремнии с положительным клином травления под металлизацию и жесткимидопусками на основные размеры.16Таким образом, проведён анализ конструкций устройств МЭ и МСТ, изготовленных сприменением объемных микроструктур.