К.В. Фролов - Технологии, оборудование и системы (1062200), страница 156
Текст из файла (страница 156)
Производственная единица в технологии ИС полупроводниковая пластина - содержит сотни идентичных кристаллов, каждый из которых после разделения превращается в отдельную ИС. Зто чрезвычайно важно с экономической точки зрения, поскольку групповая (одновременная) обработка на одной пластине множества кристаллов позволяет резко уменьшить их себестоимость. Эти факторы, которые определили развитие кремниевой микроэлектроники, могут быль использованы также при разработке н изготовлении широкого спектра миниатюрных механических устройств и компонентов. Высокая чистота и совершенспю кристаллической структуры монокристалличеакого кремния позволяют оптимизировать механические свойатва приборов, изготовляемых из него, так же, как оптимизируются их электронные свойства.
В результате улучшаются характеристики, повышаэпся наде:кносп и воспроизводимость параметров изделий. Тонкопленочная технология н методы фотолитографии позволяют создавать разнообразные миниатюрные и высокоточные механические структуры с помощью тех процессов, которые были разработаны для электронных схем. ТВХПОДОГИЯ МИКРОМВХАНИКИ 5.2.2. Мехяничесяне свойства материалов мввра- н мвярамехавиви Предел прочности, о 10-4, Па Модуль Ююз В 10-4, МПВ Тена апраааднаоп, Вт/(см 'С) Плотность, г/смз а 104, ('С) 1 Алмаз 5ВОт Т(С А)203 8434')4 Ге %ОТ 81 Р/ Сталь Мо А1 53 21 20 15,4 14 12,6 8,4 7,0 4,0 2,1 2,1 0,17 70 24,8 24,7 21 34,86 4 8,2 8,5 4,85 6,6 2,75 1,3 10,35 7,0 4,97 5,3 3,85 1,96 0,73 1,9 4,1 2,0 3,43 0,70 3,5 3,2 4,0 3,1 7,8 2,5 2,3 19,3 7,9 10,3 2,7 20 3,5 3,3 0,5 0,19 0,803 0,014 1,57 1,78 0,33 1,38 1,0 3,3 6,4 5,4 0,8 12 0,55 2,2 — 4,2 4,5 17,3 5,0 25 Высокопроизводительная групповая технолопи, применяемая в полупроводниковом пронзводсше, ислользустся при изпповлении сложных миниатюрных механических компонентов, которъю нельзя изготовить друпгми методами, т.е.
появилась уникальная возможносп шпеграции механических и электронных приборов и изпповления их в едином кристалле кремния. Все эю стало базой для бурного развития ряда новых абвастей современной техники, абьединеннык единым поюпием мяхромехвнихв. В основе мнхромшаники лежит то, чю кремняй, лримеевгемый для изппоВлеюи мнкраэлекцюнньп ушройств, может также исполъювиъся юк прециыюнный, вьюохоиадяяньгй и прочный конструкционный мшершш. С одной стороны, все материалы и технологичеакие методы микромеханики заимствуются из электронной промьппленности, с лругой, - микромеханика применяетая в техническом конструировании.
Широкое иапользование микромеханики требует тесного сотрудничества специалистов, рабопшвцих в Различньи областях механики, интегральной шюктроники и технологии микроэлектроники. Мехави юж е свайств врпявив. табл. 5.2.2 приведены механические свойства материалов микро- и макромеханнки. Монокристаллический кремний (МКК) - хрупкий материал, который при перегрузке Разрушается аналогично сшклу, а не деформируется пластически, как большинство металлов. По значению модуля )Онгв (1,9 МПа) кремний приближается к коррозионностойхой стали и никелю и пампою превосхо- ДНТ КВарц ($1От) и большинство Марах СТЕКал. Монокристалл кремния имеет продел текучести 70 кПа, который более чем в 3 раза выше, чем у проволоки из коррозиониостойкой стали.
На практике напряжения растяжения, которым подверппатся затравочные кристаллы в процессе выращивания больших слитков МКК, могут составшпь более 1,25 кПа, например, когда слиток массой 40 кг висит на затравочном кристалле Э 2 мм.
3 шота юсами МКК обычно яюгя ются большие пластины диаметром 75 - 200 мм и толщиной 350 - 600 мкм. Даже сталь при таких размерах образцов лепсо деформируется. Кремниевые кристаллы с размерами 3 х 3- 6 е 6 мм достаточно прочны, если на ннх нет надрезов и глубоких царапин. Будучи монокристаялическим материалом кремний ломается и расюшывастся вдоль кристалпографических плоакостей, особенно если имеются краевые, поверхностные или объемные нарушения структуры. Именно онн приводят к концентрации и ориентации напряжений вдоль плоскостей акала.
Для предотвращения этих явлений в полупроводниковой промышленности используют снятие фаски по контуру пластин, что уменьшает эффект концентрации напряжений. Кроме того, технологи стрематся снизить температуру и уменьшить число циклов высокотемпературной обработки и операций нанесения тонких пленок, которые являются причиной внутренних напрюкений в кремния. Таким образом, прочность МКК в реальных условиях зависит от кристаллотрафичеакой ориентации и конфигурации детали из кремния, числа и размеров краевых, поверхностных и объемных нарушений, а также от напряжений накопленных во время роста монокристаллов, нх резки и механической обработки, высокотемпературных операций диффузии, оксиднрования, эпнтаксии, созидания слоев.
5(10 Гвввв 5.2. ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ МИКРОСТРУКТУР Х = (АЯ/гг) /е. б) Рве. 5.2.41. Пиияиввсвяввмй личи ввввввви а - ксиструхлви; 1- пвссяввлив; 2- мвгвахювцив; 3- свой Л(ОВ1 4- твизврезнстор; 5- юифрвгмв; б - крвивяевий кристалл; 7- стеюиллвв опора; 8- ссвдввввве с корпусом; 9- корпус, б - твловапи; 1 - 4- львворгзиаторы; 5- дввфрвпвв; б - мвтвввизвцвв; 1- хонтытлмв шввцвакв; в - злехтрячвсыи схема Технологические методы, разработанные в планарной кремниевой технологии микроэлектроники, позволяют сугцественно уменьшить нарушения кристаллической структуры кремниевых пластин, а также снизил, в них внутренние напряжения.
Используя эти методы, можно получать микромеханические детали из кремния весьма высокой щючности. Кроме хороших прочностных харыперистик, кремний обладает уникальным сочетанием ряда механических и электрических свойств. В применяемом в промышленности МКК пракгичеоки полностью исюпочены дислокация и другие несовершенства кристаллической решетки. Поэтому зависимосп нвлряхений от деформаций кремния имеет линейный характер вллоп до точки разрушения, или гистерезис отсутствует. При 20 'С в кремнии невозможно пластическое деформироваиие, поэтому даже после значительных перегрузок заметного изменении характеристик не происходит.
Исключительно важны для микромеханики таххе полупроводниковые свойства кремния, особенно те, которые не очень важны в микроэлектронике, например, пьезорезистивные свойства. У ненырухенных пластин кремния электрическая проводимость не зависит от направления. Однако при деформироваиии кремния его элекгропроводность в некоторых направлениях становится значительно больше, чем в других.
Зависимость сопротивления проводника 1( от его деформации а харыаеризуетгл тензочувспппельностью Х У традиционных проволочных тензорезисторов Х = 2 ... 4. При оптимальном сочета- нии вида нырухения, кристаллографической ориентации и типа проводимости кремния у него ХЛ 100. Таким образом, кремний во-первых, обладает хорошими прочностными и упругими харжтерисппсами, а, во-вторых, относится к числу пьезоэлектрических материалов. Первые позволяют испольэовать тонкие кремниевые мембраны и балки в качестве упругих элементов микроустройств, а вторые - преобразовывать деформации тензорезисторов, встроенных в эти упругие элементы, в сигналы.
Кремниевые мнкродатчлвы давлении. Выпуск кремниевых микродатчи кол давления составшет до 40 % общего выпуска микродатчиков. По своей структуре эти дычики могут быть пьезорезнствными нли емкостными. В обоих видах датчиков тонкие кремниевые диафрагмы, вытравленные в исходной кремниевой пластине, явлыотся уярутимл элементами, чувствительными к давлению. В пьезорезистивном датчике используются четыре диффузионньи резистора, внедренных в упругую кремниевую дивфрыыу (рис.
5.2.41, а) методами лланарной технологии и соединенных между собой в мостовую илн полумостовую схему (рис. 5.2.41, б, в). При приложении давления диафрагма изгибается и на ее верхней поверхности возникают напряжения. В результате пьезоэлектрического эффекта сопротивлении резисторов Я1 - Яз изменяются и они начинают действовать как тензодатчики. При подаче постоянного напрюкения У„выходной сигнал мостовой схе- мы )в = )'л(ягя2 211114) / (г(1 + ггз)(212 + Л4).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
