микродатчик давления. 2. Особенности производства микроэлектромеханических систем
 Скачать 1 Mb.
|
|
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 ................................................................... 10 Введение В основе появления и бурного развития микроэлектромеханических систем (МЭМС) ле- жат четыре основных фактора: кремний как исходный материал доступен, а технология его получения, очистки, обработки и легирования хорошо развита, что обеспечивает высокую степень кристаллографического со- вершенства изготавливаемых структур; кремний может использоваться как прецизионный, высоконадежный и прочный конструкци- онный материал; форма и размеры элементов приборов воспроизводятся с помощью фотолитографии. Беспре- цедентная 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 кото- рых являются: 2 Оглавление микродатчики для измерения физических параметров и преобразования их в электрические сигналы; исполнительные микроустройства - микродвигатели, микроэлементы гидравлики, микросоп- ла, микропоршни, микроредукторы, микрозеркала, микроприводы. Рассмотрим в качестве примера технологического анализа МЭМС кремниевый пьезо- электрический 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 микроэлектромеха- ническими изделиями, составляя до 40% от их общего объема. Обладая высокой чувствитель- ностью к давлению, такие микродатчики имеют размеры, сопоставимые с размерами полупро- водниковых 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 соот- ветствует толщине кремниевой пластины и лежит в пределах 0,4-0,8 мм. Толщина стеклянного основания, предотвращающего передачу на чувствительный эле- мент 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 3 Оглавление имеет наклонные стенки, определяемые методом формирования диафрагмы – анизотропным травлением кремния. На поверхности диафрагмы методами микротехнологии (диффузионным легированием) сформированы четыре пьезорезистора, соединенные металлическими проводниками с кон- тактными 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) сопротивле- ния резисторов R 1 …R 4 , соединенных в мостовую схему, меняются, измерительный блок фик- сирует 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 абсолютно- го давления отверстия нет, а объем под диафрагмой вакуумируется. При измерении давления коррозионной и загрязненной внешней среды необходимо ис- ключить ее воздействие на проволочные соединения контактов резисторов с внешними выво- дами. Для этого используют промежуточные герметичные полости, ограниченные металличе- ской диафрагмой и заполненные силиконовым маслом (рис. 2.3). Рис. 2.3. Герметизация кремниевого чувствительного элемента 4 Оглавление 2.3. Влияние конструктивных и технологических факторов на чувствительность пьезоэлектрического датчика давления Основные технические характеристики кремниевого микродатчика давления представ- лены в таблице 1. Таблица 1. Технические характеристики датчика давления Параметр Значение Воспринимаемое давление, атм. 0 1 Чувствительность, мкВ/(В мм.рт.ст.) 10 Диапазон температур, С -50 +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 датчи- ков такого типа. В таблице 2 приведены результаты расчета влияния различных технологических факто- ров 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 5 Оглавление Как следует из таблицы, наибольший вклад в нестабильность выходных параметров вно- сят разнотолщинность получаемых кремниевых диафрагм и рассовмещение топологии резисто- ров 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 подлож- ка 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. 6 Оглавление 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 пьезорези- сторам (рис. 2.5). Пластина тщательно очищается, затем термическим оксидированием формируется плен- ка из SiO 2 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 бо- ром 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 диафраг- мы. Для этого снова проводится термическое оксидирование подложек, нанесение фоторе- зиста и вскрытие окон сначала в фоторезисте, а затем в оксиде (рис. 2.6). Области будущих пьезорезисторов и дорожки к ним закрываются маской из SiO 2 . Затем проводится диффузия фосфора для формирования n+ проводящих областей 7 Оглавление 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 проводи- мости (рис. 2.7). Их выполняют, как правило, в виде меандров, образованных полосками задан- ной ширины и длины. На этом этапе применяется уже рассмотренный набор операций: проводится термиче- ское оксидирование подложек, нанесение фоторезиста и вскрытие окон по форме пьезорези- сторов, травление оксида и снятие фоторезиста. Затем проводится диффузия бора для формиро- вания пьезорезисторов р-типа проводимости (рис. 2.7.). а б 8 Оглавление Рис. 2.7. Формирование пьезорезисторов а – фотошаблон, б – сечение подложки 2.4.4. Осаждение Si 3 N 4 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 Si 3 N 4 осаждается из паровой фазы при пониженном давлении. 2.4. 5. Формирование контактных окон На этом этапе вновь производится термическое оксидирование подложек. Фотолитогра- фией и последующим травлением на концах меандров в оксидной пленке получают окна, через которые будут сформированы межсоединения формируемой мостовой схемы (рис. 2.8.). а б Рис. 2.8. Формирование контактов а – фотошаблон, б – сечение подложки 2.4.6. Металлизация и формирование контактных площадок На рабочую поверхность подложки наносится тонкий слой алюминия, который является материалом межсоединений пьезорезисторов. Операция может выполняться, например, терми- ческим вакуумным напылением. Проводится фотолитография и локальное травление Al сквозь вскрытые в фоторезисте окна. При этом формируется топология металлической разводки на по- верхности подложки, включая контактные площадки для последующего соединения с внешни- ми выводами (рис. 2.9). 9 Оглавление а б Рис. 2.9.Напыление алюминияи формирование контактных площадок а - фотошаблон, б - сечение подложки после завершения этапа 2.4. 7. Анизотропное травление упругой диафрагмы На слой нитрида кремния Si 3 N 4 наносится фоторезист и проводится фотолитография. Через образующиеся окна в фоторезисте проводится плазменное травление Si 3 N 4 , после чего фоторезист удаляется (рис. 2.10, а). Далее следует операция анизотропного травления (рис. 2.10, б), основанная на том, что у кремния скорости травления разных кристаллографических плоскостей в щелочных растворах, например, KOH резко различаются. Так, скорость травления плоскости (100) в 400 раз выше, чем плоскости (111). Поэтому плоскости (100) удаляются при травлении, а плоскости (111) остаются, придавая профилю травления характерный вид с наклонными стенками. Травление ведется до момента достижения требуемой толщины диафрагмы (рис. 2.10, б), которая в рассмотренном примере равна толщине эпитаксиального слоя. Отметим, что на рабочей поверхности подложки формируется дополнительный алюми- ниевый контакт. Через него на слой n+ и, соответственно, на эпитаксиальный слой, подается потенциал, обеспечивающий самоостановку процесса травления при достижении фронтом травления эпитаксиального слоя. Заметим также, что при анизотропном травлении в агрессивных жидких средах, напри- мер KOH при температуре 60-80 о С, рабочая сторона подложки должна быть надежно защище- на. После травления защитный слой Si 3 N 4 удаляется, поскольку обратная сторона кремни- 10 Оглавление евой подложки должна быть подготовлена для соединения со стеклянным основанием. а б в Рис. 2.10 .Формирование упругой диафрагмы а – создание защитной маски в нитриде кремния, подложка после анизотропное травления (б) и снятия пленки нитрида кремния (в) 2.5 . Монтаж кремниевого чувствительного элемента на стеклянное основание Чувствительный элемент должен быть закреплен на стеклянной опоре так, чтобы обес- печить герметичность полости под диафрагмой и минимизировать в ней сборочные напряжения (рис. 2.1, б; 2.2, а). Наиболее часто для этого применяется анодная сварка кремния со стеклом, обеспечивающая соединение этих материалов в твердой фазе. Приложение 2.1. Тензо- и пьезоэффект в кремнии Принцип работы ряда чувствительных элементов измерительных устройств основан на эффекте изменения сопротивления тела в зависимости от возникающих в нем напряжений – тензоэффекте. Сопротивление R резистора длиной L определяется известным выражением L R S (1) где ρ - удельное сопротивление материала резистора; S - площадь поперечного сечения резистора. Тензоэффект характеризуется выходным сигналом, связанным с относительным измене- нием сопротивления резистора ΔR/R. Отношение ΔR/R математически можно получить, дифференцируя (1), ____________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ 11 Оглавление __________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________ R L S R L S (2) где ΔR, Δρ, ΔL, ΔS - абсолютные приращения сопротивления, удельного сопротивления, длины и площади поперечного сечения проводника соответственно. При нагружении твердого тела силой F величины продольных и поперечных упругих деформаций (рис. 2.11) связаны выражением ( , ) T L f (3) где / L L L - значение относительной продольной (longitudinal )деформации; / T A A - значение относительной поперечной (transverse)деформации; A – поперечный размер проводника; μ - коэффициент Пуассона. Рис. 2.11. Продольные и поперечные деформации при нагружении твердого тела ____________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ Получим: 2 (1 2 ) L R L S L A R L S L A (4) Основным параметром тензоэлемента является коэффициент относительной тензочув- ствительности К, который равен относительному изменению сопротивления, приходящемуся на единицу деформаций: 12 Оглавление 1 1 2 L L R K R (5) Заметим, что относительное изменение электропроводности материала определяется возникающими в нем напряжениями и описывается выражением: L , (6) где - пьезорезистивный коэффициент. Как известно, зависимость между деформациями и напряжениями в твердом теле описывается законом Гука: L E , (7) где Е - модуль Юнга. Таким образом: L E (8) Тогда коэффициент тензочувствительности имеет вид: 1 2 K E (9) Выражение для К наглядно показывает, что изменение сопротивления тела в зависимо- сти от возникающих в нем напряжений определяется, во-первых, изменением его геометриче- ских размеров, а во-вторых – изменением удельной проводимости материала резистора. У большинства металлов значение очень мало, а величина лежит в диапазоне 0,25…0,35, поэтому значение К изменяется в пределах 1,5…1,7. Полупроводники имеют большие значения пьезокоэффициентов, поэтому приращение сопротивления за счет изменения удельного сопротивления может быть в несколько десятков и сотен раз больше, чем изменение за счет геометрии. Пьезоэлектрические свойства кремния являются основой изготовления чувствительных элементов датчиков для измерения различных физических величин – силы, давления, ускорения и т.п. Именно поэтому кремниевые микродатчики с высокой чувствительностью в микромини- атюрном исполнении часто называют пьезорезистивными. Пьезорезистивность – явление изменения электрического сопротивления полупроводни- ка под действием механических напряжений, приложенных вдоль определенных кристалличе- ских осей. 13 Оглавление Тест 2 Срок сдачи – до 21.00 18.09.18 1. На основе описания технологического маршрута изготовления чувствительного элемента кремниевого микродатчика и с учетом используемых при этом фотошаблонов проработать се- чения (по аналогии с первым) формирующихся при этом микроструктур. На видах сверху прорисовать топологии формируемых на каждом этапе элементов, выде- лив их разными цветами в соответствии с сечениями. Фотошаблоны Сечения микроструктур 2. Получить выражение (2) в тексте лекций, дифференцируя (1) самым простым и лаконичным способом, полагая, что ΔR≈dR. 3. В выражении (3) использованы типичные для технической литературы обозначения для относи- тельной продольной (Longitudinal ) и относительной поперечной (Traverse) деформации. В самом выражении (3) приведен связывающий эти деформации коэффициент Пуассона. Однако, при удли- нении тела (положительное приращение длины) его сечение уменьшается (отрицательное прираще- ние площади). Поэтому встает вопрос о знаке (плюс – минус) в выражении (4). Учтите это обстоя- тельство при выводе выражения (5). 4. Дать предельно понятное определение поверхностного сопротивления. |