Объемные микрообработки в производстве чувствительных элементов мэмс.
В объемной технологии, в отличие от поверхностной, преимущественно используются удаление материала для формирования сравнительно толстых структурных (конструкционных) слоев, причем в большинстве технологических схем производится соединение двух или более кремниевых пластин, и подвижные элементы формируются из всего объема материала по всей его толщине. При этом в основном использовалось мокрое травление, в том числе в производстве чувствительных элементов первых инерциальных сенсоров. Основным недостатком этого метода является анизотропия травления, обусловливающая зависимость конечной геометрии от внутренней кристаллической структуры кремния и делающая невозможным производство элементов со сложной или произвольной формой. Применение глубокого ионного травления открыло совершенно новые перспективы в разработке и изготовлении инерциальных сенсоров по объемной технологии. Поскольку объемная технология позволяет получать сравнительно толстые структурные слои, в том числе из монокристаллического кремния, она обеспечивает ряд существенных преимуществ при производстве таких сенсоров: более высокую инерционную массу и большую площадь перекрывания электродов, а, соответственно, и более высокие рабочие характеристики сенсоров. Более толстые подвешенные балочные элементы обладают более высокой вне плоскостной жесткостью, что повышает их механическую стабильность - устойчивость к ударным нагрузкам и вибрациям, а также снижает вероятность их прилипания к подложке. Объемная микрообработка используется в различных технологических схемах производства инерциальных сенсоров. Ниже рассматриваются две из них как наиболее типичные, раскрывающие фундаментальные основы объемной технологии применительно к таким МЭМС.
Объемна технология на базе soi (кремний на изоляторе, кни).
Кремниевые пластины SOI, представляющие собой структурный слой монокристаллического кремния на кремниевой подложке, отделенный от нее слоем диоксида кремния, являются очень эффективной исходной структурой для получения обработкой структурного слоя подвижных элементов, закрепленных на подложке и в тоже время электроизолированных от нее. Простейшей схемой изготовления таких элементов на основе пластин SOI является DRIE процесс с использованием одного фотошаблона с боковым вытравливанием слоя SiO2 раствором фтористоводородной кислоты (Рис. 1). На Рис.2 показан прототип гироскопа, изготовленный таким способом.
а) Исходная пластина SOI с топологическим рисунком фоторезиста
б) Перфорирование структурного слоя DRIE процессом на всю глубину
в) Частичное вытравливание слоя оксида через перфорации в структурном слое
г) Завершение травление заданной продолжительности для вытравливания оксидного слоя
д) Металлизация контактных площадок
Рис.1. Схема объемного технологического процесса формирования чувствительного элемента инерциального сенсора использованием пластины SOI.
Рис.2. Микрофотография вырезанного чувствительного элемента микрогироскопа, полученного по объемной технологии на пластине SOI.
Процесс начинается с использованием пластины SOI с оксидным слоем толщиной 4 мкм между структурным слоем монокристаллического кремния толщиной 100 мкм с ориентацией кристалла (100) и е-кристаллиской кремниевой подложкой толщиной 400 мкм. Поверхность структурного слоя очищали и сушили стандартными методами и обрабатывали промоутером адгезии HDMS. На поверхности формировали топологический рисунок с использованием фоторезиста Shipley 1827, фоторезиста Chrome Soda lime и проявителя MF-319. DRIE процесс осуществляли в камере установки индуктивно-связанной плазмы, оксидный слой травили 49% -м раствором HF с остановкой процесса промывкой дистиллированной водой.