ОМСТ ЭКЗАМЕН

Тема 1. Технологический базис микросистемной техники

1. Основные особенности технологии микросистемной техники и отличия от

технологии микроэлектроники.

2. Основные принципы технологии «объёмной микромеханики».

Объёмная микромеханика — это технология микросистемной техники, используемая для создания микромеханических структур в объёмных материалах, таких как кремний. Основное отличие этой технологии от других методов (например, поверхностной микромеханики) заключается в том, что обработка происходит глубоко в материале, а не только на его поверхности. Вот основные принципы и особенности:

Основные принципы объёмной микромеханики

1. Использование объёма материала:

oОбработка происходит в толще материала (обычно кристаллического кремния), что позволяет создавать трёхмерные структуры, такие как каналы, полости, мембраны, балки и иглы.

o Подход обеспечивает высокую механическую прочность и стабильность изготавливаемых компонентов.

2. Глубокое анизотропное травление:

oТравление зависит от кристаллографической ориентации материала (например, в кремнии). Например, химические растворы (KOH, TMAH) травят разные кристаллографические плоскости с различной скоростью, что позволяет создавать чёткие геометрические формы (например, пирамидальные структуры).

3.Изотропное травление:

oПрименяется для создания закруглённых или сферических полостей. Здесь скорость травления одинакова во всех направлениях, что даёт плавные и округлые структуры.

4.Комбинация фотолитографии и травления:

oФотолитография используется для нанесения защитных масок (например, из SiO2, SiC, Si3N4), которые определяют области, подлежащие травлению.

oМаски предотвращают травление защищённых областей, позволяя точно формировать структуры.

5.Механическая обработка:

oДля некоторых применений используются механические методы обработки, такие как шлифовка, сверление или лазерная резка.

oПолирующие травители – поверхностные реакции идут быстрее, чем диффузионные.

6.Двухстороннее совмещение???

7.Электрохимическое травление:

oПрименяется для формирования пористых или полых структур. Электрохимический процесс позволяет контролировать пористость и размер создаваемых пор.

Преимущества объёмной микромеханики

1.Высокая точность:

Позволяет создавать структуры с высокой степенью повторяемости и точности.

2.Механическая прочность:

Изделия сохраняют механическую устойчивость благодаря использованию всего объёма материала.

3.Глубокие структуры:

Методика позволяет создавать глубокие каналы и полости, недоступные для поверхностной микромеханики.

4.Подходит для крупных структур:

Объёмная микромеханика лучше всего подходит для относительно больших микроструктур, таких как датчики давления или расходомеры.

Применения

•Датчики давления:

Мембраны, формируемые методом объёмной микромеханики, используются для измерения давления в различных средах.

•Микрофлюидика:

Создание каналов и полостей для управления жидкостями на микроуровне.

•Акселерометры и гироскопы:

Механические структуры, чувствительные к ускорению и угловым скоростям, используются в автомобилях, смартфонах и других устройствах.

•Оптические компоненты:

Микрозеркала, диафрагмы и линзы.

Ограничения

1.Трудоёмкость:

Обработка объёмных материалов требует больше времени и усилий, чем поверхностная микромеханика.

2.Ограниченные геометрии:

Из-за кристаллографической анизотропии формы, создаваемые анизотропным травлением, могут быть ограничены стандартными углами (например, 54,7° в кремнии).

3.Сложность интеграции:

В отличие от поверхностной микромеханики, интеграция объёмных структур с электронными компонентами может быть сложнее.

1. Датчики:

oАкселерометры, гироскопы, датчики давления, микрофоны.

2.Актюаторы:

oМикрозеркала, микроприводы, термоуправляемые элементы.

3.Оптика:

oОптические коммутаторы, фазовые модуляторы.

4.Микрофлюидика:

oНасосы, клапаны, каналы для управления жидкостями на микроуровне.

5.Биомедицинские устройства:

oБиосенсоры, микроиглы, микроструктуры для доставки лекарств.

Ограничения

1. Механическая прочность:

oТонкие плёнки менее прочны по сравнению с объёмными структурами, что ограничивает использование в приложениях с высокими механическими нагрузками.

2.Ограничения по глубине:

oПоверхностная микромеханика не позволяет создавать глубокие структуры (в отличие от объёмной).

3.Процесс удаления жертвенных слоёв:

oМожет быть сложным, особенно если требуется высокая избирательность травления или есть риск повреждения тонких функциональных плёнок.

Сравнение с объёмной микромеханикой

ДОБАВИТЬ!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

!!!!!!!!!!!! а хотя выучу из другого вопроса и здесь это расскажу

4. Особенности фотолитографии в технологии микросистем.

Фотолитография — это ключевой процесс в технологии микросистемной техники, который используется для формирования микроскопических шаблонов на подложке. Этот метод позволяет создавать сложные структуры с высокой точностью, а также определяет размеры и геометрию элементов микросистем.

Фоторезист – это светочувствительный материал с изменяющейся под действием света растворимостью, устойчивый к воздействию травителей и применяемый для переноса изображения на пластину

Основные этапы фотолитографии

1. Нанесение фоторезиста:

oНанесение фоторезиста осуществляется методом центрифугирования. При этом методе на пластину, которая устанавливается на столике центрифуги и удерживается на нем вакуумным прессом, фоторезист подаётся капельницей-дозатором. Когда столик приводится во вращение, фоторезист растекается тонким слоем по поверхности пластины, а его излишки сбрасываются и стекают в кожух. Используя метод

центрифугирования, можно в зависимости от вязкости фоторезиста регулировать толщину его слоя, изменяя частоту вращения центрифуги.

oВыбирая толщину слоя фоторезиста, необходимо учитывать, что он должен обладать высокой разрешающей способностью и не терять стойкости к травителю. Кроме того, слой фоторезиста не должен иметь дефектов в виде проколов, количество которых с уменьшением толщины увеличивается. Следовательно, толщина слоя фоторезиста должна быть наименьшей, но достаточной для обеспечения его малой дефектности и стойкости к травителю.

2.Сушка (бэкинг):

oПластина нагревается на горячей плите или в печи для удаления растворителя из фоторезиста, что улучшает его адгезию и устойчивость.

oНеверные условия сушки могут отрицательно влиять на светочувствительность фоторезиста, так как при повышении температуры разлагаются светочувствительные компоненты.

3.Совмещение и экспонирование:

oПредварительно пластину размещают на предметном столике так, чтобы слой фоторезиста был сверху, и закрепляют фотошаблон в подвижной рамке над поверхностью пластины. Между пластиной и фотошаблоном должен быть зазор для

свободного перемещения рамки. После выполнения совмещения пластину прижимают к фотошаблону и экспонируют слой фоторезиста.

oЧерез фотошаблон (маску) фоторезист облучается ультрафиолетовым (УФ) светом (при контактном экспонировании).

oПередача элементов рисунка на слой фоторезиста зависит от оптической плотности темных и светлых участков рисунка фотошаблона, резкости и ровности их краёв и коэффициента отражения металлизированного слоя фотошаблона

oВ зависимости от типа фоторезиста экспонированные участки либо становятся растворимыми (позитивный фоторезист), либо нерастворимыми (негативный фоторезист).

4.Проявление:

oПодложка обрабатывается химическим раствором (проявителем/слабые водные растворы щелочей, например, 0.6 %-ый раствор КОН), который удаляет растворимые участки фоторезиста, формируя нужный рисунок.

5.Задубливание (вторая сушка):

oСушка – задубливание проявленных участков слоя фоторезиста обеспечивает изменение его структуры в результате полимеризации. Вследствие этого повышается стойкость слоя фоторезиста к воздействию травителей и улучшается его адгезия к пластине.

oОтличается от первой более высокой температурой. При повышенных температурах происходит пластическая деформация слоя фоторезиста, затягиваются мелкие отверстия, поры и дефекты.

6.Этапы обработки после проявления:

oТравление: Используется для удаления материала подложки в открытых областях.

oНанесение слоёв: Плёнки материалов (например, металлов, диэлектриков) могут быть осаждены через "окна" в фоторезисте.

7.Снятие фоторезиста:

oПосле завершения травления или осаждения фоторезист удаляется химическим методом или плазмой.

Особенности фотолитографии в микросистемной технике

1. Высокая точность и разрешение:

oПозволяет создавать структуры с размерами от десятков нанометров до нескольких микрометров.

oРазрешение зависит от длины волны света, используемого в процессе, и свойств оптической системы.

2.Многослойные процессы:

oДля создания сложных микросистемных структур часто требуется повторная фотолитография с нанесением новых слоёв, что требует точного совмещения масок (алайнмента).

Варианты фотолитографии

Преимущества фотолитографии в микросистемной технике

1.Высокая точность:

Позволяет создавать микро- и наноструктуры с минимальными допусками.

2.Массовое производство:

После создания фотошаблона процесс можно повторять многократно, что снижает затраты.

3.Универсальность:

Подходит для широкого спектра материалов и процессов.

4.Возможность интеграции:

Совместима с технологиями микроэлектроники, что позволяет создавать интегрированные микросистемы.

Ограничения фотолитографии

1.Разрешение ограничено длиной волны:

Для структур размером менее 100 нм требуется использование продвинутых технологий, таких как электронно-лучевая литография.

2.Длительность процесса:

Создание сложных многослойных структур требует значительного времени и высокой точности.

3.Затраты на оборудование: Высокая стоимость масок и фотолитографических установок.

Двусторонняя фотолитография — это технология, применяемая в микросистемной технике для создания структур, где требуется высокая точность обработки обеих сторон подложки. Этот процесс позволяет синхронизировать рисунки на противоположных сторонах подложки, что особенно важно для создания объёмных микроструктур, таких как мембраны, каналы и отверстия.

Основные принципы двухсторонней фотолитографии

1. Обработка обеих сторон подложки:

oШаблоны (маски) наносятся на обе стороны пластины. Каждый слой должен быть точно выровнен относительно другого. Это позволяет создать структуры, проходящие через всю толщину подложки (например, сквозные отверстия или полости).

2.Совмещение масок (алайнмент):

oТочность выравнивания рисунков на двух сторонах подложки — ключевой момент процесса. Для этого используются специальные установки для двустороннего совмещения, оснащённые оптическими системами, которые «видят» обе стороны подложки.

3.Фиксация подложки:

4.Экспонирование:

oПроводится поочерёдно для каждой стороны подложки.

oПосле экспонирования и проявления фоторезиста травление или другие процессы выполняются с двух сторон.

5.Толщина подложки:

oПроцесс лучше всего подходит для тонких или среднетолщинных пластин, чтобы обеспечить точное совпадение структур.

Процесс двусторонней фотолитографии

1. Подготовка подложки:

oНаносится защитный слой (например, оксид кремния) на обе стороны пластины.

oЗатем сверху наносится слой фоторезиста.

2.Первое экспонирование:

oНа одной стороне подложки проводится фотолитография, создавая первый рисунок. Это основа для совмещения второй стороны.

3.Совмещение и второе экспонирование:

oПластина переворачивается, и проводится экспонирование второй стороны с выравниванием относительно первой маски.

4.Проявление:

oПосле обоих экспонирований рисунок формируется на обеих сторонах подложки.

5.Травление или осаждение:

oТравление материала подложки или нанесение дополнительных плёнок выполняется синхронно или поэтапно с обеих сторон.

Особенности и преимущества

1. Высокая точность совмещения:

o Используются системы с точностью совмещения в пределах микронов или субмикронов, что позволяет создавать сложные трёхмерные структуры.

2. Возможность создания сквозных структур:

oПозволяет формировать отверстия, каналы или мембраны, проходящие через всю подложку.

3.Экономия времени и ресурсов:

oДвусторонняя обработка позволяет снизить количество этапов производства по сравнению с последовательной обработкой двух сторон.

4.Подходит для сложных структур:

oОсобенно полезна для микросистем с высокой степенью симметрии или тех, где точное совмещение двух сторон критично (например, датчики давления, микрооптические компоненты).

Применение

1. Датчики давления:

o Двусторонняя литография используется для создания мембран и полостей на противоположных сторонах пластины.

2. Сквозные микроструктуры:

oСоздание отверстий или каналов, проходящих через пластину (например, для микрофлюидных систем).

3.Оптические и механические компоненты:

oПроизводство линз, микрозеркал и других компонентов, требующих точной обработки обеих сторон.

4.Микроэлектромеханические системы (МЭМС):

oФормирование элементов, где требуется взаимодействие структур с обеих сторон пластины.

Ограничения

1. Сложность процесса:

oТребуется высокоточное оборудование и строгий контроль над выравниванием масок.

2.Стоимость:

oОборудование для двухсторонней фотолитографии дороже, чем стандартные установки для однослойной обработки.

3.Ограничения по толщине подложки:

oТочные процессы сложнее реализовать на толстых подложках, так как совмещение становится менее точным.

4.Риск повреждения:

oРабота с обеими сторонами подложки увеличивает вероятность механических повреждений или загрязнений.

5. Технология анизотропного травления кремния: травители, маски, «стоп-слои».

Анизотропное травление кремния — это процесс, в котором травление происходит с различной скоростью в зависимости от кристаллографической ориентации материала. Этот метод широко используется в микросистемной технике для создания микроструктур с определёнными геометрическими формами (например, канавок, отверстий, мембран и других структур).

Принципы анизотропного травления кремния

1. Кристаллографическая анизотропия:

oСкорость травления различна для разных кристаллографических плоскостей:

▪(100): Высокая скорость травления.

▪(110): Средняя скорость травления.

▪(111): Очень низкая скорость травления (практически пассивируется).

o Эта разница позволяет формировать поверхности с наклонными гранями, ориентированными вдоль плоскостей (111).

2. Анизотропность травителей:

oИспользуются химические растворы, избирательно взаимодействующие с атомами кремния в зависимости от их ориентации.

Типичные травители для анизотропного травления

1. Щелочные растворы:

oKOH (гидроксид калия):

▪Наиболее распространённый травитель.

▪Рабочая температура: 70–90 °C.

▪Добавки, такие как изопропанол, могут уменьшать шероховатость поверхности. o TMAH (триметиламмоний гидроксид):

▪Экологически более безопасен, чем KOH.

▪Чаще используется в современных процессах.

oNaOH, LiOH:

▪Используются реже из-за загрязнений, которые они могут вносить в подложку.

2.Этилендиамин-цинк-йодид (EDP):

oМенее токсичен, чем щелочные травители, но все же реже используется из-за сложности обращения.

3.Кислотные травители:

oHF (плавиковая кислота) в сочетании с другими веществами используется для обработки оксидных слоёв, но не для анизотропного травления самого кремния.

Роль масок при анизотропном травлении

Маски используются для защиты определённых областей подложки от травления и должны обладать высокой химической стойкостью к применяемым травителям.

1. Материалы масок:

oОксид кремния (SiO ):

▪Эффективен в щелочных травителях.

▪Наносится методом термического окисления. o Нитрид кремния (Si N ):

▪Более устойчив, чем SiO , особенно в растворах KOH.

▪Чаще используется для длительного травления.

oМеталлы (например, золото, алюминий):

▪Иногда применяются как маски, но в большинстве случаев их заменяют диэлектриками.

2.Требования к маскам:

oТолщина маски должна быть достаточной, чтобы выдерживать весь процесс травления.

oМаска должна быть герметичной, чтобы исключить подтравливание краёв.