ОМСТ ЭКЗАМЕН
.pdf
Стоп-слои при анизотропном травлении
Стоп-слои (слои остановки) используются для контроля глубины травления и предотвращения травления в определённых областях.
1. Эпитаксиальный слой:
o Высокодопированный эпитаксиальный слой с низкой скоростью травления.
o Позволяет останавливать процесс травления при достижении заданной глубины.
2. Бор-легированный слой (борстоп):
o Бор-легированные области кремния (с концентрацией выше 101910^{19}1019 атомов/см³) практически не травятся в растворах KOH.
oИспользуется для формирования мембран и других структур.
3.Оксидные или нитридные слои:
oСлужат дополнительной защитой от травления и могут быть расположены под маской или на обратной стороне подложки.
Характерные структуры, создаваемые анизотропным травлением
1. Канавки с наклонными стенками:
oПри травлении кремния с ориент. (100) образуются наклонные стенки под углом 54,7°.
2.Сквозные отверстия:
oИспользуются в микрофлюидике и для механических соединений.
3.Мембраны:
oСоздаются путём травления с одной стороны до борстоп-слоя или эпитаксиального слоя.
4.Пирамидальные структуры:
oПолучаются при травлении отверстий через маску в пластине с ориентацией (100).
Преимущества |
|
|
|
Ограничения |
|
|
||||
1. |
Высокая точность геометрии: |
|
1. |
Зависимость от ориентации подложки: |
||||||
o |
Позволяет |
создавать |
|
структуры |
с |
oТолько |
пластины |
с |
определёнными |
|
чётко определёнными гранями и углами. |
ориентациями (например, (100) или (110)) |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
подходят для создания нужных структур. |
||||
2. |
Низкая стоимость: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
o |
Щелочные |
травители |
доступны |
и |
2. |
Ограниченная точность вертикальных |
||||
недороги. |
|
|
|
|
граней: |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
oНевозможно получить строго вертикальные |
||||
3. |
Избирательность: |
|
|
|
стенки, поскольку плоскость (111) всегда |
|||||
o |
Высокая |
избирательность между |
остаётся. |
|
|
|
||||
кристаллографическими плоскостями и |
|
|
|
|
|
|||||
материалами масок. |
|
|
|
3. |
Чувствительность к дефектам маски: |
|||||
|
|
|
|
|
|
oЛюбой дефект маски приведёт к появлению |
||||
4. |
Совместимость |
с |
другими |
нежелательных структур. |
|
|
||||
процессами: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
o |
Легко интегрируется |
|
в технологию |
4. |
Риск загрязнений: |
|
|
|||
МЭМС. |
|
|
|
|
oНекоторые травители, такие как KOH, могут |
|||||
|
|
|
|
|
|
оставлять примеси на поверхности, что |
||||
|
|
|
|
|
|
нежелательно в микроэлектронике. |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6. Технология вертикального ионного травления в изготовлении микросистем.
Вертикальное ионное травление (DRIE, Deep Reactive Ion Etching) — это метод сухого травления, который используется для создания глубоких, узких и высокоанизотропных структур в микросистемах, таких как микромеханические устройства (MEMS). Эта технология является ключевой в микроэлектронике и микромеханике благодаря высокой точности и возможности работы с кремнием.
Принцип работы
DRIE основано на сочетании химического и физического процессов травления, используя плазму реактивных газов. Процесс включает повторяющиеся циклы из двух основных этапов:
1. Пассивация:
oОсаждение защитного слоя (например, полимера) на боковые стенки травимого материала.
oЭтот слой предотвращает травление боковых стенок, обеспечивая строго вертикальные профили.
2.Травление:
oИонное бомбардирование дна травимой области удаляет защитный слой, а затем химическая реакция с плазмой гравирует материал.
o Обычно используются газы, такие как SF для травления и C F для пассивации. Эти циклы повторяются до достижения требуемой глубины.
Особенности
•Анизотропность: Процесс обеспечивает строго вертикальные стенки
•Высокая глубина: DRIE может создавать структуры глубиной до сотен микрометров.
•Точность: Минимальная ширина канавок может составлять всего несколько микрометров.
Преимущества
•Создание сложных структур: Позволяет формировать узкие канавки, отверстия и другие микроструктуры.
•Совместимость с MEMS: Используется для производства акселерометров, гироскопов, микрозеркал и других MEMS-устройств.
•Высокая повторяемость: Отличается стабильностью процессов, что важно для массового производства.
Недостатки
•Стоимость: Оборудование для DRIE дорогостоящее, что увеличивает стоимость производства.
•Технологическая сложность: Требуется точный контроль процесса для предотвращения дефектов, таких как подрезы или дефекты профиля стенок.
Применение
1. MEMS-устройства:
oАкселерометры, гироскопы, датчики давления.
2.Оптические микросистемы:
oМикролинзы, световоды.
3.Биомедицинские устройства:
oМикроиглы, микрофлюидные чипы.
4.Силовая электроника:
oСоздание вертикальных структур для транзисторов и других компонентов.
7. Механические напряжения в тонких плёнках: причины появления, влияние на
микроструктуры.
Механические напряжения в тонких плёнках — это внутренние напряжения, которые возникают в процессе формирования плёнок или их эксплуатации. Эти напряжения играют важную роль в функциональности и надёжности микросистем, так как могут вызывать деформации, трещины или отслоение плёнок.
Причины появления напряжений
1.Внутренние (в ходе формирования плёнки):
•Термальные напряжения:
oВозникают из-за разницы коэффициентов теплового расширения (КТР) плёнки и подложки при изменении температуры.
oНапример, при охлаждении после высокотемпературных процессов нанесения плёнка может сжиматься или растягиваться.
•Невзвешенные атомные силы:
oАтомы плёнки могут быть размещены в узлах кристаллической решётки неравномерно
из-за процесса осаждения.
oЭто вызывает собственные напряжения (т.н. структурные напряжения).
•Поверхностная энергия:
oРазличия в поверхностной энергии между плёнкой и подложкой создают дополнительные напряжения.
•Ростовые напряжения:
oВозникают в процессе осаждения из-за разницы в кинетике роста плёнки, например, на границах зёрен.
2.Эксплуатационные (в процессе работы):
•Температурные изменения:
oПри эксплуатации устройства температурные градиенты могут создавать дополнительные термальные напряжения.
•Деформации подложки:
oЕсли подложка изгибается или подвергается механическим нагрузкам, это передаётся на плёнку.
•Химические реакции:
oОкисление, диффузия или другие реакции между плёнкой и подложкой могут вызывать изменения напряжений.
Влияние на микроструктуры
Напряжения в тонких плёнках существенно влияют на их микроструктуру и свойства:
Положительное влияние:
•Контроль свойств плёнки:
o Некоторые напряжения могут улучшать механические, электрические или оптические свойства плёнки.
o Например, в транзисторах натяжение может повышать подвижность носителей заряда.
Негативное влияние:
•Дефекты:
oВысокие напряжения могут приводить к образованию трещин, складок или отслоений плёнки.
•Изменение структуры:
oНапряжения могут вызвать перераспределение зёрен в поликристаллических плёнках, что ухудшает их механические свойства.
•Ограничения на толщину:
oУвеличение толщины плёнки может привести к значительному накоплению напряжений и разрушению.
Методы управления напряжениями
Для снижения или контроля напряжений используются различные подходы:
1. Оптимизация процесса осаждения:
oИзменение температуры, скорости осаждения, состава газовой среды.
2.Использование буферных слоёв:
oБуферные материалы уменьшают разницу в тепловых свойствах между плёнкой и подложкой.
3.Термическая обработка:
oОтжиг после осаждения помогает снизить внутренние напряжения.
4.Комбинирование материалов:
oИспользование материалов с близкими КТР.
Примеры применения
•Микроэлектромеханические системы (MEMS):
oВлияние напряжений учитывается при проектировании, чтобы избежать деформации микроструктур, таких как микрозеркала или микроканалы.
•Транзисторы:
oКонтролируемые напряжения используются для улучшения характеристик проводимости.
•Оптические покрытия:
oНапряжения могут изменять отражательные и преломляющие свойства плёнок.
8. Методы микрокорпусирования, анодной и эвтектической сварки.
Микрокорпусирование — это процесс герметизации микроэлектромеханических систем (MEMS), микродатчиков и других микроустройств для их защиты от внешних воздействий (влаги, пыли, механических повреждений) и обеспечения их нормального функционирования.
Методы микрокорпусирования?????????
1. Пластиковое корпусирование:
o Используется для массового производства, где устройства заливаются пластиком или помещаются в литой корпус.
o Преимущества: дешевизна, быстрый процесс.
o Недостатки: ограниченная долговечность при экстремальных условиях.
2. Керамическое корпусирование:
o Высокотемпературный метод, где используются керамические материалы для создания прочных и долговечных корпусов.
oПреимущества: устойчивость к высоким температурам и коррозии.
oНедостатки: высокая стоимость.
3.Металлическое корпусирование:
oИспользование металлических корпусов, которые обеспечивают отличную механическую защиту и экранирование.
oПрименение: военная, аэрокосмическая техника.
4.Кремниевые или стеклянные крышки:
oИспользуются в MEMS-устройствах для обеспечения оптической прозрачности и минимизации механических искажений.
Анодная сварка
Анодная сварка (анодное соединение) — это метод герметичного соединения двух материалов, обычно стекла и кремния, с использованием электрического поля и нагрева.
•Принцип:
1.Стекло и кремний располагают друг над другом.
2.К материалам прикладывается электрическое поле (обычно несколько сотен вольт).
3.При нагреве стекло размягчается, и за счёт электростатических сил прочно соединяется с кремнием.
•Преимущества:
o Высокая герметичность.
o Чистый процесс (не требуется добавочных материалов). o Устойчивость к высоким температурам.
• Недостатки:
o Ограничено применением к материалам с подходящими тепловыми и электрическими свойствами.
oТребуется точный контроль температуры и напряжения.
•Применение:
oПроизводство MEMS, микродатчиков давления, оптических устройств.
Эвтектическая сварка
Эвтектическая сварка — это метод соединения материалов при температуре эвтектической точки сплава, при которой смесь металлов или веществ имеет минимальную температуру плавления.
•Принцип:
1.На поверхности одного или обоих материалов наносится слой эвтектического сплава (например, золото-кремний, алюминий-кремний).
2.Поверхности нагреваются до температуры эвтектической точки.
3.Сплав плавится и образует прочное соединение при охлаждении.
•Преимущества:
o Высокая прочность соединения. o Отличная герметичность.
oСовместимость с высокотемпературными процессами.
•Недостатки:
oВысокая стоимость, особенно при использовании благородных металлов (например,
золота).
oТребует точного контроля температуры.
•Применение:
oПроизводство MEMS, оптических устройств, микроэлектроники.
Сравнение анодной и эвтектической сварки
Параметр |
Анодная сварка |
|
|
Материалы |
Кремний и стекло |
|
|
Температура |
300–400°C |
|
|
Дополнительные |
Не требуются |
|
|
материалы |
|
|
|
|
|
|
|
Прочность соединения |
Высокая, |
но |
ограничена |
электростатическими силами |
|||
Применение |
MEMS, датчики давления |
||
Эвтектическая сварка
Металлы или металлические сплавы
Зависит от эвтектического состава
(например, для Au-Si ~370°C)
Требуется эвтектический сплав
Очень высокая
MEMS, оптика, высокопрочные соединения
Тема 2. Микромеханические структуры
9. Мембранные и балочные элементы микросистем. Методы формирования.
Мембранные и балочные элементы – структурные компоненты микроэлектромеханических систем (MEMS), таких как датчики давления, акселерометры и микроактуаторы. Эти элементы используются для преобразования механических, термических или электрических воздействий в измеримые сигналы.
1. Мембранные элементы
Мембрана — это тонкая плёнка, обычно из кремния или кремний-нитрида, которая свободно растягивается над полостью. Она реагирует на внешние воздействия и деформируется.
Применение: Датчики давления: Микрофлюидика: Акустика:
Критерий |
Вид мембран |
Описание |
|
|
Ультратонкие |
Мембраны с толщиной менее 1 мкм. Очень чувствительны к |
|
|
(< 1 мкм) |
внешним воздействиям, обеспечивая высокую точность |
|
По толщине |
|
работы. |
|
Толстые |
Мембраны с толщиной более 10 мкм. Отличаются высокой |
||
|
|||
|
(> 10 мкм) |
механической прочностью, что позволяет использовать их в |
|
|
|
устройствах для работы при высоких нагрузках. |
|
|
Плоские |
Гладкая, равномерная поверхность |
|
|
Профилированн |
С заранее заданной сложной геометрией, такой как выпуклые, |
|
|
ые |
вогнутые или с узорами. |
|
|
|
Для повышения чувствительности и компенсации |
|
|
|
напряжений, Для концентрации напряжений в опр. обл. |
|
По |
|
мембраны. |
|
Гофрированные |
Мембраны с волнистой или складчатой поверхностью. |
||
поверхности |
|||
|
Повышают устойчивость к механическим воздействиям и |
||
|
|
||
|
|
допускают большие деформации. |
|
|
|
Толщина поверхности постоянна, меняется её профиль. |
|
|
Перфорированн |
Мембраны с отверстиями для управления потоками жидкости, |
|
|
ые |
газа или света. Перфорация регулирует механические свойства |
|
|
|
и делает мембраны подходящими для фильтрации. |
|
|
Пластины |
|
|
По |
|
|
|
конструкции |
Собственные |
|
|
|
мембраны |
|
Методы формирования мембран:
1. Химическое травление кремния (анизотропное):
o Используется травитель, например, KOH или TMAH.
oПолость формируется путем растворения нижнего слоя кремния.
2.Тонкопленочные технологии:
oНанесение тонких пленок материалов, таких как Si N , SiO , или полиимид, на
подложку.
oФормирование мембраны после травления подложки.
3.Смешанные технологии:
2. Балочные элементы
Балка — это длинный и узкий элемент, закрепленный на одном или двух концах. Она используется для регистрации изгиба, деформации или колебаний.
Применение:
•Акселерометры: Определение ускорения по степени деформации балки.
•Резонаторы: Частотно-зависимые элементы в фильтрах и генераторах.
•Микровесы: Измерение массы наночастиц или биомолекул.
Методы формирования балок:
1. Фотолитография и травление:
oСоздание маски с формой балки, а затем удаление ненужного материала с помощью DRIE или мокрого травления.
2.Распыление и осаждение:
oОсаждение материала балки (например, алюминия, поликремния) на подложку с последующим травлением для выделения балки.
3.Технология "жертвенного слоя":
oСоздание временного слоя (обычно SiO ), на котором формируется балка. Затем жертвенный слой удаляется, оставляя свободно подвешенный элемент.
Ключевые различия мембран и балок
Параметр |
Мембрана |
Балка |
Форма |
Плоская пленка над полостью |
Узкая и длинная, закрепленная на концах |
Деформация Растяжение или изгиб |
Изгиб или вибрации |
|
Применение Датчики давления, микрофлюидика Акселерометры, резонаторы |
||
Материалы |
Si, Si N , полиимид |
Поликремний, металл, нитриды кремния |
10.Влияние внутренних механических напряжений на деформацию мембран и балок.
11.Нелинейные прогибы мембранных и балочных элементов.
Тема 3. Тензорезистивные интегральные преобразователи
12.Тензорезистивный эффект в полупроводниках, влияние ориентации, легирования.
13.Тензорезисторы в интегральном исполнении. Плёночные и диффузионные резисторы:
структура (сечение), особенности применения.
14.Интегральная тензорезистивная мостовая схема: влияние температуры, питания, положения резисторов на мембране.
15.Номинальные параметры микромеханических преобразователей.
16.Тензорезистивные датчики давления. Основные типы конструкций и топологий.
17.Тензорезистивные акселерометры. Линейный и маятниковый акселерометр. Конструкции,
тензорезистивная схема. Погрешности измерения.
Тема 4. Микроэлектромеханические преобразователи
18.Ёмкостные электромеханические преобразователи. Основные типы конструкций.
19.Ёмкостная дифференциальная и мостовая измерительная схема: особенности питания и обратной связи.
20.Поверхностные ёмкостные акселерометры: основные типы структур, преимущества и недостатки.
21.Вибрационные микрогироскопы: принцип работы, основные типы, особенности функционирования.
22.Электростатические актюаторы. Микрореле. Конструкция и принцип работы.
Тема 5. Тепловые микросистемы
23.Тепловые микросистемы. Законы теплопередачи. Тепловое сопротивление. Теплоёмкость.
24.Терморезисторы. Характеристики. Терморезистивные преобразователи.
25.Терморезистивные датчики температуры. Схемы, конструкции.
26.Терморезистивные датчики потока. Схемы, конструкции, режимы работы.
27.Терморезистивные вакуумметры. Схемы, конструкции, режимы работы.
28.Терморезистивные микроболометры. Схемы, конструкции.
29.Термоэлектрические преобразователи. Схемы, конструкции.
30.Термомеханические приводы движения. Конструкции.
Тема 6. Акустические микросистемы
31.Конструкции и принцип действия мембранных ёмкостных микрофонов.
32.Конструкция и принцип действия электретного микрофона.
33.Конструкция и принцип действия пьезоэлектрического микрофона.
Дополнительные вопросы:
−Обоснование необходимости использования 2-х сторонней фотолитографии, «стоп-слоёв»,
вертикального ионного травления в технологии микросистем
−Механические напряжения в тонких плёнках: причины появления, влияние на микроструктуры
−Номинальные значения входного воздействия и выходного сигнала
−Чувствительность тензорезистивного датчика давления: от чего зависит, влияние температуры
−Как повысить чувствительность ёмкостного поверхностного акселерометра?
−Как в микрогироскопах обеспечивается селективность измерения угловой скорости относительно линейного ускорения?
−Причины появления отрицательного дифференциального сопротивления на ВАХ терморезистора
−Проблемы измерения температуры воздуха терморезистивными датчиками
−От чего зависит быстродействие терморезистивных преобразователей в микроконструкциях?
−От чего зависит теплоотдача терморезистора?
−Чем определяется мощность, необходимая для перегрева терморезистора на 1 ºС ?
−Как обеспечивается селективность измерения потока по отношению к изменению температуры газа в терморезистивных анемометрах?
−Чем ограничен диапазон измерения терморезистивных вакуумметров?
−Как влияет на чувствительность ёмкостного микрофона величина подмембранного воздушного зазора?
−Почему практически не используются тензорезистивные преобразователи в микрофонах?
−Как повысить чувствительность мембранного преобразователя?
−Чем мембрана отличается от пластины, влияние толщины?
−Чем обусловлена нелинейность мембранных преобразователей при больших прогибах