2.Способы изготовления МЭМС
Технологии изготовления устройств МЭМС базируются на технологии этапов изготовления интегральных схем (ИС), которые адаптированы для формирования трехмерных структур.
В настоящее время выделяется три основных метода микрообработки изготовления МЭМС устройства: объёмная, поверхностная и высокопрофильная микрообработка.
2.1. Объёмная микрообработка
Объёмная микрообработка состоит в процессе удаления материала подложки в целях формирования требуемой структуры, которая включает в свой состав гибкие консоли или кантилеверы, отверстия, канавки и мембранные элементы. Чтобы сформировать закруглённые углубления, необходимо удалять материал с помощью изотропного травления.
Кантиле́вер (англ. cantilever — кронштейн, консоль) — устоявшееся название наиболее распространенной в сканирующей атомно-силовой микроскопии конструкции микромеханического зонда.
11
Процесс объемной микрообработки
Кремниевый микрозахват (a) и ряд микробалок, полученных с помощью
объемной микрообработки (b). |
12 |
|
Особенности процесса объемной микрообработки
|
Параметры процесса |
Преимущества |
Недостатки |
|
1. Параметры плазмы: |
Осмысленно |
Обработка |
пластин |
|
|
состав газа; |
получаемое |
по отдельности |
|
|
напряжение смещения; |
горизонтальное |
|
|
|
температура подложки; |
изображение |
|
|
|
плотность плазмы; |
|
|
|
|
давление процесса. |
|
|
|
2. Маскирование полимерами и тонкими пленками: |
Изменяемый |
Увеличение |
|
|
|
термическое SiO2; |
профиль |
времени травления |
|
|
химическое осаждение из паровой фазы при |
|
|
|
пониженном давлении SiO2 или Si3N4; |
|
|
|
|
|
нанесение фоторезиста; |
|
|
|
|
металлизация (Cr, Al). |
|
|
|
3. Химическое воздействие: |
Возможно |
Нет собственного |
||
|
с обратной стороны (мембраны, отверстия) |
получение |
ограничителя |
|
геометрическая форма определяется шаблоном маски; |
рельефных |
травления |
и |
|
|
с передней стороны (консоли, каналы, затворы) |
изображений |
определения |
|
геометрическая форма определяется подтравливанием |
|
изображения |
||
|
|
|
|
|
4. Газы травителя: |
|
|
|
|
SF6, CBrF3 при Т 270 К |
|
|
|
|
SF6, O2 при Т100 К |
|
|
|
|
CHF3, O2 при Т 100 К |
|
|
|
|
CHCl3 при Т 270 К |
|
|
|
|
13
2.2. Поверхностная микрообработка
Поверхностная микрообработка состоит в последовательном осаждении на подложку структурных кремниевых слоёв и «жертвенных» слоев, которые выполнены из диоксида кремния, нитрида кремния или полимера. Методом фотолитографии в этих структурных слоях формируют рисунок поперечного сечения создаваемого узла. Далее, используя жидкость или сухое травление, удаляют «жертвенный» слой, что приводит к образованию зазоров и пустот между механическими элементами узла. Геометрические параметры такого узла: толщина - 10-50 мкм, высота - 10-30 мкм.
Система зубчатой передачи (a) и подвешенный элемент тепловизионной матрицы (b), которые получены с помощью поверхностной микрообработки.
14
Этапы поверхностной микрообработки при
формировании МЭМС- устройств
15
Особенности процесса поверхностной микрообработки
|
Параметры процесса |
Преимущества |
|
Недостатки |
||
1. |
Плазмохимическое осаждение из |
Осмысленно |
|
Уменьшенное |
||
паровой фазы или химическое осаждение |
получаемая |
|
|
отношение |
||
из паровой фазы при пониженном |
горизонтальная |
|
ширины канала к |
|||
давлении поликристаллического кремния, |
геометрическая форма. |
|
длине. |
|||
фосфорокварцевого стекла. |
|
|
|
|
|
|
2. |
Маскирование полимерами и тонкими |
Изменяемый профиль. |
|
Сокращение |
||
пленками: |
|
|
|
|
количества |
|
- нанесение фоторезиста; |
|
|
|
|
материалов |
|
- термически SiO2; |
|
|
|
|
|
|
- химическим осаждением из паровой |
|
|
|
|
||
фазы при пониженном давлении SiO2 или |
|
|
|
|
||
Si3N4 фосфорокварцевого стекла. |
|
|
|
|
||
3. |
Сухое и жидкое |
термическое |
Есть |
возможность |
|
|
окисление. |
|
получать |
свободные |
|
||
|
|
|
структуры. |
|
|
|
4. |
Геометрическая форма |
определяется |
Совместимость |
с |
|
|
маскированием и при травлении. |
КМОП. |
|
|
|
||
5. Травление (сухое и жидкое). |
|
|
|
|
||
16
2.3. Высокопрофильная микрообработка
Целью высокопрофильной микрообработки (Lithography- Galvanik-Abformung – LIGA) является получение высокого отношения высоты профиля к его ширине в трехмерной структуре. Здесь применимы такие методы, как фото и рентгенография, электроосаждение и формование.
С помощью рентгеновского излучения в толстом полимерном слое фоторезисторов формируются канавки (до 5х10-3 м), имеющие отвесные стенки. Далее, используя метод гальванического осаждения, формируют высокопрофильные трехмерные структуры. Технология LIGA позволяет обеспечить наилучшее соотношение высоты профиля к его ширине, а также ширины канала к его длине, при условии обеспечения минимальных размеров элементов.
Всего требуется от 5 до 25 операций рентгеновской литографии в зависимости от сложности МЭМС устройства.
17
Процесс создания МЭМС-устройств по LIGA- технологии
18
Особенности применения LIGA-технологии
Параметры процесса |
Преимущества |
|
Недостатки |
|
||
1. Рентгенолитография (синхротрон) в |
Имеет |
наилучшее |
Ограничена |
возможности |
||
полиметилметакрилате |
отношение |
ширины |
комбинирования |
с |
||
|
канала к |
длине при |
полупроводниковой |
|
||
|
минимальных размерах |
технологией (КМОП) |
|
|||
2. Гальваника |
Структуры |
с высоким |
Есть |
ограничения |
на |
|
|
разрешением |
|
форму |
рельефа и |
на |
|
|
топографического |
получение |
свободно |
|||
|
изображения |
|
перемещаемых структур |
|
||
3. Дочерняя и большая дочерняя копия |
Жесткий допуск |
Ограничена |
точность |
по |
||
из полиметров или металла |
|
|
высоте |
|
|
|
Утехнологии LIGA есть ещё ряд преимуществ:
можно формировать свободно перемещаемые структуры;
возможность использования разнообразных материалов.
Кнедостаткам технологии LIGA относятся:
повышенная сложность изготовления;
высокая стоимость маски и экспонирования.
19
2.4.Другие виды микрообработки
1.SIGA-технология (ультрафиолетовая литография, гальваника и формовка). Она позволяет управлять шириной профиля структуры МЭМС и хорошо совместима с технологией тонких пленок.
2.HART-технология (High aspect ratio technologies) (позволяет
реализовать высокое аспектное соотношение и дает возможность получения структур МЭМС с высоким отношением высоты к ширине, что позволяет создать узкие и глубокие канавки).
3.MUMPS-технология представляет трехслойную поликристаллическую поверхностную обработку.
4.Микростереолитография – технология формирования
изображения непосредственно в слое фоторезистора. На пластину последовательно наносятся более 1000 слоев толщиной 1-5 мкм.
5. Микрообработка арсенида галлия. Специфические свойства GaAs и AlGaAs позволяют применять к этим материалам методы обработки, являющиеся развитием объёмной микрообработки.
20