eng
Выпуск #9/2018
Власов Андрей Игоревич, Милешин Сергей Андреевич, Цивинская Татьяна Анатольевна
Анализ дефектов сенсорных кристаллов монокристаллического кремния и технологий производства
Анализ дефектов сенсорных кристаллов монокристаллического кремния и технологий производства
Просмотры: 3017
В данной работе представлены возможные проблемы текущего производства кристаллов для создания чувствительных элементов систем датчиков из монокристаллического кремния. Показаны различные методы разработки с учетом настоящих технологических ограничений структур для высокоточных контрольно-измерительных приборов измерения физических величин. Проанализированы дефекты кристаллической решетки, появляющиеся при производстве чувствительных элементов, и их влияние на характеристики контрольно-измерительных сенсоров. Представлены типовые схемы производства сенсорных элементов.
УДК 681.3
DOI: 10.22184/1993-8578.2018.82.238.245
УДК 681.3
DOI: 10.22184/1993-8578.2018.82.238.245
Теги: control and measuring sensor crystal lattice elastic deformations microdefects sensitive element single-crystal silicon контрольно-измерительный сенсор кристаллическая решетка микродефекты монокристаллический кремний упругие деформации чувствительный элемент
ВВЕДЕНИЕ
В последнее время ежегодные объемы продаж продуктов микроэлектроники превышают 250 млрд долл., компонентов на основе МЭМС — примерно 10 млрд долл. В настоящее время выручка от реализации продуктов электроники уже больше 250 млрд долларов, а с учетом МЭМС — 15 млрд включительно.
Согласно данным организации Yole Development из Франции, деятельностью которой является мониторинг и анализ текущего состояния и перспектив рынка инноватики в мире, мировой рынок МЭМС, включая и оборудование для его производства, будет уже скоро составлять более 15 млрд долларов.
Жан-Кристофер Элой (президент Yole Development) пояснил, что в следующие 5 лет средние темпы роста объема продаж МЭМС будут превышать 12 %. Объем продаж в 2018 году достигнет 20 млрд долларов. Уже сегодня продаваемые на рынке компоненты характеризуются высоким уровнем технологии. Производство МЭМС-компонентов расширяется все дальше, появляются новые области применения, также в медицине и промышленности.
Ускоренное внедрение МЭМС-технологий в значительной мере обясняется их главными плюсами — компактностью, функциональностью, прочностью, небольшим энергопотреблением, несложностью внедрения, востребованностью фактически целыми рынками электронного производства. МЭМС обретают наиболее обширное использование в рынках глобального спроса: автомобили, обычные гаджеты (сотовые телефонные аппараты, ноутбуки, нетбуки и др.), устройства особого назначения, выполняемые маленькими партиями: медицинская, армейская и аэрокосмическая техническая оснастка, индустриальные АСУ, техника прогноза метеоусловий.
Важное пожелание, требуемое от МЭМС при глобальном внедрении, — исполнение отношения «невысокая стоимость/кол-во штук произведенное за раз», а к устройствам особого назначения — лучшие характеристики из существующих.
МЭМС имеют все шансы стать неповторимым, легким продуктом для почти всех, до этого трудных задач диагностики и контроля благодаря их плюсам. Сейчас формирование технологий изготовления и испытания, а также возможность местного производства МЭМС, позволяет клиенту творить личные, неповторимые продукты в рамках собственной научно-технической базы. Глобально, под МЭМС понимаются разные механико-электрические (воспринимающие) либо электромеханические актюаторы, размеры которых порядка 1 микрона. Смещение сменных частей МЭМС в данном случае никак не превосходит того же микрона.
Технология МЭМС выстроена на внедрении в кремниевой подложке микропроизводства микромеханических структур сенсоров, актюаторов (управляющих частей) и электрических приборов, исполняющих задачи сбора, разбора, контролирования, формирования управляющих сигналов. Данные технологии очень похожи на те, что используются для изготовления микросхем. Поэтому МЭМС-приборы гарантируют высочайшую степень функциональности, прочности, невысокую стоимость. Наверное, это является той причной, которая обусловила их обширное использование, как и продуктов микроэлектроники. Несмотря на то, что оборудование особого назначения позволяет устанавливать сравнимо высокую стоимость, тот факт, что МЭМС-схемы разрешают добиться невысокой цены за штуку, существенно расширяет возможность развертывания сенсорных сетей, даже если интеграторам это могло показаться лишним. МЭМС-детекторы давления и перемещения (акселерометры, гироскопы) создают перемещения, характеристики которых мониторит МЭМС-конструкция. Передвигающаяся конструкция данных устройств никак не сопряжена с объектом, поэтому они маркируются как бесконтактные приборы. Если подвижная конструкция качественно спроектирована и вполне защищается корпусом, то маленький сенсор высоконадежен и имеет возможность работать в разных условиях среды и состояниях, с быстро изменяющимися температурами, ускорениями, при наличии ударов, влаги, загрязнений, электромагнитных нарушений, радиации. В этих условиях гарантируется достоверная и четкая работа в динамической системе, т. е. при около стремительном, скачкообразном, периодическом либо апериодическом изменении характеристик.
АНАЛИЗ ТРЕБОВАНИЙ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СТРУКТУР ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ КОНТРОЛЬНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ МЭМС-СЕНСОРОВ ДАВЛЕНИЯ
Компании в России, занимающиеся дизайном и созданием интегральных структур в монокристаллическом кремнии, в исследованиях и налаживании выпуска преобразователей давления, перенося напрямую опыт одной технологии в другую, никак не предусматривают одной характерной особенности в эксплуатации кристаллов: микросхемотехнические кристаллы действуют в системе передачи информации в отсутствие добавления к ним каких-либо нагрузок, и качество их работы никак не координируется с правильностью замера того или другого конкретного параметра, а преобразователи для сенсоров — наверное контрольно-замерное оборудование, основанное на преображении деформации вытравленной кремниевой мембраны в электрический сигнал [1–3].
Оригинальные качества упругости монокристаллического кремния обусловлены устройством кристаллической решетки. Из-за этого микродефекты кристальной сетки, обусловленные примесями в виде О2, углерода и N2, чувствительны к введению единичных атомов в междоузлия кристальной сетки (рис. 1а). Поскольку эти атомы прямо действуют на качества и свойства полупроводника, делая 3D-микродефекты (рис. 1б), и имеют форму спирали, они именуются swirl-лентой (от англ. swirl — воронка).
В течение всего цикла производства устройств на основе пластин из монокристаллического кремния исходные пластинки подвергаются влиянию больших температур около 1200 °C, и в итоге в некоторых витках спирали ускоряется распад твердых растворов с образованием различного вида примесных комплексов, кластеров точечных дефектов, дефектов упаковки и других структурных несовершенств. Возникающие изъяны имеют все шансы служить центрами осаждения избыточных растворов и других иных включений, которые способны образовать очаги одиночных дрейфующих микродефектов. Погрешность измерения увеличивается в пределах 1–2 % и начинает проявляться дефект под названием «плывучесть сигнала», т. е. электрический сигнал разбалансировки измерительного моста после сброса нагрузки постоянно изменяет свое значение.
Вышеупомянутые дефекты [2] однозначно влияют на упругие свойства пластины монокристаллического кремния, так как в местах нахождения значительно увеличивается межатомное расстояние и поврежденные области оказывают дестабилизирующее действие на линейность электрического сигнала в зависимости от величины деформации слоя Si при начале и снятии механической нагрузки. Также, при температурных воздействиях увеличивается двигательная способность атомов в области дислокаций, и эти области имеют уже новую способность изменять конфигурацию и размеры, и как следствие, меняется структура кристаллической решетки (рис. 2), а значит, и упругой деформации, и величина электрического сигнала. В результате погрешность измерения увеличивается в пределах 1–2 % и проявляется дефект под названием «плывучесть сигнала», т. е. электрический сигнал разбалансировки измерительного моста после сброса нагрузки постоянно меняет свое значение. После этого точность измерения и стабильность показаний результатов измерений новых приборов, на этом кристалле, зависит от свойств и структуры пластины из Si.
Конструкция ЧЭ состоит из крышки 1, трубки для подачи давления 2 и керамической подложки 3. На подложке 3 также расположены один или два операционных усилителя 4, выполненных на отдельных полупроводниковых пластинах, и мембранный ЧЭ 5, изготовленный в виде отдельного элемента, микроконтроллер 6 и необходимые для работы схемы пассивные элементы 7.
Качество поверхности пластины зависит от степени шероховатости, чистоты от включений инородных элементов и остатков от масок и растворителей и кристаллического совершенства поверхностных слоев. При любой как механической, так и химической обработке поверхности Si в верхнем слое кристаллическая решетка подвергается частичному разрушению и внедрению примесных атомов [4, 5]. Исследования поверхности методами электронной микроскопии показали, что поврежденный слой состоит как минимум из четырех слоев: первый — рельефный слой, имеющий выступы и неровности, характерные шероховатости после полировки, второй слой — дислокационные петли и сетки, микротрещины, точечные дефекты в зоне трещин, выходы дислокаций. Причем наличие трещин во втором слое приводит к образованию в третьем слое напряжений и дислокаций, плотность которых становится меньше с глубиной. Третий слой, по сути, является переходным от аморфной структуры к чистому монокристаллу и может также содержать упругие или пластические деформации. В процессе изготовления на поверхности кремния интегральной схемы пластина подвергается многократному воздействию различных температур и химических реагентов, и в результате этого воздействия количество нарушений во втором слое увеличивается и тогда можно наблюдать картину выхода дислокаций на поверхность первого слоя и увеличения образований дислокаций в третьем слое, т. е. в объеме пластины происходит нарастание внутренних, неравномерно распределенных напряжений, которые при стремлении к равновесному состоянию начнут воздействовать на кристаллическую структуру измерительной мембраны и сбивать показания прибора. Нужно помнить, что пластина нарезается из слитка и, следовательно, поверхность ее характеризуется неплоскостностью и непараллельностью, а посему высокие требования предъявляются и к обратной стороне кристалла. Во-первых, разная обработка обеих сторон пластины приводит, как следствие, к дополнительным остаточным механическим напряжениям и деформации кристалла, что обуславливается изгибом пластины. Во-вторых, на обратной стороне вытравливается рабочая измерительная мембрана толщиной от 10 до 250 мкм при толщине кристалла 430 мкм, что вносит свою долю в величину остаточных механических напряжений.
В общем, параметры контроля качества пластин монокристаллического кремния и для изготовления полупроводниковых приборов и кристаллов для контрольно-измерительных приборов соответствуют одним критериям: толщина пластины, ее непараллельность, прогиб, неплоскостность, качество обработки поверхности, удельное сопротивление, макро- и микронеоднородность по удельному сопротивлению, дефекты кристаллической решетки [6–8].
Но если при изготовлении полупроводниковых приборов данные параметры интересуют только с точки зрения формирования в поверхностном слое кремния структуры проводников и диэлектриков в соответствии с требованиями конструкторской документации и проявления дислокаций, точечных микродефектов кристаллической решетки [8–12].
ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА
Технологии производства MEMS — часть спектра технологий производства, которые также включают традиционные процессы точной механической обработки. Традиционные процессы механической обработки могут использовать большое разнообразие материалов, изготавливать сложные трехмерные устройства и производить высокоточные устройства. Процессы производства MEMS обычно более ограничены в используемых материалах, но они могут произвести функциональные устройства с размерами меньше микрона. В табл. 1 представлено сравнение процессов производства MEMS и обычных процессов механической обработки.
Оценка процесса производства для продуктов требует взаимодействия многих факторов:
критически минимальный размер, который может быть произведен;
точность процесса (т. е. размерная точность или номинальный размер устройства);
материалы, доступные для производства;
требования к линии сборки, чтобы произвести функционирующее устройство;
масштабируемость процесса (т. е. большие количества устройств могут быть произведены?);
интегрируемость с другими процессами фальсификации (например, микроэлектроника).
Большой спектр процессов производства MEMS был разработан, и они могут быть сгруппированы в три большие категории, о которых написано ниже:
Lithographie, Galvanoformung, Abformung (LIGA);
грубая микромеханическая обработка;
донорская поверхностная микромеханическая обработка.
Рис. 3 показывает фундаментальные понятия каждой категории производства.
Грубая микромеханическая обработка и жертвенная поверхностная микромеханическая обработка часто базируются на кремнии и обычно очень сопряжены с ветвью производства микроэлектроники, так как они используют то же самое оборудование.
Грубая микромеханическая обработка использует влажные или сухие методы травления, чтобы произвести изотропический или анизотропный профиль в материале. Грубая микромеханическая обработка может создавать большие структуры MEMS (десятки микронов), которые могут использоваться для измерения расхода жидкости.
Коммерческое применение групповой микромеханической обработки было доступно с 1970-х. Эти решения включают в себя датчики давления, инерционные датчики и принтерные головки. Жертвенная поверхностная микромеханическая обработка (SSM) — прямой отпрыск процессов обработки из микроэлектронной промышленности, и самый используемый материал — кремний. У этой технологии было несколько коммерческих успехов в прошлом десятилетии, включая оптические массивы зеркала и инерционные датчики. Оба этих решения включают интегрированную микроэлектронику для измерений и функций управления. Эта технология обычно ограничена толщинами пленок 2–6 мм. Это дает технологии SSM значительное преимущество для решений, в которых задействовано большое количество устройств. Кроме того, у технологии SSM есть путь к интеграции из электроники со структурами MEMS, которые будут использоваться для функций контроля или измерения.
Технология LIGA была продемонстрирована в 1980-х. Эта технология может изготовить устройства с маленьким критическим измерением и высоким форматом толщины или ширины металлических материалов, на которые можно нанести слой металла гальваническим способом. Это обеспечивает преимущества в применениях, требующих широкого набора материалов. Однако сборка больших массивов устройств — проблема.
LIGA
Технология LIGA способна создавать сложные структуры гальванически осаждаемых металлов с очень высокими форматами пропорций и толщинами от нескольких до сотен микронов. Процесс LIGA использует рентгеновскую литографию, толстые резистивные слои и гальванически нанесенный слой металла. Так как излучение рентгена используется как источник экспозиции для LIGA, основание маски сделано из рентгенопрозрачных материалов (например, нитрид кремния, поликремний). Соответствующий слой с рисунком маски должен был бы быть сделан из тяжелого материала (например, золото).
Грубая микромеханическая обработка использует влажные и сухие методы травления, чтобы достигнуть изотропических и анизотропных особенностей травления в материалах. Чтобы произвести продукты для практического применения, много различных аспектов процесса должны быть приняты во внимание:
нанесение маски;
избирательность травления при различной кристаллографической ориентации;
определение момента начала и конца травления.
Влажное травление — просто химический процесс, который может быть изотропическим в аморфных материалах, таких как кремниевый диоксид, и направленным в кристалловых материалах, таких как кремний. Загрязнители и макрочастицы в этом типе процесса — просто функционал химической чистоты. Ажитация влажной химической ванны часто используется, чтобы помочь движению реагентов и побочных продуктов к и от поверхности. Ажитация также поможет однородности травления, т. к. побочные продукты могут быть в форме твердых частиц или газов, которые должны быть удалены. Современная влажно-химическая линейка обычно имеет ажитацию, средства контроля температуры и времени, как и фильтрация, чтобы удалить макрочастицы.
Донорская поверхностная микромеханическая обработка. У фундаментального понятия поверхностного процесса микромеханической обработки были свои корни еще в 1950-х и 1960-х с электростатическими массивами затворов и истоком резонирующего транзистора. Однако только в 1980-х поверхностная микромеханическая обработка и использование комплекта инструментов микроэлектроники получили значительное внимание. Хоу и Малер предоставили основное определение функций поликристаллической кремниевой поверхности для микромеханической обработки, и Фэн и иллюстрировали множество механических элементов булавка фиксированной оси соединяет, самоограничивая сопряжения булавки, и двигая элементы. Поверхностная микромеханическая обработка — технология производства, основанная на депозиции, шаблонировании, травлении набора материалов на подложку. Жертвенный материал убран в конец цикла производства, который выработан как механизм сборки.
На рис. 4 изображена последовательность изготовления кантилевера на структурных слоях и одном жертвенном.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В данной работе были проанализированы методы конструирования с учетом технологических ограничений интегральных микроструктур для сверхточных контрольно-измерительных приборов измерения физических величин.
Авторы считают, что в данной работе новыми являются следующие положения и результаты исследования:
При реализации кристаллов измерительных элементов необходимо учитывать, что они подвергаются внешним факторам, в результате чего образуются кластеры точечных дефектов, дефекты упаковки решетки и другие структурных несовершенства. Образующиеся дефекты в свою очередь могут служить центрами осаждения избыточных растворов других примесей, которые способны образовать очаги одиночных дрейфующих микродефектов. Это, как следствие, влечет за собой увеличение погрешности измерений в пределах 1–2 % и формирование дефекта под названием «плывучесть сигнала», т. е. электрический сигнал разбалансировки измерительного моста после сброса нагрузки постоянно изменяет свое значение. Указанные микродефекты однозначно влияют на упругие свойства пластины монокристаллического кремния, так как в местах дислокаций увеличивается межатомное расстояние и дефектные области оказывают дестабилизирующее действие на прямолинейную зависимость электрического сигнала от величины деформации слоя кремния при воздействии и снятии механической нагрузки.
Рекомендации работы могут быть полезны для разработчиков кристаллов ЧЭ для контрольно-измерительных сенсоров и предприятий контрактного полупроводникового производства для адаптации своих технологических процессов к требованиям, предъявляемым к чувствительным элементам контрольно-измерительных сенсоров.
ЛИТЕРАТУРА
1. Готра З. Ю. Технология микроэлектронных устройств — М.: Изд-во «Радио и связь». 1991. 528 с.
2. Марков В. Ф. Материалы современной электроники — Екатеринбург. Изд-во Урал. ун-та, 2014. 272 с.
3. Сергеева Н. А., Цивинская Т. А., Шахнов В. А. Контрольно-измерительный МЭМС с использованием малогабаритных чувствительных элементов из монокристаллического кремния // Датчики и системы. 2016. № 3 (201). — С. 32–39.
4. Тиняков Ю. Н., Милешин С. А., Андреев К. А., Цыганков В. Ю. Анализ конструкций зарубежных прототипов датчиков давления // Наука и образование: научное издание МГТУ им. Н. Э. Баумана. 2011. № 9. — С. 4.
5. Андреев К. А., Власов А. И., Шахнов В. А. Кремниевые преобразователи давления с защитой от перегрузок // Датчики и системы. 2014. № 10. — С. 54–57.
6. Андреев К. А., Власов А. И., Камышная Э. Н., Тиняков Ю. Н., Лавров А. В. Автоматизированная пространственная оптимизация компоновки блока управления датчика давления по тепловому критерию // Инженерный журнал: наука и инновации. 2013. № 6 (18). — С. 51.
7. Андреев К. А., Милешин С. А., Цивинская Т. А. Анализ методов электростатической сварки кремния и стекла при производстве высокоточных датчиков // Датчики и системы. 2013. № 2 (165). — С. 45–49.
8. Борзов А. Б., Лихоеденко К. П., Цыганков В. Ю., Власов А. И., Тиняков Ю. Н., Андреев К. А., Цивинская Т. А. Термокомпенсация измерительного канала датчика давления на основе полупроводниковых интегральных преобразователей // Наука и образование: научное издание МГТУ им. Н. Э. Баумана. 2012. № 11. — С. 21.
9. Власов А. И., Цивинская Т. А., Шахнов В. А. Анализ влияния формы мембраны на механическую прочность и стабильность параметров МЭМС-сенсоров давления // Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем (МЭС). 2016. № 4. — С. 65–70.
10. Власов А. И., Маркелов В. В., Зотьева Д. Е. Управление и контроль качества изделий электронной техники. Семь основных инструментов системного анализа при управлении качеством изделий электронной техники // Датчики и системы. 2014. № 8 (183). — С. 55–66.
11. Андреев К. А., Тиняков Ю. Н., Шахнов В. А. Математические модели гибридных чувствительных элементов датчиков давления // Датчики и системы. 2013. № 9 (172). — С. 2–9.
12. Амирханов А. В., Гладких А. А., Глушко А. А., Макарчук В. В., Новоселов А. С., Родионов И. А., Шахнов В. А. Разработка парадигмы проектирования СБИС с учетом результатов конструкторско-технологического моделирования // Датчики и системы. 2013. № 9 (172). — С. 38–51.
В последнее время ежегодные объемы продаж продуктов микроэлектроники превышают 250 млрд долл., компонентов на основе МЭМС — примерно 10 млрд долл. В настоящее время выручка от реализации продуктов электроники уже больше 250 млрд долларов, а с учетом МЭМС — 15 млрд включительно.
Согласно данным организации Yole Development из Франции, деятельностью которой является мониторинг и анализ текущего состояния и перспектив рынка инноватики в мире, мировой рынок МЭМС, включая и оборудование для его производства, будет уже скоро составлять более 15 млрд долларов.
Жан-Кристофер Элой (президент Yole Development) пояснил, что в следующие 5 лет средние темпы роста объема продаж МЭМС будут превышать 12 %. Объем продаж в 2018 году достигнет 20 млрд долларов. Уже сегодня продаваемые на рынке компоненты характеризуются высоким уровнем технологии. Производство МЭМС-компонентов расширяется все дальше, появляются новые области применения, также в медицине и промышленности.
Ускоренное внедрение МЭМС-технологий в значительной мере обясняется их главными плюсами — компактностью, функциональностью, прочностью, небольшим энергопотреблением, несложностью внедрения, востребованностью фактически целыми рынками электронного производства. МЭМС обретают наиболее обширное использование в рынках глобального спроса: автомобили, обычные гаджеты (сотовые телефонные аппараты, ноутбуки, нетбуки и др.), устройства особого назначения, выполняемые маленькими партиями: медицинская, армейская и аэрокосмическая техническая оснастка, индустриальные АСУ, техника прогноза метеоусловий.
Важное пожелание, требуемое от МЭМС при глобальном внедрении, — исполнение отношения «невысокая стоимость/кол-во штук произведенное за раз», а к устройствам особого назначения — лучшие характеристики из существующих.
МЭМС имеют все шансы стать неповторимым, легким продуктом для почти всех, до этого трудных задач диагностики и контроля благодаря их плюсам. Сейчас формирование технологий изготовления и испытания, а также возможность местного производства МЭМС, позволяет клиенту творить личные, неповторимые продукты в рамках собственной научно-технической базы. Глобально, под МЭМС понимаются разные механико-электрические (воспринимающие) либо электромеханические актюаторы, размеры которых порядка 1 микрона. Смещение сменных частей МЭМС в данном случае никак не превосходит того же микрона.
Технология МЭМС выстроена на внедрении в кремниевой подложке микропроизводства микромеханических структур сенсоров, актюаторов (управляющих частей) и электрических приборов, исполняющих задачи сбора, разбора, контролирования, формирования управляющих сигналов. Данные технологии очень похожи на те, что используются для изготовления микросхем. Поэтому МЭМС-приборы гарантируют высочайшую степень функциональности, прочности, невысокую стоимость. Наверное, это является той причной, которая обусловила их обширное использование, как и продуктов микроэлектроники. Несмотря на то, что оборудование особого назначения позволяет устанавливать сравнимо высокую стоимость, тот факт, что МЭМС-схемы разрешают добиться невысокой цены за штуку, существенно расширяет возможность развертывания сенсорных сетей, даже если интеграторам это могло показаться лишним. МЭМС-детекторы давления и перемещения (акселерометры, гироскопы) создают перемещения, характеристики которых мониторит МЭМС-конструкция. Передвигающаяся конструкция данных устройств никак не сопряжена с объектом, поэтому они маркируются как бесконтактные приборы. Если подвижная конструкция качественно спроектирована и вполне защищается корпусом, то маленький сенсор высоконадежен и имеет возможность работать в разных условиях среды и состояниях, с быстро изменяющимися температурами, ускорениями, при наличии ударов, влаги, загрязнений, электромагнитных нарушений, радиации. В этих условиях гарантируется достоверная и четкая работа в динамической системе, т. е. при около стремительном, скачкообразном, периодическом либо апериодическом изменении характеристик.
АНАЛИЗ ТРЕБОВАНИЙ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СТРУКТУР ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ КОНТРОЛЬНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ МЭМС-СЕНСОРОВ ДАВЛЕНИЯ
Компании в России, занимающиеся дизайном и созданием интегральных структур в монокристаллическом кремнии, в исследованиях и налаживании выпуска преобразователей давления, перенося напрямую опыт одной технологии в другую, никак не предусматривают одной характерной особенности в эксплуатации кристаллов: микросхемотехнические кристаллы действуют в системе передачи информации в отсутствие добавления к ним каких-либо нагрузок, и качество их работы никак не координируется с правильностью замера того или другого конкретного параметра, а преобразователи для сенсоров — наверное контрольно-замерное оборудование, основанное на преображении деформации вытравленной кремниевой мембраны в электрический сигнал [1–3].
Оригинальные качества упругости монокристаллического кремния обусловлены устройством кристаллической решетки. Из-за этого микродефекты кристальной сетки, обусловленные примесями в виде О2, углерода и N2, чувствительны к введению единичных атомов в междоузлия кристальной сетки (рис. 1а). Поскольку эти атомы прямо действуют на качества и свойства полупроводника, делая 3D-микродефекты (рис. 1б), и имеют форму спирали, они именуются swirl-лентой (от англ. swirl — воронка).
В течение всего цикла производства устройств на основе пластин из монокристаллического кремния исходные пластинки подвергаются влиянию больших температур около 1200 °C, и в итоге в некоторых витках спирали ускоряется распад твердых растворов с образованием различного вида примесных комплексов, кластеров точечных дефектов, дефектов упаковки и других структурных несовершенств. Возникающие изъяны имеют все шансы служить центрами осаждения избыточных растворов и других иных включений, которые способны образовать очаги одиночных дрейфующих микродефектов. Погрешность измерения увеличивается в пределах 1–2 % и начинает проявляться дефект под названием «плывучесть сигнала», т. е. электрический сигнал разбалансировки измерительного моста после сброса нагрузки постоянно изменяет свое значение.
Вышеупомянутые дефекты [2] однозначно влияют на упругие свойства пластины монокристаллического кремния, так как в местах нахождения значительно увеличивается межатомное расстояние и поврежденные области оказывают дестабилизирующее действие на линейность электрического сигнала в зависимости от величины деформации слоя Si при начале и снятии механической нагрузки. Также, при температурных воздействиях увеличивается двигательная способность атомов в области дислокаций, и эти области имеют уже новую способность изменять конфигурацию и размеры, и как следствие, меняется структура кристаллической решетки (рис. 2), а значит, и упругой деформации, и величина электрического сигнала. В результате погрешность измерения увеличивается в пределах 1–2 % и проявляется дефект под названием «плывучесть сигнала», т. е. электрический сигнал разбалансировки измерительного моста после сброса нагрузки постоянно меняет свое значение. После этого точность измерения и стабильность показаний результатов измерений новых приборов, на этом кристалле, зависит от свойств и структуры пластины из Si.
Конструкция ЧЭ состоит из крышки 1, трубки для подачи давления 2 и керамической подложки 3. На подложке 3 также расположены один или два операционных усилителя 4, выполненных на отдельных полупроводниковых пластинах, и мембранный ЧЭ 5, изготовленный в виде отдельного элемента, микроконтроллер 6 и необходимые для работы схемы пассивные элементы 7.
Качество поверхности пластины зависит от степени шероховатости, чистоты от включений инородных элементов и остатков от масок и растворителей и кристаллического совершенства поверхностных слоев. При любой как механической, так и химической обработке поверхности Si в верхнем слое кристаллическая решетка подвергается частичному разрушению и внедрению примесных атомов [4, 5]. Исследования поверхности методами электронной микроскопии показали, что поврежденный слой состоит как минимум из четырех слоев: первый — рельефный слой, имеющий выступы и неровности, характерные шероховатости после полировки, второй слой — дислокационные петли и сетки, микротрещины, точечные дефекты в зоне трещин, выходы дислокаций. Причем наличие трещин во втором слое приводит к образованию в третьем слое напряжений и дислокаций, плотность которых становится меньше с глубиной. Третий слой, по сути, является переходным от аморфной структуры к чистому монокристаллу и может также содержать упругие или пластические деформации. В процессе изготовления на поверхности кремния интегральной схемы пластина подвергается многократному воздействию различных температур и химических реагентов, и в результате этого воздействия количество нарушений во втором слое увеличивается и тогда можно наблюдать картину выхода дислокаций на поверхность первого слоя и увеличения образований дислокаций в третьем слое, т. е. в объеме пластины происходит нарастание внутренних, неравномерно распределенных напряжений, которые при стремлении к равновесному состоянию начнут воздействовать на кристаллическую структуру измерительной мембраны и сбивать показания прибора. Нужно помнить, что пластина нарезается из слитка и, следовательно, поверхность ее характеризуется неплоскостностью и непараллельностью, а посему высокие требования предъявляются и к обратной стороне кристалла. Во-первых, разная обработка обеих сторон пластины приводит, как следствие, к дополнительным остаточным механическим напряжениям и деформации кристалла, что обуславливается изгибом пластины. Во-вторых, на обратной стороне вытравливается рабочая измерительная мембрана толщиной от 10 до 250 мкм при толщине кристалла 430 мкм, что вносит свою долю в величину остаточных механических напряжений.
В общем, параметры контроля качества пластин монокристаллического кремния и для изготовления полупроводниковых приборов и кристаллов для контрольно-измерительных приборов соответствуют одним критериям: толщина пластины, ее непараллельность, прогиб, неплоскостность, качество обработки поверхности, удельное сопротивление, макро- и микронеоднородность по удельному сопротивлению, дефекты кристаллической решетки [6–8].
Но если при изготовлении полупроводниковых приборов данные параметры интересуют только с точки зрения формирования в поверхностном слое кремния структуры проводников и диэлектриков в соответствии с требованиями конструкторской документации и проявления дислокаций, точечных микродефектов кристаллической решетки [8–12].
ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА
Технологии производства MEMS — часть спектра технологий производства, которые также включают традиционные процессы точной механической обработки. Традиционные процессы механической обработки могут использовать большое разнообразие материалов, изготавливать сложные трехмерные устройства и производить высокоточные устройства. Процессы производства MEMS обычно более ограничены в используемых материалах, но они могут произвести функциональные устройства с размерами меньше микрона. В табл. 1 представлено сравнение процессов производства MEMS и обычных процессов механической обработки.
Оценка процесса производства для продуктов требует взаимодействия многих факторов:
критически минимальный размер, который может быть произведен;
точность процесса (т. е. размерная точность или номинальный размер устройства);
материалы, доступные для производства;
требования к линии сборки, чтобы произвести функционирующее устройство;
масштабируемость процесса (т. е. большие количества устройств могут быть произведены?);
интегрируемость с другими процессами фальсификации (например, микроэлектроника).
Большой спектр процессов производства MEMS был разработан, и они могут быть сгруппированы в три большие категории, о которых написано ниже:
Lithographie, Galvanoformung, Abformung (LIGA);
грубая микромеханическая обработка;
донорская поверхностная микромеханическая обработка.
Рис. 3 показывает фундаментальные понятия каждой категории производства.
Грубая микромеханическая обработка и жертвенная поверхностная микромеханическая обработка часто базируются на кремнии и обычно очень сопряжены с ветвью производства микроэлектроники, так как они используют то же самое оборудование.
Грубая микромеханическая обработка использует влажные или сухие методы травления, чтобы произвести изотропический или анизотропный профиль в материале. Грубая микромеханическая обработка может создавать большие структуры MEMS (десятки микронов), которые могут использоваться для измерения расхода жидкости.
Коммерческое применение групповой микромеханической обработки было доступно с 1970-х. Эти решения включают в себя датчики давления, инерционные датчики и принтерные головки. Жертвенная поверхностная микромеханическая обработка (SSM) — прямой отпрыск процессов обработки из микроэлектронной промышленности, и самый используемый материал — кремний. У этой технологии было несколько коммерческих успехов в прошлом десятилетии, включая оптические массивы зеркала и инерционные датчики. Оба этих решения включают интегрированную микроэлектронику для измерений и функций управления. Эта технология обычно ограничена толщинами пленок 2–6 мм. Это дает технологии SSM значительное преимущество для решений, в которых задействовано большое количество устройств. Кроме того, у технологии SSM есть путь к интеграции из электроники со структурами MEMS, которые будут использоваться для функций контроля или измерения.
Технология LIGA была продемонстрирована в 1980-х. Эта технология может изготовить устройства с маленьким критическим измерением и высоким форматом толщины или ширины металлических материалов, на которые можно нанести слой металла гальваническим способом. Это обеспечивает преимущества в применениях, требующих широкого набора материалов. Однако сборка больших массивов устройств — проблема.
LIGA
Технология LIGA способна создавать сложные структуры гальванически осаждаемых металлов с очень высокими форматами пропорций и толщинами от нескольких до сотен микронов. Процесс LIGA использует рентгеновскую литографию, толстые резистивные слои и гальванически нанесенный слой металла. Так как излучение рентгена используется как источник экспозиции для LIGA, основание маски сделано из рентгенопрозрачных материалов (например, нитрид кремния, поликремний). Соответствующий слой с рисунком маски должен был бы быть сделан из тяжелого материала (например, золото).
Грубая микромеханическая обработка использует влажные и сухие методы травления, чтобы достигнуть изотропических и анизотропных особенностей травления в материалах. Чтобы произвести продукты для практического применения, много различных аспектов процесса должны быть приняты во внимание:
нанесение маски;
избирательность травления при различной кристаллографической ориентации;
определение момента начала и конца травления.
Влажное травление — просто химический процесс, который может быть изотропическим в аморфных материалах, таких как кремниевый диоксид, и направленным в кристалловых материалах, таких как кремний. Загрязнители и макрочастицы в этом типе процесса — просто функционал химической чистоты. Ажитация влажной химической ванны часто используется, чтобы помочь движению реагентов и побочных продуктов к и от поверхности. Ажитация также поможет однородности травления, т. к. побочные продукты могут быть в форме твердых частиц или газов, которые должны быть удалены. Современная влажно-химическая линейка обычно имеет ажитацию, средства контроля температуры и времени, как и фильтрация, чтобы удалить макрочастицы.
Донорская поверхностная микромеханическая обработка. У фундаментального понятия поверхностного процесса микромеханической обработки были свои корни еще в 1950-х и 1960-х с электростатическими массивами затворов и истоком резонирующего транзистора. Однако только в 1980-х поверхностная микромеханическая обработка и использование комплекта инструментов микроэлектроники получили значительное внимание. Хоу и Малер предоставили основное определение функций поликристаллической кремниевой поверхности для микромеханической обработки, и Фэн и иллюстрировали множество механических элементов булавка фиксированной оси соединяет, самоограничивая сопряжения булавки, и двигая элементы. Поверхностная микромеханическая обработка — технология производства, основанная на депозиции, шаблонировании, травлении набора материалов на подложку. Жертвенный материал убран в конец цикла производства, который выработан как механизм сборки.
На рис. 4 изображена последовательность изготовления кантилевера на структурных слоях и одном жертвенном.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В данной работе были проанализированы методы конструирования с учетом технологических ограничений интегральных микроструктур для сверхточных контрольно-измерительных приборов измерения физических величин.
Авторы считают, что в данной работе новыми являются следующие положения и результаты исследования:
При реализации кристаллов измерительных элементов необходимо учитывать, что они подвергаются внешним факторам, в результате чего образуются кластеры точечных дефектов, дефекты упаковки решетки и другие структурных несовершенства. Образующиеся дефекты в свою очередь могут служить центрами осаждения избыточных растворов других примесей, которые способны образовать очаги одиночных дрейфующих микродефектов. Это, как следствие, влечет за собой увеличение погрешности измерений в пределах 1–2 % и формирование дефекта под названием «плывучесть сигнала», т. е. электрический сигнал разбалансировки измерительного моста после сброса нагрузки постоянно изменяет свое значение. Указанные микродефекты однозначно влияют на упругие свойства пластины монокристаллического кремния, так как в местах дислокаций увеличивается межатомное расстояние и дефектные области оказывают дестабилизирующее действие на прямолинейную зависимость электрического сигнала от величины деформации слоя кремния при воздействии и снятии механической нагрузки.
Рекомендации работы могут быть полезны для разработчиков кристаллов ЧЭ для контрольно-измерительных сенсоров и предприятий контрактного полупроводникового производства для адаптации своих технологических процессов к требованиям, предъявляемым к чувствительным элементам контрольно-измерительных сенсоров.
ЛИТЕРАТУРА
1. Готра З. Ю. Технология микроэлектронных устройств — М.: Изд-во «Радио и связь». 1991. 528 с.
2. Марков В. Ф. Материалы современной электроники — Екатеринбург. Изд-во Урал. ун-та, 2014. 272 с.
3. Сергеева Н. А., Цивинская Т. А., Шахнов В. А. Контрольно-измерительный МЭМС с использованием малогабаритных чувствительных элементов из монокристаллического кремния // Датчики и системы. 2016. № 3 (201). — С. 32–39.
4. Тиняков Ю. Н., Милешин С. А., Андреев К. А., Цыганков В. Ю. Анализ конструкций зарубежных прототипов датчиков давления // Наука и образование: научное издание МГТУ им. Н. Э. Баумана. 2011. № 9. — С. 4.
5. Андреев К. А., Власов А. И., Шахнов В. А. Кремниевые преобразователи давления с защитой от перегрузок // Датчики и системы. 2014. № 10. — С. 54–57.
6. Андреев К. А., Власов А. И., Камышная Э. Н., Тиняков Ю. Н., Лавров А. В. Автоматизированная пространственная оптимизация компоновки блока управления датчика давления по тепловому критерию // Инженерный журнал: наука и инновации. 2013. № 6 (18). — С. 51.
7. Андреев К. А., Милешин С. А., Цивинская Т. А. Анализ методов электростатической сварки кремния и стекла при производстве высокоточных датчиков // Датчики и системы. 2013. № 2 (165). — С. 45–49.
8. Борзов А. Б., Лихоеденко К. П., Цыганков В. Ю., Власов А. И., Тиняков Ю. Н., Андреев К. А., Цивинская Т. А. Термокомпенсация измерительного канала датчика давления на основе полупроводниковых интегральных преобразователей // Наука и образование: научное издание МГТУ им. Н. Э. Баумана. 2012. № 11. — С. 21.
9. Власов А. И., Цивинская Т. А., Шахнов В. А. Анализ влияния формы мембраны на механическую прочность и стабильность параметров МЭМС-сенсоров давления // Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем (МЭС). 2016. № 4. — С. 65–70.
10. Власов А. И., Маркелов В. В., Зотьева Д. Е. Управление и контроль качества изделий электронной техники. Семь основных инструментов системного анализа при управлении качеством изделий электронной техники // Датчики и системы. 2014. № 8 (183). — С. 55–66.
11. Андреев К. А., Тиняков Ю. Н., Шахнов В. А. Математические модели гибридных чувствительных элементов датчиков давления // Датчики и системы. 2013. № 9 (172). — С. 2–9.
12. Амирханов А. В., Гладких А. А., Глушко А. А., Макарчук В. В., Новоселов А. С., Родионов И. А., Шахнов В. А. Разработка парадигмы проектирования СБИС с учетом результатов конструкторско-технологического моделирования // Датчики и системы. 2013. № 9 (172). — С. 38–51.
Отзывы читателей
