Исследование и разработка физико-технологических методов создания оптических микроэлектромеханических систем тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Баклыков Дмитрий Алексеевич

• Баклыков Дмитрий Алексеевич
• кандидат наук
• 2024

Оглавление диссертации кандидат наук Баклыков Дмитрий Алексеевич

Перечень сокращений

Введение

Глава 1 . Конструктивно-технологический анализ оптических микросистем

1.1. Классификация оптических микросистем по назначению

1.2. Анализ конструктивных особенностей оптических микросистем

1.2.1. Механические элементы

1.2.2. Актуаторы

1.2.3. Элементы оптического ввода, считывания и управления светом

1.2.4. Элементы корпусирования и электрических межсоединений

1.3 Технологические методы создания оптических микросистем

Выводы по Главе

Глава 2 . Методика анализа оптических микросистем на базе онтологического моделирования

2.1. Разработка конструктивно-технологической онтологии

2.1.1. Комплексное описание оптических устройств

2.1.2. Интеграция конструктивно-технологического блока

2.1.3. Выделение встречно-штыревых структур как критического элемента построения оптических микросистем

2.2. Принцип работы и расчет характеристик устройств на базе встречно-штыревых структур

2.2.1. Сила упругости и демпфирование среды

2.2.2. Особенности расчета емкостных встречно-штыревых актуаторов

2.2.3. Моделирование устройств на встречно-штыревых структурах

2.4. Разработка маршрута изготовления

2.5. Конструктивно-технологический анализ маршрута изготовления

Выводы по Главе

Глава 3 . Конструктивно-технологические особенности создания устройств на встречно-штыревых структурах методами сухого травления

3.1. Методы экспериментальной оценки результатов травления

3.1.1 Основные характеристики сухого травления

3.1.2. Методика проведения эксперимента

3.2. Глубокое реактивно-ионное травление кремния

3.3.1. Метод контролируемого создания скола для анализа глубокого высокоаспектного травления кремния

3.3.2. Технология создания высокоаспектных каналов

3.3.3. Глубокое травление кремния на границе с диэлектриком

3.3. Изготовление МОЭМС на встречно-штыревых структурах

3.3.1. Особенности изготовления при реализации предложенного маршрута

3.3.2. Сканирующие микрозеркала

3.3.3. Нанопозиционер

Выводы по Главе

Глава 4 . Создание прямого оптического ввода

4.1. Разработка технологии создания оптического ввода

4.1.1. Ключевые требования к формированию оптического ввода

4.1.2. Сравнение методов создания прямого оптического ввода

4.1.3. Разработка маршрута для создания прямого оптического ввода

4.2. Травление толстых оптических слоев методами сухого травления

4.3. Апробация

4.3.1. Особенности формированию оптического ввода

4.3.2. Оценка эффективности передачи оптической мощности при торцевом соединении

Выводы по Главе

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Перечень сокращений

АСМ - атомно-силовая микроскопия

ИС - интегральная схема

ИСП - индуктивно-связанная плазма

КМОП - комплементарная структура металл-оксид-полупроводник

КНИ - кремний на изоляторе

КР - критический размер

КТР - коэффициент термического расширения

МТП - маршрутный технологический процесс

МЭМС - микроэлектромеханические системы

МОЭМС - микрооптоэлектромеханические системы

НИОКР - научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы

НИР - научно-исследовательская работа

НОЦ - научно-образовательный центр

НОЭМС - нано-опто-электро-механические системы

ПДМС - полидиметилсилоксан

ПХТ - плазмохимическое травление

СВЧ - сверхвысокая частота

СЭМ - сканирующая электронная микроскопия

ФИС - фотонная интегральная схема

ШИМ - широтно-импульсная модуляция

ASIC - application-specific integrated circuit, интегральная схема специального назначения

ARDE - aspect ratio dependent etching, травление, зависящее от аспектного соотношения

BSG borosilicate glass, боросиликатное стекло

CVD - chemical vapor deposition, химическое осаждение из газовой фазы

DC - direct current, постоянный ток

DMD - digital micromirror device, матрица микрозеркал

DMS - digital micro-shutter, цифровой микро-затвор

DRIE - deep reactive ion etching, глубокое реактивное ионное травление

FAB - fast atom beam, пучок быстрых атомов

FOA - fixed optical attenuator, фиксированный оптический аттенюатор

IBE - atomic layer deposition, атомно-слоевое осаждение

IMOD - interferometric modulator, интерферометрический модулятор

HCG - high contrast grating, высоко контрастные решетки

LiDAR - light detection and ranging, обнаружение и определение дальности с помощью света

LOC - lab-on-chip, лаборатория на чипе

LPCVD - low pressure chemical vapor deposition, химическое осаждение из газовой фазы при пониженном давлении

OPA - optical phased array, оптическая фазированная решетка

PECVD - plasma-enhanced chemical vapor deposition, плазмо-химическое осаждение из газовой фазы

PVD - physical vapor deposition, напыление конденсацией из газовой фазы

RCWA - rigorous coupled-wave analysis, строгий анализ связанных волн

SOG - silicon-on-glass, кремний на стекле

SOI - silicon-on-insulator, кремний на изоляторе

VCEL - vertical cavity surface emitting lasers, поверхностно-излучающий лазер с вертикальным резонатором

VOA - variable optical attenuator, регулируемый оптический аттенюатор

WDM - wavelength-division multiplexing, отектральное уплотнение каналов

sccm - standard cubic centimeter per minute, стандартный кубический сантиметр в минуту

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и разработка физико-технологических методов создания оптических микроэлектромеханических систем»

Введение

Совершенствование микроэлектромеханических систем (МЭМС) продиктовано трендами на создание доступных, функциональных, миниатюрных и сверхчувствительных микроустройств, применяющихся во многих направлениях -от бытовой техники до космических летальных аппаратов. Растущие потребности в расширении областей применения и повышении характеристик изделий микросистемной техники обусловили усложнение их архитектуры, применение материалов с уникальными свойствами, заимствование операций из технологий интегральных схем, развитие специфических МЭМС-технологий. Микро-опто-электро-механические системы (МОЭМС) относятся к числу наиболее перспективных устройств благодаря возможности манипуляции светом на микроуровне, помехозащищенности, компактности, малому потреблению мощности и способности интегрироваться в системы различной сложности - от оптических переключателей до фотонных интегральных схемы (ФИС), реализуя синергийный эффект от совместного использования элементов микромеханики и оптики.

Создание высокочувствительных и надежных МОЭМС со сложной архитектурой основано на применении разнородных материалов, обработка которых должна проводиться с суб-микрометровой точностью при получении высокоаспектных структур. Формирование таких элементов, дальнейшее расширение технологических возможностей в широком спектре конструктивных решений на микроуровне реализуется, в первую очередь, за счет совершенствования процессов создания МОЭМС.

Существенное влияние на развитие области МОЭМС оказали научные группы под руководством Хорнбека Л. (Техас Инструментс), Солгаарда О. (Стэнфорд), Хофманна У. (Фраунгофер), Ву М.С. и Хорсли Д.А. (Беркли, Калифорнийский университет), Квака Н. (Федеральная политехническая школа Лозанны), Шолле Ф. (Университет Бургундии Франш-Конте), Хане К.

(Университет Тохоку) и Тосиёси Х. (Токийский университет). В России развитие области микросистемной техники происходило при участии Н.А. Дюжева, Тимошенкова С.П. (НИУ МИЭТ), Богословского С.В. (АО «НПП «Радар ммс»), Коновалова С.Ф. (МГТУ им. Н.Э. Баумана), Нестеренко Т.Г. (ФГАОУ ВО НИ ТПУ), Лукичева В.Ф., Орликовского А.А. (ФТИАН) и др. Однако непрерывный рост номенклатуры и усложнение МОЭМС, необходимость повышения их надежности и чувствительности привели не только к развитию методов их проектирования, но и к необходимости применения новых материалов, повышению требований к эффективности технологий изготовления.

Разнородный подход к созданию МОЭМС по всем этим направлениям обусловил многообразие, неполноту и зачастую дублирование информации в условиях ее непрерывного роста, что значительно усложняет и замедляет разработку новых устройств, предусматривая большие временные ресурсы на этапе подготовки производства. Современные экономические реалии требуют более эффективной работы с информацией и поиска в рассматриваемой предметной области методов, моделей и технических приёмов, обеспечивающих решение этой проблемы.

Поэтому целью диссертационной работы является разработка научно -обоснованных физико-технологических методов повышения эффективности создания оптических микроэлектромеханических систем для широкого круга функциональных устройств. Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1. Проведен комплексный конструктивно-технологический анализ и классификация оптических микро- и наносистем, составляющих их элементов, материалов и технологий изготовления.

2. Выделены на базе семантического анализа ключевые элементы и основные классы МОЭМС, которые могут быть изготовлены в едином маршрутном технологическом процессе.

3. Проведено моделирование и конструктивно-технологический анализ МОЭМС, построенных на встречно-штыревых структурах как ключевом базовом

элементе.

4. Разработана технология сквозного высокоаспектного травления кремния с вертикальным профилем и отсутствием дефектов на границе с диэлектриком для формирования элементов привода, упругих балок и электрических компонентов с разными типоразмерами в системе кремний-изолятор.

5. Разработана технология создания оптического ввода через толстые слои диоксида кремния, обеспечивающая малые оптические потери за счет вертикального профиля торца волноводной системы и отсутствия зазора с оптоволокном.

6. Проведена экспериментальная апробация разработанных технологий для реализации МОЭМС на встречно-штыревых структурах, а также для создания фотонных интегральных схем.

В ходе выполнения работы определены положения научной новизны:

1. На основе конструктивно-технологической классификации разработана онтологическая модель, отличающаяся наличием семантических связей классов МОЭМС и ФИС с точки зрения конструкций изделий, применяемых материалов и возможных технологических процессов, позволяющая учесть их особенности на этапах подготовки производства и в процессе изготовления.

2. Проведено математическое моделирование механических характеристик МОЭМС на встречно-штыревых структурах, позволяющая учесть влияние технологических ограничений изготовления на выходные параметры изделия.

3. Разработана методика оценки характеристик травления узких высокоаспектных кремниевых структур, обеспечивающая контролируемое создание скола без внесения дефектов в исследуемую область.

4. Обоснована и реализована возможность создания торцевого оптического ввода в микросистемы и/или фотонные интегральные схемы методом реактивно -ионного травления с двух сторон обрабатываемой пластины, обеспечивающая вертикальный профиль волноводной системы без зазора с вводимым волокном.

Практическая значимость

На основе разработанных технологий и методов сформирован научно -

технологический базис создания МОЭМС. Разработанные технологические операции использованы при создании сканирующих микрозеркал, инерциальных систем, сверхпроводниковых схем, микрофлюидных и систем «лаборатория-на-чипе», первых российских опытных образцов фотонных интегральных схем с высокими характеристиками (потери на распространение менее 0,3 дБ/см на длине волны 935 нм и 1550 нм, потери на ввод в торец менее 2,0 дБ) в рамках реализации крупнейших российских проектов Фонда перспективных исследований.

Результаты внедрения

Комплексный подход к разработке и изготовлению МОЭМС изделий, технологическая база процессов и модели внедрены при выполнении НИОКР, проводимых МГТУ им. Н.Э. Баумана и ФГУП «ВНИИА им. Н.Л. Духова» (Госкорпорация «Росатом»). Предложенные модели и методика проведения процесса сухого травления использованы в учебном процессе кафедры «Электронные технологии в машиностроении» МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Методы исследования. Работа основана на индуктивно-эмпирическом подходе и базируется на анализе тематических исследований в литературе, экспертных дискуссиях и экспериментальной апробации в промышленности. Для достижения поставленных задач изготовлено более 200 экспериментальных партий, обеспечена равномерность результатов технологических процессов на 100 мм кремниевых пластинах. Результаты исследований обработаны методами дисперсионного анализа. Для контроля параметров технологических процессов применены: электронная и оптическая микроскопия для измерения линейных размеров и исследования профиля структур в сколе; рефлектометрия и эллипсометрия - для измерения толщины тонких пленок и фоторезистов. При решении задач использованы теория оптимизации и математическая статистика.

Достоверность полученных научных результатов, выводов и рекомендаций диссертационной работы подтверждена результатами проведенных экспериментальных исследований, согласованностью теоретических и экспериментальных результатов, а также внедрением разработанных методик и

режимов работы технологического оборудования в НИР, проводимых НОЦ «ФМНС» МГТУ им. Н. Э. Баумана.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Конструктивно-технологический анализ на основе онтологического моделирования показал, что ключевые элементы построения более 51% МОЭМС -емкостные встречно-штыревые структуры - имеют наиболее высокие конструктивно-технологические требования, которые могут быть снижены (аспект травления с 20 до 10 и угол профиля с 90°±0,5° до 90°±1° за счет уменьшения толщины кремниевой пластины на 55%), обеспечивая при этом необходимые характеристики системы (силу, жесткость упругих элементов и диапазон перемещения).

2. Экспериментально определены ключевые взаимосвязанные параметры глубокого реактивно-ионного травления кремния (мощность источников плазмы, рабочее давление, потоки газов, времена этапов, скважность низкочастотного генератора) для формирования каналов аспектом более 20, углом профиля 89,7°±0,3°, шириной от 2 мкм до 100 мкм и неравномерностью по 100 мм пластине не хуже 3% с бездефектным травлением на границе с диэлектриком (степень растрава не более 8% от ширины канала) и компенсацией разницы скоростей травления для структур разного аспектного соотношением.

3. Контроль операции глубокого реактивно-ионного травления кремния методами микроскопии с использованием раскалывания с помощью вспомогательных поперечных линий шириной не более 20 мкм без пересечения с тестовыми каналами и концентратором механического напряжения У-образной формы обеспечивает воспроизводимое создание конструктивных элементов шириной менее 5 мкм и аспектом более 10.

4. На основе МЭМС-технологий реализовано создание торцевого оптического ввода в волноводную систему фотонных интегральных схем на базе диоксида и нитрида кремния общей толщиной более 5,5 мкм с углом профиля 90°±1° и без зазора с оптоволокном, что обеспечивает средние потери менее 2 дБ на длине волны 935 нм и 1550 нм, за счет применения операций сухого травления

толстых диэлектрических слоев и сквозного двухстороннего травления кремниевой пластины.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были представлены на российских и международных конференциях: Научно-техническая конференциях ФГУП «ВНИИА» (Москва, 2020-2022, 2024), Российский форум «Микроэлектроника» (Сочи, 2022-2023), 4th International Conference on Optics (Греция, Корфу, 2021), а также на научных семинарах кафедры «Электронные технологии в машиностроении» МГТУ им. Н. Э. Баумана. Москва, 2020-2024.

Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 9 научных публикациях, из которых 7 - в изданиях Scopus, а также получен 1 патент на изобретение.

Личный вклад. Автор самостоятельно провел поиск и анализ литературы, разработал последовательность структурирования информации по теме диссертации. Разработал, провел планирование и экспериментальную апробацию разработанных режимов для изготовления оптических микросистем. Сочетал работу исследователя, технолога, оператора, экспериментатора и конструктора. Отработал процессы сухого травления кремния и диоксида кремния, обеспечивающие равномерность и повторяемость процесса, разработал специальную технологию для создания оптического ввода, руководил выполнением всех операций в рамках разработки конструкторско-технологических основ создания оптических микросистем. Лично провел все расчеты, получил результаты моделирования и подготовил все графические иллюстрации, представленные в диссертационной работе.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов и списка литературы. Материалы диссертации изложены на 171 странице, содержащей 135 рисунков, 23 таблицы и список литературы из 239 наименований.

Глава 1. Конструктивно-технологический анализ оптических микросистем

Микросистемная техника является ключевой междисциплинарной областью исследований, обеспечивающей развитие технологий высокого уровня [1]. В ее основе лежат технологии и материалы полупроводниковой промышленности, однако отличительной особенностью в сравнении с технологиями интегральных схем является использование таких процессов микрообработки, которые селективно формируют структурные слои с высоким аспектным соотношением в кремнии, образуя связанную группу конструктивных элементов устройства [2].

Впервые технологии микросистемной техники выделяются в отдельную группу в 1954 году, когда Смит показывает, что одноосные растяжения в кремнии и германии могут приводить к изменению удельного сопротивления (т.е. они являются пьезорезисторами) [3]. Однако реальные устройства удалось создать только через 30 лет - первыми промышленными МЭМС стали датчики давления и печатающие головки принтеров [1,4].

Одной из основных причин развития микросистемной техники, стала миниатюризация существующих устройств (например, гироскопов), применение физических принципов, которые не работают в макромасштабе (широкое применение электростатических приводов), а также возможность создания инструментов для манипуляции на микроуровне (например, атомно-силовой микроскоп) [5]. В этих областях миниатюризация выступила основным драйвером роста благодаря снижению конечной стоимости изделия и расширению областей применения МЭМС как, например, в случае с акселерометрами (Рисунок 1.1).

Рисунок 1.1.

Увеличение областей применения акселерометров со временем [5]

Все микроэлектромеханические системы представляют из себя связанную группу компонентов: механических, электрических, а также элементов привода и снятия сигнала. МЭМС можно подразделить на сенсоры и актюаторы [6]. Оба этих вида микросистем преобразуют одну форму сигнала (или энергии) в другую. Преобразование физического сигнала (например, вибраций, давления или излучения) в электрический является свойством сенсоров, а превращение электрического сигнала в физический (силу или крутящий момент) -актюаторов [7].

На сегодняшний день, согласно области применения, принято выделять 4 основные группы МЭМС: инерциальные, микрофлюидные и биологические, радиочастотные, а также оптические [8]. Оптика и фотоника являются одними из важнейших областей науки, где использование технологий микросистемной техники для создания микроэлементов с размерами от сотен нанометров до миллиметров позволило не только создать ряд перспективных устройств, но и выделить отдельную группу микро-опто-электро-механических систем (МОЭМС) [9]. Толчком к развитию оптических микросистем стала возможность создания подвижных зеркал и матриц для дисплеев [10,11], которые стали основной коммерческой движущей силой в последующие годы.

Способность управлять или направлять свет (Рисунок 1.2) является одним из ключевых требований, предъявляемых к МОЭМС.

Рисунок 1.2.

Оптические параметры, которые могут быть изменены с помощью МОЭМС [12]

К основным преимуществам оптических микросистем [13] принято относить:

1) помехозащищенность (устойчивость к электромагнитным излучениям);

2) отсутствие излучения сигналов во внешнюю среду (усложняет перехват информации);

3) простота манипуляции светом (микроактюаторы легко изменяют направление света, т.к. длина волны сопоставима с размером МЭМС-элемента);

4) компактность и упрощенное корпусирование (можно «упаковывать» в оптически прозрачную оболочку и тем самым защищать от воздействий внешней среды);

5) низкие оптические потери, низкие перекрестные помехи и малое потребление энергии;

6) высокая скорость (оптическая обработка информации позволяет преодолеть ограничения оптоэлектронных преобразований, которые ограничивают не только скорость, но и полосу пропускания, потребляя достаточно большое количество энергии).

1.1. Классификация оптических микросистем по назначению

На сегодняшний день МОЭМС находят широкое применение во многих областях, включая [14]:

- потребительские товары (системы обработки изображений, дисплеи, беспилотный транспорт, цифровые кинокамеры, 3D принтеры).

- научные и медицинские приборы (конфокальная томография, оптические литографы, коронографы, микроскопы и эндоскопы для инспекции малых пространств и исследований с минимальным воздействием на клетки).

- энергетическую, космическую и военную отрасль (инерциальные системы, контроль исправности оборудования, приборы ночного видения и беспилотный транспорт).

- оптические системы коммуникации (трансиверы, переключатели и аттенюаторы, фильтры, спектрометры, лазеры, а также устройства адаптивной оптики).

Проведенный анализ современного состояния и особенностей построения МОЭМС показал, что эти устройства объединяют в себе взаимосвязанные механические и электрические компоненты микронных размеров, включая упругие элементы, датчики, устройства микроэлектроники, приводы, расположенные на общей кремниевой подложке, а также оптические компоненты (волноводы и волокна, линзы и диафрагмы, зеркальные и дифракционные поверхности).

В последние десятилетия уровень развития технологий позволил создавать суб-микрометровые размеры исполнительных элементов (порядка 200 - 800 нм), обеспечивая взаимодействие со светом на нанометровом уровне и открывая возможности для увеличения силы связи, снижения энергопотребления, увеличения полосы пропускания и более плотной интеграции элементов. Широкое применение НОЭМС (нано-опто-электро-механические системы, Рисунок 1.3) нашло в интегральных фотонных МЭМС (включая, фотонные интегральные схемы, трансиверы и переключатели), акселерометрах и других типах сенсоров [15,16].

Рисунок 1.3.

Физические принципы НОЭМС [15]

Оптические микросистемы могут быть разделены на 2 большие группы: перестраиваемые и неперестраиваемые системы (Рисунок 1.4). Такое деление обусловлено способностью одной группы МОЭМС настраивать (перестраивать) оптические характеристики устройства (силу связи, длину волны излучения, фокус, апертуру и др.), а другой группы - направлять свет, не меняя свойств системы.

Рисунок 1.4.

Типы МОЭМС/НОЭМС

Свет, управляемый элементами МЭМС в микро- и наномасштабе, может распространять в плоскости самого устройства, находясь в специальных каналах (оптоволокнах и волноводах) или «свободно» распространяться в пространстве, взаимодействие с микросистемой вне плоскости (Рисунок 1.5).

Свободное распространение света (вне плоскости)

Активное состояние

а) б)

Распространение света в оптоволокне

Полимерная трубка

Фиксатор

Направление^ вибраций

в)

г)

Распространение света в волноводе

Падающии свет

Решетка

X_.

Электростатика для коррекции по обратной связи

7

Фазовая модуляция

д)

е)

Рисунок 1.5.

Основные типы распространения света в МОЭМС/НОЭМС: а) Матрица зеркал [17]; б) Микрозеркало [18]; в) Аттенюатор [19]; г) Акселерометр [20]; д) Акселерометр [21]; е) Фазовращатель [22]

Все оптические микросистемы выполняют определенную функцию, по которой могут быть классифицированы: визуализация, переключение и аттенюация (ослабление) оптического сигнала, сканирование, управление длиной волны излучения или оптическими свойства системы (фокусное расстояние, глубина фокуса, поле зрения, сила связи, фаза), а также измерение состояния внешней среды (ускорение, акустика, ИК-излучение, вибрация). Классификация МОЭМС представлена в Таблицах 1 и 2.

Классификация МОЭМС/НОЭМС актуаторов по назначению

Функция устройства МОЭМС НОЭМС

Визуализация Матрица зеркал [1,17,23-26] Микро-затворы [23,27,28] Интерферометрический дисплей [23,29] -

Сканирование Микросканирующие зеркала [23,30-39] Сканирующие решетки [33,44-46] Оптическая фазированная решетка [33,45,47,48] Нанопозиционеры [49-54] Лидар [40-43]

Переключение и аттенюации оптического сигнала Оптические переключатели [18,55-58] Оптические аттенюаторы [13,19,63-71] Переключатель [16,55,59-62]

Управление и настройка света (электромагнитной волны) Настраиваемые лазеры [13,33,72-77] Настраиваемая решетка (длина волны) [78-81]

Регулируемая профилированная решетка [17,82,83] Фазовращатель (изменение фазы) [16,22,84,85]

Решетка с перестраиваемым шагом [33,86,87] Поверхностно-излучающий лазер с вертикальным резонатором [91-93] Оптические делители (по мощности) [16,88-90]

Функция устройства МОЭМС НОЭМС

Настройка оптических характеристик системы (фокуса и апертуры) Твердотельная настраиваемая линза и апертура [94,95] -

Жидкая настраиваемая линза и апертура [96,97]

Деформируемые зеркала [14,98-100]

Таблица 2. Классификация МОЭМС/НОЭМС сенсоров по назначению

Измеряемая характеристика МОЭМС НОЭМС

Ускорение Акселерометр на решетчатых структурах [101] Акселерометр на фотонно-кристаллический нанорезонатор [102]

Акселерометр на Брэгг. зеркалах [20] Акселерометр на фотонных кристаллах [21,103]

Фабри-Перо Акселерометр [104]

Инфракрасное излучение Микроболометр [105-107] -

Ультразвук - Ультразвуковой сенсор [78,108-110]

Звуковая волна Оптоволоконный акустический сенсор [111-113] -

Вибрации Датчик вибраций и смещения [114,115] -

1.2. Анализ конструктивных особенностей оптических микросистем

Для создания оптических устройств микросистемной техники необходимо проводить анализ конструктивных особенностей с выделением ключевых групп элементов и материалов, являющихся основой их построения. Несмотря на многообразие форм и назначений МОЭМС, общие конструктивные признаки включают в себя: механические элементы (актуаторы и подвижную раму, которая способна осуществлять необходимое движение), элементы считывания и управления светом (фотодетекторы, зеркала, линзы, волноводы), а также электрическую развязку с корпусом (Рисунок 1.6).

Электрический контакт ^^ Сенсор/актуатор Анкер Рама Масса

Рисунок 1.6. Типовые элементы МЭМС/МОЭМС [116]

1.2.1. Механические элементы

Микромеханика необходима для создания физической взаимосвязанности элементов и формирования упругих элементов (балок, мембран) внутри конструкции МЭМС, способной осуществлять необходимое движение.

Конструкции оптических микросистем подвержены двум основным видам деформации: изгиб и кручение (Рисунок 1.7).

Изгиб Кручение

Рисунок 1.7.

Основные виды деформации в МЭМС: изгиб и кручение [117]

При изготовлении МЭМС/МОЭМС необходимо определение и сопоставление жесткости системы и возникающих сил (внешних или сил актуатора) для создания необходимого закона движения, с помощью которого микросистема будет выполнять свою прямую функцию.

Как и в подавляющем большинстве МЭМС, включая оптические, ключевым материалом для создания устройств является моно- и поликристаллический кремний [118]. Механические свойства (модуль Юнга 160-180 ГПа, отсутствие пластических деформаций, практически полное отсутствие усталостных напряжений), а также электрические и термические показатели обуславливают его широкое применение и как функционального материала [119].

Основные характеристики кремния, поликремния и алюминия как основных материалов МОЭМС, с точки зрения создания механических элементов, представлены в Таблице 3, где КТР - коэффициент термического расширения. Также стоит отметить, что нитрид кремния может выступать в качестве основного материала микромеханики, но он представлен значительно реже.

Таблица 3.

Основные характеристики кремния, поликремния и алюминия [120,121]

Свойства Кремний Поликремний Алюминий

Модуль Юнга (Е) 180 ГПа 160 ГПа 71 ГПа

Модуль Сдвига 800 ГПа - 27 ГПа

Коэффициент Пуассона (и) 0,279 ~ 0,22 0,33

Свойства Кремний Поликремний Алюминий

Предел текучести 7 ГПа 2 ГПа 170 МПа

Плотность 2,3 г/см3 - 2,7 г/см3

КТР 2,3- 10"6/К - 22,2- 10-6/К

Точкой опора рамы (упругих балок) является анкер, который крепится к основанию (Рисунок 1.8). При этом основание должно представлять из себя изолятор, который электрически развязывает отдельные элементы системы. С точки зрения расчета жёсткости микромеханической части МЭМС/МОЭМС, анкер является заделкой.

Рисунок 1.8.

Анкер и упругая балка [122]

Несмотря на многообразие оптических микросистем, они построены на конструктивно схожих упругих элементах (рамах и балках), которые представлены в Таблице 4, где h - высота балки, мкм; w - ширина балки, мкм; 1 - длина балки, мкм; Е - модуль Юнга, МПа; О - модуль Сдвига, МПа; в - коэффициент геометрии балки (для торсионной балки), и - коэффициент Пуассона. Зачастую, рама имеет следующие характерные размеры балки: высота- от 5 мкм до 50 мкм; ширина - от 1 мкм до 10 мкм; длина - от 100 мкм до 5 мм.

Основные конструкции оптических МЭМС [117,123-125]

Тип

Вид

Деформация

Формула жесткости рамы

Применение

Микромост

Изгиб

ж • И3

16— я

профилированная решетка, адиабатически ФИС МЭМС

Торсионная балка

Кручение

Вкж3 4 • ——С ь

DMD, Микрозеркала, Сканирующие решетки

Прямые балки

Изгиб

ж , 4 - И - (у)3Е

Нанопозиционеры, датчик вибрации

Тип

Вид

Деформация

Формула жесткости рамы

Применение

U-образная рама

Изгиб

w , 4 •h^—)3E

h

Если ls » 1с

DMS,

Г-образная балка

5112 + 2w2

w3 • h ■

■Е

Изгиб

2l1(4l14 + 5 l12w2 + w4)

По обеим осям в плоскости (x и y), если 11 = 12

VOA, Регулируемый лазер

Сложенная балка

Изгиб

w , 2 •h^j)3E

OPA, Твердотельные линзы и диафрагмы, ФИС

МЭМС переключатель,

делитель и фазовращатель

Тип

Вид

Деформация

Формула жесткости рамы

Применение

Балка серпантин

Изгиб

3 • ЕС1Х1У/{6Е1У(11 + 12){112 + Ь12 + 122) + С1Х + [4113 + 61112(11 + 12) + 3123]}

IMOD, Диффракционные акселерометры, Акустический сенсор, ФИС МЭМС решетка, ФИС LiDAR

Изогнутая балка

И3

■ Ъ • Е

Изгиб

12

Где Ь - коэффициент конструкции, равен:

Ь =

—9 + 6а2 + 16 cos(a) — 7 соз(2а) — 4а(2 + соза)зта И[—9а + 2а3 + 8а соз(а) + а cos(2a) + 8зта + 4 зт(2а)]

Сканирующие решетки

Мембрана

Изгиб

И3

12(1 —V2)

Е

Дефомируемые микрозеркала, МЭМС ФИС ультразвуковой датчик, VCSEL

1.2.2. Актуаторы

Элементы, которые позволяют осуществлять движение микромеханизма МЭМС за счет преобразования электрической энергии в физическую, носят название актуатор (или актюатор). Несмотря на значительное многообразие преобразования форм энергии [126], в микросистемной технике наиболее часто используют: электростатический (Рисунок 1.9, а), электромагнитный (Рисунок 1.9, б), пьезоэлектрический (Рисунок 1.9, в) и электротермический (Рисунок 1.9, г) механизмы преобразования энергии.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Баклыков Дмитрий Алексеевич, 2024 год

/ /

/ /

/ _ _ _

Чч

0,002 0,004 0,005 0,003 0,0 0,0 12 0,014 0,015 !

■ М_е (15 В)

- w=4

№-6 -ш=10

- ш=14

О 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 0,65 0,7 0,75 0,8 0,85 0,9 0,95 1

Угол вращения микроаеркала О, [градусы]

Рисунок 2.36.

Связь момента силы и угла вращения

Одним из способов увеличения силы является повышение управляющего напряжения (Рисунок 2.37), однако создание высоковольтного источника питания является сложной схемотехнической задачей. Кроме того, можно снижать зазор между электродами и увеличивать величину перекрытия между электродами, что было рассмотрено на примере горизонтального актуатора (Рисунок 2.32,Рисунок 2.33).

й

О 0,28

га 0,26

£ 0,24

О. 0,22

О

I-

—•—Аналит.

• Модел.

10 15 20 25 30 35 40 45

60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120

Напряжение - и, [В]

Рисунок 2.37.

Изменение угла вращения в зависимости от управляющего напряжения

Таким образом, ключевыми механическими характеристиками, определяющими движение, является тип конструкции и ширина упругих

элементов. Чем меньше толщина балок, тем более податливой является система, однако следует учитывать риск разрушения тонких упругих элементов, а также то, что изменение исходных размеров более чем на 0,5 мкм может приводить к изменению не только перемещения, но и частотных характеристик (на 15%).

Посредством уменьшения ширины зазора и увеличения высоты зубьев можно контролировать силу электростатического привода, поэтому важнейшим требованием к технологии является не только точность, но и максимально достижимое аспектное отношение.

Начальное перекрытие (вертикальное или горизонтальное) между неподвижными и подвижными зубьями гребенки является одной из характеристик, определяющих электромеханический отклик приводов гребенки. За счет подбора параметров можно или увеличить перемещение или скорость отклика.

Разработка маршрута изготовления, позволяющего независимо контролировать как жесткость системы, так и силу электростатического привода позволит более гибко подходить к изготовлению различных типов устройств, имеющих в своем составе ключевой базовый элемент МОЭМС - емкостные встречно-штыревые структуры.

2.4. Разработка маршрута изготовления

Очевидные преимущества использования емкостной связи для создания микросистем, заключающиеся в возможности реализации на одном уровне всех необходимых функций устройства (привод, анкера, упругие элементы, контакты) без необходимости формирования многоуровневых слоев с достаточно сложным МТП стало толчком к развитию микросистем на встречно-штыревых системах и создало целую группу устройств [184]. Такие структуры являются основой для построения не только МОЭМС (более 50% всех типов, Глава 2), но и МЭМС в целом (Таблица 16). Поэтому возможность создания таких типов устройств по единому маршрутно-технологическому процессу позволит изготавливать различные классы изделий, используя значительно меньше ресурсов.

Таблица 16.

Ключевые характеристики гребенок для устройств на встречно-штыревых структурах

Тип Устройство Амплитуда (угол), мкм Высота, мкм Зазор, мкм Аспект Резонансная частота, кГц Ссылка

Адаптивная оптика - 11 2 6 1,3 [94,185]

Переключатель 34 30 3 10 1 [186]

МОЭМС Микрозеркала (12о) 65 5 13 1-35 [187]

Решетка 27 10 3 3 - [87]

ФИС МЭМС - 0,22 0,15 2 - [16]

Нанопозиционер 48 25 2-3 8-12 0,1 - 1 [188]

Фильтры 20 10 1 - 2,5 4-10 25 - 50 [184]

Резонаторы 20 30 1,5 20 1,5-3,5 [189]

ВЧ Переключатель 25 25 2-3 8-12 - [190]

МЭМС Био-сенсор 100 0,5 5-10 0,1 2 [191]

Микроманипулятор 4-40 40 3 13 - [192]

Акселерометр 0,5 100 7 14 1-2,6 [193]

Гироскоп 0,15 40 1,5 27 5-15 [194]

На сегодняшний день существует несколько основных подходов к изготовлению устройств на базе встречно-штыревых структур, в которые входят широко известные базовые процессы Silicon-On-Glass, Summit V и SOIMUMPs, а также менее популярные - Micralyne Generalized MEMS on SOI, Selective Silicon-on-Insulator (SSOI) process и Microchannel Assisted Release Process (uCARP) [188,190,192,195-197]. Несмотря на большое разнообразие подходов, ведущие мировые группы берут за основу технологии на базе кремний-на-стекле или кремний-на-изоляторе (КНИ), а также их комбинацию.

Гибкость маршрутно-технологического процесса заключается в возможности формирования структур различных типоразмеров (Таблица 16) и конструкций, способных реализовывать горизонтальное или вертикальное перемещение (параграф 2.2). Группа технологий на основе КНИ широко используется для создания продольного перемещения в плоскости, однако при изготовлении устройств для внеплоскостного движения имеет недостаток в виде постоянного зазора из-за наличия изоляционного диоксидного слоя (порядка 0,52 мкм), а при необходимости создания нескольких уровней встречно-штыревых структур МТП значительно усложняется [198]. Кроме того, стоимость КНИ пластины в несколько раз больше пластин кремний-на-стекле.

Таким образом, предложенный базовый технологический маршрут изготовления основан на технологии кремний-на-стекле. На сегодняшний день такие процессы используются преимущественно для создания инерциальных микросистем, осуществляющих движение в плоскости [195,199]. Тем не менее, внедрение операций для двухстороннего глубокого травления кремния позволяет более гибко подходить к изготовлению оптических микроустройств на базе емкостных встречно-штыревых структур и создавать гребни на разных уровнях с пересечением и без, реализуя движение как в плоскости, так и вне плоскости (Рисунок 2.38).

А1 фоторезист

Рисунок 2.38. Предложенный маршрут изготовления

Схематичное изображение предложенного подхода в рамках разрабатываемого МТП для изготовления устройств для вертикальной и горизонтальной актуации представлено на Рисунке 2.39.

Рисунок 2.39.

Возможность создания всех типов структур по МТП

Дополнительным «инструментом», позволяющим изготавливать устройства разной конфигурации, является технология ступенчатого травления для формирования кремниевых структур разной толщины. Поэтому был предложен вариант использования маски из одного материала, но со ступенчатым профилем в

самой маске. Внешний вид такой маски представлен на Рисунке 2.40. При использовании такой маски главным требованием является равномерность (не ниже 5%) всех процессов технологического маршрута изготовления.

Рисунок 2.40. Ступенчатая однослойная маска

Такой подход в создании ступени в маскирующем покрытии и последующем переносе в кремнии позволит без значительного усложнения МТП независимо контролировать толщину упругих элементов, делая их более податливыми, и высоту встречно-штыревых элементов, создавая более высокоаспектные структуры, которые необходимы для увеличения силы актуатора (Рисунок 2.41).

Рисунок 2.41. Возможность создания ступенчатого профиля

2.5. Конструктивно-технологический анализ маршрута изготовления

Проведение конструктивно-технологического анализа необходимо для согласования требований топологии устройства с технологическими ограничениям производства. При реализации МТП наиболее ответственным и сложным элементом являются встречно-штыревые структуры, т.к. они имеют наибольшее аспектное соотношение в устройстве. Выделив этот элемент конструкции, можно установить, что критическим размером (СЭ) в данном МТП является ширина одного гребня которая равна зазору между гребнями и определяется

разрешением на этапе фотолитографии. Таким образом, ширина канала травления (Ц) будет равна трем критическим размерам (Рисунок 2.42). Для простоты дальнейших расчетов примем, что первая глубина травления (Н1) равна 60% от толщины всей пластины (Н).

Рисунок 2.42.

Геометрия реализации МТП

Каждое устройство имеет в своей топологии разброс размеров, который будет влиять на скорость травления. Это связано с тем, что процессы глубокого реактивно-ионного травления кремния, а именно Bosch-процесс, характеризуются эффектом уменьшения скорости травления с увеличением аспекта (англ. ARDE -aspect ratio dependent etching). Так, при травлении узких высокоаспектных каналов для создания встречно-штыревых структур скорость может быть ниже на 30-50% по сравнению с другими каналами, которые могут быть в 2-4 раза шире (Рисунок 2.43). Поэтому необходимо не только контролировать скорости травления всех типоразмеров, но и сокращать их разброс при проектировании топологии.

Рисунок 2.43.

Накапливаемая разница глубин травления при разных ширинах каналов в

топологии устройства

Так, зачастую при формировании упругого элемента конструкции травятся более широкие каналы поэтому скорость травления в них выше и необходимо вводить поправочный коэффициент при расчете высоты упругих элементов:

к = Н-с^Н1, (2.14)

, где Н - полная толщина подложки, с - поправочный коэффициент скоростей травления (лежит в диапазоне от 1 до 2). Схема представлена на Рисунке 2.44.

Рисунок 2.44.

Высота упругих элементов при травлении разных аспектов

Другой важнейшей особенностью Bosch-процесса является формируемый угол профиля каналов [200]. Он напрямую влияет не только на точность воспроизведения размеров, но и на емкость встречно-штыревых структур и максимально достижимое аспектное отношение структур (Рисунок 2.45).

Рисунок 2.45. Идеальный и реальный профиль травления структур

Чем больше отклонение угла профиля от 90о, тем быстрее гребень шириной w «обрежется» (Рисунок 2.46). Такое поведение характерно при формировании всех элементов микросистемы, включая упругие балки.

Рисунок 2.46.

Влияние угла профиля на получаемый результат

Таким образом, максимальная высота элемента при заданной ширине будет определяться углом профиля:

Нтах = 2^' (215) где w - ширина элемента, а - угол профиля (ВоБеИ-процесс).

В свою очередь типоразмер структур травления зависит от фоторезистивной маски, сформированной с помощью оптической литографии. Критический размер структур в фотолитографии определяется характеристиками установки экспонирования, толщиной и типом резиста.

Таким образом, существует группа параметров (Рисунок 2.47), которая напрямую определяет характеристики МОЭМС (резонансные частоты и перемещение) и зависит от технологических ограничений: толщина исходной подложки (Н), параметры ВоБеИ-процесса (ЛЯ - аспектное соотношение, а - угол наклона стенок) и Фотолитография (СЭ - критический размер).

Неподвижные пальцы

Рисунок 2.47.

Технологические ограничения при создании микрозеркала

Согласно предложенному в параграфе 2.4 маршрутно-технологическому процессу, для воспроизведения топологии устройства необходимо проводить обработку кремния с 2-х сторон. Для проведения анализа рассмотрим МОЭМС для вертикального перемещения с подвижными и неподвижными гребнями, расположенными на разных уровнях, что усложняет технологию изготовления (Рисунок 2.48).

Рисунок 2.48. Упрощенная реализация МТП для МОЭМС

Рисунок 2.49.

Геометрия реализации МТП

Исходная толщина подожки Н, тогда глубины травления с обратной (Н1) и передней (Н2) будут распределены согласно соотношению сторон следующим образом:

Н1 = 0,6Н (2.16)

Н2 = Н-Н1 = Н- 0,6Н = 0,4Н (2.17)

Тогда минимальная ширина канала травления (и, Рисунок 2.49) и ширина гребня (критический размер) равны:

Н1

и = А1

и Н1 ш = СБ = - =

0,6Н

(2.18)

= = , (2.19)

где Н1 - глубина травления с обратной стороны, ЛЯ - максимальное аспектное соотношение, w - ширина гребня.

В свою очередь, максимальная высота гребня (шириной w) будет определяться не только от аспектом (ЛЯ), но и степенью отклонения угла (а) профиля от вертикальности, что также следует учитывать:

_ ш _ 0,6Н Нтах = ИЦИ = 6 • АЯ • Ьда (2 20)

Примем, что ширина торсионной балки ^бал) равна ширине гребня а длина задается длиной Ь. Т.к. всегда есть разница скоростей травления (коэффициент с, примем с = 1,3, т.е. скорость травления на 30% выше), то высота балки (И) будет определяться как:

к = Н -сН1 = Н -1,3' 0,6Н = 0,22Н , (2.21)

где Н - полная толщина подложки, с - поправочный коэффициент скоростей травления (лежит в диапазоне от 1 до 2). Тогда жесткость системы будет напрямую зависеть от исходной толщины и аспектного соотношения:

_2'К'^3 •в _2' 0,22Н • фтдв)3 ' с _ 0,095 • Н4 • С (222)

к= 31 = 331 = ~817ГГАЯГ'

где И - высота упругой балки, Н - толщина пластины, w - ширина упругой балки, О - Модуль Сдвига, Ь - длина упругой балки, ЛЯ - аспектное соотношение.

Вычислив момент инерции зеркала (диска), у которого толщина равна толщине упругой балки, можно оценить резонансную частоту устройства:

1 1 1 1Х = —тг2 = —(рпг2К)г2 = —(рпг20,22Н)г2 = 0,055рпг4Н (2.23)

4 4 4

_ 1 2п ч

к 1

К 2п „

X ^

0,019 'Н3' в „„^

(2.24)

0,891 • Ь'АЯ3 • рпг4 '

где к - жесткость системы, 1Х - момент инерции диска, Н - толщина пластины, w -ширина упругой балки, О - Модуль Сдвига, Ь - длина упругой балки, ЛЯ -аспектное соотношение И - толщина диска, р - плотность кремния, г - радиус диска.

У каждого устройства есть определенные размеры. Для того, чтобы в расчетах использовать одинаковые габариты устройства, примем, что суммарная ширина области встречно-штыревых элементов с учетом зазоров (Жоб) одинаковая для разных случаев. С учетом равенства ширины пальцев и зазора количество пар пальцев будет определяться как:

Кб Кб

М = ~—= (2.25)

где №об - суммарная ширина области встречно-штыревых элементов с учетом зазоров, g - зазор между гребнями, w - ширина гребня.

Согласно параграфу 2.2. было установлено, что момент силы можно определить следующим образом:

дС(в) _ ££0дА(в) _ Жоб ££0дА(в) _ М = N —-7-— •У2 = N —0—-7-— • У2 = -т06 —0—^т— • У2 , (2.26)

дв д дв 4\\ д дв у ;

где N - количество пар подвижных гребней, в - диэлектрическая проницаемость

между гребнями, в0 - диэлектрическая постоянная, А - площадь пересечения

гребней, №об - суммарная ширина области встречно-штыревых элементов с учетом

зазоров, g - расстояние между гребнями, а V - управляющее напряжение. Таким

образом, момент силы также напрямую определяется через геометрические

характеристики, зависящие от технологии

Угол поворота в свою очередь в свою очередь можно рассчитать через

выражение:

М

в=-, (2.27)

к

где к - жесткость системы, М - момент силы электростатического актуатора.

Основываясь на уравнениях жесткости, резонанса и момента силы, описанных выше, был проведен расчет значений, угла перемещения, резонансной частоты для диапазона технологических значений (Таблица 17), при диаметре зеркала 1000 мкм, суммарной ширине области встречно-штыревых элементов 4000 мкм и питающем напряжении 50 В.

Таблица 17.

Технологические ограничения

Толщина подложки, мкм Аспектное отношение Соотношение сторон Отклонение угла при травлении, ° Критический размер литографии, мкм

Н ЛЯ Н/Н1 а СБ

100-500 5-20 0.6 0.5-1.5 1-10

Объединяя конструктивно-технологические ограничения МТП, можно проводить анализ доступных характеристик устройств. Так, исходя из рабочего поля угла вращений (Рисунок 2.50), видно, что угол травления структур в значительной степени влияет на доступность этой области (на графике он отсекает всю область, которая выше пунктирной линии). В свою очередь за счет уменьшения толщины кремниевой пластины (Н) с 350 мкм до 150 мкм можно

снижать требования к аспекту травления с 20 до 10 и углу профиля с 90о±0,5о до 90о±1о, обеспечивая при этом тот же угол поворота. Аналогичным образом можно контролировать значения резонансных частот микроустройства и подбирать доступные значения характеристик травления и исходной толщины пластины (Рисунок 2.51).

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

Н (мкм) Рисунок 2.50.

Конструктивно-технологический анализ угла поворота микрозеркала

Грез (ГЦ)

100 ООО I- 10 ООО I 1 ООО

г100 -10

-1

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

Н (мкм) Рисунок 2.51.

Конструктивно-технологический анализ резонансных частот

Исходя из всего вышесказанного, одной из ключевых операций для реализации предложенного МТП для создания устройств на базе емкостных встречно-штыревых структур, а также для создания МОЭМС в целом, является глубокое реактивно-ионное травление кремния, которое напрямую влияет на

выходные характеристики устройства. Поэтому к требованиям его обработки необходимо отнести:

- ширину обрабатываемых каналов - от 2 мкм до 100 мкм

- высокое аспектное отношении - не менее 15

- вертикальность боковых стенок - 90±0,5°,

- подтрав на границе с диэлектриком - не более 10% от ширины канала,

- равномерность по 100 мм пластине - не менее ± 5%,

- селективность к диоксиду кремния (фоторезисту) - не менее 200 (70).

Выводы по Главе 2

1. На основе конструктивно-технологической классификации проведено онтологическое моделирование предметной области МОЭМС/НОЭМС с описанием конструкций, применяемых материалов, технологий и операций, их свойств и взаимосвязей между ними.

2. Разработан метод анализа оптических микросистем посредством формирования конструктивно-технологической базы знаний с семантической структурой информационных блоков конструкций и технологий изготовления МОЭМС/НОЭМС, содержащий онтологические классы изделий, и позволяющий выделить емкостные встречно-штыревые структуры как ключевой элемент построения большинства оптических микросистем, охватывающий более 51% всех устройств и имеющий наиболее высокие конструктивно-технологические требования к размеру (2-5 мкм), углу профиля (90о±0,5о) и аспекту (5-20) при изготовлении. Показана возможность выявления требуемых взаимосвязей, в том числе не заданных изначально.

3. Проведено математическое моделирование устройств на базе горизонтальных и вертикальных емкостных встречно-штыревых структур и осуществлена оценка влияния конструктивно-технологических ограничений (толщина подложки, аспектное соотношение, отклонение угла профиля структур от вертикальности и критический размер) на свойства системы и выходные

характеристики устройств (максимальное перемещение или угол поворота и резонансные частоты). Установлено, что из-за неучета торцевого взаимодействия разница между аналитическим расчетом и моделированием составляет 15-20% для перемещения и до 5% для резонансной частоты. Кроме того, отклонение исходных размеров упругих балок более чем на 0,5 мкм (или 10% от исходной ширины) приводит к изменению частотных характеристик на 15% и изменению диапазона перемещений.

4. Показано, что за счет уменьшения толщины кремниевой пластины с 350 мкм до 150 мкм можно снижать требования к аспекту травления с 20 до 10 и углу профиля с 90о±0,5о до 90о±1о, обеспечивая при этом необходимые характеристики системы (силу, жесткость упругих элементов и диапазон перемещения).

5. Предложена технология на базе единого маршрутно-технологического процесса кремний-на-стекле, заключающаяся в формировании механических кремниевых элементов микросистемы с обеих сторон подложки с возможностью создания ступенчатого профиля через маски фоторезиста или диоксида кремния для независимого контроля высоты, ширины и длины упругих элементов и актуаторов (жесткость системы и сила электростатического привода, соответственно). Электрическая развязка обеспечивается посредством использования анодного бондинга боросиликатного стекла. Показано, что с помощью базового технологического процесса возможно создание разных классов МОЭМС и МЭМС на встречно-штыревых структурах с критическим размером 2-5 мкм, аспектом 5-20 и углом профиля 90о±0,5о, используя единую конструктивно-технологическую базу.

Глава 3. Конструктивно-технологические особенности создания устройств на встречно-штыревых структурах методами сухого травления

Предложенный технологический маршрут изготовления (МТП) на основе процесса кремний-на-стекле позволяет изготавливать МОЭМС на базе встречно-штыревых структур с широкими возможностями - создавать структуры в зазоре, в пересечении, а также контролировать независимо жесткость системы и силу актуатора. Ключевой операцией для реализации предложенного МТП, а также для создания МОЭМС в целом, является глубокое реактивно-ионное травление кремния. К требованиям его обработки относят:

- ширину обрабатываемых каналов - от 2 мкм до 100 мкм

- высокое аспектное отношении - не менее 15

- вертикальность боковых стенок - 90±0,5°,

- подтрав на границе с диэлектриком - не более 10% от ширины канала,

- равномерность по 100 мм пластине - не менее ± 5%,

- селективность к диоксиду кремния (фоторезисту) - не менее 200 (70),

- толщина подложки - 525±25 мкм.

Основным методом формирования глубоких высокоаспектных структур в кремнии является БоБсИ-процесс (Рисунок 3.1).

Минимальный размер

Угол профиля ^_^_

Размер канавки

Рисунок 3.1. Основные характеристики БоБсИ-процесса

БоБсИ-процесс позволяет контролировать угол профиля, достигать высокие скорости травления (>30 мкм/мин) и обеспечивать высокую селективность (200 -

3.1. Методы экспериментальной оценки результатов травления

При разработке основных технологических процессов травления необходимо проводить отработку с целью выяснения влияния параметров травления на выходные характеристики. Это позволит более гибко подходить к обеспечению требований для различных топологических размеров, а также определит границы возможностей используемого оборудования.

3.1.1 Основные характеристики сухого травления

На сегодняшний день наиболее часто используемым оборудованием для плазмохимического (сухого) травления являются установки с двумя источниками плазмы, что обусловлено возможностью независимо контролировать количество активных частиц и их направленность на обрабатываемую пластину или образец. Типовая конструкция рабочей камеры такого оборудования представлена на Рисунке 3.2. К основным параметрам травления относится: рабочее давление; состав газовой смеси; потоки выбранных газов; мощность источника плазмы; мощность нижнего электрода; температура.

300).

Смотровое окно

Линия для подачи гелия

Рисунок 3.2.

Типовая конструкция установки плазмохимического травления

Для описания профиля структуры измеряют такие величины, как ширина канала, глубина травления и угол профиля, а также оценивают равномерность и качество поверхности (Рисунок 3.3). По толщине удаленной маски и стравливаемого материала высчитывают скорость травления и селективность (отношение скоростей травления основного материала к маске).

Рисунок 3.3.

Описание профиля и выходные параметры процесса

Важной характеристикой является равномерность процесса травления, которая показывает разницу скоростей травления по площади пластины (обрабатываемого образца). Схема измерения равномерности представлена на Рисунке 3.4. Таким образом, к основным параметрам относятся: скорость травления; угол профиля; селективность; равномерность; качество поверхности.

Обработка пластины 0100 мм Разница между скоростью травления в центре и с краю

Рисунок 3.4. Равномерность процессов травления

При расчетах параметров травления используются следующие формулы:

V, (3.1)

ы

(3-2)

5 = (3.3)

"маски

н — н

и = -^ • [100%] , (3.4)

Н-тах + Нт1п

где V - скорость травления на единицу времени (мкм/мин); VN - скорость травления на цикл в БоБеИ-процессе (мкм/цикл); 5 - селективность; и -равномерность (%); - глубина травления кремния (мкм); г - время травления (мин); ИМаски - толщина удаленной маски (мкм); Итах и Итп - соответственно, минимальная и максимальная глубина травления материала (мкм).

Стандартное отклонение результатов эксперимента оценивалось по формуле:

* = ^ (Х;-Хф)2/(^-1) , (3-5)

где - значение параметра, хср - среднее значение параметра; N - объем выборочной совокупности.

К наиболее существенным параметрам сухого травления относят [201]: мощность источника индуктивно-связанной плазмы (ИСП), мощность нижнего электрода [202], рабочее давление [203], поток и состав рабочей смеси [204], а также время травления [205]. Оценивая возможности составления полнофакторного эксперимента, важно помнить, что описание протекающих внутри реактора плазменных процессов затруднительно с помощью использования «классических» факторов. Так, например, поток газа, давление и объем реакторной камеры напрямую взаимосвязаны и характеризуются одним параметром -временем пребывания (т, секунды или доли секунд) молекулы в рабочей камере до того, как она будет откачана [206]:

р V

т= • (3 6)

где ро - атмосферное давление, V- объем реакторной камеры, F - поток газа, ар -рабочее давление внутри камеры.

В свою очередь, данная характеристика ограничивает минимальное время, которое необходимо для переключения с одного газа на другой, что очень важно для некоторых процессов, например Bosch-процесс. Стоит отметить, что объем источника плазмы сам по себе влияет больше, чем объем камеры. Следовательно, количество входных параметров для качественного описания процесса методами полнофакторного эксперимента значительно увеличивается. Таким образом, планирование эксперимента основано на поочередном варьировании отдельных независимых переменных в условиях, когда остальные сохраняются неизменными [207].

3.1.2. Методика проведения эксперимента

Подготовка образца к экспериментальному исследованию осуществляется посредством проведения жидкостных и сухих процессов очистки поверхности, проведения процессов фотолитографии и последующем травлении (Рисунок 3.5).

1. Подготовка поверхности 2. Нанесение резиста 3. Литография

4. Травление БЮ2 5.Удаление резиста 6.Травление

Ар' ^

Рисунок 3.5. Последовательность проведения травления [151]

Измерение глубины и профиля травления, а также толщины маски осуществляются посредством раскалывания образца методом скрайбирования и

измерения профиля в торец. Измерения осуществляется в центре и по краям 100 мм пластины, что позволяет высчитывать равномерность всего процесса.

Основными инструментами контроля процесса травления являются: оптический микроскоп (позволяет оценивать качество поверхности и проводить предварительный анализ в скол); рефлектометр (для контроля толщины защитной маски и ее равномерности до и после травления), сканирующий электронный микроскоп (глубина и профиль травления, шероховатость боковой стенки, а также остаточную толщину защитной маски). Пример измерения в СЭМ представлен на Рисунке 3.6.

Рисунок 3.6. Пример измерения профиля

3.2. Глубокое реактивно-ионное травление кремния

Создание высокочувствительных устройств на базе предложенного МТП с возможностью обеспечения широкого диапазона выходных характеристик и минимальным отклонением от разработанной топологии напрямую связано с необходимостью обработки кремния и достижения высоких аспектных отношений (более 15) для наиболее ответственных конструктивных узлов - емкостных встречно-штыревых структур. Зазор в этих элементах лежит в диапазоне от 2 мкм до 5 мкм, вертикальность боковых стенок должна быть не хуже 90±0,5°. В свою очередь, равномерность по 100 мм пластине не менее ± 5% и селективность к

фоторезисту не менее 70 (к диоксиду не менее 200) обеспечат возможность групповой микрообработки.

Достижение таких характеристик возможно посредством использования циклического ВоБеИ-процесса (Рисунок 3.7), сочетающего в себе две разнородные операции - травление (газ SF6) и пассивация (С4Рв). Количество циклов исчисляется сотнями, количество переменных минимум в 2 раза больше и, как следствие, оптимизация достаточно трудоемкая.

3.3.1. Метод контролируемого создания скола для анализа глубокого высокоаспектного травления кремния

Несмотря на достаточно широкий охват исследований геометрии тестовой топологии [208-212], нет общего подхода к формированию (или отсутствию) вспомогательной линии скола для управляемого разделения образца, что критически важно для глубокого ВоБеИ-процесса. Одной из проблем при травлении кремния на всю толщину подложки (или близкую к ней) является неуправляемость скола (даже при кристаллографии <100>), а также влияние вспомогательных линий скола на выходные характеристики процесса. Помимо этого, при высокой локальной плотности узких структур может наблюдаться разрушение кремния в процессе раскалывания или травления образца (Рисунок 3.8). Качество контроля и адекватность измерений позволяет правильно сформулировать ограничения процесса и его применимость для того или иного вида устройств.

р

Рисунок 3.7.

Циклический механизм ВоБсИ-процесса травления

а)

б)

Рисунок 3.8.

Дефекты при создании скола: а) разрушение от алмазного резца; б) разрушение

узких высокоаспектных каналов

Для анализа влияния способа создания вспомогательной линии скола на характеристики Bosch-процесса было выбрано 3 основных метода (Рисунок 3.9).

а)

б)

Рисунок 3.9.

в)

Способы формирования вспомогательной линии скола: а) с помощью резца; б) с помощью вспомогательных поперечных линий без пересечения; в) с помощью вспомогательных поперечных линий с пересечением

В первом случае направленность скола осуществляется за счет использования собственной кристаллографии кремния и создания алмазным резцом напряженного слоя поперек тестовых линий. Во втором и третьем случае в процессе травления формируется поперечная вспомогательная структура, по

которой в дальнейшем и проходит скол. Основным отличием второго случая от третьего является отсутствие непосредственного пересечения с тестовой линией в процессе травления.

При создании прерывистой вспомогательной линии скола (Рисунок 3.9, б) были проанализированы различные способы создания концентрации напряжения в зависимости от формы (Рисунок 3.10). Степень повышения напряжения зависит в первую очередь от вида и формы вспомогательной линии. Чем больше перепад сечений на участке перехода и чем резче переходы и острее подрезы, тем выше местное максимальное напряжение [213]. Таким образом, в качестве основной формы была выбрана угловая структура (У-образной формы), обеспечивающая максимальное напряжение в 5 раз больше номинального.

Для описания влияния способа раскалывания образца была разработана тестовая топология (Рисунок 3.11), которая включает набор линий шириной от 2 мкм до 50 мкм и длиной (Ь) 1 мм и отношением ширины к зазору (Э) 1:1 и 1:10 для каждого типоразмера. Для структур с прерывистой вспомогательной линией (Рисунок 3.11, а) ширина и ее расстояние до тестовой структуры составила 20 мкм. Для тестовой топологии с пересекающими линиями (Рисунок 3.11, б) также варьировалась толщина вспомогательной линии и составила 5 мкм, 50 мкм и 100 мкм.

Рисунок 3.10. Концентрация напряжения в зависимости от формы

а) б)

Рисунок 3.11.

Характерные размеры тестовой топологии: а) прерывистая вспомогательная

линия; б) пересекающая вспомогательная линия Измерения показали, что для линий без пересечения сужение профиля к низу не наблюдалось и протравленный канал сохранял свою форму до конца травления. При переходе на S = 5 мкм наблюдалось появление «второго» профиля структуры, который представлял собой более узкий канал. При использовании широких вспомогательных линий, например, S = 100 мкм наблюдалось значительное сужение профиля, вплоть до полной остановки травления, что было особенно характерно для W <20 мкм. Внешний вид таких структур приведен на Рисунке 3.12.

W = 20 ит W = 20 ит W = 20 ит

(Без пересечения) (8 = 5 ит) (8 = 100 ит)

Рисунок 3.12. Сравнение линий в пересечении

Данное изменение характера травления связано с появлением дефекта «нароста» кремния. «Нарост» возникает из-за повышенного полимерообразования

в этой области, что препятствует травлению и канал постепенно сужается. Причиной такого образования может являться локальная область пересечения, где появляется дополнительная геометрия в виде углов структур. Такие углы подвергаются дополнительному воздействию ионов с каждой стороны, что приводит к более эффективному полимерообразованию из-за активирования поверхности кремния [214-216], кроме того, изменяется характер подвода и отвода смеси в канал. Помимо этого, на дне структуры в области пересечения образуются канавки, что может свидетельствовать об отклонение заряда вблизи кремниевого «нароста» (Рисунок 3.13).

Рисунок 3.13.

Механизм полимерообразования в области пересечения

В реальных условиях практически не существует устройств, имеющих в своей топологии исключительно прямые линии. Поэтому при проектировании тестовой топологии или создании устройства нужно отдельно контролировать области пересечения или любые отклонения формы от прямой, т.к. каналы в этих местах могут иметь искаженную форму. Полимерообразование в области пересечения наиболее критичны для малых размеров каналов (Рисунок 3.14).

^ Mag = 1.00kX 101

fmn.bmstu.ru

]/№ = 2.7 тт

5 мкм

50 мкм

Рисунок 3.14.

Полимерообразование для каналов шириной 5 мкм и 50 мкм

Значительным также оказывается влияние дефекта «нароста» на угол профиля структур с пересечением. При сравнении графиков (Рисунок 3.15) можно видеть, что в среднем они имеют более узкий канал, чем структуры без пересечения. Отдельно стоит отметить, что для узких каналов (до 20 мкм) сужение профиля при использовании пересекающих вспомогательных линий может достигать до 85%, а для структур шире 20 мкм до 40%. Для линий без пересечения максимальное отклонение не более 12% от исходной ширины канала. На графике (Рисунок 3.15) приведены данные о степени сужения канала от номинального размера (CD).

Степень сужения канала в зависимости от типа используемой линии скола

га с га х

га

^

х

^

о. ^

3

I—

о

ф ^

X

ф

X

о

100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

■ чч = 10 мкм (УУ.и = 1: • \Л/= 10 мкм (\Л/:0 = 1: А \Л/= 50 мкм (\Л/:0 = 1: т \Л/= 50 мкм (МО = 1: I) 10) 1) 10) ■ > >

■

1 1 >

1 г

3 с г 1 :

« > г 1

Без пересечения (Ширина 20 мкм)

С пересечением С пересечением С пересечением С пересечением с краю (Ширина 5 мкм) (Ширина 50 мкм) (Ширина 100 мкм) (Ширина 100 мкм)

Тип вспомогательной линии скола

Рисунок 3.15.

Степень отклонения от критического размера

Таким образом, были проанализированы и протестированы различные виды вспомогательных линий для управляемого скола в кремнии для каналов шириной от 2 мкм до 50 мкм с аспектным отношением более 10 для каждой из структур. При формировании скола с помощью поперечных вспомогательных линий значительно упрощается механизм раскалывания. Установлено, что в области пересечения структур со вспомогательными линиями возникает сужение профиля из-за изменения характера подвода и отвода полимеризующей смеси. Чем шире вспомогательная линия, тем сильнее сужается канал, а характер травления становится менее предсказуемым и сильно зависимым от самой линии скола. Использование прерывистой линии с концом У-образной формы для создания дополнительного напряжения вблизи структуры позволяет избегать влияния пересечения на характер травления. Данный способ раскалывания позволяет производить контроль характеристик на образце без внесения в него дефектов травления. Характер травления одиночных линий и массива с периодом 1 изменялся при использовании пересекающей вспомогательной линии, но оставался неизменным для прерывистой линии. При анализе каналов в кремнии после бобси-процесса особое внимание стоит уделять местам пересечения и изменения формы структуры.

3.3.2. Технология создания высокоаспектных каналов

Наиболее значимыми параметрами для процессов травления являются мощность источника плазмы и рабочее давление, которые комплексно влияют на протекающие в плазме процессы.

Этап травления. Мощность источника плазмы.

При увеличении мощности источника плазмы в диапазоне от 1500 Вт до 1700 Вт наблюдается рост скорости травления с 0,53 мкм/цикл до 0,59 мкм/цикл, что связано с увеличением энергии плазмообразующих частиц. При этом, угол профиля структур и равномерность процесса травления практически не изменяются. Однако наблюдается снижение селективности процесса с 375 до 230 за счет увеличения общей энергии активной травящей смеси (Рисунок 3.16).

1500 1550 1600 16

МОЩНОСТЬ ИСП (Вт) ..

^ ' ' Мощность ИСП (Вт)

Рисунок 3.16.

Влияние мощности ИСП на этапе травления

Этап травления. Рабочее давление.

В результате эмпирической проверки выяснено, что с увеличением давления (в диапазоне от 20 мТорр до 30 мТорр) возрастает скорость травления примерно на 20%, что связано с увеличением общего количества числа активных частиц. При этом снижается направленность активной смеси, что приводит к ухудшению угла профиля с 92,5о до 94,0о.

При увеличении давления на этапе травления в диапазоне с 20 мТорр до 40 мТорр возрастает селективность процесса из-за снижения (с 160 до 300) длины свободного пробега, что приводит к менее эффективному отбору энергии от источника плазмы к травящему газу. На промежутке также наблюдается максимум неравномерность (3,4%). Это объясняется тем, что при малых значения давления (20 мТорр) наблюдается компенсация неравномерности за счет направленности частиц к подложке, а при больших значениях (40 мТорр) за счет расширения области горения плазмы (Рисунок 3.17).

3,6

3,4

3,2

3.0

2,6

2,4

3,4 т А 300

2,1 7/ 160 230 2,1 V

—■— Равномерность —Селективность

-320

-300

-280

л

- ?6П

о

X

-240 ш

-220 ш с

0)

-200 и

- 180

- 160

- 140

20

25

30

35

40

Рабочее давление (мТорр)

Рисунок 3.17.

Влияние рабочего давления на этапе травления

Этап пассивации. Мощность источника плазмы.

При увеличении мощности источника плазмы на этапе пассивации с 1300 Вт до 1500 Вт происходит перераспределение полимеризующей смеси и общем снижении скорости травления на 8% и селективности на 11,5%, а также сужении угла профиля на 1 градус. Причем дальнейшее увеличение мощности до 1700 Вт не приводит к значительному изменению этих характеристик. Отдельно стоит отметить, что при росте передаваемой энергии от источника ИСП наблюдается значительное ухудшение неравномерности на с 1,7 % до 24%, что связано со снижением баланса между рабочим давлением, мощностью и потоками газов (Рисунок 3.18).

Рисунок 3.18. Влияние мощность ИСП на этапе пассивации

Этап пассивации. Рабочее давление.

Рабочее давление, как один из наиболее комплексных параметров, позволяет регулировать баланс БоБсИ-процесса. Так, оптимальным давлением с точки зрения равномерности является 20 мТорр (порядка 2,4%). Кроме того, посредством увеличения давления с 15 мТорр до 20 мТорр можно увеличить толщину пассивирующей пленки и селективность процесса на 25%. С помощью рабочего давления можно увеличивать скорость травления (с 0,59 мкм/цикл до 0,64 мкм/цикл) за счет снижения общей направленности смеси и, как следствие, формирования более толстой пленки на боковых стенках канала, а не на дне (Рисунок 3.19).

25-

о 15

о.

0) г о

£ 10 н

ей пз

23,7

—Равномерность

—•— Селективность

^^ 469

16,7

' 397

2,4 /

' 317

520

460

с

(С