Конструктивно-технологический базис микроэлектромеханических систем для диафрагменных электроакустических преобразователей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.01, кандидат технических наук Ильков, Андрей Владимирович

• Ильков, Андрей Владимирович
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Ильков, Андрей Владимирович

Введение

ГЛАВА 1 Основные характеристики электроакустических преобразователей на примере микрофона

1.1 Основные характеристики акустического поля

1.2 Основные характеристики микрофонов

1.3 Электроакустическая система микрофона

ГЛАВА 2 Совместимость технологии микросистемной техники с технологией микроэлектроники

ГЛАВА 3 Анализ электромеханического чувствительного элемента МЭМС-микрофона

ГЛАВА 4 Влияние полости под диафрагмой на характеристики микрофона

ГЛАВА 5 Моделирование и проектирование диафрагм МЭМС - микрофонов

5.1. Моделирование упругих стальных диафрагм микрофонов

5.2. Методы моделирования и проектирования МЭМС

ГЛАВА 6 Разработка технологии производства диафрагменных элементов МЭМС-электроакустических преобразователей

6.1 МОЭМС для ЭАП

6.2 Разработка конструкции и технологии изготовления кристалла кремниевого чувствительного элемента для ЭАП

6.2.1 Исследование влияния технологического процесса осаждения нитрида кремния на характеристики диэлектрической мембраны

6.2.2 Исследование влияния структуры диэлектрической мембраны на ее параметры

6.3 Разработка и исследование конструктивно-технологических особенностей создания чувствительного элемента ЭАП с профилированной мембраной

6.4 Анализ результатов технологических исследований 108 Основные результаты работы 118 Литература 120 Приложение. Экспериментальная установка для измерения прогиба мембран

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Конструктивно-технологический базис микроэлектромеханических систем для диафрагменных электроакустических преобразователей»

Развитие рынка электроники в основном определяется потребительским спросом на определенные массовые виды изделий. Долгое время в микроэлектронике главными потребителями были фирмы, производящие вычислительную технику. Затем стал расти спрос на телекоммуникационные системы. В последнее время все большую роль начинают иметь потребители разного рода бытовой аппаратуры. Можно считать, что, начиная с персонального компьютера, идет процесс персонализации аппаратуры. Естественным результатом этого стало стремление миниатюризировать аппаратуру при одновременном расширении ее функций. Особенно острой эта проблема стала для мобильной аппаратуры, т.е. носимой или возимой в личном транспорте. Наиболее ярким примером служит мобильный телефон, который стал самой распространенной электронный системой личного пользования. Основная тенденция его развития заключается в постоянном увеличении доступных для него дополнительных функций (фотоаппарат, доступ в Internet и т.д.). Включение новых функций возможно только при условии, что их аппаратное воплощение имеет малые габариты и потребление электроэнергии. Оба условия могут быть выполнены средствами микросистемной техники. Практически оно выполняется в конструкциях микроэлектромеханических систем (МЭМС). По [1] в мобильном телефоне в настоящее время могут быть использованы восемь типов МЭМС-конструкций. Главенствующая роль в настоящее время принадлежит МЭМС-микрофону. Первоначально в мобильных телефонах были использованы электретные микрофоны. Однако из-за необходимости создания источника питания за счет электронного эффекта площадь диафрагмы микрофона (и, следовательно, всего микрофона) не могли быть достаточно минимизированы. Замена их на конденсаторные МЭМС-микрофоны позволяет уменьшить размер диафрагмы до 10 раз. В настоящее время МЭМС-конденсаторные микрофоны выпускает свыше 15 фирм. Среди них главенствующую роль играют фирмы Knowless Acoustics, Sonion MEMS, Akustica, Memstech, Apogee (суммарно 82% рынка МЭМС-микрофонов).

Общий объем продаж МЭМС-микрофонов составляет в настоящее время 5-10% от общего рынка микрофонов для мобильного телефона. Темп годового роста 20%.

Для расширения объема рынка в новые микрофоны вводятся новые функции: направленность приема, цифровой выходной сигнал, программирование функций под требования заказчика.

В России пока не производили МЭМС-микрофоны. В связи с этим становится актуальным развитие методологии разработки элементов МЭМС-микрофона на базе опыта производства других МЭМС-приборов: датчиков давления, акселерометров, виброметров. На этапе выбора конструкции, материала и технологии производства компонентов МЭМС-микрофона необходимо проанализировать существующие методы расчетов и проектирования виброакустических элементов с учетом технологического базиса, разработанного в России и, в частности, в ГНЦ «Технологический центр» МИЭТ. Опыт зарубежных фирм показывает, что отработка конструкции МЭМС-микрофона занимает несколько лет и требует достаточно крупных вложений.

Реально этап разработки заканчивается изготовлением экспериментального образца. Его конструкция должна быть достаточно гибкой для обеспечения возможностей измеренения параметров экспериментального образца и изменения функционального назначения отдельных элементов его конструкции. В связи с этим в диссертации исследуются два направления: общая методология разработки элементов МЭМС электроакустических преобразователей, включая микрофон и технологические варианты их создания на производственной базе НПК «Технологический центр» МИЭТ.

В представленной работе ставились следующие задачи:

1. Провести анализ методов расчета основных элементов микроэлектроакустических преобразователей на примере МЭМС-микрофонов.

2. Разработать конструкцию экспериментального образца электроакустического преобразователя на базе МЭМС.

3. Выбрать и исследовать технологические процессы и маршруты для создания экспериментального образца.

4. Исследовать параметры экспериментального образца и их зависимости от элементов конструкции и технологии их изготовления.

5. Предложить методологию расчета, проектирования и производства микроэлектроакустических преобразователей на базе МЭМС.

Заключение диссертации по теме «Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и нано- электроника на квантовых эффектах», Ильков, Андрей Владимирович

Основные результаты работы

В последние годы технология МЭМС стала широко использоваться для создания миниатюрных ЭАП (микрофонов, виброметрометров, сейсмографов, осцилляторов и т.п.). Наибольший интерес вызывают диафрагменные микро-ЭАП, прежде всего, МЭМС-микрофоны. В России пока нет опыта их производства. В связи с этим актуальным является исследование возможностей производства МЭМС-ЭАП на существующей в России технической базе на конкретном примере НПК «Технологический центр» МИЭТ.

1. Рассмотрены и проанализированы аналитические методы оценок характеристик упругих диафрагм и выявлены особенности, связанные с малыми размерами, материалами и технологией МЭМС.

2. Совокупность требований по частотному диапазону, чувствительности и шумам МЭМС-ЭАП может быть реализована только в сравнительно узком диапазоне геометрических размеров элементов, который зависит от выбора материала и типа МЭМС-технологии.

3. Проведен анализ способов совмещения технологии МЭМС с технологией ИС при производстве МЭМС-ЭАП. Показано, что для формирования диафрагменных чувствительных элементов ЭАП выбор материалов и режимов технологических операций более критичны, чем для балочных.

4. Дня диафрагм с линейными размерами 1-г5 мм оценены границы применения методов изменения частот собственных колебаний за счет использования жесткого центра и гофрирования.

5. Рассмотрены особенности применения метода электроакустических аналогов для МЭМС-микрофонов, связанные с их конструктивными параметрами (жесткостью, величиной зазоров, перфорацией). Сформулированы рекомендации по использованию аналитических зависимостей при расчете элементов конструкции.

6. Дня диафрагм с многослойной структурой предложены методы оценки эффективной жесткости.

7. Исследовано влияние внутренних напряжений при использовании в качестве диафрагмы пленок поликремния, SiOi и/или SijN^. Из-за наличия внутренних растягивающих напряжений возможен переход диафрагмы из состояния пластины в состояние мембраны оценена граница этого перехода (порядка 20 МПа).

8. Сжимающие внутренние напряжения вызывают остаточную деформацию диафрагмы в форме симметричных фигур вздутия (буклетирование). Показано, что это вызывает увеличение жесткости и резкое уменьшение чувствительности диафрагменного элемента.

9. С учетом существующей зависимости физических свойств и внутренних напряжений в пленках S1O2 и/или Si^N^ от многих параметров их формирования в условиях конкретного производства на конкретном оборудовании сформулирован тезис о существовании «фирменного» перечня характеристик пленок.

10. Были исследованы режимы нанесения и обработки многослойных пленок SiOrfSiiN^, позволяющие контролировать уровень сжимающих напряжений в них, при производстве в НПК «Технологический центр» МИЭТ. Обнаружено, что гофрирование локализует область буклетирования, т.е. создает жесткий центр.

11. В совокупности полученные результаты могут служить базой для дальнейшего освоения производства МЭМС-ЭАП, включая МЭМС-микрофоны.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Ильков, Андрей Владимирович, 2007 год

1. MEMS markets for mobile applications // Micronews 2006 №43 pp.4-6

2. Справочник. Акустика // M.: «Радио и связь», 1989

3. Л.Ф. Лепендин II Акустика // М.: «Высшая школа» 1978

4. A. Richardson, Y. De Wolf, D. Peters, P. Salomon II Manufacturing Starts with the design // MSTnews 2003 №2/03 pp.41-43

5. Advanced MEMS Fabrication Using CPM. www.peter-wolters.com6. http://www.mdl/sandia/gov/

6. Мальцев ПЛ., Телец B.A., Никифоров А.Ю. II Интегрированные технологии микросистемной техники // Микросистемная техника. 2001. №11. с.22-24.

7. A. Witfrouw //Electro-mechanics and Silicon Electronica magazine. November 2004, p.56-58

8. Project SiGem. http://www.imec.be

9. В.Д.Вернер, А.А.Ковалев, ВЛ.Тарасов. Выставка-2002 как зеркало мировой электроники // Известия вузов. Электроника. 2003. - № 2-3. С. 96-102.

10. M.I.Madou II Fundamentals of Microfabrication CRC PRESS, 2002

11. P.Lange, M.Kirsten, W.Riethmuller, B.Wenk II Polycristalline Silicon for Surface Micromechanical characterization.Tranducers-95. Stockholm, p.202-20513. http://www.st.com

12. M.Villaroya II A platform for monolithic CMOS-MEMS integration on SOIwaters // Y. Micromech and Micreng // 16(2006) pp.2203-2210

13. Parameswaran, H.P.Balters, LRistic, A.C.Dhaded, A.M.Robinson II A new approach for fabrication of micromechanical structures. Sensor and Actuators, 1989, V.19, №3, pp.289307

14. G.K.Fedder, S.Santhanam, M.LReed, S.C.Eagle, D.F.Guillou, M.S.-C.Lu, LR.Carley II Laminated High-Acpectional CMOS Process. ШЕЕ, 1996,0-7803-2985-6/96, pp. 13-18

15. H.Xie, G.K.Felder II Vertical comb-finger capative actuation and sensing for CMOS-MEMS. Sensor and Actuators A95 (2002), pp.212-22118. http://www.akustica.com

16. Y.Y.Neumann, Yr. and K.Y.Cabrier II CMOS-MEMS membrane for audio-frequency acoustic actuation. Sensor and Actuators. 1995,A95 (2001), pp.175-182

17. С.СЯнуиюнис II Применение метода самоформирования для получения планарных структур. Электронная промышленность, 1980, в. 1(85), с. 16-18

18. А.Н.Сауров II Методы самоформирования в микроэлектронике. Изв.вузов. Электроника, 1997, №5, с.41-47

19. В.Д.Вернер, A.H.Caypoe II Метод самоформирования в технологии микросистем Изв.вузов. Электроника, 2000, №4-5, с. 118-123

20. В.Д.Вернер, П.П.Мальцев, A.H.Caypoe, ЮЛ.Чаплыгнн II Синергетика миниатюризации: микроэлектроника, микросистемная техника, наноэлектроника. Микросистемная техника, 2004, №7,с.23-29

21. В.В.Амеличев, В.Д.Вернер, А.В.Ильков, A.H.Caypoe И Совместимость технологии микросистемной техники с технологией микроэлектроники // Нано- и микросистемная техника, №11,2006, с. 10-14

22. Л.Д.Ландау, Е.МЛифшиц II Теория упругости // Наука, М., 1965

23. Ю.Н.Работное II Динамика деформируемого твердого тела // Наука, М., 1979

24. В.АТридчин, В.ИДрагунов И Физика микросистем // Новосибирск // НГТУ 2004

25. В.П.Драгунов II Влияние формы упругого элемента на характеристики микроэлектромеханических систем // Микросистемная техника, №1,2004, с.20-25

26. В.ПДрагунов II Нелинейность элементов микроэлектромеханических систем // Микросистемная техника, №4,2004, с.7-13

27. В.П.Драгунов II Нелинейная модель элемента микромеханических систем // Микросистемная техника, №6,2004, с. 19-24

28. В.ПДрагунов // Нелинейная динамическая модель упругого элемента микромеханических систем // Микросистемная техника, №10, 2004, с.23-29

29. В.Л. Распопов II Микромеханические приборы // Тула, 2002

30. G.K.Fedler, S.Santanam, M.LReed, S.C.Eagle, D.F.Guillon, M.S.-C.Lu, L.R.Carley II Laminated high-aspect-ratio microstructures in conventional CMOS process // 0-78032985-6196 ШЕЕ, p.13-18

31. E.Obermeir // Mechanical and Thermophysical properties of thin film material for MEMS: techniques and devices // Mat.Res.Soc.Symp.Proc. v.444,1997, p.39-57

32. Y.Y.Neumann, Yr. and K.Y.Gabriel // CMOS-MEMS membrane for audio-frequence acoustic actuation

33. V.Ziebart, O.Paul II Strongly Buckled Square Micromachined Membranes // 1057-7157/99, 1999, IEEE, p.423-431

34. O.Paul, P.Ruther II CMOS-MEMS Material characterization // Advanced Micro and Nanosystems. V.2 Wiley-VCH 2004 pp.69-135

35. P.Rombach, M.Mullenborn, U.Klein, K.Rasmussen II The first low voltage, low noise differential silicon microphone, technology development and measurement results sensors and actuators A95 (2002), p. 196-201

36. ТД.Шермергор II Теория упругости микронеоднородных сред // Наука, М., 1977

37. А.Г.Фокин, Т.Д.Шермергор IIК расчету упругих модулей неоднородных материалов // Механика полимеров, №4,1968, с.58

38. R.Hill И Theory of mechanical properties fibre-strengthened materials. I elastic behavior // Y.Mech. Phys. Solids, vl2, №4,1964, ct.199

39. Hao Luo, Gand Zhang, R.Carley IIA post-CMOS micromachined lateral accelerometer // Y. of Micromech. Systems, vl 1, №3,2002, p. 188-194

40. H.Hsieh, Tze-Yong Yao, Yu-Choung Tai IIA high performance MEMS thin-film Teflon elect ret microphone // Hilton Head 1996, p.235-238

41. Y.Bagdahn, K.Yackson, W.Sharpe II Tensile strength of multilayer metal-glass CMOS structures // XVI. The 16 European Conference Solid-State Transducers. 2002. Prague. P.272-275

42. E. СкучикII Основы акустики // T.l, M., Мир //1976

43. Wen H.Hsieh, Tze-Yung Yao, Yu-Chong Tai IIA high performance MEMS thin-film Teflon electret microphone //47. http://www.knowlesacoustics.com

44. A.Dehe, R.Aigner, T.Bever, K.-G.Oppermann, E.Pettenpaul, S.Schmitt, H.-Y.Timme II Silicon Micromachined Microphone Chip at Siemens //49. http://www.akustica.com

45. P.Rombach, M. Miillenborm, U. Klein, K. Rasmussenn И The first low, low noise differential silicon microphone, technology development and measurement results // Sensor and detuafors A95 (2002), p. 196-201.

46. R.P. Scheeper, W. Olthuis, P. Bergveld II The design, fabrication and testing of corrugated silicon nitride diaphragms // J. Microelectrotech.Syst. 3(1994), p.36-42.

47. Quanbo Zou, Zhenfeng Wang, Rongming Lin, Sung Yi IIA study on corrugated diaphragms for high-sensitivity structures // J. Microtech.Microeng 7(1997), p.310-315.

48. W.J. Wang, R.M. Lin, Y. Ren II Design and fabrication of high sensitive microphone diaphragm using deep corrugation technique // Microsystem technologies 10(2004), p. 143146.

49. H.L Chau, K.D. Wise И Sealing limits in batch fabricated silicon pressure sensors// IEEE Trans.Electron Devices 1987 Ed-34, p. 851.

50. J.H. Jerman II The fabrication and use of micromachined corrugated silicon diaphragms. Sensors actuators A21-23 (2001), p.988-992/

51. S.S. Mohite, Haneesh Kesari, V.R. Souti, Rudern Pratap II Analifical solutions for the stiffness and damping coefficients squeeze films in MEMS devices with perforated back plated//J.Microtech. Microeng. 15 (2005),p. 2083-2092.

52. P.C. Hsu, С.Н. Mastrandelo, K.D. Wise II A high sensitivity polysilicon diaphragm condenser microphone // MEMS Conf. 1998 (Heidelberg, Germany) p. 580-585.

53. P.R. Scheeper, W. Olthus, P. Bergveld II Improvement of the performance of microphones with a silicon nitride diaphragm and back plate // Sensors Actuators A40(1994), p. 179-186.

54. M. Pedersen, W. Olthus, P. Bergveld II A silicon condenser microphone with polymide diaphragme and back plate // Sensors Actuators A63 (1997), p.97-104

55. Z. Sfoor II On the acoustical resistance due viscous losses in air gap of electrostatic transducers //Acoustica 19(1967), p.295-299

56. L.L Beranek II Acoustics. Mc Crow-Hill NY 1954

57. D.S. Greyywall II Micromachined optical interference microphone // Sensors Actuators 75(1999), p.257-26863. http://www.sonion.com

58. Технический отчет по НИР «Разработка алгоритмов и программ расчета виброакустических характеристик элементов акустических преобразователей» ООО «Дельта-ПКФ», отв.исп.А.В.Ильков, 2003

59. О.Зенкевич II Метод конечных элементов в технике // М.: МИР, 1975

60. В.А.Постнов, И.Я.Хархурим II Метод конечных элементов в расчетах судовых конструкций//Л., Судостроение, 1974

61. Y.C.Marshall, M.Parameswaran, M.E.YaghoubII High-level CAD Mlds Micromachine Devices with Foundries //IEEE Circuits Mag, 1992, v.8, p. 10-17

62. ERL.SAMPLE Version 1.6a User Guide. Berkley 1985

63. G.M.Koppleman II OySTER: A 3D structural Similator for MEMS Design // IEEE MEMS, 1989, p.88-93

64. Y.R.Gilnert, G.KAnanthasureck II 3D Modeling of Contact Problems and Hysteresis in Counle Electro-Mechanics // 9 International Workshop on MEMS (MEMS-96), p. 127-132

65. S.Cramy, Y.Zhang IICAEMEMS: An Integrated CAE Workbench for MEMS // IEEE MEMS-90,1990, p.113-114

66. Y.G. Korvink, Y.Funk, M.Ross IISESES: A Comprehensive MEMS Modelling System // IEEE MEMS-94,1994, p.83-84

67. Т.Ю.Крупкина II Анализ использования методов приборно-технологического моделирования при разработке элементов микросистемной техники на примере пакета ISETCAD // Изв. Вузов. Электроника, 2003, №6, с.81-86

68. K.-H.Diner, S.Reitz, P.Schneider II Modeling and Design-driven Simulation of Integrated Piezo-resistive Pressure Measuring Systems // M2M2004 Proceeding. 2004. p.88-93

69. Cadens reduces design cycles using Sensor-Dynamics // Electronic Engineering Times-Asia //http://www.eetasia.com/article content.php3?article id=8800375814

70. Parameterized Analitical Model Drive Coventor's Innovative MEMS Design Methodology // www.coventer.com

71. Microsystems Analysis Features // www.analys.com/industries/microsvstems.asp

72. К.Верспил II Объединение систем автоматизации проектирования электронных и механических узлов // Chip News №7(90), 2004, с.56-5979. И.В.Годовиуин и др. II

73. Y.Y.Neuman, К.J.Gabriel II CMOS-MEMS Acoustic Devices // Advanced Micro and Nanosystems. V.2 Wiley-VCH 2004 pp. 193-224

74. D.S.Greywall II Micromachined opticalinterference microphone // Sensors and actuator. 75(1999). P. 257-268.

75. D.S.Greywall II Optical interference microphone // Y. Micromech. Microeng. 7(1997). P. 343-344

76. P.Gratz, F.Yacobsen // The influence of amplitude and fase errors in microphone arrays on visualization of sound field using acoustical holography // XVI European Conference on Solid-State Transducers. 2002. Prague. P.320-323.

77. B.B. Амеличев, В.Д. Вернер, A.B. Ильков II МЭМС-микрофон. Выбор материала, конструкций и технологии. Часть I. Электромеханический чувствительный элемент // Нано- и микросистемная техника, 2007, №2, с.53-61.