автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Конструктивно-технологический базис микроэлектромеханических систем для диафрагменных электроакустических преобразователей

На правах рукописи

Ильков Андрей Владимирович

Конструктивно-технологический базис микроэлектромеханических систем для диафрагменных электроакустических преобразователей

Специальность

05 27.01 - твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2007 г

003069246

Работа выполнена в Государственном учреждении «Научно-производствнный комплекс «Технологический центр» Московского государственного института электронной техники

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, профессор Вернер Виталий Дмитриевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Шевяков Васили Иванович

доктор технических наук, профессор Лучинин Виктор Викторович

Ведущая организация:

«НИИ молекулярной электроники и завод Микрон»

Защита диссертации состоится 2007 г. в

_часов_ ОО _мин. в аудитории 3103 на заседании

Диссертационного Совета Д212.134.01 при Московском государственном институте электронной техники (технический университет) по адресу. 124498, г Москва, г Зеленоград, проезд 4806, д 5, МИЭТ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИЭТ

Автореферат разослан « 2ч » о</ 2007 г.

Ученый секретарь Диссертационного Совета//

4

д.т.н., профессор // Неустроев С А

Общая характеристика работы

Актуальность темы В настоящее время микросистемная техника (МСТ) стала признанным научно-техническим направлением Вместе с тем ее коммерческое приложение в основном связано с производством микроэлектромеханических систем (МЭМС) Основной технологией их производства остается кремниевая микрообработка Потребность в МЭМС заметно возросла в последнее время за счет их применения в мобильной (носимой) технике индивидуального использования.

В мобильном телефоне могут быть применены восемь типов МЭМС-конструкций Главенствующая роль принадлежит МЭМС-микрофону. Первоначально в мобильных телефонах были использованы электретные микрофоны Однако из-за необходимости создания источника питания за счет электретного эффекта площадь диафрагмы микрофона (и, следовательно, всего микрофона) не могла быть достаточно минимизирована Замена их на конденсаторные МЭМС-микрофоны позволяет уменьшить размер диафрагмы до 10 раз В настоящее время МЭМС-конденсаторные микрофоны выпускает свыше 15 фирм

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

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

Основным элементом микрофона является упругая диафрагма, которая часто используется и в других типах электроакустических преобразователей (ЭАП), например, в виброметрах Конструкция и технология изготовления диафрагмы для МЭМС отличаются от принятых ранее методов их изготовления В

связи с этим актуально исследование конструктивно-технологического базиса МЭМС для диафрагменных ЭАП по двум направлениям- общая методология разработки элементов МЭМС ЭАП, 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

Научная новизна результатов:

1 Одновременное задание основных параметров ЭАП (частоты собственных колебаний диафрагмы и чувствительности) существенно ограничивает выбор конструкции и размеров МЭМС-диафрагмы.

2 Использование модели диафрагмы в форме пластины для диэлектрических пленок ограничено наличием внутренних напряжений. При растягивающих напряжениях выше 20-40 МПа необходим переход к модели мембраны или промежуточной модели Внутренние сжимающие напряжения приводят к уменьшению чувствительности

3 Куполообразная остаточная деформация диафрагм, возникшая под действием остаточных напряжений выше критического делает их непригодными для использования в ЭАП.

4 Остаточная деформация двухслойных диафрагм может быть устранена подбором толщины и уровня внутренних напряжений разного знака в пленках. Гофрирование диафрагмы может локализовать область остаточной деформации

5. Зависимость уровня напряжения в многослойных пленках от условий осаждения и обработки на конкретном производстве приводит к формированию «фирменного» перечня характеристик пленок и невозможности единого для всех производств технологического маршрута.

Практическая значимость'

1. Разработана методика предварительного выбора параметров конструкции чувствительного элемента ЭАП на основе расчета по простым аналитическим зависимостям и эмпирическим соотношениям параметров конструкции.

2 Предложены методы оценки параметров электромеханических аналогов ЭАП для МЭМС-конструкций.

3. Разработаны технологические маршруты создания диафрагм из 5«02 или 5/зЛ^ с учетом коррекции внутренних напряжений в композитной пленке.

4. Предложена методика выбора последовательности этапов разработки, проектирования и изготовления ЭАП-МЭМС.

Реализация результатов работы. Разработанные и изготовленные на опытном производстве НПК «Технологический центр» МИЭТ компоненты ЭАП-МЭМС переданы заказчику

На защиту выносятся1

1. Методика выбора параметров конструкции емкостного чувствительного элемента ЭАП-МЭМС.

2 Способы изменения параметров чувствительного элемента ЭАП

3 Результат компьютерного моделирования диафрагмы ЭАП.

4. Результаты исследования технологического маршрута изготовления диафрагм из и/или

Апробация работы Основные положения и результаты диссертационной работы представлены на конференциях-

1. 13-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика-2006». Зеленоград, апрель, 2006.

2. 10-я международная научная конференция «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники - ПЭМ'06». ТРГРУ, Дивномроское, сентябрь 2006.

3. Конференция молодых специалистов, в/ч 35533,2004

Публикации Основные результаты отражены в четырех статьях, 3

тезисах докладов на научно-технических конференциях и в двух отчетах по НИОКР.

Структура и объем диссертации Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения и списка цитируемой литературы из 84 наименований Объем диссертации составляет 128 страниц и включает 63 рисунка и 17 таблиц

Основное содержание работы

Во введении дается краткое обоснование актуальности темы и основные цели диссертационной работы.

В первой главе рассматриваются основные характеристики ЭАП на примере микрофона В качестве основного объекта анализа принят микрофон давления, для которого управляющим параметром является упругость и резонансная частота, которая должна быть выше основного частотного диапазона Упругим элементом микрофона может быть пластина или мембрана Мембрана - материальная поверхность, не имеющая, в отличие от пластины, упругости формы и находящаяся в состоянии натяжения Хотя на практике оба объекта часто называют мембраной, для целей работы необходимо их разделить. В качестве общего названия в работе использовался термин «диафрагма» Частотная зависимость параметров движения упругой системы разделяется на три области в зависимости от отношения частоты колебаний к частоте резонанса п — 0)1 Щ При п«1 система

управляется упругостью, при п=1 главную роль играют силы сопротивления, при и»1 система управляется массой. В режиме, управляемом упругостью, работает микрофон давления и датчик абсолютного давления В режиме, контролируемом массой, работают микрофоны градиента давления, дифференциальные датчики давления и акселерометры Принципиальным отличием МЭМС-ЭАП от обычных является тесная связь конструкции микрофонов с технологией. Отдельные элементы и конструкция в целом определяются выбором одного из типов объемной или поверхностной обработки и создания структур на базе кремния. При выборе технологии изготовления и элементов прототипа МЭМС-ЭАП необходимо сделать предварительные оценки их параметров Только после изготовления прототипа целесообразно полномасштабное применение САПР. И только при массовом производстве необходимо использовать методы автоматизированного проектирования для производства, оценки оптимальности конструкции и технологии, оценки надежности.

Характеристики упругого элемента МЭМС-микрофона зависят от его материала и геометрических размеров. Выбор материала и, в известной мере, формы, и линейных размеров упругого элемента определяются выбранной технологией их микрообработки В свою очередь выбор технологии определяется целым набором других

факторов, из которых одним из существенных является возможность интегрировать механическую составляющую МЭМС с электронной

Во второй главе рассмотрены проблемы совместимости технологии микросистемной техники с технологией микроэлектроники Электронная составляющая МЭМС в последнее время представляется в форме КМОП ИС. В зависимости от времени формирования МЭМС-структур различают технологии «до-КМОП», «одновременно с КМОП» и «после КМОП» Каждая из этих схем имеет свои достоинства и недостатки Для фирм, не имеющих собственного производства ИС, удобной является схема «после КМОП» Для фирм с собственным производством ИС возможны все три варианта.

Структура МЭМС может быть сформирована по технологиям поверхностной или объемной миркообработки по каждой из трех схем последовательности обработки. В качестве заготовки для МЭМС-структур может быть использована и структура ИС. В НПК «Технологический центр» МИЭТ для создания МЭМС-структур используется оба метода миркообработки: объемной и поверхностной К недостаткам последней следует отнести возможность появления больших внутренних напряжений Для исследования технологических ограничений при поверхностной обработке поликремниевых мембран были сформированы тестовые кристаллы с мембранами длиной 200 мкм и с разной шириной (50, 75, 100 мкм) мембран. На рисунке 1 представлена схема разреза экспериментальной структуры и фотография деформированной мембраны Только часть мембран была с гладкой или частично деформированной поверхностью («вздутость») Мембраны этого типа электростатически возбуждались Однако, большая часть мембран была деформирована (буклетирование) из-за наличия внутренних напряжений Изменение режимов осаждения поликремния и введение дополнительных слоев нитрида кремния не ликвидировали этот дефект. В тоже время для диэлектрической мембраны из слоев оксида и нитрида, полученных методом объемной обработки, удается полностью устранить деформацию

Таким образом при разработке методологии создания МЭМС-ЭАП следует проанализировать возможности управления характеристиками механической, акустической и электронной составляющих микрофона за счет выбранной технологии их изготовления. Следовательно, необходимо определить как можно изменить эти характеристики и какими технологическими приемами можно их осуществлять.

пот-31 &0, &Д п-электрод

воздушный зазор/

а) б)

Рисунок 1 - Тестовая поликремниевая диафрагма а) схема разреза структуры, б) Фотография деформированной диафрагмы

В третьей главе проведен анализ электромеханического чувствительного элемента МЭМС-микрофона как одного из ЭАП.

В микрофоне механическая колебательная система с распределенными параметрами может быть представлена двумя элементами пластиной и мембраной Упругое поведение этих элементов в общем виде исследовано подробно и описано в большом ряде фундаментальных трудов, а также монографиях специально посвященных микросистемной технике. Для конкретных систем анализ строится на базе фундаментальных уравнений, а их решение достигается методами моделирования или аналитически

Для конструирования чувствительного элемента (ЧЭ) микрофона предварительные оценки удобнее проводить на базе формул, выведенных в аналитических расчетах или их графических результатов Для упругих защемленных пластин, входящих в электростатический ЧЭ или актюатор значительный интерес представляют исследования В.П.Драгунова [1] Отметим следующие результаты, условие применимости полученных формул (А»с1), где А -линейный размер пластины, <1 - межэлектродное расстояние; граница линейного прогиба - >у до значений и*=0,1-0,2й, где А - толщина пластины, определение критических величин и^, — напряжение и уикр -критического прогиба. В частности, для круглой пластины-

и/ =0,464^ и ¿/ =5,63-106л/^0/5, и для квадратной пластины

™кр -0,477(1 и икр = 6,22 юЧс1301Б, где Б - цилиндрическая

жесткость, £>=(Л3/12) (£/(1-у2)) Е - модуль Юнга, V - коэффициент Пуассона; линейная зависимость и>Лг (до 0,3) от (до 200), что

позволяет оценить ^„<„=1/33 10"3 (дБ2/В), рекомендация по размеру центрального электрода I < 0,2 А, учитывающая неоднородность

смещения по пластине. На основе результатов работ, цитируемых в диссертации, и собственных расчетов составлена таблица 1

Таблица 1. Значение частот собственных колебаний диафрагм

разного типа

Частота, Гц Жесткость, Н/м Эквивалентная масса

1. Круглая защемленная пластина ЕИ.г С = 4,19 , тэк = 0,151т тзк= 0,46

2. Круглая опертая пластина А Е /0= 0,225 4, Л г2ур(1-У2) тж = 0,28т

3 Квадратная защемленная пластина тэк = 0,61т

4. Круглая пластина с жестким центром с радиусом Ь Е (г+Ь) 3 (г-ЬУ * [2] тэк =т,( + 0,Ът1 ть - масса «воротника»

5. Квадратная пластина с жестким центром со стороной а г р, АА 1 КЕ ЕИЪ А2 О = Ь4,У 7-гт . ., (1-У2) (А-а)4 тэк » тц

6. Круглая мембрана радиуса г г 0,38 [Г, /0~ г и Т- натяжение, р -плотность; к — толщина = 5,4 Т ШЭКв ' тжв = °>3т

Частота Жесткость Эквивалентная масса

7 Квадратная мембрана со стороной А 0,71 ПГ , 1 ¡2а г У/Л Л 2А\р а - величина внутренних напряжений. вт = 17ГгТ = 19/73Г тэке = т

8 Квадратная мембрана со стороной А и жестким центром со стороной а 11 2 ¿Л ЦршА2Н + рча\ Л - толщина мембраны; И - толщина центра, р - плотность материала, р,, - плотность материала центра

Для систем, контролируемых упругостью, условием перехода от действительных значений к эквивалентным служит замена величин в формуле определения собственной частоты колебаний

^ 2/г 2л" у тзк

где С - жесткость системы с распределенными параметрами,

тэк - эквивалентная сосредоточенная масса, обеспечивающая равенство частот реальной и эквивалентной колебательных систем

Пользуясь формулами таблицы 1 можно сделать ряд оценок, необходимых при конструировании ЧЭ, например, оценить изменение резонансной частоты при введении жесткого центра. В случае пластины она может повышаться или понижаться относительно гладкой пластины той же толщины. Для квадратной пластины с квадратным жестким центром, с толщиной Л2, высотой центра и гладкой пластины

толщиной с одинаковой внешней стороной квадрата А увеличение

0.78 /¿Г. Здесь « = « -

частоты возможно при условии: /Г~ < 0-78

^ "~а(1-а)2 р,

сторона жесткого центра, если материалы пластин и центра одинаковы. Если принять й2 = А,, то Л1( < 27,8А2.

Модель диафрагмы-пластины полностью корректна только при отсутствии внутренних напряжений Такие условия выполняются, если диафрагма формируется методом объемной обработки монокристаллической кремниевой подложки При поверхностной обработке структура формируется из разных материалов и возможно появление внутренних напряжений. В этом случае для диафрагмы, находящейся под действием внешних сил, напряжение в ней <Тобщ = <УТ + <7вн + <7в, где <7Т - термические напряжения, <7ви —

внутренние напряжения, <7в — напряжение от внешних сил При

высоком уровне сжимающих (отрицательных) напряжений возможно появление остаточных напряжений, которые приводят к остаточной деформации («вздутие») В результате возрастает жесткость и уменьшается чувствительность диафрагмы к давлению. Часто используемые при поверхностной микрообработке диафрагмы из 5102, и поли-51/ могут иметь сжимающие или растягивающие напряжения (в зависимости от технологических условий их формирования) Их величина может меняться в диапазоне нескольких десятков или сотен МПа При геометрических размерах, обычных для МЭМС-диафрагм, для достижения критического сжимающего напряжения, приводящего к появлению остаточной деформации,

достаточна величина <Тв порядка нескольких десятков МПа. Таким

образом появление вздутия диафрагм достаточно вероятно. Избежать вздутия можно используя двухслойные (многослойные) диафрагмы При этом пленки должны иметь внутренние напряжения разного знака Суммарное напряжение может быть рассчитано по формулам, приведенным в диссертации и при определенном отношении толщин пленок можно иметь С7в > 0. Если величина положительных

напряжений достаточно велика следует от модели пластины в расчетах переходить к модели мембраны. Для квадратных мембран были получены выражения для жесткости, резонансной частоты и смещения Для мембраны введение жесткого центра ведет только к уменьшению резонансной частоты Показано, что переход от модели пластины к модели мембраны возможен, если внутренние растягивающие напряжения порядка 40 МПа Для вычисления эффективных значений Е и V для диафрагм, изготовленных из структур металлизации ИС, предложено использовать методы, разработанные для композитных структур.

Второй важной характеристикой микрофона, связанной с упругими свойствами диафрагмы, помимо /0, является чувствительность. Обычно величину чувствительности 5 определяют на основе переходной функции всего ЭАП Однако для первичных оценок ограничимся величиной статической чувствительности емкостного ЧЭ при условии, что смещение w«d - межэлектродного расстояния. Тогда

5 _ Аи _ и<Р (2)

АР {й - ы)АР Подставив соответствующее значение уу для квадратной пластины, получим-

5Я=15,4 10"Ч(3) или с учетом значения/0 (см. таблицу 1)

5Л = 2,53 1(Г\ЕЗ [В/Па] (4)

\ Ер М2/0

В формуле (4) уже нельзя подставлять произвольные значения

А и А, т.к. величина/о сама зависит от них Величины Бп, рассчитанные

по формуле (4) дали удовлетворительное совпадение с

экспериментальными значениями, полученными в работах других

авторов

Отметим, что величина 5„ может быть повышена за счет и0, однако оно всегда должно быть меньше величины напряжения, соответствующей электростатическому залипанию и0<икр. Для квадратной пластины

ТГ -«-У) 1П« Лк I Е -19 1П6 ЛН Е. (5)

^ = 27,72[В/Па] (6)

Используя полученные формулы, получаем простые соотношения для выбора параметров ЧЭ при задании одного из них. Например, задав /о=20 кГц, для гладкой пластины получим:

Л2/й=0,68[м] и ¿А = 4-Ю-14— [м2]. При снижении /0 до 10кГц

числовые коэффициенты возрастут в два раза Эти результаты могут быть представлены в форме номограммы (рис. 2)

А, мм 1 2 3 4 5 /, кГц 5, мВ/Па и0, В

А, мкм 1,5 5,9 13,3 23,5 36,8 20 15

Ав, мкм 0,13 0,5 1,2 2 3,2 20 15

А, мкм 0,75 3 6,6 11,8 18,4 10 15 1,5

мкм 2,7 0,67 0,3 0,17 0,11 20 15

с1„, мкм 0,23 0,06 0,03 0,015 0,01 20 15

й, мкм 4 1 0,45 0,25 0,17 20 10

д, мкм А>мм

Рисунок 2 - Номограмма определения параметров ЧЭ-пластины из кремния

1. Для пластины с жестким центром (а=1/3, й,Д,(=0,15)

2 Для пластины с/о=10 кГц.

3 Для пластины с/о=20 кГц

4. Для пластины с 5=15 мВ/Па

5. Для пластины с 5=10 мВ/Па

При использовании в качестве диафрагмы мембраны задание /„ для каждого материала мембраны означает необходимость

определения <Тв : а, - 2/02 • А2р (7)

Подставив/т=20 кГц и р = 3 103кг/м3, получим для мембраны из ав = 2,4 • 1012 • А2 [Н/м2] Таким образом для Л=(1т5)мм значения (Тп лежат в интервале а„ =(2,4 + 60)МПаи Ю"14 — С"2]

Сравнение значений по формуле, использованной в нашей работе.

5 = ? (Ю

2л о, М

с определенными в других работах, дало расхождение на уровне 1530%.

Несмотря на кажущиеся широкие возможности выбора конструкционных параметров МЭМС-микрофона, реально они ограничены неизбежным заданием частоты собственных колебаний диафрагмы ^>20 кГц и чувствительности порядка 10 мВ/Па Первый параметр определяет размеры диафрагмы, а второй, при заданном напряжении питания, межэлектродное расстояние между пластинами, которое не может быть меньше критического. Принципиально первая проблема решается за счет выбора типа упругой модели диафрагмы. Собственная частота мембраны может изменяться в широких пределах за счет уровня внутренних напряжений Но этот параметр очень зависим от стабильности параметров технологии. Таким образом, как и для других МЭМС-приборов, для МЭМС-микрофонов существенным является выбор технологии, как залога работоспособности выбора конструкции.

В главе 4 рассмотрено влияние полости под диафрагмой на характеристики микрофона

Прослойка воздуха между планарными структурами, совершающими относительное движение, влияет на динамические характеристики системы, вызывая появление дополнительных составляющих упругости и демпфирования Для МЭМС-электростатического микрофона это прослойка между электродами Обычно один из электродов (диафрагма) подвижен. Нижний электрод, в большинстве случаев, неподвижен, те. существенно более жесткий Возможны конструкции, когда происходит движение обоих электродов Обычно влияние прослойки воздуха учитывают при моделировании

системы с сосредоточенными параметрами методами электрических аналогов. Эти аналоги могут быть электроакустическими или электромеханическими Электроакустические аналоги удобны при анализе чисто акустических систем При комбинации из акустических и механических систем удобнее пользоваться электромеханическими аналогами В этом случае предварительно акустические элементы должны быть преобразованы в механические

Существуют библиотечные модели электроакустических аналогов, что облегчает предварительный анализ Были сделаны оценки параметров конструкции МЭМС-микрофонов, из которого следует необходимость перфорации нижней пластины микрофона Но в полной мере корректность этих моделей должна быть проверена на базе теоретических работ, учитывающих, что воздушная прослойка в МЭМС-микрофоне обычно менее 10 мкм.

В связи с этим рассмотрены результаты ряда работ по разработке МЭМС-микрофонов разной конструкции и результаты теоретического анализа в работе [2] Из нее следует, что при частотах /<20 кГц эффектом сжимаемости воздуха можно пренебречь, если доля площади перфорации дна микрофона >0,15 В большинстве разработанных конструкций это условие выполняется В этой главе приведен краткий обзор результатов разработки микрофонов рядом ведущих зарубежных фирм

Анализ, проведенный в главах 3-4, показал, что при выборе конструкции МЭМС-микрофонов следует выделить следующие моменты

1. Выбор типа электромеханического преобразования.

2 Выбор материала диафрагмы и технологии ее изготовления.

3 Выбор формы и геометрических параметров диафрагмы

4 Определение модели диафрагмы мембрана или пластина, наличие жесткого центра Оценка частоты собственных колебаний Первичная оценка чувствительности

5 Выбор зазора между диафрагмой и дном полости микрофона, параметров перфорации Оценка влияния воздушного слоя под диафрагмой на характеристики акустомеханического преобразователя.

6 Моделирование акустомеханического и механоэлектрического преобразования с учетом конструктивных особенностей

7. Выбор электрической схемы преобразования и передачи сигнала в аналоговом или цифровом варианте и конструкции микрофона в корпусе.

В настоящее время имеются сотни работ по МЭМС-приборам с диафрагмой в качестве подвижного элемента, в том числе и микрофонов В своем анализе мы специально сделали акцент на первоначальные работы в этой области, т.к. в них более четко видны реалии метода «проб и ошибок» при разработках конструкции Это позволяет более эффективно выбирать ее элементы при новом проектировании

В пятой главе рассмотрены методы моделирования и проектирования диафрагм МЭМС-микрофонов На основе метода конечных элементов проведено моделирование стальных круглых и квадратных диафрагм толщиной h=1, 2 и 3 мкм и диаметром (стороной) А=2, 3 и 4 мм. А также круглой диафрагмы с радиусом 5 мм с одним или двумя гофрами при высоте гофров 0,014 и 0,1 мм Примеры полученных результатов представлены на рисунке 3. Гофрирование позволяет варьировать значение частот собственных колебаний

Другую возможность дает изменение материала пластины

Например, для круглой диафрагмы (табл 1) t = q 47— I ^ ■

' г2Ур( 1-v2) Величина v для разных материалов приблизительно одинакова (0,3-f0,4), в тоже время для стали р=7,8 103 кг/м3 для Si /з=2,3-103 кг/м3, модули Юнга для стали 2-2,2-10" Н/м2, а для St в зависимости от ориентации 1,3-1,87-Ю11 Н/м2. Таким образом, величина Elp для Si в 2-2,9 раза больше, чем для стали

— Rg=2,2 mm Rg=3,0 mm

Рисунок 4 - Виброускорение центра мембраны Hg=0,014 мм

Переход к кремнию как материалу для диафрагмы микрофона практически осуществлен для МЭМС-микрофонов. В этом случае, как было рассмотрено выше, могут использоваться м о но к ристал л и чес кий Si, поли-Si или структуры на основе оксида и нитрида Si. Методы моделирования и проектирования МЭМС-структур ведутся в НПК «Технологический центр» в течение последних ряда лет.

Рисунок 5 -схема сечения диафрагмы (а); поверхность диафрагмы после проведения технологических операций (б); модель чувствительного элемента в форме восьмиугольника, с разбиением на сетку конечных элементов (в).

На основе платформы ANSYS Workbench была исследована составная структура диафрагмы, представленная на рисунке 5. Предварительно проводилось моделирование гладких диафрагм в форме круга, восьмиугольника, шестиугольника и квадрата. Толщина слоев варьировалась в пределах от 0,1 мкм до 0,6 мкм. Примеры полученных результатов приведены на рисунке 6.

Рисунок 6 -Зависимость отклонения от давления при толщине ЗЮ2 - 0.2 мкм, - 0.3 мкм для квадрата, восьмиугольника, круга и шестиугольника (сверху-вниз)

Следует отметить, что все примеры моделирования диафрагмы, рассмотренные в данной главе, базировались на представление диафрагмы в форме пластины. Эффекты внутренних напряжений не учитывались. Вместе с тем, реальное состояние диафрагмы, изготовленной по МЭМС-технологиям, весьма существенно зависит от выбранной технологии формирования диафрагмы и параметров технологических процессов. Поэтому необходимо более подробно остановиться на технологических аспектах создания диафрагм.

В шестой главе рассмотрены результаты разработки технологии производства диафрагменных элементов МЭМС-ЭАП.

Фотоэлектрическая регистрация колебаний диафрагмы применяется в электроакустических в и бро преобразователях и, реже, в микрофонах. Но возможность использования на этапе исследований и предварительного выбора элементов ЭАП делает ее актуальной, в том числе и для микрофонов. Были проанализированы приложения МОЭМС для конструкций ЭАП, в том числе и микрофона. В отличие от МЭМС-ЭАП в этом случае следует учитывать не только механические свойства материалов, но и их оптические характеристики. При выборе толщин и зазоров в конструкции необходимо учитывать создаваемую ими разность хода оптического луча и т.д. Наиболее простым вариантом является использование отражения луча от металлического зеркала, расположенного в центре диафрагмы.

Разрабатываемая конструкция кремниевого кристалла ЭАП основана на рамке, внутри которой находится мембрана с элементом отражения света. Внешние габариты преобразователя должны вписываться в диаметр 4 мм. На рисунке 7 изображен эскиз конструкции ЭАП с чувствительным элементом на основе тонкой диэлектрической диафрагмы. Повысить чувствительность диафрагмы можно конструктивным способом, - придав профиль меандра ее сечению.

Корпус

Рисунок 7 - Эскиз конструкции ЭАП.

Таблица 1. Параметры физической структуры

Удельное

№ Наименование Толщина поверхностное Материал

п/п слоя слоя, мкм сопротивление слоя, Ом/кв

I. Подложка 430+15 100+10 КЭФ- 4,5(Ш0)ДП

2. Диэлектрик 0,65±0,01 - $Юг

3. Диэлектрик 0,18+0,3 -

4. Поликремний 1,5+1,7 - 51*

5. Поликремний 3,0+3,5 - 57*

6, Металл 0,45 0,55 тсг+т

7. Пассивация 0,5±0,05 - 8102

Технологической проблемой было получение методами кремниевой микрообработки контура мембраны, отличающегося от квадратной или прямоугольной формы, и создание двухслойной структуры мембраны с управляемым уровнем внутренних напряжений. Обе этих проблемы удалось решить. Первую за счет моделирования контура литографической маски. Уровень внутренних напряжений регулировался за счет состава и обработки слоев диафрагмы, а также образования гофра вокруг центра диафрагмы.

Кристалл кремниевого ЭАП имеет размеры 5x5x0,4 мм и представляет собой тонкопленочную диэлектрическую мембрану, общей площадью 7 мм2, содержащей площадь отражающего покрытия 0,8 мм2. (Рис.8 б, в). _

б) в) Рисунок 8 -а) фотоснимок лицевой стороны диэлектрической мембраны; б) фотоснимок профилированной диафрагмы (ЛУ^+ЛОг) с отражающим покрытием в центре; в) фотоснимок профилированной диафрагмы с отражающим покрытием в центре.

Поскольку с помощью анизотропного травления кремния на площади кристалла невозможно создать круглую фигуру дна мембраны, то был выбран восьмиугольник - фигура, приближенная к кругу. Была смоделирована диэлектрическая маска с топологией в виде ромба,

имеющего диагональ 3,6 мм. Параметры физической структуры исходной заготовки для диаграммы представлены в таблице 2. Технологический маршрут создания гладких диафрагм состоял из 55 основных операций, указанных в диссертации Часть диафрагм имела осесимметричную вздутость (см рис. 8 а и б)

Для создания плоских диафрагм, без следов деформации, следует применить процесс оптимизации по толщинам и стехиометрическому составу материалов, образующих структуру диафрагмы. Это требует значительных экономических и временных затрат, причем, в итоге могут быть получены режимы создания структурных слоев мембраны значительно отличающиеся от базовых процессов, применяемых в производстве ИМС Другим действенным способом, в рамках базовых техпроцессов, является поиск оптимального соотношения толщин слоев 573М4 и БЮ2, путем утонения последнего или добавления по толщине первого. На рисунке 8в представлен фотоснимок диэлектрической мембраны после проведения плазмохимического травления БЮг с обратной стороны в течение 8 минут Видно, что следы деформации стали менее заметны.

Свойства осажденных пленок существенно зависят от способа и режима осаждения

В отличие от процесса формирования нитрида кремния методом ЬРСУй, происходящем при пониженном давлении, процесс НСУй осаждения &3ЛГ4 производится при атмосферном давлении в интервале температур 700-800 °С, и характеризуется меньшей однородностью формируемых пленок. В реакторе выделяется рабочая зона, удовлетворяющая наибольшей однородности осаждаемого материала, в которой и располагаются рабочие пластины

На экспериментальной партии пластин (994-106-1-10) проводился эксперимент по определению влияния концентрации дихлорсилана в рабочей зоне на характеристики формируемых диэлектрических мембран. Для этого на сформрованной партии пластин выполнялись следующие технологические операции-

1 Окисление кремния №¡02=0,1 мкм),

2 Осаждение нитрида кремния при разной концентрации дихлорсилана Млда4=0,2 мкм - заданное),

3 Фотолитография по обратной стороне пластин «мембрана»;

4. ПХТ&3ЛГ4 ИЖХТ5102доЯ

5 АЖХТ кремния до диэлектрика мембраны,

6. Разделение пластин на кристаллы.

Результаты исследований характеристик диэлектрических мембран из партии 994-106 приведены в таблице 3 _ _ __Таблица 3.

Производи- тц, тц, тц, тц,

тель партия партия партия партия 994-

994-106 994-106 994-106 106

Плас-тина 2 4 8 14

№

Параметры стандарт стандартный, нестанда нестандартны

процесса ныи, Т=790 С, ртный,7 й, 7=790 С,

Г=790 С, SiH2Cl2-9% в =790 С, &Я2С7г12%

&Я2С/2- середине раб &Я2С/2- в начале раб

9% в зоны 6% в зоны

начале начале

раб раб

зоны зоны

Толщина 0,186 0,205 0,168 0,202

мкм

Размер мембр. 3x3 3x3 3x3 3x3

мм2

Напря-жения, 0,69 0,64±0,03 0,68 0,65

ГПа

Чувств, нм/Па 4,02 4,0±0,2 4,389 3,909

Давление 20 25 28 24 23

разрыва, кПа

Из результатов исследования видно, что в процессе осаждения нитрида кремния на установке ЯСУ£>-55, влияние на толщину пленки &зЛГ4 оказывает как положение пластины в рабочей зоне, так и концентрация дихлорсилана Однако, при сравнимых толщинах пленки чувствительность диафрагмы, сформированной при меньшей концентрации &Я2С/2, оказалась на 10 % выше.

Чувствительность к вариациям технологических процессов свойств диэлектрических пленок позволяет сформулировать тезис о «фирменном» наборе их свойств для каждого отдельного производителя

Помимо изменения свойств диаграмм за счет вариаций толщины слоев пленок можно изменять их профилированием (гофрированием) диафрагмы

Создание профилированных мембран проводилось в два этапа. На первом этапе отрабатывалась возможность максимального заполнения профилем 5 1 всей площади диафрагмы (5 мкм - расстояние между краями плоской части, 1 мкм - глубина профиля). Технология создания таких диафрагмы с малой глубиной профиля не представляет особых трудностей Структурный состав диафрагм может быть как простым (на основе пленки 5«зМ(), так и сложным (на основе комбинации пленок ДгОг-ЛзЛ^-ЛОг).

Было изготовлено четыре варианта диэлектрической диафрагмы различной структуры: комбинация слоев ЛОг-ЛзМг&Ог в соотношении (0,5 мкм - 0,2 мкм - 0,4 мкм); комбинация слоев &02-ЛзЛ^-ЛОг в соотношении (0,2 мкм - 0,2 мкм - 0,2 мкм); комбинация слоев 513Л^-5<02 в соотношении (0,05 мкм - 0,1 мкм); слой 51зДО4«0,15 мкм. При формировании тонких пленок (5('зМг=0,15 мкм) наблюдалась остаточная деформация.

На втором этапе создания профилированных диэлектрических диафрагм профиль диафрагмы с отношением до 5.40 решено было локализовать в виде 4 колец на »1/3 радиуса диафрагмы, в =450 мкм от ее края С этой целью была модернизирована топология слоя «Мембрана» и выпущен новый комплект рабочих фотошаблонов, с полуторным шагом мультипликации кристаллов на пластине для увеличения прочности пластин

Технология изготовления кристалла с глубоко профилированной диэлектрической диафрагмой представлена в диссертации. Особенностью данной технологии является применение анизотропного плазмохимического травления кремния на глубину до 40 мкм и формирование по этому профилю диэлектрической диафрагмы

Процесс анизотропного травления кремния проводился сквозь маску оксида кремния на глубину 5-7 мкм, 16-20 мкм и 30-=-40 мкм. Особенностью данного технологического процесса стало то, что профиль формируется на кремниевых диафрагмах толщиной 50-55 мкм. Неравномерность теплоотвода от области травления влияет на конечную глубину профиля.

В итоге, после вытравливания кремния остаются диэлектрические диафрагмы, слегка деформированные внутри концентрических колец и ровные за их пределами Фотоснимки профилированных диафрагм показан на рисунке 86. На рисунке 9 показаны фотоснимки сколов диафрагм.

а) б)

Рисунок 9 - а) фотоснимок скола области диафрагмы с глубиной профиля 7,5 мкм; 6) фотоснимок скола области диафрагмы с глубиной профиля 27 мкм.

Был исследован также технологический процесс формирования жесткого центра. Первоначально кристаллы имеют в центре под круглой областью толщину жесткого центра 420 мкм. Путем дополнительной фотолитографии и процедур химического травления можно уменьшить этот параметр на 50-HS0 мкм. Однако этого будет не достаточно для достижения широкой полосы пропускания, из-за большой массы жесткого центра. Для значительного снижения массы и обеспечения приемлемой жесткости круглого центра необходимо иметь его толщину <50 мкм. Это возможно при наличии специфического процесса фотолитографии, позволяющем формировать фоторезистивную маску на глубоко профилированных пластинах.

Попытка создавать маску ручным способом на дне диафрагм толщиной 50 мкм привела к невоспроизводимым фигурам после этапа травления.

Для определения изменения частоты собственных колебаний круглой пластины с жестким центром были проведены расчеты, аналогичные приведенные в главе 3. Например, для гладкой пластины

из нитрида кремния f =0,47 —104- При г ~ 1,48 мм получили для

г2

равных 0,3; 0,6; 1,0 мкм частоты 630, 1260 и 2100 Гц. Показано, что при введении жесткого центра они понижаются. Для увеличения частоты на

порядок следует в Viö раз уменьшить г, т.е. до г-0,47 мм.

Другой возможный путь повышения f„ - переход от модели пластины к модели мембраны. Если использовать значение f„ из таблицы 1:

L

Р (Т = 038 Я то /0 - г2 /? = 0,114сгв или г г \ Р

ав = 6,9-/02 г2 р Приняв/о=20 кГц, /^1,48 мм и />=3-103 кг/м3,

получим <тв~18,3 МПа Эта величина соответствует оценкам, приведенным выше для перехода от модели пластины к модели мембраны Такие значения (или выше) для нитрида кремния могут быть получены методами осаждения РЕСУИ и ЬРСРУ.

Основной характеристикой упругого чувствительного элемента ЭАП является именно его чувствительность, которую можно записать в форме 5 = и>0 / АР. Диапазон значений АР определяется

назначением прибора Изменение давления относительно некоторого нулевого значения не может быть очень большим Динамический диапазон для микрофона менее 100 дБ Нижняя граница как правило ограничена уровнем шумов порядка 20 дБ Поэтому реально для микрофонов АР изменяется в диапазоне от 10"4 до 2 Па, следовательно, изменения тл>0 могут достигать 4 порядка, т е если и>ошах=1 мкм, то и>отш=102 нм и при м>отах=0,\ мкм величина и>оти=10 нм. При указанных значениях мотах чувствительность по смещениям должна быть на уровне 5=0,14-1 мкм/Па=10"7-10~6 м/Па.

Отметим, что величины этого порядка были получены при моделировании (глава 5). Для круглой пластинки величину чувствительности можно записать в форме 5=гг РЮ. Воспользовавшись таблицей 1, получим

^ = * г4(1-У2) (9)

4,19 Е Л3

25 1

При г=1,5 мм, £=270 ГПа и у=0,27 (т е дляЛ^)- 8=5-10"25^Т [м/Па]

Для Л равных 0,3 мкм, 0,6 мкм и 1,0 мкм получим соответственно значения 5 равные 1,85-10"5, 2,3-10"6 и 5-Ю"7 [м/Па] При уменьшении радиуса в 3 раза величина чувствительности соответственно уменьшается в 81 раз, т.е будут равны 2,2-10"7; 3-10"8 и 6,2-10"9 [м/Па].

Аналогичным образом будет влиять на уменьшение чувствительности повышение величины жесткости за счет введения в конструкцию диафрагмы жесткого центра или действия сжимающих напряжений Этим фактом можно объяснить величину

чувствительности порядка 4-10"9 [м/Па], полученную в эксперименте (см.таблицу 3). Это свидетельствует о наличии внутренних напряжений, которые не учитывает формула (9)

В последнем разделе главы 6 проведена оценка уровня возможных сжимающих и растягивающих внутренних напряжений в двух- и многослойных пленках из &'02 и &зМ4 Наличие сжимающих напряжений выявляется при появлении остаточных деформаций двух

типов При достижении первого критического напряжения (ТсП наблюдается куполообразное вздутие поверхности пленки При втором критическом напряжении <Тсг2 наблюдаются симметричные вздутия

сложной формы. Сопоставление результатов расчетов <Тсг1 и (Тсг2 с

внешним видом поверхности многослойных диаграмм 3Л/4

позволило оценить возможный уровень внутренних напряжений Они могут иметь положительный (растянутая мембрана) или отрицательный (сжатая диафрагма) знак. Для двухслойных пленок 5«02/Л3^4 знак и

уровень напряжений зависят от отношения толщины пленки оксида Нок к толщине пленки нитрида кн. При значении 1гок I Нн близком к 5

диафрагма не напряжена или находится под действием небольших растягивающих напряжений В этом случае диафрагму можно рассчитывать как пластину Для большинства экспериментальных диафрагм Нок /Ля <3 и их следует рассматривать как мембрану Оценка

чувствительности для диафрагм, состав и толщина которых приведена в таблице 2, по модели мембраны (Иок /йя =0,5) дала удовлетворительное

совпадение с экспериментальными величинами из этой таблицы. Показано, что при 1г01С /Ни =5 величина чувствительности возрастает в

2000 раз и имеет тот же порядок величины, что была получена при моделировании в главе 5. На основании проведенного анализа можно рекомендовать для повышения чувствительности увеличить это отношение до 5, но при обязательном сохранении технологии, отработанной при изготовлении пленок с И.ок /Л(( =0,5 Устойчивость

технологии следует контролировать измерениями внутренних напряжений на тестовых образцах Описание установки для измерения внутренних напряжений интерферометрическим методом приведено в Приложении

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. Для диафрагм с линейными размерами 1-5 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 Для диафрагм с многослойной структурой предложены методы оценки эффективной жесткости.

7. Исследовано влияние внутренних напряжений при использовании в качестве диафрагмы пленок поликремния, &02 и/или 5г3М} 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 Si02 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 Исследованы режимы нанесения и обработки многослойных пленок StOrfStsNb 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

Цитируемая литература

1. В А Гридчин, В П Драгунов И Физика микросистем // Новосибирск // НГТУ 2004

2. S S Mohiîe, Haneesh Kesari, V R. Souti, Rudern Pratap И Analítica] solutions for the stiffness and damping coefficients squeeze films in MEMS devices with perforated back plated // JMicrotech Microeng. 15 (2005), p. 2083-2092

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах

1 В Д Вернер, А В Ильков И Инновация для инноваций // Известия вузов Электроника, №3,2006, с.89-92.

2. В.В Амелшев, В Д Вернер, А.В. Ильков // Совместимость технологий микросистемной техники с технологией микроэлектроники // Нано- и микросистемная техника, 2006, №11, с.10-15.

3. В В Амеличев, В Д. Вернер, А.В Ильков II МЭМС-микрофон Выбор материала, конструкций и технологии Часть I. Электромеханический чувствительный элемент // Нано- и микросистемная техника, 2007, №2, с.53-62.

4 В.В Амеличев, В Д Вернер, А В. Ильков И МЭМС-микрофон Выбор материала, конструкций и технологии Часть II. Влияние полости под диафрагмой на характеристики микрофона // Нано- и микросистемная техника, 2007, №2, с.65-68.

5 А.В Ильков И Электромеханические преобразователи кремниевых МЭМС-микрофонов // Тезисы доклада 13-я Всероссийская

межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов МИЭТ, Зеленоград, апрель, 2006, с 34.

6 В.В. Амеличев, А В.Ильков II Разработка кремниевого чувствительного элемента для интерферометрического микрофона // Тезисы доклада 10-я Международная научная конференция ТГРТУ, Дивноморское, сентябрь, 2006, с.41-43.

7. А В.Ильков // Разработка методов расчета мембранных узлов акустических преобразователей // Конференция молодых специалистов, в/ч 35533.

Формат 60 84 1/16. Уч.-изд.л.^ЛГ Тираж 75 экз Заказ

Отпечатано в типографии ИПК МИЭТ.

124498, Москва, Зеленоград, проезд 4806, д 5, МИЭТ

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

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.

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.

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.