автореферат диссертации по электронике, 05.27.06, диссертация на тему:Конструкторско-технологические основы создания микроэлектромеханических датчиков ускорения

На правах рукописи

Сан Мин Наинг

КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СОЗДАНИЯ МИКРОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ

УСКОРЕНИЯ

Специальность 05.27.06 — Технология и оборудование для производства полупроводников, материалов и приборов электронной

техники

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

1 6 ПАП

Москва-2013

005058308

Работа выполнена на кафедре микроэлектроники ГОУ ВПО «Национальный исследовательский университет «МИЭТ»

Научный руководитель:

доктор технических наук, Калугин Виктор Владимирович Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, Громов Дмитрий Геннадьевич

профессор кафедры МФЭ,

Национальный исследовательский университет «МИЭТ» Кандидат технических наук, Годовицын Игорь Валерьевич

старший научный сотрудник, НПК «Технологический центр»

Ведущая организация:

Закрытое акционерное общество «Институт точной технологии проектирования»

Защита диссертации состоится " 6 " 2013 г. в -/^■^часов

на заседании диссертационного совета Д 212.134.03 при Национальном исследовательском университете «МИЭТ» по адресу: 124498, Москва г. Зеленоград, проезд 4806, д. 5, МИЭТ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИЭТ. Автореферат разослан ОЦ 2013 года.

Ученый секретарь диссертационного сове доктор физико-математических профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ. Перспективным современным направлением научно-технического прогресса является микросистемная техника (МСТ). Сочетание традиционных технологий микроэлектроники и специальных технологических решений открывает микромеханическим приборам и системам (МЭМС) новые возможности и расширяет их области применения. Изделия МЭМС разрабатываются и изготавливаются множеством как российских, так и зарубежных фирм. Среди самых известных зарубежных производителей МЭМС, это такие компании как Analog -Devices, EG&G, Lucas NovaSensor, Honeywell, Motorola, Redwood Microsystems, Texas Instruments, Sandia National Laboratories и многие другие. Российские производители представлены следующими организациями, это - ОАО НПП «Темп-Авиа» (г. Арзамас), АО РПКБ (г. Раменское), «Электроприбор» (г. С.-Петербург), ООО «Гирооптика» (г. С.-Петербург), НИИФИ (г. Пенза), «НИИ ФП» (г. Зеленоград), «НПК ТЦ МИЭТ» (г. Зеленоград), МИЭТ (г. Зеленоград) и некоторые другие. Изделия этих предприятий находят свое применение во множестве как технических, так и около технических областях:- авиа- и автомобилестроение, военная техника, строительство, космическая отрасль, здравоохранение и многие другие.

Большой процент изделий МЭМС составляют датчики физических величин, среди которых важное место занимают датчики ускорений. Преимущества подобных датчиков, изготовленных по технологиям МСТ, являются: миниатюрность, низкое энергопотребление, ударо- и вибропрочность, низкая цена конечного изделия при массовом производстве. Все эти факторы говорят о том, что микроэлектромеханические датчики ускорения (ММДУ) имеют большой потенциал развития и использования в различных сферах деятельности человека.

Однако, не смотря на то, что развитие технологий микроэлектроники ускоряется с каждым годом, при получении микромеханического элемента требуемой геометрии существует множество проблем и нерешенных задач, таких как выбор оптимальной конструкции микромеханического элемента, определение необходимых параметров для соблюдения заданного частотного диапазона, исследование влияния геометрии на выходные характеристики и другое.

Таким образом, направление данной работы заключающееся в разработке микроэлектромеханического датчика ускорения, а так же в

исследовании технологических аспектов его создания с заданными диапазонами измерения, является современным и актуальным.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Основной целью диссертационной работы является исследование конструкторско-технологических основ ' создания микроэлектромеханических датчиков ускорения, выбор оптимальной конструкции, исследование ее конструкторских параметров, исследование технологических аспектов производства микроэлектромеханических датчиков ускорения, проведение испытаний макетных образцов.

Для достижения поставленной цели было необходимо решить ряд задач:

• исследовать различные типы микромеханических датчиков ускорения, сравнить их конструкторские и технологические характеристики для выбора наиболее оптимальной конструкции;

• исследовать различные способы создания заданной конструкции микромеханического элемента, выбрать наиболее оптимальный;

• исследовать и определить технологические режимы плазмохимического травления кремния;

• разработать алгоритмы реализации технологических процессов герметизации МЭМС-устройств применительно к различным конструкциям корпусов, определить оптимальные технологические режимы и параметры процессов;

• разработать методики измерения параметров микроэлектромеханических датчиков ускорения для анализа соответствия полученных характеристик датчиков с заданными требованиями.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА

1. Разработана модель чувствительного элемента микроэлектромеханического датчика ускорения, позволяющая произвести расчет собственной частоты элемента, произвести модальный и статический анализ структуры.

2. Выбраны оптимальные режимы, позволяющие избежать неоднородности процесса плазмохимического травления кремния при создании элемента датчика.

3. Разработаны технологические режимы процесса соединения деталей микроэлектромеханического элемента датчика ускорения.

4. Разработаны методики измерения параметров преобразователей ускорения, среди которых статические характеристики, нелинейность выходных характеристик, долговременный дрейф.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ

1. Разработана методика измерения конструкторских параметров чувствительного элемента, а так же создана модель для исследования влияния изменений конструкции на характеристики чувствительного элемента.

2. Разработан технологический маршрут изготовления микроэлектромеханического датчика ускорения, проведен анализ и оптимизация параметров процесса плазмохимического травления с целью уменьшения разброса характеристик чувствительного элемента по краям пластины.

3. Разработана методика соединения кремниевого подвижного элемента и стеклянного основания с помощью термоэлектростимулированного сращивания.

4. Проанализированы существующие варианты технологии корпусирования и герметизации микроэлектромеханических устройств, а так же составлен и апробирован алгоритм корпусирования микромеханического элемента в металлостеклянные корпуса.

5. На основе разработанных технологий изготовлены и испытаны действующие макетные образцы МЭМС. Проведены измерения их параметров, значения которых соответствуют требованиям, предъявляемым к лучшим конкурентным изделиям МЭМС.

Результаты работы использованы при выполнении трёх НИР.

НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ:

1. Разработанная с использованием программы А^УБ модель микроэлектромеханического датчика ускорения для расчета конструкторских параметров.

2. Технологический маршрут изготовления и сборки чувствительного элемента микроэлектромеханического датчика ускорения, режимы выполнения технологических операций, входящих в состав данного маршрута.

3. Алгоритмы и режимы выполнения технологических процессов герметизации микроэлектромеханических устройств.

4. Методика измерения электромеханических параметров МЭМС-устройств.

5. Полученные экспериментальные зависимости для оценки параметров полученного датчика: а) статических характеристик б) нелинейности выходных характеристик; в) долговременного дрейфа.'

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения и результаты представленные в диссертационной работе, докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:

1. Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2010» Москва, МИЭТ, 2010г.

2. Международная научная школа для молодежи «Микроэлектронные информационно-управляющие системы и комплексы» - МИЭТ, 2010г.

3. 4-я Всероссийская межвузовская научно-практическая конференция. «Актуальные проблемы информатизации в науке, образовании и экономике-2011г.», Москва, МИЭТ, 2011г.

4. Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2011» Москва, МИЭТ, 2011г.

5. Международная конференция "Micro- and Nanoelectronics - 2012" Звенигород, 2012г.

6. Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2012» Москва, МИЭТ, 2012г.

ПУБЛИКАЦИИ. По материалам, изложенным в диссертации опубликовано 12 работ, включая статьи в периодических изданиях и тезисы докладов на конференциях.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы приложений. Материал диссертации изложен на 123 страницах машинописного текста, включая 86 рисунков и 16 таблиц. Список литературы состоит из 80 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулированы основные задачи исследования и приведено обоснование актуальности и практической значимости данной работы.

В первой главе представлены результаты выбора, анализа и выбРанной конструкции микромеханического элемента (ММЭ), обеспечивающую возможность создания линейки датчиков с различными диапазонами измеряемых ускорений, требуемой чувствительностью и заданным частотным диапазоном.

В данной работе рассматривается конструкция чувствительного ™ ( } микРоэлектромеханического датчика ускорения (ММДУ), представляющая собой массу (1), подвешенную на торсионах

1 - 1

Рисунок 1 - Схематичное изображение ЧЭ ММДУ.

В конструкции предусмотрена емкостная система съема сигнала представляющая собой 30 дифференциальных пар электродов (3) (рисунок 1). При появлении воздействующего ускорения вдоль оси чувствительности (4) масса (1) перемещается, что приводит к изменению величин емкостей (3). Более подробно расчет емкостей представлен в тексте диссертационной работы. По величине изменения емкостей судят о величине воздействующего ускорения Эквивалентная схема ЧЭ ММДУ показана на рисунке 2

/

/

с2

0

Рисунок 2 - Эквивалентная схема ЧЭ ММДУ.

Емкости С! и С2 образуются как сумма индивидуальных емкостей соответствующей гребенчатой структуры. Каждая структура содержит 30 отдельных емкостей. Отдельная емкость гребенки ЧЭ показана на рисунке 3.

Направление смещения ЧЭ

_!за

Подвюкнад част ЧЭ

Неподвижная часть ЧЭ

Рисунок 3 - Схематичное изображение одиночной емкости гребенки ЧЭ ММДУ.

Для каждой гребенки ЧЭ можно записать: ъ-ь

_ ъ-ь

с,

\-\-dx Ъ-Ь

\-clx Ь-Ь

[¡„-с/х " И^+ск

Здесь: го=8.85 пФ / м ^ ь = 30мкм . высота профиля ЧЭ, ¿ = 252мкм. длина рабочей части электродов (зона перекрытия электродов подвижной и неподвижной частей ЧЭ), номинальный зазор

(при отсутствии ускорения, в положении покоя), Л ~ '- смещение ЧЭ под действием ускорения силы тяжести, =°-0&-мкм/ё. крутизна статической характеристики ЧЭ, гг величина проекции

ускорения силы тяжести & на ось чувствительности ЧЭ, а - малый угол отклонения оси чувствительности ЧЭ от горизонтальной плоскости.

Тогда можно записать для измерителя дифференциальной емкости: = 1 1

К + ^-Ки-^-а

С, =еп-ь-ь\---+---

2 0 Н,+К„-\g-ct

аС = С, - Ц = ----------

_ 2-А.£о-^а,-£-(У-У) 2-Ь-е<>-(^-Ки)3-Ь-( У-У) ,

¿С~--у—з--а +-Г~4 71--а

К -А, "о

Обозначим масштабный коэффициент ЧЭ (для 30 гребенок):

К„ — ' " ' ' т .ч----

У-У

Тогда, нелинейность преобразования примет вид:

)''(У+У)

у. у

Л' 2 5№Л= 3 тах -100%

Численно можно оценить параметры статической характеристики преобразования ЧЭ:

Ка = 0.00023лФ/' =0.013иФ/ра() 0.0014%

Аналогично можно показать, что при использовании измерителя

С -С

с1С/С,= 1 --и ■К емкости с функцией . С,+С3 - ^ где г/„„ = 2.5а. опорное

напряжение, К> = 100- коэффициент усиления: к° =21.8лВ/' = 1.25В/рад

В данной главе для выбранной конструкции произведены расчеты собственных частот, произведен статический анализ и рассчитаны номинальные значения ЧЭ датчика ускорения по разработанной модели. Для моделирования ММДУ была использована программная система конечно-элементного анализа АИБУБ, которая представляет собой набор программных пакетов, предназначенных для решения обширного класса задач методом конечно-элементного моделирования. Для расчетов используют как аналитические, так и численные методы. Первые базируются на математических методах решения задач, обычно сложных и трудоемких, и часто ограничены достаточно простыми формами тел и схем нагружения. Численные методы, например, метод конечных разностей, метод граничных элементов, метод конечных элементов и другие методы, не ограничены ни формой тел, ни способом приложения нагрузки. Это, наряду с повсеместным распространением мощной вычислительной техники, способствует их распространению в инженерной среде. Нередко, когда важно знать эволюцию процесса деформирования (разрушения) конструкции с продолжающимся во времени внешним воздействием. При этом естественны большие геометрические и физические нелинейности. В таких случаях обойтись без численных решений практически невозможно. Механическая и математическая основа указанного программного комплекса представляет собой метод конечных элементов (МКЭ) - наиболее распространенный и достаточно универсальный метод анализа напряженно-деформированного состояния.

Модальный анализ показал, что рабочая форма колебаний ЧЭ (а значит и соответствующая степень свободы) является самой мягкой (собственная частота порядка 3.54кГц). Паразитные формы колебаний имеют более высокие собственные частоты (более 7.9кГц) и поэтому практически не влияют на суммарную деформацию подвеса ЧЭ, их вклад в движение ЧЭ минимален.

Высокие значения собственных частот являются гарантией отсутствия резонансных эффектов при типовых внешних воздействиях (с частотами до 2кГц).

Вторая глава.

Реакторы интенсивной плазмы (ICP, TCP типов, а также ECR реакторы) широко используются в технологии микроэлектроники, а также в производстве МЭМС приборов, как основной инструмент для формирования структур в кремнии и других материалах Их главное преимущество - высокая скорость обработки, которая достигается благодаря высокой степени ионизации рабочей газовой сме£и. Это свойство вышеперечисленных реакторов весьма полезно Как при проведении технологических процессов производства ИС современного уровня, так и при производстве структур МЭМС. В технологических процессах производства ИС эти реакторы обеспечивают приемлемые значения таких характеристик процесса плазменной обработки как селективность к маске, шероховатость поверхности, однородность травления и т.д. В то же время при производстве структур МЭМС зачастую необходимо выполнение гораздо более жёстких требований к вышеназванным параметрам по сравнению с требованиями процессов производства ИС. Это связано в основном с гораздо большими по сравнению с ИС глубинами травления. Ужесточаются требования к стойкости маски, т.к. фоторезистивная маска не всегда выдерживает травления на достаточную глубину, которая может при травлении структур МЭМС может достигать нескольких сотен микрон. Возрастает шероховатость травимой поверхности, что порой недопустимо, особенно при формировании элементов оптических систем (в частности, зеркал). Однородность травления по пластине, характерная для процессов производства ИС, в ряде случаев недостаточна при производстве МЭМС. Особенно это актуально при формировании чувствительных элементов, работающих в динамическом режиме (датчики ускорения и скорости).

Одной из неуклонных тенденций в технологии нано- и микросистемной техники является сокращение геометрических размеров элементов. Это влечёт за собой необходимость соблюдения всё более жёстких требований к качеству технологических процессов формирования структур.

В связи с этим в части плазмохимических методов травления растут требования к точности воспроизведения геометрических размеров, качеству поверхности, однородности травления по пластине и т.п. Следует иметь в виду, что вышеперечисленные параметры зависят от многих факторов, задаваемых при проведении процесса. Это мощность

разряда, давление и расходы рабочих газов, температура обрабатываемого образца и т.п.

Поэтому в данной работе были проведены зондовые исследования некоторых параметров плазмы в реакторе 1СР типа. Установлены зависимости плотности ионного тока на зонд (величина этого тока отражает плотность плазмы) от различных параметров разряда: давления, мощности, магнитного поля (рис.4). Одной из практических целей исследований было нахождение режимов горенки разряда, которые обеспечили бы максимальную однородность плотности тока ионов по всей обрабатываемой подложке. Известно, что величина неоднородности скорости травления, которую гарантируют производители типового оборудования при проведении стандартного процесса, составляет обычно ±5% по поверхности подложки. В то же время при формировании, например, рельефных МЭМС структур зачастую необходимо достижение гораздо более высокой однородности, с неравномерностью не более одного процента. В результате проведённых в рамках настоящей работы исследований были найдены режимы, при которых неравномерность плотности тока ионов в аргоновом разряде была снижена с ±3% до ±0,5% по всей поверхности подложки. Этот результат может служить предпосылкой для существенного повышения однородности при проведении процессов травления кремния.

I

Распределение плотности тока по пластине. Газ БРб. р=4,5Па. Р=2000Вт. Рсм=100Вт

Рисунок 4 - Распределение плотности тока по диаметру пластины при различных значениях тока магнитных катушек. Газ БР6. Давление 4,5Па. Мощность основного разряда (Р) 2000Вт. Мощность смещения (Рсм) 100Вт.

В данной главе проведено исследование параметров индуктивно-связанной плазмы зондовым методом, зависимости однородности травления от режимов процесса с использованием различных технологических газов, проведена оптимизация технологических параметров для достижения высокой однородности плотности тока ионов по поверхности обрабатываемой пластины, проанализирована зависимость шероховатости поверхности и селективности травления кремния от параметров процесса.

В результате исследований физических параметров плазмы реактора 1СР типа и оптимизации технологических режимов с использованием методов планирования эксперимента найдены режимы травления, обеспечивающие выполнение жёстких и специфических требований, характерных для технологических процессов производства структур

МЭМС:

расход газа ЭБе 300см7мин;

расход газа С4Р8 150см3/мин;

скважность подачи газов 7с/2,5с;

давление газа ЗПа;

мощность 1СР разряда 2000Вт;

мощность смещения 100Вт; температура подложкодержателя 100°С.

Использование полученных результатов в производстве позволило существенно увеличить качество структур и выход годных изделий (рис. 5).

Рисунок 5 - Кремниевая структура, полученная с применением выбранных режимов.

Третья глава.

В технологии микроэлектроники широко используются различные методы посадки чипов ИС в корпус, которые могут быть использованы в технологии изготовления МЭМС. Однако ряд конструкций МЭМС имеют отличительные особенности, что приводит к необходимости разработки новых методов монтажа чипов МЭМС в корпус.

В ряде конструкций ММЭ МЭМС в качестве основания используется деталь из стекла (в ММДУ — статор). Поэтому метод эвтектической пайки, который широко используется в технологии посадки чипов ИС в корпус, требует специальной доработки. Достаточно распространенный в технологии ИС метод клеевого соединения для посадки чипа в корпус также может иметь определенные ограничения, которые изложены ниже. Таким образом, в настоящей работе были проведены исследования методов посадки ЧЭ микроэлектромеханического датчика ускорения в корпус и разработаны новые технологические процессы и методы для их реализации.

Одним из таких методов является термоэлектростимулированное сращивание. Оно дает возможность прямого соединения различных материалов, например полупроводник-диэлектрик, металл-диэлектрик, полупроводник-диэлектрик-полупроводник, металл-диэлектрик-

полупроводник и т.п.

Данный метод имеет ряд преимуществ перед другими способами соединения для сборки микромеханических систем:

- высокая прочность соединения, имеющая большое значение для приборов, работающих при динамических нагрузках;

- высокая точность фиксации деталей друг относительно друга;

- сравнительно низкая рабочая температура процесса соединения;

- небольшая длительность технологической операции, не превышающая 20 - 60 мин;

- высокий процент выхода годных изделий;

- простота технологической реализации процесса.

Процесс термоэлектростимулированного сращивания инициируется приложенным электрическим полем при повышенной температуре. В результате, на первом этапе благодаря электростатическому притяжению происходит слипание подложек из различных материалов. Затем под действием приложенного электрического поля и температуры происходит адгезионное

сращивание за счет электрохимических реакций на границе раздела сращиваемых деталей (массопереноса ионов и атомов через границу раздела подложек). При этом формируется сплошной переходный слой между двумя подложками. Прочность соединения так велика, что на практике при приложении механических усилий к структуре, полученной методом термоэлектростимулированного сращивания, происходит разрушение по одному из сращиваемых материалов, а не по плоскости их контакта.

Проведено исследование термоэлектростимулированного сращивания стекла марки ЛК-105 с кремнием КЭФ-4,5 с целью определения приемлемых режимов. Параметры, определенные экспериментально, соответствующие наилучшему режиму сращивания кремний/стекло марки ЛК-105: рабочее напряжение - 420±10В; температура - 410±10°С; время соединения - 30±5 мин.

Разработана и апробирована оснастка для проведения процесса термоэлектростимулированного сращивания на базе вакуумной установки УВН. На рисунке 6 представлена схема устройства для проведения процесса термоэлектростимулированного сращивания. В соответствии со схемой сращиваемые детали (1) и (2) в специальной кассете (3) устанавливаются на нагреватель (4). Через систему электродов на детали подается потенциал от источника высокого напряжения (5). Контроль процесса сращивания осуществляется путем измерения тока высокого напряжения (6).

-—-- 5

+ О

X

Рис. 6. Схема процесса термоэлектростимулированного сращивания: 1 - кремниевая элемент, 2 - стеклянная плата, 3 - кассета для сращивания, 4 - нагреватель, 5 - источник высокого напряжения, 6 - миллиамперметр.

Следующим важным процессом, который требовал детальной проработки и оказывал значительное влияние на характеристики прибора является герметизация. К тому же герметизация - один из важнейших этапов, требующих больших финансовых и временных затрат при разработке микроэлектромеханических приборов. При разработке технологии герметизации МЭМС возможно частичное заимствование из технологии герметизации интегральных схем, но необходимы корректировка, переработка, учёт особенностей МЭМС. Принцип действия и устройство того или иного МЭМС-прибора, требования к его герметизации зависят от области применения.

Для герметизации МЭМС-устройств используют

металлостеклянные, керамические, пластмассовые корпуса. Технологии сращивания, используемые при герметизации, можно разделить на три категории: прямое, теромэлектростимулированное сращивание и сращивание через промежуточный слой.

При оценке работоспособности микроустройств необходимо контролировать давление внутри герметизированных корпусов, так как

Рис. 7 — ММЭ в корпусе, полученный с использованием герметизации лазерной сваркой и пайкой припоем.

На рисунке 8 представлен алгоритм разработанного и апробированного технологического процесса сборки и монтажа чувствительных элементов микроэлектромеханических устройств. Алгоритм прошел экспериментальное подтверждение. Установлено, что он позволяет осуществлять надежное и воспроизводимое изготовление чувствительных элементов - наиболее ответственных элементов микроэлектромеханических устройств. При этом были проведены исследования по применению в процессах соединения деталей

микроэлектромеханических устройств технологий

термоэлектростимулированного сращивания, эвтектической пайки и пайки с использованием синтезированного многокомпонентного стекла.

На операции «Совмещение деталей» (рис. 8) производилась загрузка в приспособление, разработанное для совмещения и фиксации деталей роторного узла, прокладки и статорной пластины, затем происходило термоэлектростимулированное сращивание. Операция «Контроль емкости (контроль зазора)» производилась в целях промежуточного межоперационного контроля качества изготовления ММЭ путем замера емкости между обкладками датчика угла в целях отбраковки. Посадка ММЭ в корпус (операция «Посадка в корпус») осуществлялась с помощью индиевого припоя.

При изготовлении макетных образцов МЭМС использовались стандартные металлостеклянные корпуса. Монтаж проволоки методом ультразвуковой разварки (операция «Ультразвуковая разварка А1 проволокой») производился с использованием типового технологического процесса. На данном этапе сборки производился контроль качества разварки на отсутствие обрывов и коротких замыканий. На заключительной стадии выполнялась операция «Герметизация корпуса». Контроль герметичности выполнялся с помощью методики опрессовки на установке контроля герметичности. Изготовленные макетные образцы передавались на проверку их работоспособности (Операция «Проверка работоспособности») на специальных приборах и стендах и затем передавались на испытание.

Рис. 8 - Алгоритм технологического процесса сборки и монтажа макетных образцов.

С помощью разработанных технологических процессов были успешно изготовлены действующие макетные образцы микроэлектромеханических датчиков ускорения. Проверка работоспособности которых будет описана в следующей главе.

Четвертая глава. Проведение измерений функциональных параметров ММДУ проводилось при помощи оптической делительной головки, поворотного стенда, центрифуги и термокамеры. Для которых разработана методика измерений, позволяющая анализировать разрабатываемые конструкции по ряду необходимых требований.

При исследовании характеристик ЧЭ ММДУ (нулевого сигнала, масштабного коэффициента и нелинейности) можно использовать линейный метод наименьших квадратов (МНК) на основании экспериментальных данных, содержащих случайные ошибки. В основе метода лежат следующие рассуждения: при замене точного (неизвестного) параметра модели приблизительным значением необходимо минимизировать разницу между экспериментальными данными и теоретическими (вычисленными при помощи предложенной

модели). Это позволяет рассчитать параметры модели с помощью МНК с минимальной погрешностью. Мерой разницы в методе наименьших квадратов служит сумма квадратов отклонений действительных (экспериментальных) значений от теоретических.

В ходе исследований были получены следующие характеристики исследуемых образцов ММДУ:

масштабный коэффициент 846.48мВ^;

нулевой сигнал 144.996ш§;

нелинейность 0.74%;

СКО шума (в полосе 1Гц) 5.711т§.

Результаты испытаний приведены на рисунке 9:

ч.

X

М

я

-З.Ь -0.1 -о.< -о.?

1» »0 2ЗД

а) б)

Рисунок 9 - Результаты испытаний макетного образца ММДУ: а) статическая характеристика, б) нелинейность выходной характеристики.

Результаты проведенных исследований и полученные характеристики говорят о работоспособности изготовленных образцов ММДУ. Изготовленные образцы могут быть использованы для измерения ускорений объектов.

Измеренные параметры изделий сравнимы с зарубежными аналогами при существенно меньших затратах на производство.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ I. В процессе теоретических исследований был произведен выбор конструкции ММДУ, соответствующей заданным характеристикам и технологическим требованиям. Произведен расчет собственной частоты чувствительного элемента при рабочей и паразитных формах колебаний. Модальный анализ показал, что рабочая форма колебаний

ЧЭ (а значит и соответствующая степень свободы) является самой мягкой (собственная частота порядка 3.54кГц). Паразитные формы колебаний имеют более высокие собственные частоты (более 7.9кГц) и поэтому практически не влияют на суммарную деформацию подвеса ЧЭ, их вклад в движение ЧЭ минимален.

2. Показана возможность разработки и реализации создания технологии изготовления микроэлектромеханических устройств, основанной на типовых операциях и процессах микроэлектроники с использованием стандартного промышленного технологического и контрольно-измерительного оборудования.

3. Для изготовления ЧЭ апробированы такие методы как плазмохимическое травление, а также проведен анализ и оптимизация параметров процесса травления с целью уменьшения разброса параметров ЧЭ по краям пластины.

4. Проведено исследование термоэлектростимулированного сращивания стекла марки JIK-105 с кремнием КЭФ-4,5. Экспериментально выбраны параметры, соответствующие наилучшему режиму сращивания .кремний/стекло марки JIK-105: рабочее напряжение - 420±10В; температура - 410±10°С; время соединения -30±5 мин. Разработана и апробирована оснастка для проведения процесса термоэлектростимулированного сращивания на базе вакуумной установки УВН.

5. Разработана методика оценки работоспособности измерений функциональных параметров ММЭ ДУ.

6. Изготовлены макетные образцы ММДУ. В результате проведенных исследований установлено, что их параметры соответствуют требованиям, предъявляемым к лучшим конкурентным изделиям МЭМС.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Сан Мин Наинг. «Исследование и разработка технологических процессов получения емкостных акселерометров». 17-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов: —М.: МИЭТ, 2010г., с. 125.

2. Сан Мин Наинг. «Разработка измерительной схемы акселерометра». Микроэлектронные информационно-управляющие системы и комплексы: —М.: МИЭТ, 2010г., с. 128.

3. Сан Мин Наинг. «Исследование температурной стабильности и разработка методов термокомпенсации датчика угловой скорости». 18-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов: —М.: МИЭТ, 2011г., с. 112.

4. Тимошенков А.С, Сан Мин Наинг, Головань A.C. «Исследование температурной стабильности датчиков угловой скорости и сравнительный анализ методов термокомпенсации и термостатирования». Оборонный комплекс научно-техническому прогрессу России, МИЭТ, 2011г., с.46-49.

5. Тимошенков А.С, Сан Мин Наинг. «Кольцевой вибрационный микроэлектромеханический гироскоп: исследование характеристики, методов колебания и схем обработки сигнала». 4-я Всероссийская межвузовская научно-практическая конференция: —М.: МИЭТ, 2011г. с. 105.

6. Сан Мин Наинг. «Датчик крена на основе интегрирующего гироскопа». 19-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов: —М.: МИЭТ, 2012г., с. 102.

7. Тимошенков С.П., Шалимов A.C., Кочурина Е.С., Наинг С.М., Бушнак А.Р. «Исследование статических характеристик емкостного преобразователя линейного ускорения на базе микросхемы отечественного производства». Научно-технический журнал "Известия высших учебных заведений. Электроника" - М.: МИЭТ, 2012г., № 4, с. 90-92.

8. Тимошенков С.П., Калугин В.В., Сан Мин Наинг, Данильцев Д.В., Тимошенков A.C. «Реализация датчика крена на базе микромеханических датчиков угловой скорости». Естественные и технические науки, № 4(60), 2012г., изд - во "Компания Спутник +" с -383-386.

9. A. Timoshenkov, S.M. Naing, D. Daniltsev, V. Kalugin. «MEMS angular rate sensors and roll sensors». Международная конференция "Micro- and Nanoelectronics - 2012", Звенигород, 1-5 октября, 2012г., с. 2-58.

10. Timoshenkov A.S., San Min Naing, Daniltsev D.V. «Roll sensor based on MEMS angular rate sensors». 2012 International Conference Of KIICE (ICKIICE 2012), Istanbul, 28-29 June, 2012 г., P. 36-37.

11. Korobova N.E., Timoshenkov S.P., Titov A.Y., Dolgovyh Y.G., San Min Naing, Tihonov ICS., «Angular Rate Sensors with Conformai Flexible Multilayer Polymer Wiring Boards». Int. Conf. "Manufacturing 2012, 14-15 Nov. 2012 г., Macau, China, P.15-16.

12. Калугин В.В., Кочурина Е.С., Анчутин С.А., Мукимов Д.Ж., Сан Мин Наинг., «Разработка оптимальной конструкции микромеханических датчиков линейного ускорения». Высота технологии, исследования, образование, экономика. Т.1, Сборник статей Четырнадцатой международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности и экономике», 4-5 декабря, 2012 г., Санкт-Петербург, с.41-43.

Подписано в печать:

Заказ № Тираж 75 экз. Уч.-изд.л.^ Формат 60x84 1/16.

Отпечатано в типографии ИПК МИЭТ.

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

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

«МИЭТ»

04201357289

Сан Мин Наинг

На правах рукописи

КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СОЗДАНИЯ МИКРОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ УСКОРЕНИЯ.

Специальность 05.27.06 — «Технология и оборудование для производства полупроводников, материалов и приборов

электронной техники»

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н. Калугин В.В.

Москва - 2013

Список сокращений 4

Введение 5

1 Анализ и разработка конструкций существующих микромеханических датчиков ускорения 13

1.1 Особенности конструкций существующих чувствительных элементов микромеханических датчиков уско'рения..........................................13

1.2 Разработка конструкции чувствительного элемента микромеханического датчика ускорения маятникого типа ..............................................19

1.2.1 Разработка системы съема сигнала чувствительного элемента .... 23

1.2.2 Исследование влияния параметров среды на выходные параметры . . 25

1.2.3 Исследование влияния геометрических размеров торсиона на параметры ММДУ............................................................28

1.2.4 Исследование влияния смещения центра масс ЧЭ на параметры ... 29

1.2.5 Исследование влияния геометрических параметров кремниевых пластин на параметры ......................................................31

1.3 Разработка конструкции чувствительного элемента микромеханического датчика ускорения гребенчатого типа..............................................32

1.3.1 Расчет собственных частот чувствительного элемента..................32

1.3.2 Статический анализ чувствительного элемента..........................35

1.3.3 Расчет номинальных значений емкостей чувствительного элемента . . 35

1.4 Выводы к главе 1 ....................................................................38

2 Технологические процессы изготовления микромеханических датчиков ускорения 39 2.1 Анализ методов сложнопрофильного формирования чувствительных

элементов микромеханических устройств..........................................40

2.1.1 Анализ процессов глубокого жидкостного анизотропного травления кремния........................................................................45

2.1.2 Технология объёмной микрообработки....................................47

2.1.3 Технология поверхностной микрообработки..............................49

2.1.4 Технология LIGA............................................................51

2.1.5 Изготовление микромеханических элементов с использованием

метода сращивания..........................................................51

2.1.6 Процессы сухого травления ......... ..............................53

2.2 Глубокого травление кремния методом плазмохимического травления .... 54

2.2.1 Экспериментальные методы диагностики и мониторинга плазменных технологий травления кремния и других материалов....................60

2.2.2 Оборудование и методика проведения экспериментов....................61

2.2.3 Зондовые измерения в аргоновом разряде................................61

2.2.4 Зондовые измерения в разряде SFe........................................64

2.3 Выводы................................................................................69

3 Монтаж чипа микромеханического датчика ускорения в корпус 70

3.1 Корпусирование чипа методом клеевого соединения ............................70

3.2 Корпусирование чипа методом пайки..............................................71

3.3 Исследование и разработка процессов герметизации элементов микромеханики 74

3.3.1 Герметизация в металлостеклянном корпусе пайкой припоем..........75

3.3.2 Герметизация в металлостеклянном корпусе лазерной сваркой .... 77

3.3.3 Герметизация в стеклянном корпусе........................................79

3.4 Выводы к главе 3 ....................................................................83

4 Оценка работоспособности ЧЭ ММДУ 85

4.1 Методика оценки работоспособности..............................................87

4.2 Результаты оценки работоспособности............................................89

4.3 Методика исследования..............................................................90

4.4 Результаты исследования............................................................90

Заключение 97

Литература 98

А Предварительный технологический регламент изготовления ЧЭ ММДУ 104

В Фрагмент маршрутного листа операции глубокого травления кремния 106

С Описание технологии изготовления ЧЭ ММДУ 107

D Схема электрическая принципиальная микросхемы первичной обработки сигнала 111

Е Расчет емкости выходного сигнала 112

F Текст программы оценки основных параметров ММДУ 114

G Пошаговая инструкция по сборке ММДУ 119

Акты внедрения 121

Список сокращений

КНИ - кремний на изоляторе. ИС - интегральная схема. МСТ - микросистемная техника.

МЭМС - микроэлектромеханические системы. В общем случае включаю с свой состав чувствительный элемент и электронную часть обработки сигнала. КЭ - кремниевый элемент.

Роторный элемент (кристалл) - кремниевая подвижная часть чувствительного элемента. ЧЭ - микромеханический элемент, выполняющий функцию выделения полезного сигнала. ММЭ - кристалл, соединенный со стеклом. AT - анизотропное траление.

ММДУ -микроэлектромеханический датчик ускорения ММДС - микроэлектромеханический датчик скорости. АСМ - атомно-силовая микроскопия.

Каро - химический раствор, имеющий в составе серную кислоту и перекись водорода.

KTJ1P - коэффициент термического линейного расширения.

УП - усилитель-преобразователь.

ПХТ - плазмо-химическое ("сухое") травление.

ЖХТ - жидкостное химическое травление.

РИТ - реактивное ионное травление.

ЧПП - чистое производственное помещение.

Технологии микросистемной техники предназначены для создания элементной базы современных микроэлектромехнических систем (МЭМС) и позволяют разрабатывать отдельные микромеханические конструкции и сложные интегральные электронно-механические устройства с линейными размерами субмиллиметрового и субмикронного уровня. Сенсоры и микросистемы способны самостоятельно выполнять функции измерений, оценки их результатов, принятия и реализации решений по управлению, они технологически совместимы с современными системами обработки информации. В общем случае МЭМС состоит из микромеханического элемента (ММЭ), реагирующего на внешние возмущения и электроники для обработки поступающего сигнала.

Потребителями МЭМС являются все отрасли промышленности, а также все без исключения технологические организации. Наибольшее потребление МЭМС наблюдается в следующих отраслях:

- автомобилестроение (активная подвеска, автоматическое управление, навигация, системы безопасности, контроль движения);

- военная промышленность (беспилотные летательные аппараты, снаряды, ракеты и

др-);

- ядерная энергетика;

- переработка и утилизация ядерных отходов;

- космос (системы навигации и ориентации для космонавта в открытом космосе, малых спутников, строительство больших пространственных конструкций);

- судостроение;

- нефтехимическая и пищевая промышленности;

- строительные организации (определение наклона, напряжений и деформаций конструкций и т.д.);

- геологоразведка и добыча полезных ископаемых (системы определения положения и движения бура при бурении скважин, инклинометрия, мониторинг нефте- и газопроводов и т.д.);

- сейсмические исследования;

- определение профиля дорог и магистралей;

- определение вибраций, ударов и других механических воздействий;

- робототехника (датчики и системы контроля кинематических параметров движения манипуляторов, специальные микророботы);

- спорт (контроль параметров движения спортсмена, спортивные тренажеры);

- медицина (контроль состояния пациента по параметрам его движения, реабилитационные тренажеры, активные протезы, система навигации и ориентации для слепых, управляемые катетерные медицинские зонды);

- виртуальная реальность (3-х мерные "мыши", шлемы, перчатки, игровые системы, профессиональные тренажеры и др.);

- бытовая техника (стабилизация, системы контроля бытовых приборов).

«прд ?

sooo еаю

7 ООО 6СС0 5000 4 ООО 3000 2 ООО 1000 о

Рисунок 1. Объем выделяемых средств на развитие технологий МЭМС с разделением на

области применения [1]

Многочисленными исследованиями рынка МЭМС прогнозируется рост рынка инерциальных датчиков (см. рис. 2). На сегодняшний день одним из основных направлений развития навигационной техники является разработка микроэлектромеханических датчиков ускорения (ММДУ) и микроэлектромеханических датчиков скорости (ММДС), создаваемых на основе технологии микроэлектроники.

В качестве примеров микроэлектромеханических инерциальных датчиков, уже освоенных в производстве, можно назвать: кремниевые ММДУ и ММДС фирмы "Rockwell International", разработанные в лаборатории им. Ч. Дрейпера (США); кварцевые

Потребит, рынок 24°о

ПР°чже Оборонная промышленность ПР0,ие Оборони.»

3°о 4®о пром. 9»о

" ^ Потребительский рынок ^^^ 11 «о

Автомобилестроение Автомобилестроение

SI"» «SS

2004г.: 0.84 млрд. долларов 2009г.: 1.35 млрд. долларов

Рисунок 2. Развитие рынков МЭМС [1]

ММДУ и ММДС фирмы "Systron Donner" (США); пьезокерамические ММС фирмы "Mu-rata" (Япония), а так же Litton, Sagem, Northrop, Honeywell Kearfott, Delco, Ferranti, Bosch, Mitsubishi, Gyrostar, Analog Devices, Watson Industries [2,3].

Такие зарубежные компании, как Intel, Endevko, Motorola, National Semiconductor, Texas Instruments, RCA, Bendix и др. разработали свыше 3000 конструкций интегральных датчиков различного применения. Не меньших результатов достигли специализированные электронные фирмы Японии и западной Европы, например: Nakuto Ltd, Matsushita Electric, Hitachi, Fuji Electric, Tokuo Keiso, Jeco corp., Sharp corp., Mazda corp., Nok corp., Yoko-gawa Electric, Nissan Electric (Япония), Jager, Siunecora, Exera, Schlumberger (Франция), BAE Systems, Lucas, Sirer (Англия), Magneti-Marelli (Италия), Philips (Нидерланды), Brüel&Kjasr (Дания), Krupp (Германия).

Среди отечественных фирм, занимающихся разработкой подобных датчиков, следует выделить: ЦНИИ машиностроения, НИИ прикладной механики им. В.И. Кузнецова, МИЭТ, РПКБ, НИИ командных приборов, Центр микротехники и диагностики России, ГУАП, АОЗТ "Гирооптика", НПП 'Темп-Авиа", "Электроприбор" (Санкт-Петербург) [2-4].

Прочм?

Ч^стогмь*? гешграторы

■ вчмэмс

■ Мкрофпкаиы

■ Огтмесше f/ЗМС

■ MiiKpo-jHcnneii

■ Ункрооопсилетры

■ Имерциапьмые датчкн

■ '.'икрофоны

■ Датч»«« даэпеид

■ ^ечатаиэщн? гоповкл npinerpDB

Рисунок 3. Прогноз развития рынка МЭМС до 2016 (в млрд. дол. США) [5]

Технология МСТ, базирующаяся на достижениях микроэлектроники, оптоэлектроники, акустоэлектроники, микромеханики и системных методах проектирования, в настоящее время имеет универсальное применение и оказывает возрастающее влияние на развитие экономики, ее использование становится решающим фактором успеха при создании новых изделий во многих областях техники. Развитие микросистемной техники и микросенсорики признано приоритетным во всем мире. В 2000 году Конгресс США принял 10-летнюю программу, названную Национальной нанотехнологической инициативой и возведённую в этой стране в ранг национального приоритета. В ней значительное место занимает нано- и микросистемная техника. Действующая с 1999 года японская Национальная программа предусматривает создание электронных компонентов для предельных условий эксплуатации, например, в открытом Космосе, при ядерных взрывах, при температурах до 3000°С. Национальные программы по нанотехнике существуют не только в США и Японии, но и в Корее и ряде стран Европы (Германии, Великобритании, Франции, Италии, Финляндии и других).

Направление «Технологии мехатроники и создание микросистемной техники» входит в перечень критических технологий РФ, утвержденный Президентом Российской Федерации 21.05.2006 г. Пр-842. Разрабатываемые микромеханические элементы МЭМС могут быть применены для решения задач в областях «Перспективные вооружения, военная и специальная техника» и «Транспортные, авиационные и космические системы», входящие в перечень приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в РФ, утвержденный Президентом Российской Федерации 21.05.2006 г. Пр-843.

Существует, не смотря на всё это, несколько факторов, сдерживающих стремительный рост применения микросистемной технологии. Во-первых, это отсутствие информации у потенциального потребителя о возможностях, предоставляемых данной технологией и ее доступности, что заставляет инженеров и разработчиков выбирать иногда более дорогие и менее надежные решения. Во-вторых, это разрыв между исследовательской и конструкторской разработками микроизделия, их массовым производством. На решение этих проблем за рубежом тратится много усилий. Поддержка развития микросистемной технологии за рубежом осуществляется на самом высоком уровне: в США это -NSF (National Science Foundation), APRA (Advanced Project Research Agency), NASA, национальные лаборатории США; в Европе наряду с национальными программами существуют проекты ЕС - NEXUS, MUST, распространение знаний в данной области ведется через Europractice, существуют десятки более мелких проектов; в Японии поддержка осуществляется непосредственно Министерством международной торговли и индустрии. Выпуск изделий на основе МЭМС требует наличия всего спектра составляющих современного производства: оборудования, материалов и др. (рис. 4). Анализ литературных источников показал, что приборы на основе МЭМС находят все более широкое применение во многих областях промышленности и в повседневной деятельности человека. Их основными достоинствами являются малые размеры и низкая стоимость, обусловленная использованием распространенных материалов, групповых

Рисунок 4. Взаимосвязь МЭМС изделий с материаловедческой базой. Тенденция

стоимости составляющих МЭМС [2,3]

технологий изготовления. Изделия МЭМС необходимы в различных сферах жизни человека, однако отечественные предприятия их практически не производят.

Многослойные структуры и, в частности, структуры КНИ являются основой наиболее перспективных разработок в микроэлектронике и микромеханике. Среди различных методов получения структур КНИ технология сращивания кремниевых пластин и последующего утонения рабочего слоя кремния является наиболее перспективной, особенно для МЭМС. Хотя анализ литературных источников выявил большой объем информации по данному вопросу, практические данные не систематизированы и носят выборочный характер в зависимости от интересов исследовательских групп и фирм-ироизводителей. Исследования в этой области определяют перспективы дальнейшего совершенствования ИС и элементов микромеханики.

Поэтому в ходе данной работы были проанализированы и систематизированы многчисленные данные в области конструирования, технологий производства и контроля готовых изделий. На хи основе разработаны новые конструкторсок-технологические решения, нолчившие экспериментальные подтверждения и нашедшие практическое применение в виде опытных образцов.

Цель работы

Исследование конструкторско-технологических основ создания

микроэлектромеханических датчиков ускорения; выбор оптимальной конструкции; исследование ее конструкторских параметров; исследование технологических аспектов производства микроэлектромеханических датчиков ускорения; проведение испытаний макетных образцов.

Задачи

Для достижения поставленной цели было необходимо решить ряд задач:

- исследовать различные типы микромеханических датчиков ускорения, сравнить их конструкторские и технологические характеристики для выбора наиболее оптимальной конструкции;

- исследовать различные способы создания заданной конструкции микромеханического элемента, выбрать наиболее оптимальный;

- исследовать и определить технологические режимы плазмохимического травления кремния;

- разработать алгоритмы реализации технологических процессов герметизации МЭМС-устройств применительно к различным конструкциям корпусов, определить оптимальные технологические режимы и параметры процессов;

- разработать методики измерения параметров микроэлектромеханических датчиков ускорения для анализа соответствия полученных характеристик датчиков с заданными требованиями.

Научная новизна

- Разработана модель чувствительного элемента микроэлектромеханического датчика ускорения, позволяющая произвести расчет собственной частоты элемента, произвести модальный и статический анализ структуры.

- Выбраны оптимальные режимы, позволяющие избежать неоднородности процесса плазмохимического травления кремния при создании элемента датчика.

- Разработаны технологические режимы процесса соединения деталей микроэлектромеханического элемента датчика ускорения.

- Разработаны методики измерения параметров преобразователей ускорения, среди которых статические характеристики, нелинейность выходных характеристик, долговременный дрейф.

На защиту выносятся

1 Разработанная с использованием программы АКБУБ модель микроэлектромеханического датчика ускорения для расчета конструкторских параметров.

2 Технологический маршрут изготовления и сборки чувствительного элемента микроэлектромеханического датчика ускорения, режимы выполнения технологических операций, входящих в состав данного маршрута.

3 Алгоритмы и режимы выполнения технологических процессов герметизации микроэлектромеханических устройств.

4 Методика измерения электромеханических параметров МЭМС- устройств.

5 Полученные экспериментальные зависимости для оценк