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.

Работа выполнена в Государственном учреждении «Научнопроизводствнный 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 Василий Иванович доктор технических наук, профессор Лучинин Виктор Викторович

Ведущая организация:

«НИИ молекулярной электроники и завод Микрон»

Защита диссертации состоится «»_ 2007 г. в часовмин. 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 «»2007 г.

Ученый секретарь Диссертационного Совета 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 МЭМСмикрофону. 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 МЭМСмикрофоны 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 МЭМСмикрофона 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 МЭМСмикрофонов.

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 SiO2 или Si3N4 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 выносятся:

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 SiO2 и/или Si3N4.

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, 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 n = / 0. При n1 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 МЭМСструктур 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 МЭМСструктур 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 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 МЭМСЭАП 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.

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.

электростатический ЧЭ или актюатор значительный интерес представляют исследования В.П.Драгунова [1]. Отметим следующие результаты: условие применимости полученных формул (А>>d), где А – линейный размер пластины, d – межэлектродное расстояние; граница линейного прогиба - w до значений w=0,10,2h, где h – толщина пластины; определение критических величин Uкр – напряжение и wкр – критического прогиба. В частности, для круглой пластины:

wкр = 0,464d и U кр = 5,63 10 6 d 3 D / S, и для квадратной пластины wкр = 0,477d и U кр = 6,22 106 d 3 D / S, где D – цилиндрическая жесткость, D=(h3/12)·(E/(1-2)). E – модуль Юнга, v – коэффициент Пуассона; линейная зависимость w/h (до 0,3) от qS2/Dh (до 200), что позволяет оценить wmax=1/33·10-3 (qS2/D); рекомендация по размеру центрального электрода l < 0,2 A, 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.

защемленная пластина 2. Круглая опертая пластина защемленная пластина 5. Квадратная пластина 6. Круглая мембрана радиуса r Т – натяжение; – плотность; h – толщина 7. Квадратная мембрана со стороной А – величина внутренних напряжений.

8. Квадратная мембрана со стороной А и жестким центром со стороной а h – толщина мембраны; h – толщина центра;

– плотность материала; ц – плотность материала центра Для систем, контролируемых упругостью, условием перехода от действительных значений к эквивалентным служит замена величин в формуле определения собственной частоты колебаний:

где G – жесткость системы с распределенными параметрами, mэк – 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 h2, высотой центра hц и гладкой пластины h1 с одинаковой внешней стороной квадрата А увеличение толщиной сторона жесткого центра, если материалы пластин и центра одинаковы.

Если принять h2 = h1, то hц 27,8h2.

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 общ = Т + вн + в, где Т – термические напряжения, вн внутренние напряжения, 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 SiO2, Si3N4 и поли-Si 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 в 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 в 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 для диафрагм, изготовленных из структур металлизации ИС, предложено использовать методы, разработанные для композитных структур.

Второй важной характеристикой микрофона, связанной с упругими свойствами диафрагмы, помимо f0, является чувствительность. Обычно величину чувствительности S определяют на основе переходной функции всего ЭАП. Однако для первичных оценок ограничимся величиной статической чувствительности емкостного ЧЭ