Глава 1. Микросистемы

ны, шестеренки, подстроечные элементы и огромное количество других сложных механических устройств (Bryzek, Peterson, McCul-ley, 1994, Fan, Tai, Muller, 1987, Middelhoek, Audet, 1989, Peterson, 1982, Varadan, Jiang, Varadan, 2001).

Многие микроустройства изготавливаются по технологии производства полупроводников или методом стереолитографии на полимерных многофункциональных структурах. Стереолитография - это процесс изготовления микросистем с высоким характеристическим соотношением (коэффициентом формы) на полупроводниковых полимерах с использованием ультрафиолетового (УФ) излучения. По этой технологии сначала синтезируются полупроводниковые полимерные структуры, на которых методом стереолитографии формируются трехмерные микроструктуры, обладаюш;ие высоким коэффициентом формы. В 1993 году Ikuta и Hirowatari, применив технологию Ш (интегральную стериолитографию на отвержденном полимере), продемонстрировали возможность построения трехмерных микроструктур из полимеров и металла. Они также показали, что при помош;и источника ультрафиолетового излучения, трех-координатной платформы, оптического прерывателя, линз и микропроцессора можно изготавливать такие микроустройства, как пружины, венозные клапаны и электростатические приводы. Если какой-то микроэлемент невозможно реализовать на полимерных материалах, его можно изготовить на кремнии, а потом использовать фотолитографию или гибридную технологию для построения всей микросистемы (Ikuta, Hirowatari, 1993, Takagi, Nakajima, 1993, Tani, Esashi, 1995, Varadan, 1995, Varadan, Varadan, 1995, 1996). Фотолитография - это оптический метод, напоминаюш;ий стереолитогра-фию, при котором сначала наносится фотомаскируюш;ий слой, а затем используется Ш технология для отверждения фотохимического полимера при помош;и облучения светом. Takagi и Nakajima (1993) для изготовления сложных микроструктур предложили новую концепцию комбинированной архитектуры и механизма склеивания , основанную на использовании фотолитографии для объединения отдельных элементов, выполненных по разной технологии. По такой технологии реализуются гибридные микросистемы, состояш;ие из кремниевых и полимерных компонентов.

Микросистемы, построенные по принципу комбинированной архитектуры, представляют собой набор из отдельных пленочных слоев толш;иной от нескольких микрон до миллиметра, в каждом из которых сформированы микроструктуры датчиков и приводов. Для некоторых применений (например, для аэродинамических поверхно-

1.2. Краткий обзор микросистем

стей) подложка комбинированной микросистемы должна быть гибкой, чтобы иметь возможность принимать аэродинамичную форму, и в то же время совместимой с технологией изготовления интегральных схем, что необходимо для объединения датчиков и других электронных компонентов в единую структуру. Для этих целей Саг-raway (1991) предложил использовать полиимид, поскольку он обладает большой эластичностью и пригоден для применения в интегральной технологии. Чтобы датчики и приводы могли выполнять требуемые функции, внутри микросистемы организуется электрический контур управления, состояш;ий из токопроводяш;их полимеров и электродов, соединенных с локальными антеннами, которые, в свою очередь, связанны с центральной антенной. Сложной задачей является организация дистанционного измерения данных. В некоторых случаях, когда микроструктура подвергается нагрузкам и растяжениям, можно столкнуться с проблемой монтажа электрических соединений. Иногда на рабочие характеристики некоторых микросистем сильно влияют условия окружаюш;ей среды. Решением многих проблем может стать применение технологии интеграции ультра плоских антенн с микродатчиками и микроприводами. В результате такой интеграции на одном кристалле микросистем и микроэлектронных устройств появляются комбинированные системы, часто называемые интеллектуальными преобразователями. В интеллектуальных преобразователях слабые сигналы микродатчика усиливаются, формируются и выдаются в стандартном выходном формате. В состав таких преобразователей могут также входить: микроконтроллер, цифровой сигнальный процессор, специализированные интегральные схемы, схемы самотестирования и самокалибровки, а также схемы шинных интерфейсов. Интелекту-альные преобразователи являются простыми в управлении, точными и надежными устройствами.

Наиболее распространенными являются микросистемы, имею-ш;ие в своем составе три основные структуры: диафрагмы, консоли и мостовьш схемы. Для изготовления таких элементов, как мембраны, консольные балки, резонансные структуры и т. д. используются специальные технологии, рассматриваемые дальше. В состав микросистемы могут входить либо одна, либо несколько основных структур, что определяется каждым конкретным приложением. На основе этих трех основных структур можно реализовать практически любые микродатшки и микроприводы для работы в составе интеллектуальных устройств. Однако конечный результат зависит не только от этих структур, но и от выбора материалов и техноло-

Глава 1. Микросистемы

гий, используемых для их изготовления. Для всех трех основных структур предполагается, что сенсорное восприятие и механическое управление происходит в результате возбуждения соответствующего пьезоэлектрического слоя при воздействии на него электрическим полем. Это возбуждение преобразуется в деформацию либо диафрагмы, либо свободной балки мостовой схемы, либо консольной балки. В первых двух случаях эта деформация выражается в выгибе диафрагмы или свободной балки мостовой схемы вверх, что приводит к вертикальному смещению всей конструкции. В случае консольной балки в ответ на приложенное электрическое напряжение происходит вертикальное перемещение верхней части консоли. Очевидно, что во всех трех случаях микропривод (диафрагма, свободная балка или консоль) состоит, как минимум, из одного слоя и электродов для подачи на этот слой электрического напряжения. В большинстве микроприводов применяются именно пьезоэлектрические силы. Для изготовления мембран, консолей и резонансных структур используются методы микротехнологий.

Как правило, микродатчики и приводы изготавливаются по широко распространенным в микроэлектронной промышленности технологиям. Трехмерные приводы в полимерных структурах могут быть реализованы методом стереолитографии на основных цепях полимеров, чувствительных к ультрафиолетовому излучению (Ikuta, Hirowatari, 1993, Takagi, Nakajima, 1993, Tani, Esashi, 1995, Varadan, 1995, Varadan, Varadan, 1995, 1996). При построении интегрированных микросистемных устройств, имеющих комбинированную архитектуру, используется метод фотолитографии (Takagi, Nakajima, 1993). Для получения больших механических перемещений применяют мостовой пьезоэлектрический преобразователь (Chin, Varadan, Varadan, 1994).

Именно благодаря развитию технологий микрообработки кремния, в последнем десятилетии был достигнут значительный прогресс в области микросистем. Микрообработка - это способ формирования микроскопических механических элементов из кремниевой подложки, а в последнее время и из других материалов. Таким способом изготавливаются закрепленные балки, мембраны, консоли, бороздки, отверстия, пружины, шестеренки, подвесы и т. д., которые могут использоваться для конкретных преобразователей в разных комбинациях. Объемная технология является наиболее распространенным методом изготовления микросистем, но в последнее время она все больше заменяется поверхностной технологией, которая имеет неоспоримое преимущество, позволяющее на одной под-

1.3. Технология изготовления микросистем

ложке объединять и микроэлектронные устройства, и микросистемы. Таким образом можно изготавливать микросистемы, имеющие в своем составе и источники питания, и специализированные схемы для обработки сигналов. Преимуществом такого подхода является также то, что по одной технологии можно изготовить несколько разных устройств.

1.3. Технология изготовления микросистем

Разработка методов микрообработки кремния обеспечила быстрый прогресс в области микросистем. Под термином микрообработка кремния подразумевается формирование микроскопических механических элементов внутри кремниевой подложки или на ее поверхности. Существует две технологии микрообработки кремния: объемная микрообработка, при которой элементы системы вытравливаются внутри кремниевой подложки, и поверхностная микрообработка, при которой микромеханические слои формируются из пленок, осажденных на поверхности подложки.

Объемная и поверхностная микрообработка являются двумя основными технологиями обработки кремния. LIGA-технология и трехмерная (3D) микрообработка позволяет формировать трехмерные функциональные микроструктуры для микросистем, обладающие высоким коэффициентом формы.

1.3.1. Объемная технология

Объемная технология была разработана в шестидесятых годах двадцатого века. Она заключается в выборочном удалении кремния с одной стороны подложки для формирования мембран, бороздок, отверстий и других структур (рис. 1.1). Существуют два вида объемной микрообработки кремния: жидкостное (влажное) травление и сухое травление, которые различаются фазовым состоянием используемого травильного реагента. Для жидкостного травления используются жидкие травильные реагенты, представляющие собой водные растворы химических реактивов, а для сухого травления применяются реагенты в виде паров и плазмы.

Объемная технология является самым pacnpocTpaHenHbnvi методом микрообработки кремния. Она появилась в начале шестидесятых годов и с тех пор широко используется для построения различных микроструктур. Эта технология применяется для производства большинства коммерческих приборов - почти всех датчиков давления и кремниевых клапанов, а также 90% кремниевых акселерометров.

30 Глава 1. Микросистемы

Изотропное жидкостное травление: с перемешиванием

Маска из оксида кремния (SiC)

Вогнутый угол Выпуклый угол

Изотропное жидкостное травление: без перемешивания

Ввд сверху

Ориентация Консольная балка поверхности (100)

Анизотропное жидкостное травление: поверхность (100) Ориентация поверхности (100)

Анизотропиое жидкостное травление: 01Щ^ация поверхности (100) Диэлектрический поверхность (НО) слой

Ориентация поверхности (110)

id )

Диффузионная маска

Маскирующая (г) пленка

Область, легированная бором

Полученная структура ,

Вид сверху

Вытравленный элемент

i. сбоку

Рис. 1.1. Объемная микрообработка кремния: (а) изотропное травление, (б) анизотропное травление, (в) анизотропное травление с внутренним барьерным слоем, (г) диэлектрическая мембрана, полученная методом объемной микрообработки с обратной стороны подложки, (д) селективное жидкостное травление, (е) анизотропное сухое травление. Репродукция из книги C.L. Goldsmith, S.Eshelman, D.Dennston, 1998, Performance of low loss RF MEMS capacitive switches , IEEE Microwave and Guided Wave Letters 8: 269-271, с разрешения IEEE, 1998 IEEE

1.3. Технология изготовления микросистем

Термин объемная микрообработка поясняет тот факт, что эта технология используется для изготовления механических микроструктур внутри подложки из монокристаллического кремния методом селективного удаления (вытравливания) материала подложки. При помощи этой технологии можно получать микроструктуры толщиной от долей микрона до толщины всей подложки (200... 500 мкм) с поперечными размерами от долей микрона до величины ширины/длины самой подложки.

Для травления такой толстой кремниевой подложки используются следующие травильные реагенты: гидроксид калия (КОН), этилендиамин пирокатехол (EDP), гидрооксид тетраметиламмония (ТМАН) и водный раствор гидразина. Скорость травления при помощи этих реагентов зависит от ориентации кристаллов в кремниевых пластинах (Aeidel, 1987, Peterson, 1982). В большинстве случаев жидкостное травление выполняется на обратной стороне подложки, в то время как плазменное травление происходит на передней стороне. За последние годы была разработана вертикальная объемная ми-крообрайотка кремния, получившая название SCREAM (травление монокристаллического кремния с металлизацией), которая является комбинацией анизотропного и изотропного плазменного травления (Shaw, Zhang, MacDonald, 1994). Селективное травление можно осуществить при введении в подложку дополнительных примесей, поскольку области, легированные, например, бором, будут вытравливаться гораздо медленнее. Процесс травления может быть даже остановлен электрохимическим способом при помощи формирования внутри подложки обратно смещенного р-п перехода. Область, в которой процесс травления замедляется или прекращается, называется барьерным слоем. Существует несколько способов создания барьерного слоя, назовем два из них: метод селективного травления при помощи примесей и метод селективного травления при помощи смещенного р-п перехода (Peterson, 1982, Aeidel, 1982, Shaw, Zhang, MacDonald, 1994).

Жидшстное травление происходит путем погружения подложки в травильную ванну или ее опрыскиванием травильными реагентами, которые могут быть щелочами или кислотами. Жидкостное травление может быть изотропным или анизотропным в зависимости от используемых травильных реагентов и структуры материала подложки. Если материал аморфный или поликристаллический, жидкостное травление всегда бывает изотропным (рис. 1.1а). Во время жидкостного травления кислотными растворами травильных реагентов происходит только частичное удаление резиста. Это