Микроэлектронные электромеханические устройства

В разделе рассмотрены вопросы моделирования, проектирования и технологии изготовления компонентов микро наносистемной техники.

Функциональные свойства микроэлектронных электромеханических устройств определяются возможностью механического перемещения частей устройства и изменением электрических параметров, вызванных этим перемещением. Многие устройства с аналогичными функциями изготавливались и ранее. Однако использование микроэлектронных технологий позволило качественно изменить основные технико-экономические показатели изделий.

Основой большинства микромеханических устройств служат кремниевые пластины с нанесенными на них слоями диэлектриков и металлов. Выбор кремния определяется возможностью изготовления в одном кристалле как механических, так и электронных блоков системы. Широко распространенное сокращение МЭМС означает – микроэлектронные электромеханические системы. Существуют два основных класса МЭМС. В первом регистрируется перемещение сплошной мембраны, во втором – перемещение исполнительного узла, закрепленного на пружинах. Мембраны могут быть из кремния, окисла кремния или нитрида кремния с нанесенными слоями металлов или поликремния. Пружины формируются из окисла кремния. Для получения мембран в окисленных пластинах с обратной стороны селективно вытравливаются сквозные отверстия до поверхности окисла на рабочей стороне. При формировании пружин и исполнительного узла кремний травится в отверстиях с рабочей стороны пластины. Для удаления кремния под всеми перемещаемыми элементами МЭМС травление сначала ведется анизотропно вниз, а затем изотропно в стороны. Элементы с большой площадью перфорируются для травления подложки. В результате многостадийного травления металлов, окисла и кремния подвижный узел МЭМС оказывается подвешенным на пружинах над углублением в кремниевой пластине. Формирование подвижного узла обычно завершает микроэлектронную часть технологического маршрута изготовления МЭМС. Электронные блоки изготавливаются раньше традиционными методами полупроводниковой технологии.

При создании микросистем выделяют две группы материалов:

1. Конструкционные (стекло, монокристаллический, поликристаллический, пористый кремний, диоксид и нитрид кремния, полиимид, вольфрам, никель, медь, золото, алмазоподобный углерод), использующиеся для формирования:

· несущих конструкций;

· токоразводки;

· смазки.

2. «Активные умные» (никель/титан, пермаллой, кварц, окись цинка, пьезокерамика, материалы группы АЗВ5, А4В6), выполняющие за счет электростатических, электромеханических, пьезоэлектрических, магнитных, оптических явлений и эффекта памяти формы функции:

• источников движения;

• механизмов передачи движения;

• сенсорных и активирующих сред.

При создании микросистем различного функционального назначения на основе композиций разнородных материалов должны учитываться следующие параметры:

• кристаллохимическая совместимость;

• термомеханическая совместимость;

• тепловая стойкость (допустимая тепловая нагрузка, учитывающая температуру Дебая, точку Кюри, а для полупроводников и температуру перехода в состояние, когда концентрация собственных носителей заряда близка к примесной; способность вещества отдавать энергию в окружающую среду за счет теплопроводности, а при высоких температурах и за счет теплоизлучения);

• электрическая стойкость;

• механическая стойкость;

• механическая усталость.

Мировой опыт изготовления MEMS основан на широком использовании кремния – дешевого и доступного материала. Однако, ясно, что в ближайшие годы не произойдет реального скачка в сфере интеграции кремниевой микромеханики и технологии устройств обработки информации на кремнии (КМОП - схемы).

Поэтому наибольшее значение имеют гибридные системы, в которых наряду с кремнием и другими полупроводниковыми материалами используются полимеры, керамика, металлы. В классической микроэлектромеханике, ориентированной на базовые кремниевые микротехнологии, в настоящее время господствует структура «кремний на диоксиде кремния».

Учитывая тот факт, что микросистемы представляют собой сложные гетерогенные композиции, требующие сочетания совокупности разнородных материалов, и с учетом возможных особенностей их функционирования (высокие температуры, агрессивные среды, радиация), несомненный интерес в качестве базовой материаловедческой среды представляет композиция «карбид кремния на нитриде алюминия». Данная композиция (табл. 16.4.1) сочетает в себе два широкозонных материала, один из которых – нитрид алюминия является ярко выраженным диэлектриком (6,2 эВ) и обладает хорошими пьезоэлектрическими свойствами, а другой – карбид кремния (3,0 эВ) – широкозонный полупроводник. Оба материала оптически активны, в том числе в ультрафиолетовой области спектра, имеют высокую теплопроводность и температуру Дебая, характеризующую стойкость материала к внешним воздействиям (термическим, химическим, радиационным).

Анализируя особенности развития технологического базиса микросистемной техники и, в частности, микроэлектромеханических систем, следует выделить один из основных факторов, определивших необходимость видоизменения классических технологических приемов микроэлектронного производства: толщина микромеханических элементов, в отличие от композиций классической микроэлектроники, может превосходить их минимальные размеры в плоскости, т.е. происходит формирование трехмерных структур – 3D - структур (D - dimension).

Таблица 16.4.1