Технология изготовления МЭМС-устройств

Материалы, используемые при изготовлении МЭМС-устройств можно разделить на две группы. К первой группе (конструкционные материалы) относятся монокристаллический, поликристаллический и пористый кремний, диоксид и нитрид кремния, стекло, полимеры, вольфрам, никель, медь, золото, алмазоподобный углерод. С их помощью формируются несущие конструкции, токопроводящие элементы, слои для смазки контактирующих движущихся частей. Основным материалом в этой группе является кремний, что связано с его хорошими механическими свойствами и отработанной технологией структурирования, используемой для создания современных интегральных схем. Это позволяет интегрировать МЭМС-устройства с уже существующими электронными компонентами.

Широко используются и полимеры, которые можно производить в больших объемах и с большим разнообразием характеристик материала. При изготовлении МЭМС-устройств с полимерной конструкционной основой используют такие операции, как литье, штамповка, литография и травление. Для микрогазогенераторов и миниатюрных камер сгорания особенно популярен карбид кремния, способный работать при высоких температурах и выдерживающий многократное термоциклирование.

Ко второй группе («активные» материалы) относятся пермаллой, кварц, сапфир, окись цинка, пьезокерамика, материалы группы A³B⁵ и А⁴В⁶, выполняющие за счет электростатических, электромеханических, пьезоэлектрических, магнитных, оптических явлений и эффекта памяти формы функции источников движения, механизмов передачи движения, сенсорных и активирующих сред.

Очень перспективными для изготовления различных МЭМС-устройств считают тонкие слои монокристаллического кремния на изолированном основании (структуры КНИ – «кремний на изоляторе»). В настоящее время в микроэлектромеханике доминирует 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 сочетает в себе два широкозонных материала, один из которых – нитрид алюминия – является ярко выраженным диэлектриком (ширина запрещенной зоны ΔЕ = 6,2 эВ) и обладает хорошими пьезоэлектрическими свойствами, а другой – карбид кремния (ΔЕ = 3,0 эВ) – широкозонный полупроводник. Оба материала оптически активны, в том числе в ультрафиолетовой области спектра, имеют хорошую теплопроводность и высокую стойкость к внешним воздействиям (термическим, химическим, радиационным).

МЭМС-устройства обычно изготавливают на кремниевой подложке с помощью групповой технологии микрообработки, аналогичной технологии изготовления интегральных микросхем, но адаптированной под создание трехмерных механических структур. Она включает в себя объемную микрообработку, при которой элементы МЭМС-устройств вытравливаются внутри кремниевой подложки, и поверхностную микрообработку, при которой микромеханические слои формируются из пленок, осаждаемых на поверхности подложки и последующего избирательного травления.

Кремниевая объемная микрообработка представляет собой технологию глубинного объемного травления, причем обработка подложки осуществляется с обеих сторон. Для получения МЭМС-элементов часто используется жидкостное химическое травление, включающее в себя анизотропное, изотропное и комбинированное травление, а также травление с остановкой или резким замедлением на специально сформированных стоп-слоях. В качестве примера на рис. 3.118 приведена последовательность операций при изготовлении тонкой кремниевой балки.

Рис. 3.118. Последовательность операций при изготовлении тонкой балки из кремния

Эта технология включает в себя следующую последовательность операций:

– подготовка поверхности подложки из Si с ориентацией (100);

– сильное легирование бором и формирование стоп-слоя p+-типа;

– формирование эпитаксиального слоя р-типа;

– двустороннее окисление пластины;

– фотолитография и травление слоя SiO₂;

– анизотропное травление кремния и формирование упругой балки.

Кроме жидкостного химического травления используется электрохимическое травление, позволяющее с помощью электролитических операций формировать различные профили травления и останавливать процесс травления на обратно смещенном p-n-переходе. Широко используются также различные варианты ионно-плазменных методов травления. Примеры формирования структур МЭМС-устройств с помощью объемной микрообработки представлены на рис. 3.119 и рис. 3.120.

Рис. 3.119. Глубокое реактивное ионно-плазменное травление (объемная микрообработка)

Рис. 3.120. Анизотропное жидкостное травление кремния (объемная микрообработка)

Одним из важнейших технологических процессов при изготовлении МЭМС-устройств является процесс сращивания подложек или отдельных фрагментов структуры. В этом случае связи между подложками образуются на атомарном уровне. Данный процесс может быть реализован методами термоадгезионного или термоэлектростимулированного сращивания, сращивания с помощью многокомпонентных стеклообразных диэлектрических материалов, а также с использованием силицидов, расплавов металлов и т. д. Следует отметить, что большинство этих операций хорошо отработаны при изготовлении структур КНИ в микроэлектронике.

В противоположность объемной микрообработке, суть которой заключается в послойном удалении материала с поверхности пластины с помощью травления, при поверхностной микрообработке происходит последовательное наращивание слоев материала. Чаще всего в качестве основы используется кремниевая пластина. Типовой процесс включает в себя несколько циклов нанесение тонких (от десятков нанометров до десятков микрометров) слоев материала, которые затем с помощью литографии и последующего травления приобретает необходимую геометрическую форму.

В качестве методов получения тонких пленок в основном используется химические (CVD) и физические (PVD) методы осаждения из газовой фазы. Типичный процесс поверхностной микрообработки представляет собой повторяющуюся последовательность нанесения на поверхность пластины тонких пленок, формирования на пленке защитного шаблона методом литографии и последующего травления пленки. Чтобы создать подвижные, функционирующие механизмы, в слоях чередуют тонкие пленки конструкционного материала и жертвенного слоя. Из конструкционного материала образуются механические элементы, а жертвенный слой заполняет пустоты между ними. На последнем этапе жертвенный слой удаляется селективным травлением и конструкционные элементы приобретают подвижность и функциональность (рис. 3.121).

Рис. 3.121. Поверхностная микрообработка кремния

К технологии объемной микрообработки относится LIGA-технология (технология матричного микрокопирования), позволяющая методами рентгенолитографии создавать элементы МЭМС с относительно большим отношением высоты к ширине. Особенностью LIGA-технологии является использование рентгеновского излучения от синхротрона, создающего высокую плотность потока излучения и сверхмалый угол расходимости пучка (порядка 0,006 º). Глубина проникновения излучения достигает единиц миллиметров, что обеспечивает высокую эффективность экспонирования при малых временах экспонирования. Это позволяет формировать в специальном рентгенорезисте (полимерном материале – полиметилметакрилате) топологический рисунок с отверстиями нужной формы и размеров, имеющими практически вертикальные стенки.

После формирования в полимерном материале объемной структуры в образовавшейся полости в полимере осуществляется электрохимическое осаждение металла, например гальванического никеля. Следующим этапом является удаление полимера с сохранением на поверхности субстрата объемного металла определенной топологии. Далее над металлической матрицей размещается штамповочная плита и через отверстие в ней вводится пластик. Металлический штамп удаляется для дальнейшего использования при получении других пресс-форм. Следующий этап характеризуется нанесением гальванического покрытия в ранее сформированную пластиковую форму, после чего пластик вытравливается, освобождая объемную металлическую структуру. Возможность многократного тиражирования за счет интегральных принципов обработки позволяет изготавливать объемные структуры высотой до 1 мм в количествах до 1000 шт. на одной пластине. На рис. 3.122 представлена последовательность операций изготовления шаблона для микроформовки. Существуют некоторые вариации LIGA-технологии, когда дорогостоящая рентгенолитография заменяется электронно-лучевой или лазерной литографией.

Рис. 3.122. Технология LIGA

Достоинством LIGA-технологии является возможность создания МЭМС-элементов большой толщины с «вертикальными» боковыми сторонами, а также возможность создания сенсорных и актюаторных элементов из различных материалов – металла, пластика и керамики. Основными недостатками данной технологии являются необходимость использования уникальных источников синхротронного излучения и нетрадиционность технологии, связанная с гальванопластикой на микроуровне. Кроме того, наличие в процессе изготовления МЭМС-элементов операции микросборки не позволяет использовать LIGA-технологию для их группового изготовления.

При изготовлении МЭМС-устройств используется также технологи SIGA. Аббревиатура SIGA (в переводе) означает – ультрафиолетовая литография, гальваника и формовка. В отличие от технологии LIGA в ней резист вместо рентгеновского излучения экспонируется ультрафиолетом. Ультрафиолет в отличие от рентгеновского излучения не обеспечивает большой глубины проникновения в резист, но технологически он гораздо более удобен, стоимость источников ультрафиолетового излучения несопоставимо ниже источников синхротронного рентгеновского излучения, технология SIGA совместима с технологией изготовления электронных микрокомпонентов.

На рис. 3.123 представлена последовательность операций изготовления металлической формы с использованием технологии SIGA.

Рис. 3.123. Последовательность операций технологии SIGA

К технологии объемной микрообработки относится волоконная технология, «выросшая» из технологии волоконной оптики. Суть ее заключается в спекании пучка стеклянных волокон (полых или сплошных), различающихся избирательностью к травлению по отношению к растворителю, вытягивании этого пучка до требуемого поперечного размера, разрезании вытянутой части пучка на куски и вытравливании затем из куска растворимых волокон. Укладка волокон в пучок осуществляется таким образом, что нерастворимые волокна образуют в сечении пучка структуру (топологию) изготавливаемой микроструктуры в некотором масштабе. Так как для изделий МЭМС характерно наличие отверстий и поверхностей различных конфигураций, требуется специальный подбор материалов и геометрии волокон. Данные процессы сборки пучка и его вытягивания не являются тривиальными, но позволяют изготавливать детали с минимальными поперечными размерами отверстий до 0,2 мкм при высоте (глубине, длине) от 100 мкм до 1 см. Особо следует отметить возможность изготовления деталей с винтообразными поверхностями путем скручивания вытянутого пучка вокруг его оси. Такие поверхности, как известно, характерны для винтов, червячных и косозубых колес и принципиально не могут быть реализованы с помощью, например, LlGA-технологии. Следует отметить, что волоконные технологии еще только выходят за рамки лабораторной практики и представляют интерес в отдаленной перспективе.

Кроме объемной и поверхностной микромеханической обработке изготовления МЭМС-устройств используется технология индивидуального формообразования методами корпускулярно-лучевого и электростатического микропрофилирования, а также алмазного фрезерования. В настоящее время существуют два направления корпускулярно-лучевого формообразования: локально-стимулированный рост (осаждение или полимеризация) и локально-стимулированное прецизионное травление, в основе которых лежит воздействие на среду или материал концентрированного потока энергии (световые, электронные, ионные пучки), управляемого во времени и пространстве. Традиционной технологией формирования объемного рисунка в стекле, полимерах, керамике является обработка объекта остросфокусированным лазерным пучком (лазерное микрофрезирование). Данный вид воздействия в зависимости от локально выделяемой мощности (10⁵ – 10⁹ Вт/см²), длительности и скважности воздействия, поглощающей способности обрабатываемого материала и его температуропроводности позволяет осуществлять как процессы модифицирования материалов, так и удаления за счет испарения. Изменение глубины фокуса наряду с вариацией ранее указанных параметров позволяет переходить от поверхностной к объемной микрообработке объектов.

В последнее время применительно к решению задач формирования трехмерных микрообъектов интенсифицировались работы в области локального стимулированного роста 3D-структур сложной конфигурации (пружины, клапаны и т. д.). Существует два основных направления получения объемных микрообъектов за счет лазерной стимуляции:

– лазерное осаждение из газовой фазы;

– фотостимулированная полимеризация.

Последний вариант получения объемных микрообъектов из полимеров назван микростереолитографией. Осаждение и полимеризация осуществляются слой за слоем и позволяют реализовать разнообразные трехмерные объекты размером до нескольких миллиметров с микронным разрешением.

Наряду с лазерным формообразованием возможно применение электронной, ионной и плазменной микрообработки. Однако особенности получения фокусировки и позиционирования данных видов воздействий, позволяющих обеспечить субмикронное разрешение, требуют использования вакуумных технологических систем, а также создают существенные ограничения по глубинам обработки в условиях проведения пространственно прецизионных операций.