УДК 621.3.049.77.002.5: 620.22

В.В. Лучинин, д-р техн. наук доц., Ю.М. Таиров, д-р техн. наук проф., Центр микротехнологии и диагностики Санкт-Петербургского гос. электротехнического университета, А.А. Васильев, Министерство науки и технологий РФ

ОСОБЕННОСТИ МАТЕРИАЛОВЕДЧЕСКОГО И ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО БАЗИСА МИКРОСИСТЕМ

Рассматриваются вопросы, связанные с созданием миниатюрных чувствительных, исполнительных и энергообеспечивающих систем, в основе функционирования которых лежит активное использование классических принципов механики, оптики, акустики, электротехники, теплотехники, химии и биологии, интегрируемых в конструктивные решения на микроуровне с широким использованием материаловедческой и технологической ваз микро- и оптоэлектроники.

Технология поверхностной микромеханики

Технология объемной микромеханики

Технология корпускулярно-лучевого формообразования

 

Отметим, что при создании микросистем фактически выделяют две группы материалов:

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

·  несущих конструкций;

·  токоразводки;

·  смазки.

2.   "Активные умные" (никель/титан, пермаллой, кварц, окись цинка, пьезокерамика, материалы группы A3B5, 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 (наиболее развитого направления в области микросистемной техники) 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".

Сравнение важнейших функциональных свойств кремния и композиции “карбид кремния – нитрид алюминия” как базиса микроэлектромеханических систем

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" [1]. Данная композиция (см. рисунок и таблицу) 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. Важнейшие свойства Si, SiC, AlN

Параметры

Материалы

Si

SiC

AlN

Теплопроводность, Вт / (см×К)

1,5

4,9

3,2

Температурный коэффициент линейного расширения, 10-6 1/К

2,60

4,68

5,27

Температура Дебая, К

640

1430

950

Модуль Юнга, 1011 Н/м2

1,3

4,0

3,0

Пьезомодуль, 10-12 Кл/Н

0

0,25

5,53

Критическая напряженность поля, МВ/см

0,3

4,0

1,7

Ширина запрещенной зоны, эВ

1,12

3,02

6,20

Параметр решетки, нм

0,543

0,312

а = 0,3076
с = n×0,25

 

В рамках технологии микросистем развиваются следующие технологические направления.

1.   Групповая технология поверхностной микромеханики на основе процессов тотального нанесения и избирательного удаления слоев.

2.   Групповые технологии объемной микромеханики, реализуемые в виде:

·   технологии глубинного объемного травления;

·   LIGA-технологии (технологии матричного микрокопирования),

·   волоконной технологии.

3.   Технология индивидуального формообразования методами локального стимулирования роста (полимеризации), корпускулярно-лучевого и электростатического микропрофилирования, а также алмазного фрезерования.

Технологии объемной микромеханики позволяют активно развивать в конструкторско-технологическом плане третье измерение и поэтому по технологическим приемам и оборудованию они существенно отличаются от традиционных операций планарного процесса, известного из кремниевой технологии.

Осуществим краткий анализ современных групповых технологий поверхностной и объемной микромеханики, а также корпускулярно-лучевого формообразования.

Технология поверхностной микромеханики

В классической микромеханике, ориентированной на базовые кремниевые микротехнологии, в настоящее время господствует так называемая поверхностная микротехнология с жертвенным слоем. В ее основе лежат два основных процесса нанесение жертвенного, а затем и рабочего слоев и удаление через отверстие в рабочем слое жертвенного для формирования объемных полостей между рабочим слоем и подложкой. В качестве основного материала наиболее распространена структура “кремний на диоксиде кремния”, где в качестве жертвенного слоя выступает диоксид кремния.

Последовательность технологических операций при реализации поверхностной микромеханики сводится, фактически, к известным последовательностям, используемым в планарной технологии:

·   формирование слоя диоксида кремния на кремнии;

·   нанесение на диоксид кремния слоя поликристаллического кремния;

·   нанесение маскирующего слоя маски на поликристаллический кремний и проведение операций фотолитографической обработки для вскрытия окон в маске;

·   травление поликристаллического кремния через маску для формирования окон для последующего избирательного удаления жертвенного слоя из диоксида кремния;

·   избирательное травление диоксида кремния;

·   промывка образовавшихся объемных полостей.

Совокупность данных технологических операций требует развития, как процессов осаждения материалов, так и локального избирательного травления. Для получения результатов, связанных с устойчивостью формируемых композиций и возможными условиями их нанесения, особое значение приобретают такие параметры материалов рабочего и жертвенного слоев, как термомеханическая совместимость и механическая прочность. Данное обстоятельство не позволяет рассматривать классическую структуру “кремний на диоксиде кремния” как оптимальную. В настоящее время в технологии кремниевой ”поверхностной” микромеханики в качестве жертвенных слоев начинают использовать пористый кремний. Предпочтение по термомеханическим свойствам и устойчивости к воздействиям экстремальных факторов имеет композиция алмазоподобных материалов “карбид кремния – нитрид алюминия”, в которой карбид кремния является основным рабочим материалом (например, из карбида кремния изготавливается маятник микрогироскопа), а нитрид алюминия выполняет функцию жертвенного слоя или элементов несущей конструкции, обладающих изолирующими и пьезоэлектрическими свойствами.

Технология объемной микромеханики

Технология глубинного объемного травления. Историческим базисом развития технологии глубинного объемного травления являются процессы, разработанные в 70-х годах при создании датчиков давления мембранного типа. В основе их создания лежит так называемое ориентационно-чувствительное травление кремния в жидкостных травителях, преимущественно в растворе щелочей. Данный процесс при маскировании поверхности кремниевой пластины позволяет осуществлять формирование фактически трехмерных структур в объеме пластины, при этом глубина протрава может составлять до 300-400 мкм. В случае анизотропного травления используется технологическая операция, топологически и объемно согласующаяся с кристаллической структурой. Выбор топологии маски, ее ориентация относительно определенных кристаллографических направлений пластины, подвергаемой травлению, а также выбранные геометрические размеры окон определяют в конечном итоге объемные конфигурации, формируемые в материале. К сожалению, необходимость выполнения кинетических условий травления ограничивает допустимое разнообразие поверхностных топологических фигур, поскольку их конфигурация определяет и объемный результат травления (наклон стенок, глубину травления). Последнее обстоятельство потребовало развития более простых методов получения сложных топологических фигур на различных подложках в условиях развитого третьего измерения, т.е. глубинного травления.

В настоящее время таким альтернативным вариантом глубинного травления подложек является технология, основанная на использовании в качестве подложек фотоситаллов. Фотоситалл – стеклокристаллический материал, получаемый путем искусственной кристаллизации стекла со светочувствительными добавками, например окислами цезия или олова. Фотоситалл обладает высокой механической и термической стойкостью. Под воздействием ультрафиолетового излучения возможно формирование в фотоситалле участков, отличающихся от неосвещенных растворимостью в жидкостных травителях.

Таким образом, экспонируя через фотошаблон фотоситалл, можно, как и на фоторезисте, задавать области с различными скоростями травления. Фотохимическая обработка позволяет получать детали любой формы и отверстия с пространственным разрешением на уровне десятка микрон. Сейчас данная технология развивается применительно к решению задач создания элементов микромеханических систем, не требующих высокого пространственного разрешения Стоимость такой технологии не высока, и в России применяется как технология производства самого фотоситалла, так и технология его обработки, однако достаточно широкого применения они не получили.

LIGA-технология. Данная технология разработана в Центре ядерных исследований в Карлсруэ (Германия) в конце семидесятых – начале восьмидесятых годов.

Сущность процесса формирования объемных структур при этой технологии заключается в активном использовании рентгеновского излучения от синхротрона для получения глубоких с отвесными стенками топологических картин в полимерном материале (рентгенорезисте). Синхротронное излучение имеет сверхмалый угол расходимости пучка (0,006°), т.е. фактически формируется пучок параллельных лучей. Глубина проникновения излучения, источником которого являются высокоэнергетические электроны (Е > 1 ГэВ), движущиеся с релятивистскими скоростями, достигает единиц миллиметров. За счет локализации излучения в узком телесном угле яркость источников синхротронного излучения в 106 раз больше, чем у стандартных источников рентгеновского излучения, и плотность мощности достигает 106 Вт / см2, что определяет высокую эффективность экспонирования в условиях малых временных затрат.

После формирования в полимерном материале объемной структуры осуществляется операция электрохимического осаждения металла, например гальванического никеля, в образовавшуюся полость в полимере. 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.

Основными недостатками данной технологии является необходимость использования уникальных источников синхротронного излучения и нетрадиционность технологии, связанной с гальванопластикой на микроуровне.

Волоконная технология. Несколько лет тому назад в России были инициированы работы в области использования стекловолоконной технологии для создания устройств микроэлектромеханики [2] со значительными размерами по третьему измерению.

Изделия из стекла с малым поперечным сечением в виде определенной микроструктуры и технология их изготовления известны достаточно давно (микроканальные пластины, рентгеношаблоны из стекловолокна, устройства волоконной оптики). Суть стекловолоконной технологии 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 микромеханики характерно наличие отверстий и поверхностей различных конфигураций, требуется 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 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 LlGA-технологии.

Волоконная технология может быть отнесена к групповой технологии, так как однотипные изделия тиражируются в данном случае в составе одного волоконного пучка.

Технология корпускулярно-лучевого формообразования

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. На пространственное разрешение наряду с особенностями фокусировки лазерного излучения влияют все ранее перечисленные параметры пучка, определяющие его энергетические и временные характеристики, а также физические свойства материала, подвергаемого воздействию. Изменение глубины фокуса наряду с вариацией ранее указанных параметров позволяет переходить от поверхностной к объемной микрообработке объектов.

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

·   лазерное осаждение из газовой фазы (LCVD) [3, 4, 5];

·   фотостимулированная полимеризация [6].

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.

Достоинствами лазерного формообразования являются:

·   возможность реализации операций в открытых не вакуумных системах, что упрощает позиционирование и перемещение объекта;

·   возможность работы не только с плоскими (планарными) объектами, но и с “заготовками” сложной формы;

·   доступность формирования на объекте в едином технологическом цикле сложных тополого-морфологических картин с изменяющимися геометрическими размерами в трех измерениях, приемлемым пространственным разрешением (единицы микрон) и глубиной обработки до нескольких миллиметров;

·   возможность обеспечения высокой степени автоматизации обработки, гибкость процесса и перестраиваемость в реальном масштабе времени;

·   возможность не только осуществлять локальное поверхностное или объемное нанесение или удаление материала, но и модифицирование его свойств, определяющее изменение физико-химических характеристик (например, структуры или фазовый состав, механическую прочность или растворимость).

В качестве недостатков метода лазерного формообразования можно отметить:

·   невысокую производительность метода из-за индивидуального характера обработки;

·   остаточные явления в материале из-за “паразитного” воздействия лазерного излучения в зоне обработки и необходимости рассеяния значительной энергии в малых объемах;

·   относительно высокую сложность систем пространственного позиционирования пучка и объекта при необходимости иметь микронное пространственное разрешение и высокие скорости обработки;

·   ограниченный срок службы дорогостоящих оптических систем при использовании высокоэнергетических воздействий.

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.

* * *

В заключение обратим внимание и на тот факт, что использование при создании микросистем групповых принципов производства создает предпосылку снижения себестоимости продукции, которая может быть доступна более широкому кругу потребителей в сфере науки, образования, здравоохранения, а также, безусловно, в промышленности, в том числе в условиях малых и средних фирм.

Список литературы

1.   Korlyakov A.V., Luchinin V.V. Transaction of 4th International Conference High Temperature electronics Conference. USA, Albuquerque. 1998, V.1. P.250-252.

2.   Stepanov V., Suchoveev S. Transaction of International Workshop on Microrobots, Micro Machines and Systems. Germany, 1997. P.23-25.

3.   Shiichta P.J. Laser Micromachining in a Reactive Atmosphere. NASA// Tech. Briefs, 1988. 12, 84.

4.   Bloomstein T.M. and Ehrlich D.J. Laser-Chemical Three-Dimensional Writing for Microelectromechanics and Application to Standart-Cell Microfluidics // J.Vac. Sci. Technol. 1992. 10, 2671-2674.

5.   Boman M., Westberg H., Johansson S. and Schweitz J.-A. Helical Microstructures Grown by Laser Assisted Chemical Vapour Deposition. Proceedings// IEEE Micro Electro Mechanical Systems (MEMS’92), Travemunde, Germany, 1992. P.162-176.

6.   Beluze L., Bertsch A., Renaud P. Proc/SPIE. 1999. V 3680. P.808-817.