САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЛЭТИ ЦЕНТР МИКРОТЕХНОЛОГИИ И

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ (ЛЭТИ) ЦЕНТР МИКРОТЕХНОЛОГИИ И ДИАГНОСТИКИ Нано- и микросистемная техника А. В. Корляков E-mail: avkorlyakov@mail. eltech. ru

1. Введение История n Применение n Классификация n

История развития микросистемной техники 1958 Первая интегральная микросхема 1962 Интегральный тензорезистивный датчик давления 1976 Глубокое анизотропное травление кремния (Хоневелл, Кулите) 1977 Интегральный емкостной акселерометр 1982 К. Петерсон «Кремний как механический материал» 1985 LIGA- технология Карлсруэ (Германия) 1990 Поверхностная микромеханика 1991 Интегрированные МЭМС (Analog Devices) 1993 Микрогироскоп (Draper Laboratory) 1994 Глубокое плазмохимическое травление кремния

Примеры применения МЭМС n n n n Автомобильные датчики давления, акселерометры Автономные инерциальные системы Миниатюрные исполнительные устройства Матрица управляемых микрозеркал в проекторах Микросопла в струйных картриджах СВЧ фильтры и переключатели в сотовой связи Микросистемы биохимического контроля Интерфейсы наносистем, кантилеверы в АСМ

Микросистемная техника n Область науки и техники, нацеленная на разработку и создание приборов и систем различной физической природы, изготовленных и функционирующих на микроуровне n Системная интеграция принципов электроники, механики, оптики, химиии, биологии, реализуемая на микроуровне n Технические системы на микроуровне

Микросистема Целенаправленное множество взаимодействующих (интегрированных) элементов (подсистем) различной физической природы, реализованных на микроуровне По типу преобразования энергии n n n Электро-механические Пневмо(акусто)-механические Термо-электро-механические Опто-электро-механические Микрофлюидные Химико-биологические (MEMS) (MOEMS) (MAS) (Bio. MEMS)

Микросистемы по цели преобразования Сенсоры (физич. возд. → эл. сигнал) n Актюаторы (эл. сигнал → физич. возд. ) n Миниатюрные управляемые компоненты n Микромашины и микромеханизмы n Аналитические микросистемы n Технологические микросистемы n Миниатюрные автономные микросистемы, микророботы n

2. Технология микросистем n n n Типовые технологические процессы Отличия от микроэлектроники Особенности формирования микроструктур

Основные технологии МСТ Формирование развитых 3 -х мерных микроструктур и функционально-активных элементов различной физико-химической природы n n Технологии объемной Si микромеханики Технологии поверхностной Si микромеханики Технологии микросборки Технологии объемного микроформирования

Элементы технологии объемной микромеханики n n - Si подложка Плазмохимическое травление Si, Si. C, Si 3 N 4 Глубокое анизотропное травление Si «Стоп» -слои: Si(p+), Si. C, Si 3 N 4 2 -х стороннее совмещение - Si. C слой - маска Si 3 N 4

Элементы технологии поверхностной микромеханики n n n Поверхностное микропрофилирование поли. Si, Si. C Технология «жертвенных» слоев Si. O 2 , Al. N Технология (ПХТ) «стоп» -слоев Si. O 2, Al. N - Si подложка - Si. C слой - маска Al - жертвенный слой

Возможности технологии поверхностной микромеханики. n n n Многослойные системы Подвижные, свободные элементы Вакуумировнные полости Электростатический привод движения Интеграция с КМОП технологией

Технологии микросборки n n Анодное соединение Si пластины со стеклом Эвтектическое соединение пластин Термическая сварка пластин Совмещение пластин перед соединением

Объемное микроформирование сфокусированным ионным пучком n n n Локальное травление под углом к плоскости подложки Формирование Pt проводящих дорожек Ионная полировка поверхности Анализ и коррекция формы элементов микроострия n шестеренка n микроструна

3. Материалы для микросистем Классификация n Требования n Свойства n

Материалы и структуры n n n «Пассивные» механические конструкции Тензо, термо, магнито – резистивные материалы и структуры Активные диэлектрики: пьезо-, сегнето-, пиро-, электреты Функционально активные магнитные материалы Оптически активные материалы Адаптивные материалы и среды

Пассивные элементы микросистем n n Мембраны Сетки n Балки n Каналы n n Струны Зубья

Требования к материалам для микросистем Конструкционные (пассивные) n Термомеханическая совместимость n Механическая (усталостная) прочность n Химическая, тепловая стойкость n Технологичность, селективность Функционально-активные (сенсорные) n Чувствительность (коэффициент преобразования) n Температурная и временная стабильность n Механическая, химическая, тепловая стойкость

Механические напряжения в пленках Стягивающие напряжения Si. C мембрана Неоднородность напряжений в пленки Al. N Влияние температуры подложки Образование текстуры Al. N

Особенности формирования поверхностных микроструктур n Растрескивание напряженных структур n Вертикальный изгиб n Термомеханические деформации n Фракталоподобные структуры

Термо- и тензорезистивные свойства полупроводниковых пленок Si. C n Термочувствительность α ≈ - 5· 10 -3 K-1 q q q n Датчики температуры Датчики потока Датчики вакуума Микроболометры Микронагреватели Тензочувствительность S 0 ≈ 10 q q q Тензодатчики Датчики давления Микро-акселерометры Датчики силы Вибродатчики

4. Микромеханические системы Датчики давления n Акселерометры n Пьезоприводы n Микрогироскопы n

Датчики давления на основе Si. C тензорезисторов Характеристики n n Рабочий диапазон температур 0 ÷ 450 °С Диапазон измеряемых абс. давлений до 600 к. Па Номинальный выходной сигнал 25 м. В Температурный коэффициент чувствительности 10 -3 К-1

Микромеханические акселерометры на основе Si. C n n n Характеристики Чувствительность до 10 м. В/g Рабочий диапазон температур 0 ÷ 450 °С Вертикальный зазор 1 – 4 мкм Емкость 20 п. Ф Толщина Si. C маятника и балок 5 мкм

Мембранные пьезоактюаторы n n Размеры мембраны 1, 5 х1, 5 мм Коэффициент электромеханической связи Al. N k = 0, 15 Коэффициент преобразования S = 0, 75 нм/В Максимальный прогиб 20 нм при h = 20 мкм Конструкция преобразователя АЧХ преобразователя

Вибрационные микрогироскопы n n n Размеры ротора 1 х1 мм Диапазон до 100 гр/с Дрейф до 1 гр/час

5. Тепловые микросистемы Сенсоры температуры, потока, излучения n Микронагреватели, излучатели. n Термомеханические преобразователи n

Температурные микросенсоры на основе Si. C терморезисторов n n Рабочая температура до 600 0 С ТКС - 5· 10 -3 К-1 Постоянная времени до 0, 5 с Чувствительность к потоку воздуха до 20 см/с Датчики температуры Дифференциальный термопреобразователь Датчики потока

Микронагреватели и излучатели на основе Si. C n n Рабочая температура до 900 0 С Мощность до 300 м. Вт Постоянная времени до 5 мс Размеры излучающей области 0, 3 х0, 3 мм Микрореактор для ПЦР Микроизлучатели

Термомеханические преобразователи Высокие прижимные усилия и амплитуды перемещений микроклапаны микрореле

Размерные эффекты теплоотдачи в тонких мембранах и струнах Теплоотдача в воздух от микрообъектов ~ L Сравнительный критерий теплоемкости мембран: Модель радиального растекания тепла (теплоотдачи) Критерий Релея термогравитационной конвекции для газов:

6. Акустомеханические микросистемы Мембранные акустомеханические преобразователи n Размерные эффекты сверхтонких мембран n

Электростатические, электретные микрофоны

Гофрированные тонкие мембраны n n n Толцина мембраны Si 3 N 4 h ≤ 0, 2 мкм Размеры R = 1, 0. . . 3, 0 мм Чувствительность S > 100 нм/Па

Размерные акусто-механические эффекты в тонких мембранах Упругость мембраны: Упругость воздушного объема: Присоединенная масса воздуха: Сравнительный критерий массивности мембран:

7. Жидкостные микроаналитические системы Микрокапиллярные платы n Микроаналитические системы n

Микрокапиллярные платы

Микроаналитические системы

8. Проектирование микросистем Метод аналогий n Метод конечных элементов n САПР микросистем n

Таблица аналогий Параметр q Потенциал (сила) F (∆F) Скорость параметра (поток) υ=dq/dt Емкость (индуктивность) C=dq/d. F Механическое поступат. движение Абс. смещение, деформация r (x, y, z) [м] Механическая сила F [Н] Скорость v=dr/dt [м/с] Податливость 1/k=dr/d. F [м/Н] Механическое вращение Угол поворота α Момент силы М=[r. F] [Нм] Угловая скорость ω=dα/dt [1/с] Податливость 1/g=dα/d. M [1/Нм] Акустика, гидростатика Объем V [м 3] Давление P [Па] Объемный поток Q=d. V/dt [м 3/с] Сжимаемость газов -V/P [м 3/Па]; Электрический заряд q [Кл] Электрический потенциал φ [В] Электрический ток I [А] Электрическая емкость C=dq/dφ [Кл/В] Магнитный поток Ф=BS [Вс] Электрический ток I [А] ЭДС самоиндукции U=-d. Ф/dt [В] Индуктивность L=d. Ф/d. I [Гн] Тепловые системы Энтропия S [Дж/К] Температура T [К] Скорость изменения энтропии d. S/dt [Дж/Кс] «Тепло» емкость CS=d. S/d. T=Ср/Т [Дж/К 2] Химические реакции, диффузия Число частиц N Химический потенциал μ [Дж] Скорость реакции d. N/dt [1/с] Молекулярная емкость d. N/dμ [1/Дж] Вид энергии Электрические системы Магнитные системы

Построение схем - аналогов Механическая схема элемента λ Электрическая схема - аналог λ c λ λ c c c Сеточные модели распределенных систем (c·d. T/dt=λ·d 2 T/dx 2)

Схема электростатического преобразователя (емкостного типа) C= ε 0 S/x F= CU 2/2 x

Моделирование системы методом конечных элементов n n Резкое увеличение количества элементов сетки в сверхтонких структурах Учет нелинейных эффектов и перекрестных взаимодействий подсистем

САПР микросистем n n n n Выбор типового технологического процесса, структуры Формирование масок для фотолитографии Построение технологического процесса, верификация Моделирование техпроцесса, построение 3 -d модели конструкции Моделирование работы системы методом конечных элементов Моделирование работы системы с внешними цепями управления Оптимизация конструкции и технологии Заказ на изготовление