МЕТОД ФОРМИРОВАНИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МЕМБРАН

July 18, 2012 by admin Комментировать »

А.                              И. Демченко, С. В. Корякин, Н. И. Завадская, Э. В. Лобко УП “Минский НИИ радиоматериалов” ул. Кижеватова, 86, Минск-220024, Беларусь тел.: 017-2782305, e-mail: irma(cbinfonet.bv

Аннотация Приведены результаты исследования корректировки механических напряжений в диэлектрической мембране Si3N4Si02Si3N4. Метод корректировки заключается в ионно-лучевом травлении пленки нитрида кремния или пленки оксида кремния в зависимости от преимущественного прогиба мембраны в планарную или обратную сторону. Разработанная диэлектрическая система может использоваться в широком классе мембранных датчиков.

I.     Введение

Рис. 1. Структура диэлектрической мембраны Fig. 1. Dielectric membrane structure

Актуальной задачей при изготовлении изделий МЭМС и различных датчиков на мембранах является формирование высококачественной мембраны. В качестве мембран используются диэлектрические пленки, пленки поликремния [1]. Широко используются диэлектрические мембраны, состоящие из материалов SiC>2, Si3N4, обладающие высоким электросопротивлением, низкой теплопроводностью [2]. Данные характеристики этих материалов предпочтительны для использования в тепловых датчиках мембранного типа, где требуется минимальные потери тепловой энергии.

Рис. 2. Диэлектрической мембраны с формированной на поверхности металлизацией и защитным слоем металлизации

Так как эти материалы обладают высокими механическими напряжениями, то в мембранах используются системы, состоящие из чередующихся слоев Si3N4SiC>2 Si3N4. Это связано с тем, что механические напряжения имеют различные знаки. Пленки Si3N4 имеют положительные (растяжение), а пленки SiC>2отрицательный (сжатие). Причем у пленок Si3N4, полученных методом химического вакуумного осаждения при низком давлении (LPCVD), усилия растяжения в 3-4 раза выше, чем у пленок оксида кремния. Пленки SiC>2 формируются путем разложения силана (SiH4) с добавлением кислорода при температуре 700 С, Si3N4 посредством разложения дихпорсилана (SibbO) в смеси с аммиаком при температуре 830-850°С.

II.    Основная часть

В данной работе исследовалась диэлектрическая мембрана Si3N4 (0,2 мкм) Si02 (0,8 мкм) Si3N4 (0,2 мкм). Данная система имеет минимальные механические напряжения, порядка 108 Па. В датчиках помимо данной диэлектрической мембраны используются металлизация (в основном Ni, Pt), которая вносит свои механические напряжения, а также защиты металлизации, в качестве которой используется часто SiC>2, толщиной 0,3…0,4 мкм. В связи с этим возникают дополнительные механические напряжения, которые могут уменьшить прочность мембраны, вызвать ее деформацию. На рис. 1 и 2 представлены структура диэлектрической мембраны с формированной на поверхности металлизацией и защитным слоем металлизации и ее изображение.

Для решения проблемы компенсации напряжений предлагается корректировка механических напряжений диэлектрической мембраны. Данный метод корректировки заключается в травлении пленки нитрида кремния или пленки оксида кремния в зависимости от преимущественного знака механических напряжений. Травление производилось методом ионно-лучевого распыления пучками ионов аргона с с энергией 0,6 кэВ и плотностью тока ионного пучка

0,     2 мА/см2. В качестве источника ионов использовался широкоапертурный источник с полым холодным катодом [3]. Контроль степени травления осуществлялся по изгибу мембраны интерференционным методом.

При прогибе мембраны в планарную сторону доминирующее влияние оказывает растяжение напряжение пленки Si3N4, проводилось травление пленки нитрида кремния с обратной стороны.

Fig. 2. Dielectric membrane with metallized surface and protective metal coating

Данная конструкция мембраны использовалась при разработке кристалла инфракрасного датчика (болометра). На рис. 3 представлен кристалл болометра. Размер кристалла 2×2 мм. Диаметр мембраны 1,2 мм.

Если доминирующее влияние оказывает пленка SiC>2, прогиб происходит в обратную сторону, проводилось распыления оксида кремния с планарной стороны. Корректировка изгибающих напряжений проводилось в диапазоне толщин до 0,1 мкм и осуществлялась контролем изгиба пленки.

Рис. 3. Кристалл инфракрасного датчика (болометра)

Fig. 3. IR sensor (bolometer) crystal

Мембрана представляет собой систему диэлектрических пленок Si3N4 (0,2 мкм) Si02 (0,8 мкм) Si3N4 (0,2 мкм) на которую напыление никелевый терморезистор толщиной порядка 0,3 мкм, с защитным диэлектрическим слоем Si02 толщиной

0,              2…0,3 мкм. Корректировка величины изгиба системы проводилась по предложенной выше методике. Поглощающий поверхностный слой не вносил заметных дополнительных напряжений в структуру.

III.         Заключение

Разработанная диэлектрическая система может использоваться в широком классе мембранных датчиков.

IV.        Список литературы

[1]  М. М. Farooqui and A. G. R. Evans, “Polysilicon microstructures,” in Proc. IEEE Micro Electro Mechanical Systems Workshop MEMS 91, Nara, Japan, Jan. 30-Feb. 2, 1991, pp. 187-191.

[2]  Черный Б. И., Новоженюк fl. И. Свободные маски в технологии электронной техники. Зарубежная электронная техника № 2, 1981, с. 3-40.

[3]  Стогний А. И., Демченко А. И., Корякин С. В. Технологические широкоапертурные источники ионов кислорода с холодным полым катодом. // 4-го Межд. симпозиума "Вакуумные технологии и оборудование": Сб. докл., Харьков (23-27 апреля 2001). Харьков, 2001, с. 193-196.

A TECHNIQUE FOR MANUFACTURING DIELECTRIC MEMBRANES

Demchenko A. I., Koryakin S. V.,

Zavadskaya N. I., Lobko E. V.

Minsk Research Institute of Radio Materials 86 Kizhevatova Str., Minsk, Belarus, 220024 phone (17)2782305; e-mail: irma@infonet.by

Abstract A topical problem in manufacturing MEMS devices and various membrane-based sensors is the production of high-quality membranes. Dielectric and polysilicon films are used [1] for membranes. Dielectric membranes consisting of Si02, Si3N4 materials have also found wide application [2]. The Si02, Si3N4 materials have high electrical resistivity and low thermal conduction, which makes them materials of choice for thermal membrane sensors where minimal losses of thermal energy are required.

We investigated the Si3N4 (0.2|jm) Si02 (0.8|jm) Si3N4 (0.2|jm) dielectric membrane manufactured by the LPCVD process. Apart from dielectric membranes, sensors also utilize metallization (Ni, Pt mainly) and protective layers (Si02) which introduce strains to the membrane. As a result, additional mechanical strains occur that may compromise the strength of membranes.

To tackle the issue of strain compensation we propose a corrective technique for dielectric membrane strains. This technique involves etching a silicon nitride film or a silicon oxide film depending on the prevalent sign of the strains. The argon ion beam sputtering with the ion energy of 0.6keV and ion beam density of 0.2mA/cm2 was used for etching. A wide-aperture source with cold hollow cathode was used as an ion beam generator [3]. The etching was controlled by the interference technique at the membrane bend. With the membrane bending to a flat side, we etched a silicon nitride film on the reverse side. With the membrane bending to the reverse side, we etched a silicon oxide film on the flat side.

The above membrane design was used to manufacture infrared sensor (bolometer) crystals. We used the following membrane structure: Si3N4 (0.2|jm) Si02 (0.8|jm) Si3N4 (0.2|jm) with a nickel thermoresistor (about 0.3|jm) and a Si02 protective dielectric layer (0.2…0.3|jm). The compensation of the structural strains was carried out according to the above technique. The absorbing surface layer did not introduce noticeable additional strains into the structure.

This dielectric structure may find applications across a wide range of membrane sensors.


Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2003г.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты