Разработка технологического маршрута изготовления туннельного акселерометра на основе поверхностной микрообработки

Туннельные акселерометры преобразуют ускорение в изменения туннельного тока. В них возможно электронное туннелирование между двумя проводящими электродами, если эти электроды расположены достаточно близко друг к другу. Острый металлический наконечник расположен над металлической поверхностью на высоте около 10 ангстрем. Небольшие изменения (порядка 1 ангстрем) расстояния между металлическим наконечником и поверхность приводят к большим изменениям туннельного тока (10–50%) [1;8].

Туннельный ток наблюдается когда разрыв между двумя проводящими материалами составляет около 10 Å. Когда зазор между проводящие материалы уменьшается, туннельный ток увеличивается [9]. Два фактора определяющие туннелирования тока между двумя электродами, это расстояние между электродами и острота кончика проводящего материала. Чем острее кончик проводящего материала, тем вероятность туннелирования электронов увеличивается [9]. Рисунок 1 показывает структуру и принцип работы туннельного акселерометра. После того, как кончик электрода подводится достаточно близко для осуществления туннелирования к противоположному электроду путем применения подходящего напряжения, , к нижнему электроду, постоянный ток туннелирования, I_tun устанавливается. Этот туннельный ток является постоянным, если масса находится в неподвижном состоянии и напряжения туннелирования (V_tun) постоянно. При ускорении, масса отклоняется от положения покоя, что приводит к изменению туннельного тока.

Рисунок 1. Пример конструкции туннельного акселерометра

Схема считывания воспринимает это изменение и регистрирует напряжение, , определяя перемещения. С помощью этого механизма обратной связи, туннельный ток остается постоянным и ускорение может быть измерена от с изменением напряжения, . Верхний гибкий электрод используется для целей самотестирования.

Пример технологического маршрута изготовления туннельного микроакселеромета приведен на рисунке 1.

1.  Очитка подложки кремния осуществляется штатным методом RCA состоящим из нескольких этапов удаления различных загрязнений. Удаление органических загрязнений, тонких слоев оксидов, и удаление ионных загрязнений [5;6]. Он используется для очистки кремниевых пластин на начальных этапах обработки. Как правило, осуществляется перед осаждением слоев на кремний и воздействию высоких температур обработки, таких как термического окисления или диффузия рисунок 2(а) [5;6].

2.  Нанесения слоя изоляции Si₃N₄. Слой изоляции создаем что при травлении жертвенных слоев не травилась подложка, а также от диффузии примесей в подложку, также этот слой обладает низкой усталость рисунок 2 (б). Слой Si₃N₄. наносим с помощью плазма стимулирования PECVD [6;4;1].

3.  Нанесения композиции металлов Ti/Pt/Au с помощью электронно-лучевого напыления рисунок 2(в) [3].

Таблица 1.

Обозначения слоев в технологическом маршруте при изготовлении туннельного акселерометра на основе поверхностной микрообработки

Рисунок 2. Технологический маршрут изготовления туннельного микроакселерометра на основе поверхностной микрообработки

4.  Изготовления кончика для туннелирования посредством FIB-литографии и ионной модефикации рисунок 2(г).

5.  Нанесения фоторезиста и фотошаблона рисунок 2 (д).

6.  Используя реактивное ионное травление вытравливаем слой Ti/Pt/Au рисунок 2 (е)[3].

7.  Нанесения жертвенного слоя, в качестве жертвенного слоя используем БСС рисунок 2(ё).

8.  Нанесения Au, формирование кантиеливерной балки рисунок 2(ж).

9.  Удаления слоя SiO₂ с помощью 49% плавиковой кислоте (при комнатной температуре) в течение 1.5–2 минут. За тем несколько минут в деионизированной воде, и в спирте, затем поместить в сушильный шкаф на 10 минут при температуре 110°С [3] рисунок 2(з).

10.  Реализация конструкции рисунок 2(к).

11.  Скрабирование, ломка на чипы.

12.  Установка в корпус

13.  Разварка выводов. Металлы активные к окислению хуже поддаются разварки, примером такого металла может служить алюминий.

14.  Герметизация контроль герметичности.

15.  Испытания устройства.

16.;  Маркировка.

17.  Сдача на склад.

Туннельный акселерометр может быть изготовлен с помощью поверхностной и объемной микрообработки. Оба метода изготовления туннельных микромеханических акселерометров описаны в работе [2]. Уровень шума, как правило, меньше в объемном - микромеханическом акселерометре [2].

Примеры туннельных акселерометров с высокой производительность предложены и в других работах [9], где датчик изготавливается с помощью объемной микрообработки кремния. Туннельные акселерометры обладают высокой чувствительностью, так как туннельный ток весьма чувствителен к смещению. Эти устройства имеют небольшие размеры, широкую полосу пропускания, и высокую чувствительность, тем не менее, они страдают от дрейфа, а также шума 1/f шум [9]. Кроме того, изготовление их не такое простое. Поэтому они не нашли широкого применения в промышленных устройствах.

Список литературы:

1. Распопов В.Я. «Микромеханические приборы». – Москва: Изд-во Машиностроение, 2007. – 400 с.

2. Boyden Edward. Rifai Osamah EI. Hubert Brian. A High-Performance Tunneling Accelerometer. Term Project 6.777, Introduction to Microelectromechanical Systems Spring 1999, Prof. Stephen D. Senturia.

3. Cruz Samantha C., Lee Kevin P. and Ponnavolu Deepak. Tunneling accelerometers. – [Electronic source] http://clifton.mech.northwestern.edu/~me381/project /done/Accelerometer.pdf (date of the application 22.05.2016).

4. Electron Beam Evaporator E-Beam Evaporator – [Electronic source] – http://www. e-beam-evaporator.com/e-flux.pdf (date of the application 30.05.2016).

5. MEMS  Nanotechnology Exchange. Fabricating MEMS and nanotechnology. – [Electronic source] – https://www.mems-exchange.org/.MEMS/fabrication.html (date of the application 30.05.2016).

6. Microtech. RCA critical cleaning process. – [Electronic source] – http://www.microtechprocess.com/pdf/MTS_RCA.pdf (date of the application 29.05.2016).

7. RCA clean. – [Electronic source] – http://inside.mines.edu/~ sagarwal/phgn435/Clean.htm (date of the application 29.05.2016).

8. Silicium nitride, LPCVD and PECVD deposition. Stress control. Deposition of silicon nitride layers. Si₃N₄. – [Electronic source] – https://www.crystec.com/kllnitre.htm (date of the application 30.05.2016).

9. Tunneling accelerometer. – [Electronic source] – http://micromachine.stanford.edu/projects/tunneling_sensors/Accel/AccelSummary.html.(date of the application 21.05.2016).

10. Yazıcıoglu Refet Fırat. Surface micromachined capacitive accelerometers using mems technology. M.Sc., Department of Electrical and Electronics Engineering Supervisor: Assoc. Prof. Dr. Tayfun Akın. August 2003, P.232.