Опубликован: 16.01.2014 | Уровень: для всех | Доступ: платный
Лекция 7:

Наноэлектронные специализированные элементы и системы на кристалле

< Лекция 6 || Лекция 7: 123456 || Лекция 8 >

Наноэлектромеханические конструкции на кремнии

Уже на "микроэлектронном" этапе развития полупроводниковой технологии были выявлены отличные механические и пьезоэлектрические свойства кремния. Одним из его многочисленных преимуществ являются и очень малые потери энергии при упругих деформациях, что позволяет создавать на основе кремния высокодобротные механические колебательные системы. Формировать такие конструкции можно с использованием тех же технологических процессов, которые обычно применяют в КМДП технологии. Поэтому уже в 90-х гг. ХХ в. нашли признание и применение в информатике не только микросхемы, но также электромеханические конструкции на кремнии. Сокращенно они были названы МЭМС – микроэлектромеханические системы (англ. MEMS – MicroElectroMechanical Systems).

На рис. 7.3 показаны основные этапы формирования в кремнии таких микроколебательных систем, как перемычка и кантилевер. Исходная структура, состоящая из кремниевой подложки, относительно толстого слоя окисла кремния (SiО_2) и тонкого слоя эпитаксиально выращенного кремния, здесь отдельно не показана.

Основные этапы формирования микроколебательных систем на кремнии (перемычки – слева и кантилевера – справа): (а) после электронной литографии; (б) после анизотропного травления; (в) после селективного химического травления окисла и удаления резиста

Рис. 7.3. Основные этапы формирования микроколебательных систем на кремнии (перемычки – слева и кантилевера – справа): (а) после электронной литографии; (б) после анизотропного травления; (в) после селективного химического травления окисла и удаления резиста

На рис. 7.3.а показана исходная структура уже после технологического цикла электронной литографии, в результате которого на поверхности структуры сформирована защитная маска из электронорезиста. Дальше с помощью анизотропного травления в химически активной плазме с не защищенных электронорезистом мест удаляют верхний слой кремния и окисел кремния ( рис. 7.3. б). Они остаются лишь под маской. На заключительном этапе проводят селективное химическое травление окисла кремния на глубину, несколько превышающую половину ширины узкой части структуры, и смывают маску из резиста. В результате ( рис. 7.3.в) образуется перемычка приблизительно прямоугольного поперечного сечения, закрепленная концами на двух опорах, и кантилевер – упругий брус прямоугольного сечения, закрепленный лишь с одного конца. Они могут свободно колебаться в плоскости минимального сечения. Обе структуры являются примерами высокодобротных упругих микроколебательных систем. Для перемычки и кантилевера прямоугольного сечения частоту собственных вертикальных колебаний можно рассчитать по формуле


\nu_n\approx\frac{\beta_n h}{24\pi l^2}\sqrt{\frac{Y}{\rho}},
( 7.1)
где l,hдлина и толщина перекладины (кантилевера) соответственно; \rho, Y – плотность и модуль Юнга материала, из которого они сделаны; \beta_n – корень характеристического уравнения задачи Штурма-Лиувилля для упругих колебаний. Решение этой задачи дает для наименьшей (основной) частоты колебаний такие значения корня: \beta_n\approx 22,4 – для перемычки и \beta_n\approx 3,52 – для кантилевера.

Таким образом, основным фактором, определяющим частоту собственных колебаний микро- и нано- перемычек и кантилеверов, является соотношение их геометрических размеров h,l^2. Если на перемычку или на кантилевер наносится какая-то дополнительная масса, то частота собственных колебаний несколько изменяется, что позволяет строить на них чувствительные сенсоры, о которых речь пойдет ниже.

Кремниевая нанотехнология позволила формировать упругие кантилеверы и перемычки из кремния толщиной менее 30 нм и поднять частоту собственных колебаний до сотен мегагерц. А это важно потому, что от частоты колебаний зависят и чувствительность, и точность, и быстродействие работы приборов на таких элементах.

Поочередно комбинируя технологические процессы (і) нанесения новых слоев, (іі) литографии и (ііі) травления, удается создавать довольно сложные механические, электромеханические, оптико-механические и другие микро- и нано- конструкции на пластинах кремния.

В перечень этих конструкций кроме разнообразных чувствительных сенсоров, главные из которых мы рассмотрим ниже, входят также исполнительные микромеханические узлы ("актуаторы"): микро- и нано- двигатели, насосы, поршни, приводы, редукторы, реле, элементы гидравлики и пневматики, поворотные зеркала, сопла и т.п.

В сочетании с КМДП технологией они позволяют в едином групповом технологическом процессе формировать на пластинах кремния более или менее завершенные системы информатики и автоматики, в состав которых входят:

  • сенсоры, как источники первичной информации об объекте наблюдения или автоматического управления;
  • узлы усиления и первичной обработки сигналов;
  • аналого-цифровые преобразователи;
  • цифровые процессоры;
  • узлы памяти;
  • коммутаторы;
  • узлы внешнего интерфейса;
  • цифро-аналоговые преобразователи;
  • исполнительные микромеханические или электромеханические узлы, которые позволяют управлять объектом, активно влиять на него или осуществлять активные обратные связи с объектом изучения.

Один из простейших примеров микроэлектромеханического исполнительного узла показан на рис. 7.4.

Микрофотография группы исполнительных реле одной из МЭМС на кремнии: 1 – спаренное термореле для стабилизации температуры; 2, 3 – отдельные релейные пары с электростатическим управлением

Рис. 7.4. Микрофотография группы исполнительных реле одной из МЭМС на кремнии: 1 – спаренное термореле для стабилизации температуры; 2, 3 – отдельные релейные пары с электростатическим управлением

Изображенные здесь микрореле еще микронных размеров предназначены для включения/выключения относительно мощных электрических приборов. Подвижные контакты сформированы из высоколегированного поликристаллического кремния, их контактные концы и соответствующие контактные площадки позолочены. Подвижные контакты 1 спарены между собой (соединены золотой перемычкой), чтобы пропускать вдвое больший электрический ток. В них на поликремний гальванически осажден слой никеля, и поэтому они выполняют функции биметаллического термореле. Подвижные контакты 2 и 3 независимо друг от друга управляются электростатическими силами, возникающими между ними и расположенными ниже электродами в случае подачи на последние соответствующего электрического потенциала.

Автоматизированное проектирование и изготовление МЭМС рассматриваются сейчас как новое перспективное направление в машиностроении, которое будет опережающими темпами развиваться в ХХІ в. Главной особенностью этого направления машиностроения является то, что оно становится экономически выгодным лишь при изготовлении очень больших промышленных партий изделий (см. примеры упражнения 7.4). Ведь для изготовления МЭМС обязательными являются высокочистые условия производства, применение довольно сложного прецизионного автоматизированного производственного оборудования. Поэтому и фабрики для изготовления МЭМС стоят очень дорого. В процессе производства их стоимость и стоимость их обслуживания и эксплуатации переносятся на стоимость изделий. Изготовление партий в несколько сотен или тысяч схем оказывается очень дорогим. И лишь в том случае, когда в групповых технологических процессах изготовляют одновременно сотни тысяч – миллионы одинаковых МЭМС, удельная себестоимость каждой из них становится относительно низкой, экономически выгодной. Этому содействуют и относительно небольшие затраты на материалы и энергообеспечение, на восстановление окружающей среды и на ручную работу.

Использование МЭМС в экономике, в т.ч. в информатике и при изготовлении различного рода информационно-управляющих систем, принесет большие выгоды: уменьшение энергопотребления и расхода материальных ресурсов, намного меньшее влияние на окружающую среду, повышение эффективности всех производственных процессов и эффективности функционирования сферы обслуживания.

Использование наноразмерных элементов и нанотехнологий в производстве МЭМС повышает его экономичность, так как, во-первых, улучшает технические характеристики элементов и систем в целом и, во-вторых, на пластинах кремния становится возможным одновременно формировать в десятки–сотни–тысячи раз больше элементов и узлов. И, благодаря этому, удельная стоимость каждого из них дополнительно во много раз уменьшается.

< Лекция 6 || Лекция 7: 123456 || Лекция 8 >
Ольга Клюева
Ольга Клюева

Некорректно сформулированные задания. Нужна помощь в выполнении

Несибели Спандияр
Несибели Спандияр
Казахстан, Алматы, КазНАУ
Юлия Яцуненко
Юлия Яцуненко
Россия, г. Махачкала