Разработка конструктивно-технологического варианта радиочастотного микропереключателя

- плазменное изотропное травление,

- реактивно-ионное травление,

- травление с барьерным слоем.

В объемную технологию также включаются методы соединения слоев внутри микросистемы и методы построения барьерного слоя из оксидов.

 

1.4.1.1 Изотропное и направленное жидкостное травление

Большинство методов жидкостного травления  являются изотропными, т. е. они не зависят от кристаллографической ориентации подложки. Однако существуют травильные вещества, для которых важной является ориентация кристаллов полупроводника. Они обладают свойством травить кристаллы с разной ориентацией с разной скоростью. В алмазоподобной и сфалеритовой пространственных решетках плоскости (111) имеют большую плотность упаковки по сравнению с ориентацией (100), поэтому скорость травления в них при применении любых травильных реагентов будет ниже. Избирательность и направленность — две основных характеристики травильных реагентов, применяемых при построении трехмерных структур. Поскольку процесс травления в полярных растворителях основан на явлениях переноса заряда, скорость травления зависит от типа используемых примесей, их концентрации и приложенного электрического поля. При помощи разных примесей можно управлять процессом травления. Процесс травления можно остановить электрохимическим способом, если к вытравливаемому n-р переходу приложить достаточно сильное электрическое напряжение.

Область, в которой процесс травления  замедляется или даже прекращается, называется барьерным слоем. Существует несколько способов создания барьерных  слоев: селективное травление при  помощи примесей, селективное травление  при помощи примесей и электрического смещения.

1.4.1.2 Сухое травление

Для построения подвесных механических структур и  приводов из монокристаллического кремния  был разработан метод сухого плазмохимического  травления. Он включает в себя реактивное травление монокристаллического кремния  и процесс металлизации. Технология реактивно-ионного травления используется для формирования на кремниевой подложке подвижных микроструктур с поперечными  размерами более 250 нм и произвольной ориентацией кристаллов. А для  формирования управляющих электродов используются: процесс ступенчатой металлизации поверхности, основанный на методах напыления металла, фотолитографии и сухом травление металла.

Технология  сухого травления может использоваться для формирования сложных геометрических структур. При помощи нее можно реализовывать интегрированные емкостные приводы с высоким характеристическим соотношением, позволяющие возбуждать электростатические силы, приводящие к движению механических микрочастей.

В сухих  методах продуктами реакций являются летучие вещества, удаляемые через  откачную систему. Сухие плазменные процессы проводятся в вакуумных  камерах, содержащих ионизированный газ  – плазму. В составе плазмы, кроме  отрицательных и положительных  ионов, электронов и нейтральных  молекул, могут также находиться свободные радикалы – крайне активные атомы или молекулы. Радикалы образуются в плазме из специально вводимых соединений. В зависимости от материала слоя, подлежащего травлению, способа  возбуждения и поддержания плазмы, давления в рабочей камере, состава  газовой смеси и конструкции  устройства при травлении слоев  может преобладать тот или  иной механизм: физическое распыление в результате бомбардировки ионами инертных газов (ионное травление), химическое взаимодействие с активными заряженными  или нейтральными частицами (плазмохимическое травление), а также комбинированное  воздействие (ионно-плазменное травление).

Ионы  инертных газов, направляемые перпендикулярно  подложке, позволяют получать рисунки  с практически вертикальными  стенками, но селективность такого процесса низка.

При плазмохимическом травлении разряд возбуждается в  химически активных газах или  парах, ионы и радикалы которых химически  взаимодействуют с поверхностным  слоем. Плазмохимическое травление  имеет высокую селективность, но степень анизотропии его не высока.

Более широкие  возможности у ионно-плазменного травления, сочетающего достоинства двух предыдущих методов. При этом физическое распыление активирует химические реакции, а химические реакции, ослабляя связи поверхностных атомов, способствуют физическому распылению.

1.4.2Способы остановки процесса травления

При формировании структур с помощью жидкого анизотропного  травления или сухого химического  травления существует необходимость  создания слоев, которые останавливают  процесс травления. Такие слои называются стоп-слоями. Для их создания существует несколько способов:

1.4.2.1 Селективное  травление при помощи примесей

Мембраны  из кремния изготавливаются в  основном при помощи тонкого барьерного слоя, сильно легированного бором. Этот слой может быть получен либо при  помощи эпитаксиального выращивания, либо сформирован методом диффузии или имплантации бора в слабо  легированную подложку. Основными достоинствами  метода создания барьерных слоев, сильно легированных бором, являются независимость  от ориентации кристаллов, гладкость  получаемой поверхности и возможность  построения свободных микроструктур  с любой геометрией боковых срезов за одну стадию травления.

1.4.2.2 Электрохимический способ остановки процесса травления

При электрохимическом  травлении к кремниевой подложке (аноду) и к электроду (катоду), находящимися в травильном растворе, прикладывается постоянное напряжение. Традиционный электрохимический метод травления  подходит как для изготовления микродатчиков, так и микроприводов, поскольку  позволяет реализовывать микроструктуры из умеренно легированного кремния  n-типа, обладающие хорошей воспроизводимостью, и при этом осуществлять контроль за их толщиной.

1.4.2.3 Селективное  травление при помощи импульсного  напряжения анодизации

Импульсное  анодноеокисление является методом селективного травления кремния n-типа. В нем используется разница времени, требующегося для растворения анодно-оксидных пленок, сформированных на кремниевых пластинах п- и р-типа при идентичных условиях. Этим методом можно изготавливать микроструктуры из кремния р-типа как слабо, так и умеренно легированного. Следовательно, метод импульсной анодизации открывает возможность построения временных микроструктур в кремнии р-типа.

1.4.2.4 Фотогальванический метод электрохимического травления

Этот  метод подходит для изготовления большинства микроструктур, которые  могут производиться и травлением с созданием барьерного высоколегированного  бором слоя, и электрохимическим  способом. Здесь используются два  электрода для выращивания пассивирующего оксидного слоя, но разность потенциалов  и ток, требуемые для этого  процесса, не подводятся, а генерируются внутри самой кремниевой подложки.

1.4.3 Кремниевая поверхностная микрообработка

Реализованные по этим технологиям структуры размещаются, в основном, на поверхности кремниевой подложки в виде тонких пленок [2]. Размеры устройств, полученных по поверхностным технологиям, могут быть на порядок меньше аналогичных структур, построенных по объемным технологиям. Основным преимуществом микросистем, изготовленных поверхностными методами, является простота их интеграции с традиционными интегральными схемами, поскольку они могут быть реализованы на тех же самых подложках. Однако миниатюрность поверхностных микросистем имеет свои недостатки, их малые размеры и вес делают их непригодными для применения во многих датчиках и приводах. Эта проблема особенно ощутима в емкостных механических микродатчиках и микроприводах, управляемых за счет изменений емкости, что объясняется трудностями получения высоких уровней емкостной связи. Для преодоления вышеуказанной проблемы были разработаны методы, использующие глубокое травление, такие как LIGA, но они трудно применимы к кремниевым подложкам.

Существует  несколько подходов к изготовлению микросистем по поверхностным технологиям:

- создание защитных слоев при построении механических микроструктур

- совместное применение традиционных методов изготовления микросхем и жидкостного анизотропного травления

- использование плазменного травления для производства ми- . кроструктур на поверхности кремниевой подложки.

При использовании  защитного слоя в качестве структурного материала для построения микроэлементов, в основном, применяется поликремний, и только в редких случаях- монокремний. Для создания защитного слоя здесь используется метод химического осаждения из газовой фазы при низких давлениях. Пленки, получаемые таким способом, отличаются отличными механическими свойствами, сравнимыми со свойствами монокристаллического кремния. Если в качестве структурного материала используется поликремний, защитный слой обычно строится из диоксида кремния. Элементы из защитного материала всегда выполняют вспомогательную роль в производстве микроустройства и никогда не входят в его окончательную структуру.

Технология  защитного слоя состоит из следующих  основных этапов:

- осаждения и формирования защитного слоя из диоксида кремния на подложке

- осаждения и формирования слоя из поликремния

- удаления защитного оксида травлением в плавиковой кислоте (HF). Этот шаг необходим для вытравливания оксида из-под поликремниевой структуры.

Считается, что поликремний выступает в  качестве структурного материала, а диоксид кремния - защитного. Это сочетание выбрано потому, что оно подходит почти для всех практических приложений. Однако иногда применяются и другие комбинации материалов.

В идеальных  механических микроструктурах отсутствуют  остаточные механические напряжения, т. е. нанесенные пленки не имеют значительной остаточной деформации. Если это не выполняется, могут возникнуть серьезные  проблемы. Например, балка на двух опорах может изогнуться при наличии  в структурном материале даже незначительной остаточной деформации сжатия. Но при соответствующем выборе условий нанесения слоев и  оптимизации фазы отжига можно получить пленки из структурных материалов, практически свободные от остаточных механических напряжений.

Поверхностные технологии требуют подбора соответствующих  пар структурных и защитных материалов, а также выбора подходящих химических реагентов. Структурные материалы  должны обладать физическими и химическими  свойствами, необходимыми для выполнения конкретных функций. В дополнение к  этому структурные материалы  должны иметь соответствующие механические качества, такие как высокие пластичность и прочность на разрыв, минимальные  ползучесть и усталость, а также  хорошую износостойкость. Защитные материалы также должны обладать хорошими механическими характеристиками для предотвращения поломки изделия  во время изготовления. Им необходимо иметь хорошую адгезию и низкое остаточное напряжение, чтобы защитить микроструктуры от расслоения и/или  разломов. Травильные реагенты должны обладать отличной селективностью, чтобы  обеспечивать удаление защитного материала, не затрагивая саму микроструктуру. Они  также должны иметь соответствующие  вязкость и характеристики поверхностного натяжения.

1.4.4 LIGA, SIGA и MUMP’s технологии

LIGA технология - рентгенолитография, гальваника и  формовка. Сущность процесса заключается  в использовании рентгеновского  излучения от синхротрона для  получения глубоких, с отвесными  стенками топологических картин  в полимерном материале. Излучение  синхротрона имеет сверхмалый  угол расходимости пучка. Источником  излучения являются высокоэнергетические  электроны (энергия Е>1ГэВ) движущиеся  с релятивистскими скоростями. Глубина  проникновения излучения достигает  единиц миллиметров. Это обуславливает  высокую эффективность экспонирования  при малых временных затратах.

С помощью  литографии на подложке формируют структуру  из фоторезиста. Ее используют для получения  шаблона с помощью гальванической формовки. Затем  шаблон заливают и  получают структуру из пластика, удаляя подложку с шаблоном.

SIGA технология - ультрафиолетовая литография, гальваника  и формовка. Из особенностей этого  процесса можно отметить, что  можно управлять шириной профиля  и то, что технология совместима  с технологией тонких плёнок.

На окисленной кремниевой подложке с нанесенным на нее хромовым покрытием формируется  фоторезистивная маска. После плазменного  травления кремния фоторезист и  хромовое покрытие удаляются. Происходит термическое окисление кремния. Впоследствии окисел подвергается анизотропному  травлению. Затем с помощью гальваники формируется необходимая структура  изделия.

MUMPs технология почти на всех этапах формирования топологии использует реактивное ионное травление, что позволяет селективно удалять вещества в вертикальном направлении.

 

2 Расчет  типового радиочастотного микропереключателя

2.1 Расчет исполнительного элемента

В качестве исполнительных элементов РМП могут применяться как круглого, так и прямоугольного вида мембраны. Теория тонких пластин давно и глубоко разработана, так же, как и варианты их использования в качестве мембран[5].

Подвес  исполнительного элемента РМП –  инерционной массы (ИМ) представляет собой различные комбинации упругих  элементов типа балок (стержней), преобладающее  большинство которых подвержено деформациям изгиба (элементы "работают" на изгиб).

Для всех видов мембран при условии, что  сила приложена в центре ИМ по оси  у нагружение упругих элементов  соответствует единичному параллельному  смещению одного из концов упругого элемента. Этой же схеме нагружения соответствует  и случай приложения силы вдоль оси  x.

Если  центр масс и геометрический центр  пластины ИМ совпадают и сила приложена  по оси у в центр масс (ЦМ), то жесткость подвеса, состоящего из четырех  балок, при действии силы вдоль оси  х, определяется формулой: