Исследование геометрических параметров кремниевых структур в приборном слое при изготовлении чувствительных элементов микромеханических акселерометров

Введение. Исследованы технологические процессы изготовления инерциальных чувствительных элементов изделий микроэлектромеханических систем. Изучено влияние площади травления на кинетические параметры процесса глубокого реактивно-ионного травления, позволяющего формировать кремниевые структуры с высоким аспектным соотношением для изготовления микромеханических акселерометров и гироскопов.

Метод. Инерциальные чувствительные элементы микромеханических акселерометров были изготовлены на подложке диаметром 150 мм по усовершенствованному технологическому процессу, позволяющему минимизировать площадь травления на этапе формирования приборного слоя, который состоит из инерционной массы, упругого подвеса, управляющих и измерительных электродов, изоляционной рамки. Значения геометрических параметров кремниевых структур приборного слоя были получены путем анализа профилей инерциальных чувствительных элементов на сканирующем электронном микроскопе. Исследованы элементы приборного слоя по всему диаметру в радиальном и тангенциальном направлениях подложки для определения разброса геометрических параметров инерциальных чувствительных элементов.

Основные результаты. Представлен технологический процесс изготовления инерциальных чувствительных элементов, позволяющий снизить площадь травления на этапе формирования приборного слоя, за счет альтернативного способа вскрытия области вывода контактов. Основываясь на измерениях геометрических параметров кремниевых структур приборного слоя, установлено, что размеры элементов и их отклонения изменяются в радиальном направлении от центра подложки к краю. Разброс значений геометрических параметров кремниевых структур инерциальных чувствительных элементов, изготовленных по усовершенствованному технологическому процессу на подложке диаметром 150 мм, был снижен до 0,4 мкм, а разброс их отклонений уменьшен до 0,2 мкм.

Обсуждение. Предложенный технологический процесс может быть использован для повышения выхода годных при изготовлении инерциальных чувствительных элементов и однородности функциональных характеристик изделий микроэлектромеханических систем, таких как акселерометры и гироскопы. Результаты работы могут быть применены при проектировании технологических процессов изготовления новых инерциальных чувствительных элементов.

1. Barzegar M., Blanks S., Sainsbury B.-A., Timms W. MEMS technology and applications in geotechnical monitoring: a review // Measurement Science and Technology. 2022. V. 33. N 5. P. 052001. https://doi.org/10.1088/1361-6501/ac4f00

2. Fitzgerald A.M. MEMS Inertial Sensors // Position, Navigation, and Timing Technologies in the 21st Century: Integrated Satellite Navigation, Sensor Systems, and Civil Applications. Wiley, 2021. P. 1435–1446. https://doi.org/10.1002/9781119458555.ch45

3. Naumenko D., Tkachenko A., Lysenko I., Kovalev A. Development and research of the sensitive element of the MEMS gyroscope manufactured using SOI technology. Micromachines. 2023. V. 14. N 4. P. 895. https://doi.org/10.3390/mi14040895

4. Torunbalci M., Alper S., Akin T. Advanced MEMS process for wafer level hermetic encapsulation of MEMS devices using SOI cap wafers with vertical feedthroughs //Journal of Microelectromechanical Systems. 2015. V. 24. N 3. P. 556–564. https://doi.org/10.1109/JMEMS.2015.2406341

5. Zoschke K., Mackowiak P., Kröhnert K., Oppermann H., Jürgensen N., Wietstruck M., Göritz A., Wipf ST., Kaynak M., Lang K.D. Cap fabrication and transfer bonding technology for hermetic and quasi hermetic wafer level MEMS packaging // Proc. of the IEEE 70th Electronic Components and Technology Conference (ECTC). 2020. P. 432–438. https://doi.org/10.1109/ECTC32862.2020.00076

6. Torunbalci M., Gavcar H., Yesil F., Alper S., Akin T. An all-silicon process platform for wafer-level vacuum packaged MEMS devices // IEEE Sensors Journal. 2021. V. 21. N 13. P. 13958–13964. https://doi.org/10.1109/JSEN.2021.3073928

7. Евстифеев М.И. Методы проектирования конструкций микромеханических гироскопов. Учебное пособие. СПб.: Университет ИТМО, 2018. 182 с.

8. Тимошенков С.П., Анчутин С.А., Зарянкин Н.М., Калугин В.В., Кочурина Е.С., Тимошенков А.С., Боев Л.Р. Проектирование и изготовление чувствительного элемента МЭМС-акселерометра // Нанои микросистемная техника. 2021. Т. 23. № 2. С. 63–67. https://doi.org/10.17587/nmst.23.63-67

9. Xu J., Ren Z., Dong B., Wang C., Tian Y., Lee C. Evolution of Wafer Bonding Technology and Applications from Wafer-Level Packaging to Micro/Nanofluidics-Enhanced Sensing // Advanced MEMS/NEMS Fabrication and Sensors. Springer, 2022. P. 187–215. https://doi.org/10.1007/978-3-030-79749-2_7

10. Oggioni L., Garavaglia M., Seghizzi L. Wafer-to-Wafer Bonding //silicon Sensors and Actuators: The Feynman Roadmap. Springer, 2022. P. 345–386. https://doi.org/10.1007/978-3-030-80135-9_11

11. Karanin N.S. Deep reactive ion etching of device layer during manufacture micromechanical accelerometer // Proc. of the Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (ElConRus). 2022. P. 962–965. https://doi.org/10.1109/ElConRus54750.2022.9755694

12. Li D., Shang Z., She Y., Wen Z. Investigation of Au/Si eutectic wafer bonding for MEMS accelerometers // Micromachines. 2017. V. 8. N 5. P. 158. https://doi.org/10.3390/mi8050158

13. Kavitha S., Daniel R.J., Sumangala K. Design and analysis of MEMS comb drive capacitive accelerometer for SHM and seismic applications // Measurement. 2016. V. 93. P. 327–339. https://doi.org/10.1016/j.measurement.2016.07.029

14. Zhang Y., Wu Y., Sun Q., Shen L., Lan J., Guo L., Shen Z., Wang X., Xiao J., Xu J. Inductively coupled plasma dry etching of silicon deep trenches with extremely vertical smooth sidewalls used in microoptical gyroscopes // Micromachines. 2023. V. 14. N 4. P. 846. https://doi.org/10.3390/mi14040846

15. Alnakhli Z., Liu Zh., AlQatari F., Cao H., Li X. UV-assisted nanoimprint lithography: the impact of the loading effect in silicon on nanoscale pattern of metalens // Nanoscale Advances. 2024. V. 6. N 11. P. 2954–2967. https://doi.org/10.1039/D4NA00120F

16. Wang X., Bleiker S.J., Edinger P., Errando-Herranz C., Roxhed N., Stemme G., Gylfason B., Niklaus F. Wafer-level vacuum sealing by transfer bonding of silicon caps for small footprint and ultra-thin MEMS packages //Journal of Microelectromechanical Systems. 2019. V. 28. N 3. P. 460–471. https://doi.org/10.1109/JMEMS.2019.2910985

17. Liu J., Xia S., Peng C., Wu Z., Chu Z., Zhang Z., Lei H., Zheng F., Zhang W. Wafer-level vacuum-packaged electric field microsensor: structure design, theoretical model, microfabrication, and characterization // Micromachines. 2022. V. 13. N 6. P. 928. https://doi.org/10.3390/mi13060928

18. Belyaev Y.V., Belogurov A.A., Bocharov A.N., Kostygov D.V., Lemko I.V., Mihteeva A.A. Design of a micromechanical accelerometer // Proc. of the 25th International Conference on Integrated Navigation Systems (ICINS). 2018. P. 1–7. https://doi.org/10.23919/ICINS.2018.8405921

19. Xu Y., Liu S., He C., Wu H., Cheng L., Yan G., Huang Q. Reliability of MEMS inertial devices in mechanical and thermal environments: a review // Heliyon. 2024. V. 10. N 5. P. e27481. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2024.e27481

20. Peng T., You Z. Reliability of MEMS in shock environments: 2000– 2020 // Micromachines. 2021. V. 12. N 11. P. 1275. https://doi.org/10.3390/mi12111275

21. Wenk B., Collet J., Gaff V. Technology platform for high performance Mems inertial & vibration sensors // Proc. of the IEEE International Symposium on Inertial Sensors and Systems (INERTIAL). 2024. P. 1–4. https://doi.org/10.1109/INERTIAL60399.2024.10502059