Метод синтеза базовых технологических процессов микроэлектромеханических систем на основе конструктивно-технологической онтологии тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.06, кандидат наук Андроник Михаил

• Андроник Михаил
• кандидат наук
• 2021

Оглавление диссертации кандидат наук Андроник Михаил

Перечень сокращений

Глава 1. Анализ современного состояния МЭМС

1.1. Обзор и систематизация основных маршрутных технологических процессов изготовления МЭМС устройств

1.2. Сравнительный анализ ключевых групп операции процессов МЭМС

1.3. Анализ конструктивных особенностей МЭМС

1.3.1. МЭМС с неподвижными элементами

1.3.2. МЭМС с изгибающимся элементами

1.3.3. МЭМС с контактными элементами

Выводы по главе

Глава 2. Методика разработки новых МЭМС устройств

2.1. Конструктивно-технологические особенности МЭМС

2.1.1. Технологические особенности МЭМС

2.1.2. Температурный бюджет

2.1.3. Селективность травления материалов

2.1.4. Внутренние напряжения слоев

2.1.5. Анализ физических преобразований энергии

2.1.6. Геометрические особенности формы слоев

2.2. Анализ методов разработки МЭМС

2.3.1. Анализ подходов при разработке новых устройств микроэлектроники

2.3.2. Анализ подходов при разработке новых устройств в машиностроении и приборостроении

2.3.3. Анализ подходов в разработке программного обеспечения

2.3. Методология разработки новых МЭМС изделий

2.4. Формирование онтологии МЭМС

Выводы по главе

Стр.

Глава 3. Разработка базового МТП изготовления МЭМС устройств на основе предложенной методологии

3.1. Моделирование конструкций базовых элементов синтезированного базового МТП

3.1.1. Кремниевые упругие балки

3.1.2. Бистабильные балки

3.1.3. Встречно-штыревые структуры

3.1.4. Термические У-образные шевронные актуаторы

3.1.5. Термические актуаторы

3.1.6. Электрический контакт

3.1.7. Механизмы на основе защелки

3.2. Математическое моделирование процесса контактной фотолитографии толстых слоев фоторезистов

3.2.1. Анализ физико-химических особенностей фоторезистов, используемых в МЭМС изделиях

3.2.2. Структура моделей процессов в толстых фоторезистах

3.2.3. Моделирование угла наклона стенок толстых слоев фоторезиста при контактной фотолитографии

Выводы по главе

Глава 4. Разработка ключевых технологический операций и

экспериментальная апробация базового МТП

4.1. Анализ особенностей контактной и лазерной литографии при формировании топологий МЭМС устройств

4.1.1. Процесс фотолитографии высокого разрешения

4.1.2. Процесс взрывной фотолитографии

4.1.3. Процесс фотолитографии для травления толстых оксидных слоев

4.1.4. Процесс фотолитографии толстых слоев фотополимера Би-8

4.1.5. Глубокое ионное травление кремния

4.1.6. Глубокое травление стекла

Стр.

4.2. Экспериментальная апробация разработанного МТП изготовления различных МЭМС устройств

4.2.1. Волоконно-оптический датчик вибраций

4.2.2. Микрофлюдная «лаборатория-на-чипе»

4.2.3. Термоэлектрический переключатель постоянного тока

Выводы по главе

Основные результаты и выводы

Список использованной литературы

Приложение

Перечень сокращений

AC - автоматизированные системы

ДХН - диазохинон

ИС - интегральная схема

КМОП - комплементарная структура металл-оксид-полупроводник

КНИ - кремний на изоляторе

КР - критический размер

МТП - маршрутный технологический процесс

МЭМС - микроэлектромеханические системы

МОЭМС - микрооптические электромеханические системы

НИОКР - научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы

НИР - научно-исследовательская работа

НОЦ - научно-образовательный центр

ПХТ - плазмохимическое травление

СВЧ - сверхвысокая частота

СЭМ - сканирующая электронная микроскопия

ТКЛР - температурный коэффициент электрического сопротивления

CVD - chemical vapor deposition, химическое осаждение из газовой фазы

DC - direct current, постоянный ток

DRIE - deep reactive ion etching, глубокое реактивное ионное травление

EDP - ethylene diamine and pyrocatechol, этилендиамин и пирокатехол

LPCVD - low pressure chemical vapor deposition, химическое осаждение из газовой фазы при пониженном давлении

NILS - normalized Image log slope, нормализованный логарифм крутизны пространственного изображения

PECVD - plasma-enhanced chemical vapor deposition, плазменно-химическое осаждение из газовой фазы

PVD - physical vapor deposition, физическое осаждение паров металлов

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Метод синтеза базовых технологических процессов микроэлектромеханических систем на основе конструктивно-технологической онтологии»

Введение

Стремительные темпы четвертой промышленной революции (Индустрия 4.0) определяются уровнем развития прорывных критических технологий в стратегических областях исследований и разработок - от нанотехнологий до искусственного интеллекта, мехатроники, робототехники, аддитивных технологий, возобновляемой энергетики и других. Концепция Индустрии 4.0 предусматривает сквозную цифровизацию всех физических процессов, их интеграцию в цифровую экосистему, насыщенную множеством разнообразных приборов, датчиков, актуаторов, которые объединены в единую сеть посредством различных каналов связи. Особое значение в таких распределенных многоуровневых системах имеют микроэлектромеханические системы (МЭМС). Это сенсоры и актуаторы, изготовленные преимущественно на основе кремния с использованием групповых методов обработки на основе технологий микроэлектроники. Кремний благодаря сочетанию уникальных полупроводниковых и механических свойств позволяет создавать обширную номенклатуру МЭМС. Разработанный за последние 40 лет широкий спектр микроминиатюрных чувствительных элементов сенсоров и актуаторов позволил сформировать значительный конструкторско-технологический задел для перспективных изделий, в частности, для аэрокосмической и оборонной промышленности, при создании беспилотных автомобилей, дронов, роботов и т.д. При этом МЭМС устройства обладают колоссальным потенциалом миниатюризации, а применяемые технологии их массового производства легко интегрируются с процессами микроэлектроники, многокристальной сборки, «флип-чип» технологией и т.п.

Большой вклад в развитие и изучение МЭМС направления внесли фундаментальные работы К. Петерсона, Х.А. Ваггенера, М. Тилли, Р. Годси. Существенный вклад в разработку отечественных МЭМС технологий внесли научные группы Лучинина В.В. (СПбГЭТУ (ЛЭТИ)), Пятышева Е.Н. (ФГАОУ ВО «СПбПУ»), Чаплыгина Ю.А., Тимошенкова А.С, Саурова А.Н. (НИУ МИЭТ), Учайкина С.В., Нестеренко Т.Г. (ФГАОУ ВО НИ ТПУ), Коновалова С.Ф. (МГТУ

им. Н.Э.Баумана), Мальцева П.П. (ИСВЧПЭ РАН), Лукичева В.Ф. и Орликовского А.А. (ФТИАН). В настоящее время в РФ созданы предпосылки для быстрого развития технологии МЭМС. В последние годы растет и количество современных производственных площадок для изготовления МЭМС в России. В ОАО «Маппер» создан технологический кластер для изготовления МЭМС изделий, успешно функционируют лаборатория Микроприборов в МИЭТ, ориентированная на разработку и изготовление инерциальных датчиков, лаборатория технологии микро- и наносистемной техники во ФТИАН; в НОЦ «ФМНС» ФГУП «ВНИИА» и МГТУ им. Н.Э. Баумана активно развиваются технологии МЭМС, МОЭМС и микрофлюидных «лабораторий-на-чипе».

Одной из основополагающих проблем создания МЭМС является высокая стоимость и большая длительность жизненного цикла их разработки, что особенно проявляется при изготовлении прототипов в условиях опытного производства. Это объясняется недостаточной междисциплинарной проработкой алгоритмов разработки МЭМС, низким уровнем стандартизации конструктивно-технологических аспектов МЭМС, что ведет к узконаправленному проектированию каждого нового изделия и разработке индивидуального процесса его изготовления. Это повышает стоимость разработок новых МЭМС продуктов и удлиняет сроки их внедрения на рынок.

Обеспечение нужд новой индустриальной парадигмы требует создания развитого конструктивно-технологического обеспечения последовательных и неразрывно связанных процессов разработки и изготовления сенсоров и актуаторов на основе МЭМС.

Целью диссертационной работы является создание системы научно-обоснованных методов повышения эффективности разработки и изготовления новых типов изделий МЭМС на основе онтологического подхода.

Решаемые задачи:

1) комплексный конструктивно-технологический анализ современного уровня развития МЭМС, охватывающий широкую номенклатуру МЭМС изделий

и процессов ведущих мировых производителей;

2) разработка метода синтеза базовых маршрутных технологических процессов изготовления МЭМС на основе сравнительного анализа методов проектирования новых устройств в областях МЭМС, микроэлектроники и машиностроения;

3) выделение на основе конструктивно-технологической онтологии основных классов МЭМС изделий, которые могут быть изготовлены в едином маршрутном технологическом процессе (МТП);

4) синтез базовых МТП изготовления перспективных МЭМС изделий различных типов, включая МЭМС переключатели, электрические переключатели, гироскопы и акселерометры, а также микрофлюидные «лаборатории-на-чипе»;

5) моделирование конструкций базовых элементов выделенного класса МЭМС, включая элементы схем линейных перемещений, бистабильных элементов, встречно-штыревых и шевронных актуаторов;

6) моделирование процесса фотолитографии толстых резистов для формирования топологии элементов с учетом трехмерной структуры изделий МЭМС;

7) разработка основных технологических операций синтезированного базового МТП;

8) экспериментальная апробация синтезированного базового МТП на примере изготовления МЭМС различных типов.

Методы исследования. Работа основана на индуктивно-эмпирическом подходе и базируется на анализе тематических исследований в литературе, экспертных дискуссиях и экспериментальной апробации в промышленности. Для достижения поставленных задач проведено более 250 экспериментальных партий, обеспечена равномерность результатов технологических процессов на 100 мм кремниевых пластинах. Результаты исследований обработаны методами дисперсионного анализа. Для контроля параметров технологических процессов применены: электронная и оптическая микроскопия для измерения линейных размеров и исследования профиля структур в сколе; рефлектометрия и

эллипсометрия для измерения толщины тонких пленок и фоторезистов. При решении задач использованы теория оптимизации и математическая статистика.

Научная новизна работы:

1. Концептуально обоснована и проведена конструктивно-технологическая систематизация основных видов изделий МЭМС и процессов их изготовления, заключающаяся в классификации перспективных изделий МЭМС по подвижности их базовых элементов и группировании процессов ведущих мировых производителей по признаку используемых групп операций, что позволяет выявить общие признаки их разработки и изготовления.

2. Разработан метод синтеза базовых МТП изготовления МЭМС, основанный на формировании конструктивно-технологической базы знаний, отличающейся семантической структурой информационных блоков конструкций и технологий изготовления МЭМС, содержащей онтологические классы изделий, и позволяющей объединить различные по принципу действия изделия с общими базовыми элементами в рамках единого процесса изготовления.

3. Проведено математическое моделирование механических характеристик упругих и бистабильных элементов в широком диапазоне их геометрических параметров, а также электростатических и термических актуаторов МЭМС для определения минимальных размеров их элементов в зависимости от толщины кремниевой пластины, что позволяет оценить технологическую реализуемость конструкции и использовать полученные данные для создания библиотек элементов.

4. Для основной операции формирования топологии элементов МЭМС, фотолитографии толстых резистов, выявлена зависимость от толщины и оптических свойств фоторезиста для оценки предельного угла наклона стенок профиля фоторезистов, основанная на пороговом моделировании и заключающаяся в аппроксимации дифракционных явлений пространственного изображения вглубь толщины слоя фоторезиста.

Практическая значимость и результаты внедрения

Комплексный подход к разработке и изготовлению МЭМС изделий, базовый МТП, алгоритмы и модели внедрены при выполнении НИОКР, проводимых МГТУ им. Н.Э. Баумана и ФГУП «ВНИИА им. Н.Л. Духова» (Госкорпорация Росатом). На основе созданной методики, разработанных технологических операций и базового МТП изготовлены новый тип переключателей с пассивными элементами, инерциальные сенсоры, оптический датчик вибрации, микрофлюидные «лаборатории-на-чипе», а также МЭМС-структуры для элементной базы квантовых вычислителей в рамках реализации крупнейших российских проектов Фонда перспективных исследований.

Полученные математические модели, методики и комплекс модельных исследований процессов экспонирования толстых резистов внедрены в учебный процесс кафедры «Электронные технологии в машиностроении» МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Достоверность полученных научных результатов, выводов и рекомендаций диссертационной работы подтверждена результатами проведенных экспериментальных исследований, согласованностью теоретических и экспериментальных результатов, а также внедрением разработанных методик и режимов работы технологического оборудования в НИР, проводимых НОЦ «ФМНС» МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Выделение групп изделий МЭМС, подобных по конструктивным и технологическим признакам, и синтез базовых МТП для таких групп возможны на основе семантически организованных баз знаний с онтологической структурой для выявления взаимосвязей между базовыми конструкциями и МТП изготовления МЭМС. Это позволяет осуществлять быстрый запуск серийного изготовления разнородных типов МЭМС изделий, объединенных по конструктивно-технологическому принципу.

2. Формирование функциональных моделей изделий МЭМС путем моделирования конструктивных элементов и ключевых процессов их изготовления позволяет сформировать перечень элементов, конструктивно и технологически реализуемых в рамках единого базового МТП, с последующей экспериментальной апробацией варианта МТП для коррекции модели.

3. Для получения контролируемых профилей в толстых слоях фоторезистов (до 100 мкм), применяемых при формировании многоаспектных элементов МЭМС, пороговое моделирование процесса фотолитографии с учетом дифракционных явлений по глубине фоторезиста позволяет оценить влияние коэффициента поглощения и толщины фоторезиста на получаемый угол профиля в структуре фоторезиста, причем коэффициент поглощения дает наибольший вклад при формировании пространственного изображения в фоторезисте.

4. Разработанный и апробированный базовый МТП, синтезированный на основе онтологического подхода, позволяет изготавливать разнородные по принципу действия МЭМС изделия на стеклянных и кремниевых подложках, в частности, электрические и оптические переключатели, инерциальные системы (гироскопы и акселерометры) и микрофлюидные «лаборатории-на-чипе», что обеспечивает расширение номенклатуры и повышение эффективности разработки и внедрения перспективных МЭМС.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на научных семинарах ФГУП «ВНИИА им. Н.Л. Духова», семинарах кафедры «Электронные технологии в машиностроении» МГТУ им. Н.Э. Баумана, а также российских и международных конференциях: Будущее машиностроения России (Москва, 2016), PIERS (Санкт-Петербург, 2017), SPIE Saratov Fall Meeting (Саратов, 2018), APS March Meetings (Бостон, 2019), IS3C - Single-Molecule Sensors and NanoSystems 2019 (Мюнхен, 2019), ITEE-2019 - International forum «IT-technologies for engineering education: new trends and implementing experience, (Москва, 2019), «Биотехнология: состояние и перспективы развития. Науки о жизни» (Москва, 2019), APS March Meetings (Бостон, 2020), Моделирование сложных технических систем (Москва, 2020).

Публикации. По материалам и основному содержанию работы опубликовано в 8 научных работах, в том числе в 4 работах в изданиях Scopus и 4 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов и списка литературы. Материалы диссертации изложены на 183 страницах, содержащих 137 рисунка, 24 таблиц и список литературы из 222 наименований.

Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю профессору, д.т.н. Ю.Б. Цветкову за неоценимую. поддержу и мотивацию при выполнении работы, и директору НОЦ ФМНС, к.т.н. И.А. Родионову за научную идею работы и воспитание автора как специалиста на протяжении 5 лет.

Также автор выражает особую благодарность своим родителям за поддержку в выборе научного пути.

Глава 1. Анализ современного состояния МЭМС

Большинство теорий инновационного развития технологий утверждают, что радикальные инновации и революционные изменения — это результат отнюдь не внезапного озарения отдельных изобретателей, а творческой рекомбинации идей, людей и объектов как компонентов уже существующих технологий. [1] Возможность структурирования знаний, систематизации, стандартизации на языке пригодном для человеческого и машинного восприятия, открывает возможность генерации новых знаний из уже имеющихся данных. Формирование научного задела онтологического представления знаний является необходимой предпосылкой подготовки проектирования и производства к грядущему индустриальному преобразованию.

Концепция четвертой промышленной революции предусматривает сквозную цифровизацию всех физических процессов, их интеграцию в цифровую экосистему. Ей соответствуют новые цифровые технологии, характерными примерами которых можно считать Интернет вещей (1оТ) и его промышленную разновидность - Индустриальный Интернет вещей (11оТ). Под Интернетом вещей (Рисунок 1.1) понимается множество разнообразных приборов, датчиков, устройств, актуаторов, которые объединены в сеть посредством каналов связи.

Особое значение в таких системах имеют сенсоры и актуаторы [2], предназначенные для преобразования сигнала из одной физической формы энергии в другую. Сенсоры преобразуют давление, влажность, концентрацию газов, звук, ускорение, излучение и многое другое в электрический сигнал. Актуаторы реагируют на изменение входного сигнала, изменяя полезный оптический, электрический сигнал, и необходимы для организации систем контроля, включая: контроль температуры, системы демпфирования и другие.

Микроэлектромехнические системы (МЭМС) - это сенсоры и актуаторы, изготовленные преимущественно на кремниевых подложках с использованием групповых технологий обработки, заимствованных из технологии микроэлектроники (Рисунок 1.2, а). Кремний благодаря сочетанию уникальных

полупроводниковых и механических свойств, позволяет создавать широкий спектр МЭМС.

Индустрия 4.0

■'•. Интернет вещей

Обработка данных

- Большие данные ■ Искусственный интеллект - Дополненная реальность .•' '"Ц '•

Процессы

- Облачные ресурсы

- Моделирование

- Кибербезопасность

- Объединение системы

- Автономные роботы

- Аддитивные технологии

ы

1Р Соединения Сенсоры и актуаторы Рисунок 1.1. Пирамида индустриальной трансформации

От этапа начала разработок и исследования до первого момента внедрения в производстве различных МЭМС потребовалось 10 - 30 лет. Датчики давления с момента начало разработки до выхода на рынок прошли путь в более чем 35 лет, МЭМС акселерометры - более 25 лет. Бурный выход МЭМС (Таблица 1) изделий произошел после 2000-х, после создания емкого научно-технологического задела.

Таблица 1 .

Периоды разработки до выхода на рынок основных МЭМС [3]

Изделие Разработка Развитие Уменьшение цены Выход на рынок

Датчики давления 1954-1960 1960-1975 1975-1990 1990

Акселерометры 1974-1985 1985-1990 1990-1998 1998

Датчики потока 1986-1994 1994-1998 1998-2005 2005

Клапаны 1980-1988 1988-1996 1996-2002 2002

Сопла 1972-1984 1984-1990 1990-1998 1998

Оптические 1980-1986 1986-1998 1998-2004 2004

Био/хим. датчики 1980-1994 1994-1999 1999-2004 2004

СВЧ переключатели 1994-1998 1998-2001 2001-2005 2005

Гироскопы 1982-1990 1990-1996 1996-2002 2002

Микро-переключатели 1977-1982 1993-1998 1998-2006 2006

На момент написания диссертации, согласно исследованию [4-6], наибольший темп роста имеют СВЧ переключатели (Рисунок 1.2, б) и осцилляторы, что связанно с бурным развитием систем связи, а именно технологиями 5G. Микрофлюидные устройства создают предпосылки развития персонифицированной медицины, а датчики давления и инерциальные датчики имеют стабильный спрос.

Такие преимущества МЭМС сенсоров и актуаторов как групповая обработка и малая цена позволили интегрировать данные изделия в умных системах, которые находятся в основе новой парадигмы индустриализации.

а) б)

Рисунок 1.2. Развитие МЭМС: а) Среднегодовой темп роста основных типов

МЭМС б) Развитие и внедрение МЭМС технологии

Анализ современных направлений ведущих научных центров в области разработки МЭМС, таких как Sandia Laboratories (США), Fraunhofer (Германия), Массачусетского и Стэндорфотского Университета (США), показывает высокий интерес как к усовершенствованию инерциальных систем, обладавших радиационной стабильностью и повышенной точностью, так и к микрофлюидным, оптическим и СВЧ МЭМС устройствам.

Так как разработка каждого продукта имеет целью охват новой потребительской ниши или вытеснение старой, в зависимости от запросов потребителей можно условно выделить 3 категории МЭМС: стратегические, промышленные и широкого применения. Важно обозначать данное отличие, так как разработка новых МЭМС продуктов связана преимущественно со стратегическим и промышленным применением. Это обусловлено высокой

стоимостью разработки таких изделий. Для возможности параллельной разработки были созданы различные универсальные МЭМС процессы, такие как SUMMiT V, PolyMUMPS или Silicon-on-glass. В случае успешной разработки изделий на их основе возможен дальнейший переход к узконаправленным процессам, придавая уникальный, специализированный характер изготовления определенного класса изделий, которые уже полностью отвечают запросам потребителя и оправдывают расходы на изготовление.

1.1. Обзор и систематизация основных маршрутных технологических процессов изготовления МЭМС устройств

Необходимо заметить, что крупные компании предпочитают специализированные процессы, основанные, как правило, на запатентованных технологиях и уникальных операциях [3], обеспечивающих конкурентное технологическое преимущество. Напротив, для университетов характерен приоритет универсальных процессов, позволяющих расширить спектр изготавливаемых изделий (Рисунок 1.3).

Поликремнин Полимеры Гальванический Ni

Рисунок 1.3. Примеры существующих МЭМС процессов

В приложении приводится краткое описание каждого процесса, сделанное на основе источника [3].

Основными конструкционными материалами МЭМС изделий являются кремний, алюминий (Рисунок 1.3 и, к), никель (Рисунок 1.3 п), и полимерные материалы, такие как поли-пара-ксилилен (Рисунок 1.3 ф). Основным конструкционным материалом является кремний, что обусловлено развитием высокоточных технологий его обработки, таких как анизотропное травление в зависимости от кристаллографической решетки в растворах КОН, глубокое высоко-аспектное ионное травление (BOSCH процесс), изотропное травление в растворах азотной и плавиковой кислоты и селективное травление нелегированного относительно легированного слоя кремния в растворах этилендиамина и пирокатехола (EDP). Преимуществом кремния является также широкий диапазон удельного сопротивления, его высокие механические параметры, оптические параметры (кремний прозрачен в инфракрасном диапазоне), которые делают его универсальным материалом для новых разработок. При получении структур из кремния используют как монокристаллический кремний из цельной подложки (Рисунок 1.3 c, y); монокристаллический кремний в составе подложки кремний на изоляторе (Рисунок 1.3 в, з, о) или монокристаллический сильнолегированный поверхностный слой кремния (Рисунок 1.3 е, г, ж). Появление технологий осаждения кремния методами химического осаждения из газовой фазы (CVD), позволило выращивать слои из поликристаллического (Рисунок 1.3 б, т); и монокристаллического эпитаксиального кремния (Рисунок 1.3, д), и даже создание сложных многослойных структур (Рисунок 1.3 з, и, п).

В работе [7] представлены размерные ограничения элементов и аспектного соотношения технологиях МЭМС, таких как SCREAM, LIGA, PolyMUMPS и другие. В работе [8] представлено систематическое сравнение механических свойств материалов, таких как плотность, модуль Юнга, прочность и другие, в виде диаграмм. В данной работы были систематизированы современные МТП

относительно используемых групп операций для выбора путей синтеза МТП для необходимых перспективных МЭМС изделий.

1.2. Сравнительный анализ ключевых групп операции процессов МЭМС

В технологиях МЭМС можно выделить группы базовых операций, обеспечивающих послойное формирование необходимой структуры. В их число входят подготовка поверхности подложки, осаждение слоев материалов (распыление, испарение, PVD, CVD), фотолитография для передачи топологии, локальное травление. Глубокое ионное травление кремния (DRIE), химическое осаждение нитридов и оксидов, легирование, анодное соединение пластин считаются стандартными операциями в МЭМС технологиях.

При анализе процессов МЭМС (Рисунок 1.4) выявлено, что в них используют ограниченный набор операций в виде характерных для данного процесса групп. Кроме этого, каждый процесс, как правило, включает операции с повышенными требованиями, например, операция корпусирования в процессе SiTime с помощью осаждения поликристаллического кремния, получение высокоаспектных структур из кремния в процессе HARPSS или формирование мембраны большого размера в процессе Microphone.

Для каждого процесса существуют ключевые операции, близкие к технологическим пределам и выделенные на Рисунке 1.4 темным оттенком зеленого цвета. Это разделение носит субъективный характер, так как технологичность является параметром, определяемым возможностями производства и квалификацией персонала. При анализе взаимосвязи материалов подложек и основных групп операций показано, что кремниевые пластины являются начальной заготовкой большинства процессов. Кремниевые подложки различаются толщиной (от несколько десяток мкм до несколько миллиметров), требованиями к поверхностям, удельным сопротивлением, диаметром и др. Работа с тонкими подложками увеличивает риски повреждения пластины во время технологических операций, при этом допуск по толщине, наличие изгиба,

неравномерность толщины подложки являются определяющими факторами при соединении (бондинге) подложек.

Рисунок 1.4. Систематизация групп операций МЭМС

Удельное сопротивление кремниевых подложек определяется их назначением, например, СВЧ сенсоры нуждаются в высокоомных подложках, тогда как емкостные проводящие структуры - в низкоомном удельном сопротивлении. Доступный диапазон удельного сопротивления составляет от 0,001 до 50000 Омсм. Среднее значение сопротивления кремниевых пластин без дополнительной подготовки составляет от 10 до 20 Омсм. Диаметр пластин также является важным параметром, который определяет производительность и настройки всего оборудования, участвующего в изготовлении. Обычно для МЭМС используются подложки диаметром 100 или 150 мм, и под такие размеры настроены все единицы оборудования, участвующие в изготовлении.

Стеклянные подложки используются благодаря высоким изоляционным свойствам. Механические свойства кварцевого стекла имеют множество

преимущества по сравнению с кремнием, но обработка стекла ограничена жидкостным травлением в растворах плавиковой кислоты или высокоэнергичным травлением через толстые металлические маски, что ограничивает номенклатуру возможных элементов из стекла. Боросиликатные стекла благодаря своему составу и коэффициенту термического расширения используются в МЭМС для возможности осуществления анодного бондинга.

Глубокое ионно-реактивное плазмохимическое травление кремния (ОМЕ) позволяет получать вертикальные структуры с аспектным соотношением свыше 30 и с минимальными размерами балок до единиц мкм, что существенно расширяет конструкционные возможности.

Термический оксид кремния является одним из наиболее применяемых технологических слоев, выступая в качестве высокоселективной маски ПХТ травления кремния и обладая при этом высокими изоляционными, диэлектрическими и оптическими свойствами.

Для формирования дополнительных слоев используются как химическое осаждение из паровой фазы (СУО) поликремния, нитридных и оксидных слоев, так и физические методы осаждения из паровой фазы (РУО), такие как магнетронное распыление и ионное лучевое испарение. Данные способы заимствованы из технологии микроэлектроники и оптимизированы под нужды МЭМС.

Необходимая топология передается фотолитографией. В технологии МЭМС с размерами элементов микрометрового диапазона важной проблемой является не достижение минимального разрешения критических размеров, а его реализация на различных, в том числе рельефных поверхностях.

В процессах МЭМС используются различные процессы соединения пластин. Наиболее распространены прямое соединение, анодный бондинг и эвтектический бондинг. МЭМС технологии, помимо процессов, заимствованных из микроэлектроники, используют также и специальные процессы, такие как травление оксида кремния в парах плавиковой кислоты, сублимационные процессы сушки в парах СО, нанесение и фотолитографию полимерных слоев.

Применение множества одинаковых материалов, обладающих различными свойствами, свидетельствует об отсутствии универсальных процессов и наличии технологически-конструкционных противоречий, разрешение которых позволяет достичь максимальных показателей МЭМС. Несмотря на схожесть используемых операций и материалов, конечный вид изделий МЭМС существенно отличается, что связано с большой номенклатурой функциональных элементов МЭМС. При этом маршруты данных технологических процессов кардинально отличаются, а универсальный процесс изготовления МЭМС отсутствует.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Андроник Михаил, 2021 год

Список использованной литературы

1. Ивлев А. А., Артеменко В. Б. Онтология военных технологий: основы, структура,

визуализация и применение (1 часть) //Вооружение и экономика. 2011. №. 4. С. 35-52.

2. Business guide to Industrial IoT (Industrial Internet of Things). https://www.i-

scoop.eu/ (дата посещения: 16.01.2021.).

3. Ghodssi R., Lin P. (ed.). MEMS materials and processes handbook. Springer Science

& Business Media, 2011. Т. 1. 1224 p.

4. Tilli M. et al. (ed.). Handbook of silicon based MEMS materials and technologies.

Elsevier, 2020. 997p.

5. Status of the MEMS Industry. URL: https://www.i-micronews.com/ (дата посещения:

16.01.2021.).

6. MEMS market update. Yole development URL: http://www.yole.fr/ (дата посещения: 16.02.2021.).

7. Quinn D. J. et al. A systematic approach to process selection in MEMS //Journal of

microelectromechanical systems. 2006. Т. 15. №. 5. С. 1039-1050.

8. Srikar V. T., Spearing S. M. Materials selection in micromechanical design: an application of the Ashby approach //Journal of Microelectromechanical Systems. 2003. Т. 12. №. 1. С. 3-10.

9. Li X. et al. Lead-free piezoelectric diaphragm biosensors based on micro-machining

technology and chemical solution deposition //Sensors. 2016. Т. 16. №. 1. С. 69.

10. van Baar J., Wiegerink R. J., Lammerink T. S. J. Distributed thermal micro sensors for fluid flow : дис. PhD thesis, University of Twente, 2002.

11. Gardner J. W. et al. Integrated array sensor for detecting organic solvents //Sensors and Actuators B: Chemical. 1995. Т. 26. №. 1-3. С. 135-139.

12. Ahmed F. Fabrication of MEMS Based Air Quality Sensors: дис. 2011.

13. Lee W. S. et al. Fabrication of circular diaphragm for piezoelectric acoustic devices //JSTS: Journal of Semiconductor Technology and Science. 2005. Т. 5. №. 1. С. 52-57.

14. Li J. et al. ZnO thin film piezoelectric micromachined microphone with symmetric composite vibrating diaphragm //Smart Materials and Structures. 2017. Т. 26. №. 5. С. 055033.

15. Grigaliünas V. et al. Two-step fabrication of large area SiO2/Si membranes //Materials Science. 2012. Т. 18. №. 4. С. 325-329.

16. Merlos A. et al. Optimized technology for the fabrication of piezoresistive pressure sensors //Journal of Micromechanics and Microengineering. 2000. Т. 10. №. 2. С. 204.

17. Jun K. H., Kim J. S. Fabrication of Si membrane for a pressure sensor using the TMAH based etching solution //Sensors Applications Symposium (SAS), 2017 IEEE. IEEE, 2017. С. 1-5.

18. Lake R. A., Coutu Jr R. A. Variable response of a thermally tuned MEMS pressure sensor //Sensors and Actuators A: Physical. 2016. Т. 246. С. 156-162.

19. Kloeck B. et al. Study of electrochemical etch-stop for high-precision thickness control of silicon membranes //IEEE Transactions on Electron Devices. 1989. Т. 36. №. 4. С. 663-669.

20. Gardner J. W. et al. Integrated array sensor for detecting organic solvents //Sensors and Actuators B: Chemical. 1995. Т. 26. №. 1-3. С. 135-139.

21. Chuang W. H. MEMS-based silicon nitride thin film materials and devices at cryogenic temperatures for space applications : дис. 2005.

22. Scheeper P. R. et al. Fabrication of silicon condenser microphones using single wafer technology //Journal of Microelectromechanical Systems. 1992. Т. 1. №. 3. С. 147154.

23. Cianci E. et al. Dual frequency PECVD silicon nitride for fabrication of CMUTs' membranes //Sensors and Actuators A: Physical. 2006. Т. 127. №. 1. С. 80-87.

24. Briand D. Thermally Isolated Microelectronic Devices for Gas Sensing Applications. Université de Neuchâtel, 2001. №. THESIS_LIB.

25. Göpel W. Chemical imaging: I. Concepts and visions for electronic and bioelectronic noses //Sensors and Actuators B: Chemical. 1998. Т. 52. №. 1-2. С. 125-142.

26. Коноплев Б. Г., Лысенко И. Е. Компоненты микросистемной техники. 2009.

27. Niklaus F., Vieider C., Jakobsen H. MEMS-based uncooled infrared bolometer arrays: a review //MEMS/MOEMS technologies and applications III. International Society for Optics and Photonics, 2008. Т. 6836. С. 68360D.

28. Орлов И. Я., Двоешерстов М. Ю. 3-D моделирование тонкопленочных акустоэлектронных СВЧ резонаторов на основе нитрида алюминия. 2014.

29. Metcalf A. R., Narayan S., Dutcher C. S. A review of microfluidic concepts and applications for atmospheric aerosol science //Aerosol Science and Technology.

2018. Т. 52. №. 3. С. 310-329.

30. Официальный сайт компании ElveFlow, Обзор материалов для изготовления микрофлюидного чипа. URL: http://www.elveflow.com/microfluidic-tutorials/microfluidic-reviews-and-tutorials/materials-for-microfluidic-chips-fabrication-a-review-2017/ (дата посещения: 01.03.2018.).

31. Eaton W. P., Smith J. H. Micromachined pressure sensors: review and recent developments //Smart Materials and Structures. 1997. Т. 6. №. 5. С. 530.

32. Scheeper P. R. et al. A review of silicon microphones //Sensors and actuators A: Physical. 1994. Т. 44. №. 1. С. 1-11.

33. Dusarlapudi K. et al. Genesis of MEMS Accelerometers for Select the Optimal Accelerometer for Bio Applications //International Journal of Innovative Technology and Exploring Engineering (IJITEE), ISSN. С. 2278-3075.

34. Krishnan G. et al. Micromachined high-resolution accelerometers //Journal of the Indian Institute of Science. 2012. Т. 87. №. 3. С. 333.

35 Коледа А.Н. Исследования и разработка микромеханических гироскопов,

устойчивых к вибрации и ударам: дисс.... кандидата технических наук: Томск,

2019. 179с.

36. Kraft M. Micromachined inertial sensors: The state-of-the-art and a look into the future //Measurement and Control. 2000. Т. 33. №. 6. С. 164-168.

37. Ocak i. E. A tactical grade MEMS acceleroemeter. 2010.

38. Krishnan G. et al. Micromachined high-resolution accelerometers //Journal of the Indian Institute of Science. 2012. Т. 87. №. 3. С. 333.

39. Тимошенков А.С. Конструктивно-технологические основы создания

инерциальных микроэлектромехнических систем: дисс.... доктора технических наук: Москва, 2019. 179с.

40. Allen J. Micro-system inertial sensing technology overview //Albuquerque, New Mexico. 2009.

41. Alper S. E. MEMS gyroscopes for tactical-grade inertial measurement applications //The Graduate School of Natural and Applied Sciences of Middle East Technical University, Middle East Techinical University. 2005. Т. 331.

42. Kraft M. Micromachined inertial sensors: The state-of-the-art and a look into the future //Measurement and Control. 2000. Т. 33. №. 6. С. 164-168.

43. 60 Years of MEMS Start-up Companies | Dr. Kurt Petersen, URL: https://www.youtube.com/watch?v=PhFBMqeoF Q&ab channel=ElectricalandCo mputerEngineeringatMichigan, (дата посещения: 04.04.2020.).

44. Xia D., Yu C., Kong L. The development of micromachined gyroscope structure and circuitry technology //Sensors. 2014. Т. 14. №. 1. С. 1394-1473.

45. Fang J. C., Qin J. Advances in atomic gyroscopes: A view from inertial navigation applications //Sensors. 2012. Т. 12. №. 5. С. 6331-6346.

46. Durfee D. S., Shaham Y. K., Kasevich M. A. Long-term stability of an area-reversible atom-interferometer sagnac gyroscope //Physical review letters. 2006. Т. 97. №2. 24. С. 240801.

47. El Badaoui N. et al. Towards a solid-state ring laser gyroscope //Comptes Rendus Physique. 2014. Т. 15. №. 10. С. 841-850.

48. Kuznetsov A. G. et al. Precise laser gyroscope for autonomous inertial navigation //Quantum electronics. 2015. Т. 45. №. 1. С. 78.

49. Selvaraja S. K., Sethi P. Review on optical waveguides //Emerging Waveguide Technol. 2018. Т. 95.

50. Chollet F. Devices based on co-integrated MEMS actuators and optical waveguide: A review //Micromachines. 2016. Т. 7. №. 2. С. 18.

51. Ollier E. Optical MEMS devices based on moving waveguides //IEEE Journal of selected topics in quantum electronics. 2002. Т. 8. №. 1. С. 155-162.

52. Ollier E. et al. Micro-opto-mechanical vibration sensor integrated on silicon //Journal

of lightwave technology. 1999. Т. 17. №. 1. С. 26.

53. Oilier E., Labeye P., Revol F. A micro-opto-mechanical switch integrated on silicon for optical fiber network //Digest IEEE/Leos 1996 Summer Topical Meeting. Advanced Applications of Lasers in Materials and Processing. IEEE, 1996. С. 7172.

54. Wu B. et al. Silicon integrated interferometric optical gyroscope //Scientific reports. 2018. Т. 8. №. 1. С. 1-7.

55. Pengwang E. et al. Scanning micromirror platform based on MEMS technology for medical application //Micromachines. 2016. Т. 7. №. 2. С. 24.

56. Holmstrom S. T. S., Baran U., Urey H. MEMS laser scanners: a review //Journal of Microelectromechanical Systems. 2014. Т. 23. №. 2. С. 259-275.

57. The top 8 reasons to use an oscillator instead of a crystal resonator, https://www.sitime.com/api/gated/WhitePaper-Top-8-Reasons-Oscillator.pdf , (дата посещения: 07.10.2020.).

58. Chen C. Y., Li M. H., Li S. S. CMOS-MEMS resonators and oscillators: A review //Sensors Mater. 2018. Т. 30. №. 4. С. 733-756.

59. Shen H. Compact In-line DC Contact RF-MEMS Switch and Switched-line Phase Shifter. ProQuest, 2008.

60. Ma L. Y. et al. Comprehensive study on RF-MEMS switches used for 5G scenario //IEEE Access. 2019. Т. 7. С. 107506-107522.

61. Щаврук Н. В. Проектирование и изготовление микроэлектромеханических переключателей на подложках GaAs для СВЧ диапазона //Москва. Институт сверхвысокочастотной полупроводниковой электроники. 2015. Т. 1. С. 1-130.

62. Лагош А. В. Карбидокремниевые микромеханические ключи : дис. Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет" ЛЭТИ" им. ВИ Ульянова (Ленина), 2017.

63. Gong S., Shen H., Barker N. S. A 60-GHz 2-bit switched-line phase shifter using SP4T RF-MEMS switches //IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2011. Т. 59. №. 4. С. 894-900.

64. Wong J. E., Lang J. H., Schmidt M. A. An electrostatically-actuated MEMS switch

for power applications //Proceedings IEEE Thirteenth Annual International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (Cat. No. 00CH36308). IEEE, 2000. С. 633-638.

65. Lee H. S. et al. Electrostatically actuated copper-blade microrelays //Sensors and Actuators A: Physical. 2002. Т. 100. №. 1. С. 105-113.

66. Qiu J. An electrothermally-actuated bistable MEMS relay for power applications : дис. Massachusetts Institute of Technology, 2003.

67. Agrawal V. A latching MEMS relay for DC and RF applications //Proceedings of the 50th IEEE Holm Conference on Electrical Contacts and the 22nd International Conference on Electrical Contacts Electrical Contacts, 2004. IEEE, 2004. С. 222225.

68. Staab M., Schlaak H. F. Novel electrothermally actuated magnetostatic bistable microrelay for telecommunication applications //2011 IEEE 24th International Conference on Micro Electro Mechanical Systems. IEEE, 2011. С. 1261-1264.

69. Wang L. F. et al. Laterally-actuated inside-driven RF MEMS switches fabricated by a SOG process //Journal of Micromechanics and Microengineering. 2015. Т. 25. №2. 6. С. 065007.

70. Tian W., Li P., Yuan L. X. Research and analysis of MEMS switches in different frequency bands //Micromachines. 2018. Т. 9. №. 4. С. 185.

71. Сайт производителя оптический переключателей Sercalo, URL: https://www.sercalo.com/applications/ (дата посещения: 23.06.2020.).

72. Ding M. Energy Efficient High Port Count Optical Switches : дис. University of Cambridge, 2018.

73. Noell W. et al. Applications of SOI-based optical MEMS //IEEE Journal of selected topics in quantum electronics. 2002. Т. 8. №. 1. С. 148-154.

74. Lamers K. L. Components of an improved design process for micro-electromechanical systems. Stanford University, 2009.

75. Srinivasan T., Integrated Processes, Lecture 14, Berkeley Sensor & Actuator Center UC Berkeley UC Davis, 2014

76. Lisec T., Reinert W. Hermetic and Reliable Wafer-Level Packaging for MEMS //7th

ESA MNT. 2010.

77. Dragoi V., Cakmak E., Pabo E. Metal wafer bonding for MEMS devices //Romanian journal of information science and technology. 2010. Т. 13. №. 1. С. 65-72.

78. Niklaus F. et al. Adhesive wafer bonding //Journal of applied physics. 2006. Т. 99. №. 3. С. 2.

79. Williams K. R., Gupta K., Wasilik M. Etch rates for micromachining processing-Part II //Journal of microelectromechanical systems. 2003. Т. 12. №. 6. С. 761-778.

80. EerNisse E. P. Stress in thermal SiO2 during growth //Applied Physics Letters. 1979. Т. 35. №. 1. С. 8-10.

81. Leplan H. et al. Residual stresses in evaporated silicon dioxide thin films: Correlation with deposition parameters and aging behavior //Journal of applied physics. 1995. Т. 78. №. 2. С. 962-968.

82. Ambree P. et al. Determination of the mechanical stress in plasma enhanced chemical vapor deposited SiO2 and SiN layers //Journal of Vacuum Science & Technology B: Microelectronics and Nanometer Structures Processing, Measurement, and Phenomena. 1993. Т. 11. №. 3. С. 614-617

83. Li J. et al. ZnO thin film piezoelectric micromachined microphone with symmetric composite vibrating diaphragm //Smart Materials and Structures. 2017. Т. 26. №. 5. С. 055033.

84. Windischmann H. Intrinsic stress in sputter-deposited thin films //Critical Reviews in Solid State and Material Sciences. 1992. Т. 17. №. 6. С. 547-596.

85. Thornton J. A., Hoffman D. W. Stress-related effects in thin films //Thin solid films. 1989. Т. 171. №. 1. С. 5-31.

86. DelRio F. W., Cook R. F., Boyce B. L. Fracture strength of micro-and nano-scale silicon components //Applied Physics Reviews. 2015. Т. 2. №. 2. С. 021303.

87. Antonsson E. K. Structured design methods for MEMS final report //A Workshop sponsored by the National Science Foundation. 1995.

88. Watty R. Methodik zur Produktentwicklung in der Mikrosystemtechnik. 2006. 88. Korvink J., Paul O. MEMS: A practical guide of design, analysis, and applications.

Springer Science & Business Media, 2010.p. 992

89 Lamers K. L. Components of an improved design process for micro-electromechanical systems. Stanford University, 2009.90.

90. Учайкин С.В. и др., Разработка методов высокоуровневого проектирования многокомпонентных микросистем. Научно-технический отчет. Шифр заявки: «2012-1.5-14-000-2016-006». Томск, 2013. - 200c.

91. Fedder G. K. Structured design methodology for MEMS //IEEE MEMS. 1996. Т. 99. С. 17-21.92. 92.MEAD C., CONWAY L. Introduction to VLSI systems(Book) //Reading, MA, Addison-Wesley Publishing Co., 1980. 426 p. 1980.

93. Schlosser J. Development and Verification of fast C/C++ Models for the Star12 Micro Controller. 2001.

94. Al-Shebeeb O. A. Analysis of the Integration of DFM Techniques and Effective Machining Parameter Selection in Metal Parts Manufacturing. 2019.

95. Borovkov, A.I., Ryabov, Yu.A., & Maruseva, V. M., The new paradigm of digital design and modeling of globally competitive next-generation products. Digital production: methods, ecosystems, technologies. 2018 . С. 24-44.

96. Hauser J. R. et al. The House of Quality (1988) //Harvard Business Review. May-June. 1997. pp. 63-73

97. Samah A. A. Integration of preference analysis methods into Quality Function Deployment //Cottbus: Springer. 2011.

98. Erdil N. O., Arani O. M. Quality function deployment: more than a design tool //International Journal of Quality and Service Sciences. 2019.

99. Smith C. S. The manufacturing advisory service web based process and material selection. University of California, Berkeley, 1999. 21р.

100. Chen Y., Gupta S. K., Feng S. A Web-based process/material advisory system //Proceedings of imece00: Asme international mechanical engineering congress and exposition, orlando, fl. 2000. С. 5-10.

101. Royce W. W. Managing the development of large software systems: concepts and techniques //Proceedings of the 9th international conference on Software Engineering. 1987. С. 328-338.

102. Watty R. Methodik zur Produktentwicklung in der Mikrosystemtechnik. Universität

Stuttgart 2006.

103. Noy N. et al. Ontology development 101 //Knowledge Systems Laboratory, Stanford University. 2001. Т. 2001.

104. Зинченко Л. А. и др. Наноинженерия и инфокоммуникационные технологии //Вестник Российского фонда фундаментальных исследований. 2015. №. 3. С. 97-103.

105. Василюк Я. Р., Теслюк В. М., Зелшський А. Я. Анаиз моделей, методiв, принцитв i засобiв для побудови онтологш област мiкроелектромеханiчних систем //Науковий вiсник НЛТУ Украти. 2011. Т. 21. №. 12.

106. Hitzler P. Semantic Web: A Review Of The Field //Communications of the ACM. 2021.

107. Bauer M. et al. Towards semantic interoperability standards based on ontologies //AIOTI White paper. 2019.

108. Iqbal R. et al. An analysis of ontology engineering methodologies: A literature review //Research journal of applied sciences, engineering and technology. 2013. Т. 6. №. 16. С. 2993-3000.

109. Horrocks I. Ontologies and the semantic web //Communications of the ACM. 2008. Т. 51. №. 12. С. 58-67.

110. Iqbal R. et al. An analysis of ontology engineering methodologies: A literature review //Research journal of applied sciences, engineering and technology. 2013. Т. 6. №. 16. С. 2993-3000.

111. Hedberg T. et al. Toward a lifecycle information framework and technology in manufacturing //Journal of computing and information science in engineering. 2017. Т. 17. №. 2.

113. Mönch L., Stehli M. An ontology for production control of semiconductor manufacturing processes //German Conference on Multiagent System Technologies. Springer, Berlin, Heidelberg, 2003. С. 156-167.

114. Jiang P., Liu Z. Combining an ontology representation with rule-based reasoning for the process planning of bulk silicon micro-manufacturing //International Journal of Internet Manufacturing and Services. 2008. Т. 1. №. 3. С. 262-277.

115. Nakashima-Paniagua T., Doucette J., Moussa W. A. Process specification language for management of MEMS device development-a step towards standardisation //International Journal of Manufacturing Technology and Management. 2016. T. 30. №. 3-4. C. 143-163.

116. Hedberg T. et al. Toward a lifecycle information framework and technology in manufacturing //Journal of computing and information science in engineering. 2017. T. 17. №. 2.

117. Gallagher E., Moussa W., McDermott M. A review of fabrication processes for vertical comb drives //Microsystem technologies. 2012. T. 18. №. 4. C. 381-397.

118. Alper S. E. MEMS gyroscopes for tactical-grade inertial measurement applications //The Graduate School of Natural and Applied Sciences of Middle East Technical University, Middle East Techinical University. 2005. T. 331.

119. Liu X. S. et al. A doubly decoupled lateral axis micromachined gyroscope //Sensors and Actuators A: Physical. 2009. T. 154. №. 2. C. 218-223.

120. Alper S. E., Temiz Y., Akin T. A compact angular rate sensor system using a fully decoupled silicon-on-glass MEMS gyroscope //Journal of Microelectromechanical systems. 2008. T. 17. №. 6. C. 1418-1429.

121. Chen D., Zhang M., Wang J. An electrostatically actuated micromachined vibrating ring gyroscope with highly symmetric support beams //SENSORS, 2010 IEEE. IEEE, 2010. C. 860-863.

122. Yeh J. L. A., Jiang H., Tien N. C. Integrated polysilicon and DRIE bulk silicon micromachining for an electrostatic torsional actuator //Journal of Microelectromechanical systems. 1999. T. 8. №. 4. C. 456-465.

123. Hah D. et al. A self-aligned vertical comb-drive actuator on an SOI wafer for a 2D scanning micromirror //Journal of Micromechanics and Microengineering. 2004. T. 14. №. 8. C. 1148.

124. Sasaki M. et al. Three-dimensional SOI-MEMS constructed by buckled bridges and vertical comb drive actuator //IEEE Journal of selected topics in quantum electronics. 2004. T. 10. №. 3. C. 455-461.

125. Johar M. A. Exploration and Design of DC MEMS Switches for Integrated Self-x

Sensory Systems. 2015.

126. Krishnamoorthy U., Lee D., Solgaard O. Self-aligned vertical electrostatic combdrives for micromirror actuation //Journal of Microelectromechanical Systems. 2003. Т. 12. №. 4. С. 458-464.

127. Hah D. et al. A self-aligned vertical comb-drive actuator on an SOI wafer for a 2D scanning micromirror //Journal of Micromechanics and Microengineering. 2004. Т. 14. №. 8. С. 1148.

128. Эннс Я. Б. Исследование потери устойчивости для нелинейной микромеханической структуры. 2019.

129. Steiner H. et al. Thermal actuated passive bistable MEMS switch //2014 Microelectronic Systems Symposium (MESS). IEEE, 2014. С. 1-5.

130. Qiu J. et al. A bulk-micromachined bistable relay with U-shaped thermal actuators //Journal of microelectromechanical systems. 2005. Т. 14. №. 5. С. 1099-1109.

131. Johar M. A. Exploration and Design of DC MEMS Switches for Integrated Self-x Sensory Systems. 2015.

132. Liu H., Chollet F. Micro fork hinge for MEMS devices //J. Experimental Mech. 2006. Т. 21. №. 1. С. 61-70.

133. Qiu J. An electrothermally-actuated bistable MEMS relay for power applications : дис. Massachusetts Institute of Technology, 2003.

134. Engelen J. B. C. Optimization of Comb-Drive Actuators [Nanopositioners for probe-based data storage and musical MEMS]. 2011.

135. Zhao J., Gao Y. Electrostatic Comb-Drived Actuator for MEMS Relay/Switch //Micro/Nano Technologies; Springer: Singapore. 2018. С. 907-927.

136. Okada Y., Tokumaru Y. Precise determination of lattice parameter and thermal expansion coefficient of silicon between 300 and 1500 K //Journal of applied physics. 1984. Т. 56. №. 2. С. 314-320.

137. Okada Y., Tokumaru Y. Precise determination of lattice parameter and thermal expansion coefficient of silicon between 300 and 1500 K //Journal of applied physics. 1984. Т. 56. №. 2. С. 314-320.

138. Zirbel S. A. et al. Bistable mechanisms for space applications //PloS one. 2016. Т.

11. №. 12.

139. Lee C., Wu C. Y. Study of electrothermal V-beam actuators and latched mechanism for optical switch //Journal of Micromechanics and Microengineering. 2004. Т. 15. №. 1. С. 11.

140. Ando B. et al. Cascaded "triple-bent-beam" MEMS sensor for contactless temperature measurements in nonaccessible environments //IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. 2011. Т. 60. №. 4. С. 1348-1357.

141 Que L., Park J. S., Gianchandani Y. B. Bent-beam electrothermal actuators-Part I: Single beam and cascaded devices //Journal of Microelectromechanical Systems. 2001. Т. 10. №. 2. С. 247-254.

142. Chi I. T. et al. Design of a bistable mechanism with B-spline profiled beam for versatile switching forces //Sensors and Actuators A: Physical. 2019. Т. 294. С. 173-184.

143. Wang D. A., Pham H. T., Hsieh Y. H. Dynamical switching of an electromagnetically driven compliant bistable mechanism //Sensors and Actuators A: Physical. 2009. Т. 149. №. 1. С. 143-151.

144. Yadav D. et al. A two-terminal bistable electrothermally actuated microswitch //Journal of Microelectromechanical Systems. 2019. Т. 28. №. 3. С. 540-549.

145. Huang H. W., Yang Y. J. A MEMS bistable device with push-onpush-off capability //Journal of microelectromechanical systems. 2012. Т. 22. №. 1. С. 7-9.

146. Huang H. W., Lee F. W., Yang Y. J. J. Design criteria for a push-on push-off MEMS bistable device //Journal of Microelectromechanical Systems. 2016. Т. 25. №. 5. С. 900-908.

147. Hu T. et al. Design and characterization of a microelectromechanical system electrothermal linear motor with interlock mechanism for micro manipulators //Review of Scientific Instruments. 2016. Т. 87. №. 3. С. 035001.

148. Maloney J. M., Schreiber D. S., DeVoe D. L. Large-force electrothermal linear micromotors //Journal of Micromechanics and Microengineering. 2003. Т. 14. №. 2. С. 226.

149. Gao Y. et al. A Planar Single-Actuator Bi-Stable Switch Based on Latch-Lock

Mechanism //2019 20th International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems & Eurosensors XXXIII (TRANSDUCERS & EUROSENSORS XXXIII). IEEE, 2019. С. 705-708.

150. Gou Y., Chen G., Howell L. L. A design approach to fully compliant multistable mechanisms employing a single bistable mechanism //Mechanics Based Design of Structures and Machines. 2019. С. 1-24.

151. Ando B. et al. Cascaded "triple-bent-beam" MEMS sensor for contactless temperature measurements in nonaccessible environments //IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. 2011. Т. 60. №. 4. С. 1348-1357.

152. Que L., Park J. S., Gianchandani Y. B. Bent-beam electrothermal actuators-Part I: Single beam and cascaded devices //Journal of Microelectromechanical Systems. 2001. Т. 10. №. 2. С. 247-254.

153. Daneshmand M. et al. Thermally actuated latching RF MEMS switch and its characteristics //IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2009. Т. 57. №. 12. С. 3229-3238.

154. Steiner H. et al. Highly efficient passive thermal micro-actuator //Journal of Microelectromechanical Systems. 2015. Т. 24. №. 6. С. 1981-1988.

155. Lee C., Wu C. Y. Study of electrothermal V-beam actuators and latched mechanism for optical switch //Journal of Micromechanics and Microengineering. 2004. Т. 15. №. 1. С. 11.

156. Comtois J. H., Michalicek M. A., Barron C. C. Fabricating micro-instruments in surface-micromachined polycrystalline silicon. Sandia National Labs., Albuquerque, NM (United States), 1997. №. SAND-97-0718C; CONF-970546-2.

157. Baker M. S. et al. Final report: compliant thermo-mechanical MEMS actuators LDRD# 52553 //Sandia report SAND2004-6635. 2004. С. 1-38.

158. Khazaai J. Design, fabrication, and characterization of electro-thermal micro devices based on MEMS actuators. Oakland University, 2012.

159. Pirmoradi E., Mirzajani H., Ghavifekr H. B. Design and simulation of a novel electro-thermally actuated lateral RF MEMS latching switch for low power applications //Microsystem technologies. 2015. Т. 21. №. 2. С. 465-475.

160. Moulton T., Ananthasuresh G. K. Micromechanical devices with embedded electro-thermal-compliant actuation //Sensors and Actuators A: Physical. 2001. Т. 90. №. 1-2. С. 38-48.

161. Khazaai J. Design, fabrication, and characterization of electro-thermal micro devices based on MEMS actuators. Oakland University, 2012.

162. Bell D. J. et al. MEMS actuators and sensors: observations on their performance and selection for purpose //Journal of Micromechanics and Microengineering. 2005. Т. 15. №. 7. С. S153.

163. Dochshanov A., Verotti M., Belfiore N. P. A comprehensive survey on microgrippers design: Operational strategy //Journal of Mechanical Design. 2017. Т. 139. №. 7.

164. Potekhina A., Wang C. Review of Electrothermal Actuators and Applications //Actuators. Multidisciplinary Digital Publishing Institute, 2019. Т. 8. №. 4. С. 69.

165. Reddy R. R. et al. A zero-power sensing MEMS shock sensor with a latch-reset mechanism for multi-threshold events monitoring //Sensors and Actuators A: Physical. 2019. Т. 295. С. 1-10.

166. Cao Y., Xi Z. A review of MEMS inertial switches //Microsystem Technologies. 2019. Т. 25. №. 12. С. 4405-4425.

167. Acar C., Shkel A. M. Structurally decoupled micromachined gyroscopes with postrelease capacitance enhancement //Journal of Micromechanics and Microengineering. 2005. Т. 15. №. 5. С. 1092.

168. Popescu C. M. Advanced resist materials for next generation lithography : дис. University of Birmingham, 2019.

169. Ito H. Chemical amplification resists: History and development within IBM //IBM Journal of research and development. 1997. Т. 41. №. 1.2. С. 119-130.

170. Okoroanyanwu U. Chemistry and Lithography. John Wiley & Sons, 2011.

171. Willson C. G. et al. The design of resist materials for 157nm lithography //Journal of Photopolymer Science and Technology. 2002. Т. 15. №. 4. С. 583-590.

172. Mack C. Fundamental principles of optical lithography: the science of microfabrication. John Wiley & Sons, 2008. 455р.

173. Liu S. et al. Enhanced dill exposure model for thick photoresist lithography //Microelectronic engineering. 2005. T. 78. C. 490-495.

174. Zhou Z. F., Huang Q. A. Comprehensive simulations for ultraviolet lithography process of thick SU-8 Photoresist //Micromachines. 2018. T. 9. №. 7. C. 341.

175. Yang R., Wang W. A numerical and experimental study on gap compensation and wavelength selection in UV-lithography of ultra-high aspect ratio SU-8 microstructures //Sensors and Actuators B: Chemical. 2005. T. 110. №. 2. C. 279-288.

176. Kang W. J. et al. Novel exposure methods based on reflection and refraction effects in the field of SU-8 lithography //Journal of Micromechanics and Microengineering. 2006. T. 16. №. 4. C. 821.

177. Chuang Y. J., Tseng F. G., Lin W. K. Reduction of diffraction effect of UV exposure on SU-8 negative thick photoresist by air gap elimination //Microsystem Technologies. 2002. T. 8. №. 4-5. C. 308-313.

178. Tian X. et al. Simulation of deep UV lithography with SU-8 resist by using 365 nm light source //Microsystem technologies. 2005. T. 11. №. 4-5. C. 265-270.

179. Tang X. et al. Simulation and analysis for microstructure profile of optical lithography based on SU-8 thick resist //Microelectronic engineering. 2007. T. 84. №. 5-8. C. 1100-1103.

180. Zhou Z. F., Huang Q. A. Comprehensive simulations for ultraviolet lithography process of thick SU-8 Photoresist //Micromachines. 2018. T. 9. №. 7. C. 341.

181. Yoshihisa S. et al. Profile simulation of SU-8 thick film resist //Journal of Photopolymer Science and Technology. 2005. T. 18. №. 1. C. 125-132.

182. Brubaker C., Islam R., Luesebrink H. Ultra-thick lithography for advanced packaging and MEMS //Advances in Resist Technology and Processing XIX. International Society for Optics and Photonics, 2002. T. 4690. C. 270-276.

183. Madou, M. J. (2011). Fundamentals of Microfabrication and Nanotechnology, Three-Volume Set. CRC Press.

184. Thompson, L. F., & Bowden, M. J. (1983). The lithographic process: the physics. Introduction to Microlithography, American Chemical Society, Advanced in

Chemistry Series, 219.

185. Puthankovilakam K. Limitations of Proximity Lithography Printing. EPFL, 2017. №. THESIS.

186. Wang, F., Liu, F., Kong, L., Sundaram, V., Tummala, R. R., & Adibi, A. (2010). Proximity Lithography in Sub-10 Micron Circuitry for Packaging Substrate. IEEE Transactions on Advanced Packaging, 33(4), 876-882.

187. Гудмен Дж. Введение в фурье-оптику: Пер. с англ. М.: Мир, 1970.

188. Бычков С.П., Михайлов В.П., Панфилов Ю.В., Цветков Ю.Б.; Под ред. Ю.Б. Цветкова, Физические основы микро- и нанотехнологий: Учеб. Пособие, М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009. 176 с.: ил.

189. Puthankovilakam K. Limitations of Proximity Lithography Printing. EPFL, 2017. №. THESIS.

190. Voelkel R. et al. Lithographic process window optimization for mask aligner proximity lithography //Optical Microlithography XXVII. International Society for Optics and Photonics, 2014. Т. 9052. С. 90520G.

191. Okoroanyanwu U. Chemistry and lithography. Washington: SPIE, 2010. P. 878.

192. Tam L., Lau. D. A molecular dynamics investigation on the crosslinking and physical properties of epoxy-based materials// Royal Society of Chemistry, 2014.

193. Huber R. et al. Fabrication of multilevel silicon structures by anisotropic deep silicon etching //Microelectronic engineering. 2003. Т. 67. С. 410-416.

194. Bagolini A. et al. Fabrication of novel MEMS microgrippers by deep reactive ion etching with metal hard mask //Journal of Microelectromechanical Systems. 2017. Т. 26. №. 4. С. 926-934.

195. Rahiminejad S. et al. A four level silicon microstructure fabrication by DRIE //Journal of Micromechanics and Microengineering. 2016. Т. 26. №. 8. С. 084003.

196. Aydinoglu F. et al. Chromium oxide as a hard mask material better than metallic chromium //Journal of Vacuum Science & Technology B, Nanotechnology and Microelectronics: Materials, Processing, Measurement, and Phenomena. 2017. Т. 35. №. 6. С. 06GB01.

197. Ganji B. A., Majlis B. Y. Deep trenches in silicon structure using DRIE method with

aluminum as an etching mask //Semiconductor Electronics, 2006. ICSE'06. IEEE International Conference on. IEEE, 2006. С. 41-47.

198. Huber R. et al. Fabrication of multilevel silicon structures by anisotropic deep silicon etching //Microelectronic engineering. 2003. Т. 67. С. 410-416.

199. Bagolini A. et al. Fabrication of novel MEMS microgrippers by deep reactive ion etching with metal hard mask //Journal of Microelectromechanical Systems. 2017. Т. 26. №. 4. С. 926-934.

200. Rahiminejad S. et al. A four level silicon microstructure fabrication by DRIE //Journal of Micromechanics and Microengineering. 2016. Т. 26. №. 8. С. 084003.

201. Mita Y. et al. A silicon shadow mask with unlimited patterns and a mechanical alignment structure by Al-Delay Masking Process //IEEJ Transactions on Sensors and Micromachines. 2000. Т. 120. №2. 7. С. 357-362.mechanical alignment structure by al-delay masking process

202. Tsai J. M. L. et al. The BELST II process for a silicon high-aspect-ratio micromaching vertical comb actuator and its applications //Journal of Micromechanics and Microengineering. 2003. Т. 14. №. 2. С. 235.

203. Liu, X., Yang, Z., Yan, G., Fan, J., Ding, H., & Liu, Y. (2006). Design and Fabrication of a lateral axis Gyroscope with Asymmetric Comb-Fingers as Sensing Capacitors. 2006 1st IEEE International Conference on Nano/Micro Engineered and Molecular Systems. doi:10.1109/nems.2006.334890

204. Yeom J. et al. Maximum achievable aspect ratio in deep reactive ion etching of silicon due to aspect ratio dependent transport and the microloading effect //Journal of Vacuum Science & Technology B: Microelectronics and Nanometer Structures Processing, Measurement, and Phenomena. 2005. Т. 23. №. 6. С. 2319-2329.

205. Grosse A., Grewe M., Fouckhardt H. Deep wet etching of fused silica glass for hollow capillary optical leaky waveguides in microfluidic devices //Journal of micromechanics and microengineering. 2001. Т. 11. №. 3. С. 257.

206. Stjernstrom M., Roeraade J. Method for fabrication of microfluidic systems in glass //Journal of Micromechanics and Microengineering. 1998. Т. 8. №. 1. С. 33.

207. Lin C. H. et al. A fast prototyping process for fabrication of microfluidic systems on

soda-lime glass //Journal of Micromechanics and Microengineering. 2001. Т. 11. №. 6. С. 726.

208. Bien D. C. S. et al. Characterization of masking materials for deep glass micromachining //Journal of Micromechanics and Microengineering. 2003. Т. 13. №. 4. С. S34.

209. Steingoetter I., Grosse A., Fouckhardt H. Very deep fused silica etching //Micromachining Technology for Micro-Optics and Nano-Optics. International Society for Optics and Photonics, 2003. Т. 4984. С. 234-243.

210. Iliescu C. et al. Deep wet and dry etching of Pyrex glass: A review //Proceedings of the ICMAT (Symposium F), Singapore. 2005. С. 75-78.

211. Lin C. H., Chen K. W., Li T. Y. Rapid soda-lime glass etching process for producing microfluidic channels with higher aspect ratio //Microsystem technologies. 2014. Т. 20. №. 10-11. С. 1905-1911.

211. Koutny L. B. et al. Microchip electrophoretic immunoassay for serum cortisol //Analytical chemistry. 1996. Т. 68. №. 1. С. 18-22.

212. Steingoetter I., Fouckhardt H. Deep fused silica wet etching using an Au-free and stress-reduced sputter-deposited Cr hard mask //Journal of Micromechanics and Microengineering. 2005. Т. 15. №. 11. С. 2130.

213. Mazurczyk R. et al. A novel concept of the integrated fluorescence detection system and its application in a lab-on-a-chip microdevice //Sensors and Actuators B: Chemical. 2006. Т. 118. №. 1-2. С. 11-19.

214. Mourzina Y., Steffen A., Offenhausser A. The evaporated metal masks for chemical glass etching for BioMEMS //Microsystem technologies. 2005. Т. 11. №. 2-3. С. 135-140.

215. Fan Z. H., Harrison D. J. Micromachining of capillary electrophoresis injectors and separators on glass chips and evaluation of flow at capillary intersections //Analytical Chemistry. 1994. Т. 66. №. 1. С. 177-184.

216. Zhu H. et al. Characterization of deep wet etching of fused silica glass for single cell and optical sensor deposition //Journal of Micromechanics and Microengineering. 2009. Т. 19. №. 6. С. 065013.

217. Nagarah J. M., Wagenaar D. A. Ultradeep fused silica glass etching with an HF-resistant photosensitive resist for optical imaging applications //Journal of Micromechanics and Microengineering. 2012. Т. 22. №. 3. С. 035011.

218. "Klein N. J., Grindeland D. B., Strachan B. D. Q-Flex Accelerometer Thermal Performance Study. SUNSTRAND DATA CONTROL INC REDMOND WA, 1976. №. 070-0955-001.

218. Kharlamov M. S., Guseva O. S., Konovalov S. F. Features of the Application of Reactive Ion Etching of Quartz in the Production of Pendulums of Q-Flex Accelerometers //Russian Microelectronics. 2020. Т. 49. С. 184-194.

219. Bien D. C. S. et al. Characterization of masking materials for deep glass micromachining //Journal of Micromechanics and Microengineering. 2003. Т. 13. №. 4. С. S34.

220. Минкин, А.М. Технологические основы формирования чувствительного элемента из кварцевого стекла методом химического травления через текстурированное молибденовое покрытие. [Текст]:

дис.....канд.техн.наук:05.17.01:защищена 17.08.2020/Минкин Александр

Михайлович. - Пермь, 2020. - 116 с.

221. Ceyssens F., Puers R. Deep etching of glass wafers using sputtered molybdenum masks //Journal of Micromechanics and Microengineering. 2009. Т. 19. №. 6. С. 067001.

222. Zhu H. et al. Characterization of deep wet etching of fused silica glass for single cell and optical sensor deposition //Journal of Micromechanics and Microengineering. 2009. Т. 19. №. 6. С. 065013.

Приложение

FBAR (англ. FBAR - Film Bulk Acoustic-wave Resonator) процесс компании Avago (Рисунок 1.3. а), изначально разработанный в Hewlett-Packard Laboratories и дальше - в Agilent Technology. В данном процессе формируется воздушное пространство под резонатором для согласования импеданса. На высокоомной кремниевой пластине расположен резонатор, который состоит из тонкого слоя пьезоэлектрического материала (AlN) и изолирован между двумя электродами с обеих сторон (Mo, W). Основным применением данных резонаторов является СВЧ фильтры для мобильных устройств.

Microphone является процессом компании Knowles (Рисунок 1.3. б) и состоит из формирования тонкой перфорированной мембраны (1,0 мкм поликремния), которая находится вблизи жесткой мембраны (1,5 мкм Si3N4). На поверхность нижней мембраны осаждается тонкий слой поликремния, чтобы сформировать электрод для измерения емкости. Перфорация нижней мембраны уменьшает эффекты демпфирования. Для предотвращения слипания из-за электростатических сил формируются механические ножки высотой 4 мкм. Данный процесс состоит из 11 фотолитографий.

Процесс Resonator компании SiTime (Рисунок 1.3. в) нацелен на изготовление осцилляторов, которые уже имеют характеристики, позволяющие заменить кварцевые осцилляторы. Основной задачей является создание осциллятора со стабильными характеристиками. Для достижения этой цели компания SiTime разработала процесс вакуумного «захоронения» созданных структур под называнием EpiSeal. Процесс начинается с формирования слоя p-Si толщиной 10 мкм на подложке КнИ (кремний-на-изоляторе). После травления слоя p-Si и освобождения структур в парах HF, элементы подвергаются высокотемпературному отжигу и полностью закрываются толстым слоем поликремния в едином вакуумном цикле. Процесс подобран таким образом, что осаждение не перекрывает предыдущие травленые структуры в p-Si.

Gyroscope (Рисунок 1.3. г) - процесс создания гироскопов камертонного типа

компании Draper. Компания Draper - одной из первых, кому удалось создать МЭМС гироскопы. Данный процесс начинается с формирования углублений в кремниевой подложке жидкостным травлением в растворе КОН. Верхняя поверхность подвергается сильному легированию на глубину 5 - 20 мкм. После этого глубоким реактивно-ионным травлением кремния (англ. DRIE - Deep Reactive Ion Etching) формируются элементы будущего гироскопа. Обработанная подложка соединяется анодным сращиванием со стеклянной подложкой, на которой уже сформированы электроды из золота. Нелегированная часть кремниевой подложки стравливается в растворе EDP (Этилендиамин пирокатехол) и останавливается на легированной части благодаря селективности раствора. Данное селективное удаление закрепилось под называнием Dissolved wafer и впервые было разработано в Мичиганском Университете.

THELMA (Thick Epitaxial Layer for Microactuators and Accelerometers) -процесс компании STMicroelectronics (Рисунок 1.3. д), который позволил им быть среди лидеров МЭМС изготовителей. Благодаря изготовлению по данному процессу, появилась возможность производить акселерометры с очень приемлемой ценой при характеристиках, отвечающих требованиям для использования в мобильных устройствах. Данный процесс акцентируется на осаждении толстого слоя эпитаксиального Si толщиной от 15 мкм до 50 мкм. Структуры формируются глубоким реактивно-ионным травлением. Они располагаются над ранее осажденным слоем поликремния и оксидным жертвенным слоем толщиной до 5 мкм, которые выступают в качестве электрода.

Pressure sensor от NovaSensor - процесс создания датчиков давления (Рисунок 1.3. е). Данные изделия имеют большую роль в МЭМС индустрии, охватывая большую ее часть. Датчики основаны на изгибе тонкой мембраны, который улавливается с помощью пьезорезистивных элементов. В рамках процесса Pressure sensors эпитаксиальный p-Si осаждается на жертвенную подложку и соединяется прямым бондингом Si-Si с другой кремниевой подложкой, на которой заранее сформированы углубления жидкостным травлением. Жертвенная часть подложки селективным травлением удаляется, оставляя тонкую сплошную

мембрану. Ионной имплантацией далее формируются пьезорезистивные элементы. В других процессах формирования датчиков давления используется эвтектический, анодный или адгезивный бондинг.

Ford Microelectronics (Рисунок 1.3. ж) для создания акселерометров разработал комплексный процесс изготовления, включая герметическое корпусирование чувствительного элемента анодным способом. На стеклянную поверхность осаждается металлический слой для создания электродов и затем защищается слоем осажденного Pyrex стекла толщиной 1,5 мкм. Чувствительный элемент формируется на кремниевой подложке с p+ Si и n- (epi)Si слое. В данном случае в легированном слое кремния формируется необходимая форма структур путем травления и после этого данный слой анодным бондингом присоединяется к стеклянной подложке. Далее, как и в случае процесса Gyroscope, жертвенная часть пластины селективно удаляется, освобождая чувствительный элемент. На следующем этапе чувствительный элемент герметично закрывается кремниевой крышкой, анодно соединенной со слоем Pyrex стекла.

Hybrid MEMS от Infotonics (первоначально разработанный компанией Xerox) использует подложку КнИ с приборным слоем кремния толщиной 5 мкм, который позволяет создавать сложные оптомеханические структуры (Рисунок 1.3. ж). Использование кристаллического кремния обусловлено повышенными оптическими и механическими характеристиками по сравнению с осажденным Si. Данный процесс состоит из 13 фотолитографий, а также из формирования структур в кремнии DRIE процессом на различную глубину и осаждения слоев поликремния и оксидов для формирования вспомогательных структур. Основная сложность заключается в постановке процессов фотолитографии на травленные структуры кремния. Данные проблемы преодолеваются путем осаждения толстого слоя оксида тетраэтоксисилана (TEOS) и его последующей планаризации.

Процесс RF MEMS Switch от компании MEMtronics (Рисунок 1.3. з) направлен на создание СВЧ переключателей. Данные переключатели работают посредством электростатического притяжения чувствительной линии к сигнальной в результате чего происходит переключение сигнала или его затухание. Данный

процесс изначально был разработан в компании Texas Instruments, а потом - в Raytheon Systems. Процесс начинается с формирования термического оксидного изоляционного слоя на высокоомной пластине. Далее формируются электроды из вольфрама толщиной 0,5 мкм и изолирующий слой нитрида кремния толщиной 0,2 мкм. После этого наносится толстый слой 4 мкм алюминия, который травится жидкостным способом. Затем на данной «высокой» топологии делается фотолитография в жертвенном слое из фоторезиста и формируется верхний слой алюминия, на котором последующим травлением воспроизводится его топология. В конце жертвенный слой удаляется в кислородной плазме.

Процесс DLP (Digital Light Processing) от компании Texas Instruments (Рисунок 1.3. к) является одним из наиболее успешных процессов МЭМС и позволил создавать проекторы в их сегодняшнем виде. Главным элементом данных изделий является алюминиевое зеркало, которое с помощью электростатических электродов, располагающихся под ним, отклоняется, регулируя оптический сигнал в нужном направлении. Сложность данных изделий заключается в том, что на одном чипе располагается более 2 миллионов таких зеркал, а их размер порядка 10x10 мкм с эффективной площадью 90%. Данный процесс строится на КМОП подложке с нормой 0,8 мкм, которая ограничивает дальнейший температурный бюджет до 400°С. На начальных этапах формируется толстый оксидный изолирующий слой с последующей планаризацией. Далее изготавливаются электроды, наносится жертвенный полимерный слой и формируются алюминиевые зеркала, соединенные сквозь полимерный слой. Основной сложностью данных процессов является обеспечение планарности всех слоев.

Процесс Thermal Inkjet от компании Xerox (Рисунок 1.3. л) направлен на создание головок струйной печати. Данные технологии лежат в основе производственных методов для микрофлюдики. Печать осуществляется за счет нагрева малого объема жидкости и быстрого ее испарения, что вызывает импульсное «выстреливание» из канала с большой скоростью. При изготовлении таких устройств формируются нагреватели из поликремния на КМОП подложке с некритичной топологической нормой. Для долговечности нагреватели

защищаются слоем тантала, который разделен нитридным изоляционным слоем. Каналы изготавливаются в кремниевой подложке с использованием многослойных защитных нитридных и оксидных слоев для ступенчатого травления в растворах KOH. Далее кремниевая подложка соединяется через слой полиимида к КМОП подложке с нагревателями.

Процесс Microbolometer (Рисунок 1.3. м) от компании Honeywell строится, как и в случае процесса DLP, на базе из массива элементов. В данном случае эти элементы чувствительны к инфракрасному излучению на длине волны 8 - 14 мкм. Термическая изоляция каждого пикселя является одним из главных вызовов для данных изделий. Процесс начинается с КМОП подложки, на которую наносится изоляционный оксидный слой с последующей планаризацией. Далее наносится слой, отражающий инфракрасное излучение, и полимерный жертвенный слой толщиной ~2,5 мкм. Толщина полимера будет определять зазор между чувствительным материалом и нижним отражающим слоем. Его толщина подбирается для обеспечения оптического резонанса между данными слоями. Далее осаждается тонкий слой нитрида кремния и чувствительный слой оксида ванадия и травится через фоторезистивный материал. На последнем этапе формируется слой электрической металлизации и удаляется жертвенный полимерный слой.

Компания MEMSCap предлагает группу базовых процессов для общего пользования под названием MUMPS (Multi User MEMS Processes). С помощью этого потребитель по уже известному процессу может заказывать изготовление чипов согласно предложенным правилам проектирования либо с малыми отклонениями от стандартного процесса при дополнительной оплате. Изначально данные процессы были разработаны в Microelectronic Center of North Carolina (MCNC) при поддержке DARPA. PolyMUMPS (Рисунок 1.3. и) основываются на разработке Калифорнийского университета Berkley в конце 1980-х, начале 1990-х. Для реализации данного процесса используют три слоя поликремния толщинами примерно 2 мкм, послойно осажденные на подложку и разделенные жертвенным слоем диоксида кремния. Слои соединены между собой механически. Данный

процесс позволяет получать различные поверхностные элементы для формирования инерциальных датчиков и переключателей различного вида и имеет большой потенциал для исследования. Процесс SOIMUMPS (Рисунок 1.3. о) использует в качестве заготовки пластины КнИ (кремний на изоляторе). Процесс начинается с легирования приборного слоя кремния для придания ему необходимой проводимости. Далее наносят электрические контакты на лицевую сторону подложки и с помощью глубокого реактивно-ионного травления кремния формируются высокоаспектные структуры с обеих сторон подложки. Для создания электромеханических компонентов в процессе MetalMUMPS используют слой гальванического никеля. Данный процесс был успешно использован для создания электрических переключателей и различных инерциальных датчиков. Заготовкой для данного процесса является высокоомная подложка (>4000 Омсм). На нее наносится электрический слой поликремния, изолируемый слоем нитрида кремния, а далее формируется металлическая затравка. После этого через толстый слой фоторезиста происходит гальваническое выращивание слоя никеля. Далее для обеспечения минимального электрического контактного сопротивления теневым осаждением формируются золотые контакты. На последнем этапе под определенными структурами возможно создание углублений жидкостным травления кремния. Такой набор из трех базовых процессов перекрывает большую часть потребностей для исследовательской деятельности в МЭМС.

Summit V (Sandia ultra-planar multilevel MEMS technology 5) от Sandia Laboratories (Рисунок 1.3. р) до сих пор остается одним из наиболее технологически сложных процессов МЭМС. На исходную пластинку наносятся 5 слоев поликремния толщиной 2 - 2,5 мкм каждый. Среди них: 1 статический и 4 структурных слоя. МТП изготовления состоит из 14 фотолитографий и этапов химико-механического полирования для соблюдения требований по планарности структур. Изделия, изготовленные данным процессом, применялись в миссиях NASA, например в системах управляемых микрозеркал на борту миссии NASA ST5 Micro-Sats. Данный процесс после этого был передан компании Fairchild Semiconductor для коммерческого использования. Также для обеспечения быстрого

прототипирования было разработано программное обеспечения SAMPLES.

Процесс SCREAM (Single-Crystal Reactive Etching and Metallization) был разработан в Университете Cornell в середине 1990-x (Рисунок 1.3. с). Данный процесс состоит из одной фотолитографии, глубокого реактивно-ионного травления кремния, термического оксидирования поверхности кремния, освобождения структур в селективном газе (XeF2) по отношению к SiO2, и дальнейшего осаждения слоя металлизации через теневую маску. Высота таких структур из кремния достигает от 4 мкм до 20 мкм. Данный процесс предоставляет технологичную возможность прототипировать простые инерциальные изделия.

Процесс HARPSS (High-Aspect-Ratio Combined Poly and Single Crystal Silicon) изначально был разработан в университете Мичиган и усовершенствован в Технологическом Институте Джорджии (Рисунок 1.3. т). Данный процесс включает в себя 6 фотолитографий. На кремниевую подложку осаждается и травится изолирующий слой нитрида кремния толщиной 0,2 мкм, далее глубоким реактивно-ионным травлением кремния создаются структуры глубиной до нескольких сотен микрометров. Далее LPCVD (Low pressure chemical vapor deposition) методом осаждается жертвенный слой диоксида кремния, который обволакивает созданные структуры в кремнии. Затем каналы заполняются LPCVD поликремнием и последовательно легируются бором. Далее травится слой поликремния и оксида и осаждается дополнительный слой поликремния. В качестве проводников выступает золото с подслоем хрома. После данного этапа освобождаются структуры травлением в SF6 и далее травятся в парах HF. Преимущество данного МТП изготовления состоит в создании структур с высоким аспектным соотношением, что было успешно применено при создании гироскопов на объемных поверхностных волнах.

Процесс Silicon-on-glass, разработанный в Мичиганском университете (Рисунок 1.3. у), был успешно применен для широкого класса изделий: инерциальные сенсоры, микроактуаторы, микромеханические резонаторы и другие. В данном процессе используются превосходные изоляционные свойства стекла и стабильные механические свойства кристаллического кремния.

Отличительной чертой данного метода производства заключается в возможности создания высокоаспектных (до 50, обычно 15) структур в кремнии с помощью глубокого реактивно-ионного травления и в отсутствии необходимости использования дорогих подложек КнИ. Данный процесс начинается с травления боросиликатного стекла на глубину порядка 10 мкм, далее формируются электрические проводники из золота. После этого стеклянная подложка соединяется с кремниевой путем анодного бондинга и на лицевой стороне формируются электрические соединения (осаждением и травлением золота с подслоем хрома). Далее происходит глубокое реактивно-ионное травление кремния для создания механических структур в слое кремния.

Последний из рассмотренных процессов, Plastic MEMS (Рисунок 1.3. ф), был разработан тоже в Мичиганском Университете и предназначен для микрофлюидных разработок. Данный процесс использует Parylene-C в качестве конструкционного материала, который обладает превосходной сплошностью, химической инертностью и малой проницаемостью газами и жидкостями. Однако данный полимер ограничивает максимальные рабочие температуры до 90°С и имеет относительно малую проницаемостью в концентрированных кислотах и щелочах. Parylene-C позволяет формировать каналы шириной до 200 мкм и высотой до 50 мкм. В начале на стеклянную подложку осаждается 6 мкм Parylene-C, далее формируются необходимые электроды и проводники из золота. После этого на толстом слое жертвенном фоторезисте (10 мкм) осаждается 3 мкм Parylene-C. Фоторезист удаляется жидкостном способом, формируя каналы. Далее наносится еще один слой Parylene-C толщиной 6 мкм, который закрывает открытые и необходимые для удаления фоторезиста области каналов. На следующем этапе осаждается защитный слой и электрический слой из титана в требуемых областях. Далее формируются вводы в каналы для легкого соединения патрубков с каналами и зоной для жидкостного травления титана через SU-8 толщиной 75 мкм. Каналы открываются удалением Parylene-C в кислородной плазме.