А. І. Демченко, С. В. Корякін, Н. І. Завадська, Е. В. Лобко УП “Мінський НДІ радіоматеріалів” вул. Кіжеватова, 86, Мінськ-220024, Білорусь тел.: 017-2782305, e-mail: irma (cbinfonet.bv

Анотація Наведено результати дослідження коригування механічної напруги в діелектричної мембрані Si3N4Si02Si3N4. Метод коригування полягає в іонно-променевого травленні плівки нітриду кремнію або плівки оксиду кремнію в залежності від переважного прогину мембрани в планарную або зворотну сторону. Розроблена діелектрична система може використовуватися в широкому класі мембранних датчиків.

I. Вступ

Рис. 1. Структура діелектричної мембрани Fig. 1. Dielectric membrane structure

Актуальним завданням при виготовленні виробів МЕМС і різних датчиків на мембранах є формування високоякісної мембрани. В якості мембран використовуються діелектричні плівки, плівки полікремнію [1]. Широко використовуються діелектричні мембрани, що складаються з матеріалів SiC> 2, Si3N4, Що володіють високим електроопору, низькою теплопровідністю [2]. Дані характеристики цих матеріалів переважні для використання в теплових датчиках мембранного типу, де потрібно мінімальні втрати теплової енергії.

Рис. 2. Діелектричної мембрани з формованої на поверхні металізацією і захисним шаром металізації

Так як ці матеріали мають високі механічні напруги, то в мембранах використовуються системи, що складаються з чергуються шарів Si3N4SiC> 2 Si3N4. Це пов’язано з тим, що механічні напруги мають різні знаки. Плівки Si3N4 мають позитивні (розтягнення), а плівки SiC> 2отріцательний (стиснення). Причому у плівок Si3N4, Отриманих методом хімічного вакуумного осадження при низькому тиску (LPCVD), зусилля розтягування в 3-4 рази вище, ніж у плівок оксиду кремнію. Плівки SiC> 2 формуються шляхом розкладання силану (SiH4) З додаванням кисню при температурі 700 С, Si3N4 за допомогою розкладання діхпорсілана (SibbO) в суміші з аміаком при температурі 830-850 ° С.

II. Основна частина

У даній роботі досліджувалася діелектрична мембрана Si3N4 (0,2 мкм) Si02 (0,8 мкм) Si3N4 (0,2 мкм). Дана система має мінімальні механічні напруги, порядку 108 Па. У датчиках крім даної діелектричної мембрани використовуються металізація (в основному Ni, Pt), яка вносить свої механічні напруги, а також захисту металізації, в якості якої використовується часто SiC> 2, товщиною 0,3 … 0,4 мкм. У зв’язку з цим виникають додаткові механічні напруги, які можуть зменшити міцність мембрани, викликати її деформацію. На рис. 1 і 2 представлені структура діелектричної мембрани з формованої на поверхні металізацією і захисним шаром металізації і її зображення.

Для вирішення проблеми компенсації напруг пропонується коригування механічних напружень діелектричної мембрани. Даний метод коригування полягає в травленні плівки нітриду кремнію або плівки оксиду кремнію в залежності від переважного знака механічних напруг. Травлення проводилося методом іонно-променевого розпилення пучками іонів аргону з з енергією 0,6 кеВ і щільністю струму іонного пучка

0, 2 мА / см2. Як джерело іонів використовувався широкоапертурних джерело з порожнистим холодним катодом [3]. Контроль ступеня травлення здійснювався по вигину мембрани інтерференційних методом.

При прогині мембрани в планарную сторону домінуючий вплив надає розтягнення напруга плівки Si3N4, Проводилося травлення плівки нітриду кремнію із зворотного боку.

Fig. 2. Dielectric membrane with metallized surface and protective metal coating

Дана конструкція мембрани використовувалася при розробці кристала інфрачервоного датчика (болометра). На рис. 3 представлений кристал болометра. Розмір кристала 2×2 мм. Діаметр мембрани 1,2 мм.

Якщо домінуючий вплив надає плівка SiC> 2, прогин відбувається у зворотний бік, проводилося розпилювання оксиду кремнію з планарной сторони. Коригування згинальних напружень проводилося в діапазоні товщин до 0,1 мкм і здійснювалася контролем вигину плівки.

Рис. 3. Кристал інфрачервоного датчика (болометра)

Fig. 3. IR sensor (bolometer) crystal

Мембрана являє собою систему діелектричних плівок Si3N4 (0,2 мкм) Si02 (0,8 мкм) Si3N4 (0,2 мкм) на яку напилення нікелевий терморезистор товщиною порядку 0,3 мкм, із захисним діелектричним шаром Si02 товщиною

0, 2 … 0,3 мкм. Коригування величини вигину системи проводилася за запропонованою вище методикою. Поглинаючий поверхневий шар не вносив помітних додаткових напружень в структуру.

III. Висновок

Розроблена діелектрична система може використовуватися в широкому класі мембранних датчиків.

IV. Список літератури

[1]  М. М. Farooqui and A. G. R. Evans, “Polysilicon microstructures,” in Proc. IEEE Micro Electro Mechanical Systems Workshop MEMS 91, Nara, Japan, Jan. 30-Feb. 2, 1991, pp. 187-191.

[2] Чорний Б. І., Новоженюк fl. І. Вільні маски в технології електронної техніки. Зарубіжна електронна техніка № 2, 1981, с. 3-40.

[3] Стогній А. І., Демченко А. І., Корякін С. В. Технологічні широкоапертурних джерела іонів кисню з холодним порожнистим катодом. / / 4-го Межд. симпозіуму “Вакуумні технології та обладнання”: СБ докл., Харків (23-27 квітня 2001). Харків, 2001, с. 193-196.

A TECHNIQUE FOR MANUFACTURING DIELECTRIC MEMBRANES

Demchenko A. I., Koryakin S. V.,

Zavadskaya N. I., Lobko E. V.

Minsk Research Institute of Radio Materials 86 Kizhevatova Str., Minsk, Belarus, 220024 phone (17)2782305; e-mail: irma@infonet.by

Abstract A topical problem in manufacturing MEMS devices and various membrane-based sensors is the production of high-quality membranes. Dielectric and polysilicon films are used [1] for membranes. Dielectric membranes consisting of Si02, Si3N4 materials have also found wide application [2]. The Si02, Si3N4 materials have high electrical resistivity and low thermal conduction, which makes them materials of choice for thermal membrane sensors where minimal losses of thermal energy are required.

We investigated the Si3N4 (0.2|jm) Si02 (0.8|jm) Si3N4 (0.2|jm) dielectric membrane manufactured by the LPCVD process. Apart from dielectric membranes, sensors also utilize metallization (Ni, Pt mainly) and protective layers (Si02) which introduce strains to the membrane. As a result, additional mechanical strains occur that may compromise the strength of membranes.

To tackle the issue of strain compensation we propose a corrective technique for dielectric membrane strains. This technique involves etching a silicon nitride film or a silicon oxide film depending on the prevalent sign of the strains. The argon ion beam sputtering with the ion energy of 0.6keV and ion beam density of 0.2mA/cm2 was used for etching. A wide-aperture source with cold hollow cathode was used as an ion beam generator [3]. The etching was controlled by the interference technique at the membrane bend. With the membrane bending to a flat side, we etched a silicon nitride film on the reverse side. With the membrane bending to the reverse side, we etched a silicon oxide film on the flat side.

The above membrane design was used to manufacture infrared sensor (bolometer) crystals. We used the following membrane structure: Si3N4 (0.2|jm) Si02 (0.8|jm) Si3N4 (0.2|jm) with a nickel thermoresistor (about 0.3|jm) and a Si02 protective dielectric layer (0.2…0.3|jm). The compensation of the structural strains was carried out according to the above technique. The absorbing surface layer did not introduce noticeable additional strains into the structure.

This dielectric structure may find applications across a wide range of membrane sensors.


Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2003р.