Особенности производства микроэлектромеханических систем

Микромеханические датчики получили самое широкое распространение во многих приложениях, в т.ч. и в автомобильной электронике — в системах управления ДВС, системах безопасности и стабилизации движения, где требования к надежности и стойкости к механическим и климатическим воздействиям весьма высоки.
В настоящее время MEMS-системы переживают «волну коммерциализации». Переносные ПК оснащены трехосным акселерометром для защиты данных на жестком диске при случайном падении ноутбука. В ряде мобильных телефонов используются миниатюрные акселерометры сенсорной системы, что позволяет упростить пользовательский интерфейс. К впечатляющим достоинствам таких игровых устройств как Nintendo Wii или Sony PS3 относится и технология определения пространственного положения игрового контроллера.
На рынке бытовой электроники спрос на эти датчики будет расти еще большими темпами. Например, датчики скорости рыскания применяются для повышения стабилизации изображения в видеокамерах и фотоаппаратах. Более того, предполагается реализовать сопряжение датчиков перемещения и навигационных приборов (в т.ч. электронных компасов) в модулях для измерения параметров движения, что позволит осуществлять персональную навигацию с помощью переносных устройств. В результате произойдет дальнейшее развитие сервисов, предоставляемых операторами телекома с учетом местоположения пользователя.
Датчики малых давлений в настоящее время находят широкое применение в автомобильных и медицинских приложениях. Недавно появившиеся тонкие небольшие и недорогие датчики давления будут востребованы и на рынке потребительской электроники, способствуя развитию новых приложений. Кремниевые емкостные микрофоны также соперничают с электретными микрофонами, устанавливаемыми в мобильных телефонах и ноутбуках.
В отдельных приложениях в один модуль будут устанавливаться несколько датчиков, например акселерометры, гироскопы и датчики давления. У компании STMicroelectronics имеются две технологические платформы — THELMA и VENSENS, предназначенные для интеграции датчиков. К настоящему времени ST разработала несколько осевых гироскопов, датчиков давления и микрофонов. Производство и разработка осуществляются на фабрике 8-дюймовых MEMS-систем, что обеспечивает быстрое время выхода продукции на потребительский рынок. Микромеханические датчики физических величин изготавливаются по тем же технологиям, что и основные ИС. На фабрике создаются объемные механические структуры, чаще всего — на кремниевой подложке. Кварц и керамика используются для производства пьезоэлектрических резонаторов и гироскопов, принцип работы которых основан на эффекте Кориолиса. Однако наиболее распространенным материалом становится кремний благодаря своим превосходным электрическим, механическим и тепловым свойствам.
Помимо физических свойств привлекательность кремния в том, что производители имеют возможность изготавливать тысячи микромеханических компонентов — благодаря такому масштабу относительно недорогое производство MEMS-систем, как и микроэлектроники, имеет большой успех. Более того, поскольку эти компоненты изготавливаются бок о бок с кремниевыми пластинами и этот процесс очень хорошо отлажен, устройства отличаются большей точностью и воспроизводимостью, чем схожие продукты, но произведенные иначе.
Основное отличие MEMS-устройств от их КМОП-транзисторных собратьев в том, что в результате функционального объединения MEMS-устройств с микросхемами электрические сигналы, генерируемые перемещающимися объектами, например диафрагмой или рычагом, обеспечивают функции восприятия и управления, используемые в датчиках для широкого круга приложений.
Многие этапы производства микромеханических изделий схожи с производством ИС, но в MEMS-устройствах используются такие материалы как золото или стеклоприпой, которые запрещены в КМОП-технологии.
Несмотря на то, что каждый производитель MEMS применяет собственную микромеханическую технологию, все процессы можно отнести к следующим двум широким классам.
Объемная микробработка. Это субтрактивная технология, которая заключается в выборочном удалении кремния для формирования требуемых структур. Данный метод имеет меньшую точность, чем поверхностная микрообработка. Эта технология существует довольно давно и применяется все реже.
Поверхностная микрообработка характеризуется построением микроструктуры на поверхности кремния путем осаждения тонких защитных (жертвенных, удаляемых в конце процесса) и структурных слоев. Основная часть подложки в этом процессе не затрагивается. Данный метод изначально применялся лишь для создания тонких устройств (менее 2 мкм), т.к. на подложку можно нанести только тонкие пленки. Этот класс технологических процессов более перспективен и распространен для создания датчиков движения.
STMicroelectronics использует два разных процесса микрообработки в производстве MEMS — THELMA (THick Epitaxial Layer for Microgyroscopes and Accelerometers — толстый эпитаксиальный слой для формирования микрогироскопов и акселерометров) и VENSENS (VENice process for SENSor — технология получения датчиков).
Первый метод предназначен для производства быстродействующих и недорогих датчиков движения, например акселерометров и гироскопов, а также микрофонов, тогда как второй метод — для изготовления датчиков малых давлений. Оба метода являются частными разработками производственных этапов технологий объемной и поверхностной микрообработки.
На начальном этапе процесса THELMA на стандартную кремниевую пластину наносится слой диоксида кремния толщиной менее 2 мкм для обеспечения электрической изоляции. Затем осаждается тонкий поликремниевый слой для создания межсоединений и второй жертвенный слой (менее ¼ мкм). В этом слое протравливаются отверстия для крепления неподвижных элементов и якори для подвижных элементов. Более толстый поликремниевый эпитаксиальный слой (менее 15 мкм) наращивается сверху; с помощью единой маски в нем вытравливаются структуры для подвижных и неподвижных элементов. Наконец, жертвенный слой диоксида кремния под этими структурами удаляется в процессе изотропного травления для освобождения подвижных частей.
Открытое пространство вокруг этих структур заполняется газом — как правило, сухим азотом, чтобы уменьшить или устранить эффекты, обусловленные влажностью или изменениями в плотности газа, которые могут повлиять на резонансные частоты устройства. Вторая пластина скрепляется с первой для защиты миниатюрных структур в процессе литья под давлением при высоких температурах.
Процесс VENSENS имеет дело со стандартной кремниевой пластиной. В этой технологии используется сочетание собственных разработок фирмы, использующих этапы мокрого и сухого травления для формирования жертвенного слоя толщиной менее 3 мкм, на который наносится слой монокристаллического кремния до 20 мкм толщиной. Конечный результат очень схож с тем, что получается в процессе склеивания двух пластин в технологии объемной микрообработки, однако имеется одно важное преимущество: у чипов меньшая толщина и выше механическая прочность. Более того, герметизация полости не требует склеивания пластин, благодаря чему повышается надежность уплотняющего шва.

Несмотря на то, что современные микронные MEMS-устройства можно изготавливать на фабриках, использующих старые 6-дюймовые пластины, многие компании переходят на 8-дюймовые технологические линии, чтобы удовлетворить быстрорастущий спрос и справиться с ценовым давлением рынка бытовой электроники. Компания STMicroelectronics уже совершила такой переход. С технической точки зрения, большой масштаб использования MEMS-систем в основном обусловлен их чрезвычайно миниатюрными размерами, высокой надежностью и низким энергопотреблением, что во многих случаях позволяет им быстрее и точнее выполнять функции по сравнению с их макроскопическими аналогами. Не стоит также пренебрегать и ценовыми преимуществами этих систем, особенно на рынке бытовой электроники.