References

radioelectronics

Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника

Journal of the Russian Universities. Radioelectronics

1993-89852658-4794

Saint Petersburg Electrotechnical University

10.32603/1993-8985-2018-21-4-47-56

radioelectronics-248

Research Article

МИКРО- И НАНОЭЛЕКТРОНИКА

MICRO- AND NANOELECTRONICS

ВЛИЯНИЕ ТЕПЛОВОГО БЮДЖЕТА ФОРМИРОВАНИЯ КАНТИЛЕВЕРНЫХ КОНСОЛЕЙ SINX/AL НА НАЧАЛЬНЫЕ ДЕФОРМАЦИИ ТЕПЛОВЫХ СЕНСОРОВ МЭМС

INITIAL DEFORMATION OF SINX/AL CANTILEVERS ACCORDING TO THERMAL BUDGET FOR MEMS SENSORS

Рудаков

Г. А.

Rudakov

G. A.

Рудаков Григорий Александрович – магистр техники и технологии по направлению "Электроника и микроэлектроника" (2003), начальник участка. Автор более 20 научных работ. Область научных интересов – технология полупроводниковых приборов и МЭМ-преобразователей; тепловые приемники изображений.

Шокина пл., д. 1, Зеленоград, Москва, 124498.

Grigory A. Rudakov – Master’s Degree in Electronics and Microelectronics (2003), head of sector of SMC "Technological center". The author of more than 20 scientific publications. Area of expertise: semiconductor and MEMS technologies, thermal image detectors.

1, Shokina Sq., Zelenograd, 124498, Moscow.

grigory.rudakov@gmail.com

Хафизов

Р. З.

Khafizov

R. Z.

Хафизов Ренат Закирович – кандидат физико-математических наук (1977), генеральный директор ООО "ГрафИмпресс". Автор более 100 научных работ. Область научных интересов: физика полупроводниковых приборов; многоэлементные фотоприемники видимого и ИК-диапазонов, в том числе на основе МЭМ-технологий; магниточувствительные сенсоры; фотоэлектрические преобразователи энергии.

Стрелецкая ул., д. 6, Москва, 127018.

Renat Z. Khafizov – Ph.D. in Physical and Mathematical sciences (1077), General Director of LLC "GrafIm-press". The author of more than 100 scientific publications. Area of expertise: physics of semiconductor devices (focal planes arrays of visible and IR ranges, including those based on MEMS technologies, magnet-sensitive sensors, photoelectric energy converters).

6, Streletskaya Str., 127018, Moscow.

imagelab@mail.ru

НПК "Технологический центр"РоссияSMC "Technological center"Russian Federation

ООО "ГрафИмпресс"РоссияGraphImpress Co ltdRussian Federation

2018

28082018

044756

2018

Рудаков Г.А., Хафизов Р.З.

Rudakov G.A., Khafizov R.Z.

Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.

This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.

https://re.eltech.ru/jour/article/view/248

Механические свойства приборов и устройств микроэлектромеханических систем (МЭМС) во многом определяются их структурой и условиями изготовления: толщиной тонких пленок, температурой процессов их формирования, условиями осаждения и т. д. Эти условия, в частности температурные режимы осаждения и последующих термообработок, определяют остаточные напряжения в пленках и, как следствие, влияют на их начальные деформации, стабильность параметров, чувствительность и надежность. В связи с этим прогнозирование уровня остаточных напряжений и управление процессами формирования с целью их минимизации является важной частью конструктивно-технологического проектирования МЭМС.

В настоящей статье исследовано влияние термической обработки на остаточные механические напряжения пленок SiNx , Al и структур SiNx/Al . Показано, что растягивающие напряжения в пленках Al являются определяющими для остаточных напряжений структуры SiNx/Al и возрастают при увеличении температуры и времени отжига. Это позволяет подобрать условия отжига и тепловой бюджет формирования структур таким образом, чтобы скомпенсировать сжимающие напряжения в слоях SiNx и минимизировать суммарные остаточные напряжения и начальные деформации. Толщина слоев структуры SiNx/Al слабо влияет на уровень остаточных механических напряжений, но соотношение толщин слоев SiNx и Al является определяющим для термической деформации кантилеверной консоли.

Mechanical properties of MEMS devices are specified by their structure and process parameters, such as temperature, films thickness, deposition conditions, etc. These features, in particular, the deposition temperature and post deposition treatments, determine the residual stress in the films, which affect the initial deformation, stability of parameters, sensitivity and reliability. Prediction, control and minimization of residual stress are an important part of the structural and technological design of MEMS devices. The effect of post deposition thermal treatment on the residual mechanical stress of SiNx, Al and SiNx/Al films is studied. It is shown that the tensile stress in Al film is critical for residual mechanical stress of the SiNx/Al structure and increases with the increase of temperature and time of post annealing. This allows to control the post annealing conditions and the process temperature budget to compensate the compressive stress in SiNx films and to minimize the summary residual stresses and initial deformations of SiNx/Al structure. The residual stress of the bilayer SiNx/Al structure has little effect on the film thickness, but the ratio of SiNx and Al thicknesses is significant for the thermal deformation of SiNx/Al microcantilever.

биморфный кантилеверструктура SiNx/Alмеханические напряжениядеформациитепловые сенсоры МЭМС

bilayer cantileverSiNx/Alresidual stressinitial deformationMEMS IR sensors

References1

Gaura E., Newman R. Smart MEMS and Sensor Systems. Imperial College Press, 2006. 552 p.

Gaura E., Newman R. Smart MEMS and Sensor Systems. Imperial College Press, 2006, 552 p.

Enabling Technology for MEMS and Nanodevices / H. Baltes, O. Brand, G. K. Fedder, C. Hierold, J. G. Korvink, O. Tabata // Advanced Micro & Nanosystems. 2004. Vol. 1. Betreiber: Wiley-VCH, 2004. 430 p.

Baltes H., Brand O., Fedder G. K., Hierold C., Korvink J. G., Tabata O. Enabling Technology for MEMS and Nanodevices. Advanced Micro & Nanosystems, vol. 1, Betreiber, Wiley-VCH, 2004, 430 p.

Hesketh P. J. BioNanoFluidic MEMS. Luxembourg: Springer, 2008. 292 p.

Hesketh P. J. BioNanoFluidic MEMS. Luxembourg, Springer, 2008, 292 p.

Ghodssi R., Lin P. MEMS Materials and Processes. Handbook. Luxembourg: Springer, 2008. 1188 p.

Ghodssi R., Lin P. MEMS Materials and Processes. Handbook. Luxembourg, Springer, 2008, 1188 p.

High sensitivity 25μm and 50μm pitch microcantilever IR imaging arrays / S. Hunter, G. Maurer, G. Simelgor, S. Radhakrishnan, J. Gray // Proc. of SPIE. 2007. Vol. 6542. P. 1–13.

Hunter S., Maurer G., Simelgor G., Radhakrishnan S., Gray J. High Sensitivity 25μm and 50μm Pitch Microcantilever IR Imaging Arrays. Proc. of SPIE. 2007, vol. 6542, pp. 1–13.

Амеличев В. В., Ильков А. В. Конструктивно-технологический базис создания электроакустических преобразователей. Мир электроники. М.: Техносфера, 2012. 104 с.

Amelichev V. V., Il'kov A. V. Konstruktivno-tekhnologicheskii bazis sozdaniya elektroakusticheskikh preobrazovatelei. Mir elektroniki [Structural and Technological Basis for Creating Electro-Acoustic Transducers. The World of Electronics]. Moscow, Tekhnosfera, 2012, 104 p. (In Russian)

Characterization of Nonstoichiometric Silicon Nitride PECVD/ALD Films for IR Micro-Detectors Arrays / G. A. Rudakov, A. A. Sigarev, V. A. Fedirko, E. A. Fetisov // 14th Int. Baltic Conference on Atomic Layer Deposition (BALD), Saint Petersburg, 2–4 Nov. 2016. Piscataway: IEEE, 2016. P. 2011–2013.

Rudakov G. A., Sigarev A. A., Fedirko V. A., Fetisov E. A. Characterization of Nonstoichiometric Silicon Nitride PECVD/ALD Films for IR Micro-Detectors Arrays. 14th Int. Baltic Conference on Atomic Layer Deposition (BALD). 2–4 November 2016. Saint Petersburg. Piscataway: IEEE, 2016, pp. 2011–2013.

Thermopile IR Sensor Arrays / V. A. Fedirko, E. A. Fetisov, R. Z. Khafizov, G. A. Rudakov, A. A. Sigarev // Proc. of the Scientific–Practical Conf. "Research and Development – 2016", Moscow, Russia, 14–15 Dec. 2016. Luxembourg: Springer, 2016. P. 39–48.

Fedirko V. A., Fetisov E. A., Khafizov R. Z., Rudakov G. A., Sigarev A. A. Thermopile IR Sensor Arrays. Proc. of the Scientific–Practical Conf. "Research and Development – 2016". 14–15 December 2016. Moscow. Russia. Luxembourg, Springer, 2016, pp. 39–48.

Steffanson M., Rangelow I. W. Microthermomechanical Infrared Sensors // Opto-Electron. Rev. 2014. Vol. 22, № 1. P. 1–15.

Steffanson M., Rangelow I. W. Microthermomechanical Infrared Sensors. Opto-Electron. Rev. 2014, vol. 22, no. 1, pp. 1–15.

Design, Fabrication, and Characterization of a 240 × 240 MEMS Uncooled Infrared Focal Plane Array With 42-μm Pitch Pixels / Ou Yi, Z. Li, F. Dong, D. Chen, Q. Zhang, C. Xie // J. of Microelectromechanical Systems. 2013. Vol. 22, № 2. P. 452–461.

Yi Ou, Li Z., Dong F., Chen D., Zhang Q., Xie C. Design, Fabrication, and Characterization of a 240 × 240 MEMS Uncooled Infrared Focal Plane Array With 42-μm Pitch Pixels. J. of Microelectromechanical Systems. 2013, vol. 22, no 2, pp. 452–461.

Наноэлектромеханические термочувствительные элементы / Е. А. Фетисов, В. А. Федирко, Р. З. Хафизов, В. И. Золотарёв, Д. А. Зенюк, Г. А. Рудаков // Сб. тр. IV Всерос. науч.-техн. конф. "Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем", Истра, 4–8 окт. 2010. М.: ИППМ РАН, 2010. С. 638–641.

Fetisov E. A., Fedirko V. A., Khafizov R. Z., Zolotarev V. I., Zenyuk D. A., Rudakov G. A. Nanoelectromechanical Thermosensitive Elements. Sb. tr. IV vseross. nauch.-tekhnich. konf. "Problemy razrabotki perspektivnykh mikro- i nanoelektronnykh sistem" [IV All-Russian Scientific and Technical Conference "Problems of Development of Advanced Micro- and Nanoelectronic Systems"]. Moscow, IPPM RAN, 2010, pp. 638–641. (In Russian)

Термомеханическая чувствительность неохлаждаемого биматериального приемника ИК-диапазона, построенного по технологии микрооптомеханических систем / Р. З. Хафизов, Е. А. Фетисов, Р. В. Лапшин, Е. П. Кириленко, В. Н. Анастасьевская, И. В. Колпаков // Успехи прикладной физики. 2013. Т. 1, № 4. С. 520–523.

Khafizov R. Z., Fetisov E. A., Lapshin R. V., Kirilenko E. P., Anastas'evskaya V. N., Kolpakov I. V. Thermomechanical Sensitivity of an Uncooled Bimaterial Receiver of the IR Range, Built Using the Technology of Micro-Optomechanical Systems. Uspekhi prikladnoi fiziki [Advances in Applied Physics]. 2013, vol. 1, no. 4, pp. 520–523. (In Russian)

Перспективные интегральные матричные приемники теплового излучения с оптическим считыванием/ Д. Б. Рыгалин, Е. А. Фетисов, Р. З. Хафизов, В. И. Золотарев, И. А. Решетников, Г. А. Рудаков, Р. В. Лапшин, Е. П. Кириленко // Изв. вузов. Электроника. 2013. № 3(101). С. 60–63.

Rygalin D. B., Fetisov E. A., Khafizov R. Z., Zolotarev V. I., Reshetnikov I. A., Rudakov G. A., Lapshin R. V., Kirilenko E. P. Perspective Integrated Matrix Heat Radiation Receivers with Optical Reading. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Elektronika [Journal “Proceedings of Universities. Electronics”]. 2013, no. 3(101), pp. 60–63. (In Russian)

Инфракрасные фоточувствительные элементы на основе МЭМС / Е. А. Фетисов, Р. З. Хафизов, А. М. Белин, Г. А. Рудаков, В. И. Золотарев, В. А. Федирко, Д. Б. Рыгалин // Сб. тр. V Всерос. науч.-техн. конф. "Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем". М.: ИППМ РАН, 2012. С. 658–661.

Fetisov E. A., Khafizov R. Z., Belin A. M., Rudakov G. A., Zolotarev V. I., Fedirko V. A., Rygalin D. B. Infrakrasnye fotochuvstvitel'nye elementy na osnove MEMS. Problemy razrabotki perspektivnykh mikro- i nanoelektronnykh system [Infrared Photosensitive Elements Based on MEMS. Problems of Development of Promising Micro- and Nanoelectronic Systems]. Moscow, IPPM RAN, 2012, pp. 658–661. (In Russian)

Тепловые сенсоры на основе биморфных МЭМС для дистанционного контроля температурного распределения / И. А. Решетников, Д. Б. Рыгалин, Е. А. Фетисов, Р. З. Хафизов // Атомный проект. 2013. Вып. 16. С. 43–44.

Reshetnikov I. A., Rygalin D. B., Fetisov E. A., Khafizov R. Z. Thermal Sensors Based on Bimorph MEMS for Remote Monitoring of Temperature Distribution. Atomnyi proekt [Atomic Project]. 2013, vol. 16, pp. 43–44. (In Russian)

Low Temperature Silicon Nitride and Silicon Dioxide Film Processing by Inductively Coupled Plasma Chemical Vapor Deposition / J. W. Lee, K. D. Mackenzie, D. Johnson, J. N. Sasserath, S. J. Pearton, F. Ren // J. Electrochem. Society. 2000. Vol. 147, № 4. P. 1481–1486.

Lee J. W., Mackenzie K. D., Johnson D., Sasserath J. N., Pearton S. J., Ren F. Low Temperature Silicon Nitride and Silicon Dioxide Film Processing by Inductively Coupled Plasma Chemical Vapor Deposition. J. Electrochem. Society. 2000, vol. 147, no. 4, pp. 1481–1486.

Deposition of Dielectric Films with Inductively Coupled Plasma-CVD in Dependence on Presuure and Two RF-Power Sources / S. Jatta, K. Haberele, A. Klein, R. Shafranek, B. Koegel, P. Meissner // Plasma Process Polym. 2009. Vol. 6. P. 5582–5587.

Jatta S., Haberele K., Klein A., Shafranek R., Koegel B., Meissner P. Deposition of Dielectric Films with Inductively Coupled Plasma-CVD in Dependence on Presuure and Two RF-Power Sources. Plasma Process Polym. 2009, vol. 6, pp. 5582–5587.

Schwarzer N., Richter F. On the Determination of Film Stress from Substrate Bending: Stoney’s Formula and Its Limits // Saxonian Institute of Surface Mechanics, TU Chemnitz, 2006. URL: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:swb:ch1-200600111 (дата обращения 09.08.2018).

Schwarzer N., Richter F. On the Determination of Film Stress from Substrate Bending: Stoney’s Formula and Its Limits. Saxonian Institute of Surface Mechanics, TU Chemnitz, 2006. Available at: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:swb:ch1-200600111 (accessed: 09.08.2018)

Development of a Process Modeling for Residual Stress Assessment of Multilayer Thin Film Structure / H. J. Wang, H. A. Deng, S. Y. Chiang, Y. F. Su, K. N. Chiang // Thin Solid Films. 2015. Iss. 584. P. 146–153.

Wang H. J., Deng H. A., Chiang S. Y., Su Y. F., Chiang K. N. Development of a Process Modeling for Residual Stress Assessment of Multilayer Thin Film Structure. Thin Solid Films. 2015, Iss. 584, pp. 146–153.

Rudakov G. A., Paramonov V. V., Eritsyan G. S. Role of Annealing Conditions of LPCVD Thin Silicon Films in the Changing of the Residue Stress for MEMS Application // IEEE Conf. of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (ElConRus), Moscow, Russia, 29 Jan.–1 Feb. 2018. Piscataway: IEEE, 2018. P. 2011–2013.

Rudakov G. A., Paramonov V. V., Eritsyan G. S. Role of Annealing Conditions of LPCVD Thin Silicon Films in the Changing of the Residue Stress for MEMS Application. 2018 IEEE Conf of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (ElConRus). Moscow. Russia, 29 Jan.–1 Feb. 2018, Piscataway: IEEE, 2018, pp. 2011–2013.

Local Stress Relaxation Phenomena in Thin Aluminum Films / U. Smith, N. Kristensen, F. Ericson, J. Schweitz // J. Vac. Sci. Technol. A. 1991. Vol. 9, № 4. P. 2527–2535.

Smith U., Kristensen N., Ericson F., Schweitz J. Local Stress Relaxation Phenomena in Thin Aluminum Films. J. Vac. Sci. Technol. A. 1991, vol. 9, no 4, pp. 2527–2535.

Thermal Cycling Fatigue and Deformation Mechanism in Aluminum Alloy Thin Films on Silicon / J. Koike, S. Utsunomiya, Y. Shimoyama, K. Maruyama, H. Oikawa // J. Mater. Res. 1998. Vol. 13, № 11. P. 3256–3264.

Koike J., Utsunomiya S., Shimoyama Y., Maruyama K., Oikawa H. Thermal Cycling Fatigue and Deformation Mechanism in Aluminum Alloy Thin Films on Silicon. J. Mater. Res. 1998, vol. 13, no. 11, pp. 3256–3264.

I-Kuan Lin, Yanhang Zhang, Xin Zhang. The Deformation of Microcantilever-Based Infrared Detectors During Thermal Cycling // J. Micromech. Microeng. 2008. Vol. 18, № 7. P. 1–9.

I-Kuan Lin, Yanhang Zhang, Xin Zhang The Deformation of Microcantilever-Based Infrared Detectors During Thermal Cycling. J. Micromech. Microeng. 2008, vol. 18, no. 7, pp. 1–9.

Пат. RU 2399064 C1. МПК G01S 5/00 (2006.01). Термочувствительный полевой прибор / В. А. Беспалов, В. И. Золотарев, Г. А. Рудаков, Д. Б. Рыгалин, В. А. Федирко, Е. А. Фетисов, Р. З. Хафизов; опубл. 10.09.2010. Бюл. № 25.

Bespalov V. A., Zolotarev V. I., Rudakov G. A., Rygalin D. B., Fedirko V. A., Fetisov E. A., Khafizov R. Z. Termochuvstvitel'nyi polevoi pribor [Thermosensitive Field Device]. Patent RF, no. 2399064 C1. 2010. (In Russian)

Федирко В. А., Зенюк Д. А. Моделирование термоотклика мультиморфных микрокантилеверов // Вестн. МГТУ "Станкин". 2009. № 4(8). С. 75–81.

Fedirko V. A., Zenyuk D. A. Modeling the Thermo Response of Multimorph Microcantilevers. Vestn. MGTU "Stankin". 2009, no. 4(8), pp. 75–81. (In Russian)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.