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

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  SiN_x ,  Al и структур  SiN_x/Al .  Показано, что  растягивающие напряжения в пленках Al являются определяющими для  остаточных напряжений структуры SiN_x/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 SiN_x и минимизировать  суммарные остаточные напряжения и начальные деформации. Толщина слоев структуры SiN_x/Al  слабо  влияет на  уровень остаточных механических напряжений, но  соотношение толщин слоев SiN_x   и Al является определяющим для термической деформации кантилеверной консоли.

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

2. 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.

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

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

5. 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.

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

7. 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.

8. 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.

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

10. 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.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. 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.

16. 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.

17. 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.

18. 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).

19. 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.

20. 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.

21. 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.

22. 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.

23. 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.

24. 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.

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