RU2327252C1 - Чувствительный элемент мембранного типа и способ его изготовления - Google Patents
Чувствительный элемент мембранного типа и способ его изготовления Download PDFInfo
- Publication number
- RU2327252C1 RU2327252C1 RU2007114408/28A RU2007114408A RU2327252C1 RU 2327252 C1 RU2327252 C1 RU 2327252C1 RU 2007114408/28 A RU2007114408/28 A RU 2007114408/28A RU 2007114408 A RU2007114408 A RU 2007114408A RU 2327252 C1 RU2327252 C1 RU 2327252C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- layer
- membrane
- silicon nitride
- substrate
- layers
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Physical Vapour Deposition (AREA)
- Pressure Sensors (AREA)
Abstract
Изобретение предназначено для использования в конструкции и технологии производства широкого класса микроэлектронных приборов. Чувствительный элемент (ЧЭ) содержит подложку из монокристаллического кремния, двухслойную мембрану, включающую слой Si3N4 и компенсирующий слой из AlN с преимущественной ориентацией оси текстуры <0001> по нормали к поверхности мембраны и расположенную над отверстием, выполненным в подложке для образования подмембранной камеры (ПМК), и узел съема информативного сигнала. Соотношение толщин слоев Si3N4 и AlN обратно пропорционально встроенным в них механическим напряжениям. ЧЭ изготавливают путем нанесения на поверхность подложки слоя нитрида кремния пиролизом силансодержащего вещества, преимущественно дихлорсилана, в атмосфере аммиака с использованием подслоя SiO2, а затем - компенсирующего слоя с помощью высокочастотного магнетронного распыления с последующим формированием ПМК с тыльной стороны подложки в две стадии - сначала жидкостным анизотропным травлением участка материала подложки по месту ПМК, а после нанесения компенсирующего слоя проводят вторую стадию формирования ПМК с помощью жидкостного изотропного травления дна образовавшегося глухого отверстия в подложке до слоя нитрида кремния. Изобретение обеспечивает расширение арсенала используемых материалов компенсирующего слоя и функциональных возможностей целевого изделия, а именно использования его в качестве микроактюатора. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 3 ил., 4 табл.
Description
Изобретения относятся к микроэлектронному приборостроению и могут быть использованы в конструкции и технологии производства широкого класса микроэлектронных приборов, оснащенных чувствительным или исполнительным элементом мембранного типа, - датчиков перемещения и давления, акселерометров, микроактюаторов, микрофонов и т.д.
Известен чувствительный элемент мембранного типа, содержащий кремниевую подложку с выполненным в ней углублением для образования мембраны и мембранной камеры, и узел съема информативного сигнала, представляющий собой тензосхему, сформированную на поверхности мембранного элемента и подключенную к внешним контактным площадкам (SU 1591776, Н01L 29/84, G01L 1/22, 1994).
Известен также чувствительный элемент мембранного типа, содержащий подложку из монокристаллического кремния n-типа проводимости с базовой ориентацией (100), на тыльной стороне которой выполнено углубление, образующее квадратную в плане мембрану. На планарной стороне мембраны сформирован тензорезистивный мост Уинстона для съема информативного сигнала (RU 93027803, G01L 9/04, 1995).
Чувствительность данных изделий лимитируется толщиной монокристаллической кремниевой мембраны. По технологическим соображениям выполнить такую мембрану с толщиной менее 3 мкм не представляется возможным, в связи с чем данные изделия обладают низкой чувствительностью.
В известный уровень техники входит также чувствительный элемент мембранного типа, содержащий подложку из монокристаллического кремния с базовой ориентацией (100), мембрану, изготовленную из нитрида кремния и расположенную над отверстием, выполненным в подложке для образования мембранной камеры, и оптический узел съема информативного сигнала, в качестве которого установлен интерферометр, регистрирующий величину прогиба мембраны под действием приложенного давления (D.Maier-Schneider, J.Maibach, E., Obermeier. Computer-aided characterization of the elastic properties of thin films // Journal of Micromechanics and Microengineering, Vol.2, 1992, p.173-175).
Хотя чувствительность такого изделия выше, чем при использовании монокристаллической кремниевой мембраны, тем не менее, она остается низкой.
Наиболее близким к заявляемому является чувствительный элемент мембранного типа, содержащий подложку из монокристаллического кремния с базовой ориентацией (100), двухслойную мембрану, первый слой которой сформирован из нитрида кремния, а второй (компенсирующий) слой - из карбида кремния. Мембрана расположена над отверстием, выполненным в подложке для образования подмембранной камеры. Целевое изделие оснащено тензометрическим или оптическим узлом съема информативного сигнала для подключения к внешней электрической цепи. Компенсирующий SiC-слой мембраны уменьшает ее начальное внутреннее напряжение, что имеет следствием повышение чувствительности целевого изделия. Данный эффект наблюдается в диапазоне толщин SiC- и Si3N4-пленок, обеспечивающих функционирование нанесенной композиции SiC/Si3N4 как мембраны. При этом последовательность расположения слоев мембраны и направление приложенного давления могут быть любыми (RU 2247443, H01L 29/84, 2005).
Однако прототипное изделие не обладает универсальностью применения, поскольку является пассивным, в связи с чем оно не может использоваться для преобразования внешнего электрического сигнала в перемещение, например, в микроактюаторах и особенно в комбинированных технических системах, в которых мембрана попеременно выполняет измерительную и исполнительную функцию.
Решаемой технической задачей устройства является обеспечение универсальности применения целевого изделия.
Решение указанной технической задачи заключается в том, что в чувствительный элемент мембранного типа, содержащий подложку из монокристаллического кремния с базовой ориентацией (100), двухслойную мембрану, первый слой которой сформирован из нитрида кремния, расположенную над отверстием, выполненным в подложке для образования подмембранной камеры, и узел съема информативного сигнала, вносятся следующие изменения:
1) второй слой мембраны сформирован из нитрида алюминия с преимущественной ориентацией оси текстуры <0001> по нормали к поверхности мембраны;
2) соотношение толщин слоев мембраны выполнено из расчета
где h1 и h2 - толщины слоев нитрида кремния и нитрида алюминия соответственно, мкм;
σ1 и σ2 - встроенные механические напряжения в слоях нитрида кремния и нитрида алюминия соответственно, ГПа.
Встроенными механическими напряжениями являются остаточные тепловые и структурные напряжения в слоях сформированной мембраны целевого изделия. Их значение может быть определено, например, методом рентгеновской дифракции (Бокий Г.Б., Порай-Кошиц М.А. Практический курс рентгеноструктурного анализа. Т.1. Изд. МГУ, 1951, 327 с.; Т.2, 1960, 282 с.; В.М.Виноградов. Остаточные напряжения в деталях из пластических масс // Пластические массы, 1975, №4, с.20-31). Возможно также определение σ1 и σ2 согласно описанию прототипа.
Принцип действия предлагаемого устройства основан на впервые установленном авторами явлении компенсации встроенных механических напряжений в системе Si3N4/AlN при соотношении толщин слоев Si3N4 и AlN, указанном в формуле (1).
Техническим результатом, производным от достигнутого, является универсальность использования целевого изделия, поскольку предложенный новый материал компенсирующего слоя - AlN - обладает пьезоэлектрическими свойствами, что дает возможность возбуждения колебаний мембраны от внешнего источника напряжения. При этом признак ориентации оси текстуры <0001> нитрида алюминия по нормали к поверхности мембраны важен для обеспечения работы целевого изделия в области оптимальных значений коэффициента преобразования электрического напряжения в деформацию или наоборот. В частности, при разориентации осей кристаллитов текстуры AlN от нормали более чем на 10° наблюдается значительное снижение пьезоотклика, вплоть до полной потери чувствительности.
Для подключения внешней электрической цепи на свободных поверхностях слоев нитрида алюминия и нитрида кремния могут быть сформированы металлические электроды. При необходимости использования целевого изделия в качестве пьезоэлектрических исполнительного механизма и/или чувствительного элемента электроды выполнены с образованием обкладок плоского конденсатора. В вариантах целевого изделия, предназначенных для определения механических воздействий, целесообразным является выполнение узла съема информативного сигнала на базе интерферометра Фабри-Перро, как это имеет место в прототипе.
На фиг.1 приведена схема варианта предлагаемого целевого изделия; на фиг.2 приведены схемы промежуточных продуктов, полученных по окончании основных стадий изготовления целевого изделия; в табл.1-4 приведены основные технические характеристики целевых изделий к примерам 1-3.
Чувствительный элемент мембранного типа (фиг.1) содержит подложку 1 из монокристаллического кремния с базовой ориентацией (100), двухслойную мембрану, включающую слой 2, сформированный из нитрида кремния, и компенсирующий слой 3 - из нитрида алюминия с преимущественной ориентацией оси текстуры <0001> по нормали к поверхности мембраны. Мембрана расположена над отверстием 4, выполненным в подложке для образования подмембранной камеры. В данном варианте узел съема информативного сигнала (подачи управляющего напряжения) представляет собой электродную систему, в которой верхний электрод 5 и нижний электрод 6 выполнены из никеля на свободных поверхностях слоев 3 и 2 соответственно с образованием обкладок плоского конденсатора. Соотношение толщин слоев 2 и 3 мембраны выполнено в соответствии с формулой (1).
При техническом осуществлении устройства значение толщины h1 слоя Si3N4 может быть выбрано как в прототипе, а именно в диапазоне от 0,1 до 0,4 мкм. Толщина же h2 компенсирующего слоя в заявленном устройстве, устанавливаемая согласно формуле (1), существенно превышает таковую конструкции прототипа (примерно в 3÷5 раз).
При использовании варианта устройства фиг.1 в качестве чувствительного элемента электроды 5 и 6 подключают к внешней электрической измерительной цепи. Механическое воздействие на мембрану приводит к деформации пьезоэлектрического слоя 3, что вызывает изменение тока во внешней измерительной цепи, пропорциональное величине прогиба мембраны.
В режиме исполнительного механизма управляющее напряжение, поданное на электроды 5 и 6, вызывает деформацию пьезоэлектрического слоя, которая используется для перемещения мембраны.
Прототипом способа изготовления предлагаемого чувствительного элемента является патент RU 2247443, H01L 29/84, 2005, как ближайший аналог в отношении получаемого целевого изделия. Известный способ предусматривает выращивание пленки нитрида кремния толщиной 0,1÷0,4 мкм на поверхности подложки из монокристаллического кремния с базовой ориентацией (100) пиролизом силана в атмосфере аммиака с использованием подслоя SiO2, нанесение компенсирующей пленки SiC с помощью магнетронного распыления монокристаллической мишени из SiC и формирование подмембранной камеры со стороны нерабочей поверхности подложки жидкостным анизотропным травлением участка материала подложки (с подслоем SiO2) до слоя Si3N4, и последующее формирование узла подключения целевого изделия к внешней электрической цепи.
Однако прототипный способ не позволяет получить целевое изделие с компенсирующим слоем мембраны, выполненным из нитрида алюминия. Дело в том, что при анизотропном травлении кремниевой подложки с нанесенными на нее слоями Si3N4 и AlN для формирования подмембранного объема общеупотребительными способами, включая прототипный, будет происходить одновременное травление слоя AlN. Кроме того, попытка формирования одного из металлических электродов между слоями мембраны приводит к ухудшению структуры наносимого далее слоя AlN.
Технической задачей способа является обеспечение возможности формирования мембраны Si3N4/AlN с сохранением целостности слоя нитрида алюминия, а также структуры последнего в варианте электродного исполнения.
Для решения указанной технической задачи в способ изготовления чувствительного элемента мембранного типа путем нанесения на поверхность подложки из монокристаллического кремния с базовой ориентацией (100) слоя нитрида кремния пиролизом силансодержащего вещества в атмосфере аммиака с использованием подслоя SiO2, а затем - компенсирующего слоя с помощью магнетронного распыления с последующим формированием подмембранной камеры с тыльной стороны подложки, предусматривающим жидкостное анизотропное травление участка материала подложки, и узла подключения целевого изделия к внешней электрической цепи вносятся следующие изменения:
1) слой нитрида кремния дополнительно выращивают на тыльной стороне подложки;
2) при формировании подмембранной камеры жидкостное анизотропное травление участка материала подложки производят с использованием слоя нитрида кремния на тыльной стороне подложки в качестве маскирующего покрытия;
3) операцию жидкостного анизотропного травления осуществляют на первой стадии формирования подмембранной камеры из расчета образования глухого отверстия в подложке по месту подмембранной камеры для предотвращения разрушения нанесенного слоя нитрида кремния при последующих операциях;
4) далее на поверхность слоя нитрида кремния наносят компенсирующий слой нитрида алюминия толщиной согласно формуле (1) магнетронным распылением алюминиевой мишени в режиме высокочастотного разряда в аргонно-азотной атмосфере;
5) затем производят вторую стадию формирования подмембранной камеры жидкостным изотропным травлением дна образовавшегося глухого отверстия в подложке до слоя нитрида кремния.
Указанные технологические операции и их последовательность обеспечивают возможность получения целевого изделия с сохранением целостности слоя нитрида алюминия, а также структуры последнего в варианте электродного исполнения.
При техническом осуществлении способа значения встроенных механических напряжений, необходимые для установления соотношения толщин слоев Si3N4 и AlN, могут быть определены экспериментально или рассчитаны по кривым зависимости прогиба соответствующих мембран от прикладываемого давления по формуле
где σ - встроенные механические напряжения, Па;
ΔР - шаг изменения давления при испытании мембраны, Па;
а - диаметр или длина стороны мембраны, мкм;
h - толщина мембраны, мкм;
Δw - изменение прогиба центра мембраны, вызванное изменением давления на ΔP, мкм.
При проведении операции пиролиза в качестве силансодержащего вещества наиболее целесообразно использовать дихлорсилан, что обеспечивает повышение прочности мембраны.
Для использования пьезоэлектрических свойств слоя AlN узел подключения к внешней электрической цепи формируют металлизацией внешних поверхностей слоев нитрида кремния и нитрида алюминия мембраны.
Предлагаемые технические решения и существенность их конструктивных параметров и технологических режимов изготовления иллюстрируются следующими примерами.
ПРИМЕР 1. На лицевую и тыльную поверхности подложки 1 из монокристаллического кремния с базовой ориентацией (100) диаметром 76 мм и толщиной 380 мкм наносят слои нитрида кремния (поз.2 и 7 фиг.2а соответственно) пиролизом силана в атмосфере аммиака при температуре 890°С с использованием подслоя 8 из SiO2. В данном примере изготавливают образцы целевых изделий с толщиной слоя Si3H4 h1=0,1÷0,6 мкм. Регулирование толщины данного слоя осуществляют изменением длительности процесса осаждения. В слоях 7 и 8 с помощью установки реактивного ионно-плазменного травления формируют маску для выполняемой далее операции жидкостного анизотропного травления кремния из расчета получения мембраны размером 1,5×1,5 мм. Последнюю операцию проводят с помощью 33 мас.% раствора КОН при 85°С из расчета образования глухого отверстия 4 в подложке по месту подмембранной камеры. Оставленная при этом временно перемычка 9 на дне глухого отверстия 4 в подложке 1 предотвращает разрушение мембраны на последующих этапах технологического процесса (фиг.2б).
Затем формируют компенсирующий слой 3 из нитрида алюминия на поверхности нитрида кремния (фиг.2в) магнетронным распылением алюминиевой мишени в режиме высокочастотного разряда (частота - 13,56 МГц, напряжение смещения на мишени - 330 В) в аргонно-азотной атмосфере при соотношении Ar:N2=1:1, суммарном давлении 3·10-3 мм рт.ст. и температуре подложки 520°С. Длительность распыления мишени устанавливают из расчета получения толщины h2 слоя нитрида алюминия в соответствии с формулой (1). В данном примере значения встроенных напряжений составляют: σ1=0,9 ГПа; σ2=0,33 ГПа. Поэтому, в частности, для образца, где h1=0,4 мкм, номинальное значение толщины наносимого слоя AlN согласно формуле (1) равно:
Далее производят жидкостное изотропное травление перемычки 9 образовавшегося глухого отверстия в подложке 1 до слоя 2 нитрида кремния с помощью травителя HNA, содержащего плавиковую, азотную и уксусную кислоты. Операцию проводят при комнатной температуре. При этом происходит удаление кремниевой перемычки 9 до подслоя SiO2, выполняющего стоп-функцию. После этого подслой SiO2 по месту подмембранной камеры удаляют с помощью буферного ВОЕ-травителя (фиг.2в).
В данном примере целевые изделия оснащают узлом съема информационного сигнала, выполненным на базе волоконно-оптического интерферометра Фабри-Перро, выход которого связан с внешней электрической цепью.
Результаты испытания полученных изделий при различных значениях конструктивных и технологических параметров приведены в табл.1. Для удобства сравнения с формулой (1) значения толщины h1 слоя AlN даны в относительных единицах, где коэффициент 0,83 при выражении h1σ1/σ2 соответствует верхнему предельному значению 1,2 коэффициента пропорциональности в формуле (1), а коэффициент 1,25 табл.1 соответствует нижнему пределу (0,8) указанной формулы.
Как видно из таблицы, максимальное значение чувствительности целевого изделия лежит в пределах от 1,0 до 2,2 нм/Па при номинальном значении коэффициента пропорциональности в формуле (1), равном 1,0. При этом с уменьшением толщины слоя Si3N4 от 0,5 до 0,2 мкм чувствительность целевого изделия увеличивается в приведенных пределах. В то же время предельное давление до разрыва мембраны увеличивается с увеличением толщины ее слоев, составляя от 20 до 50 кПа и более. При отклонении оси текстуры <0001> от нормали к поверхности мембраны на 5° наблюдается уменьшение чувствительности целевого изделия не более чем на 20%. При запредельных значениях толщины компенсирующего слоя мембраны чувствительность резко падает из-за недокомпенсации или перекомпенсации встроенных механических напряжений в слое нитрида кремния.
ПРИМЕР 2. Целевые изделия изготавливают, как в примере 1. При этом слои нитрида кремния наносят пиролизом дихлорсилана при температуре 790°С.
Результаты испытаний целевых изделий приведены в табл.2.
Как видно из таблицы, чувствительность целевых изделий, полученных по данному варианту технологии, возросла на порядок. Максимальное значение чувствительности наблюдается при номинальном значении коэффициента пропорциональности в формуле (1) и составляет 20 нм/Па. При этом давление разрыва превышает 80 кПа.
ПРИМЕР 3. Внешние поверхности слоев нитрида кремния и нитрида алюминия чувствительных элементов, изготовленных согласно примеру 1, металлизируют нанесением 0,2 мкм слоя никеля на установке магнетронного распыления при постоянном токе 0,5 А в атмосфере аргона при давлении 10-3 мм рт.ст. в течение 200 с. Сформированные таким образом обкладки конденсатора (слои 5 и 6 фиг.1) подключают к внешней электрической цепи, содержащей коммутируемые источник постоянного или переменного напряжения, или схему измерения напряжения. Для проведения испытаний изделия дополнительно оснащают узлом определения перемещения центра мембраны, выполненным на основе волоконно-оптического интерферометра Фабри-Перро.
Результаты испытания целевых изделий в режиме датчика давления приведены в табл.3. Как видно из таблицы, при номинальном значении коэффициента пропорциональности в формуле (1), равном 1,0, значение чувствительности целевого изделия максимально. С уменьшением толщины слоя Si3H4 от 0,5 до 0,2 мкм максимальная чувствительность целевого изделия с оптимальной ориентацией текстуры слоя AlN увеличивается от 1 до 5 нм/Па соответственно. Линейность выходной характеристики датчиков лежит в пределах давлений от 0 до 5500 Па. При нарушении ориентации текстуры слоя AlN чувствительность изделия не превышает 0,8 нм/Па. При запредельных значениях толщины компенсирующего слоя мембраны чувствительность также резко падает из-за недокомпенсации или перекомпенсации встроенных механических напряжений в слое нитрида кремния.
Результаты испытания целевых изделий в режиме микроактюатора при подключении источника постоянного напряжения приведены в табл.4. Как видно из таблицы, максимальное значение коэффициента преобразования изменения напряжения в прогиб мембраны наблюдается при номинальном значении коэффициента пропорциональности в формуле (1) и составляет от 6,9 до 8,4 нм/В при преимущественной ориентации оси текстуры <0001> слоя AlN по нормали к поверхности мембраны и толщине h1 слоя Si3H4 0,5 и 0,2 мкм соответственно. При существенном отклонении преимущественной ориентации оси текстуры от нормали значение коэффициента преобразования резко снижается (до 1,1÷1,4 нм/В). Изменение полярности источника питания дает практически симметричную характеристику значений прогиба мембраны от приложенного напряжения (фиг.3).
При подключении данного варианта целевого изделия к источнику переменного напряжения 27 В наблюдаются колебания мембраны с амплитудой 0,2 мкм в диапазоне частот задающего генератора от 20 Гц до 200 кГц, что позволяет использовать целевое изделие в составе аудиотехники.
Как пояснено приведенными примерами, в результате использования предлагаемых технических решений достигаются следующие виды положительного эффекта:
1) расширение диапазона используемых средств, а именно нового материала (AlN) в качестве компенсирующего слоя мембраны чувствительного элемента;
2) повышение чувствительности целевого изделия в варианте с формированием слоя Si3N4 мембраны пиролизом дихлорсилана;
3) обеспечение пьезоэлектрического принципа действия мембраны;
4) универсальность применения целевого изделия в отношении возможности преобразования механического воздействия на мембрану в электрический выходной сигнал или обратного преобразования, что открывает перспективу его использования в комбинированных системах не только в качестве чувствительного элемента, но и исполнительного механизма.
| Таблица 1 | ||||
| Технические характеристики целевых изделий к примеру 1 | ||||
| Отклонение оси текстуры <0001> от нормали к поверхности мембраны, ° | Толщина h1 слоя Si3N4, мкм | Толщина h2 слоя AlN, отн.ед. | Чувствительность, нм/Па | Давление разрыва, кПа |
| 0 | 0,2 | 0,7h1σ1/σ2 0,83h1σ1/σ2 h1σ1/σ2 1,25h1σ1/σ2 1,4h1σ1/σ2 |
1,4 1,9 2,2 2,0 0,2 |
20 24 26 29 30 |
| 0 | 0,4 | 0,83h1σ1/σ2 h1σ1/σ2 1,25h1σ1/σ2 |
0,9 1,2 1,0 |
>50 |
| 0 | 0,5 | 0,83h1σ1/σ2 h1σ1/σ2 1,25h1σ1/σ2 |
0,7 1,0 0,6 |
>50 |
| 5 | 0,4 | 0,7h1σ1/σ2 0,83h1σ1/σ2 h1σ1/σ2 1,25h1σ1/σ2 1,4h1σ1/σ2 |
0,4 0,9 1,0 0,8 0,1 |
>50 |
| Таблица 2 | ||||
| Технические характеристики целевых изделий к примеру 2 | ||||
| Отклонение оси текстуры <0001> от нормали к поверхности мембраны, ° | Толщина h1 слоя Si3N4,мкм | Толщина h2 слоя AlN, отн.ед. | Чувствительность, нм/Па | Давление разрыва, кПа |
| 0 | 0,1 | 0,7h1σ1/σ2 0,83h1σ1/σ2 h1σ1/σ2 1,25h1σ1/σ2 1,4h1σ1/σ2 |
12 17 20 16 9 |
>80 |
| 0 | 0,2 | 0,83h1σ1/σ2 h1σ1/σ2 1,25h1σ1/σ2 |
8 12 9 |
>80 |
| 10 | 0,2 | h1σ1/σ2 | 9 | 75 |
| Таблица 3 | ||||
| Технические характеристики целевых изделий в режиме датчика давления к примеру 3 | ||||
| Отклонение оси текстуры <0001> от нормали к поверхности мембраны, ° | Толщина h1 слоя Si3N4, мкм | Толщина h2 слоя AlN, отн.ед. | Чувствительность, нм/Па | Диапазон линейности, Па |
| 0 | 0,2 | 0,7h1σ1/σ2 0,83h1σ1/σ2 h1σ1/σ2 1,25h1σ1/σ2 1,4h1σ1/σ2 |
0,5 1,3 5,0 3,4 0,2 |
0÷4700 |
| 0 | 0,4 | 0,83h1σ1/σ2 h1σ1/σ2 1,25h1σ1/σ2 |
0,7 1,3 0,9 |
0÷5000 |
| 0 | 0,5 | 0,83h1σ1/σ2 h1σ1/σ2 1,25h1σ1/σ2 |
0,6 1,0 0,8 |
0÷5500 |
| 5 | 0,4 | 0,83h1σ1/σ2 h1σ1/σ2 1,25h1σ1/σ2 |
0,6 0,9 0,5 |
0÷5000 |
| 10 | 0,4 | h1σ1/σ2 | 0,8 | 0÷5000 |
| 15 | 0,4 | h1σ1/σ2 | 0,6 | 0÷5000 |
| Таблица 4 | |||
| Технические характеристики целевых изделий в режиме микроактюатора при подаче постоянного напряжения к примеру 3 | |||
| Отклонение оси текстуры <0001> от нормали к поверхности мембраны, ° | Толщина h1 слоя Si3N4, мкм | Толщина h2 слоя AlN, отн.ед. | Коэффициент преобразования, нм/В |
| 0 | 0,2 | 0,7h1σ1/σ2 0,83h1σ1/σ2 h1σ1/σ2 1,25h1σ1/σ2 1,4h1σ1/σ2 |
6,0÷6,2 7,2÷7,4 8,0÷8,4 7,2÷7,8 6,2÷6,5 |
| 0 | 0,4 | 0,83h1σ1/σ2 h1σ1/σ2 1,25h1σ1/σ2 |
6,4÷6,5 7,7÷7,9 6,6÷6,9 |
| 0 | 0,5 | 0,83h1σ1/σ2 h1σ1/σ2 1,25h1σ1/σ2 |
5,5÷5,9 6,9÷7,5 5,8÷6,2 |
| 5 | 0,4 | 0,7h1σ1/σ2 0,83h1σ1/σ2 h1σ1/σ2 1,25h1σ1/σ2 1,4h1σ1/σ2 |
5,7÷5,9 6,2÷6,3 7,4÷7,7 6,4÷6,6 5,0÷5,4 |
| 10 | 0,4 | h1σ1/σ2 | 4,0÷4,2 |
| 15 | 0,4 | h1σ1/σ2 | 1,1÷1,4 |
Claims (5)
1. Чувствительный элемент мембранного типа, содержащий подложку из монокристаллического кремния с базовой ориентацией (100), двухслойную мембрану, включающую слой нитрида кремния и компенсирующий слой и расположенную над отверстием, выполненным в подложке для образования подмембранной камеры, и узел съема информативного сигнала, отличающийся тем, что компенсирующий слой мембраны сформирован из нитрида алюминия с преимущественной ориентацией оси текстуры <0001> по нормали к поверхности мембраны, при этом соотношение толщин слоев мембраны выполнено из расчета
где h1 и h2 - толщины слоев нитрида кремния и нитрида алюминия соответственно, мкм;
σ1 и σ2 - встроенные механические напряжения в слоях нитрида кремния и нитрида алюминия соответственно, ГПа.
2. Чувствительный элемент по п.1, отличающийся тем, что на свободных поверхностях слоев нитрида алюминия и нитрида кремния сформированы металлические электроды для подключения внешней электрической цепи.
3. Способ изготовления чувствительного элемента, охарактеризованного в п.1 формулы, путем нанесения на поверхность подложки из монокристаллического кремния с базовой ориентацией (100) слоя нитрида кремния пиролизом силансодержащего вещества в атмосфере аммиака с использованием подслоя SiO2, а затем - компенсирующего слоя с помощью магнетронного распыления с последующим формированием подмембранной камеры с тыльной стороны подложки, предусматривающим жидкостное анизотропное травление участка материала подложки, и узла подключения целевого изделия к внешней электрической цепи, отличающийся тем, что слой нитрида кремния дополнительно выращивают на тыльной стороне подложки, жидкостное анизотропное травление участка материала подложки производят с использованием слоя нитрида кремния на тыльной стороне подложки в качестве маскирующего покрытия из расчета образования глухого отверстия в подложке по месту подмембранной камеры, после чего на поверхность слоя нитрида кремния наносят компенсирующий слой нитрида алюминия толщиной из расчета
где h1 и h2 - толщины слоев нитрида кремния и нитрида алюминия соответственно, мкм;
σ1 и σ2 - встроенные механические напряжения в слоях нитрида кремния и нитрида алюминия соответственно, ГПа,
магнетронным распылением алюминиевой мишени в режиме высокочастотного разряда в аргонно-азотной атмосфере, далее производят жидкостное изотропное травление дна образовавшегося глухого отверстия в подложке до слоя нитрида кремния.
4. Способ по п.3, отличающийся тем, что при проведении пиролиза в качестве силансодержащего вещества используют дихлорсилан.
5. Способ по п.3 или 4, отличающийся тем, что узел подключения к внешней электрической цепи формируют металлизацией внешних поверхностей слоев нитрида кремния и нитрида алюминия мембраны.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2007114408/28A RU2327252C1 (ru) | 2007-04-16 | 2007-04-16 | Чувствительный элемент мембранного типа и способ его изготовления |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2007114408/28A RU2327252C1 (ru) | 2007-04-16 | 2007-04-16 | Чувствительный элемент мембранного типа и способ его изготовления |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2327252C1 true RU2327252C1 (ru) | 2008-06-20 |
Family
ID=39637531
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2007114408/28A RU2327252C1 (ru) | 2007-04-16 | 2007-04-16 | Чувствительный элемент мембранного типа и способ его изготовления |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2327252C1 (ru) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2465681C2 (ru) * | 2009-02-19 | 2012-10-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана" (МГТУ им. Н.Э. Баумана) | Способ изготовления чувствительного элемента датчика давления жидких и газообразных сред |
-
2007
- 2007-04-16 RU RU2007114408/28A patent/RU2327252C1/ru active
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2465681C2 (ru) * | 2009-02-19 | 2012-10-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана" (МГТУ им. Н.Э. Баумана) | Способ изготовления чувствительного элемента датчика давления жидких и газообразных сред |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Wang et al. | Design, fabrication, and measurement of high-sensitivity piezoelectric microelectromechanical systems accelerometers | |
| Park et al. | Measurement of piezoelectric coefficients of lead zirconate titanate thin films by strain-monitoring pneumatic loading method | |
| CN103308239B (zh) | Mems电容式压力传感器 | |
| JP5707323B2 (ja) | 圧電型ｍｅｍｓマイクロフォン | |
| Zou et al. | Design and fabrication of silicon condenser microphone using corrugated diaphragm technique | |
| CN102393264B (zh) | 一种基于纳米压电纤维的压力传感器 | |
| Kumar et al. | Design, fabrication and reliability study of piezoelectric ZnO based structure for development of MEMS acoustic sensor | |
| Sheeparamatti et al. | Fabrication and characterization of polysilicon-on-insulator (PolySOI) and a-SOI based micro piezoresistive pressure sensor for harsh environment applications | |
| CN112129347B (zh) | 一种用于微制造的多层薄膜残余应力和杨氏模量在线测试结构及在线提取方法 | |
| von Preissig et al. | Measurement of piezoelectric strength of ZnO thin films for MEMS applications | |
| RU2327252C1 (ru) | Чувствительный элемент мембранного типа и способ его изготовления | |
| Kim et al. | In situ measurement of mechanical properties of polyimide films using micromachined resonant string structures | |
| Huang et al. | Study of injection molding pressure sensor with low cost and small probe | |
| WO2008040656A2 (de) | Mikro-elektro-mechanischer system (mems) sensor für extreme umgebungsbedingungen | |
| Eaton et al. | CMOS-compatible surface-micromachined pressure sensor for aqueous ultrasonic application | |
| Sandrimani et al. | Design and simulation of silicon on insulator based piezoresistive pressure sensor | |
| RU2284613C1 (ru) | Полупроводниковый преобразователь давления и способ его изготовления | |
| CN102259824A (zh) | 一种基于晶圆键合技术的黏度传感器芯片及其制备方法 | |
| Kuo et al. | Fabrication and testing of single crystalline 3C-SiC devices using a novel SiC-on-insulator substrate | |
| Gogoi et al. | A low-voltage force-balanced pressure sensor with hermetically sealed servomechanism | |
| Barnes et al. | Pressure dependence of thin polycrystalline silicon carbide diaphragm resonators | |
| Rathore et al. | Fabrication of a membrane type double cavity vacuum‐sealed micro sensor for absolute pressure based on front‐side lateral etching technology | |
| Ahmed et al. | Flexible conformal micromachined absolute pressure sensors | |
| Azizollah Ganji et al. | Fabrication and characterization of a new mems capacitive microphone using perforated diaphragm | |
| Vereshchagina et al. | Metal films for MEMS pressure sensors: comparison of Al, Ti, Al-Ti alloy and Al/Ti film stacks |