CC BY
33
УДК 681.586.54
ВОПРОСЫ СКВОЗНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ИЗГОТОВЛЕНИЯ УСТРОЙСТВ МИКРОСИСТЕМНОЙ ТЕХНИКИ
П. Н. Цибизов, В. А. Петрин, Д. Д. Тарасов
QUESTIONS THROUGH-MANUFACTURING PROCESS SIMULATION DEVICES MICROSYSTEM TECHNOLOGY
P. N. Tsibizov, V. A. Petrin, D. D. Tarasov
Аннотация. Рассматриваются вопросы моделирования технологических процессов изготовления микросистемной техники. Несмотря на огромный потенциал технологий микросистемной техники, отдельные технологические процессы изготовления микроэлектронных устройств остаются изолированными друг от друга, что приводит к усложнению контроля и оценки адекватности принятия решений на определенных этапах относительно свойств получаемых элементов. Проведение сквозного моделирования позволит синтезировать единую модель технологии изготовления устройств микросистемной техники.
Ключевые слова: микроэлектронный датчик, измерительный преобразователь, модель, чувствительный элемент.
Abstract. The issues of modeling manufacturing processes microsystems technology. Despite the enormous potential of technology microsystem technology , individual technological processes of microelectronic devices are isolated from each other, which leads to a complication of monitoring and evaluation of the adequacy of the decision-making at certain stages, relative properties of the resulting elements. Conduct a thorough simulation will synthesize a single model production technology devices microsystems technology.
Key words: microelectronic sensor, transmitter, model sensor.
Технология микросистемной техники (МСТ) представляет собой синтез последних достижений в области электроники, механики, информатики и измерительной техники. В настоящее время технология МСТ находит все большее применение в различных отраслях приборостроения. Перспективность данного направления в первую очередь связана с тем, что появилась возможность реализовывать на одном чипе исполнительный механизм и схему его управления. Устройства, выполненные по этой технологии, отличаются от подобных традиционных устройств малыми габаритами и весом, надежностью, относительной дешевизной.
Настройка таких устройств в процессе установки и эксплуатации сводится к минимуму, так как подгонка и калибровка прецизионных элементов и узлов устройств выполняется, как правило, на стадии изготовления устройства. Достаточно простая интеграция с вычислительной техникой позволяет автономно контролировать работу устройств, управлять их метрологическими характеристиками.
Несмотря на все положительные качества устройств МСТ, они все же имеют ряд недостатков, которые, как правило, не присущи устройствам, выполненным по традиционным технологиям.
Как правило, в устройствах МСТ одним из основных элементов является чувствительный элемент, который в совокупности с упругими и конструктивными элементами, а также схемами согласования и коррекции представляет собой микроэлектронный датчик (МЭД).
Преимущества МЭД по сравнению с традиционными датчиками следующие:
1. В качестве упругого элемента преобразователя используется монокристаллический материал, который обладает лучшими (в сравнении с поликристаллическими материалами) свойствами упругости. Использование монокристаллического материала для упругих элементов позволяет также повысить их надежность по сравнению с традиционными микроэлектронными преобразователями.
2. Малые размеры упругих элементов МЭД определяют их низкую механическую инерционность, что ведет к снижению чувствительности к механическим перегрузкам и улучшает частотные свойства преобразователя.
3. Микроэлектронная технология позволяет получать на одном упругом элементе схемную совокупность тензочувствительных компонентов, что позволяет улучшить характеристики преобразователя, в частности его чувствительность. Возможность группового изготовления устройств МСТ и последующая автоматизированная настройка преобразователя обеспечивают их низкую стоимость при сопоставимых технических характеристиках.
4. Единая конструкция датчиков решает вопрос стоимости процесса компоновки и закрепления чувствительных элементов; они выполнены непосредственно на основании.
5. Тензочувствительный элемент представляет собой область (совокупность областей) различного типа проводимости с различной степенью легирования примесей и выполняется на упругом элементе преобразователя, что позволяет устранять явление гистерезиса выходной характеристики преобразователя, повышая его стабильность.
6. Использование процессов литографии и анизотропного травления способствует получению миниатюрных измерительных преобразователей.
Перечисленные выше преимущества интегральных преобразователей, по сравнению с традиционными, связаны с улучшением практически всех технических и экономических характеристик преобразователей. Однако перспективность интегральных преобразователей этим не ограничивается. С их помощью можно решить ряд принципиально новых для преобразователей проблем.
Микроэлектронные технологии позволяют изготовлять на одном кристалле:
1) системы преобразователей, расположенных относительно друг друга на заданном расстоянии, что необходимо, например, для панорамной индикации, для контроля и измерения пространственного распределения измеряемого параметра;
2) системы однотипных преобразователей с различными параметрами для получения приборов с широким диапазоном измерения;
3) несколько чувствительных элементов в одном преобразователе для резервирования и усреднения характеристик преобразования;
4) системы разнотипных преобразователей (например давления - температуры) для получения информации сразу о нескольких параметрах измеряемого объекта или процесса [1];
5) преобразователь и управляющее устройство;
6) наряду с первичным преобразователем, элементы или целиком вторичный преобразователь (например усилитель, подстроечные элементы, АЦП, коммутатор, микропроцессор), что улучшает технические характеристики преобразователя, в частности, повышает стабильность, улучшает пороговую чувствительность, устраняет паразитные эффекты, вызванные длинной линией связи между первичными измерительными преобразователями и вторичной аппаратурой.
Но, несмотря на широкий спектр представленных положительных качеств, характеризующих микроэлектронные датчики как датчики будущего, существует ряд отрицательных свойств, которые затрудняют повсеместный переход от традиционных устройств к устройствам МСТ. Это можно объяснить тем, что основным конструктивным и функциональным материалом для МЭД служит кремний, электрические, физические, химические свойства которого накладывают ряд определенных сложностей для проектирования и изготовления устройств:
1) недостаточная устойчивость МЭД к внешним влияющим факторам (ВВФ), главными из которых являются температура, радиационное излучение, механические и термические деформации;
2) из-за значительного влияния технологических режимов изготовления ЧЭ характеристики МЭД имеют разброс, зависящий от многочисленных факторов;
3) сложность физико-математического моделирования МЭД, так как многие явления, происходящие в микрообъемах и на поверхностях МЭД, не имеют аналогов в традиционных материалах датчиков, и их формализация сопряжена с привлечением разнородных математических аппаратов, характерных для физики твердого тела, физической химии, теории вероятности, тензорного анализа. Также анизотропные свойства кремния, с одной стороны, расширяют области его применения, а с другой стороны, затрудняют расчет характеристик получаемых преобразователей.
Несмотря на огромный потенциал, отдельные технологические процессы изготовления устройств МСТ остаются достаточно изолированными друг от друга, что не дает общей картины процесса проектирования и изготовления устройств. Это нарушает целостность разработки и приводит к невозможности контроля и оценки адекватности принятия решений на определенных этапах относительно свойств получаемых элементов. В связи с этим стоимость сложных устройств МСТ, как правило, завышена.
Исходя из этого, необходима разработка системного подхода к изготовлению устройств МСТ, которая бы охватывала все аспекты данной технологии.
Проанализировав комплексный подход к изготовлению устройств МСТ и рассмотрев наиболее вероятные проблемы, можно сделать вывод о том, что в идеале для этой перспективной технологии необходима разработка единой сквозной модели технологического процесса изготовления устройств МСТ. Применение такой модели позволило бы резко снизить время и трудозатраты
на проектирование и изготовление устройств. Но разработка указанной модели очень сложна и на сегодняшний день практически недостижима.
Моделирование конкретных технологий изготовления элементов и узлов МСТ все же позволит в конечном итоге описать множество популярных технологических процессов, которые применяются на практике. К ним могут быть отнесены операции ионного легирования, диффузии, химической обработки поверхностей, анизотропного травления, наращивания пленок, окисление и др.
В идеале сквозная модель технологии изготовления устройств МСТ должна содержать фактически все известные знания в областях физики, химии, электрохимии, материаловедения, физики твердого тела, кристаллографии, сопротивления материалов, прикладной математики и многих других областей науки, применяемых при изготовлении микроэлектронных устройств. Очевидно, что необходимые входные данные для такой модели будут настолько объемными, что применение ее на практике станет фактически невозможным. Поэтому более целесообразно разбить сквозную модель на некоторое подмножество моделей, которые будут решать локальные задачи конкретного технологического процесса или проектирования конструкций элементов и узлов датчиков, и каждый последующий шаг моделирования будет использовать выходные данные предыдущего этапа.
При этом целостность картины изготовления устройства не будет потеряна.
Сложность моделирования многих технологических процессов изготовления устройств МСТ в основном определяется их многофакторностью. Поэтому большинство моделей, разработанных на сегодняшний день, описывают технологические процессы с некоторыми допущениями.
К тому же анизотропные свойства кремния как одного из основных материалов микроэлектронных устройств [2] накладывают свои дополнительные особенности, и зачастую модели целесообразней строить на основе эмпирических данных.
Показательным примером этого могут служить модели анизотропного травления кремния, которое применяется в приборостроении для микропрофилирования микромеханических узлов и конструкций.
Преимущество данной технологии в том, что она позволяет создавать относительно тонкие слои с малыми напряжениями для активных механических структур.
Несмотря на то, что в литературе можно найти аналитические зависимости скорости травления кремния [3],, которые учитывают тип и концентрацию травителя, скорость перемешивания травителя, скорость отвода продуктов реакции и т.п., в них в виде множителя всегда присутствует энергия активации химической реакции, которая из-за различной плотности упаковки атомов решетки кремния является величиной, зависящей от кристаллографического направления. Математическая зависимость энергии активации химической реакции от кристаллографического направления до сих пор не определена из-за множества дополнительных влияющих параметров.
Поэтому в настоящее время ее значения находятся опытным путем для каждого селективного травителя и травимого материала.
Таким образом, из-за многофакторности технологических процессов, которая определяет сложность моделирования даже локальных технологиче-
ских процессов, построение сквозной модели технологии изготовления микромеханических и микроэлектронных устройств возможно лишь на их основе, т.е. каждого отдельного процесса в технологической цепочке. Дальнейшее их вероятное объединение позволит синтезировать единую модель технологии изготовления устройств МСТ.
Список литературы
1. Шапонич, Д. Коррекция пьезорезистивного датчика давления с использованием микроконтроллера / Д. Шапонич, А. Жигич // Приборы и техника эксперимента. -2001. - № 1. - С. 54-60.
2. Цибизов, П. Н. Вопросы моделирования структур чувствительных элементов микроэлектронных датчиков / П. Н. Цибизов // Информационно-измерительная техника, экология и мониторинг : сб. науч. тр. - Вып. 7. - М. : ГОУ ВПО МГУ, 2005. - С. 131-136.
3. Черняев, В. Н. Физико-химические процессы в технологии РЭА / В. Н. Черняев. -М. : Высш. шк., 1987. - 375 с.
Цибизов Павел Николаевич
кандидат технических наук, доцент, руководитель группы научно-образовательной деятельности, ФГУП ФНПЦ «ПО «Старт» им. М. В. Проценко» E-mail: [email protected]
Петрин Владимир Алексеевич аспирант,
Пензенский государственный университет E-mail: [email protected]
Тарасов Дмитрий Дмитриевич аспирант,
Пензенский государственный технологический университет E-mail: [email protected]
Tsibizov Pavel Nikolaevich candidate of technical sciences, associate professor,
head of research and education activities, Federal State Unitary Enterprise Federal Research and Production Center Production Complex Start named after M. V. Protsenko
Petrin Vladimir Alekseevich postgraduate student, Penza State University
Tarasov Dmitry Dmirtyevich
postgraduate student,
Penza State Technology University
УДК 681.586.54 Цибизов, П. Н.
Вопросы сквозного моделирования технологического процесса изготовления устройств микросистемной техники / П. Н. Цибизов, В. А. Петрин, Д. Д. Тарасов // Модели, системы, сети в экономике, технике, природе и обществе. - 2014. -№ 1 (9). - С. 121-125.
