Полупроводниковый кремний как конструкционный материал

В последние десять лет в приборостроении интенсивно развивается новое направление - создание микродатчиков на интегральных принципах для измерения различных физических величин [3]. Микросистемная техника, а именно к ней относятся микродатчики, является в настоящее время одним из наиболее динамично развивающихся междисциплинарных научно-технических направлений, определяющим новую революцию в области систем, реализуемых на микроуровне. Строго говоря, микросистемная техника (МСТ) - это научно-техническое направление, целью которого является создание в ограниченном объеме твердого тела или на его поверхности микросистем, представляющих собой упорядоченные композиции областей с заданным составом, структурой и геометрией, статическая или динамическая совокупность которых обеспечивает реализацию процессов генерации, преобразования, передачи энергии и движения в интеграции с процессами восприятия, обработки, трансляции и хранения информации при выполнении запрограммированных операций и действий в требуемых условиях эксплуатации с заданными функциональными, энергетическими, временными и надежностными показателями. Микросистемы могут обеспечивать выполнение всех перечисленных функций или части из них. К МСТ можно отнести головки для накопителей на жестких дисках, датчики давления, химические сенсоры, акселерометры, гироскопы, микроспектрометры, микрореле, микроэлектродвигатели, сенсоры для предупреждения столкновения, электронные насосы и др. Отличительной особенностью микросистем нового поколения является необходимость обеспечения длительной их эксплуатации при переносе энергии заряда, информации не только в условиях стационарного твердого тела, но и когда объект (часть объекта) МСТ или контактирующая с ним среда находятся во взаимной пространственно-временной динамике [1].

По аналогии с микроэлектроникой, воплотившей свой теоретический задел в первых интегральных микросхемах, созданных в 1958-1961 гг., в рамках реализации целевой функции – улучшения массогабаритных показателей, надежности, быстродействия, отношения функциональной сложности к стоимости - главным заказчиком и финансистом «ранних» объектов МСТ (1975-1987 гг.) в виде микроэлектромеханических приборов (датчиков давления, акселерометров) был авиационно-космический комплекс. Основным стимулирующим фактором развития микросенсорной техники как научно-технического направления послужила статья сотрудника фирмы IBM К. Петерсона [10], рассматривающая кремний не только как полупроводник, но и как конструкционный материал. Выбор монокристаллического полупроводникового кремния в качестве конструкционного материала обусловлен, прежде всего, его физико-механическими свойствами. Предел упругости этого материала значительно превосходит ряд широко используемых традиционных материалов. При этом отношение плотности материала к модулю упругости намного ниже, чем у сталей. В сравнении с наилучшим материалом МР50В для кремния это соотношение меньше почти на 20%. По упругим характеристикам кремний уступает лишь кварцевому стеклу. Тем не менее, коэффициент термического гистерезиса кремния меньше, чем любого другого известного материала. Температурный коэффициент линейного расширения кремния почти в девять раз меньше, чем алюминия, и почти в шесть раз меньше, чем сталей. Полупроводниковый кремний может подвергаться длительным циклическим нагрузкам, не проявляя при этом эффекта усталости и накопления внутренних напряжений. Материал обладает высокой коррозийной стойкостью и лишь при температуре свыше 900 начинает взаимодействовать с кислородом.

При изготовлении микродатчиков на интегральных принципах могут быть заимствованы все технологические приемы из микроэлектроники. Кремниевые пластины, которые используются в микроэлектронике, при различных диаметрах обычно имеют разные толщины. Так, при диаметре 60 мм толщина пластины составляет 0,35 мм, а при диаметре 100 мм – 0,46…0,6 мм. Кремниевые пластины имеют скругленный край по периферии, который предотвращает появление сколов и трещин при выполнении технологических операций. Скругленный край позволяет избавиться от возникновения краевого утолщения («валика») при нанесении фоторезиста.

Механические нарушения (риски, царапины, выколы, микротрещины) на пластинах не допускаются. Кремниевые пластины, используемые для изготовления микродатчиков, особенно тщательно исследуются на отсутствие механических повреждений: глубина микрорельефа поверхности пластины не должна превышать 0,05 мкм. Отклонение толщины и прогиб пластин, допускаемые по техническим условиям, возможны в пределах 10…20 и 15…40 мкм соответственно. Для пластин, применяемых при изготовлении микродатчиков, такой предел недопустим. Пластины подвергаются селективному отбору по размерным параметрам. Неплоскостность рабочей поверхности при закреплении пластины на вакуумном столике для точного переноса изображения при литографии не должна быть более 5 мкм.

Монокристаллические пластины кремния имеют строго упорядоченное, регулярно повторяющееся расположение атомов в пространстве, создающее определенную кристаллическую решетку. Кристаллические тела анизотропные, т.е. их свойства зависят от направлений воздействия и измерения. В этом случае межатомные расстояния определяют характер и значение энергетического воздействия атомов, прочность их сцепления, следовательно, способность противостоять (или способствовать) электрическому, оптическому, химическому и другим внешним воздействиям. Ориентацию направлений и плоскостей в кристаллической решетке обозначают индексами Миллера [3]. Монокристаллический кремний имеет кубическую решетку. Для обозначения индексов Миллера из одного узла решетки (точки 0) проводят три кристаллографические оси 0Х, 0У, 0Z, параллельные ребрам ячейки (рис.1.11). Целые числа, соответствующие отрезкам, отсеченным плоскостью от кристаллографических осей, являются индексами данных кристаллографических плоскостей и направлений. Для обозначения плоскостей используют круглые скобки, например (111), (110), (100), а для обозначения направлений - квадратные. Необходимо помнить, что количество атомов, расстояние между ними и плотность их упаковки в каждой плоскости неодинаковы.

Рис.1.11. Условные обозначения кристаллографических плоскостей