СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА МИКРОСИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ ДВИЖЕНИЯ Российский патент 2018 года по МПК H01L21/02 

Способ относится к области измерительной техники, приборостроения и может быть использован для изготовления конструктивных элементов микромеханических приборов на кремниевых подложках, а именно упругих подвесов и всего чувствительного элемента в целом, например для микромеханических акселерометров и гироскопов.

Известен способ изготовления чувствительного элемента микросистемы контроля параметров движения (см. описание к пат. РФ №2114489 на изобретение, МПК: 6 H01L 29/84, H01L 21/02), включающий формирование из кремния травлением неподвижной платы и инерциальной подвижной платы, закрепленной на гибких перемычках на рамке.

Изготавливаемый указанным способом чувствительный элемент является элементом емкостного типа.

Недостаток способа заключается в том, что он не может обеспечить изготовление чувствительного элемента, характеризующегося высокой точностью и чувствительностью при детектировании изменения параметров движения.

Способ не обеспечивает наличие в чувствительном элементе вакуумированной области перемещения инерциальной массы, что резко снижает его метрологические характеристики. Способ изготовления чувствительного элемента обеспечивает лишь незначительную инерциальную массу, что ограничивает точность и чувствительность изготавливаемого элемента.

Однако главное препятствие в достижении нижеуказанного результата заключается в используемом принципе для контроля параметров движения, базирующемся на анализе емкости.

Известен способ изготовления чувствительного элемента микросистемы контроля параметров движения (St. Petersburg International Conference on Gyroscopic Technology and Navigation, 1996, pp. 3-10), взятый за ближайший аналог, заключающийся в формировании размерным травлением кремния рамки и плат емкостных обкладок, закрепленных на рамке с помощью взаимно перпендикулярных перемычек и углубленных по отношению к плоскости рамки на величину, соответствующую емкостному зазору, двустороннее присоединение инерциальных масс к центральной плате, формировании основания из щелочносодержащего стекла, содержащего емкостные обкладки из пленки алюминия и глухое отверстие под размещение инерциальной массы, присоединении к основанию рамки с платами и герметизации с одновременным вакуумированием сформированных емкостей и областей перемещения инерциальных масс.

Приведенным способом изготавливается чувствительный элемент емкостного типа.

Недостатками приведенного способа, препятствующими достижению нижеуказанного технического результата, являются невоспроизводимость формирования перемычек прямоугольного сечения, перемычек, удерживающих инерциальную массу, а также сложности в создании внутренней полости гироскопа и контроле ее герметичности.

Однако главное препятствие в достижении нижеуказанного результата заключается в используемом принципе для контроля параметров движения, базирующемся на анализе емкости.

Техническим результатом предлагаемого способа является повышение точности и чувствительности при детектировании изменения параметров движения.

Технический результат достигается способом изготовления чувствительного элемента микросистемы контроля параметров движения, заключающимся в том, что на исходной структуре кремний-на-изоляторе (КНИ) структурируют слой кремния, расположенный на диэлектрическом слое, фокусированным ионным пучком до получения с заданной длиной и шириной тела плоской меандрообразной пружины с площадками на концах, при структурировании обеспечивают геометрическую конфигурацию пружины, приводящую к увеличению электрической длины от 9 до 11 раз по сравнению с формой балки в виде сплошного прямоугольника той же заданной длины и ширины, снижению влияния вертикальной собственной частоты колебаний, возникновению продольной горизонтальной собственной частоты колебаний и возникновению изгиба при вращательном движении, после окончания структурирования слоя кремния с получением конструктивных элементов активного элемента - тела плоской меандрообразной пружины, площадок на концах - из-под тела плоской меандрообразной пружины удаляют полностью материал диэлектрического слоя, получая структуру КНИ мостикообразной формы, подготавливают несущую подложку с диэлектрической рабочей поверхностью, на которой сначала выполняют пару контактных площадок и расположенный между ними управляющий электрод из электропроводящего материала, затем на контактных площадках посредством фокусированного ионного пучка осаждают соединяющие активный элемент контактные площадки, активный элемент с плоской меандрообразной пружиной и площадками на концах выделяют из структуры КНИ мостикообразной формы, переносят на несущую подложку и жестко крепят площадками на концах к соединяющим активный элемент контактным площадкам.

В способе в качестве исходной структуры КНИ берут структуру с диэлектрическим слоем SiO₂, выполненным на подложке кремния, толщиной от 220 до 240 нм, с поверхностным слоем кремния, выполненным на диэлектрическом слое, толщиной от 560 до 600 нм.

В способе исходную структуру КНИ перед осуществлением структурирования слоя кремния, расположенного на диэлектрическом слое, подвергают кипячению в петролейном эфире.

В способе при структурировании слоя кремния, расположенного на диэлектрическом слое, фокусированным ионным пучком используют ионы Ga с энергией от 25 до 35 кэВ, включая указанные значения, при токе пучка ионов от 40 до 80 пА, включая указанные значения, и времени экспозиции от 2000 до 2400 с, включая указанные значения.

В способе при структурировании слоя кремния, расположенного на диэлектрическом слое, фокусированным ионным пучком до получения заданной длины и ширины тела плоской меандрообразной пружины с площадками на концах обеспечивают в отношении активного элемента длину L от 29 до 39 мкм, включая указанные значения, ширину W от 10 до 15 мкм, включая указанные значения, ширину образующих пружину прямых участков-линий Н от 0,6 до 1,7 мкм, включая указанные значения, с зазором между участками-линиями, расположенными перпендикулярно продольному направлению, от 0,3 до 0,5 мкм, включая указанные значения, при заданной толщине конструктивных элементов активного элемента от 0,31 до 0,41 мкм, включая указанные значения.

В способе при структурировании слоя кремния обеспечивают геометрическую конфигурацию пружины, приводящую к увеличению электрической длины от 9 до 11 раз по сравнению с формой балки в виде сплошного прямоугольника той же заданной длины и ширины, снижению влияния вертикальной собственной частоты колебаний, возникновению продольной горизонтальной собственной частоты колебаний и возникновению изгиба при вращательном движении, а именно, в форме меандра - ломаной линии, образованной прямыми участками-линиями кремния шириной Н от 0,6 до 1,7 мкм, включая указанные значения, с зазором между участками-линиями, расположенными перпендикулярно продольному направлению, от 0,3 до 0,5 мкм, включая указанные значения, с раппортом из четырех чередующихся коротких и длинных прямых участков-линий кремния шириной Н, в котором каждый последующий участок-линия соединен своим концом с концом предыдущего под углом 90 градусов, с длиной раппорта от 2 до 4 мкм, включая указанные значения, с включением в тело плоской меандрообразной пружины от 5 до 10 полных раппортов, включая указанные значения.

В способе после окончания структурирования слоя кремния с получением конструктивных элементов активного элемента - тела плоской меандрообразной пружины, площадок на концах - из-под тела плоской меандрообразной пружины удаляют полностью материал диэлектрического слоя, получая структуру КНИ мостикообразной формы, тем, что осуществляют жидкостное химическое травление в травителе NH₄F:CH₃COOH:H₂O (3:3:2) в течение времени от 20 до 80 минут, включая указанные значения.

В способе выполняют пару контактных площадок и расположенный между ними управляющий электрод из электропроводящего материала при подготовке несущей подложки с диэлектрической рабочей поверхностью методом оптической литографии, указанные элементы изготавливают в форме слоя алюминия, покрывающего участки поверхности подложки, толщиной от 0,1 до 0, 2 мкм, включая указанные значения.

В способе в качестве подложки с диэлектрической рабочей поверхностью используют подложку кремния, с расположенным на ее поверхности слоем диоксида кремния толщиной от 1 до 2 мкм, включая указанные значения.

В способе при подготовке несущей подложки с диэлектрической рабочей поверхностью на ее контактных площадках осаждают соединяющие активный элемент контактные площадки посредством фокусированного ионного пучка из платины площадью около 1×1 мкм², высотой от 1,0 до 1,3 мкм, включая указанные значения интервала, при осаждении используют ток пучка ионов от 40 до 60 пА, включая указанные значения, время экспозиции от 100 до 120 с, включая указанные значения.

В способе активный элемент с плоской меандрообразной пружиной и площадками на концах выделяют из структуры КНИ мостикообразной формы, переносят на несущую подложку и жестко крепят площадками на концах к соединяющим активный элемент контактным площадкам на несущей подложке с помощью микроманипулятора с тонким острозаточенным зондом, при этом наконечник зонда пристыковывают к концу активного элемента, на котором сформирована площадка, и приваривают его с помощью ионно-стимулированного осаждения платины на участке соединения зонда с активным элементом, операцию осуществляют также для второго конца, с помощью остросфокусированного ионного пучка активный элемент отсоединяют от структуры КНИ, затем переносят на несущую подложку с контактными площадками, управляющим электродом, соединяющими активный элемент контактными площадками, ориентируют активный элемент поперек управляющего электрода, после чего пристыковывают его площадками к соединяющим активный элемент контактным площадкам и закрепляют на них с помощью ионно-стимулированного осаждения платины.

Сущность предлагаемого способа поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми фигурами.

На Фиг. 1 схематически представлен вид сверху подложки, предназначенной для расположения активного элемента с плоской меандрообразной пружиной из полупроводникового материала после его формирования, где 1 - подложка; 2 - контактная площадка; 3 - управляющий электрод.

На Фиг. 2 схематически представлен вид сверху активного элемента с плоской меандрообразной пружиной с площадками на концах, где L - длина активного элемента; W - ширина активного элемента; Н - ширина прямых участков-линий полупроводникового материала, образующих плоскую меандрообразную пружину.

На Фиг. 3 схематически показано сечение структуры КНИ после проведения формирования активного элемента с плоской меандрообразной пружиной, а именно после структурирования слоя кремния, расположенного на захороненном диэлектрике, с получением тела меандрообразной пружины с площадками на концах, связанного с диэлектриком, и последующего удаления диэлектрика на участке расположения тела меандрообразной пружины.

На Фиг. 4 схематически представлен вид сверху подложки, на которой располагают активный элемент с плоской меандрообразной пружиной из полупроводникового материала после его формирования, после изготовления на подложке контактных площадок для соединения активного элемента с плоской меандрообразной пружины площадками на концах, где 1 - подложка; 2 - контактная площадка; 3 - управляющий электрод; 4 -соединяющие активный элемент контактные площадки.

На Фиг. 5 схематически представлен вид сверху подложки с расположенным на ней активным элементом с плоской меандрообразной пружиной из полупроводникового материала - чувствительного элемента микросистемы контроля параметров движения, где 1 - подложка; 2 - контактная площадка; 3 - управляющий электрод; 4 - соединяющие активный элемент контактные площадки; 5 - активный элемент.

Предлагаемым способом реализован переход от изготовления чувствительного элемента микросистемы контроля параметров движения емкостного типа (анализирующего изменение емкости при смещении подвижной пластины) к изготовлению чувствительного элемента микросистемы контроля параметров движения, функционирующего на другом принципе - анализирующего величину протекающего электрического тока при изменении взаимного расположения конструктивных элементов при внешнем воздействии, обуславливающем изменение параметров движения. Основным его конструктивным элементом является актуатор (рабочий, реагирующий, элемент) - мембрана или балка, а именно плоская меандрообразная пружина активного элемента из полупроводникового материала. В связи с чем, основным из этапов предлагаемого способа является этап формирования активного элемента с плоской меандрообразной пружиной из полупроводникового материала - кремния.

В качестве исходного объекта, над которым производят действия, направленные на формирование указанного активного элемента, используют структуру КНИ с отсеченным тонким слоем кремния посредством захороненного диэлектрического слоя, расположенного на подложке кремния.

Отсеченный слой кремния, расположенный на диэлектрическом слое, структурируют до получения связанных с указанным диэлектрическим слоем конструктивных элементов активного элемента - заданной длины и ширины тела меандрообразной пружины с площадками на ее концах, предназначенных для связи с соединяющими активный элемент контактными площадками при переносе его на несущую подложку. Выполнение указанного структурирования слоя полупроводника, главным образом, в целях получения заданной длины и ширины тела меандрообразной пружины, осуществляют для достижения эффективного увеличения электрической длины от 9 до 11 раз по сравнению с обычной формой мембраны или балки в виде сплошного прямоугольника той же заданной длины и ширины. Это обеспечивает значительное снижение влияния вертикальной собственной частоты колебаний, в 10-20 раз, по сравнению со случаем использования мембраны или балки в виде сплошного прямоугольника, и приводит к возникновению продольной горизонтальной собственной частоты колебаний, к возникновению изгиба при вращательном движении.

В результате указанной особенности, обусловленной структурированием полупроводникового слоя с получением тела меандрообразной пружины, при осуществлении изготовления чувствительного элемента микросистемы контроля параметров движения обеспечивается повышение точности и чувствительности при детектировании изменения параметров движения изготовленного устройства в ходе его эксплуатации.

Предлагаемый способ изготовления включает следующие этапы. Этап подготовки подложки (см. Фиг. 1), на которую на заключительном этапе изготовления чувствительного элемента микросистемы контроля параметров движения осуществляют перенесение активного элемента с плоской меандрообразной пружиной из полупроводникового материала после его формирования - подготовка несущей подложки. В качестве исходного объекта берут подложку 1 с диэлектрической рабочей поверхностью. В качестве указанной подложки может быть использована, например, окисленная подложка кремния. Так, в качестве подложки 1 используют подложку кремния, с расположенным на ее поверхности слоем диоксида кремния толщиной от 1 до 2 мкм, включая указанные значения. Методом оптической литографии осуществляют на подложке 1 формирование контактных площадок 2, управляющего электрода 3. Управляющий электрод 3 располагают между парами контактных площадок 2, примерно по центру. Указанные элементы изготавливают в форме слоя алюминия, покрывающего участки поверхности подложки 1, толщиной от 0,1 до 0,2 мкм, включая указанные значения.

Этап формирования активного элемента с плоской меандрообразной пружиной и площадками на ее концах для переноса на несущую подложку и жесткого крепления к ней (см. Фиг. 2), в ходе реализации которого получают структуру КНИ мостикообразной формы (см. Фиг. 3) за счет удаления материала захороненного диэлектрика из-под заданной длины и ширины тела меандрообразной пружины, полученного после структурирования слоя кремния.

Тело плоской меандрообразной пружины выполняют с использованием простейшего меандра (орнамента) в виде ломаной линии, образованной прямыми участками-линиями кремния шириной Н. Раппорт указанной пружины, то есть базовый элемент ее орнамента, часть, которая многократно повторяется в продольном направлении меандрообразной пружины, состоит всего из четырех чередующихся коротких и длинных участков-линий кремния шириной Н, два - длинных и два - коротких, при этом каждый последующий соединен своим концом с концом предыдущего под углом 90 градусов. Длина раппорта составляет сумму из 2Н и удвоенной величины зазора между участками-линиями, расположенными перпендикулярно продольному направлению (см. Фиг. 2). Тело плоской меандрообразной пружины включает от 5 до 10 полных раппортов, длина активного элемента складывается из длины пружины, длины концов и длины площадок.

В качестве исходного объекта берут структуру КНИ, характеризующуюся толщиной захороненного диэлектрического слоя SiO₂, от 220 до 240 нм, толщиной поверхностного слоя кремния, расположенного на диэлектрическом слое, от 560 до 600 нм. Формирование тела меандрообразной пружины и площадок на ее концах для переноса на несущую подложку осуществляют посредством структурирования слоя кремния, расположенного на диэлектрическом слое, фокусированным ионным пучком (ФИЛ) в камере двулучевой рабочей станции ФИЛ (P.Gnauck, P. Hoffrogge and J. Greiser, Proc. SPIE V. 4689 (2002) 833).

Перед проведением структурирования в камере рабочей станции ФИЛ исходную структуру КНИ очищают в кипящем петролейном эфире. Затем структуру КНИ помещают в камеру и приступают к локальному структурированию с помощью остросфокусированного ионного пучка слоя кремния, расположенного на диэлектрическом слое структуры КНИ, для формирования тела плоской меандрообразной пружины и площадок на ее концах для переноса на несущую подложку (см. Фиг. 2). Режимы операции структурирования используют следующие.

Для получения активного элемента в составе тела плоской меандрообразной пружины и площадок на ее концах для переноса на несущую подложку (см. Фиг. 2) длиной L от 29 до 39 мкм, включая указанные значения, шириной W от 10 до 15 мкм, включая указанные значения, шириной образующих пружину прямых участков-линий Н от 0,6 до 1,7 мкм, включая указанные значения, с зазором между участками-линиями, расположенными перпендикулярно продольному направлению активного элемента, от 0,3 до 0,5 включая указанные значения, при заданной толщине конструктивных элементов активного элемента от 0,31 до 0,41 мкм, включая указанные значения, используют ионы Ga с энергией от 25 до 35 кэВ, включая указанные значения, при токе пучка ионов от 40 до 80 пА, включая указанные значения, и времени экспозиции от 2000 до 2400 с, включая указанные значения.

Приведенные режимы структурирования выбраны исходя из следующих условий.

Ток пучка ионов выбирают таким образом, чтобы время последующего (после структурирования слоя кремния) травления структуры КНИ составило от 40 до 50 минут. При превышении указанного времени травления из-за существующего термического дрейфа обрабатываемой структуры КНИ размеры изготавливаемого активного элемента уходят от требуемых, происходит нарушение его геометрии. Кроме того, при больших значениях тока пучка ионов, чем указанные, происходит уширение ширины реза, что не позволяет обеспечить достижение указанных размеров. При меньших значениях тока ионного пучка, чем указанные, не обеспечивается полное разрезание верхнего слоя кремния структуры КНИ. Ускоряющее напряжение пучка ионов, значения энергии ионов, выбирают также из соображений обеспечения наименьшей ширины реза.

Время экспозиции от 2000 до 2400 с, включая указанные значения, определяется получением заданной толщины от 0,31 до 0,41 мкм, включая указанные значения, с соответствием меньшего времени меньшей толщине и наоборот.

После осуществления структурирования слоя кремния структуры КНИ проводят жидкостное химическое травление ее с целью полного удаления захороненного слоя диэлектрика (см. Фиг. 3) из-под сформированного тела меандрообразной пружины, связанного с диэлектриком. Получают структуру КНИ мостикообразной формы (см. Фиг. 3). Жидкостное химическое травление проводят в травителе NH₄F:CH₃COOH:H₂O (3:3:2).

Время травления выбирают в диапазоне от 20 до 80 минут, включая указанные значения. Основным критерием выбора времени травления является полное удаление диэлектрического слоя из-под тела плоской меандрообразной пружины и получение активного элемента без повреждений. Меньшие времена травления не обеспечивают полного удаления материала диэлектрика из-под сформированного тела плоской меандрообразной пружины. При больших временах травления происходит протравливание верхнего слоя кремния, что приводит к существенному изменению геометрических размеров получаемого активного элемента. При этом большие значения времени травления используют при удалении материала диэлектрического слоя в случаях получения тела плоской меандрообразной пружины и, следовательно, активного элемента с большими геометрическими параметрами.

При изготовлении активного элемента с длиной L=29 мкм, шириной W=10 мкм, шириной образующих пружину участков-линий Н=0,6 мкм, с зазором между участками-линиями, расположенными перпендикулярно продольному направлению, 0,4 мкм, при заданной толщине активного элемента на площадках 0,31 мкм (исходная толщина тела плоской меандрообразной пружины непосредственно после окончания структурирования) наиболее оптимальным временем травления будет время от 20 до 30 мин. Толщина слоя кремния плоской меандрообразной пружины в этом случае после травления составляет 0,28 мкм. В случае удаления материала диэлектрического слоя из-под тела меандрообразной пружины при получении активного элемента с длиной L=29 мкм, шириной W=10 мкм, величиной Н=1,7 мкм, с зазором между участками-линиями, расположенными перпендикулярно продольному направлению, 0,3 мкм, при толщине площадок 0,31 мкм (исходная толщина тела плоской меандрообразной пружины непосредственно после окончания структурирования) с использованием времени травления от 40 до 50 минут, толщина слоя кремния плоской меандрообразной пружины после травления составляет уже 0,1 мкм. При увеличении времени травления в 2 раза толщина слоя кремния после травления оказывается меньше в 2,8 раза.

При изготовлении активного элемента с длиной L=39 мкм, шириной W=15 мкм, шириной образующих пружину участков-линий Н=1,5 мкм, с зазором между участками-линиями, расположенными перпендикулярно продольному направлению, 0,5 мкм, при заданной толщине активного элемента на площадках 0,41 мкм (исходная толщина тела плоской меандрообразной пружины непосредственно после окончания структурирования) наиболее оптимальным временем травления будет время от 60 до 80 мин.

Этап формирования контактных площадок для соединения активного элемента (см. Фиг. 4). Формирование контактных площадок для соединения активного элемента с подложкой перед его переносом на подложку осуществляют посредством ФИЛ в указанной камере двулучевой рабочей станции ФИЛ. Подложку 1 с диэлектрической рабочей поверхностью (окисленная подложка кремния с расположенным на ее поверхности слоем диоксида кремния толщиной от 1 до 2 мкм), на которой оптической литографией сформированы контактные площадки 2, управляющий электрод 3, помещают в камеру и посредством ионно-стимулированного локального осаждения осаждают платину на поверхность контактных площадок 2, формируя платиновые соединяющие активный элемент контактные площадки 4. Указанные контактные площадки выполняют площадью около 1×1 мкм², высотой от 1,0 до 1,3 мкм, включая указанные значения интервала. Для формирования используют режимы: ток пучка ионов от 40 до 60 пА, включая указанные значения, время экспозиции от 100 до 120 с, включая указанные значения. Геометрические размеры контактных площадок выбирают, основываясь на требовании закрепления активного элемента над поверхностью несущей подложки на высоте, не меньшей величины его прогиба. Минимальный ток пучка ионов выбирают таким образом, чтобы время осаждения платины составило от 150 до 180 секунд (время экспозиции) с целью уменьшения влияния дрейфа под пучком ионов несущей подложки с изготовленными в ходе первого этапа на ее поверхности элементами. Максимальное значение тока пучка ионов определяется возможностью формирования в процессе соединяющих активный элемент контактных площадок 4. При токе более 60 пА формирование их оказывается невозможным из-за возникающего эффекта ионно-лучевого травления поверхности.

Этап переноса, расположения и закрепления активного элемента на несущей подложке (см. Фиг. 5). Этап осуществляют посредством ФИЛ в указанной камере двулучевой рабочей станции ФИЛ. С помощью микроманипулятора с тонким острозаточенным зондом (100 нм в диаметре) сформированный активный элемент 5 переносят на несущую подложку и закрепляют на сформированных соединяющих активный элемент контактных площадках 4. При этом активный элемент ориентируют поперек управляющего электрода 3. С помощью микроманипулятора наконечник зонда пристыковывают к концу активного элемента, на котором сформирована площадка, и приваривают его с помощью ионно-стимулированного осаждения платины на участке соединения зонда с активным элементом. Операцию осуществляют и для второго конца. Далее с помощью остросфокусированного ионного пучка активный элемент отсоединяют от структуры КНИ. Затем переносят на несущую подложку со сформированными элементами: контактные площадки 2, управляющий электрод 3, соединяющие активный элемент контактные площадки 4. Активный элемент пристыковывают его площадками к соединяющим активный элемент контактным площадкам 4 и закрепляют на них с помощью ионно-стимулированного осаждения платины на участках соединения активного элемента 5 с несущей подложкой.

В качестве сведений, подтверждающих возможность осуществления способа с достижением технического результата, приводим нижеследующие примеры реализации.

Пример 1.

На исходной структуре КНИ структурируют слой кремния, расположенный на диэлектрическом слое. В качестве исходной структуры КНИ используют структуру с диэлектрическим слоем SiO₂, выполненным на подложке кремния, толщиной от 220 до 240 нм, с поверхностным слоем кремния, выполненным на диэлектрическом слое, толщиной от 560 до 600 нм. Исходную структуру КНИ перед осуществлением структурирования слоя кремния, расположенного на диэлектрическом слое, подвергают кипячению в петролейном эфире.

Структурирование осуществляют ФИЛ до получения с заданной длиной и шириной тела плоской меандрообразной пружины с площадками на концах. Используют ионы Ga с энергией 25 кэВ, при токе пучка ионов 40 пА и время экспозиции 2000 с.

Структурирование слоя кремния, расположенного на диэлектрическом слое, фокусированным ионным пучком, осуществляют до получения заданной длины и ширины тела плоской меандрообразной пружины с площадками на концах - длины и ширины активного элемента. Так, обеспечивают в отношении активного элемента длину L 29 мкм, ширину W 10 мкм, ширину образующих пружину прямых участков-линий Н 0,6 мкм, с зазором между участками-линиями, расположенными перпендикулярно продольному направлению, 0,4 мкм, при заданной толщине конструктивных элементов активного элемента, расположенных на диэлектрическом слое, 0,31 мкм.

При структурировании обеспечивают геометрическую конфигурацию пружины, приводящую к увеличению электрической длины, от 9 до 11 раз по сравнению с формой балки в виде сплошного прямоугольника той же заданной длины и ширины, снижению влияния вертикальной собственной частоты колебаний, возникновению продольной горизонтальной собственной частоты колебаний и возникновению изгиба при вращательном движении. Указанную геометрическую конфигурацию получают в форме меандра - ломаной линии, образованной прямыми участками-линиями кремния шириной Н 0,6 мкм. Раппорт выполняют из четырех чередующихся коротких и длинных участков-линий кремния шириной Н. В раппорте каждый последующий участок-линия соединен своим концом с концом предыдущего под углом 90 градусов. Длина раппорта - 2 мкм. Тело плоской меандрообразной пружины формируют включающим десять полных раппортов.

После окончания структурирования слоя кремния с получением конструктивных элементов активного элемента - тела плоской меандрообразной пружины, площадок на концах - из-под тела плоской меандрообразной пружины удаляют полностью материал диэлектрического слоя. В результате, получают структуру КНИ мостикообразной формы. Для этого осуществляют жидкостное химическое травление в травителе NH₄F:CH₃COOH:H₂O (3:3:2) в течение 20 мин.

Подготавливают несущую подложку с диэлектрической рабочей поверхностью. На подложке сначала выполняют пару контактных площадок и расположенный между ними управляющий электрод из электропроводящего материала. Указанные элементы выполняют методом оптической литографии в форме слоя алюминия, покрывающего участки поверхности подложки, толщиной 0,1 мкм. В качестве подложки с диэлектрической рабочей поверхностью используют подложку кремния, с расположенным на ее поверхности слоем диоксида кремния толщиной 1 мкм.

Затем на контактных площадках посредством фокусированного ионного пучка осаждают соединяющие активный элемент контактные площадки из платины. Соединяющие активный элемент контактные площадки выполняют площадью около 1×1 мкм², высотой 1 мкм. При осаждении используют ток пучка ионов 40 пА, время экспозиции 100 с.

В финале активный элемент с плоской меандрообразной пружиной и площадками на концах выделяют из структуры КНИ мостикообразной формы, переносят на несущую подложку и жестко крепят площадками на концах к соединяющим активный элемент контактным площадкам. Осуществляют указанные действия с помощью микроманипулятора с тонким острозаточенным зондом. При этом наконечник зонда пристыковывают к концу активного элемента, на котором сформирована площадка, и приваривают его с помощью ионно-стимулированного осаждения платины на участке соединения зонда с активным элементом. Операцию осуществляют также для второго конца. С помощью остросфокусированного ионного пучка активный элемент отсоединяют от структуры КНИ. После чего активный элемент переносят на несущую подложку с контактными площадками, управляющим электродом, соединяющими активный элемент контактными площадками. Перед фиксацией на несущей подложке ориентируют активный элемент поперек управляющего электрода. Затем пристыковывают его площадками к соединяющим активный элемент контактным площадкам и закрепляют на них с помощью ионно-стимулированного осаждения платины.

Пример 2.

На исходной структуре КНИ структурируют слой кремния, расположенный на диэлектрическом слое. В качестве исходной структуры КНИ берут структуру с диэлектрическим слоем SiO₂, выполненным на подложке кремния, толщиной от 220 до 240 нм, с поверхностным слоем кремния, выполненным на диэлектрическом слое, толщиной от 560 до 600 нм. Исходную структуру КНИ перед осуществлением структурирования слоя кремния, расположенного на диэлектрическом слое, подвергают кипячению в петролейном эфире.

Структурирование осуществляют ФИЛ до получения с заданной длиной и шириной тела плоской меандрообразной пружины с площадками на концах. Используют ионы Ga с энергией 28 кэВ, при токе пучка ионов 45 пА и время экспозиции 2100 с.

Структурирование слоя кремния, расположенного на диэлектрическом слое, ФИЛ осуществляют до получения заданной длины и ширины тела плоской меандрообразной пружины с площадками на концах - длины и ширины активного элемента. Так, обеспечивают в отношении активного элемента длину L 33 мкм, ширину W 11 мкм, ширину образующих пружину прямых участков-линий Н 1,7 мкм, с зазором между участками-линиями, расположенными перпендикулярно продольному направлению, 0,3 мкм, при заданной толщине конструктивных элементов активного элемента, расположенных на диэлектрическом слое, 0,34 мкм.

При структурировании слоя кремния обеспечивают геометрическую конфигурацию пружины, приводящую к увеличению электрической длины от 9 до 11 раз по сравнению с формой балки в виде сплошного прямоугольника той же заданной длины и ширины, снижению влияния вертикальной собственной частоты колебаний, возникновению продольной горизонтальной собственной частоты колебаний и возникновению изгиба при вращательном движении. Указанную геометрическую конфигурацию получают в форме меандра - ломаной линии, образованной прямыми участками-линиями кремния шириной Н 1,7 мкм. Раппорт выполняют из четырех чередующихся коротких и длинных прямых участков-линий кремния шириной Н. В раппорте каждый последующий участок-линия соединен своим концом с концом предыдущего под углом 90 градусов. Длина раппорта - 4 мкм. Тело плоской меандрообразной пружины формируют включающим шесть полных раппортов.

После окончания структурирования слоя кремния с получением конструктивных элементов активного элемента - тела плоской меандрообразной пружины, площадок на концах - из-под тела плоской меандрообразной пружины удаляют полностью материал диэлектрического слоя. В результате, получают структуру КНИ мостикообразной формы. Для этого осуществляют жидкостное химическое травление в травителе NH₄F:CH₃COOH:H₂O (3:3:2) в течение 33 мин.

Подготавливают несущую подложку с диэлектрической рабочей поверхностью. На подложке сначала выполняют пару контактных площадок и расположенный между ними управляющий электрод из электропроводящего материала. Указанные элементы выполняют методом оптической литографии в форме слоя алюминия, покрывающего участки поверхности подложки, толщиной 0,16 мкм. В качестве подложки с диэлектрической рабочей поверхностью используют подложку кремния, с расположенным на ее поверхности слоем диоксида кремния толщиной 1,5 мкм.

Затем на контактных площадках посредством ФИЛ осаждают соединяющие активный элемент контактные площадки из платины. Соединяющие активный элемент контактные площадки выполняют площадью около 1×1 мкм², высотой 1,15 мкм. При осаждении используют ток пучка ионов 49 пА, время экспозиции 112 с.

В финале активный элемент с плоской меандрообразной пружиной и площадками на концах выделяют из структуры КНИ мостикообразной формы, переносят на несущую подложку и жестко крепят площадками на концах к соединяющим активный элемент контактным площадкам. Осуществляют указанные действия с помощью микроманипулятора с тонким острозаточенным зондом. При этом наконечник зонда пристыковывают к концу активного элемента, на котором сформирована площадка, и приваривают его с помощью ионно-стимулированного осаждения платины на участке соединения зонда с активным элементом. Операцию осуществляют также для второго конца. С помощью остросфокусированного ионного пучка активный элемент отсоединяют от структуры КНИ. После чего активный элемент переносят на несущую подложку с контактными площадками, управляющим электродом, соединяющими активный элемент контактными площадками. Перед фиксацией на несущей подложке ориентируют активный элемент поперек управляющего электрода. Затем пристыковывают его площадками к соединяющим активный элемент контактным площадкам и закрепляют на них с помощью ионно-стимулированного осаждения платины.

Пример 3.

На исходной структуре КНИ структурируют слой кремния, расположенный на диэлектрическом слое. В качестве исходной структуры КНИ берут структуру с диэлектрическим слоем SiO₂, выполненным на подложке кремния, толщиной от 230 до 240 нм, с поверхностным слоем кремния, выполненным на диэлектрическом слое, толщиной от 560 до 600 нм. Исходную структуру КНИ перед осуществлением структурирования слоя кремния, расположенного на диэлектрическом слое, подвергают кипячению в петролейном эфире.

Структурирование осуществляют ФИЛ до получения с заданной длиной и шириной тела плоской меандрообразной пружины с площадками на концах. Используют ионы Ga с энергией 35 кэВ, при токе пучка ионов 80 пА и время экспозиции 2400 с.

Структурирование слоя кремния, расположенного на диэлектрическом слое, ФИЛ осуществляют до получения заданной длины и ширины тела плоской меандрообразной пружины с площадками на концах - длины и ширины активного элемента. Так, обеспечивают в отношении активного элемента длину L 39 мкм, ширину W 15 мкм, ширину образующих пружину прямых участков-линий Н 1,5 мкм, с зазором между участками-линиями, расположенными перпендикулярно продольному направлению, 0,5 мкм, при заданной толщине конструктивных элементов активного элемента, расположенных на диэлектрическом слое, 0,41 мкм.

При структурировании слоя кремния обеспечивают геометрическую конфигурацию пружины, приводящую к увеличению электрической длины от 9 до 11 раз по сравнению с формой балки в виде сплошного прямоугольника той же заданной длины и ширины, снижению влияния вертикальной собственной частоты колебаний, возникновению продольной горизонтальной собственной частоты колебаний и возникновению изгиба при вращательном движении. Указанную геометрическую конфигурацию получают в форме меандра - ломаной линии, образованной участками-линиями кремния шириной Н 1,5 мкм. Раппорт выполняют из четырех чередующихся коротких и длинных прямых участков-линий кремния шириной Н. В раппорте каждый последующий участок-линия соединен своим концом с концом предыдущего под углом 90 градусов. Длина раппорта - 4 мкм. Тело плоской меандрообразной пружины формируют включающим пять полных раппортов.

После окончания структурирования слоя кремния с получением конструктивных элементов активного элемента - тела плоской меандрообразной пружины, площадок на концах - из-под тела плоской меандрообразной пружины удаляют полностью материал диэлектрического слоя. В результате, получают структуру КНИ мостикообразной формы. Для этого осуществляют жидкостное химическое травление в травителе NH₄F:CH₃COOH:H₂O (3:3:2) в течение 80 мин.

Подготавливают несущую подложку с диэлектрической рабочей поверхностью. На подложке сначала выполняют пару контактных площадок и расположенный между ними управляющий электрод из электропроводящего материала. Указанные элементы выполняют методом оптической литографии в форме слоя алюминия, покрывающего участки поверхности подложки, толщиной 0,2 мкм. В качестве подложки с диэлектрической рабочей поверхностью используют подложку кремния, с расположенным на ее поверхности слоем диоксида кремния толщиной 2 мкм.

Затем на контактных площадках посредством ФИЛ осаждают соединяющие активный элемент контактные площадки из платины. Соединяющие активный элемент контактные площадки выполняют площадью около 1×1 мкм², высотой 1,3 мкм. При осаждении используют ток пучка ионов 60 пА, время экспозиции 120 с.

В финале активный элемент с плоской меандрообразной пружиной и площадками на концах выделяют из структуры КНИ мостикообразной формы, переносят на несущую подложку и жестко крепят площадками на концах к соединяющим активный элемент контактным площадкам. Осуществляют указанные действия с помощью микроманипулятора с тонким острозаточенным зондом. При этом наконечник зонда пристыковывают к концу активного элемента, на котором сформирована площадка, и приваривают его с помощью ионно-стимулированного осаждения платины на участке соединения зонда с активным элементом. Операцию осуществляют также для второго конца. С помощью остросфокусированного ионного пучка активный элемент отсоединяют от структуры КНИ. После чего активный элемент переносят на несущую подложку с контактными площадками, управляющим электродом, соединяющими активный элемент контактными площадками. Перед фиксацией на несущей подложке ориентируют активный элемент поперек управляющего электрода. Затем пристыковывают его площадками к соединяющим активный элемент контактным площадкам и закрепляют на них с помощью ионно-стимулированного осаждения платины.

Использование: для изготовления конструктивных элементов микромеханических приборов. Сущнось изобретения заключается в том, что на исходной структуре кремний-на-изоляторе (КНИ) структурируют слой кремния, расположенный на диэлектрическом слое, фокусированным ионным пучком (ФИП) до получения с заданной длиной и шириной тела плоской меандрообразной пружины с площадками на концах, при структурировании слоя кремния обеспечивают геометрическую конфигурацию пружины, приводящую к увеличению электрической длины от 9 до 11 раз по сравнению с формой балки в виде сплошного прямоугольника той же заданной длины и ширины, снижению влияния вертикальной собственной частоты колебаний, возникновению продольной горизонтальной собственной частоты колебаний и возникновению изгиба при вращательном движении, после окончания структурирования слоя кремния с получением конструктивных элементов активного элемента - тела плоской меандрообразной пружины, площадок на концах - из-под тела плоской меандрообразной пружины удаляют полностью материал диэлектрического слоя, получая структуру КНИ мостикообразной формы, подготавливают несущую подложку с диэлектрической рабочей поверхностью, на которой сначала выполняют пару контактных площадок и расположенный между ними управляющий электрод из электропроводящего материала, затем на контактных площадках посредством ФИП осаждают соединяющие активный элемент контактные площадки, активный элемент с плоской меандрообразной пружиной и площадками на концах выделяют из структуры КНИ мостикообразной формы, переносят на несущую подложку и жестко крепят площадками на концах к соединяющим активный элемент контактным площадкам. Технический результат: обеспечение возможности повышения точности и чувствительности при детектировании изменения параметров движения. 10 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ изготовления чувствительного элемента микросистемы контроля параметров движения, отличающийся тем, что на исходной структуре кремний-на-изоляторе (КНИ) структурируют слой кремния, расположенный на диэлектрическом слое, фокусированным ионным пучком (ФИП) до получения с заданной длиной и шириной тела плоской меандрообразной пружины с площадками на концах, при структурировании слоя кремния обеспечивают геометрическую конфигурацию пружины, приводящую к увеличению электрической длины от 9 до 11 раз по сравнению с формой балки в виде сплошного прямоугольника той же заданной длины и ширины, снижению влияния вертикальной собственной частоты колебаний, возникновению продольной горизонтальной собственной частоты колебаний и возникновению изгиба при вращательном движении, после окончания структурирования слоя кремния с получением конструктивных элементов активного элемента - тела плоской меандрообразной пружины, площадок на концах - из-под тела плоской меандрообразной пружины удаляют полностью материал диэлектрического слоя, получая структуру КНИ мостикообразной формы, подготавливают несущую подложку с диэлектрической рабочей поверхностью, на которой сначала выполняют пару контактных площадок и расположенный между ними управляющий электрод из электропроводящего материала, затем на контактных площадках посредством ФИП осаждают соединяющие активный элемент контактные площадки, активный элемент с плоской меандрообразной пружиной и площадками на концах выделяют из структуры КНИ мостикообразной формы, переносят на несущую подложку и жестко крепят площадками на концах к соединяющим активный элемент контактным площадкам.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве исходной структуры КНИ используют структуру с диэлектрическим слоем SiO₂.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что исходную структуру КНИ подвергают кипячению в петролейном эфире.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при структурировании слоя кремния ФИП используют ионы Ga.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при структурировании слоя кремния ФИП обеспечивают длину L от 29 до 39 мкм, ширину W от 10 до 15 мкм, ширину образующих пружину прямых участков-линий Н от 0,6 до 1,7 мкм.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при структурировании обеспечивают геометрическую конфигурацию пружины в форме меандра.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что после окончания структурирования слоя кремния осуществляют жидкостное химическое травление в травителе NH₄F:СН₃СООН:H₂O.

8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что пару контактных площадок и расположенный между ними управляющий электрод выполняют из электропроводящего материала.

9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве подложки с диэлектрической рабочей поверхностью используют подложку кремния.

10. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при подготовке несущей подложки с диэлектрической рабочей поверхностью на ее контактных площадках осаждают соединяющие контактные площадки.

11. Способ по п. 1, отличающийся тем, что активный элемент с плоской меандрообразной пружиной и площадками на концах выделяют из структуры КНИ мостикообразной формы, переносят на несущую подложку, жестко крепят площадками на концах к соединяющим активный элемент контактным площадкам на несущей подложке с помощью микроманипулятора с тонким острозаточенным зондом.