Cover

CARACTERIZAREA
MICROSENZORILOR ELECTROMECANICI

Microsenzorii electromecanici realizaţi pe siliciu reprezintă o nouă provocare pentru tehnologiile de fabricaţie a circuitelor integrate, în sensul extinderii caracterizării straturilor utilizate din punctul de vedere al parametrilor micromecanici de material.
Cartea prezintă rezultatele obţinute de autor în activitatea de producţie şi cercetare-dezvoltare desfăşurată la Microelectronica în cadrul Secţiei de Fabricaţie Structuri respectiv la Institutul de Microtehnologie. Această activitate, s-a materializat în rapoarte tehnice, comunicări ştiinţifice în ţară sau străinătate şi brevete, multe dintre acestea aplicate direct în procesele tehnologice dezvoltate în cadrul Secţiei de Fabricaţie Structuri CMOS.
Majoritatea rapoartelor şi comunicărilor ştiinţifice  sunt în legătură cu subiectul tezei de doctorat “Microsenzori rezonanţi realizaţi pe siliciu în tehnologie planară” finalizată de autor în anul 2000.
Capitolul 1 cuprinde o prezentare a principalelor aspecte specifice microsenzorilor electromecanici.
Capitolul 2 se referă la optimizarea proceselor de fabricaţie a senzorilor electromecanici utilizând metode şi structuri de test, organizate sub formă modulară, care să permită măsurători simple rapide şi precise.
Capitolul 3 prezintă structurile de test electric şi anume metode şi structuri de măsură a parametrilor dispozitivelor active, a celor pasive şi a proceselor tehnologice. Pentru aceasta se utilizează tranzistoarele şi rezistoarele test, rezistenţele de contact, dezalinierile dintre nivele şi uniformitatea proceselor. Aceste structuri sunt utile atât proceselor tehnologice de realizare a circuitelor electronice necesare funcţionării senzorilor rezonanţi cât şi proceselor tehnologice de fabricaţie a microstructurilor electromecanice de tip rezonant.
Capitolul 4 prezintă principalele metode şi structuri de test utilizate pentru caracterizarea straturilor folosite pentru realizarea microstructurilor electromecanice, din punct de vedere al proprietăţilor micromecanice.
Mai întâi sunt descrise structuri de caracterizare globală a proprietăţilor micromecanice cum ar fi metoda curburii plachetei, măsurarea directă, punţile micromecanice sau inelele Guckel. Pentru caracterizarea distribuţiei stresului în straturile depuse se pot utiliza structuri de tip spirală iar pentru determinarea forţei de aderenţă a stratului depus la substrat se utilizează structuri de tip grindă fixată la un singur capăt. Pentru măsurători mai precise sunt utilizate structuri cum ar fi structurile în V cu vernier, structuri “braţe încrucişate”, structuri indicator cu bară de rotaţie dreaptă sau cu bară de rotaţie semicirculară. Metode mai rafinate, în sensul că se pot aplica chiar structurilor micromecanice active, utilizează caracteristica sarcină-deflexie, tranzistoare FET, tensiunea de cădere a microstructurii pe substrat sau frecvenţa de rezonanţă.
Metodele sunt prezentate din punct de vedere al modelării şi proiectării, realizării tehnologice şi al aplicării experimentale pentru caracterizarea principalelor straturi utilizate în fabricaţia microsenzorilor.
Utilizarea rezultatelor optimizării proceselor de fabricaţie a microsenzorilor electromecanici este exemplificată prin proiectarea micromecanică şi tehnologică a unei punţi din polisiliciu încapsulată în vid.
Doresc să mulţumesc pe această cale familiei, colegilor şi prietenilor care m-au ajutat la realizarea acestei cărţi.

Noiembrie, 2002                                                                                                 Florin Babarada

CUPRINS

Capitolul 1  

Microsenzori mecanici şi electromecanici       6

• Generalităţi,  6

• Performanţele microsenzorilor,  7

• Senzori mecanici,  8

• Microsenzori mecanici,  10

• Microsenzori electromecanici,  11

Bibliografie,  13

Capitolul 2  

Caracterizarea microsenzorilor electromecanici integraţi utilizând structuri de test,  14

• Introducere,  14

• Proiectarea structurilor de test,  15

• Organizarea structurilor de test,  16

• Clasificarea structurilor de test,  17

Bibliografie,  18

Capitolul 3  

Metode şi structuri de test electric a microsenzorilor
electromecanici integraţi pe siliciu,  19

• Introducere,  19

• Structuri test serie de tranzistori,  19

• Structuri test serie de rezistoare,  21

• Structuri de test arie de tranzistoare,  22

• Structuri test arie de contacte,  23

• Structuri test arie de diode,  23

• Structuri test arie de condensatoare,  23

• Structuri test de tip traseu rezistiv,  24

• Structuri test de tip Van der Pauw,  25

• Structuri test de tip Van der Pauw pentru măsurarea mobilităţii de suprafaţă,  26

• Structuri de test pentru măsurarea sensibilităţii la latchup,  27

• Structuri test pentru studiul împrăştierii laterale a ionilor implantaţi,  28

• Structuri test pentru măsurarea rezistenţei de contact,  29

• Structuri test de tip potenţiometru,  30
  

• Structuri test de tip rezistenţă multi-contact,  30
  

• Structuri test de tip Kelvin cu patru terminale,  31
  

• Structuri test de tip Kelvin cu şase terminale,  32
  

• Structuri test de tip Kelvin cu auto-aliniere pentru măsurarea rezistenţei de contact verticale,  33
  

• Structură test verticală pentru măsurarea rezistenţei de contact dintre două metale,  34
  

• Structuri test pentru măsurarea dezalinierii,  35
  

• Structuri test de tip potenţiometru pentru măsurarea dezalinierii contact-difuziune,  35
  

• Structuri test de tip Van der Pauw pentru măsurarea dezalinierii între două nivele de mascare,  36
  

• Structuri de test de tip rezistiv pentru măsurarea dezalinierii poli-difuziune,  37
  

• Structuri de test cu tranzistoare pentru măsurarea dezalinierii poli1-poli2,  37
  

• Structuri test cu tranzistoare pentru măsurarea dezalinierii poli-difuziune,  38

Bibliografie,  39

Capitolul 4  

Metodele şi structuri de test micromecanice
a microsenzorilor electromecanici integraţi pe siliciu,  41

• Introducere,  41
  

• Metode şi structuri m-test utilizând măsurători optice,  43
  

• Metoda măsurării curburii plachetei,  43
  

• Metoda măsurării directe a stresului,  44
  

• Metoda flambării structurilor de tip grindă fixată la ambele capete,  44
  

• Metoda inelelor Guckel,  45
  

• Structuri de tip grindă în v şi citire cu vernier,  46
  

• Structuri de test indicator,  50
  

• Structuri “braţe încrucişate”,  51
  

• Structuri cu un braţ,  52
  

• Aspecte experimentale,  54
  

• Introducere,  54
  

• Caracteristicile siliciului şi polisiliciului,  54
  

• Depunerea polisiliciului,  56
  

• Doparea şi oxidarea siliciului policristalin,  56
  

• Stresul filmelor de polisiliciu,  57
  

• Compararea metodelor de măsură a stresului,  60
  

• Structuri m-test pentru determinarea gradientului stresului rezidual,  62
  

• Determinarea efortului şi a modulului
  

• Young cunoscând caracteristica sarcină-deflexie,  63
  

• Determinarea caracteristicii sarcină-deflexie,  63
  

• Determinarea efortului şi a Modulului Young,  64
  

• Caracterizarea straturilor de oxid CVD,  67
  

• Introducere,  67
  

• Compoziţia chimică,  67
  

• Grosimea,  68
  

• Structura,  69
  

• Corodarea oxidului CVD,  70
  

• Tensiunile mecanice şi higroscopicitatea,  74
  

• Măsurarea forţei de aderenţă,  76
  

• Metode şi structuri m-test utilizând măsurători electrice,  77,
  

• Metoda tranzistorului – FET,  77
  

• Metoda acţionării electrostatice,  79
  

• Metoda frecvenţei de rezonanţă  85
  

• Exemple de microstructuri rezonante,  90
  

• Punte rezonantă din polisiliciu fixată pe oxid CVD,  90
  

• Punte din polisiliciu fixată pe oxid LOCOS,  95
  

• Punte din polisiliciu încapsulată în vid,  97

Bibliografie, 106

Capitolul 5

Concluzii,  112

ANEXA 1: Determinarea liniei elastice pentru grinzi încastrate la un capăt, 113
ANEXA 2: Metoda generală de integrare a ecuaţiei liniei elastice (axei deformate), 115
ANEXA 3: Determinarea liniei elastice folosind principiul deplasărilor virtuale,
                  Metoda Ritz-Timoşenko, Stabilitatea echilibrului elastic, 118
ANEXA 4: Încovoierea plăcilor, 124

>>top