Исследованы зависимости характеристик глубокого травления кремния от параметров процесса. Для нахождения оптимальных режимов, обеспечивающих высокую селективность к маске и снижение апертурного эффекта, применен метод планирования многофакторного эксперимента. Результаты исследования использованы при изготовлении реальных структур МЭМС.
Показаны основные факторы, определяющие требования к герметизации микромеханических устройств и систем (МЭМС). Проанализированы применительно к герметизации МЭМС методы обработки материалов и создания трехмерных структур, используемые в микросистемной технике. Рассмотрены различные технологические варианты вакуумной герметизации микросистем, тенденции развития данной области.
Методами атомно-силовой микроскопии и УФ-рассеяния исследована поверхность эпитаксиальных слоев кремния на сапфире (КНС). Проведен рентгеноструктурный анализ слоев КНС. Переходная область кремний-сапфир исследована методом фотоЭДС. Рассмотрена и экспериментально подтверждена проблема аккумуляции побочных продуктов синтеза кремния из моносилана. Обнаружено, что добавление хлорсодержащих реагентов в процесс эпитаксии позволяет исключить влияние данных продуктов на растущий слой, а также модифицировать микрорельеф поверхности. Исследования поверхности и структуры слоев КНС позволили определить, что рост пленок осуществляется по механизму Странски - Крастанова. Показано, что комбинированный метод, заключающийся в предварительном наращивании слоя КНС толщиной 30-60 нм из чистого SiH и дальнейшем доращивании слоя при соотношении расходов газовых компонентов 2SiH:1SiCl, является наиболее предпочтительным методом изготовления структур КНС с толщиной слоя от 300 нм и более.
Описана технология формирования наноуглеродных эмиттеров для интегральных автоэмиссионных элементов. Определены режимы получения различных углеродных пленочных структур: алмазных, графитовых, графеноподобных. Исследован низкотемпературный метод получения ультрадисперсных алмазов. Показано, что высокие эмиссионные свойства наноалмазографитовых эмиттеров обеспечиваются за счет эффекта самоорганизации алмазных нанокристаллов в графитовой пленке в процессе осаждения пленок из паров этанола при низком давлении с использованием высоконеравновесной СВЧ-плазмы. На основе разработанного метода изготовлены и исследованы экспериментальные образцы интегральных автоэмиссионных диодов с наноалмазографитовыми эмиттерами. Получены следующие параметры интегральных автоэмиссионных диодов: порог эмиссии 2,5 В/мкм, плотность эмиссионного тока 1,75 А/см. При исследовании эмиттеров лезвийного типа получена наибольшая плотность тока - более 20 А/см.
Сложность оптимизации технологического режима гетероэпитаксии является важным сдерживающим фактором использования структур кремния на сапфире (КНС). С целью устранения данного технологического барьера в работе проведено исследование процесса газофазного формирования начального слоя кремния на R-плоскости сапфира. Параметры изготовленных слоев проанализированы с помощью производственных методов контроля качества, а также методов РСА, РЭМ и СКР. Получены профили распределения удельного сопротивления методом сопротивления растекания (SRP). Показано, что проведение начальной стадии роста при температуре 910–930 °С приводит к уменьшению автолегирования слоя кремния алюминием из подложки. Термообработка начального слоя, сформированного при температуре 945–965 °С, позволяет получать структуры КНС высокого структурного качества в широком диапазоне температур осаждения основного слоя ( 960–1005 °С). Сравнение структур КНС, полученных при оптимальных параметрах разработанного режима и в стандартном процессе, показало снижение ширины кривой качания до ~0,24°, уменьшение механических напряжений сжатия до 0,8–1,96 ГПа, однородность профиля удельного сопротивления до глубины 180–350 нм. Применение разработанных технологических режимов позволяет значительно повысить однородность контрольных параметров КНС в одном процессе, что повышает производительность процесса изготовления.
Важными факторами надежности и прочности микроэлектронных модулей являются конструкция и технология паяного и клеевого соединений, упругие прочностные и пластические свойства материалов кристалла кремния, припоя и клеевого шва. Многослойные конструкции соединений элементов в микроэлектронных модулях должны обеспечивать снижение массогабаритных характеристик и эффективный теплоотвод. В работе проведено моделирование напряженно-деформированного состояния соединений элементов в микроэлектронных модулях. Показано, что в олово-висмутовом припое напряжения в материалах сборки распределяются более равномерно и их значения ниже, чем при использовании припоев ПОС61 и ПОЦ: в кремнии на 5-30 %, в медном проводнике на 20-90 %. Выяснено, что в условиях эксплуатации и испытаний при повышенных температурах напряжение в припое ПОВи ниже, чем в припоях ПОС61 и ПОЦ, в 1,5 и 2,2 раза соответственно. Установлено, что эпоксидный клей холодного отверждения имеет хорошую адгезию к различным конструктивным материалам и долговечность, а технологический процесс характеризуется низкой трудоемкостью. Определена оптимальная толщина клеевого шва (50-200 мкм) и медного проводника (20 мкм). Даны рекомендации по проектированию микросоединений микроэлектронных модулей.
Из широкого спектра выпускаемых гибких фольгированных диэлектриков выгодно отличаются безадгезивные материалы. Они выдерживают воздействие высоких температур, позволяют существенно повысить плотность элементов и имеют лучшие качественные характеристики, так как адгезивы оказывают отрицательное влияние на электрические характеристики изготавливаемых с их применением материалов и имеют сравнительно невысокую термостойкость. В работе рассмотрены безадгезивные гибкие фольгированные диэлектрики для электронной техники и технология их изготовления. Исследованы изменение свойств лакофольгового диэлектрика ФДИ-АП50 при хранении и влияние технологических факторов на степень усадки полимерной основы. Показаны преимущества безадгезивных фольгированных диэлектриков с полной имидизацией полимерной основы. Описана технология изготовления лакофольговых диэлектриков, используемых при производстве высоконадежных микросхем модификации 2 и высокотехнологичных мембран акустических преобразователей. Полиимидное основание диэлектриков имеет высокую адгезию к фольге и гарантированную равномерность степени имидизации 95-100 %. Этим обеспечивается стабильность технологических режимов в процессе изготовления изделий из данных материалов, а также повышение срока хранения лакофольговых диэлектриков до 12 месяцев.
Для снижения разницы температурного коэффициента линейного расширения между кристаллом и материалом герметизации при корпусировании микросхем в пластиковые корпуса применяются эпоксидные монолитизирующие компаунды, содержащие высокий процент наполнителя в виде частиц оксида кремния. Однако помимо кристалла значительное влияние на уровень термомеханических напряжений в корпусе оказывает коммутационная подложка. При трехмерной интеграции в микросборке с помощью объемной коммутации объединяется несколько подложек, которые могут быть изготовлены из различных диэлектриков. В работе показано, что снизить уровень температурных напряжений в такой структуре могут герметизирующие материалы с различным температурным коэффициентом линейного расширения во внешней и внутренней частях изделия. Определены зависимости термомеханического напряжения и деформации микросборки от числа уровней и количества наполнителя во внешнем герметизирующем компаунде. Исследование проведено посредством компьютерного моделирования различных конструкций микросборок, герметизированных компаундами с разными значениями температурных и механических параметров. На основе полученных графиков зависимостей установлены оптимальные значения содержания наполнителя во внешнем и внутреннем компаундах для обеспечения минимальной температурной и механической (под действием ускорения) деформации микросборок при разном числе уровней.
С позиций статистической термодинамики проведен анализ механизмов отказов и процессов химической кинетики, определяющих надежность изделий микросистемной техники. Впервые предпринята попытка использовать модифицированное уравнение Гиббса в форме Семенченко для задач исследования механизмов отказов изделий.
Рассмотрена возможность применения пористого кремния при создании варикапов с большим коэффициентом перекрытия по емкости, удовлетворяющих требованиям микроэлектроники и микросистемной техники. Описана технология изготовления конденсаторных структур с применением гальванического осаждения меди в поры пористого кремния. Исследованы морфологические особенности экспериментальных структур, определена удельная емкость варикапов. Показана перспективность применения варикапов на основе пористого кремния в интегральной электронике.
Показана возможность использования закономерностей макроскопической (классической) термогидродинамики и определены ее пространственно-временные ограничения при моделировании теплообмена микронных тепловыделяющих элементов микрозеркальных микроэлектромеханических систем (МЭМС) различной геометрии. Основными задачами моделирования являются определение эксплуатационных характеристик микрозеркальных МЭМС и пути оптимизации этих показателей. Приведен пример практической апробации модели теплообмена тепловыделяющего элемента термомеханического актюатора, входящего в состав микрозеркальной МЭМС. Результаты моделирования подтверждены адекватностью экспериментальным исследованиям.