RU2644029C2

RU2644029C2 - Method of manufacture of sensitive element of microsystems of control of parameters of movement

Info

Publication number: RU2644029C2
Application number: RU2016123314A
Authority: RU
Inventors: Юрий Алексеевич Живодков; Дмитрий Владимирович Щеглов; Сергей Сергеевич Косолобов; Александр Васильевич Латышев
Priority date: 2016-06-10
Filing date: 2016-06-10
Publication date: 2018-02-07
Also published as: RU2016123314A

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: on original structure of silicon-on-insulator (SOI) structuring a silicon layer located on the dielectric layer with an ion beam focused (FIP) to obtain a flat meandering spring with the given length and width of the body with the tips at the ends, when structuring the silicon layer, the geometric configuration of the spring is provided, resulting in an increase in the electrical length from 9 to 11 times in comparison with the shape of the beam in the form of a solid rectangle of the same specified length and width, a decrease in the influence of the vertical natural frequency of oscillations, the appearance of a longitudinal horizontal natural frequency of oscillations and the appearance bending during rotary motion, after completion of the structuring of the silicon layer to obtain the structural elements of the active element - the body of a flat meandrode spring, the sites at the ends - from the body of a flat meander spring completely remove the material of the dielectric layer, obtaining the structure of SOI bridged shape, preparing a carrier substrate with a dielectric working surface on which a pair of contact pads and a control electrode located between them are first made of an electrically conductive material, then the contacting pads connecting the active element are deposited by means of a FIP, the active element with a flat meandrode spring and pads at the ends is extracted from STR structures of bridged form are transferred to a carrier substrate and transfer to a carrier substrate and rigidly fasten the areas at the ends to the active site-connecting pads.

EFFECT: providing the possibility of increasing the accuracy and sensitivity when detecting changes in motion parameters.

11 cl, 5 dwg

Description

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.The method relates to the field of measurement technology, instrumentation and can be used for the manufacture of structural elements of micromechanical devices on silicon substrates, namely, elastic suspensions and the entire sensitive element as a whole, for example for micromechanical accelerometers and gyroscopes.

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.A known method of manufacturing a sensitive element of a microsystem for controlling motion parameters (see the description of Pat. RF No. 2114489 for an invention, IPC: 6 H01L 29/84, H01L 21/02), comprising forming silicon by etching a fixed board and an inertial movable board fixed to flexible jumpers on the frame.

Изготавливаемый указанным способом чувствительный элемент является элементом емкостного типа.The sensing element produced by this method is a capacitive type element.

Недостаток способа заключается в том, что он не может обеспечить изготовление чувствительного элемента, характеризующегося высокой точностью и чувствительностью при детектировании изменения параметров движения.The disadvantage of this method is that it cannot provide the manufacture of a sensitive element, characterized by high accuracy and sensitivity when detecting changes in motion parameters.

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.The method does not provide the presence in the sensitive element of the evacuated region of inertial mass displacement, which sharply reduces its metrological characteristics. A method of manufacturing a sensitive element provides only a small inertial mass, which limits the accuracy and sensitivity of the manufactured element.

Однако главное препятствие в достижении нижеуказанного результата заключается в используемом принципе для контроля параметров движения, базирующемся на анализе емкости.However, the main obstacle to achieving the following result is the principle used to control the motion parameters, based on the analysis of capacity.

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.A known method of manufacturing a sensitive element of a microsystem for monitoring motion parameters (St. Petersburg International Conference on Gyroscopic Technology and Navigation, 1996, pp. 3-10), taken as the closest analogue, which consists in the formation of dimensional etching of silicon frames and circuit boards capacitive plates mounted on the frame using mutually perpendicular jumpers and recessed relative to the plane of the frame by an amount corresponding to the capacitive gap, two-way connection of inertial masses to the central board, the formation of the base from alkaline carrier glass containing capacitive plates made of aluminum film and a blind hole for inertial mass placement, attachment to the base of the frame with boards and sealing with simultaneous evacuation of the formed containers and areas of inertial mass displacement.

Приведенным способом изготавливается чувствительный элемент емкостного типа.The above method produces a capacitive type sensitive element.

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.The disadvantages of the above method, preventing the achievement of the following technical result, are the irreproducibility of the formation of jumpers of rectangular cross section, jumpers that hold the inertial mass, as well as the difficulty in creating the internal cavity of the gyroscope and monitoring its tightness.

Техническим результатом предлагаемого способа является повышение точности и чувствительности при детектировании изменения параметров движения.The technical result of the proposed method is to increase the accuracy and sensitivity when detecting changes in motion parameters.

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.The technical result is achieved by a method of manufacturing a sensitive element of a motion control microsystem, which consists in structuring a silicon layer located on a dielectric layer with a focused ion beam on a silicon-on-insulator (SOI) structure until a plane meander-like body is obtained with a given body length and width springs with pads at the ends, when structuring, provide a geometrical configuration of the spring, leading to an increase in electric length from 9 to 11 times in comparison with the shape of a beam in the form of a solid rectangle of the same given length and width, reducing the influence of the vertical eigenfrequency, the occurrence of a longitudinal horizontal eigenfrequency, and the occurrence of bending during rotational motion, after structuring the silicon layer to obtain structural elements of the active element - the body of a meander-shaped spring , sites at the ends - completely dielectric layer material is completely removed from under the body of the meander-shaped spring; at a SOI of a bridge-like shape, a carrier substrate with a dielectric working surface is prepared, on which a pair of contact pads is first made and a control electrode made of electrically conductive material located between them, then contact pads connecting the active element, the active element with a flat meander-like, are deposited on the contact pads using a focused ion beam spring and pads at the ends are separated from the structure of the SOI bridge-shaped, transferred to a supporting substrate and rigidly strengthened there are pads at the ends to the contact pads connecting the active element.

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.In the method, the initial structure of the SOI is a structure with a dielectric layer of SiO ₂ made on a silicon substrate with a thickness of 220 to 240 nm, with a surface silicon layer made on a dielectric layer with a thickness of 560 to 600 nm.

В способе исходную структуру КНИ перед осуществлением структурирования слоя кремния, расположенного на диэлектрическом слое, подвергают кипячению в петролейном эфире.In the method, the initial SOI structure is subjected to boiling in petroleum ether before structuring the silicon layer located on the dielectric layer.

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.In the method, when structuring a silicon layer located on a dielectric layer with a focused ion beam, Ga ions with energies from 25 to 35 keV are used, including these values, with an ion beam current of 40 to 80 pA, including these values, and exposure time from 2000 to 2400 s, including the indicated values.

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.In the method, when structuring a silicon layer located on a dielectric layer with a focused ion beam until a predetermined length and width of the body of a square meander-shaped spring with pads at the ends are provided, with respect to the active element, a length L from 29 to 39 μm, including these values, a width W from 10 up to 15 μm, including the indicated values, the width of the straight sections of the line-lines N forming from the spring is from 0.6 to 1.7 μm, including the indicated values, with a gap between the sections-lines located perpendicular to the longitudinal direction, about t 0.3 to 0.5 μm, including the specified values, for a given thickness of the structural elements of the active element from 0.31 to 0.41 μm, including the specified values.

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.In the method, when structuring a silicon layer, they provide a geometrical configuration of the spring, which leads to an increase in the electric length from 9 to 11 times compared with the shape of a beam in the form of a solid rectangle of the same given length and width, to reduce the effect of the vertical natural frequency of vibrations, the appearance of a longitudinal horizontal natural frequency of vibrations and the occurrence of bending during rotational motion, namely, in the form of a meander - a broken line formed by straight sections-lines of silicon with a width H from 0.6 to 1.7 μm, including the indicated values, with a gap between the line sections perpendicular to the longitudinal direction, from 0.3 to 0.5 μm, including the indicated values, with a rapport of four alternating short and long straight sections of silicon lines with a width H, in which each subsequent the line section is connected at its end with the end of the previous one at an angle of 90 degrees, with a rapport length of 2 to 4 μm, including the indicated values, with the inclusion of a flat meander-shaped spring from 5 to 10 full rapports, including the indicated values, into the body.

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.In the method, after the structuring of the silicon layer is completed to obtain the structural elements of the active element — the body of the meander-shaped spring, the pads at the ends — the material of the dielectric layer is completely removed from under the body of the meander-shaped spring to obtain a bridge-like SOI structure by performing liquid chemical etching in etchant NH ₄ F: CH ₃ COOH: H ₂ O (3: 3: 2) for a time from 20 to 80 minutes, inclusive of the recited values.

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.In the method, a pair of contact pads and a control electrode located between them are made of an electrically conductive material when preparing a carrier substrate with a dielectric working surface by optical lithography, these elements are made in the form of an aluminum layer covering parts of the substrate surface with a thickness of 0.1 to 0.2 μm including the indicated values.

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.In the method, a silicon substrate is used as a substrate with a dielectric working surface, with a layer of silicon dioxide located on its surface with a thickness of 1 to 2 μm, including the indicated values.

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.In the method, when preparing a carrier substrate with a dielectric work surface, contact pads connecting the active element are deposited on its contact pads by means of a focused ion beam of platinum with an area of about 1 × 1 μm ² , height from 1.0 to 1.3 μm, including the specified interval values, during deposition, an ion beam current of 40 to 60 pA is used, including the indicated values, exposure time is from 100 to 120 s, including the indicated values.

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.In the method, an active element with a flat meander spring and pads at the ends is separated from the bridge structure of the SOI, transferred to a carrier substrate and rigidly fixed with pads at the ends to the contact pads connecting the active element on the carrier substrate using a micromanipulator with a thin sharpened probe, while the probe tip dock to the end of the active element on which the site is formed, and weld it using ion-stimulated platinum deposition at the site of the connection of the probe with a active element, the operation is also carried out for the second end, with the help of a sharply focused ion beam, the active element is disconnected from the SOI structure, then transferred to the supporting substrate with contact pads, a control electrode connecting the active element with contact pads, the active element is oriented across the control electrode, and then docked by its pads to the contact pads connecting the active element and fixed on them using ion-stimulated platinum deposition.

Сущность предлагаемого способа поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми фигурами.The essence of the proposed method is illustrated by the following description and the accompanying figures.

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.In FIG. 1 schematically shows a top view of a substrate intended for positioning an active element with a flat meander-shaped spring of a semiconductor material after its formation, where 1 is a substrate; 2 - contact area; 3 - control electrode.

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.In FIG. 2 schematically shows a top view of the active element with a flat meander-shaped spring with platforms at the ends, where L is the length of the active element; W is the width of the active element; H is the width of the straight line sections of the semiconductor material forming a flat meander-shaped spring.

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.In FIG. Figure 3 schematically shows a cross section of the SOI structure after the formation of the active element with a flat meander-shaped spring, namely, after structuring a silicon layer located on a buried dielectric, to obtain a meander-shaped spring body with pads at the ends connected with the dielectric, and subsequent removal of the dielectric at the body location meander-shaped springs.

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.In FIG. 4 is a schematic top view of a substrate on which an active element with a square meander-shaped spring from a semiconductor material is placed after it is formed, after making contact pads on the substrate for connecting the active element with a square meander-shaped spring with pads at the ends, where 1 is a substrate; 2 - contact area; 3 - control electrode; 4 - pads connecting the active element.

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.In FIG. 5 is a schematic top view of a substrate with an active element located on it with a flat meander-shaped spring made of a semiconductor material — a sensitive element of the motion control microsystem, where 1 is a substrate; 2 - contact area; 3 - control electrode; 4 - connecting pads of the active element; 5 - active element.

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.The proposed method implements the transition from manufacturing a sensitive element of a microsystem for monitoring the parameters of movement of a capacitive type (analyzing a change in capacitance when a moving plate is displaced) to manufacturing a sensitive element of a microsystem for controlling parameters of movement that operates on a different principle - analyzing the magnitude of the flowing electric current when changing the relative position of structural elements with an external impact, causing a change in motion parameters. Its main structural element is an actuator (working, reacting, element) - a membrane or a beam, namely a flat meander-shaped spring of the active element from a semiconductor material. In this regard, the main of the stages of the proposed method is the stage of formation of the active element with a flat meander-shaped spring from a semiconductor material - silicon.

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.As the initial object, over which the actions aimed at the formation of the specified active element are performed, use the structure of the SOI with a thin silicon layer cut off by means of a buried dielectric layer located on the silicon substrate.

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.The cut-off silicon layer located on the dielectric layer is structured to obtain the structural elements of the active element associated with the specified dielectric layer — a given length and width of the body of the meander-shaped spring with pads at its ends intended to communicate with the contact pads connecting the active element when transferring it to a carrier substrate . The specified structuring of the semiconductor layer, mainly in order to obtain a given length and width of the body of the meander-shaped spring, is carried out to achieve an effective increase in electric length from 9 to 11 times compared with the usual form of a membrane or beam in the form of a solid rectangle of the same given length and width . This provides a significant reduction in the influence of the vertical natural frequency of oscillations, 10-20 times, compared with the case of using a membrane or beam in the form of a solid rectangle, and leads to the appearance of a longitudinal horizontal natural frequency of oscillations, to the appearance of bending during rotational motion.

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.As a result of this feature, due to the structuring of the semiconductor layer to obtain the body of a meander-shaped spring, the manufacture of a sensitive element of the microsystem for controlling motion parameters provides an increase in accuracy and sensitivity when detecting changes in the motion parameters of the manufactured device during its operation.

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.The proposed manufacturing method includes the following steps. The stage of preparation of the substrate (see Fig. 1), to which, at the final stage of manufacturing the sensitive element of the microsystem for controlling motion parameters, the active element is transferred with a flat meander-shaped spring from a semiconductor material after its formation — preparation of the carrier substrate. As the source object, take the substrate 1 with a dielectric working surface. As the specified substrate can be used, for example, an oxidized silicon substrate. So, as the substrate 1, a silicon substrate is used, with a layer of silicon dioxide located on its surface with a thickness of 1 to 2 μm, including the indicated values. The method of optical lithography is carried out on the substrate 1 the formation of the contact pads 2, the control electrode 3. The control electrode 3 is placed between the pairs of contact pads 2, approximately in the center. These elements are made in the form of an aluminum layer covering parts of the surface of the substrate 1, with a thickness of 0.1 to 0.2 μm, including the indicated values.

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.The step of forming the active element with a flat meander-shaped spring and pads at its ends for transfer to the carrier substrate and rigidly attached thereto (see Fig. 2), during the implementation of which the structure of the SOI is bridged (see Fig. 3) by removing material of a buried dielectric from under a given length and width of the body of the meander-shaped spring obtained after structuring the silicon layer.

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.The body of a flat meander-shaped spring is performed using the simplest meander (ornament) in the form of a broken line formed by straight sections-silicon lines N. wide. The rapport of the specified spring, that is, the basic element of its ornament, the part that is repeated many times in the longitudinal direction of the meander-shaped spring, consists of of four alternating short and long sections of silicon lines with a width of H, two long and two short, each of which is connected by its end to the end of the previous one at an angle of 90 degrees ov. The length of the rapport is the sum of 2H and doubled the gap between the sections-lines located perpendicular to the longitudinal direction (see Fig. 2). The body of a flat meander-shaped spring includes from 5 to 10 full rapports, the length of the active element is the sum of the spring length, the length of the ends and the length of the pads.

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).The SOI structure, characterized by the thickness of the buried dielectric layer of SiO ₂ from 220 to 240 nm, and the thickness of the surface layer of silicon located on the dielectric layer from 560 to 600 nm, is taken as the initial object. The formation of the body of the meander-shaped spring and the platforms at its ends for transfer to the carrier substrate is carried out by structuring the silicon layer located on the dielectric layer with a focused ion beam (FIL) in the chamber of the two-beam FIL workstation (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.Before structuring in the chamber of the PHIL workstation, the initial structure of the SOI is cleaned in boiling petroleum ether. Then, the SOI structure is placed in the chamber and local structuring is carried out using a sharply focused ion beam of a silicon layer located on the dielectric layer of the SOI structure to form a body of a square meander-shaped spring and pads at its ends for transfer to a carrier substrate (see Fig. 2). Structuring operation modes use the following.

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.To obtain an active element in the body of a flat meander-shaped spring and pads at its ends for transfer to a supporting substrate (see Fig. 2) with a length L from 29 to 39 μm, including the specified values, a width W from 10 to 15 μm, including the specified values , the width of the straight sections of the line lines H forming spring from 0.6 to 1.7 μm, including the specified values, with a gap between the sections of the lines located perpendicular to the longitudinal direction of the active element, from 0.3 to 0.5 including the specified values, given thickness of structural elements act of an explicit element from 0.31 to 0.41 μm, including the indicated values, Ga ions with an energy of 25 to 35 keV, including the indicated values, are used at an ion beam current of 40 to 80 pA, including the indicated values, and an exposure time of 2000 up to 2400 s, including the indicated values.

Приведенные режимы структурирования выбраны исходя из следующих условий.The above structuring modes are selected based on the following conditions.

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.The ion beam current is chosen so that the time of the subsequent (after structuring the silicon layer) etching of the SOI structure is from 40 to 50 minutes. If the specified etching time is exceeded due to the existing thermal drift of the treated SOI structure, the dimensions of the active element being manufactured go away from the required ones, its geometry is violated. In addition, at larger values of the ion beam current than indicated, the cut width is broadened, which does not allow achieving the indicated dimensions. At lower values of the ion beam current than indicated, complete cutting of the upper silicon layer of the SOI structure is not ensured. The accelerating voltage of the ion beam, the ion energy values, are also chosen for reasons of ensuring the smallest cut width.

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.The exposure time from 2000 to 2400 s, including the specified values, is determined by obtaining a given thickness from 0.31 to 0.41 μm, including the specified values, with less time corresponding to a smaller thickness and vice versa.

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).After structuring the silicon layer, the SOI structures carry out liquid chemical etching to completely remove the buried dielectric layer (see Fig. 3) from under the formed body of the meander-shaped spring connected with the dielectric. A bridge-like SOI structure is obtained (see FIG. 3). Liquid chemical etching is carried out in the etchant NH ₄ F: CH ₃ COOH: H ₂ O (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.The etching time is selected in the range from 20 to 80 minutes, including the indicated values. The main criterion for choosing the etching time is the complete removal of the dielectric layer from under the body of the flat meander-shaped spring and obtaining the active element without damage. Shorter etching times do not ensure complete removal of the dielectric material from under the formed body of a square meander-shaped spring. At long etching times, etching of the upper silicon layer occurs, which leads to a significant change in the geometric dimensions of the resulting active element. At the same time, large values of the etching time are used when removing the material of the dielectric layer in cases of obtaining a body of a flat meander-shaped spring and, therefore, an active element with large geometric parameters.

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.In the manufacture of an active element with a length L = 29 μm, a width W = 10 μm, a width of the spring-forming sections of the lines H = 0.6 μm, with a gap between the sections of the lines located perpendicular to the longitudinal direction, 0.4 μm, for a given thickness active element on the sites of 0.31 μm (the initial body thickness of a flat meander-shaped spring immediately after structuring) the most optimal etching time will be from 20 to 30 minutes. The thickness of the silicon layer of a flat meander-shaped spring in this case after etching is 0.28 μm. In the case of removal of the material of the dielectric layer from under the body of the meander-shaped spring upon receipt of the active element with a length L = 29 μm, a width W = 10 μm, a value of H = 1.7 μm, with a gap between the line sections located perpendicular to the longitudinal direction, 0 , 3 μm, with a pad thickness of 0.31 μm (the initial thickness of the body of the square meander spring immediately after structuring) using an etching time of 40 to 50 minutes, the thickness of the silicon layer of the square meander spring after etching is already 0, 1 micron. With an increase in the etching time by a factor of 2, the thickness of the silicon layer after etching is 2.8 times less.

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.In the manufacture of an active element with a length L = 39 μm, a width W = 15 μm, a width of the spring-forming sections of the lines H = 1.5 μm, with a gap between the sections of the lines located perpendicular to the longitudinal direction, 0.5 μm, for a given thickness active element on the areas of 0.41 microns (the initial body thickness of a flat meander-shaped spring immediately after structuring) the most optimal etching time will be from 60 to 80 minutes.

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.The step of forming contact pads for connecting the active element (see Fig. 4). The formation of contact pads for connecting the active element with the substrate before it is transferred to the substrate is carried out by means of a FI in the indicated chamber of a two-beam work station of the FI. A substrate 1 with a dielectric working surface (an oxidized silicon substrate with a silicon dioxide layer 1 to 2 μm thick located on its surface), on which contact pads 2, a control electrode 3 are formed by optical lithography, are placed in the chamber and precipitated by ion-stimulated local deposition platinum on the surface of the contact pads 2, forming a platinum active element connecting the contact pads 4. These contact pads operate area of 1 × 1 mm ^2, the height of 1.0 to 1.3 m m including said interval value. For the formation, the following modes are used: ion beam current from 40 to 60 pA, including the indicated values, exposure time from 100 to 120 s, including the indicated values. The geometric dimensions of the contact pads are selected based on the requirement of fixing the active element above the surface of the carrier substrate at a height not less than the magnitude of its deflection. The minimum current of the ion beam is chosen so that the platinum deposition time is from 150 to 180 seconds (exposure time) in order to reduce the effect of drift under the ion beam of the carrier substrate with elements made on the surface during the first stage. The maximum value of the ion beam current is determined by the possibility of forming contact pads 4 in the process of connecting the active element. At a current of more than 60 pA, their formation is impossible due to the arising effect of ion beam etching of the surface.

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.The step of transferring, positioning and fixing the active element on the carrier substrate (see Fig. 5). The stage is carried out by means of the PHIL in the specified chamber of the two-beam workstation of the PHIL. Using a micromanipulator with a thin sharpened probe (100 nm in diameter), the formed active element 5 is transferred to the supporting substrate and fixed on the contact pads connecting the active element 4. In this case, the active element is oriented across the control electrode 3. Using the micromanipulator, the probe tip is docked to the end the active element on which the site is formed, and weld it using ion-stimulated platinum deposition at the site of connection of the probe with the active element. The operation is carried out for the second end. Then, using a sharply focused ion beam, the active element is disconnected from the SOI structure. Then transferred to the supporting substrate with the formed elements: contact pads 2, the control electrode 3, connecting the active element contact pads 4. The active element is docked with its pads to the connecting element 4 contact pads and fixed to them using ion-stimulated platinum deposition at the connection sites active element 5 with a carrier substrate.

В качестве сведений, подтверждающих возможность осуществления способа с достижением технического результата, приводим нижеследующие примеры реализации.As information confirming the possibility of implementing the method with the achievement of a technical result, we give the following implementation examples.

Пример 1.Example 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.On the initial structure, SOIs structure a silicon layer located on the dielectric layer. As the initial structure of the SOI, a structure with a dielectric layer of SiO ₂ made on a silicon substrate with a thickness of 220 to 240 nm, with a surface layer of silicon made on a dielectric layer with a thickness of 560 to 600 nm is used. The initial structure of the SOI before the structuring of the silicon layer located on the dielectric layer is subjected to boiling in petroleum ether.

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. Structuring is carried out by PHIL until a flat meander-shaped spring with platforms at the ends is obtained with a given length and body width. Using Ga ions with an energy of 25 keV, with an ion beam current of 40 pA and an exposure time of 2000 s.

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.Structuring a silicon layer located on a dielectric layer with a focused ion beam is carried out until a given length and width of the body of a meander-shaped spring with platforms at the ends — the length and width of the active element — are obtained. Thus, with respect to the active element, a length L of 29 μm, a width of W 10 μm, a width of straight spring line sections H of 0.6 μm forming a spring with a gap between line sections perpendicular to the longitudinal direction, 0.4 μm, for a given thickness is provided structural elements of the active element located on the dielectric layer, 0.31 μm.

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.When structuring, they provide a geometrical configuration of the spring, leading to an increase in electric length, from 9 to 11 times compared with the shape of a beam in the form of a solid rectangle of the same given length and width, reducing the influence of the vertical eigenfrequency, the occurrence of the longitudinal horizontal eigenfrequency and the occurrence of bending during rotational motion. The specified geometric configuration is obtained in the form of a meander - a broken line formed by straight sections of silicon lines with a width of H of 0.6 μm. The rapport is performed from four alternating short and long sections of silicon lines with a width of N. In rapport, each subsequent section of the line is connected by its end to the end of the previous one at an angle of 90 degrees. The rapport length is 2 μm. The body of a flat meander-shaped spring is formed comprising ten full rapports.

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.After the structuring of the silicon layer is completed to obtain the structural elements of the active element — the body of the meander-like spring, pads at the ends — the material of the dielectric layer is completely removed from under the body of the meander-like spring. As a result, a bridge-like SOI structure is obtained. To do this, carry out liquid chemical etching in the etchant NH ₄ F: CH ₃ COOH: H ₂ O (3: 3: 2) for 20 minutes

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.Prepare a carrier substrate with a dielectric work surface. First, a pair of contact pads and a control electrode made of electrically conductive material located between them are first made on the substrate. These elements are performed by optical lithography in the form of an aluminum layer covering 0.1 microns thick covering the surface areas of the substrate. As a substrate with a dielectric working surface, a silicon substrate is used, with a silicon dioxide layer 1 μm thick located on its surface.

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.Then, contact plates connecting the active element from platinum are deposited on the contact pads by means of a focused ion beam. Connecting the active element contact pads perform an area of about 1 × 1 μm ² , a height of 1 μm. During deposition, an ion beam current of 40 pA is used; the exposure time is 100 s.

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.In the final, the active element with a flat meander-shaped spring and pads at the ends is isolated from the bridge structure of the SOI, transferred to a supporting substrate and rigidly fixed with pads at the ends to the contact pads connecting the active element. Carry out these actions using a micromanipulator with a thin sharpened probe. In this case, the probe tip is docked to the end of the active element on which the site is formed, and welded using ion-stimulated platinum deposition at the site of the connection of the probe with the active element. The operation is also carried out for the second end. Using a sharply focused ion beam, the active element is disconnected from the SOI structure. After that, the active element is transferred onto a supporting substrate with contact pads controlling the electrode connecting the active element with contact pads. Before fixing on the carrier substrate, the active element is oriented across the control electrode. Then it is docked with pads to the contact pads connecting the active element and fixed on them using ion-stimulated platinum deposition.

Пример 2.Example 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.On the initial structure, SOIs structure a silicon layer located on the dielectric layer. As the initial structure, the SOI take a structure with a dielectric layer of SiO ₂ made on a silicon substrate with a thickness of 220 to 240 nm, with a surface silicon layer made on a dielectric layer with a thickness of 560 to 600 nm. The initial structure of the SOI before the structuring of the silicon layer located on the dielectric layer is subjected to boiling in petroleum ether.

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. Structuring is carried out by PHIL until a flat meander-shaped spring with platforms at the ends is obtained with a given length and body width. Use Ga ions with an energy of 28 keV, with an ion beam current of 45 pA and an exposure time of 2100 s.

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.Structuring the silicon layer located on the dielectric layer, the PHIL is carried out to obtain a given length and width of the body of a square meander-shaped spring with platforms at the ends - the length and width of the active element. Thus, with respect to the active element, a length L of 33 μm, a width of W 11 μm, a width of the straight sections of the line sections N of 1.7 μm forming a spring with a gap between the sections of the lines perpendicular to the longitudinal direction, 0.3 μm, is provided for a given thickness structural elements of the active element located on the dielectric layer, 0.34 μm.

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.When structuring the silicon layer, they provide a geometrical configuration of the spring, which leads to an increase in the electric length from 9 to 11 times compared with the shape of a beam in the form of a solid rectangle of the same given length and width, to reduce the influence of the vertical natural frequency of vibrations, the emergence of a longitudinal horizontal natural frequency of vibrations and the appearance of bending during rotational motion. The specified geometric configuration is obtained in the form of a meander - a broken line formed by straight sections of silicon lines with a width of H 1.7 μm. The rapport is made of four alternating short and long straight sections of silicon lines with a width of N. In rapport, each subsequent section of the line is connected by its end to the end of the previous one at an angle of 90 degrees. The rapport length is 4 μm. The body of a flat meander-shaped spring is formed comprising six full rapports.

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.After the structuring of the silicon layer is completed to obtain the structural elements of the active element — the body of the meander-like spring, pads at the ends — the material of the dielectric layer is completely removed from under the body of the meander-like spring. As a result, a bridge-like SOI structure is obtained. To do this, carry out liquid chemical etching in the etchant NH ₄ F: CH ₃ COOH: H ₂ O (3: 3: 2) for 33 minutes

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.Prepare a carrier substrate with a dielectric work surface. First, a pair of contact pads and a control electrode of electrically conductive material located between them are first made on the substrate. These elements are performed by optical lithography in the form of an aluminum layer covering 0.16 μm thick sections of the substrate surface. As a substrate with a dielectric working surface, a silicon substrate is used, with a layer of silicon dioxide located on its surface with a thickness of 1.5 μm.

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.Then, on the contact pads by means of PHL, the contact pads connecting the active element from platinum are deposited. An active element connecting the contact pads operate area of 1 × 1 mm ^2, 1.15 mm in height. During deposition, an ion beam current of 49 pA is used; the exposure time is 112 s.

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. In the final, the active element with a flat meander-shaped spring and pads at the ends is isolated from the bridge structure of the SOI, transferred to a supporting substrate and rigidly fixed with pads at the ends to the contact pads connecting the active element. Carry out these actions using a micromanipulator with a thin sharpened probe. In this case, the probe tip is docked to the end of the active element on which the site is formed, and welded using ion-stimulated platinum deposition at the site of the connection of the probe with the active element. The operation is also carried out for the second end. Using a sharply focused ion beam, the active element is disconnected from the SOI structure. After that, the active element is transferred onto a supporting substrate with contact pads controlling the electrode connecting the active element with contact pads. Before fixing on the carrier substrate, the active element is oriented across the control electrode. Then it is docked with pads to the contact pads connecting the active element and fixed on them using ion-stimulated platinum deposition.

Пример 3.Example 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.On the initial structure, SOIs structure a silicon layer located on the dielectric layer. As the initial structure, the SOI take a structure with a dielectric layer of SiO ₂ made on a silicon substrate with a thickness of 230 to 240 nm, with a surface layer of silicon made on a dielectric layer with a thickness of 560 to 600 nm. The initial structure of the SOI before the structuring of the silicon layer located on the dielectric layer is subjected to boiling in petroleum ether.

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.Structuring is carried out by PHIL until a flat meander-shaped spring with platforms at the ends is obtained with a given length and body width. Using 35 keV Ga ions, an ion beam current of 80 pA and an exposure time of 2400 s.

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.Structuring the silicon layer located on the dielectric layer, the PHIL is carried out to obtain a given length and width of the body of a square meander-shaped spring with platforms at the ends - the length and width of the active element. Thus, with respect to the active element, a length L of 39 μm, a width of W 15 μm, a width of the straight sections of the line sections H 1.5 μm forming a spring with a gap between the sections of the lines perpendicular to the longitudinal direction, 0.5 μm, is provided for a given thickness structural elements of the active element located on the dielectric layer, 0.41 μm.

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.When structuring the silicon layer, they provide a geometrical configuration of the spring, which leads to an increase in the electric length from 9 to 11 times compared with the shape of a beam in the form of a solid rectangle of the same given length and width, to reduce the influence of the vertical natural frequency of vibrations, the emergence of a longitudinal horizontal natural frequency of vibrations and the appearance of bending during rotational motion. The specified geometric configuration is obtained in the form of a meander - a broken line formed by sections-lines of silicon with a width of H 1.5 μm. The rapport is made of four alternating short and long straight sections of silicon lines with a width of N. In rapport, each subsequent section of the line is connected by its end to the end of the previous one at an angle of 90 degrees. The rapport length is 4 μm. The body of a flat meander-shaped spring is formed comprising five full rapports.

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.After the structuring of the silicon layer is completed to obtain the structural elements of the active element — the body of the meander-like spring, pads at the ends — the material of the dielectric layer is completely removed from under the body of the meander-like spring. As a result, a bridge-like SOI structure is obtained. To do this, carry out liquid chemical etching in the etchant NH ₄ F: CH ₃ COOH: H ₂ O (3: 3: 2) for 80 minutes

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.Prepare a carrier substrate with a dielectric work surface. First, a pair of contact pads and a control electrode made of electrically conductive material located between them are first made on the substrate. These elements are performed by optical lithography in the form of an aluminum layer covering portions of the substrate surface with a thickness of 0.2 μm. As a substrate with a dielectric working surface, a silicon substrate is used, with a silicon dioxide layer 2 μm thick located on its surface.

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.Then, on the contact pads by means of PHL, the contact pads connecting the active element from platinum are deposited. Connecting the active element contact pads perform an area of about 1 × 1 μm ² , a height of 1.3 μm. During deposition, an ion beam current of 60 pA is used; the exposure time is 120 s.

Claims

1. A method of manufacturing a sensitive element of a microsystem for controlling motion parameters, characterized in that a silicon layer located on a dielectric layer with a focused ion beam (FIP) is structured on the initial silicon-on-insulator (SOI) structure to obtain a plane body with a given length and width meander-shaped springs with pads at the ends, when structuring the silicon layer provide a geometric configuration of the spring, leading to an increase in electric length from 9 to 11 times compared with the shape of the beam in the form f a solid rectangle of the same given length and width, reducing the influence of the vertical eigenfrequency, the occurrence of a longitudinal horizontal eigenfrequency, and the occurrence of bending during rotational motion, after the structuring of the silicon layer is completed to obtain structural elements of the active element - the body of a meander-shaped spring, pads at the ends - the dielectric layer material is completely removed from under the body of the meander-shaped spring; the structure of the SOI is bridged of the nth form, a carrier substrate is prepared with a dielectric working surface, on which a pair of contact pads and a control electrode made of electrically conductive material located between them are first made, then contact pads connecting the active element, the active element with a square meander-shaped spring and pads on the ends are separated from the structure of the SOI with a bridge-like shape, transferred to a supporting substrate and rigidly fixed with pads at the ends to the connecting active lement pads.

2. The method according to p. 1, characterized in that as the initial structure of the SOI use a structure with a dielectric layer of SiO ₂ .

3. The method according to p. 1, characterized in that the initial structure of the SOI is subjected to boiling in petroleum ether.

4. The method according to p. 1, characterized in that when structuring the layer of silicon FIP use Ga ions.

5. The method according to p. 1, characterized in that when structuring the layer of silicon FIP provide a length L from 29 to 39 microns, a width W from 10 to 15 microns, the width of the straight sections of the line-lines N from 0.6 to 1.7 microns.

6. The method according to p. 1, characterized in that when structuring provide a geometric configuration of the spring in the form of a meander.

7. The method according to p. 1, characterized in that after completion of the structuring of the silicon layer carry out liquid chemical etching in the etchant NH ₄ F: CH ₃ COOH: H ₂ O.

8. The method according to p. 1, characterized in that a pair of contact pads and a control electrode located between them are made of electrically conductive material.

9. The method according to p. 1, characterized in that as the substrate with a dielectric working surface using a silicon substrate.

10. The method according to p. 1, characterized in that during the preparation of the carrier substrate with a dielectric working surface on its contact pads connecting connecting pads are deposited.

11. The method according to p. 1, characterized in that the active element with a flat meander-shaped spring and pads at the ends is isolated from the bridge structure of the SOI, transferred to a carrier substrate, rigidly fixed with pads at the ends to the contact pads connecting the active element on the carrier substrate using micromanipulator with a thin sharpened probe.