Проект: Вакуумный микрооптоэлектромеханический датчик давления для технологических процессов микроэлектронной промышленности

Среди известных на сегодняшний день вакуумных датчиков давления, используемых в микроэлектронной промышленности во время проведения технологических процессов существуют датчики емкостного мембранного типа, которые имеют узкий диапазон измерения (от 0,01 Па до 10-15 Па или от 0,1 Па до 100-150 Па и высокую точность или безмембранные датчики Пирани, которые покрывают весь необходимый диапазон (от 0,1 Па до 1000 Па), но имеют низкую точность измерений (погрешность от 10 до 30 %). Решить поставленную задачу обеспечения требуемых метрологических характеристик проектируемого датчика давления позволит использование в качестве измерителя деформации мембраны оптического измерительного преобразователя, принцип работы которого основан на эффекте оптического туннелирования. Основной отраслью применения МОЭМ датчика давления является микроэлектронная промышленность, в частности технологии нанесения тонких пленок и технологии селективного плазменного травления, где требуется измерение величины высокого вакуума (~0,01 Па) с высокой точностью (~ 0,05 – 0,1% от измеряемой величины). Следовательно, основными потребителями данного продукта могут выступать предприятия по производству микроэлектроники, такие как: АО "НПФ "Микран", АО «НИИПП», ООО «Элемент», АО «НЗПП Восток», а так же предприятия, специализирующиеся на технологиях нанесения тонких пленок и покрытий. В качестве результата проекта будет представлен макет МОЭМ датчика давления, который будет иметь требуемую точность измерения относительного давления (~ 0,05 – 0,1% от измеряемой величины) в широком диапазоне измерения давления (0,01 – 300 Па), характерном для процессов изготовления микроэлектронной техники, что позволит использовать вместо нескольких узкодиапазонных датчиков один широкодиапазонный. Помимо обеспечения требуемых метрологических характеристик для технологических процессов напыления тонких пленок (PECVD, магнетронное напыление), а также процессов селективного плазменного травления (ICP), необходимо обеспечить устойчивость чувствительного элемента датчика к высоким температурам (до 300 °С) и электромагнитным воздействиям, возникающим в данных технологических установках. Ключевой особенностью разрабатываемого датчика является использование оптического измерительного преобразователя на основе оптического направленного ответвителя, при сочетании технологии фотонных интегральных схем и МЭМС, что позволит исключить влияние электромагнитных помех, возникающих в плазменном разряде и магнетроне, используемых в установках травления и нанесения тонких пленок, тем самым повысить точность датчика.

Датчики давления нашли широкое применение практически в любой отрасли науки и техники. Широкий спектр метрологических характеристик, сфер применения, а также разнообразие образцов, предоставляемых мировым рынком, обеспечивает практически любые потребности потребителей. Широкая распространенность и высокий спрос на подобные устройства обуславливает их существенную долю на мировом рынке, где их объемная доля оценивается в 18,22 миллиарда долларов США. География распространения производственного сектора датчиков давления так же достаточно широка. На текущий год лидером по объему и темпам роста выпускаемой продукции таких датчиков является Азиатский регион, а именно Китай, Япония и другие, а также Американский и Европейский. Крупными игроками на данном рынке являются: Shanghai, Ericco, All Sensors, Honeywell, Emerson, Siemens, Bosch, STMicroelectronics и другие. Российский же рынок остро нуждается в производственных мощностях, которые бы гарантировали необходимый объем выпускаемой продукции датчиков с полностью отечественной компонентной базой. На сегодняшний день существует достаточно широкий круг физических принципов, на основе которых построены преобразователи давления. К таким принципам можно отнести тензорезистивный, электромагнитный, емкостный, резонансный твердотельный. Широкое распространение получили микро и нано электромеханические датчики (МЭМС, НЭМС), обеспечивающие высокую точность измерения и миниатюрность. Их принцип действия основан на деформации тонкой чувствительной мембраны под действием внешнего измеряемого давления. Среди известных на сегодняшний день вакуумных датчиков давления, используемых в технологических процессах микроэлектронной промышленности следует отметить датчики безмембранного типа (Пирани), которые покрывают весь необходимый диапазон (от 0,1 Па до 1000 Па), но имеют низкую точность измерений (погрешность от 10 до 30 %). Для технологических процессов микроэлектроники важно поддерживать давление в камере с высокой точностью, поэтому производители установок используют несколько узкодиапазонных датчиков на разные диапазоны измерений. На текущий момент существует один отечественный производитель датчиков давления для установок напыления и плазмохимии в России - ООО "Лаборатория вакуумных технологий плюс", продукция которых соответствуют заявленным критериям точности. Среди представленных образцов предлагаются вакуумметр магниторазрядный с рабочим диапазоном от 0,0001 до 0,1 Па и терморезистивный и диапазоном от 0,1 до 1000 Па. Так же в установках напыления и плазмохимии применяются емкостные датчики китайского производства типа RBM с диапазонами 0,0013 – 13,3 Па и 0,013 – 133Па. Существенными недостатками таких датчиков являются их высокая стоимость (от 400 до 500 т.р.) и сильно ограниченный диапазон измерения, что приводит к значительному увеличению расходов. Помимо этого, датчики подобных типов крайне подвержены влиянию электромагнитных помех, что сужает область их применения в плазменных установках разного типа. Использование оптического преобразователя в МЭМС структурах не только способно обеспечить требуемую точность измерения, но и обеспечить устойчивость к температурным и электромагнитным полям. Ключевой особенностью разрабатываемого датчика давления является использование в качестве измерителя величины деформации мембраны оптического преобразователя, принцип действия которого основан на эффекте оптического туннелирования. Сам же оптический преобразователь конструктивно исполнен в виде направленного оптического ответвителя – пассивного устройства для разделения мощности оптического излучения. В мировой литературе на данный момент существуют небольшое количество исследований по применению в датчиках давления интегральных оптических методов. В России же исследования в этом направлении не ведутся и являются принципиально новыми. Сейчас ведется активное исследование конструктивных решений отечественных волоконно-оптических датчиков на решетках Брэгга, которые имеют существенный недостаток - высокая чувствительность к температурным возмущениям. В отличие от такого типа датчиков, датчики на эффекте оптического туннелирования обладают кратно меньшей чувствительностью к температурным возмущениям. Отдельного исследования требует технология совмещения интегральных оптических ответвителей и подвижных микромеханических структур. В России таких исследований до настоящего времени также не проводилось, следовательно они представляют собой как фундаментальную, так и практическую ценность. Востребованность результатов настоящего проекта заключается в первую очередь в снижении затрат на установку систем контроля давления газов в технологических установках изготовления микроэлектронной техники за счет применения в них единственного датчика давления с расширенным диапазоном измерения без потери в точности измерения, а также расширении применимости датчика в установках разного типа за счет повышения устойчивости к температурным и электромагнитным полям.

Предметом разработки в рамках предлагаемого проекта является конструкция чувствительного элемента проектируемого датчика давления, которая представляет из себя мембрану с нанесенными поверх нее оптическими волноводами, а так же систему ввода и вывода оптического излучения в чувствительном элементе. Предметом исследования является механика деформированного состояния упругой мембраны, эффекты оптического туннелирования в интегральных волноводах, реакция чувствительного элемента на температурные и электромагнитные возмущения.

Реализация проекта предполагает построение модели чувствительного элемента датчика с использованием инструментов твердотельного моделирования, исследование поведения чувствительного элемента в рабочем режиме и в условиях внешних воздействий методами конечно-элементного анализа. На основании полученных результатов оптимизации конструкции будет спроектирована математическая модель чувствительного элемента, которая позволит подобрать оптимальные режимы работы датчика, а также оценить влияние погрешностей на его точностные характеристики. Полученные модели позволят разработать технологический маршрут изготовления опытного образца на базе НОЦ «Нанотехнологии» с помощью литографических процессов, вакуумного напыления металлических пленок, плазменного осаждения диэлектрических пленок и плазменного травления. Исследование основных характеристик чувствительного элемента МОЭМ датчика давления будет осуществлено с использованием ЦКП «ИМПУЛЬС».

Новизна проектных решений заключается в применении интегрального оптомеханического преобразователя в качестве измерителя полезных деформаций чувствительной мембраны. Оптомеханический преобразователь будет выполнен по типу оптического направленного ответвителя, принцип работы которого основан на эффекте оптического туннелирования.

Объем научных исследований в области МЭМС датчиков, проведенных участниками проекта, отражает их высокую компетентность и большой опыт в данной области. Доказательством этому служат многочисленные публикации в Российских и зарубежных журналах и сборниках научных статей, включенных в список ВАК и SCOPUS. В частности Вторушин С.Е. в 2014 году защитил магистерскую диссертацию в НИ ТПУ по теме «Интегральный микромеханический гироскоп». С 2012 по 2019 годы совместно с Барбиным Е.С. являлся исполнителем по смежным с предлагаемым проектом тематикам в рамках прикладных научных исследований по проектам: 1) «Разработка методов проектирования многокомпонентных микроэлектромеханических гироскопов и акселерометров, устойчивых к дестабилизирующим воздействиям», ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы». Соглашение №14.575.21.0068. 2) «Интеллектуальный инерциальный модуль на основе микроэлектромеханических датчиков с функциями гироскопа, акселерометра и магнитометра для систем ориентации и навигации транспортных средств с автоматизированным управлением» в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы», Соглашение № 14.578.21.0232. 3) «Разработка методов высокоуровневого проектирования многокомпонентных микросистем» в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы. Соглашение № 14.B37.21.1951. Кроме того Вторушин С.Е. является автором и соавтором трех авторских свидетельств (RU 160952 U1 (МПК G01C 19/56) РЕЗОНАТОРНЫЙ МИКРОМЕХАНИЧЕСКИЙ АКСЕЛЕРОМЕТР, RU 2 693 030 C1 (МПК G01P 15/00) ДВУХОСЕВОЙ МИКРОМЕХАНИЧЕСКИЙ АКСЕЛЕРОМЕТР, RU 2 630 542 C1 (МПК G01C 19/56) ИНТЕГРАЛЬНЫЙ МИКРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ГИРОСКОП), а так же 13 научных публикаций по темам прикладных научных исследований. Барбин Е.С. с 2011 года участвовал в выполнении ряда проектов по ФЦП, посвященных разработке методик создания, изготовления и испытаний МЭМС резонансных сенсоров, что подтверждается рядом публикаций в Scopus (20) и защищенной диссертацией на соискание степени к.т.н. Дважды проходил стажировку (9 мес.) в университете Тохоку (г. Сендай, Япония, 72 место в топ-100) по тематике «Разработка, технологии и изготовление МЭМС». На данный момент является руководителем проекта РНФ по теме «Разработка научных основ создания микрооптоэлектромеханического субмикро-g акселерометра», где был получен задел в области МОЭМ преобразователей механических величин. Таким образом, на сегодняшний день авторы проекта имеют все компетенции, научный задел и опыт реализации для успешного выполнения проекта.

Конкурентным преимуществом разрабатываемого датчика давления является использование в составе его чувствительного элемента оптомеханического преобразователя, что позволит обеспечить требуемую точность измерений на уровне передовых зарубежных разработок, а использование мембранного преобразователя позволит расширить измеряемый диапазон давлений. Предварительная стоимость на уровне аналогов (~400-500 т.р.).