MEMS中氮化硅电介质的空间应用可靠性研究

发布时间：2020-05-11 07:52

【摘要】：微电子机械系统(MEMS,Micro-electro-mechanical-system)是指可批量制备的,集微型结构、微型传感器、微型执行器,信号处理和控制电路,以及接口、通信和电源于一体的微型器件或系统,其特征尺寸从微米量级到亚微米量级。由于其小型化、低成本和高性能等优势,被广泛应用于航空航天技术领域,尤其是微卫星的开发和研究。面对复杂的太空环境,各类MEMS器件必须进行抗辐射研究以适应中长期的空间应用。目前,MEMS辐射可靠性的研究主要集中于几类常见MEMS器件在辐照环境下的性能退化和失效现象,而对应失效机理的研究相对匮乏。各类电介质材料作为导电隔离层,常用于MEMS表面微加工器件中,其在空间环境中的可靠性将影响MEMS器件的空间应用寿命,因此电介质的空间可靠性研究对于MEMS器件的空间应用具有重要意义。本文首先简要介绍了微电子机械系统(MEMS)的基本原理和概念,并对目前已经在轨应用的MEMS器件做了整理归纳。综述了空间辐射环境、基本的MEMS辐照损伤机制和失效原理,以MEMS加速度计、MEMS梳齿驱动器和RF MEMS开关为典型介绍了MEMS空间辐射效应的研究方法和研究成果。接着,介绍了两类常见RF MEMS开关的设计结构和工作原理,总结了电容式RF MEMS开关在实际应用中的失效过程,详细介绍了与电容式RF MEMS开关失效密切相关的电介质层电荷注入效应。然后,本文设计了MEMS中氮化硅电介质空间应用可靠性研究的实验方案,主要包括金属-绝缘体-金属(MIM)电容结构的设计和关键的微加工工艺流程,具体的辐照实验方案以及MIM电容电流-电压特性的测量方案。利用高精度半导体参数分析仪测量了MIM电容在辐照前、以及不同γ辐照剂量后的电流-电压特性。对不同电压范围内的测量数据分别处理,确定了本文测试结构中电介质薄膜的导电过程分别为欧姆电流机制、空间电荷限制电流机制和Frenkel-Poole发射电流机制。在此基础上,结合不同导电过程的能带结构分析建立了MIM电容中电介质薄膜的欧姆电流随γ辐照的定量分析模型,对空间电荷限制电流和Frenkel-Poole电流的γ辐照效应进行了定性分析和解释。本文利用高剂量率的γ辐照源对MEMS中氮化硅电介质的空间应用可靠性从理论和实验两方面进行了相应的研究,实验结论对于含有电介质材料的MEMS器件,尤其是RF MEMS开关的空间可靠性研究具有一定参考意义。
【图文】：

示意图,相互作用,示意图,淀积

机械系统(MEMS, Micro-electro-mechanical-system)是指可批量制备的，将微型结构微型执行器，信号处理和控制电路，以及数据接口、通信和电源集成在一起的微型器统，其特征尺寸从微米量级到亚微米量级。典型的 MEMS 系统如图 1-1 所示，微传、压力、位移、磁场、湿度传感器等，可以探测作用力、位移、光、声、温度、磁场参数，并转变为相应的电学参数输出。微执行器是指可以利用静电力、压电效应、磁受热膨胀等来推动结构产生机械运动的器件，包括了谐振器、微推进器、微电机、M除了传感器和执行器以外，MEMS 器件还包括信息器件、微型生化芯片以及微型能S 的制备工艺与传统的 IC 工艺兼容，也包括晶体生长和外延、薄膜淀积（热氧化、硅淀积、金属淀积）、图形曝光与刻蚀、杂质掺杂（扩散、离子注入）等工艺过程。S 本身的结构特点及加工需求，还包含了牺牲层技术、厚膜和深刻蚀、双面光刻、微机械元件与电路元件的集成等新工艺技术，总体上可分将 MEMS 工艺划分为体和表面微机械加工技术。体微机械加工技术通过干法或者湿法刻蚀去除衬底的部分，微机械结构（如悬臂梁或者薄膜）或者一些独特的三维结构（如空腔、深孔等）。表术的主要特征在于牺牲层的刻蚀和防粘连释放[1]。

微型卫星,小型卫星,湿重

1.2 MEMS 器件的空间应用随着人类深空探测项目的不断推进和发展，小型化卫星的开发和应用逐渐成为航空航天领域的研究热点。相比大型卫星在发射时需要更大推力的火箭与更高的资金成本，小型卫星由于其更小的体积和更轻的质量，并且可以利用运载火箭的过剩容量搭载发射，大大降低了研究成本，更容易实现更经济的设计和生产。另一方面，小型卫星可以实现一些大型卫星无法完成的空间任务，如：低数据速率通信、使用编队从多个点收集数据、在轨检查较大卫星、开展大学项目有关的研究等。普遍接受的小型卫星定义是湿重（包括了推进剂质量）小于 500kg 的人造卫星。微型卫星的湿重范围为 10kg 至 100kg，纳米卫星的湿重范围为 1kg 至 10kg，皮卫星的湿重范围为 0.1kg 至 1kg，飞卫星的湿重范围为 10g 至 100g。相比之下，地球静止轨道(GEO)中的典型通信卫星质量为 1000kg至 5000kg[2]，远远大于小型卫星。图 1-2 为 2006 年 NASA 的 STS-116 任务中，两架纳米卫星从航天飞机货舱中弹出。小型卫星自身的重量限制要求更高集成度和小型化水平的电子器件，，才能实现在如此微小的体积内进行数据处理和通信，姿态确定和控制，有效载荷和结构加载，电池和其他子系统集成等等，而 MEMS 技术在体积、成本和性能等优势恰好满足了小型卫星相应的开发和研究需求。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ127.16

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