Silicon carbide plasma-chemical etching for capacitive pressure sensors design

Тема выпускной квалификационной работы: «Разработка Ñ‚ÐµÑ Ð½Ð¾Ð»Ð¾Ð³Ð¸Ð¸ Ð¿Ð»Ð°Ð·Ð¼Ð¾Ñ Ð¸Ð¼Ð¸Ñ‡ÐµÑÐºÐ¾Ð³Ð¾ травления карбида кремния для создания мембран ÐµÐ¼ÐºÐ¾ÑÑ‚Ð½Ñ‹Ñ Ð´Ð°Ñ‚Ñ‡Ð¸ÐºÐ¾Ð² давления». В данной работе проводилось изучение процесса глубокого Ð¿Ð»Ð°Ð·Ð¼Ð¾Ñ Ð¸Ð¼Ð¸Ñ‡ÐµÑÐºÐ¾Ð³Ð¾ травления (ПХТ) монокристаллического карбида кремния (SiC) в SF6/O2 индуктивно-связанной плазме. Методом оптической-эмиссионной спектроскопии (ОЭС) было исследовано влияние высокочастотной (ВЧ) мощности, напряжения смещения, давления в реакционной камере и состава газовой смеси на процесс травления SiC. Был разработан процесс ПХТ, оптимизированный для массового производства мембран из карбида кремния, толщиной менее 20 мкм, со скоростью травления порядка 1,2 мкм/мин и ÑˆÐµÑ€Ð¾Ñ Ð¾Ð²Ð°Ñ‚Ð¾ÑÑ‚ÑŒÑŽ Ð¿Ð¾Ð²ÐµÑ€Ñ Ð½Ð¾ÑÑ‚Ð¸ менее 0,7 нм. Влияние эффекта микротренчинга на ÑÐ»ÐµÐºÑ‚Ñ€Ð¾Ð¼ÐµÑ Ð°Ð½Ð¸Ñ‡ÐµÑÐºÐ¸Ðµ свойства мембраны емкостного датчика давления было изучено посредством компьютерного моделирования. Были сравнены ÑÐ»ÐµÐºÑ‚Ñ€Ð¾Ð¼ÐµÑ Ð°Ð½Ð¸Ñ‡ÐµÑÐºÐ¸Ðµ Ñ Ð°Ñ€Ð°ÐºÑ‚ÐµÑ€Ð¸ÑÑ‚Ð¸ÐºÐ¸ идеальной мембраны из SiC и из Si и полученной реальной мембраны с микротренчингом. Результаты сравнения показали, что эффект микротренчинга оказывает негативное влияние на прочностные Ñ Ð°Ñ€Ð°ÐºÑ‚ÐµÑ€Ð¸ÑÑ‚Ð¸ÐºÐ¸ мембраны. Так напряжение по Мизесу при давлении 0,2 МПа у реальной мембраны 183 МПа, когда у идеальной из SiC всего 83 МПа, а из Si – 82,7 МПа. Однако, по чувствительным параметрам реальная мембрана Ð¿Ñ€ÐµÐ²Ð¾ÑÑ Ð¾Ð´Ð¸Ñ‚ кремниевый аналог.В результате была создана мембрана из SiC, а на основе математического моделирования и ÑÐºÑÐ¿ÐµÑ€Ð¸Ð¼ÐµÐ½Ñ‚Ð°Ð»ÑŒÐ½Ñ‹Ñ Ð´Ð°Ð½Ð½Ñ‹Ñ Ð±Ñ‹Ð» разработан цифровой двойник емкостного датчика давления, с помощью которого возможно разрабатывать и создавать мембраны под любые задачи с минимальным количеством Ð²Ñ€ÐµÐ¼ÐµÐ½Ð½Ñ‹Ñ Ð¸ Ñ„Ð¸Ð½Ð°Ð½ÑÐ¾Ð²Ñ‹Ñ Ð·Ð°Ñ‚Ñ€Ð°Ñ‚.
The subject of the graduation work is “Silicon carbide plasma-chemical etching for capacitive pressure sensors design”.In this work study of silicon carbide (SiC) plasma-chemical etching (PCE) using SF6/O2 inductively coupled plasma (ICP) was obtained. Optical emission spectroscopy was used to examine the dependence of etching process of SiC itself on bias voltage, RF power, gas mixture containment and pressure in the reactive chamber. Optimized for mass manufacturing PCE process of 20 μm thick SiC was developed. The speed of this process gains about 1.2 μm/min and surface roughness is less than 0.7 nm. Influence of microtrenching effect on electromechanical properties of capacitive pressure sensor membrane was studied with computer simulation method. Electromechanical properties of created (real) SiC membrane and ideal membranes of SiC and silicon (Si) were compared. According to the results, microthrenching effect occurs negative impact to the membrane strength properties. Von Mises stress at 0.2 MPa applied pressure was 183 MPa for real SiC membrane, while it was 83 MPa and 82.7 MPa for ideal SiC and Si membranes respectively. However, sensitivity of real membrane exceeded silicon analog.As the result, the SiC membrane for capacitive pressure sensors was created. Based on experimental data and results of computer simulation the digital twin of capacitive pressure sensor was developed. What allows developing and creating membranes for different uses minimizing process time and the product cost.