priborИзвестия высших учебных заведений. ПриборостроениеJournal of Instrument Engineering0021-34542500-0381Национальный исследовательский университет ИТМО10.17586/0021-3454-2025-68-8-738-748pribor-405Research ArticleПРОЕКТИРОВАНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ПРИБОРОВDESIGN AND PRODUCTION TECHNOLOGY OF INSTRUMENTSАналитический метод расчета толщины слоев защитной маски при изготовлении микромеханического акселерометраAnalytical Method for Calculating the Thickness of Protective Mask Layers in the Manufacturing of a Micromechanical AccelerometerКаранинН. С.KaraninN. S.

Никита Сергеевич Каранин — аспирант, факультет систем управления и робототехники

Санкт-Петербург

Nikita S. Karanin — Post-Graduate Student, Faculty of Control Systems and Robotics

St. Petersburg

karanin.ns@gmail.comУниверситет ИТМОITMO University202512092025688738748Copyright © Национальный исследовательский университет ИТМО, 20252025Национальный исследовательский университет ИТМОНациональный исследовательский университет ИТМОhttps://pribor.ifmo.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://pribor.ifmo.ru/jour/article/view/405

Рассмотрены методы определения толщины слоев масок для проведения процессов плазмохимического травления. Предложен метод расчета толщины слоев маски при формировании приборного слоя для изготовления чувствительных элементов микромеханического акселерометра. Представлены результаты оценки расчетного метода на основе измеренных значений толщины маски до и после плазмохимического травления приборного слоя кремниевой подложки с чувствительными элементами. Сформулировано заключение об эффективности использования представленного метода в технологии изготовления микромеханических акселерометров и гироскопов.

Methods for determining the thickness of mask layers for plasma chemical etching processes are considered. A method for calculating the thickness of the mask layers during the formation of an instrument layer for the manufacture of sensitive elements of a micromechanical accelerometer is proposed. The results of the evaluation of the calculation method based on the measured values of the mask thickness before and after plasma-chemical etching of the instrument layer on a silicon substrate with sensitive elements are presented. A conclusion is formulated on the effectiveness of using the presented method in the manufacturing technology of micromechanical accelerometers and gyroscopes.

аналитический методплазмохимическое травлениемаска для травленияприборный слойчувствительный элементмикромеханический акселерометрanalytical methodplasma chemical etchingetching maskinstrument layersensing elementmicromechanical accelerometerReferencesКалинкина М. Е., Пирожникова О. И., Ткалич В. Л., Комарова А. В. Микроэлектромеханические системы и датчики. СПб: Университет ИТМО, 2020.Kalinkina M.E., Pirozhnikova O.I., Tkalich V.L., Komarova A.V. Mikroelektromekhanicheskiye sistemy i datchiki (Microelectromechanical systems and sensors), St. Petersburg, 2020. (in Russ.)Ramalingam R., Ganesan A., Shanmugam J. Microelectromechnical Systems Inertial Measurement Unit Error Modelling and Error Analysis for Low-cost Strapdown Inertial Navigation System // Defence Science Journal. 2009. P. 650–658.Ramalingam R., Ganesan A., Shanmugam J. Defence Science Journal, 2009, рр. 650–658.Liu Y., Chen L. Application of accelerometers in vibration test of high voltage circuit breaker // 2015 5th Intern. Conf. on Electric Utility Deregulation and Restructuring and Power Technologies (DRPT). 2015. P. 1488–1491.Liu Y., Chen L. 5th International Conference on Electric Utility Deregulation and Restructuring and Power Technologies (DRPT), 2015, рр. 1488–1491.Popova I., Lestev A., Semenov A., Ivanov V., Rakityanski O., Burtsev V. Micromechanical gyros & accelerometers for digital navigation & control systems // IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine. 2009. Vol. 24, N 5. P. 33–39.Popova I., Lestev A., Semenov A., Ivanov V., Rakityanski O., Burtsev V. IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine, 2009, no. 5(24), pp. 33–39.Калинкина М. Е., Козлов А. С., Лабковская Р. Я., Пирожникова О. И., Ткалич В. Л. Расчет угловой жесткости упругого элемента микромеханического акселерометра // Изв. вузов. Приборостроение. 2019. Т. 62, № 6. С. 534–541.Kalinkina M.E., Kozlov A.S., Labkovskaya R.Ya., Pirozhnikova O.I., Tkalich V.L. Journal of Instrument Engineering, 2019, no. 6(62), pp. 534–541. (in Russ.)Гуртов В. А., Беляев М. А., Бакшеева А. Г. Микроэлектромеханические системы: учеб. пособие. Петрозаводск: Изд-во ПетрГУ, 2016.Gurtov V.A., Belyaev M.A., Baksheeva A.G. Mikroelektromekhanicheskiye sistemy (Microelectromechanical systems), Petrozavodsk, 2016. (in Russ.)Васильев В. Ю. Современное производство изделий микроэлектроники: учеб. пособие. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2019.Vasiliev V.Yu. Sovremennoye proizvodstvo izdeliy mikroelektroniki (Modern Production of Microelectronics Products), Novosibirsk, 2019. (in Russ.)Тимошенков С. П., Антюшин С. А., Зарянкин Н. М., Калугин В. В., Кочурина Е. С., Тимошенков А. С., Боев Л. Р. Проектирование и изготовление чувствительного элемента МЭМС-акселерометра // Нано- и микросистемная техника. 2021. № 2. С. 63–67.Timoshenkov S.P., Anchutin S.A., Zarjankin N.M., Kalugin V.V., Kochurina E.S., Timoshenkov A.S., Boev L.R. Nano- and Microsystems Technology, 2021, no. 2, pp. 63–67. (in Russ.)Lips B., Puers R. Three step deep reactive ion etch for high density trench etching // Journal of Physics: Conference Series. 2016. Vol. 757.Lips B., Puers R. Journal of Physics: Conference Series, 2016, vol. 757.Horstmann B., Pate D., Smith B., Mamun Md A., Atkinson G., Özgür Ü., Avrutin V. Cryogenic DRIE processes for high-precision silicon etching in MEMS applications // Journal of Micromechanics and Microengineering. 2024. Vol. 34, N 7. P. 1–13.Horstmann B., Pate D., Smith B., Mamun Md A., Atkinson G., Özgür Ü., Avrutin V. Journal of Micromechanics and Microengineering, 2024, no. 7(34), pp. 1–13.Bobinac J., Reiter T., Piso J., Klemenschits X., Baumgartner O., Stanojevic Z., Strof G., Karner M., Filipovic L. Effect of Mask Geometry Variation on Plasma Etching Profiles // Micromachines. 2023. Vol. 14, N 3. Р. 665. DOI:10.3390/mi14030665.Bobinac J., Reiter T., Piso J., Klemenschits X., Baumgartner O., Stanojevic Z., Strof G., Karner M., Filipovic L. Micromachines, 2023, no. 3(14), pp. 665, DOI:10.3390/mi14030665.Yoon M., Yeom H. J., Kim J., Jeong J.-R., Lee H.-Ch. Plasma etching of the trench pattern with high aspect ratio mask under ion tilting // Applied Surface Science. 2022. Vol. 595, N 1. Р. 153462. DOI:10.1016/j.apsusc.2022.153462.Yoon M., Yeom H.J., Kim J., Jeong J-R., Lee H-Ch. Applied Surface Science, 2022, no. 1(595), pp. 153462, DOI:10.1016/j.apsusc.2022.153462.Racka-Szmidt K., Stonio B., Żelazko J., Filipiak M., Sochacki M. A Review: Inductively Coupled Plasma Reactive Ion Etching of Silicon Carbide // Materials (Basel). 2021. Vol. 15, N 1. Р. 123. DOI: 10.3390/ma15010123.Racka-Szmidt K., Stonio B., Żelazko J., Filipiak M., Sochacki M. Materials (Basel), 2021, no. 1(15), pp. 123.Osipov A. A., Iankevich G. A., Speshilova A. B. et al. OES diagnostics as a universal technique to control the Si etching structures profile in ICP // Scientific Reports. 2022. Vol. 12, N 1. Р. 5287. DOI:10.1038/s41598-022-09266-x.Osipov A.A., Iankevich G.A., Speshilova A.B. et al. Scientific Reports, 2022, no. 1(12), pp. 5287, DOI:10.1038/s41598-022-09266-x.Bagolini A., Scauso P. & Sanguinetti S., Bellutti P. Silicon Deep Reactive Ion Etching with aluminum hard mask // Materials Research Express. 2019. Vol. 6, N 8.Bagolini A., Scauso P. & Sanguinetti S., Bellutti P. Materials Research Express, 2019, no. 8(6).Виноградов А. И., Зарянкин Н. М., Прокопьев Е. П., Тимошенков С. П. Оптимизация параметров процесса глубокого плазмохимического травления кремния для элементов МЭМС // Изв. вузов. Электроника. 2010. Т. 82, № 2. С. 3–9.Vinogradov A.I., Zaryankin N.M., Prokopyev E.P., Timoshenkov S.P. News of universities. Electronics, 2010, no. 2(82), pp. 3–9. (in Russ.)Каранин Н. С. Исследование селективности процесса плазмохимического травления приборного слоя инерциальных микромеханических устройств // Нано- и микросистемная техника. 2024. Т. 26, № 4. С. 198–204.Karanin N.S. Nano- and Microsystems Technology, 2024, no. 4(26), pp. 198–204. (in Russ.)Karanin N., Yulmetova O. Investigation of Surface Temperature for Sensitive Element of Micromechanical Accelerometer During Plasma Etching Using Finite Element Method // 30th Saint Petersburg Intern. Conf. on Integrated Navigation Systems, ICINS 2023. 2023. P. 1–3.Karanin N., Yulmetova O. 30th Saint Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems, ICINS 2023, 2023, рр. 1–3.Hu X., Zhen Zh., Sun G., Wang Q., Huang Q. Improvement on the uniformity of deep reactive ion etch for electrically isolated silicon-based substrates // Journal of Micromechanics and Microengineering. 2022. Vol. 32, N 4. DOI:10.1088/1361-6439/ac56c9.Hu X., Zhen Zh., Sun G., Wang Q., Huang Q. Journal of Micromechanics and Microengineering, 2022, no. 4(32), DOI:10.1088/1361-6439/ac56c9.Xia D., Yu C., Kong L. The Development of Micromachined Gyroscope Structure and Circuitry Technology // Sensors. 2014. Vol. 14. P. 1394–1473.Xia D., Yu C., Kong L. Sensors, 2014, vol. 14, рр. 1394–1473.Greiff P., Boxenhorn B., King T., Niles L. Silicon monolithic micromechanical gyroscope // TRANSDUCERS ‘91: 1991 Intern. Conf. on Solid-State Sensors and Actuators. Digest of Technical Papers. 1991. P. 966–968.Greiff P., Boxenhorn B., King T., Niles L. TRANSDUCERS ‘91: 1991 International Conference on Solid-State Sensors and Actuators, Digest of Technical Papers, 1991, рр. 966–968.Ayanoor-Vitikkate V., Chen K., Park W.-T., Kenny Th. W. Development of wafer scale encapsulation process for large displacement piezoresistive MEMS devices // Sensors and Actuators A: Physical. 2009. Vol. 156, N 2. P. 275–283.Ayanoor-Vitikkate V., Chen K., Park W.-T., Kenny Th.W. Sensors and Actuators A: Physical, 2009, no. 2(156), pp. 275–283.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.