Устройство защиты структуры неохлаждаемого термочувствительного элемента и способ защиты структуры
DEVICE FOR PROTECTING STRUCTURE OF UNCOOLED THERMOSENSITIVE ELEMENT AND METHOD FOR PROTECTING STRUCTURE

Настоящее изобретение относится к области микроэлектронной техники и касается  способа защиты нанесением слоя фоторезиста на обратную сторону кремниевой пластины при изготовлении многослойных микроэлектромеханических систем (МЭМС)  на кремниевых подложках, в частности, неохлаждаемых термочувствительных элементов, работающих в условиях вакуума.
МЭМС-устройства обычно изготавливают на кремниевой подложке с помощью технологии микрообработки, аналогичной технологии изготовления однокристальных интегральных микросхем. Типичные размеры микромеханических элементов лежат в диапазоне от 1-100 мкм, тогда как размеры кристалла МЭМС имеют размеры от 1 до 20 мм.
Основные методы получения всех МЭМС-устройств на основе кремния: осаждение слоев материала, структурирование этих слоев с помощью фотолитографии и травления для создания требуемой формы.
Неохлаждаемые термочувствительные элементы работают в условиях вакуума. Типовая конструкция такого элемента представлена на фиг. 1. Термочувствительный элемент 1 находится в корпусе 2. Сверху корпус закрыт крышкой. При этом необходимо обеспечить прохождение лучей ИК-излучение через крышку в направлении термочувствительного элемента, поэтому крышку корпуса изготавливают из германиевых пластин 3 и с просветляющим покрытием 4, уменьшающим переотражения от границ сред.
При обработке внутренней (тыльной) стороны данных пластин возникает необходимость защитить обратную (с просветляющим покрытием) сторону от механических и/или химических воздействий. Как правило, защита формируется в виде защитного покрытия, которое в дальнейшем необходимо снять без повреждения просветляющего покрытия 4. Одним из способов такой защиты является нанесение одного слоя фоторезиста (ФР) 5, растворимого в органических растворителях, и закрытие его дополнительным защитным слоем 6, как это показано на фиг. 2.
Серьезным недостатком такого способа защиты является невозможность обработки пластины в органических растворителях без повреждения ФР слоя, которая часто требуется в полупроводниковом производстве (например, операции взрывной фотолиторафии или очистки пластины после неудачной прямой литографии). Растворитель 7 проникает под защитный слой, растворяя ФР, что приводит к отслоению защитного слоя и оголению защищаемой стороны (фиг. 3). Картина проникновения растворителя 7 в слой ФР показана на фиг. 3.
В JP 2008311578 описан способ обработки кремниевой подложки, который предотвращает отслаивание защитной покрывающей пленки фоторезиста на периферийной части подложки. После того, как процесс спекания антиотражающей пленки на подложке завершен, перед выполнением процесса нанесения пленки фоторезиста выполняется процесс очистки периферийной части подложки (кремниевой пластины). Слой фоторезиста наносится с отступом от края антиотражающей пленки. Защитный слой покрывает слой фоторезиста, антиотражающую пленку и часть подложки, тем самым капсулируя слой фоторезиста.
В этом патенте говориться об образовании механической крошки при формировании просветляющего покрытия и что данная крошка, прилипая к поверхности края подложки, затем оказывается между подложкой и фоторезистом, мешая его хорошей адгезии на краю кремниевой пластины. Раскрывается решение проблемы: освобождается край пластины от просветляющего покрытия, затем наносится нижний (химически более стойкий фоторезист) и сверху он и край просветляющего покрытия фиксируется другим фоторезистом. Подчеркивается, что этот второй слой фоторезиста легко снимается в жидкости, что в корне противоречит задаче. которая стоит перед защитным экраном - не растворяться в растворителях, которыми производят очистку поверхностей при сборке многослойных МЭМС.
В US 2006177776 описан способ формирования структуры, которая образована четырьмя слоями: отражающим/поглощающим слоем, слоем SOG, слоем химически усиленного фоторезиста и слоем верхнего защитного покрытия, причем защитный слой, инкапсулирует защищаемый слой фоторезиста сверху и с боков. В этом патенте описывается процесс экспонирования фоторезиста через очищенную воду для дополнительного сужения пучка излучения и получения меньшей разрешающей способности. Верхний покрывающий слой имеет толщину 30 нм и предназначен не для защиты фоторезиста, а для формирования необходимого угла преломления на границе контакта фоторезиста с водой.
Из US 2016203997 (H01L21/027, H01L21/3105, H01L21/67, опубл. 14.07.2016 г.)известен способ формирования многослойной структуры, включающий нанесение фоторезиста на подложку из кремния с противоотражательным покрытием, удаление фоторезиста на периферийной области и покрытия слоя фоторезиста защитным слоем сверху и с боков. Этот патент описывает способ применения двух фоторезистивных слоев. Цель: защитить нижний фоторезист от взаимодействия с жидкостью, которая приводит к потере фоточувствительности. Второй слой фоторезиста капсулирует первый. Плюс данный патент предполагает снятие с края пластин просветляющего покрытия, но при этом оно частично остается незащищенным.
Это решение принято в качестве прототипа для заявленных объектов.
Недостаток данного способа защиты фоторезистом обратной стороны пластины заключается в том. что применение второго слоя фоторезиста не поможет обеспечить защиту, так как при последующей обработка, которая проводится в жидкости - органическом растворителе - идет в жидкости, произойдет растворение слоев  фоторезиста. В данном патенте применение первого и второго слоев фоторезиста в качестве защитного покрытия направлено на сохранение фоточувствительности первого слоя.
Если обратиться к термину "фоторезист", то под ним понимается полимерный светочувствительный материал, который наносится на обрабатываемый материал в процессе фотолитографии или фотогравировки с целью получить соответствующее фотошаблону расположение окон для доступа травящих или иных веществ к поверхности обрабатываемого материала. Например, позитивные фоторезисты MEGAPOSIT SPR700 представляют собой смеси сульфоэфиров нафтохинондиазидов (НХД) с фенолформаль-дегидными смолами (новолачными или резольными) в органических растворителях. Светочувствительной основой такого фоторезиста является НХД, а смола играет роль кислотостойкого полимера. При экспонировании в результате фотохимических реакций фотолиза гидрофобные производные НХД разрушаются и становятся гидрофильными, приобретая способность растворяться в слабых водных растворах щелочей, которые и являются проявителем для позитивных фоторезистов.
Таким образом, применение двухслойной композиции из фоторезистов, которая описана в US 2016203997, не выполняет функцию защитного слоя, позволяющего обрабатывать изделие в ряде технологических очистительных операциях органическими растворителями.
Настоящее изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в повышении защищенности структуры неохлаждаемого термочувствительного элемента, позволяющей обрабатывать структуру в органических растворителях.
Указанный технический результат в части устройства достигается тем, что в устройстве защиты структуры неохлаждаемого термочувствительного элемента, преимущественно работающего в условиях вакуума, представляющем собой закрывающую в корпусе конструкцию термочувствительного элемента на базе кремниевой пластины крышку из германиевой пластины с просветляющим покрытием снаружи, на которую нанесен слой фоторезиста, края которого расположены на расстояния от краев крышки или от краев просветляющего покрытия, при этом слой фоторезиста закрыт сверху и по бокам дополнительным слоем, краевые участки слоя фоторезиста выполнены термообработанными при температуре 180°С, а дополнительный слой представляет собой слой плазмохимически осажденного аморфного кремния a-Si толщиной не менее 2 мкм.
Указанный технический результат в части способа достигается тем, что в способ защиты кремниевой пластины структуры неохлаждаемого термочувствительного элемента от механических и/или химических воздействий характеризуется тем, что наносят слой фоторезиста на просветляющее покрытие германиевой пластины, удаляют слой фоторезиста с краевых участков просветляющего покрытия или указанной пластины,  и осуществляют термообработку указанной пластины с верхним слоем фоторезиста при температуре 180°С в течение 3 минут для выпаривания растворителя из слоя фоторезиста, а затем наносят плазмохимичекским способом на слой фоторезиста сверху и по его боковым стенкам защитный слой осажденного аморфного кремния a-Si толщиной не менее 2 мкм.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.
Настоящее изобретение поясняется конкретным примером исполнения, который, однако, не являются единственным, но наглядно демонстрирует возможность достижения требуемого технического результата.
На фиг. 1 - типовая схема корпусированного термочувствительного элемента;
фиг. 2 - схема типовой защиты одной (внешней) стороны пластины перед обработкой внутренней стороны;
фиг. 3 -  схема повреждения защитного слоя при обработке растворителем;
фиг. 4 - схема защиты одной (внешней) стороны кремниевой пластины перед обработкой внутренней стороны по настоящему изобретению.
Согласно настоящего изобретения рассматривается новый способ защиты структуры неохлаждаемого термочувствительного элемента. Необходимость защиты обусловлена тем, что при изготовлении структуры на кремниевой пластине образуются загрязнения на тыльной (обратной) стороне этой структуры и на самой структуре. В связи с тем, что для каждой последующей технологической операции структура должна быть очищена от загрязнений, абразива и т.д. производят очистку структуры в органических растворителях. Но такие растворители негативно воздействуют на слой фоторезиста, что требует обеспечения защиты структуры или по крайней мере слоя фоторезиста на этой структуре.
В связи с этим было разработано устройство защиты структуры неохлаждаемого термочувствительного элемента, преимущественно работающего в условиях вакуума. Это устройство представляет собой многослойную конструкцию (фиг. 4). Для  неохлаждаемого термочувствительного элемента эта конструкция выполняет функцию крышки, закрывающую в корпусе 2 конструкцию термочувствительного элемента на базе кремниевой пластины. Крышка выполнена из германиевой пластины 3 с просветляющим покрытием 4 снаружи, на которую нанесен слой фоторезиста 5. При этом края фоторезиста расположены на расстояния от краев пластины (крышки) или от краев просветляющего покрытия. Краевые участки слоя фоторезиста выполнены термообработанными при температуре 180°С (так называемая операция запекания). Слой фоторезиста закрыт сверху и по бокам 8 дополнительным слоем 9, который представляет собой слой плазмохимически осажденного аморфного кремния a-Si толщиной не менее 2 мкм.
Данную защиту получают за счет применения способа обеспечения защиты. Сначала наносят слой фоторезиста на просветляющее покрытие германиевой пластины, а затем удаляют слой фоторезиста с краевых участков просветляющего покрытия или указанной пластины и осуществляют термообработку указанной пластины с верхним слоем фоторезиста при температуре 180°С в течение 3 минут для выпаривания растворителя из слоя фоторезиста. И только после этого наносят плазмохимичекским способом на слой фоторезиста сверху и по его боковым стенкам защитный слой осажденного аморфного кремния a-Si толщиной не менее 2 мкм.
2
3
4
Технология плазмохимического осаждения (PECVD или ICPECVD) - это метод формирования высококачественного тонкопленочного покрытия из газовой фазы, использующий плазменный разряд для разложения реакционного газа на активные радикалы. В процессе плазмохимического осаждения реакционный газ, подаваемый в камеру-реактор, диссоциируется в разряде и образовавшиеся радикалы реагируют с поверхностью подложки и тем самым образуют тонкопленочное покрытие. Отличительной особенностью данного метода является относительно низкая температура процесса (КТ-400°С), что положительно влияет на скорость процесса и ряд других параметров. Плазмохимическое осаждение является функциональным и высококачественным методом осаждения с широким выбором материалов и возможностей по получаемым свойствам пленки. Основным применением данного метода является осаждение диэлектриков SiO, SiN, и др. при производстве электронных компонентов и схем.
Согласно настоящего изобретения предлагается широко доступными методами сформировать защитный слой, который капсулирует ФР с боков.
Кремниевая пластина всегда имеет нерабочую область на краю (обычно 1...4мм). До нанесения защитного слоя необходимо освободить эту область от ФР. Это можно выполнить во время центрифугирования с помощью полива края пластины растворителем. Данная функция (EBR - edge bead removal), применяется для удаления ФР-валика, который всегда образуется на краю пластины при центрифугировании, и является стандартной для промышленных установок нанесения ФР, что делает предложенный способ широко доступным. При отсутствии этой функции операцию освобождения края можно выполнить стандартным циклом фотолитографии с использованием оптической маски (нанесение, экспонирование и проявление ФР).  После освобождения края пластины от ФР, его необходимо запечь при температуре 180°С в течение 3 мин. Столь долгая и высокотемпературная обработка не заявляется производителем, как стандартная, и необходима для обеспечения полноценного испарения растворителя из ФР при передаче тепла через германиевую пластину. При этом ФР утрачивает фоточувствительность.
Далее при нанесении защитного слоя он капсулирует ФР слой, как схематично показано на фиг. 4. В качестве защитного слоя применяется PECVD осажденный аморфный кремний a-Si, толщиной 2 мкм и более. Применение альтернативных слоев (SiN/SiO) или меньших толщин приводит к растрескиванию защитного слоя при дальнейших обработках и не обеспечивает своих функций в течение времени, необходимого для операции «взрывной фотолитографии».
Таким образом, это позволит обрабатывать пластину в органических растворителях без повреждения ФР слоя, в том числе с воздействием ультразвука.
Открытие стороны с просветляющим покрытием необходимо будет проводить в два этапа: 1) снятие PECVD a-Si слоя, что скорее всего приведет к повреждению просветляющего покрытия на нерабочем крае пластины, 2) снятие ФР слоя в органическом растворителе.
В качестве фоторезиста может быть использован Megaposit SPR700.
Согласно изобретения используется не просто фоторезист, а фоторезист в комбинации со слоем а-кремния (a-Si). Слой фоторезиста необходим, т.к. после обработки противоположной стороны, защитный слой необходимо удалить. Если напылять a-Si напрямую, то удалить его без повреждения функционального кремния (материала подложки) невозможно.