ЭЛЕМЕНТ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
ELEMENT AND METHOD OF ITS PRODUCTION

Изобретение относится к микромеханическим, микроэлектромеханическим (МЭМС) и микрооптоэлектромеханическим (МОЭМС) элементам, а также способам их изготовления.
Для уменьшения влияния окружающей среды, а именно влаги и загрязняющих примесей (например, пыли), на микроэлектромеханические (МЭМС) или микрооптоэлектромеханические элементы (МОЭМС) активные структуры таких элементов зачастую герметизируют. В этом случае под термином "активная структура" понимают, в частности, подвижные структуры, оптические структуры либо структуры, включающие в себя и подвижные, и оптические элементы (например, системы подвижных зеркал). Термином "активная область" обозначают область или зону элемента, в которой располагают или перемещают активную структуру. Кроме того, герметизация может быть использована для установки в области активных структуропределенного внутреннего давления, что особенно целесообразно в тех элементах, функционирование которых зависит от заданного внутреннего давления, например, датчиках ускорения и гироскопах (датчиках скорости вращения).
Чтобы сделать процесс производства максимально рентабельным, МЭМС или МОЭМС элементы обычно изготавливают на базе полупроводниковой пластины. В этом случае процессы сборки могут быть выполнены, например, на основе процессов непосредственного соединения и процессов анодного соединения.
Вывод электрических контактов из герметичной зоны элемента для установления контакта с отдельными его частями (например, для установления контакта с активной структурой) сложен в реализации с точки зрения технологии производства. Могут быть рассмотрены различные варианты:
Электрические контакты могут быть выполнены, например, путем расположения по краям слоев полупроводника, изготовленных имплантации или диффузии, и имеющих малое поверхностное сопротивление. Кроме того, контакты могут быть изготовлены с помощью структурированных проводящих слоев, покрытых планаризованным пассивирующим слоем.
Как вариант, электрические контакты могут быть выведены из элемента в виде множества вертикально расположенных сквозных металлизированных отверстий.
В патенте DE 102005015584 предложен способ изготовления элемента, активную область, а следовательно, и активную структуру которого изолируют от среды элемента (а именно от загрязняющих веществ и влаги) до изготовления контактных отверстий. На активную структуру подают электрические токи, которые необходимы для работы элемента, а сигналы, выдаваемые активной структурой, отводят, соответственно, через смежный с ней проводящий структурный слой и через контактные отверстия. Однако такая технология не допускает никаких перекрещиваний внутренних соединений. В частности, она не позволяет обеспечить контакт с областями (например, электродами), расположенными внутри подвижной структуры, небольшой участок которой (на плоскости слоя элемента) закрыт. Поэтому в подвижных структурах 6, реализованных в микроэлектромеханических датчиках 2 этим способом, часто выполняют отверстия 3 для внутренних соединений 4 с электродами 5 (см. Фиг.3).
Таким образом, задачей изобретения является разработка способа изготовления элемента, в частности микромеханического, микроэлектромеханического либо микрооптоэлектромеханического элемента, и такого элемента, в котором могут быть реализованы пересечения внутренних соединений, в частности мостики над подвижными структурами.
Эта задача решена посредством указанного во введении способа, отличительные признаки которого приведены в п.1 формулы изобретения. Кроме того, изобретение предлагает элемент, отличительные признаки которого приведены в п.19.
В соответствии с изобретением предложен способ, согласно которому:
- изготавливают первую сборку слоев, состоящую из первой подложки, поверх которой располагают первый слой изоляции, на который, в свою очередь, наносят, по меньшей мере, частично проводящий защитный слой,
- выполняют в защитном слое первые и вторые выемки, причем глубина травления вторых выемок меньше глубины травления первых, которая, в свою очередь, может быть равна толщине защитного слоя,
- наносят на защитный слой по меньшей мере частично проводящий структурный слой, таким образом, что, обеспечивают присоединение структурного слоя к защитному слою по меньшей мере на участках.
Структуры соединены между собой так называемыми соединительными мостиками, выполненными с различной глубиной травления.
Способ согласно изобретению позволяет увеличить свободу выбора проектных решений или проектное разнообразие за счет возможности создания новых структур. Отсутствие отверстий позволяет получить более жесткую структуру, что, в свою очередь, приводит к сокращению паразитных перемещений и явлений. Кроме того, может быть уменьшено число контактных площадок, что, в свою очередь, позволяет снизить затраты за счет уменьшения требуемой площади и увеличения поверхностной плотности или надежности.
В одном предпочтительном описании способа и элемента активную структуру элемента, изготовленного согласно изобретению, выполняют путем придания заданной конфигурации структурному слою, которое осуществляют до или после нанесения структурного слоя на первую сборку слоев. Придание заданной конфигурации, для краткости называемое структурированием, может быть выполнено, например, путем нанесения маски на поверхность структурного слоя и последующего травления этого слоя. Если структурный слой не структурируют до последующего нанесения, то при нанесении структурного слоя никакие допуски соединения не учитывают.
В соответствии с последующими предпочтительными конфигурациями способа и элемента путем нанесения герметизирующего слоя или второй сборки слоев обеспечивают герметизацию на уровне полупроводниковой пластины при регулируемом внутреннем давлении и одновременно обеспечивают возможность создания экрана, электрически изолированного от других электрических контактов для защиты от внешних электромагнитных помех. В этом случае структурный слой может быть частью второго сборки слоев, который, кроме того, снабжен второй подложкой и вторым слоем изоляции.
Легкий доступ к металлическим контактообразующим участкам через герметизирующий слой может быть обеспечен через контактные отверстия, выполненные в герметизирующем слое до нанесения герметизирующего слоя на структурный слой.
В случае использования второй сборки слоев, до нанесения на него структурного слоя, со стороны второй подложки, обращенной к структурному слою, выполняют третьи выемки, поперечные положения которых по меньшей мере частично соответствуют поперечным положениям контактных отверстий, которые будут позже выполнены во второй подложке. На более поздней стадии способа изготовления по изобретению третьи выемки могут быть использованы в качестве контактных отверстий (либо по меньшей мере в качестве их части).
До нанесения структурного слоя на вторую сборку слоев на стороне второй подложки, обращенной к структурному слою, могут быть выполнены четвертые выемки, поперечные положения которых по меньшей мере частично соответствуют поперечным положениям активной структуры либо активной структуры структурного слоя; аналогично могут быть изготовлены вторые выемки в таких же поперечных положениях. Вторые и, соответственно, четвертые выемки могут обеспечивать механическое движение (например, вибрацию) того участка структурного слоя, который находится в пределах активной области. Кроме того, вторые и, соответственно, четвертые выемки могут быть использованы для задания значений специфических параметров элемента. Так как характеристики механической вибрации при заданных условиях зависят, прежде всего, от приложенного к элементу давления, геометрии активной (подвижной) структуры и от непосредственной окружающей среды, то на характеристики вибрации вибрирующей активной структуры можно, например, влиять целенаправленно через выбор размеров вторых и соответственно четвертых выемок. Таким образом, характеристики вибрации тем выше, чем глубже вторые и соответственно четвертые выемки (при одном и том же давлении в элементе).
При симметричном расположении вторых и четвертых выемок, вследствие одинаковых глубин травления, подвижная активная структура может быть симметрично окружена газовой средой. Это может в значительной степени ослабить действие результирующих демпфирующих сил, перпендикулярных плоскости слоев и связанных с ними паразитных движений.
Если внутри второй подложки сформированы третьи выемки, то для формирования контактных отверстий на поверхности второй подложки, расположенной на расстоянии от структурного слоя по меньшей мере часть второй подложки может быть удалена до вертикального положения, соответствующего вертикальному положению днищ третьих выемок. Таким образом, третьи выемки выполнены "сквозными" и представляют собой контактные отверстия.
Часть первых выемок и часть третьих выемок могут быть расположены соответственно над и под активной структурой.
В одном из предпочтительных вариантов реализации изобретения первые и вторые подложки, а также структурный слой и защитный слой могут быть выполнены из кремния. Однако этим объем изобретения не ограничивают, поскольку могут быть использованы и другие материалы/соединения материалов. К преимуществам кремния обычно относят хорошие механические свойства, широкую применимость и высокотехнологичные способы обработки. При изготовлении вышеупомянутых элементов из кремния они могут обладать следующими преимуществами: низким термическим напряжением (это преимущество всегда присутствует, если две подложки, а также покрытие и слои структуры выполнены из одного и того же материала) и небольшим выделением газов из материала в процессе теплосборки по сравнению с Пирексом или SD2 (оба материала продаются компаниями "Corning Glas" и "Ноуа" соответственно), за счет чего в элементе может быть создано давление меньше 0.01 мбар.
Разные глубины травления преимущественно получают путем двухступенчатого сухого травления с помощью двойной маски.
За счет изготовления электродов для активной структуры в местах вторых выемок в/на защитном слое могут быть выполнены заглубленные электроды, используемые для определения перемещений и усилий, перпендикулярных плоскости подложки.
Заглубленные электроды и соединительные мостики могут быть совместно выполнены в одном элементе методом трехступенчатого травления.
Ниже приведено более подробное описание изобретения на примере вариантов его реализации со ссылками на чертежи, на которых:
Фиг.1 иллюстрирует последовательность выполнения операций 1-1, 1-2, 1-3, 1-4 и 1-5 структурирования выемок различной глубины травления, при помощи двойной маски,
на Фиг.2 схематично приведены сечения 2-1, 2-2, 2-3 и 2-4, поясняющие некоторые этапы способа изготовления по изобретению,
На Фиг.3 схематически представлен вид сверху структуры микромеханического датчика с отверстиями для внутренних соединений, как, например, в прототипе.
На Фиг.4 схематически представлен вид сверху структуры аналогичного датчика по настоящему изобретению, изготовленного способом согласно настоящему изобретению,
На Фиг.5 схематически показан элемент с заглубленным электродом,
На Фиг.6 схематически показан элемент с заглубленным электродом и соединительным мостиком,
На Фиг.7а схематически представлен еще один вариант конструкции элемента с соединительным мостиком, расположенным вдоль (по) сечения(ю) I-I' (см. Фиг.7b).
На Фиг.7b схематически показано сечение элемента по линии сечения II-II' (см. Фиг.7а), которое совмещено с сечением по линии III-III' (выделенным на Фиг.7а светло-серым цветом) и сечением по линии IV-IV' (выделенным на Фиг.7а темно-серым цветом).
Одни и те же либо соответствующие друг другу участки, элементы или группы элементов обозначены на чертежах одинаковыми номерами позиций.
В настоящем изобретении может быть использована так называемая защитная пластина 10, в частности SOI пластина (SOI: Кремний-на-Изоляторе), например, в качестве первой сборки слоев, причем указанная полупроводниковая пластина может быть структурирована посредством двухступенчатой операции структурирования, например, посредством двухступенчатой операции сухого травления (DRIE: Глубинное реактивное ионное травление) с применением двойной маски.
В этом случае SOI-пластина 10 содержит первую кремниевую подложку 11, первый слой изоляции 12, как правило, диоксид кремния и защитный слой 13, который изолирован от первой подложки 11 утопленным первым слоем изоляции 12.
Фиг.1 иллюстрирует, как можно выполнить первую выемку 14, с глубиной травления D1, и вторую выемку 15, с глубиной травления D2 (конечный результат см. 1-5). Сначала на SOI-пластину 10 наносят оксидный слой 16 и выполняют структурирование (этап 1-1). Затем наносят слой фоторезиста 17, экспонируют его и проявляют (этап 1-2). При выполнении следующего этапа структурирования вытравливают те участки кремния на защитном слое 13, отверстия которых расположены в тех же местах, что и на оксидном слое 16 и маске из фоторезиста 17 (в приведенном примере, в поперечном положении выполненной впоследствии первой выемки 14 (этап 1-3)). После выполнения первого этапа структурирования фоторезист 17 удаляют (этап 1-4). При этом открывают отверстия в оксидном слое 16, которые ранее были закрыты фоторезистом 17. На втором этапе структурирования на этих участках и участках, которые уже были отструктурированы на первом этапе, вытравливают кремний защитного слоя 13. После двух этапов травления участки первых выемок 14, которые были структурированы на первом этапе структурирования, будут открыты по направлению вниз к утопленному слою оксида 12 SOI-пластины, чтобы обеспечить электрическую изоляцию различных электродов. Как будет показано ниже со ссылкой на Фиг.2, по глубине травления на втором этапе определяют впоследствии расстояние между мостиком и подвижной структурой (или внутреннее соединение в структурном слое 26) (этап 1-5). Утопленный слой оксида 12 выбирают в качестве препятствия травлению.
На следующем этапе удаляют слой оксида 16 (т.к. расположенную снизу кремниевую поверхность присоединяют позднее, то удаление предпочтительно производят влажным химическим методом). В этом случае, также частично или полностью (см. Фиг.2-1) удаляют утопленный слой оксида 12 на дне первых выемок 14. Однако это не оказывает неблагоприятного воздействия работу. После этого в структуре защитной подложки 10 (см. Фиг.2-1) глубина травления D1 первых выемок 14 будет соответствовать толщине защитного слоя 13 и проходить, таким образом, по меньшей мере до утопленного слоя оксида 12, а глубина травления D2 вторых выемок 15 будет меньше глубины травления D1 первых выемок.
На следующем этапе процесса на поверхности второй подложки 20 выполняют структурированный второй слой изоляции 21. После этого на поверхности второй подложки 20 выполняют третьи выемки 22 с глубиной травления D3 и четвертые выемки 23 с глубиной травления D4. В этом случае горизонтальные размеры В1 третьих выемок 22 будут меньше горизонтальных размеров В2 вырезов второго слоя изоляции 21 над (выше) третьими выемками 22. Таким образом, на участках, примыкающих к третьим выемкам 22, образуются края разрывов 24, назначение которых будет описано ниже.
Для получения второй сборки слоев 25 на очередном этапе процесса структурный слой 26 наносят на дальний слой изоляции 21, где структурный слой 26 опирается на отдельные участки второго слоя изоляции 21.
На следующем этапе процесса структурный слой 26 структурируют с образованием активной структуры 27, таким образом, что внешние участки 30 (край кристалла или, другими словами, краевой участок изготавливаемого элемента) структурного слоя 26 электрически изолированы от проводящих участков "внутри" элемента канавками (пазами) 31. В результате получают структуру, которая изображена на Фиг.2-2.
На следующем этапе процесса, результат которого представлен на Фиг.2-3, первую 10 и вторую 25 сборки слоев соединяют между собой, таким образом, что защитный слой 13 примыкает к структурному слою 26, а вторые 15 и четвертые выемки 23 расположены, соответственно, выше и ниже активной структуры 27. По меньшей мере часть первых выемок 14 и часть третьих выемок 22 также расположены, соответственно, выше и ниже активной структуры 27 (на Фиг. не показано).
При соединении первой сборки 10 со второй сборкой 25 "SOI с утопленными полостями" кремний соединяют с кремнием, а не с оксидом. В этом случае помимо герметичного механического сцепления будет получено соединение с минимально возможным электрическим сопротивлением.
На последующем этапе процесса участок контактной площадки 35 второй подложки 20 подвергают обратному травлению до вертикального положения, соответствующего вертикальному положению днищ третьих выемок 22, которые в результате оказываются неизолированными; и образуют контактные отверстия 36.
Затем на следующем этапе процесса на поверхность второй подложки 20 наносят слой металлизации, при этом за счет имеющихся краев разрывов 24 часть слоя металлизации, которую наносят внутри третьих выемок 22, электрически изолируют от остальной части слоя металлизации, с образованием внутри третьих выемок 22 металлических контактообразующих участков 32. На Фиг.2-4 представлена структура, в которой контакт обеспечивают с помощью контактообразующих металлических участков 32, связанных монтажными проводами 33.
По желанию, на следующем этапе процесса дополнительный слой металлизации (не показан) может быть нанесен на поверхность первой подложки 11, расположенную на расстоянии от структурного слоя 26. Дополнительный слой металлизации, а также слой металлизации служат экранирующими электродами для защиты от нежелательных электромагнитных полей. Два слоя металлизации могут быть связаны с определенным общим потенциалом, либо с различными потенциалами.
Таким образом, в соответствии с изобретением предложен способ изготовления микроэлектромеханических или микрооптоэлектромеханических элементов, в частности элементов с герметичными активными структурами и участками, обеспечивающими электрический контакт. В соответствии с изобретением предложен способ изготовления, согласно которому герметизируют отдельные участки структурного слоя на слое пластины с регулируемым внутренним давлением и обеспечивают возможность соединения электродов 5 в структурном слое посредством соединительных мостиков 34 через активные структуры 27, показанные в качестве примера на Фиг.2-4, без необходимости выполнения отверстий 3, как показано на Фиг.3. Таким образом, появляется возможность изготовления структур 1, показанных на Фиг.4, в которых электроды 5 могут быть связаны через соединительные мостики 34 (не показаны), в результате чего структуры 1 выполнены сплошными в сравнении с разомкнутыми структурами 6 на Фиг.3.
Для изолирования проводящего материала второй подложки используют края разрывов 24, которые осуществляют электрическую изоляцию электропроводящих боковых стенок контактного отверстия 36 от дна контактного отверстия, связанного (зачастую непосредственно) с электродом элемента.
Металлизацию контактных участков выполняют только после завершения всех процессов сборки. Таким образом, при тепловых нагрузках выше 400°С может быть использовано, например, непосредственное (прямое) соединение кремния (SDB) при условии отсутствия внутри структурного слоя 26 легированных активных участков, профили распределения легирующей примеси которых могут быть повреждены при относительно высоких температурах.
Изобретение может быть использовано для изготовления любых (миниатюрных) элементов, в частности, для изготовления микромеханических, микроэлектромеханических или микрооптоэлектромеханических элементов, например, датчиков ускорения, датчиков скорости вращения, датчиков давления, оптронов и т.д.
Фиг.2-2-2-4 иллюстрируют случай, при котором вторая подложка 20 также структурирована методом двухступенчатого глубокого реактивного ионного травления (DRIE) (до выполнения структурного слоя 26). В этом случае глубину травления D1 и глубину травления D3 выбирают одинаковыми, а глубину травления D2 выбирают равной глубине травления D4. Это позволяет создать симметричную газовую среду вокруг активной структуры 27, а также значительно ослабить действие результирующих демпфирующих сил, перпендикулярных плоскости слоев и связанных с ними паразитных движений. При отсутствии необходимости герметизации структур в структурном слое 26 этот слой 26 может быть выполнен на сборке 10 методом SDB (прямого присоединения кремния) и структурирован (после выполнения контактных площадок, например, путем напыления алюминия и травления).
Также, структурный слой 26 может быть выполнен на сборке 10, а структурирован позже. Методы SDB анодного соединения, анодного соединения, например, с напыленным промежуточным слоем пирекса, а также другие методы соединения позволяют впоследствии выполнить герметизацию при помощи герметизирующего слоя (например, второй подложки 20). В этом случае герметизирующий слой (например, 20) может быть преструктурирован с целью обеспечения доступа к металлическим контактообразующим участкам 32. Такой вариант позволяет получить сечения, подобные или идентичные показанным на Фиг.2-4. Таким способом металлические контактообразующие участки 32 могут быть нанесены на структурный слой 26 фактически до герметизации, а активная структура 27 может быть проверена. Тем не менее, при выполнении последнего процесса сборки должны быть использованы низкотемпературные методы сборки, позволяющие предотвратить возможное в этом случае разрушение металлических контактообразующих участков.
Фиг.5 иллюстрирует, как можно путем двухступенчатого структурирования выполнить заглубленные электроды 40, которые могут быть использованы для определения движения и приложения сил в направлении z (перпендикулярно плоскость подложки).
Заглубленные электроды 40 и соединительные мостики 34 могут быть выполнены посредством трехступенчатого структурирования с пятью выемками 41 глубиной травления D5, результат которого представлен на Фиг.6.
В этом случае заглубленные электроды 40 выполняют, например, непосредственно материалом соответствующего слоя (защитного слоя 13) или же путем осаждения дополнительного слоя металлизации на соответствующий слой (защитный слой 13). Для лучшего понимания предмета изобретения на Фиг.7а и 7b представлено дополнительное изображение элемента. На Фиг.7а схематически показано сечение элемента по линии сечения I-I' (см. Фиг.7b), а на Фиг.7b схематически показано сечение элемента по линии сечения II-II' (см. Фиг.7а), которое совмещено с сечением по линии III-III' (выделенным на Фиг.7а светло-серым цветом) и сечением по линии IV-IV' (выделенным на Фиг.7а темно-серым цветом). На Фиг.7b показаны активная структура 27 и соединительный мостик 34, который соединяет электрод 5, расположенный внутри активной структуры с соединительным элементом 51, расположенным снаружи активной структуры. В этом случае часть первых выемок 14 и третьих выемок 22 расположена симметрично, соответственно, выше и ниже активной структуры, так же как и вторые выемки 15 и четвертые выемки 23. При симметричном расположении вторых и четвертых выемок 15, 23, а также первых и третьих выемок 14, 22 за счет одинаковой глубины травления подвижная активная структура может быть симметрично окружена газовой средой. Это может в значительной степени ослабить действие результирующих демпфирующих сил, перпендикулярных плоскости слоев и связанных с ними паразитных движений.