СПОСОБ ЗАЩИТЫ УГЛОВ ТРЁХМЕРНЫХ МИКРОМЕХАНИЧЕСКИХ СТРУКТУР НА КРЕМНИЕВОЙ ПЛАСТИНЕ ПРИ ГЛУБИННОМ АНИЗОТРОПНОМ ТРАВЛЕНИИ
METHOD FOR PROTECTION OF ANGLES OF 3D MICROMECHANICAL STRUCTURES ON SILICON PLATE DURING DEEP ANISOTROPIC ETCHING

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к микромеханике, а именно к технологии изготовления микроэлектромеханических структур (МЭМС), и может быть использовано для изготовления трехмерных микромеханических структур на кремниевой пластине, например мембран с жестким центром.
3
2
2
2
Известен процесс микропрофилирования монокристаллического кремния ориентации (100) посредством анизотропного химического травления в системе едкое кали KОН - изопропиловый спирт (ИПС) СНОН - вода HO, содержащей KОН: ИПС: HO=32 г: 250 мл: 375 мл при температуре +80°С. При формировании мезаструктур или V-образных канавок в данном травителе происходит растравливание внешних углов. Для получения формы углов близкой к прямоугольной в рисунок фотошаблонов в вершинах внешних углов вводят защитные элементы в виде маскированного квадрата, центр которого совмещен с вершиной угла. Недостатком указанного способа является технологический разброс по толщине кремниевой пластины в пределах 5-15 мкм в местах расположения защитных фигур, обусловленный неполным стравливанием кремния под ними из-за большой площади последних, что отражается на характеристиках изготавливаемых микромеханических структур. Например, в случае формирования таким способом мембраны с жестким центром датчика давления, это приводит к снижению его чувствительности, определяемой номинальной толщиной мембраны, и ухудшению линейности преобразовательной характеристики. Готра З.Ю. Технология микроэлектронных устройств: Справочник. - М.: Радио и связь, 1991: илл., с. 397.
3
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является Патент Российской Федерации №2220475, МПК: H01L 21/308, 2003 г. «Способ защиты углов трехмерных микромеханических структур на кремниевой пластине с кристаллографической ориентацией (100)». Кремниевую пластину с кристаллографической ориентацией (100) подвергают анизотропному травлению в водном растворе гидрооксида калия KОН. Способ включает формирование масочного рисунка с элементами защиты углов, примыкающими к исходной части топологической маски вблизи точки пересечения сторон защищаемого чипа или трехмерной микроструктуры на пластине и продолжающимися за пределы исходной части маски. Для защиты выпуклых углов чипа или трехмерной микроструктуры формируют масочный рисунок с элементами Т-образной формы, содержащей продольную и поперечную части, масочный рисунок с Т-образными элементами защиты выпуклых углов формируют из металлической структуры V-Cu′-Cu″, включающей тонкопленочную структуру ванадия и меди V-Cu′ и гальванический слой меди Cu″, а каждый из Т-образных элементов защиты выполняют в форме двух полосок - продольной вдоль кристаллографического направления [110] высотой В и поперечной шириной Ш, расположенной в поперечном направлении под прямым углом к продольной полоске. Травление проводят до тех пор, пока продольные кремниевые элементы, сформированные в области маски защиты углов в процессе анизотропного химического травления, не стравятся до границы исходной топологической области жесткого центра преобразователя, что соответствует моменту формирования правильного многоугольника в основании объемной фигуры жесткого центра, самосовмещения топологических слоев преобразователя и выхода на заданную глубину травления. В случае травления кремния в 33% растворе гидрооксида калия при температуре кипения для заданных интервалов отношений конструктивных параметров микромеханической структуры 0,44<b/a<0,73 и 30,6<h/a·10<36,6, размеры Т-образных элементов защиты выполняют в соотношениях как 5,1<В/Ш<9,1, где а - половина от размера стороны квадратной мембраны, b - половина от размера стороны квадратного основания жесткого центра, h - толщина мембраны.
TP
TP
TP
Недостатками прототипа являются невозможность получения микромеханических структур или чипов в виде мембраны с жестким центром прямоугольной формы с размерами a/h<2,06 и b/h<1,65 для пластин толщиной до 480 мкм, где h - глубина травления кремниевой пластины, соответствующая толщине мембраны h. Это обусловлено тем, что при указанных размерах мембраны и жесткого центра суммарная длина Т-образных элементов защиты, определяемая как сумма высоты В продольной и ширины Ш поперечной полосок, из которых формируется Т-образный элемент, не позволяет разместить их на топологическом рисунке фотошаблона без взаимного наложения друг на друга и/или выхода за пределы внешнего контура мембраны. В итоге приходится искусственно уменьшать длину защитных элементов, что, в зависимости от конкретных размеров микромеханической структуры и режимов травления, приводит к значительному подтраву жесткого центра или вообще к полному его стравливанию. Подтрав жесткого центра применительно к первичным преобразователям физических величин в электрический сигнал, принцип действия которых основан на механических деформациях кремниевых мембран, например чувствительным элементам датчиков давления, вызывает существенное ухудшение линейности их преобразовательной характеристики и снижение нагрузочной способности. Указанные недостатки не позволяют в полной мере охватить имеющуюся номенклатуру трехмерных микромеханических структур или чипов, представляющих собой мембрану с жестким центром и формируемых методами жидкостного анизотропного травления, а также добиться ее расширения за счет варьирования размеров мембраны и жесткого центра.
Раскрытие изобретения
Основной задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является расширение номенклатуры трехмерных микромеханических структур или чипов, представляющих собой мембрану с жестким центром и формируемых методами жидкостного анизотропного травления, улучшение линейности преобразовательной характеристики и повышение нагрузочной способности первичных преобразователей физических величин в электрический сигнал, в конструкции которых применяются объемные фигуры травления в форме трехмерных микромеханических структур с выпуклыми углами и правильными многоугольниками в основании фигуры травления.
TP
TP
TP
Решение задачи достигается за счет того, что способ защиты углов трехмерных микромеханических структур на кремниевой пластине с кристаллографической ориентацией (100) при глубинном анизотропном травлении в водном растворе гидрооксида калия KОН включает формирование масочного рисунка с элементами защиты углов, примыкающими к исходной части топологической маски вблизи точки пересечения сторон защищаемого чипа или трехмерной микроструктуры на пластине и продолжающимися за пределы исходной части маски. Для защиты выпуклых углов чипа или трехмерной микроструктуры формируют масочный рисунок с элементами Т-образной формы, которые содержат продольную и поперечную части. Травление проводят до тех пор, пока кремниевые элементы, сформированные в области маски защиты углов, не стравятся в процессе анизотропного химического травления до границы исходной топологической области жесткого центра микромеханической структуры. Продольные части двух соседних Т-образных элементов защиты перпендикулярны друг другу, причем размеры изготовляемых трехмерных микромеханических структур определяют из условий: a/h>0,8 и b/h>0,9, а параметры их изготовления назначают из соотношений p=(0,2…0,3)-h - ширина,  - длина,
где а - половина от размера стороны квадратной мембраны,
b - половина от размера квадратной стороны жесткого центра,
TP
h - глубина травления в направлении <100>,
<100>
V - скорость травления кремния в направлении <100>, мкм/мин;
1
V - скорость травления Т-образного защитного элемента, мкм/мин.
Краткое описание чертежей
На Фиг. 1 показана конфигурация трехмерной микромеханической структуры, представляющей собой кремниевую мембрану с жестким центром правильной прямоугольной формы.
На Фиг. 2 показано поперечное сечение трехмерной микромеханической структуры в виде кремниевой мембраны с жестким центром правильной прямоугольной формы.
На Фиг. 3 показана схема размещения защитных элементов Т-образной формы и назначения их размеров/
1
<100>
На Фиг. 4 показаны графики зависимости скоростей травления V и V монокристаллического кремния марки КЭФ n-типа проводимости (ρ=4,5 Ом·см) ориентации (100) от температуры в 33%-yом водном растворе гидрооксида калия KОН.
Осуществление изобретения
Для получения требуемой конфигурации трехмерной микромеханической структуры или чипа, представляющих собой кремниевую мембрану 1 с жестким центром 2 правильной прямоугольной формы (см. Фиг. 1 и Фиг. 2), ее внешние углы 3 на топологическом рисунке фотошаблона защищают элементами Т-образной формы 4, которые состоят из продольной 5 и поперечной 6 частей (см. Фиг. 3). Размеры Т-образных элементов 4 подбирают таким образом, чтобы обеспечить защиту внешних углов 3 жесткого центра 2 в течение всего процесса анизотропного химического травления, который начинается с углов 7 при вершинах Т-образных элементов 4 и распространяется геометрически подобно в направлении фронта травления 8. Расположение продольных частей двух соседних Т-образных элементов защиты 4 перпендикулярно друг другу позволяет существенно расширить номенклатуру трехмерных микромеханических структур.
На основании результатов большого числа экспериментальных исследований при разных режимах анизотропного травления на образцах с различными соотношениями основных геометрических параметров микромеханических структур и соответствующих размеров элементов защитной маски Т-образной формы 4 установлено, что микропрофилирование кремния происходит следующим образом. В начале процесса формирования трехмерной микромеханической структуры или чипа, представляющих собой кремниевую мембрану 1 с размером стороны 2а и толщиной h с жестким центром 2 с размером стороны 2b (см. Фиг. 1 и Фиг. 2), топологический рисунок которого на фотошаблоне защищен Т-образными элементами 4, происходит стравливание прямых углов 7 в вершинах Т-образных элементов 4 (см. Фиг. 3). Затем появляются плоскости, следы которых образуют между собой угол ≈30° в плоскости (100) и до окончания процесса травления перемещаются геометрически подобно. Огранка внешних углов происходит по плоскостям {111}, {100} и плоскостям, близким к {311}. У основания углов наблюдается выход плоскостей {110}.
2
3
4
min1
min2
min3
В качестве маскирующего материала при анизотропном травлении кремния в водном растворе гидрооксида калия KОН применяют пленки, например, двуокиси кремния SiO, нитрида кремния SiN или металлической структуры V-Cu′-Cu″. Минимальные значения расстояний на топологической маске W между поперечной частью 6 Т-образного элемента 4 и смежным с ней контуром мембраны 1, расположенным параллельно ей, W между торцевым участком поперечной части 6 Т-образного элемента 4 и смежным с ним контуром мембраны 1, расположенным перпендикулярно поперечной части 6 Т-образного элемента 4 и W, между торцевым участком поперечной части 6 Т-образного элемента 4 и смежной с ним поперечной частью 6 соседнего Т-образного элемента 4 (см. Фиг. 3) определяются характеристиками оборудования, используемого для формирования защитной маски на поверхности кремниевой пластины и переноса на нее топологического рисунка фотошаблона. Для случая контактной фотолитографии они составляют 5…10 мкм.
Опытным путем установлено, что из-за бокового подтрава в направлении <111>, дефектов в маскирующем слое и локальных нарушений адгезии маски к кремниевой пластине узкие Т-образные элементы стравливаются задолго до окончания процесса травления, а защищаемый ими угол "заваливается". Избыточная ширина защитных элементов Т-образной формы приводит к образованию на мембране локальных утолщений в местах их расположения, поскольку их площадь напрямую зависит от ширины полоски. В случае чувствительного элемента датчика давления или ускорения такая неоднородность толщины мембраны может вызывать отклонение фактических значений чувствительности от расчетных.
TP
TP
TP
Σ
В предлагаемом изобретении правильную прямоугольную форму трехмерной микромеханической структуры, представляющей собой кремниевую мембрану с жестким центром с размерами a/h>0,8 и b/h>0,9 (см. Фиг. 1 и Фиг. 2), получают при использовании защитных элементов Т-образной формы, размеры которых выбираются следующим образом. Оптимальная ширина р защитных элементов, позволяющая свести к минимуму локальные утолщения мембраны в местах их расположения (см. Фиг. 3) и одновременно обеспечить защиту внешнего угла в течение всего процесса травления кремния, составляет 0,2…0,3 от глубины травления h. Длина Т-образного элемента q рассчитывается по выведенной на основании математической обработки многочисленных экспериментальных данных формуле
1
где q - длина продольной части Т-образного защитного элемента;
2
q - длина поперечной части Т-образного защитного элемента;
TP
h - глубина травления кремния, мкм;
<100>
V- скорость травления кремния в направлении<100>, мкм/мин;
1
V - скорость травления Т-образного защитного элемента, мкм/мин.
1
<100>
1
Скорость травления Т-образного элемента V определяется типом проводимости кремниевой пластины, температурой и концентрацией травителя. Абсолютные и относительные (приведенные к скорости V) значения скорости травления V для монокристаллического кремния марки КЭФ n-типа проводимости (ρ=4,5 Ом·см) ориентации (100) при травлении в 33%-yом водном растворе гидрооксида калия KОН получены опытным путем и представлены в таблице 1 и на Фиг. 4.
TP
TP
Способ защиты углов трехмерных микромеханических структур позволяет получить внешние углы с формой, максимально приближенной к прямоугольной, в широком диапазоне размеров мембраны а, жесткого центра b и толщин мембран h, удовлетворяющих условию a/h>0,8 и b/h>0,9, для пластин толщиной до 480 мкм.
TP
TP
TP
TP
TP
Заявляемый способ изобретения апробирован при изготовлении кремниевых чувствительных элементов давления с размерами мембраны 2а=1,1 мм и жесткого центра 2b=0,75…0,9 мм в диапазоне толщин мембран h=40…200 мкм (глубина травления h=440…180 мкм) для пластин толщиной 380, 420 и 480 мкм, что соответствует соотношениям a/h=1,53…1,25 и b/h=1,32…0,9. Его использование позволяет получать мембраны с жестким центром без снижения запаса прочности с нелинейностью преобразовательной характеристики не более 0,2% и совпадением фактических значений чувствительности с расчетными более 90%, что физически не возможно в случае способа защиты углов, предложенном в прототипе, из-за существующих в нем ограничений в виде условий a/h>2,06 и b/h>l,65.