СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ВИСЯЩИХ КОНСТРУКЦИЙ
METHOD FOR FORMING OF SUSPENDED CONSTRUCTIONS

Изобретение относится к технологиям изготовления микроструктурных устройств и полупроводниковых приборов и может быть использовано для формирования висящих конструкций, таких как мембраны, консоли, кантилеверы и других, на базе которых изготавливают многоэлементные микромеханические преобразователи (ММП).
2
2
Известен способ формирования висящих конструкций (патент США №7027200 на изобретение, МПК 8 G02В 26/00), заключающийся в том, что на подложку осаждают слой или несколько жертвенных слоев и один или несколько функциональных слоев, формируют требуемую конструкцию из функциональных слоев, после формирования требуемой конструкции из функциональных слоев подготавливают рецептуру смеси газофазного травителя, обеспечивающую возможность удаления жертвенных слоев, и затем травят жертвенные слои посредством газофазного травления. В качестве материала жертвенного слоя используют аморфный кремний, а в качестве смеси для газофазного травления - смесь активного газа, дифторида ксенона (XeF), и газа-разбавителя (Не, N, Ar, Rr, Ne, Xe). Общее давление при осуществлении процесса поддерживают от 1 до 700 Торр. Парциальное давление активного газа поддерживают от 1 до 15 Торр, а парциальное давление газа-разбавителя - от 1 до 700 Торр.
2
3
Ближайшим к заявляемому техническому решению является способ формирования висящих конструкций (патент США № 7041224 на изобретение, МПК 8 В81С 1/00), заключающийся в том, что на подложку осаждают жертвенный слой и один или несколько функциональных слоев, формируют требуемую конструкцию из функциональных слоев, после формирования требуемой конструкции из функциональных слоев травят жертвенный слой посредством газофазного травления и удаляют жертвенный слой, который расположен между функциональными слоями и/или функциональным слоем и подложкой, в атмосфере, содержащей галогенид инертного газа и газ-разбавитель, при условии величины общего давления более чем 10 Торр. В качестве материала жертвенного слоя используют аморфный кремний, или поликристаллический кремний, или легированный после осаждения кремний, или аморфный гидрогенизированный кремний. Для смеси газофазного травления используют смесь активного газа (газ-реагент), галогенида инертного газа (XeF) с добавкой ClF. Верхнее значение общего давления при осуществлении процесса поддерживают на уровне величины до 760 Торр. В описанном способе газ-реагент предварительно смешивают с газом-разбавителем, инертным газом-носителем, гелием, или азотом, или аргоном, и поступающая при большом давлении (10÷200 Торр) в рабочую зону газовая смесь взаимодействует с аморфным кремнием, удаляя его.
При изготовлении многоэлементных микромеханических преобразователей (ММП), принцип действия которых основан на перемещении, например, металлической мембраны, подвешенной на кронштейне из диэлектрического материала, за счет разницы в коэффициентах их термического расширения, обязательным условием является параллельность всех элементов многоэлементных ММП несущему основанию и одинаковый зазор между мембранами и несущим основанием. При этом толщина каждого из слоев, формирующих ММП, составляет величину порядка 0,1÷0,25 мкм.
К недостаткам описанных выше технических решений относятся неудовлетворительная плоскостность получаемых газофазным травлением висящих элементов, низкая воспроизводимость процесса удаления жертвенного слоя, обуславливающая невысокий процент выхода годных структур ММП. Приведенные недостатки связаны с условиями, при которых проводят травление жертвенного слоя. Использование указанных высоких давлений (свыше 1 Торр) на начальных стадиях приводит к сильному термическому разогреву образца (подложки со сформированной на ней конструкцией требуемых функциональных слоев) из-за экзотермического характера реакции взаимодействия дифторида ксенона с кремнием. Значительный разогрев образца происходит из-за высокой скорости реакции, которая пропорциональна концентрации газа-реагента (величине давления), и поскольку при вытравливании кремния из-под остающихся функциональных слоев разогрев последних происходит локально, начиная с краев, возникает деформация образующихся висящих конструкций. С другой стороны, проведение реакции при высоких давлениях, соответствующих высоким скоростям протекания реакции, с применением газов-разбавителей накладывает диффузионные ограничения на скорость протекания процесса травления. Это затрудняет процесс удаления жертвенного слоя из-под формируемых висящих конструкций, в особенности, при их большой площади и маленьком зазоре между подложкой и образующейся висящей конструкцией, из-за обусловленного ими (большой площадью и маленьким зазором) уменьшения коэффициента диффузии как газа-реагента, так и образующихся продуктов реакции. Благодаря этому время удаления жертвенного слоя увеличивается, приводя к еще большему перегреву формируемого висящего элемента и, как следствие, большей деформации.
Техническим результатом изобретения является улучшение плоскостности получаемых газофазным травлением висящих элементов и повышение воспроизводимости процесса удаления жертвенного слоя, приводящего к повышению процента выхода годных многоэлементных структур ММП.
Технический результат достигают тем, что в способе формирования висящих конструкций, заключающемся в том, что на подложку осаждают жертвенный слой и один или несколько функциональных слоев, затем формируют требуемую конструкцию из функциональных слоев, после чего травят жертвенный слой посредством газофазного травления и удаляют жертвенный слой, который расположен между функциональными слоями и/или функциональным слоем и подложкой, в атмосфере, содержащей галогенид инертного газа, жертвенный слой удаляют при низком общем давлении, начиная со значения, соответствующего минимальному, препятствующему разогреву и деформации формируемой висящей конструкции в процессе травления, с постепенным увеличением парциального давления галогенида инертного газа до верхнего предельного значения, обеспечивающего поддержание постоянной скорости травления и отсутствие диффузионных ограничений.
В способе в качестве материала жертвенного слоя используют аморфный кремний.
В способе в качестве галогенида инертного газа используют дифторид ксенона.
В способе жертвенный слой кремния удаляют при условии постепенного увеличения парциального давления галогенида инертного газа в ступенчатом режиме.
В способе реакцию проводят при давлении в реакторе от 0,07 до 0,4 Торр в режиме, при котором предотвращен перегрев образца из-за экзотермической реакции травления жертвенного слоя галогенидом инертного газа.
В способе в качестве галогенида инертного газа используют порошкообразный реагент, при этом процесс ведут при механическом перемешивании порошкообразного реагента, смешанного с твердыми, более массивными, чем галогенид инертного газа, частицами из инертного материала.
В способе жертвенный слой осаждают толщиной от 0,3 мкм до 1,2 мкм.
В способе перед травлением жертвенного слоя слой двуокиси кремния, образующийся на поверхности аморфного кремния, удаляют обработкой в разбавленном (1:10) растворе фтористоводородной кислоты.
В способе формируют требуемую конструкцию из функциональных слоев, литографически задавая размер изготавливаемой висящей конструкции от 25 мкм × 25 мкм до 100 мкм × 100 мкм.
Сущность изобретения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми чертежами. На Фиг.1 приведена таблица, иллюстрирующая влияние режимов удаления жертвенного слоя на качество висящих конструкций. На Фиг.2 представлена полученная на растровом электронном микроскопе фотография тестового образца с ММП, изготовленного без оптимизации режимов удаления жертвенного слоя аморфного кремния, при наличии перегрева (образец Тест 3). На Фиг.3 представлена полученная на растровом электронном микроскопе фотография образца с фрагментом ММП, изготовленного с использованием оптимальных режимов удаления жертвенного слоя аморфного кремния: при сниженных скоростях реакции травления (образец ММП 16).
В предлагаемом изобретении достижение технического результата базируется на снижении скорости травления газофазной реакции при удалении жертвенного слоя посредством использования более низких давлений, без использования газа-разбавителя. Реализация низких скоростей реакции обеспечивает, во-первых, отсутствие перегрева образца при формировании висящих конструкций, во-вторых, снижение концентрации продуктов реакции, что облегчает их отвод из зоны реакции, обеспечивая более равномерное вытравление из-под формируемой висящей конструкции. Таким образом, устраняется неконтролируемый разогрев образца, обеспечивая воспроизводимость результатов операции травления от процесса к процессу.
Осуществление травления без использования газа-разбавителя способствует усилению указанного эффекта, поскольку позволяет проводить газофазное травление при более низком давлении. В качестве активного газа используют галогенид инертного газа, а именно дифторид ксенона (реагент), который при обычных условиях находится в твердом порошкообразном состоянии.
С другой стороны, для усиления эффекта немаловажное значение имеет реализация возможности поддержания скорости реакции на фиксированном требуемом значении.
Если процесс травления проводить при постоянном давлении, то из-за диффузионных ограничений подвода газа-реагента и отвода продуктов реакции скорость травления снижается. Особенно это заметно при удалении жертвенного слоя из-под формируемых висящих конструкций (мембран) большой площади и при маленьком зазоре между ней и подложкой (несущим основанием).
Для поддержания постоянной скорости вытравливания жертвенного слоя дифторидом ксенона процесс следует проводить, постепенно увеличивая давление, в несколько стадий (ступенчато), начиная с более низких давлений газа-реагента (0,07 Торр) и заканчивая процесс травления при давлении (0,4 Торр). Значение давления 0,07 Торр соответствует минимальному, препятствующему разогреву и деформации формируемой висящей конструкции при травлении. Возможно использование и еще более низких значений давлений, однако в этих случаях скорость протекания реакции слишком низкая, травление жертвенного слоя требует огромных временных затрат, что на практике неэффективно. При высоком давлении в реакторе (свыше 0,4 Торр) не удается сформировать плоскопараллельные мембраны (висящие конструкции), данное значение давления соответствует появлению локальных перегревов (см. Фиг.1, таблица и Фиг.2) и является верхним предельным значением давления, при котором достигается поддержание постоянной скорости травления и отсутствуют диффузионные ограничения. Предлагаемый режим травления жертвенного слоя дифторидом ксенона при ступенчатом изменении давления от 0,07 до 0,4 Торр и при механическом перемешивании твердого порошкообразного реагента обеспечивает получение плоскопараллельных несущему основанию, например, металлических мембран (висящих конструкций) (см. Фиг.3).
Повышению стабильности процесса травления способствует механическое перемешивание порошкообразного реагента, смешанного с твердыми, более массивными частицами, чем галогенид инертного газа, так как дает возможность осуществлять его подачу с постоянной скоростью в зону реакции.
Постоянное значение скорости поступления газа-реагента в зону реакции, поддерживаемое за счет механического перемешивания твердого порошкообразного дифторида ксенона, в который введены частицы шарообразной формы диаметром от 2 до 6 мм из инертного в отношении реагента материала, более массивного по сравнению с частицами дифторида ксенона, способствует поддержанию скорости травления на фиксированном требуемом значении.
Поддержание на фиксированном требуемом значении скорости поступления газа-реагента в зону реакции обеспечивает стационарное протекание процесса травления и отвода продуктов реакции, что позволяет оптимизировать время травления, не вызывая перегрева образца, приводящего к деформации формируемой висящей конструкции.
В заявляемом способе формирования висящих конструкций при оптимизации режима удаления жертвенного слоя необходимо принимать во внимание, что оптимальные скорости травления определяются толщинами жертвенного слоя и размерами формируемых висящих конструкций. Из таблицы (см. Фиг.1) видно, что предлагаемый режим удаления жертвенного слоя аморфного кремния (режим давления со ступенчатым изменением от 0,07 до 0,4 Торр) позволяет вытравливать его из зазора больше 0,3 мкм при площади мембран до 100 мкм × 100 мкм. Для другого диапазона толщин жертвенного слоя и площади мембран режим давления со ступенчатым изменением, а именно конкретный интервал количественных значений, будет, соответственно, другим, характер протекания процесса вытравливания - тем же. Полученные конкретные значения, приведенные в таблице (см. Фиг.1), - один из частных случаев реализации способа.
После осаждения на подложку жертвенного слоя и одного или нескольких функциональных слоев литографически формируют требуемую конструкцию из функциональных слоев, вскрывая окна глубиной до жертвенного слоя и задавая геометрию будущей висящей конструкции. При этом на поверхности жертвенного слоя аморфного кремния образуется естественный слой двуокиси кремния, препятствующий травлению жертвенного слоя кремния в дифториде ксенона. Для удаления слоя двуокиси кремния образец перед травлением обрабатывают в разбавленном (1:10) растворе фтористоводородной кислоты. Без обработки образца в растворе фтористоводородный кислоты наблюдается задержка во времени (индукционный период) травления жертвенного аморфного кремния в дифториде ксенона (см. Фиг.1, таблица). Время задержки зависит от времени хранения образца перед газофазным травлением, то есть толщины окисного слоя. Обработка в течение 5 секунд достаточна для устранения индукционного периода.
3
4
В качестве материала подложки, на которой формируют требуемую конструкцию функциональных слоев, используют, например, сапфир или стекло. Функциональные слои толщиной от 0,1 до 0,2 мкм могут быть изготовлены, например, из SiN, SiC,
x
y
z
SiCN, Al, Ni, Cr. Результаты, представленные в настоящем описании, получены для мембран площадью от 40 мкм×40 мкм до 100 мкм×100 мкм с величиной зазора от 0,3 до 1,2 мкм. Для мембран другой площадью результаты будут количественно отличаться.
В качестве сведений, подтверждающих возможность осуществления способа, приводим нижеследующие примеры реализации.
Пример 1
3
4
На подложку осаждают жертвенный слой и один или несколько функциональных слоев, затем формируют требуемую конструкцию из функциональных слоев. В качестве материала подложки используют сапфир, жертвенный слой формируют из аморфного кремния толщиной 1,2 мкм. На жертвенном слое осаждают два функциональных слоя, сначала SiN, затем никель с адгезионным слоем хрома, толщины слоев составляют соответственно 0,2 мкм и 0,1 мкм.
Затем формируют требуемую конструкцию из функциональных слоев, литографически задавая размер изготавливаемой висящей конструкции 40 мкм × 40 мкм.
Перед травлением жертвенного слоя слой двуокиси кремния, образующийся на поверхности аморфного кремния, удаляют обработкой в разбавленном (1:10) растворе фтористоводородной кислоты в течение 5 с.
После этого травят жертвенный слой посредством газофазного травления и удаляют жертвенный слой, который расположен между функциональными слоями и/или функциональным слоем и подложкой, в атмосфере, содержащей галогенид инертного газа. В качестве галогенида инертного газа используют дифторид ксенона, который в исходном состоянии находится в твердом порошкообразном состоянии. Процесс травления ведут при механическом перемешивании порошкообразного реагента, смешанного с твердыми, более массивными частицами, чем галогенид инертного газа, из инертного в отношении реагента материала.
Порошок дифторида ксенона в количестве 1 г, перемешанный с шарообразными частицами из инертного материала, более массивными, чем частицы дифторида ксенона, помещают в источник реагента и производят откачку источника до давления 0,002 Торр. Отсекают источник с дифторидом ксенона от реактора. Загружают образец в реактор и откачивают реактор до такой же величины (0,002 Торр).
Затем соединяют реактор с источником и удаляют жертвенный слой при низком общем давлении, начиная со значения, при котором разогрев образца минимальный и формируемая висящая конструкция не деформируется, с постепенным увеличением парциального давления галогенида инертного газа до значения, обеспечивающего поддержание первоначальной скорости травления и минимальный разогрев образца (до верхнего предельного значения, при котором поддерживается постоянная скорость травления и еще отсутствуют диффузионные ограничения). Таким образом, жертвенный слой кремния удаляют при условии постепенного увеличения парциального давления галогенида инертного газа в ступенчатом режиме. Реакцию проводят при давлении в реакторе от 0,07 до 0,4 Торр в режиме, при котором предотвращен перегрев образца из-за экзотермической реакции травления жертвенного слоя галогенидом инертного газа.
После установления заданного давления в реактор с образцами подают дифторид ксенона при давлении 0,07 Торр и проводят травление в течение 10 мин. После чего давление увеличивают до 0,12 Торр и образец травят в течение 10 мин. Затем давление еще увеличивают до 0,2 Торр и образец травят еще 10 мин и на последней стадии образец травят при 0,4 Торр до полного удаления аморфного кремния.
Весь процесс травления проводят при постоянном механическом перемешивании порошка дифторида ксенона. Поэтапное увеличение давления осуществляют посредством изменения скорости откачки.
Время травления устанавливают предварительно по контрольному образцу. Для гарантии полноты удаления жертвенного слоя время травления на последней стадии увеличивают в среднем на 10% относительно контрольного образца. Для образцов с большей площадью мембраны увеличение времени травления на последней стадии - больше.
После окончания травления источник с реагентом отсекают от реактора и реактор откачивают до давления 0,002 Торр. Подают в реактор инертный газ, например аргон, и проводят откачку 10 мин для удаления остатков реагента и продуктов реакции. Отсекают насос от реактора, заполняют реактор инертным газом до атмосферного давления и извлекают образец из реактора.
Полноту удаления аморфного кремния контролируют под микроскопом. При наличии в корпусе реактора прозрачного окна полноту вытравливания можно контролировать "in situ".
На Фиг.2 представлен фрагмент матричной структуры ММП, полученный в данном примере реализации. Фотография демонстрирует хорошее качество висящих конструкций.
Пример 2
На подложку осаждают жертвенный слой и один или несколько функциональных слоев, затем формируют требуемую конструкцию из функциональных слоев. В качестве материала подложки используют сапфир, жертвенный слой формируют из аморфного кремния толщиной 0,3 мкм. На жертвенном слое осаждают функциональные слои из оксинитрида кремния и алюминия толщиной 0,2 мкм и 0,2 мкм соответственно.
Затем формируют требуемую конструкцию из функциональных слоев, литографически задавая размер изготавливаемой висящей конструкции 100 мкм × 100 мкм.
Перед травлением жертвенного слоя слой двуокиси кремния, образующийся на поверхности аморфного кремния, удаляют обработкой в разбавленном (1:10) растворе фтористоводородной кислоты в течение 5 с.
После этого травят жертвенный слой посредством газофазного травления и удаляют жертвенный слой, который расположен между функциональными слоями и/или функциональным слоем и подложкой, в атмосфере, содержащей галогенид инертного газа. В качестве галогенида инертного газа используют дифторид, который в исходном состоянии находится в твердом порошкообразном состоянии. Процесс травления ведут при механическом перемешивании порошкообразного газа-реагента, смешанного с твердыми, более массивными частицами, чем галогенид инертного газа, из инертного в отношении реагента материала.
Порошок дифторида ксенона в количестве 1 г, перемешанный с шарообразными частицами из инертного материала, более массивными, чем частицы дифторида ксенона, помещают в источник реагента и производят откачку источника до давления 0,002 Торр. Отсекают источник с дифторидом ксенона от реактора. Загружают образец в реактор и откачивают реактор до такой же величины (0,002 Торр).
Затем соединяют реактор с источником и удаляют жертвенный слой при низком общем давлении, начиная со значения, при котором разогрев образца минимальный и формируемая висящая конструкция не деформируется, с постепенным увеличением парциального давления галогенида инертного газа до значений, обеспечивающих поддержание первоначальной скорости травления и минимальный разогрев образца (до верхнего предельного значения, при котором поддерживается постоянная скорость травления и еще отсутствуют диффузионные ограничения). Таким образом, жертвенный слой кремния удаляют при условии постепенного увеличения парциального давления галогенида инертного газа в ступенчатом режиме. Реакцию проводят при давлении в реакторе от 0,07 до 0,4 Торр в режиме, при котором предотвращен перегрев образца из-за экзотермической реакции травления жертвенного слоя галогенидом инертного газа.
После установления заданного давления в реактор с образцами подают дифторид ксенона при давлении 0,07 Торр и проводят травление в течение 10 мин. После чего давление увеличивают до 0,10 Торр и образец травят в течение 10 мин. Увеличивают давление до 0,2 Торр и образец травят 10 мин, увеличивают давление до 0,2 Торр и травят 15 мин, увеличивают давление до 0,3 Торр и травят 20 мин и на последней стадии образец травят при 0,4 Торр до полного удаления аморфного кремния.
Весь процесс травления проводят при постоянном механическом перемешивании порошка дифторида ксенона. Поэтапное увеличение давления осуществляют посредством изменения скорости откачки.
Время травления устанавливают предварительно по контрольному образцу. Для гарантии полноты удаления жертвенного слоя время травления на последней стадии увеличивают в среднем на 10% относительно контрольного образца. Для образцов с большей площадью мембраны увеличение времени травления на последней стадии - больше.
После окончания травления источник с реагентом отсекают от реактора и реактор откачивают до давления 0,002 Торр. Подают в реактор инертный газ, например аргон, и проводят откачку 10 мин для удаления остатков реагента и продуктов реакции. Отсекают насос от реактора, заполняют реактор инертным газом до атмосферного давления и извлекают образец из реактора.
Полноту удаления аморфного кремния контролируют под микроскопом. При наличии в корпусе реактора прозрачного окна полноту вытравливания можно контролировать "in situ".
Пример 3
На подложку осаждают жертвенный слой и один или несколько функциональных слоев, затем формируют требуемую конструкцию из функциональных слоев. В качестве материала подложки используют стекло, жертвенный слой формируют из аморфного кремния толщиной 0,8 мкм. На жертвенном слое осаждают два функциональных слоя, сначала SiC, затем Al, толщины слоев составляют соответственно 0,2 мкм и 0,1 мкм.
Затем формируют требуемую конструкцию из функциональных слоев, литографически задавая размер изготавливаемой висящей конструкции 70 мкм×40 мкм.
Перед травлением жертвенного слоя слой двуокиси кремния, образующийся на поверхности аморфного кремния, удаляют обработкой в разбавленном (1:10) растворе фтористоводородной кислоты в течение 5 с.
После этого травят жертвенный слой посредством газофазного травления и удаляют жертвенный слой, который расположен между функциональными слоями и/или функциональным слоем и подложкой, в атмосфере, содержащей галогенид инертного газа. В качестве галогенида инертного газа используют дифторид ксенона, который в исходном состоянии находится в твердом порошкообразном состоянии. Процесс травления ведут при механическом перемешивании порошкообразного реагента, смешанного с твердыми, более массивными частицами, чем галогенид инертного газа, из инертного в отношении газа-реагента материала.
Порошок дифторида ксенона в количестве 1 г, перемешанный с шарообразными частицами из инертного материала, более массивными, чем частицы дифторида ксенона, помещают в источник реагента и производят откачку источника до давления 0,002 Торр. Отсекают источник с дифторидом ксенона от реактора. Загружают образец в реактор и откачивают реактор до такой же величины (0,002 Торр).
Затем соединяют реактор с источником и удаляют жертвенный слой при низком общем давлении, начиная со значения, при котором разогрев образца минимальный и формируемая висящая конструкция не деформируется, с постепенным увеличением парциального давления галогенида инертного газа до значений, обеспечивающих поддержание первоначальной скорости травления и минимальный разогрев образца (до верхнего предельного значения, при котором поддерживается постоянная скорость травления и еще отсутствуют диффузионные ограничения). Таким образом, жертвенный слой кремния удаляют при условии постепенного увеличения парциального давления галогенида инертного газа в ступенчатом режиме. Реакцию проводят при давлении в реакторе от 0,07 до 0,4 Торр в режиме, при котором предотвращен перегрев образца из-за экзотермической реакции травления жертвенного слоя галогенидом инертного газа.
После установления заданного давления в реактор с образцами подают дифторид ксенона при давлении 0,07 Торр и проводят травление в течение 10 мин. После чего давление увеличивают до 0,12 Торр и образец травят в течение 10 мин. Увеличивают давление до 0,2 Торр и образец травят еще 10 мин и на последней стадии образец травят при 0,4 Торр до полного удаления аморфного кремния.
Весь процесс травления проводят при постоянном механическом перемешивании порошка дифторида ксенона. Поэтапное увеличение давления осуществляют посредством изменения скорости откачки.
Время травления устанавливают предварительно по контрольному образцу. Для гарантии полноты удаления жертвенного слоя время травления на последней стадии увеличивают в среднем на 10% относительно контрольного образца. Для образцов с большей площадью мембраны увеличение времени травления на последней стадии -больше.
После окончания травления источник с реагентом отсекают от реактора и реактор откачивают до давления 0,002 Торр. Подают в реактор инертный газ, например аргон, и проводят откачку 10 мин для удаления остатков реагента и продуктов реакции. Отсекают насос от реактора, заполняют реактор инертным газом до атмосферного давления и извлекают образец из реактора.
Полноту удаления аморфного кремния контролируют под микроскопом. При наличии в корпусе реактора прозрачного окна полноту вытравливания можно контролировать "in situ".