КОМПЕНСАТОРЫ ДЛЯ АНИЗОТРОПНОГО ТРАВЛЕНИЯ ДОРОЖЕК РАЗДЕЛЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПЛАСТИН

Предлагаемая полезная модель может быть использована в полупроводниковой электронике, а именно - при изготовлении упругих элементов и мембран микроэлектро-механических систем (МЭМС) методом анизотропного травления.
При изготовлении кремниевых МЭМС для вытравливания мембран и упругих элементов (балок и консолей) применяют жидкостное анизотропное травление. Традиционные методы разделения готовых МЭМС на кристаллы с помощью резки мало подходят из-за высокой хрупкости и небольшой прочности мембран и упругих элементов. Поэтому для разделения пластины на кристаллы применяют анизотропное травление одновременно с формированием мембран и упругих элементов.
Известны разные методы разделения пластин на отдельные кристаллы, например, сквозное травление при формировании мембран и упругих элементов и разделение пластины на кристаллы. Недостатком сквозного травления является потеря полезной площади за счет того, что ширина дорожки разделения на широко применяемом кремнии ориентации (100) больше глубины травления в 1,4 раза. Кроме того, разделенными таким способом кристаллами сложно манипулировать при дальнейшей обработке, т.к. они не связаны друг с другом.
Если проводить травление дорожки разделения до меньшей глубины (например, до толщины упругого элемента), то недостатки предыдущего метода устраняются частично.
Поэтому в промышленности применяют травление дорожки разделения примерно на 1/3-1/2 толщины пластины с МЭМС. При этом значительно уменьшается потеря полезной площади за счет уменьшения ширины дорожки разделения (см. книгу В.И. Ваганов «Интегральные тензопреобразователи», §3.2, с. 59). Однако при анизотропном травлении для того, чтобы прямоугольные кристаллы МЭМС сохранили свою форму необходимо использовать специальные компенсирующие фигуры, расположенные в углах кристалла.
Известен компенсатор для анизотропного травления дорожек разделения кремниевых полупроводниковых пластин ориентации (100) на кристаллы полупроводниковых приборов, образованный консолью, ориентированной вдоль направления <110> (см. книгу Marc J.Madou «Fundamentals of microfabracation. The science of miniaturization», c. 243, рис. 4.66).
Этот компенсатор хорошо работает, если глубина травления мембран и упругих элементов совпадает с глубиной травления дорожки разделения.
Наиболее близкими из известных компенсаторов являются компенсаторы для анизотропного травления дорожек разделения кремниевых полупроводниковых пластин ориентации (100) на кристаллы полупроводниковых приборов, образованные четырьмя консолями, ориентированными вдоль семейства направлений <110>, одна из сторон которых является продолжением соответствующей маски кристалла (см. книгу Joachim Frühauf «Shape and Functional Elements of the Bulk Silicon Microtechnique)), §5, c. 108, рис. 5.36).
Однако при изготовлении тонких мембран, когда травление происходит практически на полную толщину пластины, а дорожка разделения выполнена на 1/3-1/2 толщины пластины, компенсаторы на дорожках разделения стравливаются уже после достижения глубины травления равной глубине травления дорожки разделения. При дальнейшем травлении, чтобы получить необходимую толщину мембраны в углах кристаллов, где пересекаются горизонтальные и вертикальные дорожки разделения, происходит растрав до глубины примерно равной глубине травления под мембрану. Острый угол (70,6°), образующийся на дне дорожек разделения, является концентратором механических напряжений и при травлении пластины разламывается по дорожкам разделения, а углы кристаллов скругляются,
Целью предполагаемой полезной модели является исключение разлома пластин по дорожкам разделения при травлении мембран и повышение выхода годных кристаллов.
Указанная цель достигается тем, что в отличие от известных компенсаторов для анизотропного травления дорожек разделения кремниевых полупроводниковых пластин ориентации (100) на кристаллы полупроводниковых приборов, образованных четырьмя консолями, ориентированными вдоль семейства направлений <110>, одна из сторон которых является продолжением соответствующей маски кристалла, в предлагаемом длина консолей компенсаторов равна ширине дорожек разделения, а ширина компенсаторов выбрана из соотношения 3d≤D≤5d, где d - боковой подтрав при травлении самого глубокого элемента кристалла полупроводникового прибора.
Нижний предел ширины компенсатора D≥3d выбран из условия исключения растрава углов кристалла при травлении мембраны из-за разрушения маски компенсатора.
Верхний предел D≤5d выбран из условия исключения сколов, нарушающих форму углов кристалла при разломе пластины на кристаллы.
Так как длина консоли компенсатора равна ширине дорожки разделения, то компенсатор в области дорожек разделения превращается в балку, которая не стравливается при формировании самого глубокого элемента кристалла полупроводникового прибора и углы кристаллов остаются прямоугольными.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется фигурами. На фигуре 1 изображен разрез полупроводникового прибора с самым глубоким элементом кристалла полупроводникового прибора (мембраной) и дорожкой разделения, на фигуре 2 изображена маска для травления дорожки разделения на кристаллы с компенсаторами, на фигуре 3 - конфигурация дорожек разделения после анизотропного травления.
Позициями на фигурах 1-3 обозначены:
1 - кремниевая полупроводниковая пластина;
2 - самый глубокий элемент кристалла полупроводникового прибора, полученный анизотропным травлением;
3 - оксинитридная мембрана;
4 - дорожки разделения пластины на кристаллы;
5 - компенсатор;
6 - маска кристалла;
7 - остатки компенсатора при травлении;
8 - пирамидообразное углубление в местах пересечения дорожек разделения; D
- ширина компенсатора;
d - боковой подтрав при травлении самого глубокого элемента кристалла полупроводникового прибора.
Конструкция и применение данной маски приведено на примере формирования оксинитридных мембран 3 на кремниевых пластинах 1 с кристаллами чувствительных элементов датчиков расхода газа и дорожек разделения 4 пластины на кристаллы (фиг. 1). На кремниевую пластину с ориентацией (100) толщиной 420 мкм с рабочей и обратной стороны наносят материал мембраны на основе окисла кремния и нитрида кремния, причем толщина окисла составляет 0,1 мкм, а толщина нитрида кремния 0,2 мкм. С рабочей стороны мембраны формируют платиновые тонкопленочные резисторы, а на заключительной операции методом анизотропного травления формируют мембрану 3 и дорожки разделения 4. На обратную сторону пластины наносят фоторезист и с помощью фотошаблона с дорожками разделения, сориентированными вдоль кристаллографического направления <110>, вытравливают маску на основе окисла кремния и нитрида кремния под травление мембраны 3 и дорожек разделения 4. Самым глубоким элементом кристалла полупроводникового прибора 2 является полость под мембрану. На фигуре 2 изображена маска с компенсаторами 5 для формирования дорожек разделения 4 пластин на кристаллы в месте пересечения горизонтальных и вертикальных дорожек. Длина компенсатора 5 равна ширине дорожек разделения 4, одна из сторон компенсаторов является продолжением соответствующей маски кристалла 6.
Затем в анизотропном травителе на основе 30% водного раствора КОН при Τ=100°С проводят травление кремния на всю толщину пластины до появления мембраны. При этом величина бокового подтрава кремния под маску d при травлении самого глубокого элемента (мембраны) равна 11,4 мкм. Исходя из величины бокового подтрава d, ширина компенсатора D выбирается в три раза больше и равна D=34,2 мкм.
На фигуре 3 приведены вытравленные дорожки разделения пластины на кристаллы с применением предлагаемого компенсатора. В месте пересечения дорожек разделения формируется пирамидообразное углубление 8, а на месте нахождения компенсаторов находятся недотравленные участки компенсатора 5 шириной примерно 11 мкм. Дорожки разделения 4 представляют собой V-образные канавки, ребра которых являются концентраторами механических напряжений при ломке пластины на кристаллы чувствительных элементов. За счет предлагаемых компенсаторов внешние углы кристаллов чувствительных элементов датчиков расхода газа остаются нестравленными и кристалл имеет прямоугольную форму.
В таблице 1 приведены данные, полученные при испытании предлагаемых компенсаторов.
Анализ таблицы показывает, что использование заявляемых компенсаторов для анизотропного травления дорожек разделения кремниевых полупроводниковых пластин ориентации (100) на кристаллы полупроводниковых приборов позволяет исключить разлом пластин по дорожкам разделения при травлении мембран.
Таким образом, предлагаемые компенсаторы для анизотропного травления дорожек разделения кремниевых полупроводниковых пластин ориентации (100) на кристаллы полупроводниковых приборов позволяют решить задачу повышения выхода годных кристаллов.