СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ МИКРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ
METHOD OF MAKING SENSITIVE ELEMENTS OF MICROMECHANICAL SYSTEMS

Способ изготовления чувствительных элементов микроэлектромеханических систем (МЭМС) заданной толщины, в объеме рабочей пластины или вблизи поверхности одной из ее сторон.
Аналогами патентуемого способа являются технология получения чувствительных элементов МЭМС посредством операции легирования кремния для создания слоев, препятствующих травлению /1/ или использования двух и более сращенных между собой пластин через различные соединительные слои /2/. Такие способы, как создание высоколегированных областей, имеют ряд существенных недостатков: необходимость использования дорогостоящего оборудования для создания высоколегированных областей в кремнии, дополнительные затраты на материалы и не позволяют формировать трехмерные структуры в объеме пластины.
Наиболее близким по технической сути является способ изготовления электромагнитного актюатора /3/. Для его изготовления используются две сращенные пластины, имеющие диэлектрический слой в зоне сращивания. Это позволяет проводить процесс травления с лицевой стороны до диэлектрического слоя на точно определенную глубину, а с обратной стороны пластины производить травление, не подвергая травлению лицевую сторону с уже сформированным рисунком. Использование такого способа связано с необходимостью использовать две сращенные между собой рабочие пластины, одну из которых приходится утонять до заданной толщины будущего чувствительного элемента, для чего требуется дорогостоящее оборудование по совмещению и сращиванию пластин между собой. А это приводит к увеличению цены готовых изделий и усложнению технологического маршрута изготовления чувствительных элементов МЭМС.
Задача изобретения заключается в уменьшении затрат на изготовление элементов МЭМС по сравнению с использованием сращенных пластин и уменьшение количества технологических операций при изготовлении МЭМС и, как следствие, увеличение коэффициента выхода годных изделий.
Способ изготовления чувствительных элементов микроэлектромеханических систем (МЭМС), включающий нанесение защитных покрытий на лицевую и обратную сторону пластины, фотолитографию по защитным слоям с лицевой и обратной стороны, глубокое высокопрецизионное травление кремния с лицевой и обратной стороны пластины на заданную глубину и с заданным профилем, удаление остатков маскирующих покрытий с лицевой и обратной стороны пластины, отличающийся тем, что на кремниевую пластину после травления канавок с лицевой стороны и удаления остатков защитного покрытия производится операция нанесения слоя диоксида кремния для защиты лицевой стороны пластины и профиля вытравленных канавок от растрава при последующем травлении с обратной стороны пластины и механической фиксации выпадающих фрагментов конструкции.
Способ изготовления чувствительных элементов МЭМС содержит в себе набор отработанных и широко используемых технологических операций использующихся для создания сложнопрофильного рисунка на поверхности кремниевой подложки, но после травлении лицевой стороны подложки и формирования канавок заданного профиля и глубины, глубина канавок будет определять окончательную толщину элемента МЭМС, на лицевую сторону подложки наносят слой диоксида кремния достаточной толщины, как для защиты лицевой стороны пластины и боковых стенок вытравленных канавок (их профиля), так и для надежной фиксации выпадающих фрагментов в подвешенном состоянии. Толщину слоя диоксида кремния выбирают таким образом, чтобы обеспечить надежную защиту вытравленного профиля и лицевой стороны пластины при последующих операциях, а также обеспечить надежную механическую фиксацию выпадающих фрагментов и, в то же время, не создавать затруднений при снятии этого слоя после окончательного травления с обратной стороны пластины - окончательного формирования чувствительного элемента. Исключается операция сращивания рабочих пластин и операция легирования кремния для создания слоя, останавливающего травление, заменяя их операцией нанесения слоя диоксида кремния, как для защиты боковых стенок протравленных канавок, так и для вывешивания вытравленных фрагментов подложки, исключая их выпадение в реакторе и, как следствие, исключение загрязнение реактора и остановку процесса производства.
Процесс сращивания двух подложек - это сложный и ответственный технологический процесс, требующий дорогостоящего оборудования и помещений с высоким классом чистоты. Для того чтобы срастить две пластины, их нужно предварительно очистить, нанести на поверхности, которые будут сращиваться, какой-либо вспомогательный слой, совместить в установке совмещения по базовому срезу, срастить в установке сращивания и затем утонить одну из пластин до толщины, которая будет необходима для чувствительного элемента. Так как элементы могут иметь разные толщины, это значит, что для каждого типа чувствительных элементов нужно изготовить отдельный тип сращенных пластин, отличающийся по толщине, что значительно сокращает гибкость данного способа. Используя метод нанесения слоя диоксида кремния мы можем формировать чувствительные элементы МЭМС различных толщин, используя стандартные пластины одной и той же толщины.
На фиг.1 представлена кремниевая монокристаллическая пластина с вытравленными канавками и нанесенным слоем диоксида кремния, где 1 - кремниевая пластина; 2 - маскирующий слой обратной стороны пластины; 3 - канавки, вытравленные с лицевой стороны пластины; 4 - слой диоксида кремния на лицевой стороне пластины; 5 - слой диоксида кремния на профиле канавок.
На фиг.2 представлена кремниевая пластина с вытравленными канавками с лицевой и обратной стороны, где 1 - кремниевая пластина; 2 - маскирующий слой обратной стороны пластины; 3 - канавки, вытравленные с лицевой стороны пластины; 4 - слой диоксида кремния на лицевой стороне пластины; 5 - слой диоксида кремния на профиле канавок; 6 - канавки, вытравленные с обратной стороны пластины; 7 - выпадающий фрагмент, удерживаемый слоем диоксида кремния 5.
На фиг.3 представлен окончательный вид чувствительного элемента, после удаления выпадающих фрагментов и защитных покрытий, где 1 - кремниевая пластина; 3 - канавки, вытравленные с лицевой стороны пластины; 6 - канавки, вытравленные с обратной стороны пластины; 8 - окончательный вид чувствительного элемента.
Способ изготовления чувствительных элементов МЭМС заключается в следующем: на лицевую сторону пластины наносят защитное покрытие, выполняют фотолитографию по защитному слою для создания рисунка будущего травления, проводят операцию глубокого высокопрецизионного плазмохимического травления кремния с лицевой стороны пластины на заданную глубину и с заданным профилем травления, снимают остатки защитного покрытия с лицевой стороны пластины, наносят слой диоксида кремния на лицевую сторону для защиты поверхности пластины и профиля вытравленных канавок на лицевой стороне, наносят защитное покрытие на обратную сторону пластины и проводят фотолитографию по этому защитному слою, для создания рисунка травления с обратной стороны пластины, производят операцию глубокого высокопрецизионного плазмохимического травления кремния с обратной стороны пластины, доводя чувствительный элемент до заданной толщины, удаляют остатки защитной маски с обратной стороны пластины, удаляют слой диоксида кремния с лицевой стороны пластины, освобождая выпадающие элементы и структуру чувствительных элементов от ненужного слоя диоксида кремния.
Пример конкретного выполнения. На лицевую сторону пластины наносят фоторезист толщиной 2 мкм, выполняют фотолитографию по защитному слою для создания рисунка будущего травления, проводят операцию глубокого высокопрецизионного плазмохимического травления кремния с лицевой стороны пластины на глубину 100 мкм с вертикальным профилем травления, снимают остатки фоторезста с лицевой стороны пластины, наносят слой диоксида кремния толщиной 1 мкм на лицевую сторону для защиты поверхности пластины и профиля вытравленных канавок на лицевой стороне, наносят алюминиевую пленку на обратную сторону пластины и проводят фотолитографию по этому защитному слою, для создания рисунка травления с обратной стороны пластины, производят операцию глубокого высокопрецизионного плазмохимического травления кремния с обратной стороны пластины на глубину 200 мкм, удаляют остатки алюминиевой маски с обратной стороны пластины, удаляют слой диоксида кремния с лицевой стороны пластины, освобождая выпадающие элементы и структуру чувствительных элементов от ненужного слоя диоксида кремния.
Данный способ используется для изготовления чувствительных элементов МЭМС. Используя предлагаемый способ можно наладить выпуск чувствительных элементов МЭМС из монокристаллических пластин, не применяя технологию сращивания пластин, что позволяет значительно упростить и удешевить процесс изготовления МЭМС элементов. Используя данный способ можно выпускать чувствительные элементы микроэлектромеханических гироскопов, микрозеркал и акселерометров.
Источники информации
1. Hsiao Wei-Min, патент США 7808060 MEMS MICROPHONE MODULE AND METHOD THEREOF.
2. Brosnihhan Timothy J., патент США 7083997 Bonded wafer optical MEMS process.
3. Norihiro Asada, патент США 6404313 Electromagnetic actuator.