ФОТОШАБЛОН ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЫХОДА МЕДЛЕННО ТРАВЯЩИХСЯ КРИСТАЛЛОГРАФИЧЕСКИХ ПЛОСКОСТЕЙ НА КРЕМНИИ

Полезная модель относится к полупроводниковому производству и микромеханическим системам, в частности - к конструкциям фотошаблонов, применяемым для определения выхода медленно травящихся кристаллографических плоскостей на кремнии для изготовления микроэлектромеханических систем (МЭМС) и изделий микромеханики.
Для определения ориентации медленно травящихся кристаллографических плоскостей обычно используется основной базовый срез, изготовленный перед резкой монокристалла на пластины. На монокристалле методом шлифовки плоскости формируют базовый срез параллельно найденной плоскости медленного травления. Однако точность совмещения маски с плоскостями травления не велика и обычно не превышает ±0,5°C. Поэтому в промышленности обычно используют специальные фотошаблоны, с помощью которых на пластинах вытравливают в анизотропном травителе углубления, края которых совпадают с выходом медленно травящихся кристаллографических плоскостей на кремнии и по этим краям углублений проводят точное совмещение последующих фотошаблонов.
Известен фотошаблон для определения выхода медленно травящихся кристаллографических плоскостей на кремнии, состоящий из реперной фигуры в форме двунаправленной стрелки расположенной, как правило, по центру пластины (см. например, патент США US 4470875, класс H01L 21/30, от 11.09.1984 г.).
Недостатком данного устройства является то, что для повышения точности необходимо увеличивать размеры и глубину травления реперной фигуры, что уменьшает полезную площадь пластины.
Наиболее близким к предполагаемой полезной модели является фотошаблон для определения выхода медленно травящихся кристаллографических плоскостей на кремнии, состоящий из реперной фигуры и семейства гантелеобразных фигур, длинная ось симметрии которых направлена на центр реперной фигуры и которое расположено по краю пластины в районе предполагаемого выхода медленно травящихся кристаллографических плоскостей (см., патент US 6177285 B1, класс G01R 31/26, от 23.01.2001 г.).
Реперная фигура этого фотошаблона расположена в центре пластины и имеет малые размеры. Такое расположение реперной фигуры позволяет существенно упростить совмещение кристаллографической плоскости с фотошаблонами для последующих фотолитографий, так как при совмещении будет использоваться только вращение пластины вокруг ее центра. Семейство гантелеобразных фигур также имеет малые размеры и глубина их травления небольшая. Так как семейство гантелеобразных фигур располагается по периферии пластины в зоне пластины с низким выходом годных изделий по электрическим параметрам, то существенно уменьшаются потери полезной площади пластины. Данным фотошаблоном на поверхности кремниевой монокристаллической пластины формируют маску и подвергают пластину анизотропному травлению. В анизотропном травителе внутренние углы гантелеобразных фигур начинают растравливаться в соответствии с кристаллографической ориентацией кремниевой пластины. Если ориентация длинной оси симметрии гантелеобразных фигур не совпадает с выходом медленно травящихся кристаллографических плоскостей на поверхность пластины, то симметрия гантелеобразных фигур нарушается. При совмещении последующих фотошаблонов для совпадения их ориентации с выходом медленно травящихся кристаллографических плоскостей на поверхность пластины первую метку совмещают с реперной фигурой, а вторую с гантелеобразной фигурой, которая осталась симметричной и соответственно, ее длинная ось симметрии совпадет с выходом медленно травящихся кристаллографических плоскостей на поверхность пластины.
Недостатком данного фотошаблона является то, что есть сложность выявления симметричной гантелеообразной фигуры после травления кремния при совмещении с последующим фотошаблоном, так как обычно, например, при шаге угла разворота гантелеобразных фигур 20 угловых секунд и глубине травления кремния 15-20 мкм формируется 3-4 визуально симметричных гантелеобразных фигуры.
Целью предполагаемой полезной модели является повышение точности совмещения последующих фотошаблонов с выходом медленно травящихся кристаллографических плоскостей на поверхность пластины.
Указанная цель достигается тем, что в отличие от известных фотошаблонов для определения выхода медленно травящихся кристаллографических плоскостей на кремнии в предлагаемом фотошаблоне, состоящем из реперной фигуры и семейства гантелеобразных фигур, длинная ось симметрии которых направлена на центр реперной фигуры, и которые расположены по краю пластины в районе предполагаемого выхода медленно травящихся кристаллографических плоскостей, отличающийся тем, что гантелеобразные фигуры разделены пополам вдоль короткой оси симметрии участком маски шириной A, причем 3B≤A≤5B, где B - боковой подтрав маски при травлении точно сориентированных с маской медленно травящихся кристаллографических плоскостей.
Такая конструкция фотошаблона позволяет повысить совмещения последующих фотошаблонов с выходом медленно травящихся кристаллографических плоскостей на поверхность пластины за счет того, что благодаря наличию участков маски шириной A, гантелеобразные фигуры превращаются в две T-образные фигуры, повернутые основаниями друг к другу, причем, основания расположены на небольшом расстоянии друг от друга и при анизотропном травлении при наличии несовпадения последующих фотошаблонов с выходом медленно травящихся кристаллографических плоскостей на поверхность пластины внутренняя фигура искажается с уходом в одну сторону, а внешняя в противоположную. Если длинная ось симметрии гантелеобразных фигур совпадает с выходом медленно травящихся кристаллографических плоскостей на поверхность пластины, то ухода оснований T-образных фигур друг от друга не наблюдается.
Если ширина маски A будет меньше 3B, то две T-образные фигуры, повернутые основаниями друг к другу превратятся гантелеобразные фигуры, что ухудшит точность совмещения последующих фотошаблонов с выходом медленно травящихся кристаллографических плоскостей на поверхность пластины.
Если ширина маски A будет более 5B, то это приведет к сложности обнаружения ухода оснований T-образных фигур друг от друга.
На фиг. 1 изображен эскиз фотошаблона для определения выхода медленно травящихся кристаллографических плоскостей на кремнии.
На фиг. 2 изображена конструкция гантелеобразной фигуры совмещения, разделенной в соответствии с предлагаемой полезной моделью.
На фиг. 3 изображен вид семейства гантелеобразных фигур после травления кремния.
На фиг. 4 изображено совмещение последующего рабочего фотошаблона с изображениями реперного модуля и семейства гантелеобразных фигур.
Позициями на фиг. 1-4 обозначены:
1 - фотошаблон;
2 - реперная фигура для центра пластины;
3 - семейство гантелеобразных фигур;
4 - место для расположения полупроводниковой пластины с базовым срезом;
5 - участок маски, разделяющий гантелеобразные фигуры;
6 - уход гантелеобразных фигур после обработки в анизотропном травителе;
7 - полупроводниковая пластина с вытравленными реперной и гантелеобразными фигурами;
8 - фотошаблон для последующих фотолитографий, где необходимо совмещение с выходом медленно травящихся кристаллографических плоскостей на поверхность пластины;
9 - фигура совмещения, охватывающая реперную фигуру;
10 - фигура совмещения, охватывающая участок маски, разделяющий гантелеобразные фигуры;
11 - места осмотра сдвига гантелеобразных фигур в местах нахождения маски;
12 - рабочие модули;
13 - вспомогательные прозрачные окна для совмещения;
A - зазор в гантелеобразной фигуре, закрытый маской;
Δ - уход размеров «ручки» гантелеобразной фигуры при ее рассовмещении с медленно травящейся кристаллографической плоскостью на кремнии.
2
3
Фотошаблон 1 для определения выхода медленно травящихся кристаллографических плоскостей на кремнии состоит из прозрачной плоской пластины на основе стекла с малым КТР и нанесенного на эту пластину слоя FeO, как светонепроницаемого покрытия от ультрафиолетового излучения, места для расположения полупроводниковой пластины 4, сформированного в светонепроницаемом покрытии, реперной фигуры для центра пластины 2, сформированных в светонепроницаемом покрытии и семейства гантелеобразных фигур 3, сформированных в светонепроницаемом покрытии (см. фиг. 1). Семейство гантелеобразных фигур 3 расположено на расстоянии примерно 1,5 мм от края для пластины диаметром 100 мм. Ширина «ручек» гантелеобразных фигур 3 составляет 20 мкм, длина - 250-300 мкм.
Гантелеобразные фигуры 3 разделены пополам вдоль короткой оси симметрии участком маски 5 шириной A, составляющей 20 мкм (см. фиг. 2). Выбор такой ширины А обусловлен тем, что боковой подтрав зависит от режима травления, выбранного травителя и разориентации рисунка травления относительно выхода медленно травящихся кристаллографических плоскостей на кремнии и для глубин травления порядка 14 мкм может составлять до 5 мкм. Если необходимо обеспечить точность совмещения с выходом медленно травящейся кристаллографической плоскости, например, 20 угловых секунд, то для стандартной пластины, у которой базовой срез разориентирован с выходом медленно травящейся кристаллографической плоскости на угол ±0,5 градусов, необходимо сформировать 180 гантелеобразных фигур, расположенных в секторе через 20 угловых секунд. Если в этом случае гантелеобразные фигуры набегают друг на друга, то их располагают по двум радиусам, например, четные на большем радиусе, нечетные - на меньшем.
Используют предлагаемый фотошаблон следующим образом. На кремниевую пластину наносят специальный стойкий к щелочи фоторезист, например, фирмы Protech. Предлагаемый фотошаблон совмещают с пластиной, используя прозрачные окна 13, таким образом, чтобы полупроводниковая пластина с базовым срезом попадала на место 4. Это позволит обеспечить попадание семейства гантелеобразных фигур 3 в зону угла разориентации медленно травящейся кристаллографической плоскости и базового среза пластины. Далее методом фотолитографии в стойком фоторезисте формируют отверстия под реперную фигуру 2 и семейство гантелеобразных фигур 3.
После обработки в анизотропном травителе, например, 30% водном растворе КОН, при температуре 90°C в течение 15-20 мин, при наличии несовпадения последующих фотошаблонов с выходом медленно травящихся кристаллографических плоскостей на поверхность пластины наблюдается уход гантелеобразных фигур 6 на величину Δ, которая составляет не менее 0,8 мкм, а при совпадении длинной оси симметрии гантелеобразных фигур с выходом медленно травящихся кристаллографических плоскостей на поверхность пластины Δ=0 (см. фиг. 3).
После удаления стойкого к щелочи фоторезиста пластину окисляют и начинают формировать рабочие области. Первый рабочий фотошаблон кроме рабочих модулей 12 содержит фигуры совмещения 9 с реперной фигурой 2 и фигура совмещения, охватывающая участок маски, разделяющий гантелеобразные фигуры 10. Вращая пластину вокруг своей оси с помощью осмотра сдвига гантелеобразных фигур в местах нахождения маски 11 определяют гантелеобразную фигуру с минимальной Δ или Δ=0. Таким образом, рисунок рабочих модулей совмещается с выходом медленно травящихся кристаллографических плоскостей на кремнии.
Использование предлагаемого фотошаблона позволяет повысить точность совмещения последующих фотошаблонов с выходом медленно травящихся кристаллографических плоскостей на поверхность пластины из-за более точной индикации рассовмещения гантелеобразных фигур с выходом медленно травящейся кристаллографической плоскости на кремнии. Это позволяет при изготовлении, например, акселерометров методом травления кремния, уменьшить разброс массы грузиков внутри одной пластины и на различных пластинах, а при изготовлении, например, хирургических инструментов в виде ножей методом анизотропного травления, выровнять край острия ножа, что повысит точность разреза при операциях, например, на глазах.