СПОСОБ МИКРОПРОФИЛИРОВАНИЯ КРЕМНИЕВЫХ СТРУКТУР
METHOD OF MICRO-PROFILING OF SILICON STRUCTURES

Изобретение относится к приборостроению и может применяться для изготовления конструктивных элементов микромеханических приборов на кремниевых монокристаллических подложках, а именно упругих подвесов и всего чувствительного элемента в целом, например для микромеханических акселерометров и гироскопов.
Известен способ изготовления глубокопрофилированных кремниевых структур путем изотропного травления исходной пластины монокристаллического кремния [1].
Недостатком известного способа является неточность изготовления конструктивных элементов для микроприборов, из-за зависимости скорости травления от температуры и концентрации травителя, а также сложность обеспечения локальной защиты от длительного воздействия травителя. Другим недостатком данного способа является значительное боковое расстравливание монокристаллического кремния, т.к. при изотропном травлении скорость во всех направлениях одинакова.
Известен способ изготовления чувствительного элемента микромеханического устройства, заключающийся в нанесении на пластину защитной маски, формировании окна и локальном анизотропном травлении кремния в окне этой маски [2].
Однако известный способ имеет следующие недостатки. В результате анизотропного травления получается профиль в виде трапеции в сечении, на вершинах которой в местах резкого перехода возникают концентраторы механических напряжений и при наличии микротрещин при эксплуатации происходит его разрушение. Кроме того, в микромеханических приборах это также ведет к отказу всего прибора, следовательно, к снижению надежности. Кроме того, в микромеханических приборах изготовленный таким способом упругий подвес обладает низкой устойчивостью к продольному сжимающему воздействию. При воздействии измеряемой величины упругий элемент, полученный таким способом, испытывает распределенный изгиб, что снижает точность преобразователя.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является снижение трудоемкости изготовления и повышение качества структур. Для достижения этого способ микропрофилирования кремниевых структур включает нанесение защитной пленки на пластину из монокристаллического кремния, формирование из защитной пленки локальной маски в области формирования микропрофиля и дальнейшего анизотропного травления пластины монокристаллического кремния, после анизотропного травления пластины монокристаллического кремния наносят защитную пленку, наносят слой поликристаллического кремния, проводят анизотропное травление поликристаллического кремния, проводят окисление поликристаллического кремния, проводят травление диоксида кремния со вновь наносимой защитной пленки, проводят травление защитной пленки до поверхности пластины, проводят анизотропное травление в образовавшемся окне пластины монокристаллического кремния, затем снова наносят защитную пленку, слой поликристаллического кремния, проводят анизотропное травление поликристаллического кремния, окисление поликристаллического кремния, травление диоксида кремния, травление защитной пленки до поверхности пластины и анизотропное травление необходимое количество раз до получения требуемого микропрофиля с последующим сглаживанием в изотропном или анизотропном травителе или анизотропном и изотропном травителях полученной поверхности.
Отличительными признаками заявленного способа является то, что после анизотропного травления пластины монокристаллического кремния наносят защитную пленку, наносят слой поликристаллического кремния, проводят анизотропное травление поликристаллического кремния, проводят окисление поликристаллического кремния, проводят травление диоксида кремния со вновь наносимой защитной пленки, проводят травление защитной пленки до поверхности пластины, проводят анизотропное травление в образовавшемся окне пластины монокристаллического кремния, затем снова наносят защитную пленку, слой поликристаллического кремния, проводят анизотропное травление поликристаллического кремния, окисление поликристаллического кремния, травление диоксида кремния, травление защитной пленки до поверхности пластины и анизотропное травление необходимое количество раз до получения требуемого микропрофиля с последующим сглаживанием в изотропном или анизотропном травителе или анизотропном и изотропном травителях полученной поверхности. Повторение последовательности технологического цикла и технологических операций, а также количество циклов определяется сложностью проектируемого профиля и его назначением соответственно-конкретным применением конечного получаемого профиля, например, для чувствительных элементов датчиков давления, или датчиков линейных, угловых ускорений, или датчиков угловых скоростей, или датчиков силы, или датчиков перемещений. Таким образом, получение конкретного профиля определяется конкретным назначением приборов, в которых будет использоваться микропрофиль, например его упругих элементов, которые определяют его основные точностные и прочностные характеристики. Соответственно для каждого конкретного микропрофиля по назначению количество циклов определяется для каждого индивидуального микропрофиля отдельно по назначению. Предлагаемый способ позволяет изготавливать профиль упругих элементов микромеханических приборов плавным. Это увеличивает надежность по сравнению с прототипом, у которого на изгибах возникают концентраторы напряжений, ведущих к разрушению прибора.
Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами фиг. 1, фиг. 2.
На фиг. 1 (а, б, в, г, д) и фиг. 2 (а, б, в) изображена последовательность микропрофилирования кремниевых структур,
где:
1 - монокристаллическая пластина кремния;
2 - защитная пленка двуокиси кремния;
3 - защитная пленка нитрида кремния;
4 - слой поликристаллического кремния.
Способ реализуется следующим образом. На пластину монокристаллического кремния 1 наносят защитную пленку двуокиси кремния 2 (фиг. 1а), проводят экспонирование для вскрытия окон в защитной пленке двуокиси кремния 2 (фиг. 1б). Проводят анизотропное травление монокристаллической пластины кремния 1 в образовавшемся окне (фиг. 1в). Вновь наносят защитную пленку нитрида кремния 3 (фиг. 1г). Наносят поликристаллический кремний 4 (фиг.1г). Проводят анизотропное травление поликристаллического кремния 4 (фиг. 1д). Проводят окисление поликристаллического кремния 4 (фиг. 2а). Проводят травление защитной пленки нитрида кремния 3 до поверхности пластины 1 (фиг. 2б). Проводят анизотропное травление монокристаллической пластины кремния 1 в образовавшемся окне (фиг. 2в). Повторяют необходимое количество раз до получения требуемого микропрофиля с последующим сглаживанием в изотропном или анизотропном травителе или анизотропном и изотропном травителях полученной поверхности. Получение конкретного профиля определяется конкретным назначением приборов, в которых будет использоваться микропрофиль, например его упругих элементов, которые определяют его основные точностные и прочностные характеристики. Соответственно для каждого конкретного микропрофиля по назначению количество циклов определяется для каждого индивидуального микропрофиля отдельно по назначению.
Пример.
2
3
4
3
4
2
3
4
3
4
На пластине монокристаллического кремния ориентации (100) при термическом окислении, температуре 1100°C в течение 65 мин в водном паре образуется на поверхности монокристаллического кремния пленка диоксида кремния толщиной 0,4 мкм при нормальном атмосферном давлении. Затем наносят фоторезист ФП-383. Проводят фотолитографию. Проводят плазмохимическое травление (вертикальное) SiO. Далее проводят плазмохимическое травление кремния на глубину 2 мкм. После этого проводят осаждение SiN(100 нм). Процесс осаждения SiN проводят из газовой фазы (моносилан и аммиак) в течение 60 мин, при температуре 850-870°C, рабочем давлении 30 Па. Затем проводят осаждение поликристаллического кремния (1 мкм = 2 раза по 60 мин) из газовой фазы (моносилан) в течение 120 мин, при температуре 850-870°C, рабочем давлении 30 Па. Проводят плазмохимическое травление (вертикальное) поликремния на глубину 1 мкм. Затем проводят окисление поликристаллического кремния при парциальном давлении HO в 0,6 атм в течение 600 мин, температуре 1150°C, рабочем давлении 1 атм. Проводят плазмохимическое травление (вертикальное) SiN до поверхности пластины. Проводят плазмохимическое травление кремния на глубину 2 мкм. Повторяют операции начиная с осаждения SiN необходимое количество раз до получения требуемого микропрофиля с последующим сглаживанием в изотропном или анизотропном травителе или анизотропном и изотропном травителях полученной поверхности. Причем процесс микропрофилирования кремниевых структур проводится с одним фотошаблоном. При этом варьированием толщины осажденного поликристаллического кремния и глубины анизотропного травления в образовавшемся окне пластины монокристаллического кремния каждой стадии формирования получают требуемую форму микропрофиля. Обеспечивается получение различных форм профиля кремниевых структур: как овальных, так и ломаных.
Таким образом, предложенный способ обеспечивает снижение трудоемкости изготовления чувствительных элементов, повышение работоспособности преобразователя путем увеличения механической прочности подвеса. При этом существенно снижается концентрация механических напряжений в местах сопряжения упругих элементов.
В случае наличия микротрещин в теле элемента подвеса по сравнению с прототипом уменьшается вероятность выхода из строя преобразователя.
Источники информации
1. Травление полупроводников [сборник статей]. Пер. с англ. С.Н. Горина. М.: Мир, 1965.
2. Ваганов В.И. Интегральные тензопреобразователи. - М.: Энергоатомиздат, 1983. - прототип.