Способ изготовления кристаллов микроэлектромеханических систем
METHOD OF MANUFACTURING CRYSTALS OF MICROELECTROMECHANICAL SYSTEMS

Изобретение относится к области приборостроения и может применяться при изготовлении кремниевых кристаллов микроэлектромеханических систем, используемых в конструкциях микромеханических приборов, таких как акселерометры, гироскопы, датчики угловой скорости.
Известны методы формирования [Галперин В.А. Процессы плазменного травления в микро- и нанотехнологиях: учебное пособие / В.А. Галперин, Е.В. Данилкин, А.И. Мочалов; под ред. С.П. Тимошенкова. - М: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2010. - 283 с., стр. 108-111, 114-116] канавок в кремнии. В методах плазмохимического травления кремния необходимо обеспечить хороший теплоотвод от обрабатываемых пластин и подложкодержателя; для улучшения вертикальности профиля подают напряжение смещения на обрабатываемые пластины и управляют параметрами подводимой мощности к обрабатываемым пластинам. Некоторые методы, такие как непрерывный процесс травления, позволяет формировать неглубокие структуры с гладкими стенками и наиболее применим в технологии СБИС, где не требуется формирование структур из кремния толщиной, равной толщине исходной пластины кремния. Поэтому метод неприменим к технологии формирования микроэлектромеханических систем. Bosch-процесс и криогенный процесс формирования канавок эффективны при формировании микроэлектромеханических изделий, однако обоим методам присущ следующий недостаток - выраженная шероховатость боковых стенок профиля формируемых канавок в виде микронеровностей с острыми гранями, образующаяся после каждого шага травления. Микронеровности являются концентраторами механических напряжений, что снижает механическую прочность конструкций микроэлектромеханических систем. Помимо этого, к криогенному процессу предъявляют жесткие требования по необходимости обеспечения тщательной очистки обратной стороны пластины, что делает процесс сложным и дорогостоящим.
2
Известен способ изготовления электростатического силового МЭМС-ключа [Патент Российской Федерации №2527942, Н01Н 59/00, 2013]. В способе изготовления используют подложку монокристаллического кремния. Структуру микроэлектромеханического МЭМС-ключа формируют следующей последовательностью операций: формируют технологическую мембрану при помощи глубокого анизотропного травления в 33% растворе КОН, формируют выступы методом локального глубокого термического окисления кремния в парах воды с образованием и последующим удалением SiO методом жидкостно-химического травления, формируют микрорельеф и мембраны подвижного электрода при помощи анизотропного травления кремниевой пластины в 33% растворе КОН, осуществляют создание приповерхностного высоколегированного n+ слоя с последующим удалением образующегося фосфоросиликатного стекла, формирование изоляционного слоя путем окисления пластины с последующим осаждением нитрида кремния и формирование рисунка изоляции, формирование металлического шунта при помощи напыления золота на подслой вольфрама с использованием обратной фотолитографии, формирование подвижного электрода в виде консоли с выполненными в ней симметричными щелевидными отверстиями при помощи процесса глубокого плазмохимического травления кремния (Bosch-процесса). Данный метод применим к созданию технологических мембран толщиной 35-40 мкм и рабочих мембран толщиной 20-25 мкм и не может быть использован при формировании структур МЭМС, имеющих толщину структурных элементов, сопоставимых по толщине с исходной кремниевой пластиной. Кроме этого, применение различных режимов травления - анизотропного травления в растворе КОН и плазмохимического травления - снижает технологичность процесса.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является способ изготовления чувствительных элементов микромеханических систем [Патент Российской Федерации №2439741, H01L 21/308, 2010]. В способе изготовления чувствительных элементов наносят защитные покрытия на лицевую и обратную сторону пластины, проводят 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, удаляют остатки маскирующих покрытий с лицевой и обратной стороны пластины, 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 предполагает проведение двух фотолитографий по защитным слоям - по нанесенному фоторезисту с лицевой стороны, по нанесенному алюминию с обратной стороны кремниевой пластины, удаление остатков маскирующих покрытий - фоторезиста с лицевой стороны, алюминия с обратной стороны пластины. Это усложняет технологический процесс изготовления, так как требует проведения раздельных операций фотолитографии с лицевой и обратной стороны пластин, применения различных маскирующих покрытий - фоторезиста с лицевой стороны и алюминия с другой стороны, требует применения различных химических реактивов для обработки и снятия указанных слоев. Применение различных по площади маскирующих покрытий с лицевой и обратной стороны приводит к появлению «загрузочного эффекта», связанного с различной скоростью травления кремния в открытых окнах разной площади. Это требует точного контроля времени травления с лицевой и обратной сторон пластины. Например, при травлении с лицевой стороны на 100 мкм, а с обратной стороны на 200 мкм (в два раза больше с обратной стороны), время травления с лицевой стороны может не быть ровно в два раза меньше времени травления с обратной стороны, что может вызвать затруднение контроля глубины травления. Кроме этого, при плазмохимическом методе формирования канавок возможно получение стенок вертикального профиля с выраженной шероховатостью, что снижает чувствительность и прочность микроэлектромеханических систем за счет возникновения концентраторов механических напряжений на микронеровностях с острыми гранями, образующих шероховатую поверхность профиля канавок. Указанное снижает технологичность изготовления кремниевых чувствительных элементов микроэлектромеханических систем.
Целью изобретения является повышение чувствительности и прочности конструкций микроэлектромеханических систем за счет повышения технологичности изготовления и формирования кремниевых кристаллов с минимальной шероховатостью вертикального профиля канавок.
Поставленная цель достигается за счет того, что в способе изготовления кристаллов микроэлектромеханических систем, включающем нанесение защитных покрытий на лицевую и обратную стороны пластины, фотолитографию по защитным слоям с лицевой и обратной сторон, травление кремния с лицевой и обратной сторон пластины на заданную глубину и с заданным профилем, нанесение защитного слоя с лицевой стороны пластины и профиля вытравленных канавок от растрава при последующем травлении с обратной стороны пластины, удаление остатков маскирующих покрытий с лицевой и обратной сторон пластины, согласно изобретению после травления кремния на заданную глубину и с заданным профилем удаляют защитный слой с лицевой стороны пластины и профиля вытравленных канавок, проводят обработку профиля в полирующем травителе, после чего удаляют остатки маскирующих покрытий с лицевой и обратной сторон пластины. Кроме того, фотолитографию по защитным слоям на лицевой и обратной стороне проводят одновременно, в качестве защитного слоя с лицевой стороны пластины и профиля вытравленных канавок наносят медную пленку, в качестве маскирующих покрытий с лицевой и обратной стороны используют идентичные материалы, например нитрид кремния.
Удаление защитного слоя с лицевой стороны пластины и профиля вытравленных канавок после травления кремния на заданную глубину и с заданным профилем перед удалением остатков маскирующих покрытий с лицевой и обратной сторон пластин позволяет провести обработку полученного профиля в полирующем травителе. Обработка в полирующем травителе снижает шероховатость вертикальных стенок профиля за счет преимущественного растворения микронеровностей, возникающих на формируемом профиле канавок при каждом шаге плазмохимического травления и являющихся концентраторами механических напряжений. Использование одновременной двусторонней фотолитографии с лицевой и обратной стороны позволяет снизить число фотолитографий по защитным слоям, сформированным на лицевой и обратной стороне и предназначенным в качестве маскирующих покрытий для процессов травления. Кроме того, применение в качестве маскирующих покрытий идентичных материалов, например нитрида кремния, требует меньшей номенклатуры применяемых химических реактивов для обработки маскирующих слоев. Кроме того, медная пленка в качестве защитного слоя с лицевой стороны и профиля вытравленных канавок позволяет получить лучшую теплопередачу от обрабатываемой пластины кремния при проведении процесса плазмохимического травления канавок и, кроме того, получить хороший электрический контакт между пластиной и подложкодержателем, что улучшает подачу напряжения смещения на пластину для управления формой профиля вертикальной канавки.
Указанное повышает технологичность изготовления и позволяет формировать кремниевые кристаллы микроэлектромеханических систем с минимальной шероховатостью вертикального профиля канавок, что приводит к повышению чувствительности и прочности конструкции.
На фиг. 1-4 показана последовательность технологических операций при изготовлении кристаллов микроэлектромеханических систем.
На фиг. 1 изображена кремниевая пластина с нанесенными защитными покрытиями на лицевой и обратной стороне пластины, где 1 - кремниевая пластина, 2 - защитные слои, сформированные одновременной двусторонней фотолитографией с лицевой и обратной стороны пластины.
На фиг. 2 изображена кремниевая пластина с вытравленными канавками с лицевой стороны пластины, где 1 - кремниевая пластина, 2 - защитные слои, сформированные одновременной двусторонней фотолитографией с лицевой и обратной стороны пластины, 3 - канавки, вытравленные с лицевой стороны пластины.
На фиг. 3 изображена кремниевая пластина с вытравленными канавками с лицевой и обратной стороны пластины, где 4 - нанесенный защитный слой с лицевой стороны пластины и профиля вытравленных канавок от растрава при последующем травлении с обратной стороны пластины, 5 - вытравленные канавки с обратной стороны пластины.
На фиг. 4 изображена кремниевая пластина с вытравленными канавками на заданную глубину и с заданным профилем, где 1 - кремниевая пластина, 6 - профиль вытравленных канавок до обработки в полирующем травителе с концентраторами механических напряжений в виде микронеровностей, 7 - профиль вытравленных канавок после обработки в полирующем травителе без концентраторов механических напряжений.
Способ изготовления кристаллов микроэлектромеханических систем заключается в следующем. На лицевую и обратную сторону пластины наносят защитное покрытие, выполняют одновременную двустороннюю фотолитографию по защитным слоям, формируя топологию будущего травления, при этом рисунок с лицевой стороны пластины повторяет рисунок с обратной стороны пластины, что позволяет исключить такое явление, как «загрузочный эффект», заключающийся в разной скорости травления кремния в разных по площади открытых окнах в маскирующих слоях, проводят операцию плазмохимического травления кремния с лицевой стороны пластины на заданную глубину и с заданным профилем травления, наносят защитный слой с лицевой стороны пластины и профиля вытравленных канавок от растрава при последующем травлении с обратной стороны пластины, защитный слой позволяет получить хороший электрический контакт между пластиной и подложкодержателем, что улучшает подачу напряжения смещения на пластину для управления формой профиля вертикальной канавки и, кроме этого, улучшает теплопередачу между пластиной и подложкодержателем, производят операцию плазмохимического травления кремния с обратной стороны пластины, доводя профиль до заданного, удаляют защитный слой с лицевой стороны пластины и профиля вытравленных канавок, проводят обработку профиля в полирующем травителе, применение полирующего травителя позволяет сглаживать шероховатость вертикальных стенок профиля за счет преимущественного растворения микронеровностей в виде раковин с острыми краями, являющихся концентраторами механических напряжений, возникающими на формируемом профиле канавок при каждом шаге плазмохимического травления, после чего удаляют остатки маскирующих покрытий с лицевой и обратной сторон пластины.
В данном способе изготовления повышение технологичности происходит за счет применения идентичных маскирующих покрытий, что снижает номенклатуру применяемых химических реактивов, применения медной пленки в качестве защитного слоя лицевой стороны и профиля вытравленных канавок, что позволяет получить хороший электрический контакт и обеспечить теплопередачу от обрабатываемой пластины и подложкодержателя для управления параметрами технологического процесса, такими как подача необходимого напряжения смещения и подводимой мощности при формировании канавок, применения двусторонней фотолитографии по защитным слоям, что сокращает количество фотолитографических операций, исключения «загрузочного эффекта» за счет формирования одинаковых топологических рисунков будущего травления с лицевой и обратной стороны пластины, возможности изготовления структурных элементов микроэлектромеханических систем, сопоставимых по толщине с исходной кремниевой пластиной, кроме того, применение полирующего травителя позволяет формировать вертикальный профиль канавок с пониженной шероховатостью по сравнению с известными аналогами, что приводит к повышению чувствительности и прочности конструкций микроэлектромеханических систем.
Пример реализации предложенного способа.
На кремниевую пластину (1) толщиной 300±10 мкм на лицевую и обратную сторону известными методами наносят защитные покрытия, одновременной двусторонней фотолитографией формируют топологию защитных слоев (2) будущего травления, при этом защитные слои (2) являются маскирующими по отношению к пластине (1) при проведении процессов травления (фиг. 1). Такими маскирующими покрытиями могут являться, например, слои нитрида кремния толщиной 0,4-0,6 мкм. После формирования одновременной фотолитографией рисунка защитных слоев (2) проводят операцию плазмохимического травления с лицевой стороны пластины (1) на глубину 150±10 мкм, формируя канавки (3) (фиг. 2). После формирования канавок (3) с лицевой стороны пластины (1) известными методами наносят защитный слой (4), например представляющий собой медную пленку толщиной 5-8 мкм с лицевой стороны пластины (1) и профиля вытравленных канавок (3) от растрава при последующем травлении с обратной стороны пластины (1), проводят плазмохимическое травление с обратной стороны пластины (1) на глубину 150±10 мкм, вытравливая канавки (5), формируя заданный профиль (фиг. 3). После этого стравливают защитный слой (4), проводят обработку пластины (1) в полирующем травителе, после этого профиль вытравленных канавок до обработки (6) в полирующем травителе отличается от профиля вытравленных канавок после обработки (7) в полирующем травителе, что выражается в снижении шероховатости поверхности профиля канавок за счет растворения микронеровностей, образующихся на поверхности вертикального профиля при операциях плазмохимического травления и являющихся концентраторами механических напряжений (фиг. 4).
Таким образом, предложенный способ повышает чувствительность и прочность конструкций микроэлектромеханических систем за счет повышения технологичности изготовления и формирования кремниевых кристаллов с минимальной шероховатостью вертикального профиля канавок.