АкушерствоАнатомияАнестезиологияВакцинопрофилактикаВалеологияВетеринарияГигиенаЗаболеванияИммунологияКардиологияНеврологияНефрологияОнкологияОториноларингологияОфтальмологияПаразитологияПедиатрияПервая помощьПсихиатрияПульмонологияРеанимацияРевматологияСтоматологияТерапияТоксикологияТравматологияУрологияФармакологияФармацевтикаФизиотерапияФтизиатрияХирургияЭндокринологияЭпидемиология

Микрообработка кремния локальным травлением

МОДУЛЬ 5

Локальная групповая МИКРООБРАБОТКА кремния

Оглавление

5.1. Микрообработка кремния локальным травлением.. 1

5.2. Методы контроля остановки травления. 8

5.3. Механизм анизотропного травления кремния в щелочных растворах. 10

5.4. Анизотропия при щелочном травлении. 15

5.5. Кинетика травления кремния в щелочных растворах. 17

Микрообработка кремния локальным травлением

Чувствительные элементы ряда микроэлектомеханических систем (МЭМС), например, микродатчиков давления и силы, микроакселерометров, микрореле, формируют на кристаллах кремния с размерами 3´3...5´5 мм в виде мембран толщиной 5¸50 мкм. На мембране методами планарной технологии выполняют пьезорезисторы, соединенные в мостовую схему. В зависимости от прогиба мембраны меняется сопротивление пьезорезисторов, и как следствие - выходное напряжение схемы (см. модуль 1.2).

Формирования упругой диафрагмы предусматривает объемную микрообработку – глубинное травление кремния.

Способы травления кремния можно разделить на жидкостные и плазменные, обеспечивающие как изотропное, так и анизотропное воздействие (табл. 5.1).

Таблица 5.1

Методы глубинного травления кремния

	Жидкостное травление	Плазменное (сухое) травление
Изотропное травление
Анизотропное травление

Плазменные методы перспективны при создании элементов микроструктур с субмикронными размерами (до 100 нм) элементов, однако для их реализации необходимо сложное технологическое оборудование и высококвалифицированный персонал.

Кроме того, они обладают малой селективностью по отношению к маскирующим покрытиям (20…40:1). Все это ограничивает применение сухих плазменных методов в промышленном производстве трехмерных структур МЭМС.

Жидкостное травление - изотропное и анизотропное - наиболее распространено в современной технологии МЭМС.

Изотропное травление характеризуется одинаковой скоростью травления всех кристаллографических плоскостей кремния (рис. 5.1, а).

а б в

Рис. 5.1. Изотропное травление кремния а, б - формирование фронта травления, в – определение границы фронта травления

Размер W _Si вытравленной области больше размера отверстия W в маске на величину подтрава D W, который равен: D W = 0,5 (W _Si - W) =≈ z, где z - глубина травления (рис. 5.1, б).

Традиционные изотропные травители для кремния включают смесь плавиковой кислоты HF, азотной кислоты HNO₃ и уксусной кислоты CH₃COOH. Варьирование концентраций этих компонентов, а также введение в травящий раствор различных добавок, позволяет изменить скорость травления, чистоту обрабатываемой поверхности, степень изотропности травления. Такие травители обеспечивают при комнатной температуре весьма высокую скорость травления в диапазоне 2¼20 мкм/сек. При травлении пластин ориентации (100) изотропные травители обеспечивают зеркальную протравленную поверхность с анизотропией поверхности не более 1 %.

Однако применительно к микрообработке кремния изотропное травление имеет ряд недостатков. Во-первых, наиболее часто применяемые для маскирования слои SiO₂ травятся в изотропных травителях со скоростью, составляющей 2¼3 % от скорости травления самого кремния. Поэтому без перехода на другие, более стойкие, но менее технологичные покрытия глубинное травление изотропными травителями невозможно.

Во-вторых, даже при использовании более стойких покрытий типа Cr-Au размерная точность микроструктур, формируемых в кремнии, невелика. Это объясняется особенностями формирования профиля в кремнии при движении фронта травления, в частности тем, что чрезвычайно сложно контролировать момент остановки травления при получении требуемых размеров формируемого элемента.

Эта проблема проиллюстрирована на рис. (рис. 5.1, в), где z – глубина травления пластины, x – координата точки пересечения фронта травления с формируемой поверхностью, r – расстояние от крайней точки маски до фронта травления, t – время травления, V – скорость травления.

При изотропном травлении имеют место следующие соотношения:

(1)

(2)

(3)

Дифференцируя (3) и деля его на получаем

(4)

Упрощая это выражение и подставляя (3) имеем:

(5)

Учтем, что параметр характеризует качество контроля процесса по времени, а - по скорости. Для идеально контролируемого процесса . В этом случае приращение и левая часть выражения (5) также равна нулю. Получаем:

(6)

Параметр - это задаваемое в приращениях движение границы фронта травления в показанном на рис. 1.6 сечении. Обратим внимание, что в момент касания фронтом травления формируемой поверхности и выражение в правой части стремится к бесконечности.

И только тогда, когда становится существенно больше , выражение в правой части приобретает приемлемое значение.

Качественная иллюстрация этого явления приведена на рис. 5.2.

Рис. 5.2. Скорость перемещения границы фронта при изотропном травлении кремния

В точке , когда значение радиуса фронта травления , т.е. в момент касания фронтом формируемой поверхности, скорость границы фронта очень велика. При увеличении эта скорость уменьшается, асимптотически приближаясь к постоянному значению.

Таким, образом, уловить момент, когда граница фронта травления подходит к требуемому положению на формируемой поверхности, чрезвычайно сложно.

Заметим, что в реальных условиях имеет место разнотолщинность пластин, например, клиновидность. Это ведет к дополнительному увеличению возможной погрешности остановки травления.

Рассмотренные обстоятельства делают изотропное травление практически неприменимым в прецизионной микрообработке кремния.

Анизотропное травление позволяет обеспечить точные габариты микроструктур, если они имеют прямоугольную форму. Это объясняется тем, что анизотропные травители по разному воздействуют на различные кристаллографические плоскости кремния. Скорость химической реакции минимальна в направлении <111>, а максимальна - в направлении <100>. Соотношение скоростей травления в указанных направлениях может составлять 10¼400 раз.

После травления пластины с ориентацией поверхности (100) получается канавки, боковые стенки которых имеют ориентацию (111), т.е. перпендикулярны направлению, соответствующему наименьшей скорости травления.

При малом времени травления канавка имеет плоское дно (рис. 5.3, а) с ростом времени она углубляется и становится V‑ образной (рис. 5.3, б).

а б в

Рис. 5.3. Анизотропное травление кремния а – конфигурация сечения при малом времени травления, б – V-образное сечение, в – профиль с ограничивающей поверхностью

После этого травление резко замедляется (практически останавливается), т.к. дальше оно возможно лишь в направлении <111>. Угол j между противоположными стенками равен 70,52 °. Глубина канавки z и размер отверстия в маске W связаны соотношением .

Если же на пути распространения фронта травления сформировать ограничивающую область (рис. 5.3, в), то при ее достижении процесс обработки останавливается, и получается глубокая канавка с плоским дном. Таким образом, возможно получение тонких мембран в кремнии, толщина которых будет определяться толщиной ограничивающей области или ее положением относительно поверхности пластины.

Ширина получаемой диафрагмы w (рис. 5.3, в) зависит от размера окна в маскирующем покрытии W, величины подтрава под оксид U и глубины травления z _Si:

(7)

(8)

(9)

где a = 54,74 °, t - время травления.

Подтрав D W образуется из-за того, что скорость V ₍₁₁₁₎ хоть и мала, но из-за большой длительности процесса воздействие травителя все же сказывается.

Разнотолщинность пластин, как и при изотропном травлении, также будет влиять на размеры получаемого элемента. Однако при анизотропном травлении смещение фронта травления происходит со вполне определенной скоростью, равной V ₍₁₀₀₎. Это позволяет устранить неопределенность границ формируемого углубления при касании фронта травления и ограничивающей плоскости.

Таким образом, анизотропное травление позволяет с достаточной точностью формировать прямоугольные углубления и выступы в кремниевых пластинах, и поэтому оно широко используется в технологии микромеханики.

Необходимо, однако, отметить некоторые особенности и ограничения анизотропных травителей. Они значительно медленнее изотропных, и даже скорость травления плоскости (100) обычно не превышает 1¼2 мкм/мин. Для достижения такой скорости необходимо разогреть травитель до температуры 85¼115 °С, что затрудняет использование таких традиционных для технологии травления материалов, как воск. Как и у изотропных травителей, скорость травления в данном случае существенно зависит от температуры.

В таблице 5.2приведены характеристики основных анизотропных травителей.

Таблица 5.2

Характеристики основных анизотропных травителей

Таким образом, проведенное сравнение показывает, что, несмотря на высокую скорость процесса, изотропное травление непригодно для размерной микрообработки кремния. Напротив, анизотропное травление обеспечивает высокую геометрическую точность формируемых элементов, что является определяющим фактором при его выборе в качестве основного процесса объемной обработки кремния.

Поэтому завершающим этапом технологического процесса формирования кремниевого чувствительного элемента является операция анизотропного травления кремния.

Для этого на обратную сторону подложки наносится слой нитрида кремния Si₃N₄, (рис. 5.4, а).

а б в

Рис. 5.4.Формирование упругой диафрагмы

а – создание защитной маски в нитриде кремния, подложка после анизотропное травления (б) и снятия пленки нитрида кремния (в)

Через образующиеся окна в фоторезисте проводится плазменное травление Si₃N₄, после чего фоторезист удаляется.

Далее следует операция анизотропного травления (рис. 5.4, б), основанная на том, что у кремния скорости травления разных кристаллографических плоскостей в щелочных растворах, например, KOH резко различаются. Так, скорость травления плоскости (100) в 400 раз выше, чем плоскости (111). Поэтому плоскости (100) удаляются при травлении, а плоскости (111) остаются, придавая профилю травления характерный вид с наклонными стенками. Травление ведется до момента достижения требуемой толщины диафрагмы (рис. 5.4, б).

Заметим также, что при анизотропном травлении в агрессивных жидких средах, например KOH при температуре 60-80 ^оС, рабочая сторона подложки должна быть надежно защищена.

После травления защитный слой Si₃N₄ удаляется, поскольку обратная сторона кремниевой подложки должна быть подготовлена для соединения со стеклянным основанием (рис. 5.4, б).

Таким образом, проведенное рассмотрение подтверждает вывод, полученный в модуле 1.2 при технологическом анализе структур МЭМС: основной операцией, отличающей их изготовление от традиционных процессов планарной микротехнологии, является травление обратной стороны подложки для формирования тонких кремниевой диафрагм и кантилеверов.

Чувствительность формируемых на основе этих упругих элементов микродатчиков

существенно зависит от погрешностей толщины мембраны (табл. 5.3). Так, погрешность толщины всего в 1мкм ведет к изменению чувствительности на (10 …19)%.

Таблица 5.3

Погрешность коэффициента чувствительности (%) в зависимости от погрешности толщины мембраны (мкм)

Таким образом, разнотолщинность упругих чувствительных элементов является лимитирующим фактором, определяющим эффективность их производства.

По этой причине повышение воспроизводимости толщины упругих элементов очень важно для уменьшения разброса преобразовательных характеристик.

Дата добавления: 2015-09-18 | Просмотры: 1566 | Нарушение авторских прав