Существуют методы формирования слоев, нанесенных на кремниевую подложку, и придания формы самой подложке для получения требуемых микроструктур (объемная обработка кремния). Разработаны также технологии нанесения и формирования тонких пленок, позволяющие изготавливать довольно сложные структуры на поверхности кремниевой подложки (поверхностная обработка кремния). Для совершенствования этих технологий в них внедряются методы электрохимического травления. А новые методы соединения подложек позволяют изготавливать многослойные структуры.
18.3.2.1. Основные методы
Существуют три основных способа обработки кремния: нанесение тонких пленок из разных материалов, удаление материалов при помощи жидких травильных реагентов и удаление материалов методами сухого травления. Существует еще один метод травления — травление с барьерным слоем, основанный на введении в кремний примесей, изменяющих его свойства.
18.3.2.1.1. Нанесение тонких пленок
Для нанесения тонких пленок (порядка нескольких микрон и даже меньше) из различных материалов на поверхности кремниевой подложки (или какой-либо другой) используются методы фотолитографии и травления. Наиболее распространенными материалами являются: диоксид кремния, нитрид кремния, поликремний и алюминий. В виде тонких пленок могут быть нанесены и другие материалы, включая благородные металлы, например, золото. Однако, благородные металлы, попадая на электронные схемы, могут вывести их из строя, поэтому нанесение таких покрытий на подложки должно происходить до формирования электронных узлов. Пленки из благородных металлов чаще всего наносятся по трафарету методом обратной литографии, а не по технологии сухого и жидкостного травления.
Часто фоторезист является недостаточно прочным для обработки методом травления. В таких случаях наносится тонкий слой из более твердого материала (например, оксида или нитрида), и дальнейшее формирование пленки ведется методом фотолитографии. В процессе вытравливания нижележащего материала оксид/нитрид играет роль маски. После полного вытравливания нижележащего материала, этот маскирующий слой удаляется.
18.3.2.1.2. Жидкостное травление
резист
Под жидкостным травлением понимается удаление части материала при помещении подложки в кювету с химическим реагентом. Существует два способа жидкостного травления: изотропный и анизотропный. При изотропном травлении травильные реагенты равномерно удаляют материал одновременно во всех направлениях. Тогда как при анизотропном травлении скорость удаления материала в разных направлениях будет неодинаковой, поэтому этот метод используется для формирования структур сложной формы. Скорость травления часто определяется концентрацией примесей кремния.
Рис. 18.9.Изотропное травление под слой маски
Для травления оксидов и нитридов кремния, алюминия, поликремния, кремния и золота существуют свои собственные травильные реагенты. Поскольку изотропные травители действуют на материал одинаково во всех направлениях, они удаляют его не только в вертикальном направлении, но и в горизонтальном, подтравливая слой, находящийся под маской. Это проиллюстрировано на рис. 18.9.
Для травления кристалла кремния в разных плоскостях с различными скоростями также разработаны специфические реагенты. Наиболее популярным анизотропным травильным реагентом является КОН.
Рис. 18.10.Простейшие структуры, вытравливаемые при помощи КОН
Кремниевые подложки обычно получаются методом разрезания большого кристалла кремния, выращенного из одной затравки. Все атомы кремния организованы в кристаллическую структуру, поэтому в данном случае речь идет о подложках из монокристаллического кремния. При приобретении кремниевых подложек необходимо уточнять их ориентацию. На рис. 18.10 показаны простейшие структуры, полученные при травлении кремниевой подложки с ориентацией кристалла (100) раствором КОН. Это V-об-разная канавка и углубление с наклонными боковыми стенками. В зависимости от ориентации подложки меняются углы наклона вытравливаемых структур.
Скорость травления нитридов и оксидов кремния в КОН очень невысока. Оксиды могут использоваться в качестве маски для травления пологих структур в растворе КОН в течение относительно короткого интервала времени. Для более длительных периодов травления лучше подходят маски из нитридов, поскольку их скорость травления в КОН ниже, чем у оксидов.
На рис. 18.11 показаны варианты мезаструктур, полученных в растворе КОН. При вытравливании мезастуктур могут получиться не прямые углы, а с некоторым скосом, который необходимо компенсировать. Для этого на углах маски предусматриваются дополнительные элементы, позволяющие формировать практически прямые углы мезаструктур. Недостатком этого метода компенсации является ограничение на минимальное расстояние между структурами.
(А)
(Б)
Рис. 18.11.Мезаструктуры
маска для травления
маска для травления
слои кремния, легированный бором
маска для травления
маска для_ травления
Рис. 18.12. Изготовление диафрагмы или мембраны
При изготовлении многих датчиков, таких как акселерометры, детекторы давления и температуры (термоэлементы и болометры) и т.д., требуется формировать диафрагмы. При помощи метода травления в растворе КОН можно делать кремниевые диафрагмы толщиной порядка 50 мкм (рис. 18.12А). Толщина диафрагмы определяется временем травления, что может приводить к существенным погрешностям.
18.3.2.1.3. Травление с барьерным слоем
Более тонкие диафрагмы толщиной около 20 мкм могут быть получены методом травления в растворе КОН при помощи барьерного слоя, представляющего собой слой кремния, легированный бором (рис. 18.12Б). Толщина диафрагмы при этом определяется глубиной легированного слоя, которую можно проконтролировать гораздо точнее, чем скорость травления. Высокая концентрация бора позволяет снизить скорость травления на несколько порядков, что означает, фактически, остановку процесса травления. Легирование кремния бором осуществляется методом диффузии.
(А)
(Б)
(В)
Методом травления с барьерным слоем можно получать разнообразные структуры. Для этого сверху кремниевой подложки формируется толстый слой маски из оксида кремния, определяющий зоны легирования (рис. 18.13А). После чего подложка помещается в печь на определенный промежуток времени, где происходит диффузия бора в кремний. По окончании процесса легирования слой маски удаляется (рис. 18.13Б). Перед помещением в кювету с КОН на подложку по трафарету наносится еще одна маска (рис. 18.13В). КОН удаляет кремний из зон, незащищенных маской, вокруг области легирования (рис. 18.13Г). За 15...20 часов бор проникает в кремний на глубину 20 мкм, однако, желательно, время температурной обработки делать, как можно, более коротким. Метод травления с барьерным слоем также используется для изготовления узких мостов и консольных структур. На рис. 18.14А показана мостовая структура сформированная методом барьерного травления в растворе КОН. Для изготовления консольной структуры, представленной на рис. 18.14Б, также использовался метод травления.
(Г)
Рис. 18.13. Травление вокруг зоны легирования бором
Консольные и мостовые структуры широко применяются в резонансных датчиках, в которых изменение массы, длины и других параметров структур приводит к модуляции их собственной частоты.
кремний, легированный бором
маска для травления
(Б)
(А)
Рис. 18.14. Изготовление методом травления мостовых и консольных структур
18.3.2.1.4. Сухое травление
Наиболее распространенной технологией сухого травления является метод реактивного ионного травления (РИТ), заключающийся в том, что ускоренные ионы направляются в сторону вытравливаемого материала. При этом происходит ускорение реакции травления в направлении распространения ионов. РИТ — это метод анизотропного травления, при помощи которого в различных материалах, включая кремний и его оксид и нитрид, могут быть сформированы структуры произвольной формы глубиной до нескольких десятков микрон. В отличие от жидкостного анизотропного травления метод РИТ не зависит от ориентации кристаллов кремния. При объединении методов сухого травления и изотропного жидкостного травления возможно получение очень острых структур. Для этого сначала методом РИТ формируется структура с вертикальными сторонами (рис. 18.15А). После чего используется жидкостное травление для подтравливания слоя маски до получения остроконечной фигуры (рис. 18.15Б). По окончании процессов травления маска удаляется. Таким образом изготавливаются концевые части некоторых датчиков, например, тактильных детекторов.
маска для травления
маска для травления
жидкостное травление
сухое травление
(А)
(Б)
Рис. 18.15. Вытравливание остроконечных структур
18.3.2.1.5. Метод обратной литографии
Этот метод используется для трафаретного нанесения тонких пленок из благородных металлов. Сначала на подложку наносится тонкий слой из вспомогательного материала (например, оксида кремния). Сверху него по шаблону наносится слой резиста (рис. 18.16А), облучаемый УФ светом. После чего применяется жидкостное травление для подтравливания слоя под резистом (рис. 18.16Б). Далее на подложку через отверстие в резисте методом напыления наносится слой металла (рис.
18.16В). После чего удаляются слои резиста и вспомогательного материала, и остается только подложка с нанесенным слоем металла (рис. 18.16 Г и Д).
(А)
18.3.2.2. Соединение подложек
(Б)
(В)
(Г)
Существует много методов соединения подложек из различных материалов друг с другом для получения сложных устройств. Одним из самых распространенных методов соединения кремния со стеклом является метод анодного или электростатического сплавления. Для этого кремниевая и стеклянная подложки соединяются вместе и нагреваются до высокой температуры. После чего к этому соединению прикладывается высокое напряжение, в результате чего между подложками образуются очень прочные связи. На рис. 18.17 показана стеклянная пластина, соединенная с каналом, вытравленным в кремниевой подложке методом РИТ.
(Д)
Рис. 18.16.Метод обратной литографии
Для соединения двух кремниевых подложек подходит метод прямого соединения, заключающийся в скреплении двух кремниевых пластин под водой и приложении к ним небольшого давления. Также популярны методы соединения, использующие промежуточные адгезионные слои, такие как стекло и фоторезист. Хотя методы анодного сплавления и прямого скрепления подложек дают возможность получить прочные соединения, они имеют довольно серьезный недостаток: для них очень важна чистота и гладкость соединяемых поверхностей. Методы соединения подложек используются для скрепления микроструктур при изготовлении мембран, консолей, клапанов и т.д, являющихся составными частями различных датчиков.
Рис. 18.17.Соединение стекла с кремнием
Литература
1. Middelhoek, S. and Hoogerwerf A.C. Smart sensors: when and where? SensorsActuators 8(1), 398, 1985.
2. Obermier, E., Kopystynski, P. and NeiBI, R. Characteristics of polysilicon layers and their application in sensors. IEEE Solid-State Sensors Workshop, 1986.
3. Frijiink, P.M., Nicolas, J.L., and Suchet, P. Layer uniformity in a muldwafer MOVPRE reactor for III-V compounds./ Crystal Growth 107, 167-174, 1991.
4. Morgan, D.V. and Board, K. An Introduction to Semiconductor Microtechnology, John Wiley & Sons, New York, 1985.
5. Muller, R.S., Howe, R.T, Senturia, S.D., Smith, R.L., and White R.M. (eds.). Microsensors, IEEE Press, New York, 1991.