BG66488B1

BG66488B1 - A method for pr0ducing devices for mems with electric elements in their lateral walls

Info

Publication number: BG66488B1
Application number: BG111095A
Authority: BG
Inventors: Владимир СТАВРОВ
Original assignee: Владимир СТАВРОВ; "Амг Технолоджи" Оод
Priority date: 2009-06-05
Filing date: 2011-12-01
Publication date: 2015-05-29
Also published as: BG110397A; WO2010139034A3; BG111095A; WO2010139034A2; WO2010139034A4

Abstract

The method for producing devices for microelectromechanical systems (MEMS) with electric elements upon their lateral walls is applicable for producing microstructures with diverse electric and mechanic properties, which may be used for performing measurements in various technical fields. The method includes three stages, and by repeating several times the mask creation processes and building protective layers, structuring the masks, alloying with high-temperature ionic diffusion, and by following etching processes, executed upon non-deformable semiconductor basic structures, i.e. monocrystal silicon basic structures, it provides a possibility to build electric elements on the lateral walls of MEMS devices. The obtained by the method electric elements may be same or different, and may be located on the entire lateral walls surface, or on a portion of them. With MEMS, devices, realized according to the method, can be performed measurements with considerably increased accuracy, precision and sensitivity.

Description

Област на техникатаField of technology

Изобретението се отнася до метод за изработване на прибори за микроелектромеханични системи (МЕМС прибори) с електрически елементи в страничните им стени, който намира приложение за изработване на микроструктури с разнообразни електрически и механични свойства, които могат да бъдат използвани за извършване на измервания в различни области на техниката.The invention relates to a method for manufacturing instruments for microelectromechanical systems (MEMS instruments) with electrical elements in their side walls, which finds application for the manufacture of microstructures with various electrical and mechanical properties that can be used to perform measurements in various fields of technology.

Предшестващо състояние на техникатаBACKGROUND OF THE INVENTION

МЕМС приборите са широко изследвани и прилагани инструменти за измерване на различни величини, свързани с микро- и наноразмерни обекти. Те са направени под формата на микроконзоли или друг вид еластични чувствителни елементи, и те реагират на малки въздействия, като се огъват. Съществуват различни методи за регистрация на тази реакция, напр. оптически, капацитивни, пиезоелектрични, като всеки от тях има предимства в определени области на приложение. Сред тези методи пиезорезистивният, при който в микроконзолите са вградени пиезорезистори, заема особено място, заради уникалните си възможности за лесно получаване с ниска себестойност, липса на необходимост от допълнителни външни компоненти, съвместимост със съществуващите електронни схеми и устройства, лесно системно интегриране и редица други.MEMS instruments are widely researched and applied instruments for measuring various quantities related to micro- and nanoscale objects. They are made in the form of microconsoles or other kind of elastic sensitive elements, and they respond to small impacts by bending. There are various methods for recording this reaction, e.g. optical, capacitive, piezoelectric, each of which has advantages in certain areas of application. Among these methods, the piezoresistive, in which piezoresistors are built into the microconsoles, occupies a special place due to its unique capabilities for easy production at low cost, no need for additional external components, compatibility with existing electronic circuits and devices, easy system integration and many others. .

Получаването на пиезорезистори с висока чувствителност е възможно при едновременното изпълнение на няколко изисквания: за подходяща ориентация на структурите по отношение на кристалографските равнини на подложката и подходящо легиране на пиезорезисторните области. Зависимостта на пиезорезистивния коефициент на силиций от ориентацията и легирането е изследвана в Y. Kanda, A Graphical Representation of Piezoresistance Coefficients in Silicon, IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. ED-29, No. 1, January, 1982.The production of high-sensitivity piezoresistors is possible with the simultaneous fulfillment of several requirements: for appropriate orientation of the structures with respect to the crystallographic planes of the substrate and appropriate alloying of the piezoresistor regions. The dependence of the piezoresistive coefficient of silicon on orientation and alloying was studied in Y. Kanda, A Graphical Representation of Piezoresistance Coefficients in Silicon, IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. ED-29, No. 1, January, 1982.

Методите за производство на МЕМС прибори са заимствани от методите за производство на полупроводникови прибори, с някои модификации и допълнителни усъвършенствания. Голяма част от МЕМС се произвеждат от полупроводников материал монокристален 5 силиций, и затова приемствеността и съвместимостта между методите е естествена.The methods for the production of MEMS devices are borrowed from the methods for the production of semiconductor devices, with some modifications and additional improvements. Most MEMSs are made of 5-silicon monocrystalline semiconductor material, and therefore the continuity and compatibility between the methods is natural.

През последните повече от петдесет години е постигнато огромно разнообразие на технологии за производство на електронни интегрални схеми 10 и други полупроводникови електронни прибори. Понижаването на цената и подобряването на параметрите на електронните прибори са наложили използването на нови, съществено тримерни елементи и структури. Едновременно с развитието 15 на методите за вертикално ецване за тези приложения, са развити методи за получаване на селективно легирани повърхности с различна ориентация, основно посредством йонна имплантация. Относително по-малък е броят на 20 изследванията и публикациите, които прилагат алтернативни методи на легиране, такива като напр. отложени в дълбоко ецваните канавки легирани слоеве. Подобни методи за обработка на вертикални стени на канавки и/или получаване на 25 вертикални елементи са описани в US патенти №: US 5200353, US 5177030, US 5316978, и US патентна заявка № 2008169507.Over the last more than fifty years, a huge variety of technologies for the production of electronic integrated circuits 10 and other semiconductor electronic devices has been achieved. The reduction of the price and the improvement of the parameters of the electronic devices have necessitated the use of new, essentially three-dimensional elements and structures. Simultaneously with the development of 15 vertical etching methods for these applications, methods have been developed for obtaining selectively doped surfaces with different orientations, mainly by ion implantation. Relatively smaller is the number of 20 studies and publications that apply alternative alloying methods, such as e.g. deposited in the deeply etched ditches doped layers. Similar methods for treating vertical walls of ditches and / or preparing 25 vertical elements are described in U.S. Pat. Nos. 5,235,353, 5,170,030, 5,316,978, and U.S. Patent Application No. 2008,169,507.

От значение за настоящото изобретение са методите, разработени за контролируемо локално 30 дифузионно легиране на вертикални стени на ецвани структури, както за приложение в електронните елементи, напр. интегрални схеми, така и в МЕМС прибори, съдържащи по-специално пиезорезистори във вертикалните стени на 35 приборите.Of interest to the present invention are methods developed for controllable local diffusion doping of vertical walls of etched structures, as for use in electronic components, e.g. integrated circuits, and in MEMS devices, containing in particular piezoresistors in the vertical walls of 35 devices.

US патент № 5345815 е първият патент, в който е описано използването на интегриран пиезорезистор в МЕМС микроконзола. В него са разкрити физическите принципи на метода, както 40 и типични реализации за приложение за атомносилова микроскопия (AFM). Пиезорезисторът е разположен на повърхността на микроконзолата и така той може да регистрира амплитудата и посоката на огъвания, които са перпендикулярни на тази 45 повърхност.U.S. Pat. No. 5,345,815 is the first patent to describe the use of an integrated piezoresistor in a MEMS microconsole. It reveals the physical principles of the method, as well as 40 and typical implementations for the application of atomic force microscopy (AFM). The piezoresistor is located on the surface of the microconsole and so it can register the amplitude and direction of bends that are perpendicular to this surface.

В US патент № 5444244 е разкрит пиезорезистивен микроконзолен сензор, който показва странична чувствителност при огъване. Описаният в него сензор използва две микрогреди 50 за конзолата, като на всяка от тях има по единU.S. Patent No. 5,444,244 discloses a piezoresistive microconsole sensor that indicates lateral bending sensitivity. The sensor described in it uses two microbeams 50 for the console, each of which has one

66488 Bl пиезорезистор, разположени върху повърхността им. Пиезорезисторите са разположени така, че изменението на съпротивлението им е различно в зависимост от това, дали огъването е в странична или във вертикална посока.66488 Bl piezoresistor located on their surface. Piezoresistors are arranged so that the change in resistance varies depending on whether the bending is in the lateral or vertical direction.

В патент № US 5959200 е разкрит микрострукгуриран МЕМС сензор за сила, при който се използват елементи за независимо регистриране на вертикални и на странични премествания. В него се използват гъвкави микроструктурирани ребра с голямо отношение дължина към дебелина и планарна структура, която има доминиращо огъване в двете напречни на дължината й направления. Сензорите са пиезорезистори, формирани на стените на ребрата с голямо отношение дължина към дебелина, посредством йонна имплантация под определен ъгъл. Легираните области на сензора за сила са отделени една от друга посредством ефект на засенчване по време на легирането с йонна имплантация. Едно от следствията от използването на този ефект е, че се налагат строги правила за проектиране на такъв тип тримерни сензори. Друго следствие е, че засенчването е необходимо да бъде реализирано в двете направления на равнината на сензора, което усложнява както устройството за йонна имплантация, така и налага точна пространствена ориентация на пластините спрямо легиращия сноп по време на легирането.U.S. Pat. No. 5,959,200 discloses a microstructured MEMS force sensor that uses elements to independently detect vertical and lateral displacements. It uses flexible microstructured ribs with a large length-to-thickness ratio and a planar structure that has a dominant bend in both directions transverse to its length. The sensors are piezoresistors formed on the walls of the ribs with a large length to thickness ratio, by ion implantation at a certain angle. The doped areas of the force sensor are separated from each other by a shading effect during ion implant doping. One of the consequences of using this effect is that strict rules are required for the design of this type of three-dimensional sensors. Another consequence is that the shading needs to be realized in both directions on the plane of the sensor, which complicates both the ion implantation device and requires a precise spatial orientation of the plates relative to the alloying beam during doping.

Редица от тези проблеми, свързани с метода, изобретателите са преодолели в техен следващ патент, а именно № US 6025208. В него е предложен метод за получаване на електрически елементи в страничните стени на микромеханични структури, който се прилага върху стените единствено и само на деформируеми структури, т.е. такива структури, при които по време на получаването на електрическите елементи вече са налице: съществуващи деформируеми (също наричани - еластични) елементи - ребра, които могат да бъдат отделени или неотделени, и подложка. В споменатия патент № US 6025208 е описан метод за осъществяване на йонна дифузия през фотолитографски структурирана маска. Найобщо, методът се състои от последователното изпълнение на процесите на отлагане на дифузионна маска; отваряне на области за легиране; дифузия на легиращи примеси в страничните стени; и по избор, отстраняване на дифузионната маска. Съгласно патента, етапите на маскиране и дифузия могат да се повтарят многократно върху различните странични стени на ребрата, с различни легиращи източници и параметри на дифузията, за образуване например на диоди и други електрически елементи върху тези странични стени.A number of these problems related to the method, the inventors have overcome in their next patent, namely № US 6025208. It proposes a method for producing electrical elements in the side walls of micromechanical structures, which is applied to the walls only deformable structures, i.e. such structures in which during the production of electrical elements are already present: existing deformable (also called - elastic) elements - ribs, which can be separated or not separated, and a pad. Said patent U.S. Pat. No. 6,025,208 describes a method for performing ion diffusion through a photolithographically structured mask. In general, the method consists of sequentially performing the diffusion mask deposition processes; opening alloy areas; diffusion of alloying impurities in the side walls; and optionally, removing the diffusion mask. According to the patent, the masking and diffusion steps can be repeated many times on different side walls of the ribs, with different alloying sources and diffusion parameters, to form, for example, diodes and other electrical elements on these side walls.

Съществено за гореспоменатия метод е това, че в неговия вариант за получаване на локално легирани области посредством йонна дифузия се използва добре известният класически метод на газова дифузия през маска за получаване на електрически елементи върху полупроводникови структури, но приложен в случая специфично върху страничните стени на предварително реализирани, готови деформируеми структури, предназначени за производството на микроелектромеханични прибори. В описанието и претенциите на патента, никъде не се споменава, че методът се разпростира върху или предвижда използването на микромеханични прибори, получени посредством легиране на недеформируеми тримерни структури. Също така, поради това, че методът се отнася до обработването на предварително реализирани, готови деформируеми структури и съдържа само един процес на ецване, той не предполага, нито би било възможно, да се приложи с претендирания резултат върху недеформируеми структури.Essential for the above-mentioned method is that in its variant for obtaining locally doped regions by ion diffusion the well-known classical method of gas diffusion through a mask for obtaining electrical elements on semiconductor structures is used, but applied in this case specifically on the side walls. realized, ready deformable structures, intended for the production of microelectromechanical devices. In the description and claims of the patent, it is nowhere mentioned that the method extends to or provides for the use of micromechanical devices obtained by doping non-deformable three-dimensional structures. Also, because the method relates to the treatment of prefabricated, finished deformable structures and contains only one etching process, it does not imply, nor would it be possible, to apply with the claimed result on non-deformable structures.

За споменатия по-горе метод е характерно това, че с описания подход за структуриране на фоторезиста се получават легирани области, разположени по цялата височина на страничната стена на реброто, което води до ограничаване на приложимостта на метода, поради невъзможността да се получат легирани области, разположени върху част от страничните вертикални стени на деформируемите структури. Освен това, не е предвидена защита на тези участъци от прибора, в които формираните р-п преходи излизат на повърхността при процеса на освобождаване на деформируемите структури от подложката. Важна от практическа гледна точка особеност на метода съгласно патент № US 6025208 е това, че сензорите, получени по този метод и илюстрирани чрез фигурите и в примера за вертикален и страничен сензор, е очаквано да имат различна чувствителност и характеристики в двете направления - вертикално и странично, тъй като избраният подход не позволява създаването на елементи с еднакви характеристики в повърхностите на сензор с предложената конструкция, когато се използват обичайни подложки.The above-mentioned method is characterized by the fact that the described approach for structuring the photoresist produces doped areas located along the entire height of the side wall of the rib, which leads to limitation of the applicability of the method due to the impossibility to obtain doped areas, located on part of the side vertical walls of the deformable structures. In addition, no protection is provided for those parts of the device in which the formed p-n junctions come to the surface during the process of releasing the deformable structures from the substrate. An important feature from the practical point of view of the method according to patent № US 6025208 is that the sensors obtained by this method and illustrated by the figures and in the example of vertical and side sensor are expected to have different sensitivity and characteristics in both directions - vertical and laterally, because the chosen approach does not allow the creation of elements with the same characteristics in the surfaces of the sensor with the proposed design when using conventional pads.

66488 Bl66488 Bl

В една последваща разработка, базирана на метода от патент № US 6025208, направена от Xinxin Li et. al., A Trench-sidewall Single-waferMEMS Technology and Its Typical Application in High-performance Accelerometers, IEDM Technical Digest., 13-15 Dec. 2004 , pp. 43 - 46, IEDM 0443, е докладван метод за получаване на МЕМС прибор, съдържащ пиезорезистори, коцдензаторни и актюаторни електроди, получени изцяло посредством дифузия на бор (В) в стените на микроструктурите. Получават се легирани структури, разположени по целите вертикални стени, като в странично направление отделните елементи са разделени от предварително формирани дълбоки канавки, запълнени с нелегиран силициев диоксид. Стъпката на легиране на пиезорезисторите се извършва след последната стъпка на вертикално ецване и дори след ецването на пластината от обратната страна, т.е., след формирането на деформируем елемент. Основният проблем при този метод, освен описаните по-горе присъщи за метода от патент № US 6025208, е необходимостта от манипулиране с чупливи тримерно-ецвани структури в няколко последователни процесии стъпки.In a further development based on the method of patent № US 6025208, made by Xinxin Li et. al., A Trench-sidewall Single-waferMEMS Technology and Its Typical Application in High-performance Accelerometers, IEDM Technical Digest., 13-15 Dec. 2004, pp. 43 - 46, IEDM 0443, is a reported method for preparing a MEMS device comprising piezoresistors, co-capacitor and actuator electrodes obtained entirely by diffusion of boron (B) into the walls of microstructures. Alloy structures are obtained, located along the entire vertical walls, and in the lateral direction the individual elements are separated by pre-formed deep grooves filled with undoped silica. The step of doping the piezoresistors is performed after the last step of vertical etching and even after etching the plate on the reverse side, i.e., after the formation of a deformable element. The main problem with this method, in addition to those described above inherent in the method of U.S. Pat. No. 6,025,208, is the need to manipulate brittle trimerically etched structures in several successive process steps.

В статия от Т. Chu Due, et all. Lateral nanoNewton force-sensing piezoresistive cantilever for microparticle handling, J. Micromech. Microeng., 16(2006) S102-S106 е показана реализация на микроконзолен сензор за сила, с еластичност в равнината на повърхността на пластината. Сензорът се състои от микроконзола, получена от р-тип монокристален силиций с ориентация (100), върху който са израстнати два епитаксиални слоя. Вторият епитаксиален слой се структурира, като се формират два тесни и дълги пиезорезистори в двата края по ширината на микроконзолата.In an article by T. Chu Due, et all. Lateral nanoNewton force-sensing piezoresistive cantilever for microparticle handling, J. Micromech. Microeng., 16 (2006) S102-S106 shows an embodiment of a microconsole force sensor with elasticity in the plane of the plate surface. The sensor consists of a microconsole derived from p-type single crystalline silicon with orientation (100) on which two epitaxial layers are grown. The second epitaxial layer is structured to form two narrow and long piezoresistors at both ends across the width of the microconsole.

По принцип, реализирането на микроконзоли с ниска стойност на еластичната константа е ограничено от ширината на пиезорезисторите. От друга страна, пиезорезисторът и микроконзолата се получават чрез различни процеси на микроструктуриране на съответно, различни слоеве, и чувствителността на такъв сензор е силно зависима от разсъвместяването между тези два структурирани слоя. Изработването на сензори с висока чувствителност по този метод е възможно само с найвисок клас фотолитографско оборудване, позволяващо получаването на структури с малки минимални размери и пренебрежимо разсъвместяване между структурираните слоеве. Тъй като резисторите от полисилиций са с хомогенно разпределено по ширината им легиране, а 5 разпределението на механичните напрежения по ширината на резисторите е силно нехомогенно, в резултат само малка част от всеки резистор е разположена в областите с най-големи по модул механични напрежения, което води до получаване 10 на относително слаб сигнал от пиезорезисторите.In general, the realization of microconsoles with a low value of the elastic constant is limited by the width of the piezoresistors. On the other hand, the piezoresistor and the microconsole are obtained by different microstructuring processes of respectively, different layers, and the sensitivity of such a sensor is strongly dependent on the misalignment between these two structured layers. The production of high-sensitivity sensors by this method is possible only with the highest class photolithographic equipment, allowing the production of structures with small minimum dimensions and negligible misalignment between the structured layers. Since polysilicon resistors have a homogeneously distributed alloy across their width, and 5 the distribution of mechanical stresses across the width of the resistors is highly inhomogeneous, as a result only a small part of each resistor is located in the areas with the largest modulus of mechanical stresses, which results in 10 of a relatively weak signal from the piezoresistors.

В статия от Xu Ji et al., A piezoresistive cantilever for lateral force detection fabricated by a monolithic post-CMOS process, J. Micromech. Microeng. 18 (2008), е разгледано получаване на интегриран 15 МЕМС сензор за сила посредством метод, съвместим със стандартна технология на CMOS интегрални схеми. Съгласно предложения метод повърхностното микроструктуриране се извършва след завършване на интегралната схема. Чрез 20 използването на модифициран SCREAM процес, се получават два самосъвместени към микроконзолите пиезорезистора. Сензорният сигнал се взима само от единия от пиезорезисторите, а в мостовата схема са формирани три пасивни мостови резистора 25 едновременно с активния резистор, но са разположени в област без изменение на механичните напрежения. Такова решение води до дрейф на сигнала, когато активният и пасивните резистори са експонирани по различен начин на фактори, от които 30 зависи съпротивлението им. Освен това, чувствителността на такъв резистор е относително ниска, тъй като легираните области са относително плитки и широки, поради което много малка част от хомогенно легирания резистор е разположена в 3 5 областта с най-голямо механично напрежение.In an article by Xu Ji et al., A piezoresistive cantilever for lateral force detection fabricated by a monolithic post-CMOS process, J. Micromech. Microeng. 18 (2008), the production of an integrated 15 MEMS force sensor by means of a method compatible with standard technology of CMOS integrated circuits is considered. According to the proposed method, the surface microstructuring is performed after the completion of the integrated circuit. By using a modified SCREAM process, two piezoresistors self-aligned to the microconsole are obtained. The sensor signal is taken from only one of the piezoresistors, and in the bridge circuit three passive bridge resistors 25 are formed simultaneously with the active resistor, but are located in an area without changing the mechanical stresses. Such a solution leads to signal drift when the active and passive resistors are exposed differently to factors on which their resistance depends. In addition, the sensitivity of such a resistor is relatively low, as the doped regions are relatively shallow and wide, so that very little of the homogeneously doped resistor is located in the 3 5 region with the highest mechanical stress.

В статия от Tao Chen et al., A Sidewall Piezoresistive Force Sensor Used in a MEMS Gripper, C. Xiong et al. (Eds.): ICRA 2008, Part II, LNAI 5315, pp. 207-216, 2008, е показан микрохващач c 40 интегрирани в страничните стени пиезорезистивни сензори за измерване на силата на хващане. Пиезорезисторите са формирани на повърхността на изходната силициева пластина посредством перпендикулярна към тази повърхност йонна 45 имплантация на бор (В). Микроконзолата се структурира чрез дълбоко ецване на силиций през фоторезистивна маска. Взаимното разположение на микроконзолата и пиезорезисторите е такова, че р-п преходите на пиезорезисторите излизат на 50In an article by Tao Chen et al., A Sidewall Piezoresistive Force Sensor Used in a MEMS Gripper, C. Xiong et al. (Eds.): ICRA 2008, Part II, LNAI 5315, pp. 207-216, 2008, a microstaper with 40 piezoresistive sensors integrated in the side walls for measuring the gripping force is shown. Piezoresistors are formed on the surface of the starting silicon wafer by means of a ionic implantation of boron (B) perpendicular to this surface. The microconsole is structured by deep etching of silicon through a photoresist mask. The mutual arrangement of the microconsole and the piezoresistors is such that the p-n junctions of the piezoresistors go to 50

АA

66488 Bl формираните вертикални странични стени на микроконзолите.66488 Bl formed the vertical side walls of the microconsoles.

В така описания сензор за сила не е предвидена пасивация на р-п преходите върху страничните стени на микроконзолите; легирането 5 на пиезорезисторите в направление, перпендикулярно на посоката на страничните сили е нехомогенно, което значително намалява амплитудата на отклика на такива сили; получаването на два еднакви резистора от двете страни на микро- 10 конзолата е процес, който зависи от съвместяването на два фотолитографски структурирани слоя, и следователно води до специални изисквания към фотолитографското оборудване.The force sensor described in this way does not provide for passivation of the p-n junctions on the side walls of the microconsoles; the alloying 5 of the piezoresistors in a direction perpendicular to the direction of the lateral forces is inhomogeneous, which significantly reduces the response amplitude of such forces; obtaining two identical resistors on both sides of the micro-console is a process that depends on the combination of two photolithographically structured layers, and therefore leads to special requirements for photolithographic equipment.

Следователно съществува необходимост от 15 създаването на метод за изработване на прибори за МЕМС с електрически елементи в страничните им стени, който да позволява получаването на разнообразни електрически елементи върху част или целите странични стени на такива прибори, без 20 за това да са необходими специфични материали и/ или оборудване. Необходимо е също така методът да предоставя възможност за защита на електрическите елементи и р-п преходите, и да позволява контрол на еластичните характеристики 25 на микромеханичните елементи в широки граници.Therefore, there is a need to establish a method for making MEMS devices with electrical elements in their side walls, which allows the production of various electrical elements on part or all of the side walls of such devices, without the need for specific materials and / or equipment. It is also necessary for the method to provide an opportunity to protect the electrical elements and the p-n junctions, and to allow control of the elastic characteristics 25 of the micromechanical elements in a wide range.

Техническа същност на изобретениетоTechnical essence of the invention

Съответно, цел на настоящото изобретение е да осигури метод за изработване на прибори за 30 микроелектромеханични системи (МЕМС) с електрически елементи в страничните им стени. Този метод се състои от първи етап, в който в полупроводникова основна структура се извършват последователно поне два процеса на структурирана ^{J J}високотемпературна дифузия, чрез която се изграждат поне две легирани области с еднакъв или различен тип на проводимост. Паралелно с процесите на структурирана дифузия се формират физически обособени структури за МЕМС чрез 40 повтарящи се процеси на ецване така, че след поне един процес на структурирана дифузия, извършван върху горната повърхност на монокристалната полупроводникова основна структура, всеки следващ процес на дифузия се осъществява и върху 45 новоформирана странична повърхност на физически обособените структури. Съгласно метода, процесите на ецване се осъществяват съвместено и за изграждането на определен тип електрически елементи се изпълняват в последователност: процес на ецване за последващо легиране през тази новосъздадена повърхност, легиране, процес на ецване на участъци от легираната област за обособяване на електрически елемент върху физически отделна структура, като легираните области от предходните дифузионни процеси и електрическите елементи от предходните процеси на ецване съответно, предварително подходящо се защитават, а по време на изпълнението на всички процеси за създаване на легираните области и паралелно формиране на физически обособените структури, обработваната полупроводникова структура остава недеформируема. В следващия втори етап на метода се извършва повърхностно микросгруктуриране на обработваната полупроводникова структура посредством обединяване чрез ецване, като се получават деформируеми междинни микроелектромеханични структури, новосъздадени повърхности и новообособени допълнителни електрически елементи. По време на този етап физически обособените структури с изградени върху страничните им стени електрически елементи се обединяват чрез последователни процеси на ецване, които водят до новосъздадени повърхности без електрически елементи, а след това върху деформируемите междинни микроелектромеханични структури, и новообособените допълнителни електрически елементи последователно се изграждат изолиращо покритие и след неговото структуриране, метален слой за връзки. В последния, трети етап на метода се осъществява обемно микросгруктуриране на деформируемите междинни микроелектромеханични структури, посредством последователни процеси на избирателно ецване, с които споменатите микроелектромеханични структури се освобождават от подложката, като се формират връзки между електрическите елементи и се получават самостоятелни прибори за МЕМС.Accordingly, it is an object of the present invention to provide a method of making instruments for 30 microelectromechanical systems (MEMS) with electrical elements in their side walls. This method consists of a first step in which at least two structured ^JJ high-temperature diffusion processes are performed sequentially in a semiconductor core structure, through which at least two doped regions with the same or different conductivity types are formed. In parallel with the structured diffusion processes, physically separate MEMS structures are formed by 40 repetitive etching processes so that after at least one structured diffusion process performed on the upper surface of the monocrystalline semiconductor main structure, each subsequent diffusion process is performed on 45 newly formed lateral surface of the physically separated structures. According to the method, the etching processes are carried out jointly and for the construction of a certain type of electrical elements are performed in sequence: etching process for subsequent alloying through this newly created surface, alloying, etching process of sections of the alloyed area for separation of electrical element on physical separate structure, as the alloyed areas from the previous diffusion processes and the electrical elements from the previous etching processes, respectively, are adequately protected, and during the execution of all processes for creating the alloyed areas and parallel formation of the physically separated structures, the processed semiconductor structure remains indeformable. In the next second stage of the method, surface microstructure of the processed semiconductor structure is performed by combining by etching, to obtain deformable intermediate microelectromechanical structures, newly created surfaces and newly formed additional electrical elements. During this stage, the physically separated structures with electrical elements built on their side walls are combined by successive etching processes, which lead to newly created surfaces without electrical elements, and then on the deformable intermediate microelectromechanical structures, and the newly separated additional electrical elements are built sequentially. insulating coating and after its structuring, a metal layer for connections. In the last, third stage of the method, volumetric microstructure of the deformable intermediate microelectromechanical structures is carried out by means of successive processes of selective etching, by which said microelectromechanical structures are released from the substrate, forming connections between the electrical elements and obtaining separate MEM devices.

В едно особено предпочитано изпълнение на метода от изобретението, в първия етап, процесите на ецване, изпълнявани преди всеки от процесите на структурирана дифузия, са процеси на фотолитографски ориентирано, съвместено спрямо структурираните легирани области на повърхността, структуриране върху горната повърхност и върху новоформираните странични стени на полупроводниковата основна структура.In a particularly preferred embodiment of the method of the invention, in the first step, the etching processes performed before each of the structured diffusion processes are photolithographically oriented processes, combined with the structured alloyed areas of the surface, structuring on the upper surface and on the newly formed side walls. of the semiconductor main structure.

66488 Bl66488 Bl

Тази полупроводникова основна структура е монокристална и върху споменатите структурирани повърхности и новоформирани стени едновременно се получават структурирани легирани области и електрически елементи с еднакви или с предварително зададени различия в електрическите им характеристики. В следващия, втори етап на метода, се осъществява процес на ецване през фотолитографски ориентирана маска, като едновременно се формират нови микромеханични структури върху горната повърхност, които се обединяват с вече изградените физически обособени структури с легирани области и електрически елементи, като се получават деформируеми междинни микроелектромеханични структури, които са съответно с еднакви или с предварително зададени различия в механичните и/или електрическите им характеристики. В третия етап избирателното ецване, при което се формират електропроводящи връзки между електрическите елементи и създадените микроелектромеханични структури се отделят в прибори, се извършва съобразно предварително зададените различия в, или еднаквост на, електрическите характеристики на електрическите елементи, в зависимост от приложението на приборите за МЕМС.This semiconductor basic structure is single crystal and on the mentioned structured surfaces and newly formed walls at the same time structured doped areas and electrical elements with the same or with predetermined differences in their electrical characteristics are obtained. In the next, second stage of the method, a etching process is performed through a photolithographically oriented mask, while new micromechanical structures are formed on the upper surface, which are combined with the already built physically separated structures with doped areas and electrical elements to obtain deformable intermediate microelectromechanical structures which are respectively identical or with predetermined differences in their mechanical and / or electrical characteristics. In the third stage, the selective etching, in which electrically conductive connections are formed between the electrical elements and the created microelectromechanical structures are separated into devices, is performed according to the predetermined differences in or uniformity of the electrical characteristics of the electrical elements, depending on the application of MEMS devices. .

В предпочитани изпълнения на метода, съгласно изобретението, монокристалната полупроводникова основна структура е монокристална силициева основна структура, легиращите примеси, които се използват по време на дифузионните процеси, са примеси, водещи до създаване на силнопроводящи или проводящи области с ртип проводимост или с п-тип проводимост, а физически обособените структури за МЕМС са локално легирани недеформируеми канавки.In preferred embodiments of the method according to the invention, the monocrystalline semiconductor base structure is a monocrystalline silicon base structure, the alloying impurities used during the diffusion processes are impurities leading to the creation of highly conductive or conductive regions with rtype conductivity or n-type conductivity, and the physically distinct structures for MEMS are locally doped non-deformable grooves.

В най-предпочитаното изпълнение на метода, съгласно изобретението, електрическите елементи, които се получават върху страничните стени на приборите за МЕМС, са пиезорезистори.In the most preferred embodiment of the method according to the invention, the electrical elements obtained on the side walls of the MEMS devices are piezoresistors.

Както е използван тук, терминът структурирана дифузия означава, че е осъществен локално дифузионен процес с легиращ примес, през предварително определена област. За да бъде осъществен един такъв дифузионен процес, споменатата област предварително се подлага на структуриране, като например ецване през маска, и подобни.As used herein, the term structured diffusion means that a local diffusion process with an alloying impurity is performed through a predetermined area. In order to carry out such a diffusion process, said area is previously subjected to structuring, such as etching through a mask, and the like.

Тези и други цели, признаци и изпълнения на изобретението и негови предимства, ще станат ясни от следващото подробно описание на илюстративни изпълнения, които следва да се четат във връзка с придружаващите фигури. Описанието и фигурите нямат за цел да ограничат изобретението, а са само илюстративни и специалистите в областта лесно ще установят, че могат да бъдат направени много изменения и вариации на метода, които са в обхвата на приложените претенции.These and other objects, features and embodiments of the invention and its advantages will become apparent from the following detailed description of illustrative embodiments to be read in conjunction with the accompanying figures. The description and figures are not intended to limit the invention, but are merely illustrative, and those skilled in the art will readily appreciate that many modifications and variations of the method may be made that are within the scope of the appended claims.

Пояснение на приложените фигуриExplanation of the attached figures

Фигура 1 показва ориентирана по осите X и Y микроконзолна структура с вградени върху страничната й стена дифузионен резистор, силно легирани контактни области и проводящи връзки, получена по метода съгласно настоящото изобретение.Figure 1 shows an X-axis and a Y-axis microconsole structure with a diffusion resistor embedded on its side wall, high-alloy contact areas and conductive connections obtained by the method according to the present invention.

На фигура 2 е показан напречен разрез на монокристална силициева пластина със структурирана силно легирана дифузионна област.Figure 2 shows a cross section of a single crystal silicon wafer with a structured high alloy diffusion region.

Фигура 3 показва напречен разрез на силициева пластина с формирани недеформируеми канавки с легирани области върху страничните стени, припокриващи се частично със силно легираните дифузионни области на повърхността на пластината.Figure 3 shows a cross section of a silicon wafer with formed non-deformable grooves with doped areas on the side walls, partially overlapping with the high alloy diffusion areas on the plate surface.

На фигура 4 е показан напречен разрез на пластина с обособени електрически елементи върху страничните стени на локално легирани канавки.Figure 4 shows a cross section of a plate with separate electrical elements on the side walls of locally alloyed grooves.

Фигура 5 включва фиг. 5А, която показва аксонометричния вид на физически обособена структура с електрически елементи, показани на фиг. 4, както и ориентацията на различните повърхнини и стени спрямо кристалографските направления на силициевата пластина; фиг. 5Б, в която е показан увеличен детайл на същата тази структура получена съгласно особено предпочитания първи вариант на изпълнение на метода; и фиг. 5В, в която е разкрит вида на алтернативно изпълнение на структурата от фиг. 5Б, получено съгласно особено предпочитания втори вариант на изпълнение на метода за получаване на еднакви електрически елементи.Figure 5 includes FIG. 5A, which shows the axonometric view of a physically distinct structure with electrical elements shown in FIG. 4, as well as the orientation of the different surfaces and walls relative to the crystallographic directions of the silicon wafer; FIG. 5B, in which an enlarged detail of the same structure obtained according to a particularly preferred first embodiment of the method is shown; and FIG. 5B, in which a view of an alternative embodiment of the structure of FIG. 5B obtained according to a particularly preferred second embodiment of the method for producing identical electrical elements.

На фигура 6 е представен увеличен напречен разрез на участък от пластина с формирана недеформируема канавка и повече от един електрически елементи върху страничните й стени.Figure 6 shows an enlarged cross-section of a section of plate with a non-deformable groove formed and more than one electrical element on its side walls.

Фигура 7 показва подготвена фотолитографски структурирана маска за обединяване на недеформируеми локално легирани канавки посредством ецване с новоформирани през маската микромеханични структури.Figure 7 shows a prepared photolithographically structured mask for joining non-deformable locally doped grooves by etching with newly formed through the mask micromechanical structures.

66488 Bl която е разположена с дължината си в направление Y и има вградени в страничните й стени 2 резистори 3, получени чрез дифузионен процес. Резисторът 3 е свързан посредством силно легирани области 4, напр. р+-области легирани с бор, с метализирани пътечки 5 и посредством тях към измервателен уред (непоказан на фигурата). Микроконзолата 1 има правоъгълно напречно сечение с дебелина d и ширина w.66488 Bl which is located with its length in the Y direction and has built-in in its side walls 2 resistors 3, obtained by diffusion process. The resistor 3 is connected by means of strongly doped regions 4, e.g. p + -bones doped with boron, with metallized tracks 5 and by means of them to a measuring device (not shown in the figure). The microconsole 1 has a rectangular cross section with thickness d and width w.

Тази микроконзола ще има доминиращо направление на огъване в направлението на оста X тогава, когато е изпълнено условието:This microconsole will have a dominant bending direction in the X-axis direction when the condition is met:

d> 2w (1)d> 2w (1)

Областта на резистора 3 е легирана посредством високотемпературна йонна дифузия с примесни йони, имащи в силиция инверсна проводимост спрямо тази на конзолата 1. Когато осите X и Y съвпаднат съответно с кристалографско направление <110> и концентрацията на примесите е подходяща резистори, разположени по показания на фиг. 1 начин имат пиезорезистивни свойства, отговарящи на изискванията за сензорни приложения.The region of the resistor 3 is doped by high-temperature ion diffusion with impurity ions having in silicon inverse conductivity relative to that of the bracket 1. When the X and Y axes coincide respectively with the crystallographic direction <110> and the impurity concentration is suitable resistors located according to the readings of FIG. 1 way have piezoresistive properties that meet the requirements for sensory applications.

По метода съгласно настоящото изобретение върху горната и страничните повърхности на микроконзолната структура освен резистори и пиезорезистори, могат да бъдат получени и други елементи, такива като свързващи силно проводими области, оформени като пътечки 4, както е илюстрирано на фиг. 1, или друг вид електрически елементи, като например диоди, кондензаторни електроди или нагревателни микроелементи.According to the process according to the present invention, in addition to resistors and piezoresistors, other elements can be obtained on the upper and side surfaces of the microconsole structure, such as connecting strongly conductive areas shaped like paths 4, as illustrated in FIG. 1, or other type of electrical elements, such as diodes, capacitor electrodes or heating microelements.

Също така, освен микроконзоли, по метода съгласно изобретението могат да се получат и други видове микроелекгромеханични елементи, като еластични мембрани, микроканали, микроогледала, микроклапани; задвижващи, предавателни и изпълнителни елементи и др.Also, in addition to microconsoles, other types of microelectromechanical elements can be obtained by the method according to the invention, such as elastic membranes, microchannels, micro mirrors, microvalves; drive, transmission and actuators, etc.

За специалистите с опит в областта ще бъде ясно също, че преди изпълнението на процесите, съгласно метода от изобретението, е необходимо изходните полупроводникови основни структури да се подготвят чрез обичайни микрострукту45 риращи предварителни обработки, включително химическа обработка, за изпълнение върху тях на последващите процеси на дифузия, ецване, окисление и т.н., както е описано по-нататък в примерите.It will also be apparent to those skilled in the art that prior to performing the processes according to the method of the invention, it is necessary to prepare the initial semiconductor core structures by conventional microstructuring pretreatments, including chemical treatments, for subsequent processes. diffusion, etching, oxidation, etc., as described below in the examples.

В едно предпочитано изпълнение наIn a preferred embodiment of

Ha фигура 8 е показан напречен разрез на участък от пластина със съвместени към недеформируемите локално легирани канавки, дълбоко анизотропно ецвани структури за формиране на обединени деформируеми междинни микроелект- 5 ромеханични структури.Figure 8 shows a cross-section of a section of a plate with locally aligned to non-deformable locally doped grooves, deeply anisotropically etched structures for the formation of joint deformable intermediate microelectromechanical structures.

Фигура 9 показва аксонометричния вид на обединените деформируеми междинни микроелектромеханични структури, получени посредством процеси на ецване. 10Figure 9 shows the axonometric view of the combined deformable intermediate microelectromechanical structures obtained by etching processes. 10

На фигура 10 е показан напречен разрез на участък от пластина след последната окислителна стъпка и изотропно ецване за структуриране на слоевете силициев диоксид на двете страни на пластината: на задната страна за обемното 15 микроструктуриране и на предната страна за отваряне на контактните отвори към силно легирани области.Figure 10 shows a cross section of a section of plate after the last oxidation step and isotropic etching to structure the silica layers on both sides of the plate: on the back for the volume 15 microstructuring and on the front for opening the contact holes to heavily alloyed areas. .

Фигура 11 показва напречен разрез на участък от пластина след нанасянето на проводящ 20 метален слой и структуриран фоторезист за формиране на проводящите връзки между елементите в междинна микроелектромеханична структура.Figure 11 shows a cross-section of a section of a plate after the application of a conductive metal layer 20 and a structured photoresist to form the conductive connections between the elements in an intermediate microelectromechanical structure.

На фигура 12 е показан напречен разрез на 25 участък от монокристална силициева пластина след процес на обемно анизотропно ецване от обратната й страна.Figure 12 shows a cross section of a 25 section of a single crystal silicon wafer after a volumetric anisotropic etching process on the reverse side.

Фигура 13 показва напречен разрез на участък от пластина след процеси на избирателно 3 0 ецване на слоеве, съответно, силиций и силициев диоксид за освобождаване на микроконзолата, от обратната страна на пластината.Figure 13 shows a cross section of a section of plate after processes of selective etching of layers, respectively, silicon and silicon dioxide to release the microconsole, on the reverse side of the plate.

На фигура 14 е показан напречен разрез на участък от пластина след процес на избирателно 35 двустранно ецване на метален слой през фотолитографски структурирана маска.Figure 14 shows a cross section of a section of plate after a process of selectively 35-sided etching of a metal layer through a photolithographically structured mask.

На фигура 15 е показан аксонометричния вид на готов микроелектромеханичен прибор получен по метода съгласно изобретението - 40 микроконзола с електрически елементи пиезорезистори, разположени в страничните й стени, и изводи за свързване към външен измервателен уред.Figure 15 shows the axonometric view of a finished microelectromechanical device obtained by the method according to the invention - 40 microconsoles with electrical piezoresistor elements located in its side walls, and terminals for connection to an external meter.

Подробно описание на предпочитани изпълнения на изобретениетоDetailed description of preferred embodiments of the invention

На фиг. 1 е показан детайлен вид на предпочитана, получена по метода; съгласно изобретението, структура за микроелектромеханичен прибор за МЕМС. Тази структура се състои, например, от силициева микроконзола 1, 50In FIG. 1 shows a detailed view of a preferred method obtained; according to the invention, a structure for a microelectromechanical device for MEMS. This structure consists, for example, of a silicon microconsole 1, 50

66488 Bl изобретението, методът за изработване на прибори за МЕМС с електрически елементи върху страничните им стени, който включва изпълнението последователно на първи етап - формиране на физически обособени структури с легирани 5 области и обособени електрически елементи в страничните им стени; втори етап - повърхностно микроструктуриране за създаване на деформируеми междинни микроелектромеханични структури, и трети етап - обемно микроструктури- 10 ране на деформируемите междинни микроелектромеханични структури и получаване на прибори за МЕМС, се осъществява върху подходящо подготвени силициеви пластини, които за предпочитане е да са монокристални силициеви пластини с 15 кристалографска ориентация (100), напр. п-тип на проводимост, със специфично съпротивление в границите от 1 до 10 Ω .cm.66488 B1 the invention, a method of making MEMS devices with electrical elements on their side walls, which comprises sequentially performing in the first step the formation of physically separate structures with doped 5 regions and separate electrical elements in their side walls; the second stage - surface microstructuring to create deformable intermediate microelectromechanical structures, and the third stage - volumetric microstructuring of deformable intermediate microelectromechanical structures and obtaining devices for MEMS, is carried out on suitably prepared silicon plates, which are preferably plates with 15 crystallographic orientation (100), e.g. n-type conductivity, with a specific resistance in the range from 1 to 10 Ω .cm.

Първи етап - Формиране на физически обособени структури с легирани области и 20 обособени електрически елементи в страничните им стениFirst stage - Formation of physically separated structures with alloyed areas and 20 separate electrical elements in their side walls

В едно първо, предпочитано изпълнение на първия етап от метода, физически обособените структури с легирани области в страничните им 25 стени, които се изграждат, са локално легирани канавки, в стените на които са създадени електрически елементи, такива като пиезорезистори. Това предпочитано изпълнение е илюстрирано на фиг. 2 - фиг. 5 и се състои от следните стъпки: 30In a first, preferred embodiment of the first step of the method, the physically distinct structures with doped areas in their side walls to be constructed are locally doped grooves in the walls of which electrical elements such as piezoresistors are created. This preferred embodiment is illustrated in FIG. 2 - FIG. 5 and consists of the following steps:

1) Формиране на силнопроводящи легирани области върху силициевите пластини посредством йонна дифузия или друг процес за легиране с висока концентрация на легиращите примеси;1) Formation of highly conductive doped regions on silicon wafers by ion diffusion or other alloying process with a high concentration of alloying impurities;

2) Получаване на канавки, ориентирани и 35 съвместени към силно легираните области посредством повърхностно ецване на изходните пластини;2) Obtaining grooves oriented and 35 aligned to the high-alloy areas by surface etching of the output plates;

3) Формиране на дифузионна маска върху дъното и стените на канавките; 403) Formation of a diffusion mask on the bottom and walls of the ditches; 40

4) Структуриране на дифузионната маска посредством свалянето й от зоните, където ще бъде извършено подходящо легиране, включително от зоните, в които ще бъдат формирани пиезорезисторите; 454) Structuring the diffusion mask by removing it from the areas where appropriate doping will be performed, including from the areas where the piezoresistors will be formed; 45

5) Дифузия за формиране на области с подходящо легиране, напр. за получаване на области с пиезорезистивни свойства.5) Diffusion to form suitably doped areas, e.g. to obtain areas with piezoresistive properties.

6) Отстраняване на ненужни легирани участъци, обособяване на електрически елементи 50 и достигане до крайната дълбочина на канавките посредством ецване.6) Removal of unnecessary alloyed sections, separation of electrical elements 50 and reaching the final depth of the ditches by etching.

7) По избор, получаване на следващ/и самостоятелен/ни електрически елемент/елементи върху определен участък от стените на канавките, или на участъци без легиране, чрез повторение на всички или част от стъпките от 1) до 6), които са необходими за конкретния случай и при условия за осъществяване на процесите, адаптирани подходящо за изграждането на споменатите елементи или участъци без легиране.7) Optionally, obtaining the next individual electrical element (s) on a specific section of the ditch walls, or non-alloying sections, by repeating all or part of steps 1) to 6) that are necessary for the specific case and under conditions for carrying out the processes, adapted appropriately for the construction of the mentioned elements or sections without doping.

На фиг. 2 е показана стъпка 1) от първия етап на метода, за формиране на силнопроводящата легирана област 4, като за целта върху горната повърхност на основната структура - монокристалната силициева пластина 6 посредством високотемпературно окисление нараства слой силициев диоксид 7, а върху задната страна съответно слой силициев диоксид 7' с такава дебелина, че впоследствие слоевете да се използват като маска при дифузията на легиращите примеси. След това слоят 7 върху лицевата страна на окислената пластина се структурира, като в него се отварят зони 8 посредством свалянето на дифузионната маска там, където ще бъде извършено легирането, включително от областите, в които ще бъдат формирани силнопроводящите области 4. По време на този етап, задната страна на пластината е изцяло защитена. Така обработената монокристална силициева основна структура се нагрява до висока температура и се експонира на дифузионен източник, който в зависимост от крайния прибор за МЕМС, който е необходимо да бъде получен, може да бъде източник на:In FIG. 2 shows step 1) of the first stage of the method for forming the strongly conducting alloy region 4, for which purpose on the upper surface of the main structure - the monocrystalline silicon wafer 6 by high temperature oxidation grows a layer of silica 7 and on the back side respectively a layer of silicon dioxide 7 'with such a thickness that the layers are subsequently used as a mask in the diffusion of the alloying impurities. The layer 7 on the front side of the oxidized plate is then structured, opening zones 8 therein by removing the diffusion mask where the doping will take place, including from the areas where the highly conductive areas 4 will be formed. stage, the back of the plate is completely protected. The monocrystalline silicon base structure thus treated is heated to a high temperature and exposed to a diffusion source which, depending on the final MEMS instrument to be obtained, can be a source of:

а) р-тип легиращ примес бор, от дифузионен източник като борен бромид (ВВг₃), диборан (В₂Н₆), бор-нитрид (BN), боросилиций или други с такива свойства; илиa) p-type alloying impurity boron, from a diffusion source such as boron bromide (BBr ₃ ), diborane (B ₂ H ₆ ), boron nitride (BN), borosilicon or others with such properties; or

б) п-тип легиращи примеси: фосфор от дифузионен източник като фосфин (РН₅), фосфорен оксихлорид (РОС1₃), фосфоросилиций; арсен от дифузионен източник като арсин (AsH₅), арсенов оксид (As₂O₃) или арсенсилиций; антимон от дифузионен източник като стибин (SbH₃), антимонов оксид Sb₂O₃, антимонов пентахлорид Sb₃ С1₅ или други с такива свойства.b) n-type alloying impurities: phosphorus from a diffusion source such as phosphine (pH ₅ ), phosphorus oxychloride (POC1 ₃ ), phosphorosilicon; arsenic from a diffusion source such as arsine (AsH ₅ ), arsenic oxide (As ₂ O ₃ ) or arsensilicon; antimony from a diffusion source such as stybine (SbH ₃ ), antimony oxide Sb ₂ O ₃ , antimony pentachloride Sb ₃ C1 ₅ or others with such properties.

В едно най-предпочитано изпълнение на метода, за създаване на електрически елемент пиезорезистор върху страничните стени на приборIn a most preferred embodiment of the method, to create an electrical element piezoresistor on the side walls of the instrument

ОOh

66488 Bl за MEMC, легирането се извършва с източник на бор, като се използва например бор нитрид (BN).66488 B1 for MEMC, the doping is performed with a boron source using, for example, boron nitride (BN).

Процесът на легирането продължава до образуване на проводящи области с необходимата концентрация на легиращите примеси и може да бъде извършен по всеки известен на специалистите в областта начин, който позволява получаването на слой или област със съответна желана ниска стойност на листовото съпротивление и респективно, висока концентрация на легиращите примеси. Както споменатата концентрация, така и стойността на листовото съпротивление се определят в практиката от предназначението на получаваните прибори за МЕМС.The alloying process continues until the formation of conductive regions with the required concentration of alloying impurities and can be performed in any manner known to those skilled in the art, which allows to obtain a layer or region with a correspondingly desired low resistance and a high concentration of alloying impurities. Both the mentioned concentration and the value of the sheet resistance are determined in practice by the purpose of the received devices for MEMS.

По време на този процес легиращите йони дифундират в силициевата пластина 6 само в зоните 8, където силициевият диоксид е отстранен. Това легиране е с висока концентрация на примесите и се получават области 4 с р⁺, съответно когато се желае в дадени случаи, п⁺, легиране.During this process, the alloying ions diffuse into the silicon wafer 6 only in the zones 8 where the silica is removed. This doping has a high concentration of impurities and regions 4 with p ^{+ are obtained} , respectively, when desired in certain cases, n ⁺ doping.

По-нататък на фиг. 3 е показана стъпка 2) микрообработка на канавки, което се извършва чрез второ структуриране, ориентирано и съвместено спрямо вече структурирания първи слой силициев диоксид. Това второ ориентирано структуриране се реализира в нов слой диоксид, получен посредством нов процес на окисление, който слой диоксид е с такава дебелина, че заедно със структурирания фоторезист служи за маска при извършващото се впоследствие анизотропно ецване на силиций. Фоторезистът се структурира посредством фотолитография за дефиниране на областите на канавките 9.Further in fig. 3 shows step 2) micromachining of ditches, which is performed by a second structuring, oriented and aligned with the already structured first layer of silica. This second oriented structuring is realized in a new dioxide layer, obtained by a new oxidation process, which dioxide layer is so thick that together with the structured photoresist it serves as a mask in the subsequent anisotropic etching of silicon. The photoresist is structured by photolithography to define the areas of the grooves 9.

През структурирания по описания начин фоторезист се извършват последователно процесите на изотропно ецване, напр. мокро изотропно ецване на силициевия диоксид, и анизотропно, например дълбоко реактивно-йонно ецване (DRIE) на силиция в подложката, при което се получава канавка с дълбочина a_rmicrom. Този процес се осъществява обичайно при понижено налягане с използване на високочестотна плазма. Действителната дълбочина на канавките се определя от изискванията към параметрите на получавания електрически елемент, а в случаите на пиезорезистори това е тяхната ефективна височина. Типично, стойността на дълбочината на канавката е > 5 microm. Областта между две съседни канавки 10 е дефинирана от фотолитографския процес в стъпка 2) и в конкретния случай е с размер w' microm, като към нея може да има подходящо съвместени силнолегирани дифузионни области 4, както е илюстрирано на фиг. 3.Through the photoresist structured in the described way, the isotropic etching processes are performed sequentially, e.g. wet isotropic etching of silica, and anisotropic, for example deep reactive ion etching (DRIE) of silicon in the substrate to give a groove a _r microm deep. This process is usually performed under reduced pressure using high frequency plasma. The actual depth of the grooves is determined by the requirements to the parameters of the received electrical element, and in the case of piezoresistors this is their effective height. Typically, the value of the ditch depth is> 5 microm. The area between two adjacent grooves 10 is defined by the photolithographic process in step 2) and in the present case is w 'microm in size, and may be suitably aligned with high-alloy diffusion regions 4, as illustrated in FIG. 3.

При изпълнението на тази стъпка, за да се получат пиезорезистори върху съответните стени на формираните обособени структури в монокристалната силициева основна структура, е необходимо поне един от контурите на фотолитографското изображение да съвпада с кристалографско направление <110> на монокристалната силициева основна структура, а при последващото ецване съответните стени на формираните обособени структури да са с ориентация {110}.In performing this step, in order to obtain piezoresistors on the respective walls of the formed separate structures in the monocrystalline silicon base structure, it is necessary that at least one of the contours of the photolithographic image coincides with the crystallographic direction <110> of the monocrystalline silicon base structure. etching the respective walls of the formed separate structures to be oriented {110}.

След формирането на стените на канавките, които могат да бъдат вертикални или под наклон спрямо повърхността, и свалянето на фоторезистивната маска, се изпълнява стъпка 3) формиране на дифузионна маска върху дъното и стените на канавките, чрез следващо високотемпературно окисление, при което се получава следващ слой силициев диоксид 11. Слоят 11 се получава с такава дебелина, че да служи за маска за дифузията на легиращия примес, използван за получаване на електрическия елемент, например бор в случаите на резистори, или фосфор в случаите на диоди. В така получения маскиращ слой 11 се осъществява стъпка 4) - структуриране на дифузионната маска, посредством свалянето й от зоните, където ще бъде извършено легирането, включително от областите, в които ще бъдат формирани пиезорезисторите. Това става като върху страничните стени и на дъното на канавките се отварят зони 12 чрез сваляне на слоя силициев диоксид. За структурирането на зоните 12 се използва фотолитографски процес, при който съвместяването на фотолитографското изображение е с точността, типична за този процес, поради което части от структурирани зони, през които се легират структури, могат да бъдат разположени и на дъното на канавките.After the formation of the walls of the ditches, which can be vertical or inclined to the surface, and the removal of the photoresist mask, step 3) forming a diffusion mask on the bottom and walls of the ditches by subsequent high-temperature oxidation, where the next layer of silica 11. The layer 11 is obtained with such a thickness that it serves as a mask for the diffusion of the alloying impurity used to obtain the electrical element, for example boron in the case of resistors, or phosphorus in the case of diodes. In the masking layer 11 thus obtained, step 4) is performed - structuring the diffusion mask by removing it from the areas where the doping will be performed, including from the areas in which the piezoresistors will be formed. This is done by opening zones 12 on the side walls and at the bottom of the ditches by removing the silica layer. A photolithographic process is used to structure the zones 12, in which the alignment of the photolithographic image is with the accuracy typical of this process, due to which parts of structured zones through which structures are doped can also be located at the bottom of the ditches.

В един особено предпочитан втори вариант на изпълнение на метода съгласно изобретението за получаване на еднакви електрически елементи върху различни стени и повърхности на МЕМС, структурирането на канавките преди дифузията се извършва така, че легираните области се разполагат върху стени с различна кристалографска ориентация, в това число, и върху горната повърхност на силициевата основна структура. ТъйIn a particularly preferred second embodiment of the method according to the invention for obtaining identical electrical elements on different walls and surfaces of MEMS, the structuring of the grooves before diffusion is performed so that the doped areas are located on walls with different crystallographic orientation, including , and on the upper surface of the silicon base structure. As

66488 Bl като легирането на всички зони със свалена маска от силициев диоксид се извършва с един единствен процес на дифузия, то чрез използването на подходящо разположени структурирани зони по желание могат да се създадат легирани области с предварително зададена разлика на характеристиките на областите, или легирани области без разлики в характеристиките, но разположени върху стени с различна кристалографска ориентация. Тази особеност на метода е обяснена подробно понататък в следващите примери.66488 Bl as the alloying of all zones with the removed silica mask is performed by a single diffusion process, then by using appropriately located structured zones, alloyed areas with a predetermined difference of the characteristics of the areas or alloyed areas can be created at will. without differences in characteristics, but located on walls with different crystallographic orientation. This feature of the method is explained in detail further in the following examples.

По-нататък изпълнението на процесите от първия етап продължава със стъпка 5), в която обработената според някое от изпълненията, описани по-горе, основна силициева структура, се подлага на втора високотемпературна дифузия, подобно на тази от стъпка 1), показана на фиг. 2. Втората високотемпературна дифузия се извършва с подходящо легиране, например за получаване на пиезорезистори, и при споменатата ориентация на стените, то е с легиращ примес бор (В) от твърд източник борнитрид (BN) и концентрация 6.10¹⁶ 5.10¹⁸ cm³, като се формират легирани области 13, разположени на страничните стени и дъното на канавките. Областите на силно легиране 4 и областите на подходящо легиране за получаването на слой с определени свойства 13, се припокриват частично, като в тяхното сечение 14 легирането е двукратно. Посредством тези двукратно легирани области 14 впоследствие се осъществява галваничната връзка на областите 13 с останалите елементи на микроелектромеханичния прибор и системата за измерване.Further, the execution of the processes of the first step proceeds with step 5), in which the basic silicon structure treated according to one of the embodiments described above is subjected to a second high-temperature diffusion, similar to that of step 1) shown in FIG. . 2. The second high-temperature diffusion is carried out with a suitable alloying, for example to obtain piezoresistors, and in said wall orientation, it is boron (B) alloying solid boron nitride (BN) and a concentration of 6.10 ¹⁶ 5.10 ¹⁸ cm ³ , as doped areas 13 are formed located on the side walls and the bottom of the ditches. The areas of strong alloying 4 and the areas of suitable alloying for the formation of a layer with certain properties 13 overlap partially, and in their section 14 the alloying is double. By means of these double-alloyed areas 14, the galvanic connection of the areas 13 with the other elements of the microelectromechanical instrument and the measuring system is subsequently performed.

За получаването от легираните области на обособени един от друг, индивидуални електрически елементи върху част от страничните стени, е съществено участъци от дъното на канавката 15 и определени области от страничните стени да не са легирани. Това е предназначението на стъпка 6), при която се отстраняват ненужни легирани участъци по дъното на канавките, както е показано на фиг. 4, като по този начин се образуват електрически елементи, изолирани един от друг. Използва се анизотропно ецване на силициевата пластина, например реактивно-йонно ецване (RIE), подобно на процеса, показан на фиг. 3, през съществуващата маска от силициев диоксид, типично с дълбочина около 3-5 microm, като се отстраняват ненужните легирани участъци от дъното на канавките, обособяват се отделени един от друг електрически елементи и се увеличава дълбочината на канавките 15 с а' microm, достигайки крайната им дълбочина. Така получените от легираните области 13 обособени електрически елементи, напр. резисторите 3, са разположени върху част от стената на канавката.In order to obtain from the alloyed areas separate electrical elements on a part of the side walls, it is essential that sections of the bottom of the groove 15 and certain areas of the side walls are not alloyed. This is the purpose of step 6), in which unnecessary alloyed areas along the bottom of the ditches are removed, as shown in fig. 4, thus forming electrical elements isolated from each other. Anisotropic etching of the silicon wafer, for example reactive ion etching (RIE), is used, similar to the process shown in FIG. 3, through the existing silica mask, typically with a depth of about 3-5 microns, removing unnecessary alloyed areas from the bottom of the ditches, separating separate electrical elements and increasing the depth of the ditches 15 by a 'microm, reaching their final depth. Thus obtained from the alloyed areas 13 separate electrical elements, e.g. the resistors 3 are located on a part of the wall of the ditch.

Аксонометричен вид на така получената структура и ориентацията й спрямо кристалографските направления на силициевата пластина, са показани на фиг. 5.An axonometric view of the structure thus obtained and its orientation with respect to the crystallographic directions of the silicon wafer are shown in FIG. 5.

На фиг. 5А са показани електрически елементи, получени съгласно особено предпочитания първи вариант на изпълнение на метода, които в случая са пиезорезистори 3, имащи област на припокриване 14 със силно легираните области 4. В тази конкретна реализация, посредством три силно легирани области 4, се реализират галванични връзки към двата пиезорезистора 3. Взаимното разположение на стените на канавките с формираните в тях електрически елементи спрямо силно легираните области 4 определя посоката на електрическия ток, който тече през тези елементи.In FIG. 5A shows electrical elements obtained according to a particularly preferred first embodiment of the method, which in this case are piezoresistors 3 having a region of overlap 14 with the high-alloy regions 4. In this particular embodiment, by means of three high-alloy regions 4, galvanic realizations are realized. connections to the two piezoresistors 3. The mutual arrangement of the walls of the ditches with the electric elements formed in them in relation to the strongly alloyed areas 4 determines the direction of the electric current flowing through these elements.

На увеличения детайл на фигура 5Б е показано едно примерно разположение на пиезорезистора 3 върху цялата дължина на едната странична стена, и върху част от съседната стена. Споменатата част от страничната стена, освен че осъществява проводяща област без прекъсване в ъгъла на канавката, служи и за получаване на област на припокриване 14 с областта 4, което се дължи на дифузията в дълбочина на легиращите примеси в тази област. В нея легирането е двукратно, но сумарната концентрация е несъществено по-висока от тази на областите 4, поради голямата разлика в концентрациите на двете области.The enlarged detail of Figure 5B shows an exemplary arrangement of the piezoresistor 3 over the entire length of one side wall, and over a portion of the adjacent wall. Said part of the side wall, in addition to providing a conductive area without interruption in the corner of the ditch, also serves to obtain an area of overlap 14 with the area 4, which is due to the diffusion in depth of the alloying impurities in this area. In it the doping is twice, but the total concentration is insignificantly higher than that of regions 4, due to the large difference in the concentrations of the two regions.

На фигура 5В, е показано алтернативно изпълнение на структурата от фиг. 5Б, получено съгласно особено предпочитания втори вариант на изпълнение на метода за получаване на еднакви електрически елементи, в което върху горната повърхност са разположени допълнителни електрически елементи 16, а върху страничните стени са разположени резисторите 3 и 3'. Както бе пояснено по-горе в примера, при този вариант начинът, по който се реализира фотолитографското структуриране е ключовият процес, от който зависят и поради това, предварително могат да бъдат зададени електрическите характеристики на получаваните елементи. За специалистите вFigure 5B shows an alternative embodiment of the structure of Figure 5B. 5B obtained according to a particularly preferred second embodiment of the method for producing identical electrical elements, in which additional electrical elements 16 are arranged on the upper surface and resistors 3 and 3 'are arranged on the side walls. As explained above in the example, in this variant the way in which the photolithographic structuring is realized is the key process on which they depend and therefore, the electrical characteristics of the obtained elements can be set in advance. For professionals in

66488 Bl областта е ясно, че както може да се види от увеличения детайл на фиг, 5В, когато ъгълът между две странични стени на канавките Θ е прав, а резисторите 3 и 3', получени в първия етап на метода, са с еднакви геометрични размери, те имат еднакви 5 електрически характеристики. Аналогично, когато от своя страна, страничните стени на физически обособените структури са перпендикулярни на горната повърхност на основната силициева структура и резисторите 16, разположени в нея имат 10 подходящи геометрични размери и ръбовете на контурите им са успоредни на страничните стени, резисторите 16 имат електрически характеристики, еднакви с тези на резисторите 3 и 3'. В случаите, в които контурите на фотолитографското изображение, 15 от което са получени тези странични стени, са били ориентирани в кристалографско направление <110>, получените резистори 3 имат пиезорезистивен ефект, който е достатъчно силен и позволява използването на така получените пиезорезистори 20 за сензорни приложения. Посоката на електрическия ток през тези елементи се определя от взаимното разположение на стените на канавките с вградени електрически елементи спрямо силно легираните области 4. 2566488 B1 the area is clear that as can be seen from the enlarged detail in Fig. 5B, when the angle between two side walls of the grooves прав is right and the resistors 3 and 3 'obtained in the first stage of the method have the same geometric dimensions, they have the same 5 electrical characteristics. Similarly, when in turn the side walls of the physically separated structures are perpendicular to the upper surface of the main silicon structure and the resistors 16 located in it have 10 suitable geometric dimensions and the edges of their circuits are parallel to the side walls, the resistors 16 have electrical characteristics , identical to those of resistors 3 and 3 '. In cases where the contours of the photolithographic image 15 from which these side walls are derived have been oriented in the crystallographic direction <110>, the resulting resistors 3 have a piezoresistive effect which is strong enough to allow the use of the resulting piezoresistors 20 for sensor applications. The direction of the electric current through these elements is determined by the relative position of the walls of the ditches with built-in electrical elements relative to the highly alloyed areas 4. 25

Методът съгласно изобретението, предвижда след окончателното формиране на обособени електрически елементи, например пиезорезистори, когато се желае, реализацията на стъпка 7), при която, за да се получат и свържат подходящо повече 30 от един вид, предварително определени електрически елементи върху целите или част от вертикалните стени на канавките или да се формират участъци без електрически елементи съобразно предназначението на структурата, да се повтарят 35 определени стъпки от последователността от стъпки 1) до 6) толкова пъти, колкото е необходимо в условия, които са адаптирани да водят до получаването на съответните елементи. В този случай както обработената основна структура с 40 формирани обособени електрически елементи, така и горната повърхност на пластината се подлагат отново на процеси на ецване, окисление, структуриране и на последващо маскирано легиране в зависимост от еластичния микроелектроме- 45 ханичен елемент, който се желае да бъде получен. За целта се извършва ново подходящо високотемпературно дифузионно легиране, предшествано както е описано по-горе, от процес на ецване на избрани според случая участъци от 50 обработваната структура, включително участъци, разположени върху вече съществуващите канавки. Когато се ецват участъци, разположени в канавки, тяхната дълбочина се увеличава с ai microm, където i представя поредността на съответния процес на дифузия, последван от процес на подходящо маскирано легиране, и ново ецване на дълбочина ai' microm. Всички тези процеси се осъществяват след формиране на първоначално обособените електрически елементи, включително процесът на ецване след легирането за отстраняване на избрани участъци, както това, описано в стъпка 6).The method according to the invention provides, after the final formation of separate electrical elements, for example piezoresistors, where desired, the implementation of step 7), in which, in order to obtain and connect suitably more than 30 of one type, predetermined electrical elements on the whole or part from the vertical walls of the ditches or to form sections without electrical elements according to the purpose of the structure, to repeat 35 certain steps of the sequence of steps 1) to 6) as many times as necessary in conditions that are adapted to lead to the relevant elements. In this case, both the treated base structure with 40 formed separate electrical elements and the upper surface of the plate are again subjected to processes of etching, oxidation, structuring and subsequent masked alloying depending on the elastic microelectromechanical element, which is desired to be received. For this purpose, a new suitable high-temperature diffusion alloying is performed, preceded as described above, by a process of etching selected sections of the treated structure, including sections located on already existing ditches. When etching areas located in ditches, their depth is increased by ai microm, where i represents the sequence of the corresponding diffusion process, followed by a process of suitably masked doping, and new etching at depth ai 'microm. All these processes take place after the formation of the initially separated electrical elements, including the etching process after doping to remove selected areas, as described in step 6).

Допълнително, в един вариант на изпълнение на стъпка 7) от първия етап на метода, съгласно изобретението, е възможно при получаването чрез дифузия на всеки две последователни подходящо легирани области процесът на ецване след първото легиране и този на ецване преди второто да се обединят в един процес, ако избраните условия го позволяват и ако е технологично изгодно.Additionally, in one embodiment of step 7) of the first step of the process according to the invention, it is possible to obtain by diffusion of any two successive suitably doped regions the etching process after the first doping and the etching process before the second to be combined into one. process if the selected conditions allow it and if it is technologically advantageous.

Такъв обединен процес на ецване е използван във варианта на изпълнение на стъпка 7) от първия етап на метода съгласно изобретението, показан на фиг. 6. В него за получаването на допълнителни електрически елементи от вида р-п диоди след един процес на ецване, обединяващ аналогичните процеси от стъпки 6) и 2), който води до увеличаване дълбочината на недеформируемите легирани канавки с al microm, се извършва маскирано легиране чрез повтаряне на стъпки от 3) до 5), като се използва легиращ примес фосфор, при което се получава п-тип легирана област, еднотипна по проводимост с тази на основната монокристална силициева пластина. След ново изпълнение на ецването от стъпка 6) за образуване на участък 17 с дълбочина al' microm се обособява елементът 18. В резултат се получават структури, съдържащи в страничните си стени освен всеки един от отделните елементи 3 и 18, също така и нов елемент с електрически изправяща функция на контакта към подложка (т.е. диод), с характеристики, определени от р-п прехода на границата на тези две области, както е показано на фиг. 6. В този случай, поради наличието както на елементи с р-тип проводимост, така и на елементи с п-тип проводимост, за да се формират връзки към съответните елементи изпълнението на стъпка 7) включва и изграждането на съответната допълнителна силнолегирана област, както еSuch a combined etching process is used in the embodiment of step 7) of the first step of the process according to the invention shown in FIG. 6. In it for the production of additional electrical elements of the type p-p diodes after one etching process combining the analogous processes of steps 6) and 2), which leads to increasing the depth of non-deformable alloyed grooves with al microm, masked alloying is performed by repeating steps 3) to 5) using a phosphorus doping impurity, whereby a n-type doped region is obtained, identical in conductivity to that of the base single crystal silicon wafer. After a new execution of the etching from step 6) to form a section 17 with depth al 'microm, the element 18 is formed. As a result, structures are obtained, containing in their side walls, in addition to each of the individual elements 3 and 18, also a new element. with an electrically rectifying function of the contact to the substrate (i.e. a diode), with characteristics determined by the p-n junction of the boundary of these two regions, as shown in FIG. 6. In this case, due to the presence of both p-type conductivity elements and n-type conductivity elements, in order to form connections to the respective elements, the implementation of step 7) includes the construction of the respective additional high-alloy area, as well as is

66488 Bl описано в стъпка 1).66488 B1 described in step 1).

Съществена особеност на метода съгласно настоящото изобретение, по-специално на неговия първи етап е обстоятелството, че процесите на структурирано легиране се извършват само по време на изпълнението на първия етап с използване на класическата технология за дифузионно легиране през маска върху повърхности, включително странични стени на недеформируеми структури, каквито са канавките, показани на фиг. 5. Както е разкрито в примерните изпълнения на първия етап на метода по-горе в настоящото описание, към момента на приключване на процесите на легиране все още никакви деформируеми структури и/или елементи, такива като греди, ребра или други, с голямо съотношение височина към ширина, не са структурирани. При това, откритата нова комбинация от паралелно извършвани процеси върху недеформируемите в хода на цялата спомената обработка структури създаде изненадващо неочакваната възможност по страничните стени на легираните недеформируеми канавки да се изгради последователност от няколко легирани области с еднакъв или различен тип на проводимост, включително и чрез по-нататъшно повтаряне на описаните процеси, но като се използват обичайни материали и оборудване. Така изобретението има предимството, че осигурява метод за практическа реализация на структури за прибори за МЕМС, с образувани области по цялата 3 0 височина или част от височината на страничните стени на получаваните микромеханични елементи, а също и по горната им повърхност, които области могат да са не само от един тип за формиране на електрически елементи, а последователност от 35 области, типът на проводимостта на всяка една от които може да е различен от този на заобикалящите я, като при това р-п преходите могат да се защитават. Освен това, процесът на дифузия позволява легираните области 13 и обособените 40 електрически елементи 3 да бъдат получени върху произволно ориентирани повърхности и стени. Друго предимство на комбинацията от процеси от първия етап на метода, съгласно изобретението е това, че така получените физически обособени 45 структури - канавки, могат да имат произволни геометрични размери, включително например, разстоянията w' между канавките 10, които могат да бъдат приблизително равни на дълбочината им, по-големи или по-малки от дълбочината им. От 50An essential feature of the method according to the present invention, in particular in its first stage, is the fact that the structured alloying processes are carried out only during the execution of the first stage using the classical technology for diffusion alloying through a mask on surfaces, including side walls. non-deformable structures, such as the grooves shown in FIG. 5. As disclosed in the exemplary embodiments of the first step of the method above in the present description, at the time of completion of the alloying processes there are still no deformable structures and / or elements, such as beams, ribs or others, with a high height ratio. to width are not structured. Moreover, the discovered new combination of parallel processes on the non-deformable structures during the whole mentioned processing created a surprisingly unexpected opportunity to build a sequence of several alloyed areas with the same or different type of conductivity on the side walls of the alloyed non-deformable grooves, including by - further repetition of the described processes, but using usual materials and equipment. Thus, the invention has the advantage that it provides a method for the practical implementation of MEMS instrument structures, with formed areas along the entire height or part of the height of the side walls of the obtained micromechanical elements, as well as on their upper surface, which areas can are not only of one type for the formation of electrical elements, but a sequence of 35 areas, the type of conductivity of each of which may be different from that of the surrounding, and the p-n junctions can be protected. In addition, the diffusion process allows the alloyed areas 13 and the separate electrical elements 3 to be obtained on randomly oriented surfaces and walls. Another advantage of the combination of processes of the first stage of the method according to the invention is that the thus physically distinct 45 groove structures can have arbitrary geometric dimensions, including, for example, the distances w 'between the grooves 10, which can be approximately equal to of their depth, greater or less than their depth. From 50

9 своя страна, височината на пиезорезисторите също може да бъде произволна, доколкото се определя от дълбочината на ецване ат и е ограничена само от крайната дебелина d на микроелектромеханичния елемент, напр. микроконзолата, която се желае да бъде получена.9 in turn, the height of the piezoresistors can also be arbitrary, as long as it is determined by the etching depth at and is limited only by the final thickness d of the microelectromechanical element, e.g. the microconsole to be obtained.

Особено важно и неочаквано предимство на метода съгласно настоящото изобретение, е възможността да се получават еднакви електри10 чески елементи върху различни стени и повърхности на прибори за МЕМС, когато се прилага особено предпочитания втори вариант на изпълнение на процесите на фотолитографско структуриране от първия етап. Така създадените 15 съгласно втория вариант на изпълнение електрически елементи с еднакви характеристики, но разположени върху различни повърхности могат да изпълняват различни функции в МЕМС. Например, по време на измервания сравняването 20 на изменението на съпротивлението на два еднакви пиезорезистора, получени съгласно настоящото изобретение и разположени върху две стени с различно функционално предназначение или върху два участъка на една стена с различна експозиция 25 на определено въздействие дава еднозначна информация за разликата на отклика на МЕМС на изследваното въздействие. Поради това МЕМС приборите, получени по метода, съгласно изобретението освен че притежават разширена функционалност, също така притежават и значително по-висока точност, възпроизводимост и чувствителност на измерванията.A particularly important and unexpected advantage of the method according to the present invention is the possibility of obtaining the same electrical elements on different walls and surfaces of MEMS devices, when the particularly preferred second embodiment of the photolithographic structuring processes of the first step is applied. Thus created according to the second embodiment, electrical elements with the same characteristics but located on different surfaces can perform different functions in the MEMS. For example, during measurements, the comparison 20 of the change in resistance of two identical piezoresistors obtained according to the present invention and located on two walls with different functional purpose or on two sections of one wall with different exposure 25 to a certain impact gives unambiguous information about the difference of the MEMS response to the studied impact. Therefore, the MEMS instruments obtained by the method according to the invention, in addition to having extended functionality, also have significantly higher accuracy, reproducibility and sensitivity of the measurements.

Втори етап: Повърхностно микроструктуриране за получаване на деформируеми междинни микроелектромеханични структуриSecond stage: Surface microstructuring to obtain deformable intermediate microelectromechanical structures

По-нататък обработената в първия етап структура се подлага във втория етап на повърхностно микроструктуриране, включващо следните стъпки, илюстрирани на фиг. 7 до фиг. 11:Further, the structure treated in the first step is subjected to a surface microstructuring in the second step, comprising the following steps illustrated in FIG. 7 to FIG. 11

1) Обединяване чрез процеси на ецване на недеформируеми легирани канавки с формирани по време на тези процеси новообособени структури и получаване на деформируеми междинни микроелектромеханични структури и новообособени допълнителни електрически елементи;1) Combining by etching processes of non-deformable alloy grooves with newly formed structures formed during these processes and obtaining deformable intermediate microelectromechanical structures and newly formed additional electrical elements;

2) Получаване на изолиращо покритие;2) Obtaining an insulating coating;

3) Структуриране на маската за ецване от обратната страна на пластината;3) Structuring the etching mask on the back of the plate;

4) Отлагане на проводящия слой за връзки между електрическите елементи и структуриране4) Deposition of the conductive layer for connections between electrical elements and structuring

66488 Bl на маската за ецването му.66488 Bl on the etching mask.

На фиг. 7 е показан структуриран фоторезист 19, който се използва в едно предпочитано изпълнение на стъпка 1) от втори етап на метода за създаване на съвместени към канавките 5 новообособени микромеханични структури. Фотолитографското изображение в този фоторезист се съвместява към вече съществуващите структурирани локално легирани канавки, така че след последващите процеси на ецване да образуват 10 обединена структура с новоформираните микромеханични структури. Съвместяването между двата фотолитографски структурирани слоя, формиращи обединените деформируеми структури, е с голям толеранс и не влияе съществено върху 15 параметрите на получаваните прибори за МЕМС, когато те са проектирани подходящо, дори ако се използват за измерване на сили и премествания в латерално направление. За специалистите в областта е ясно, че процесите от стъпка 1) могат да се 20 реализират по различни начини, като в метода, съгласно изобретението за предпочитане е използването на обичаен позитивен фоторезист, нанесен по обичайния метод на центробежно разстилане. 25In FIG. 7 shows a structured photoresist 19 which is used in a preferred embodiment of step 1) of the second step of the method for creating newly formed micromechanical structures aligned with the grooves 5. The photolithographic image in this photoresist is combined with the already existing structured locally doped grooves, so that after the subsequent etching processes they form 10 united structure with the newly formed micromechanical structures. The alignment between the two photolithographically structured layers forming the combined deformable structures is highly tolerable and does not significantly affect the 15 parameters of the resulting MEMS instruments when they are properly designed, even if used to measure forces and lateral displacements. It will be apparent to those skilled in the art that the processes of step 1) may be performed in a variety of ways, with the method of the invention preferably using a conventional positive photoresist applied by a conventional centrifugal spreading method. 25

През така структурирания фоторезист 19 се ецва слоят силициев диоксид 20, получен от слоя 7 чрез нарастване, което е резултат от всички изпълнени последващи процеси на окисление, за получаването на зони 21, през които се формират 30 деформируеми междинни микроелектромеханични структури, такива като неосвободени микроконзоли.Through the photoresist 19 thus structured, the silica layer 20 obtained from the layer 7 is etched by growth, which is the result of all subsequent oxidation processes performed, to obtain zones 21 through which 30 deformable intermediate microelectromechanical structures are formed, such as unreleased microconsoles. .

В структурите, получени след първия етап на метода съгласно изобретението, включително 35 структура, получена съгласно особено предпочитания втори вариант на изпълнение на фотолитографското структуриране, водещ до получаване на еднакви електрически елементи, процесите на структуриране на слоя силициев 40 диоксид от втория етап могат по желание да бъдат извършени така, че новоформираните странични стени имат различна ориентация. Чрез използване на подходящи структурирани зони в така създадената маска за ецването, което се извършва в един 45 процес за всички зони със структурирана маска, се създават еднакви, или с предварително зададена разлика на механичните характеристики, микромеханични структури. Чрез подходящо свързване на такива микромеханични структури 50 могат да се реализират разнообразни варианти, при които се получава усилване или компенсиране на отклика на определени въздействия. Добавянето на тази допълнителна функционалност (обединяването на две и повече структури), се извършва изцяло в стъпка 1) на втория етап.In the structures obtained after the first step of the process according to the invention, including the structure obtained according to the particularly preferred second embodiment of the photolithographic structuring, resulting in identical electrical elements, the processes of structuring the silica layer of the second step can optionally to be made so that the newly formed side walls have a different orientation. By using suitable structured zones in the etching mask thus created, which is carried out in one process for all zones with a structured mask, the same, or with a predetermined difference of mechanical characteristics, micromechanical structures are created. By suitably connecting such micromechanical structures 50, a variety of embodiments can be realized in which the response to certain impacts is enhanced or compensated. The addition of this additional functionality (merging of two or more structures) is done entirely in step 1) of the second stage.

В едно предпочитано изпълнение на изобретението се създават структурирани зони 21, които могат да бъдат разположени включително и в областите 10 между две съседни канавки. В тях се извършва дълбоко ецване през маска от структуриран фоторезист 19 и силициев диоксид 20.In a preferred embodiment of the invention, structured zones 21 are created, which can be located including in the areas 10 between two adjacent grooves. They are deeply etched through a mask of structured photoresist 19 and silicon dioxide 20.

На фиг. 8 е показан резултатът от дълбокото ецване на канавките 22 в обработваната монокристална силициева структура посредством процес, подобен на процеса на ецване, илюстриран на фиг. 4, при което се формира междинна микроконзолна структура, в която са обединени новообособената еластична структура 23, несъдържаща електрически елементи, с областта 10, която междинна микроконзолна структура представлява деформируем елемент. Дълбочината а на ецване на канавките 22 се определя от дълбочините на предшестващите ецвания на силиций с дълбочини съответно ar, ar', ai и ai* и от параметрите на изходната силициева пластина, като е в сила зависимостта:In FIG. 8 shows the result of the deep etching of the grooves 22 in the treated single crystal silicon structure by a process similar to the etching process illustrated in FIG. 4, in which an intermediate microconsole structure is formed, in which the newly formed elastic structure 23, which does not contain electrical elements, is united with the region 10, which intermediate microconsole structure represents a deformable element. The etching depth a of the grooves 22 is determined by the depths of the previous silicon etchings with depths ar, ar ', ai and ai * respectively and by the parameters of the initial silicon wafer, as the dependence is in force:

а > а_г + а/ + Σ(α, + aft + TTV, (2) където:a> a _d + a / + Σ (α, + aft + TTV, (2) where:

а_г и а_г' са дълбочините на канавките след описаните ецвания за получаване на пиезорезистор, ai са дълбочините на ецване преди; а' са дълбочините на ецване след i-тото по ред легиране за получаване на обособени електрически елементи, когато е извършено такова; TTV е общата неравномерност на изходната силициева пластина по дебелина.a _r and a _r 'are the depths of the grooves after the described etches to obtain a piezoresistor, and ai are the depths of etching before; a 'are the etching depths after the i-th doping in order to obtain separate electrical elements, when such is performed; TTV is the total unevenness of the output silicon wafer in thickness.

От това съотношение за дълбочините на ецване следва, че последната ецвана структура ще бъде с най-голяма дълбочина от всички възможни комбинации от предшестващи ецвания. Ето защо, въпреки вариациите на дебелината на изходната пластина при последващите процеси на освобождаване на структурите в третия етап, именно последната ецвана структура сред всички подобни елементи ще бъде достигната най-напред при избирателното ецване от задната страна.It follows from this ratio for the etching depths that the last etched structure will have the greatest depth of all possible combinations of previous etchings. Therefore, despite the variations in the thickness of the starting plate in the subsequent processes of releasing the structures in the third stage, it is the last etched structure among all such elements that will be reached first in the selective etching on the back side.

Съществена особеност на настоящото изобретение е това, че цели странични стени илиAn essential feature of the present invention is that the entire side walls or

66488 Bl части от тях на формираните в първия етап канавки с разположени в тях електрически елементи, в това число пиезорезистори, са странични стени или части от тях и на новите обединени деформируеми междинни микроелектромеханични структури. 566488 B1 parts thereof of the grooves formed in the first stage with electrical elements located therein, including piezoresistors, are side walls or parts thereof and of the new combined deformable intermediate microelectromechanical structures. 5

Възможно е едновременно с изпълнение на процеса на ецване на канавките 22 да се прекъсват определени вече формирани проводящи области, връзки между тях и електрически елементи, като по този начин се обособяват части от тях в 10 допълнителни отделни електрически елементи.It is possible to interrupt certain already formed conductive areas, connections between them and electrical elements simultaneously with the process of etching the grooves 22, thus separating parts of them into 10 additional separate electrical elements.

По избор тази последователност на процесите от втория етап може да бъде повторена до получаване на желаната структура в силициевата основна структура. 15Optionally, this sequence of processes from the second step can be repeated to obtain the desired structure in the silicon base structure. 15

По такъв начин се формират неосвободени от подложката деформируеми междинни микроелектромеханични структури, в страничните стени на които са разположени по избор, повече от един еднакви или различни електрически 20 елементи, свързани директно или посредством подходящи други елементи със силно проводящите елементи на повърхността на обработената силициева структура.In this way, deformable intermediate microelectromechanical structures not released from the substrate are formed, in the side walls of which are optionally located more than one identical or different electrical 20 elements connected directly or by suitable other elements to the highly conductive elements on the surface of the treated silicon structure. .

На фиг. 9 е показан аксонометричен изглед 25 на структура след процеса на ецване на канавките 22. Обединената деформируема междинна микроконзолна структура в описвания конкретен вариант на изпълнение се състои от областите 10 и 23 и съдържа съвместени към стените й електри- 30 чески елементи 3, които имат области на припокриване 14 със силнопроводящите области 4.In FIG. 9 is an axonometric view 25 of a structure after the process of etching the ditches 22. The combined deformable intermediate microconsole structure in the described specific embodiment consists of areas 10 and 23 and comprises electrical elements 3 connected to its walls, which have areas of overlap 14 with the strongly conducting areas 4.

Когато при изпълнение на стъпка 1) в областта между две съседни канавки 10 не се структурира област 21, респективно не се формира 3 5 съответната допълнителна канавка, както е показано в примера на фиг. 5, то ширината w на така получената обединена деформируема структура е равна на разстоянието между две съседни канавки w', от която зависят стойностите на еластичните константи 40 на структурата.When, in step 1), a region 21 is not structured in the area between two adjacent grooves 10, respectively the corresponding additional groove is not formed, as shown in the example of FIG. 5, the width w of the thus formed combined deformable structure is equal to the distance between two adjacent grooves w ', on which the values of the elastic constants 40 of the structure depend.

Повърхностното микроструктуриране за обединяване на локално легираните канавки с новообразувани микромеханични структури може да бъде извършено така, че новоформираните 45 междинни микроелектромеханични структури да съдържат произволна комбинация от: i) множество електрически елементи върху странични стени с различна ориентация, в това число и върху горната повърхност на силициевата основна структура със 5 0 или без зададена разлика на електрическите характеристики, и/или ii) множество микромеханични структури, например канавки, ребра и т.н., с различна ориентация със зададена разлика на механичните характеристики на тези структури.Surface microstructure for joining locally doped grooves with newly formed micromechanical structures can be performed so that the newly formed 45 intermediate microelectromechanical structures contain any combination of: i) multiple electrical elements on side walls of different orientation, including the upper surface of the the silicon main structure with or without a difference in electrical characteristics, and / or ii) a plurality of micromechanical structures, eg grooves, ribs, etc., with different orientations with a difference in the mechanical characteristics of these structures.

При изпълнение на процесите на ецване за реализиране на описаното по-горе обединение се формират същевременно и връзките между микромеханичните елементи.When performing the etching processes for the realization of the combination described above, the connections between the micromechanical elements are formed at the same time.

Съществено предимство на деформируемите микроелектромеханични структури, получавани в резултат на изпълнението на така описаните дотук процеси от първия етап и стъпка 1) от втория етап на метода съгласно изобретението е тяхната значително увеличена чувствителност. Този неочаквано получен ефект се дължи на обстоятелството, че за разлика от микроелекгромеханичните елементи, получавани по известните досега методи, които имат ниска чувствителност поради ниската степен на припокриване на областите с максимално механично напрежение с областите на пиезорезисторите, настоящото изобретение предоставя метод за получаване на пиезорезистори, които са разположени върху стените на еластичните структури точно в областите с максимално механично напрежение по осите X и Y, което резултира в максимална чувствителност за сила или преместване на така получените сензори.A significant advantage of the deformable microelectromechanical structures obtained as a result of the implementation of the processes described so far from the first stage and step 1) from the second stage of the method according to the invention is their significantly increased sensitivity. This unexpected effect is due to the fact that unlike the microelectromechanical elements obtained by the hitherto known methods, which have low sensitivity due to the low degree of overlap of the areas of maximum mechanical stress with the areas of piezoresistors, the present invention provides a method for producing piezoresistors , which are located on the walls of the elastic structures exactly in the areas with maximum mechanical stress on the X and Y axes, which results in maximum sensitivity to force or displacement of the sensors thus obtained.

След формирането на деформируемите междинни микроелектромеханични структури, описано по-горе, се изпълнява стъпка 2) получаване на изолиращо защитно покритие на всички електрически елементи, напр. получено при последващо високотемпературно окисление, при което се получава слой силициев диоксид 24, както е показано на фиг. 10. Този слой служи за повърхностна защита на р-п преходите, и в същото време за изолация между електрическите елементи, напр. резисторите, и последващия метален проводящ слой. В резултат от това окисление страничните стени на всички структури, включително тези с формирани електрически елементи, се покриват със слой силициев диоксид.After the formation of the deformable intermediate microelectromechanical structures described above, step 2) is performed to obtain an insulating protective coating on all electrical elements, e.g. obtained by subsequent high-temperature oxidation to give a silica layer 24, as shown in FIG. 10. This layer serves for surface protection of p-n junctions, and at the same time for insulation between electrical elements, e.g. the resistors, and the subsequent metal conductive layer. As a result of this oxidation, the side walls of all structures, including those with formed electrical elements, are covered with a layer of silica.

По-нататък силициевият диоксид 7' на задната страна на пластината се подлага на обработката от стъпка 3) за структуриране посредством фотолитографски процеси и мокро изотропно ецване, изпълнявани по начин, идентичен с описания по-горе за процесите от първия етап. ВFurther, the silica 7 'on the back of the plate is subjected to the treatment of step 3) for structuring by photolithographic processes and wet isotropic etching, performed in a manner identical to that described above for the processes of the first stage. IN

66488 Bl резултат от провеждането на тази стъпка, при която лицевата страна на пластината е защитена тя се структурира чрез отваряне на зони 25.66488 B1 of the result of carrying out this step, in which the front side of the plate is protected, it is structured by opening zones 25.

Накрая се изпълнява стъпка 4) отлагане на слоя за връзки между електрическите елементи и 5 структуриране на маската за ецването му, като за целта предварително върху лицевата страна на пластината се нанася фоторезист 26 и той се експонира с фотомаска за отваряне на контактни отвори 27 в слоя силициев диоксид 24, както е 10 илюстрирано на фиг. 10. На фиг. 11 е показан резултатът от два последователни процеса: отлагането на слой метал 28 на лицевата страна и структурирането на фоторезистивна маска 29 за ецване на този слой при формирането на връзките 15 между елементите.Finally, step 4) depositing the layer for connections between the electrical elements and 5 structuring the mask for its etching, by pre-applying a photoresist 26 on the front side of the plate and exposing it with a photomask to open contact holes 27 in the layer. silica 24 as 10 is illustrated in FIG. 10. In FIG. 11 shows the result of two successive processes: the deposition of a layer of metal 28 on the front side and the structuring of a photoresist mask 29 for etching this layer in the formation of the connections 15 between the elements.

Трети етап: Обемно микроструктуриране на деформируемите междинни микроелектромеханични структури и получаване на прибори за МЕМСThird stage: Volumetric microstructuring of the deformable intermediate microelectromechanical structures and preparation of MEMS devices

Така получената във втория етап обработена 20 силициева структура се подлага след това на процесите от трети етап, състоящ се от следната последователност от стъпки:The silicon structure thus obtained in the second step is then subjected to the processes of the third step, consisting of the following sequence of steps:

1) Обемно ецване на задната страна на силициевата пластина до достигане на предва- 25 рително зададена дебелина на остатъчния слой,1) Volumetric etching of the back side of the silicon wafer until a predetermined thickness of the residual layer is reached,

2) Освобождаване на деформируемите междинни микроелектромеханични структури от връзка със силициевата основа,2) Release of the deformable intermediate microelectromechanical structures from bonding with the silicon base,

3) Селективно ецване на слоя силициев 30 диоксид,3) Selective etching of the silica 30 dioxide layer,

4) Маскирано ецване на слоя метал от двете страни на силициевата основа (пластина) за формиране на електрическите връзки между елементите. 354) Masked etching of the metal layer on both sides of the silicon base (plate) to form the electrical connections between the elements. 35

Едно пред почитано изпълнение на третия етап за обемно микроструктуриране на еластични микроелектромеханични елементи е показано на фиг. 12 - фиг. 14, от които:A preferred embodiment of the third step for bulk microstructuring of elastic microelectromechanical elements is shown in FIG. 12 - FIG. 14, of which:

Фиг. 12 илюстрира стъпка 1), при която 40 силициевата пластина се подлага на обемно анизотропно ецване от обратната й страна, като се получава структура 30. Предпочитаният начин за осъществяване на този процес е във воден разтвор на калиев хидроксид (КОН), като се използва 45 маската от силициев диоксид 7'. Това ецване се извършва по обичайния за практиката начин до получаване на тънък остатъчен слой 31 с дебелина, например 10 microm, като по време на процеса лицевата страна е защитена. 5 0FIG. 12 illustrates step 1) in which 40 the silicon wafer is subjected to bulk anisotropic etching on the reverse side to give structure 30. The preferred way to carry out this process is in aqueous potassium hydroxide (KOH) solution using 45 the silica mask 7 '. This etching is carried out in the manner customary in practice to obtain a thin residual layer 31 with a thickness of, for example, 10 microns, the face being protected during the process. 5 0

След това се извършва стъпка 2) последващо освобождаване на деформируемите междинни микроелектромеханични структури, напр. микроконзоли, с разположени върху страничните им стени пиезорезистори, както е показано на фиг. 13, посредством избирателно ецване на слоя силиций 31. За целта се използва напр., реактивно йонно изотропно ецване (RIE), което се извършва от същата страна на силициевата структура, както при ецването в стъпка 1). Ецването на силиция в стъпка 2) е без маска и се преустановява при достигане на слоя силициев диоксид 24.Then step 2) subsequent release of the deformable intermediate microelectromechanical structures, e.g. microconsoles with piezoresistors located on their side walls, as shown in fig. 13, by selective etching of the silicon layer 31. For example, reactive ion isotropic etching (RIE) is used for this purpose, which is performed on the same side of the silicon structure as in the etching in step 1). The etching of the silicon in step 2) is unmasked and is stopped when the silica layer 24 is reached.

По-нататък се осъществява стъпка 3), при която слоят силициев диоксид 24 се ецва самосъвместено през маската от структура 32, получена след ецване на слоя 31, както е илюстрирано на фиг. 13, посредством използването на изотропно реактивно йонно ецване (RIE) на силициев диоксид, от обратната страна на пластината, аналогично на стъпка 2). Ецването се преустановява при достигане на слоя метал 28.Step 3) is further performed, in which the silica layer 24 is etched self-aligned through the mask of structure 32 obtained after etching the layer 31, as illustrated in FIG. 13, by using isotropic reactive ion etching (RIE) of silica, on the reverse side of the plate, analogously to step 2). Etching is stopped when the metal layer is reached 28.

Накрая се изпълнява стъпка 4) - маскирано ецване на слоя метал от двете страни на силициевата пластина. Както е показано на фиг. 14, за мокрото ецване на слоя метал се използва маската 29 и се получават металните пътечки 5, служещи за връзки между елементите. След ецването на метала, фоторезистът се сваля. Последният процес при получаването на дифузионните резистори е отгряването на металния слой, наричан също така синтеровка. Чрез така формираните метални пътечки се свързват електрическите елементи върху стените на микроелектромеханичните елементи с външни елементи и вериги.Finally, step 4) is performed - masked etching of the metal layer on both sides of the silicon wafer. As shown in FIG. 14, the mask 29 is used for the wet etching of the metal layer and the metal tracks 5 are used, which serve as connections between the elements. After etching the metal, the photoresist is removed. The last process in the production of diffusion resistors is the annealing of the metal layer, also called sintering. The electric elements on the walls of the microelectromechanical elements are connected with external elements and circuits through the thus formed metal paths.

На фиг. 15 е показан аксонометричен вид на МЕМС прибор, получен по метода от настоящото изобретение, в който микроконзолата е с ефективна ширина d, определяща се съгласно уравнението ά = α-δ, (3) където а е дълбочината на ецване във втория етап, определена чрез неравенството (2), абе параметър, отчитащ неравномерностите в дебелината на пластината и неравномерностите на процесите на ецване на структурите в третия етап, по време на освобождаването на микромеханичните елементи в стъпки 1), 2) и 3).In FIG. 15 shows an axonometric view of a MEMS instrument obtained by the method of the present invention, in which the microconsole has an effective width d determined according to the equation ά = α-δ, (3) where a is the etching depth in the second step determined by inequality (2), abe a parameter taking into account the irregularities in the thickness of the plate and the irregularities of the etching processes of the structures in the third stage, during the release of the micromechanical elements in steps 1), 2) and 3).

66488 Bl66488 Bl

Прилагането на метода, съгласно изобретението, откри неочаквано в третия етап, новата технологична възможност чрез целенасочено изменение на параметъра δ да се получават предварително зададени стойности на еластичните и други характеристики на микроелектромеханичната структура с висока точност. За тази цел, след извършването на процесите от стъпка 2) от третия етап, когато се желае настройка на ефективната ширина d, се извършва допълнително ецване за коригиране на конкретния параметър δ на микроконзолата. Процесът на ецване, който се изпълнява е подобен на процеса на ецване на остатъчния слой 31.The application of the method according to the invention unexpectedly discovered in the third stage, the new technological possibility to obtain predetermined values of the elastic and other characteristics of the microelectromechanical structure with high accuracy by purposefully changing the parameter δ. For this purpose, after performing the processes of step 2) of the third stage, when it is desired to adjust the effective width d, additional etching is performed to correct the specific parameter δ of the microconsole. The etching process that is performed is similar to the etching process of the residual layer 31.

Като се използват изводите 33 и 34, представляващи връзки от структурирани метални пътечки 5, всеки контактуващ посредством съответната от двете обозначени отделни силнопроводящи области 4 и чрез припокриването в областите 14, с двата края на единия, видим на фиг. 15 пиезорезистор 3, могат да бъдат провеждани измервания напр. на изменението на стойността на електрическото му съпротивление. По избор, по аналогичен начин, посредством свързването на изводите 34 и 35 може да бъде измервано изменението на съпротивлението на пиезорезистора 3, разположен върху долната повърхност на микроконзолата. Посредством описаното по-горе измерване на стойностите на измененията на съпротивленията на тези, един или два, пиезорезистора 3 може да се оцени, напр. отместването Ах на свободния край на микроконзолата под въздействие на силата F, както е показано на фиг. 15.Using the terminals 33 and 34, which are connections of structured metal tracks 5, each contacting by means of the respective of the two marked separate conductive areas 4 and by overlapping in the areas 14, with the two ends of one visible in FIG. 15 piezoresistor 3, measurements can be made e.g. of the change in the value of its electrical resistance. Optionally, in a similar manner, by changing the terminals 34 and 35, the change in resistance of the piezoresistor 3 located on the lower surface of the microconsole can be measured. By measuring the values of the changes in the resistances of these, one or two, the piezoresistor 3 can be evaluated above, e.g. the displacement Ah of the free end of the microconsole under the influence of the force F, as shown in fig. 15.

Методът, съгласно настоящото изобретение, притежава същественото технологично предимство, изразяващо се в това, че ефективната дебелина на получаваните по него микромеханични елементи, в случая w, се определя от един фотолитографски процес и не зависи от разсъвместяването между различни фотолитографски нива. Доколкото познатите от практиката методи за изпълнение на фотолитография позволяват този параметър да се получава с достатъчна равномерност по една пластина и да се възпроизвежда от пластина-допластина с висока точност, то тази точност създава възможност за промишлено производство на прибори за МЕМС с възпроизводими зададени характеристики.The method according to the present invention has the essential technological advantage that the effective thickness of the micromechanical elements obtained thereon, in this case w, is determined by a single photolithographic process and does not depend on the alignment between different photolithographic levels. As far as the methods of photolithography known in practice allow this parameter to be obtained with sufficient uniformity on one plate and to be reproduced from plate-plate with high accuracy, this accuracy creates an opportunity for industrial production of MEMS devices with reproducible set characteristics.

Друго съществено предимство на описания метод за получаване на микроконзолни или други подобни деформируеми елементи на прибори за МЕМС е, че той дава възможност да бъдат получавани едновременно елементи с различни съотношения между геометричните им характеристики ширина w и дебелина d. Доколкото това съотношение определя предпочитаното направление надеформация, то методът предоставя възможност за едновременното реализиране както на елементи с предпочитано направление на деформация по оста Z, когато е изпълнено условието:Another significant advantage of the described method for obtaining microconsole or other similar deformable elements of MEMS devices is that it allows to obtain simultaneously elements with different ratios between their geometrical characteristics width w and thickness d. Insofar as this ratio determines the preferred direction of deformation, the method provides the possibility for the simultaneous realization of elements with a preferred direction of deformation along the Z axis, when the condition is fulfilled:

d w, (4) така и на елементи с предпочитано направление на деформация по оста X, при изпълнено условие dw,(5)d w, (4) and of elements with a preferred direction of deformation along the X axis, under the condition dw, (5)

В тези случаи по-малкият по стойност от двата параметъра d и w, определя еластичните константи на микроконзолите при деформации в съответните предпочитани направления.In these cases, the smaller of the two parameters d and w determines the elastic constants of the microconsoles in deformations in the respective preferred directions.

Еластичният елемент е без направление на предпочитана деформация, когато е изпълнено условието d ~ w (6)The elastic element is without direction of preferred deformation when the condition d ~ w (6) is fulfilled

Когато се получават микроконзоли, за които е изпълнено условието d > 2w, те имат чувствителност към странични деформации, а формираните в страничните им стени пиезорезистори могат да се използват като сензори за сила или отместване в това направление. При такива деформации технологично определените параметри ширина w и дебелина d на микроконзолата разменят функционалните си роли в сравнение със случая на деформируема в направление Z микроконзола.When microconsoles are obtained for which the condition d> 2w is fulfilled, they are sensitive to lateral deformations, and the piezoresistors formed in their side walls can be used as sensors for force or displacement in this direction. In such deformations, the technologically determined parameters width w and thickness d of the microconsole exchange their functional roles in comparison with the case of a deformable microconsole in the Z direction.

Claims

1. A method of making MEMS devices with electrical elements in their side walls, comprising the process of processing a semiconductor main structure by high-temperature diffusion alloying through a structured mask to build electrical elements on a side surface, characterized in that the method consists from:

first stage, in which highly conductive alloys are formed in the semiconductor structure

1 4

66488 B1 areas, followed by obtaining by structured surface etching of detachable non-deformable structures in the form of ditches, then forming and structuring a diffusion mask on the bottom and side walls 5 of said detachable non-deformable structures, followed by subsequent diffusion, and by removing excess alloying of electrical elements is performed, in which all or part of the processes from etching 10 of the detachable non-deformable structures in the form of grooves to the separation of electrical elements are repeated as many times as necessary to obtain said non-deformable structures with more than one 15 electric elements arranged one above the other, having the same or predetermined differences in their electrical characteristics, each new mask being used for each subsequent structuring; 20 a second step in which a further surface microstructure of the processed semiconductor structure is performed through another structured mask, which process unites parts of the detachable non-deformable structures 25 in the form of grooves having doped areas and / or electrical elements in their side walls together with newly formed micromechanical structures without electrical elements in their side walls, to obtain deformable intermediate microelectromechanical structures and separate electrical elements on the front surface and in the side walls, and then above all structures create an insulating layer, and after structuring, a metal layer for connections; and 35 in a third step, volumetric microstructuring of the deformable intermediate microelectromechanical structures is performed by sequential selective etching processes, and said microelectromechanical structures 40 are released and conductive connections are formed between the electrical elements to form stand-alone MEMS devices.

Method according to claim 1, characterized in that in the first step, 45 the diffusion masked etching processes carried out before each of the structured diffusion processes are processes performed through a photolithographic mask combined with the structured doped areas of the surface. of structuring on the upper surface and on newly formed side walls of the processed semiconductor structure, as on the mentioned structured surface and newly formed side walls are structured alloyed areas and electrical elements with identical or predetermined differences in their electrical characteristics, then in the second stage of the method, by etching through another photolithographically structured mask, newly formed micromechanical structures without alloyed areas and / or electrical elements are combined with parts of already created separate non-deformable structures in the form of grooves with alloyed areas and electrical element in their side walls, obtaining deformable intermediate microelectromechanical structures with respectively identical or with predetermined differences in their mechanical and / or electrical characteristics, and in the third stage through processes of selective etching connections are formed between the electrical elements and the resulting deformable intermediate microelectromechanical structures are released in devices with the same or predetermined differences in the characteristics of the electrical elements, depending on the application of the MEMS devices.

Method according to any one of the preceding claims, characterized in that in the first step a monocrystalline silicon structure is used as a single crystal semiconductor structure and the separate non-deformable grooved structures are locally doped and obtained by subjecting the surface to a single crystal semiconductor structure of diffusion alloying through a silica mask in structured zones, to the formation in the zones of doped conductive regions, which have a concentration of impurities determined by the desired characteristics of the obtained electrical element, and then in the processed silicon structure joint microstructuring of ditches through a new layer of silica, after which a diffusion mask of silica is formed, a new structuring is performed in it and at least one subsequent high-temperature diffusion is carried out, followed by an etching process,

66488 Bl in which the unnecessary alloyed areas are removed from the bottom of the non-deformable ditches, electrical elements are formed in their side walls and the final depth of the ditches is reached.

Method according to any one of the preceding claims, characterized in that in the first step the first process of high-temperature diffusion on the treated silicon surface is carried out with a boron alloying impurity to obtain a strongly conductive region of p + type, and the height of each a successively doped region obtained by high-temperature diffusion is determined by the depth of the corresponding zone obtained as a result of a previous structured etching process.

Method according to any one of the preceding claims, characterized in that in the second step the new micromechanical structures without electrical elements are created by etching through another structured mask and are optionally arranged including in the space between the non-deformable grooves and above the formed deformable intermediate microelectromechanical structures and newly formed electrical elements create an insulating layer, and after structuring a metal layer is deposited for connections between the elements and to external elements and circuits, and in the third stage the successive processes of selective etching for volumetric microstructuring. of said deformable intermediate microelectromechanical structures, MEMS devices are obtained, performed on the back of the structure, the insulating coating and the metal layer being used to limit the respective successive processes of selective etching, and finally the etching of metallic its layer, through which the connections between the electrical elements are formed.

Method according to any one of the preceding claims, characterized in that in the first stage self-aligned to the side walls of the detachable non-deformable structures electric elements piezoresistors by constructing the front surface of a single-crystal silicon structure, a highly doped region with an alloying boron impurity, after which the treated single-crystal silicon structure is subjected to a further process of photolithographic structuring, oriented so that the crystallographic orientation of the walls of the etched silicon microelectromechanical elements is {110}, after which a second suitable surface is carried out in the thus structured new surfaces. high-temperature diffusion alloying with boron alloying impurity and subsequent separation of electrical elements by removing unnecessary alloyed parts.

Method according to any one of the preceding claims, characterized in that the separation of electrical elements is carried out in the first and second stages, in the side walls of the detachable non-deformable structures in the form of grooves of the treated single crystal silicon structure, or respectively of the intermediate microelectromechanical structures, by removing by etching selected sections of the respective structures or elements.

Method according to any one of the preceding claims, characterized in that the successive alloying processes for forming the highly conductive regions and the at least one suitable high-temperature diffusion alloying are carried out with partial overlapping of the obtained two or more alloying regions, at which forms a contact region through which continuous conductive chains are formed in the processed single crystal silicon structure.

Method according to any one of the preceding claims, characterized in that in the second step the combined deformable intermediate microelectromechanical structures are obtained by performing at least one etching process to form micromechanical structures without electrical elements, with a total etching depth. of the silicon basic structure a, determined in accordance with the condition:

a> a _r + a _r '+ X (ai + _ai ') + TTV, where:

ar and at ¹ are the depths of: the initial etching of the non-deformable grooves to obtain an alloyed area with a given type of conductivity, and respectively, etching to separate an electrical element with piezoresistive properties,

66488 Bl ai is the etching depth before, a ai 'is the etching depth after the next i-th alloying to create alloyed areas and elements, when performed, and

TTV is the total unevenness of the initial silicon structure.

Method according to any one of the preceding claims, characterized in that in the second step the construction of the insulating layer is carried out by high-temperature oxidation after the last etching process to create deformable intermediate microelectromechanical structures, whereby a protective insulating coating is obtained. on all surfaces and the electrical elements located on them.

Method according to any one of the preceding claims, characterized in that in the third stage the successive processes of selective etching of the back side of the silicon structure include volume anisotropic etching until a predetermined thickness is reached, after which selective etching of silicon until the silica layer is reached and the deformable microelectromechanical elements are released, and subsequent selective etching of the silica layer is performed until the metal layer is reached, which is then subjected to a selectively masked etching process on both sides of the forming structure. of the connections between the electrical elements.

Method according to any one of the preceding claims, characterized in that the electrical elements obtained on the side walls of the MEMS devices are piezoresistors.