RU2597657C1 - Method of making sensitive elements of gas concentration sensors - Google Patents

Method of making sensitive elements of gas concentration sensors Download PDF

Info

Publication number
RU2597657C1
RU2597657C1 RU2015113719/28A RU2015113719A RU2597657C1 RU 2597657 C1 RU2597657 C1 RU 2597657C1 RU 2015113719/28 A RU2015113719/28 A RU 2015113719/28A RU 2015113719 A RU2015113719 A RU 2015113719A RU 2597657 C1 RU2597657 C1 RU 2597657C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
sensitive elements
substrate
etching
aqueous solution
anisotropic etching
Prior art date
Application number
RU2015113719/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Денис Сергеевич Веселов
Юрий Александрович Воронов
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "Планар-МИФИ"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "Планар-МИФИ" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "Планар-МИФИ"
Priority to RU2015113719/28A priority Critical patent/RU2597657C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2597657C1 publication Critical patent/RU2597657C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Weting (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Fluid Adsorption Or Reactions (AREA)

Abstract

FIELD: measuring equipment; instrumentation.
SUBSTANCE: invention relates to production of means of identifying impurities of gases and determining concentration of gases in air. Method of making sensitive elements of sensors of gas concentration according to invention involves application of dielectric film on face side of silicon substrate, forming a film structure of sensitive elements and creation of thin dielectric membranes by anisotropic etching of silicon substrate on back side, conducted in two steps, first before application of dielectric film, and second after all operations for creating structure of sensitive elements with preliminary protection against etchant front side of substrate, wherein first step of etching is carried out in aqueous solution of a mixture of ethylene diamine with pyrocatechol, and then in aqueous solution of potassium hydroxide, and second step is performed only in aqueous solution of a mixture of ethylene diamine with pyrocatechol.
EFFECT: invention enables to obtain thin (1-5 mcm) dielectric membranes throughout substrate area simultaneously and higher yield of sensitive elements in production process thereof.
1 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к области микроэлектроники, в частности к технологии изготовления полупроводниковых структур, являющихся элементной базой функциональной микроэлектроники и может быть использовано в технологии изготовления интегральных чувствительных элементов с тонкими диэлектрическими мембранами для датчиков концентрации газа.The invention relates to the field of microelectronics, in particular, to the technology of manufacturing semiconductor structures, which are the element base of functional microelectronics and can be used in the technology of manufacturing integral sensitive elements with thin dielectric membranes for gas concentration sensors.

Существуют различные способы формирования полупроводниковых чувствительных элементов с тонкими диэлектрическими мембранами для датчиков концентрации газа.There are various methods for forming semiconductor sensitive elements with thin dielectric membranes for gas concentration sensors.

Известен способ получения датчика концентрации газа на тонкой диэлектрической мембране [1]. На кремниевой подложке формируют диэлектрическую мембрану. На мембране последовательно формируют резистивный нагреватель, слой изолирующего диэлектрика и пленку чувствительного материала. Мембрану выполняют круглой, резистивный нагреватель - в форме незамкнутого кольца, центр которого совпадает с центром круглой мембраны, а его внешний радиус меньше радиуса круглой мембраны. Пленочные контакты нагревателя выполняют на свободных торцевых кромках резистивного нагревателя. Недостаток способа заключается в том, что тонкую диэлектрическую мембрану формируют методом изотропного травления кремния, при котором затруднительно получить заданную форму и размеры.A known method of obtaining a sensor of gas concentration on a thin dielectric membrane [1]. A dielectric membrane is formed on the silicon substrate. A resistive heater, an insulating dielectric layer and a film of sensitive material are sequentially formed on the membrane. The membrane is made round, the resistive heater is in the form of an open ring, the center of which coincides with the center of the round membrane, and its outer radius is smaller than the radius of the round membrane. The film contacts of the heater are performed on the free end edges of the resistive heater. The disadvantage of this method is that a thin dielectric membrane is formed by isotropic etching of silicon, in which it is difficult to obtain a given shape and size.

Известен способ формирования диэлектрических мембран методом анизотропного травления вплавь [2]. На лицевой стороне кремниевой подложки формируют структуру датчика, а затем проводят анизотропное травление кремния вплавь, лицевой стороной вверх, т.е. травитель контактирует только с обратной стороной подложки. Недостаток состоит в том, что данным способом практически невозможно добиться равномерного вытравливания кремния из полостей под мембраной. Это обусловлено тем, что процесс травления сопровождается выделением газа, который скапливается в полостях и препятствует равномерному доступу травителя к образцу, не позволяя одновременно получить мембраны по всей площади подложки. В то же время этот способ не обеспечивает надежную защиту чувствительного слоя, т.к. он постоянно находится под воздействием паров травителя.A known method of forming dielectric membranes by anisotropic etching by swimming [2]. A sensor structure is formed on the front side of the silicon substrate, and then anisotropic etching of the silicon is carried out by swimming, face up, i.e. The etchant only contacts the back of the substrate. The disadvantage is that this method is almost impossible to achieve uniform etching of silicon from the cavities under the membrane. This is due to the fact that the etching process is accompanied by the release of gas, which accumulates in the cavities and prevents uniform access of the etchant to the sample, not allowing simultaneous production of membranes over the entire area of the substrate. At the same time, this method does not provide reliable protection of the sensitive layer, because it is constantly under the influence of etchant vapors.

Известен способ изготовления датчиков концентрации газа на основе диэлектрической мембраны, выполненной на кремниевой подложке [3]. Способ включает нанесение диэлектрической пленки на лицевую сторону кремниевой подложки, формирование на пленке элементов структуры датчика - нагревателя, чувствительного слоя и контактных площадок и создание тонкой диэлектрической мембраны методом анизотропного травления кремниевой подложки с обратной стороны. Причем после формирования на поверхности подложки диэлектрического слоя и структуры датчика, перед этапом одностороннего анизотропного травления, подложки разделяют на отдельные кристаллы, которые устанавливают методом "перевернутого кристалла" в ячейки на заранее заготовленных ситалловых платах при помощи токопроводящего клея или припоя. Затем производят вытравливание кремния до образования мембран. Способ отличается большой трудоемкостью, т.к. обработку каждого кристалла проводят индивидуально.A known method of manufacturing gas concentration sensors based on a dielectric membrane made on a silicon substrate [3]. The method includes applying a dielectric film to the face of a silicon substrate, forming on the film elements of the sensor structure — a heater, a sensitive layer and contact pads, and creating a thin dielectric membrane by anisotropic etching of the silicon substrate from the back. Moreover, after the dielectric layer and the sensor structure are formed on the surface of the substrate, before the one-sided anisotropic etching step, the substrates are separated into separate crystals, which are installed by the “inverted crystal” method in the cells on pre-prepared sitall plates using conductive glue or solder. Then, silicon is etched to form membranes. The method is very labor intensive, because the processing of each crystal is carried out individually.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению и принятым в качестве прототипа является способ изготовления универсальных датчиков концентрации газа на основе диэлектрических мембран, выполненных на кремниевой подложке [4]. Способ включает нанесение диэлектрической пленки на лицевую сторону кремниевой подложки, формирование на пленке элементов структуры датчика и создание тонкопленочной диэлектрической мембраны анизотропным травлением кремниевой подложки с обратной стороны. Анизотропное травление проводят в два этапа, причем первый - до нанесения диэлектрической пленки, а второй - после завершения всех операций формирования элементов структуры датчика, с предварительной защитой лицевой стороны подложки от травителя, при этом одновременно формируют разделительные полосы между кристаллами глубиной от 30% до 40% от толщины подложки. В этом способе не приводят составы растворов травителей и режимы проведения процессов травления как для первого, так и для второго этапов анизотропного травления.Closest to the proposed invention and adopted as a prototype is a method of manufacturing universal gas concentration sensors based on dielectric membranes made on a silicon substrate [4]. The method includes applying a dielectric film to the front side of the silicon substrate, forming the sensor structure elements on the film, and creating a thin film dielectric membrane by anisotropic etching of the silicon substrate from the back side. Anisotropic etching is carried out in two stages, the first one before applying a dielectric film, and the second after completing all the operations of forming structural elements of the sensor, with preliminary protection of the front side of the substrate from the etchant, while dividing strips between crystals from 30% to 40 deep are formed % of the thickness of the substrate. In this method, the compositions of the etchant solutions and the modes of conducting etching processes for both the first and second stages of anisotropic etching are not given.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является возможность получения тонких (1-5 мкм) диэлектрических мембран по всей площади подложки одновременно, что обеспечивает снижение трудоемкости технологического процесса и повышение выхода годных чувствительных элементов датчиков концентрации газа в процессе их изготовления в целом.The technical result of the invention is the ability to obtain thin (1-5 μm) dielectric membranes over the entire area of the substrate at the same time, which reduces the complexity of the process and increases the yield of sensitive sensors of gas concentration sensors during their manufacture as a whole.

Это достигается тем, что в известном способе изготовления чувствительных элементов датчиков концентрации газа, включающем нанесение диэлектрической пленки на лицевую сторону кремниевой подложки, формирование структуры чувствительных элементов и создание тонких диэлектрических мембран методом анизотропного травления кремниевой подложки с обратной стороны, проводимого в два этапа, первый до нанесения диэлектрической пленки, а второй после завершения всех операций формирования структуры чувствительных элементов с предварительной защитой от травителя лицевой стороны подложки, анизотропное травление кремния на первом этапе проводят сначала в водном растворе смеси этилендиамина с пирокатехином, а затем в водном растворе гидроокиси калия, а на втором этапе только в водном растворе смеси этилендиамина с пирокатехином.This is achieved by the fact that in the known method for manufacturing the sensitive elements of gas concentration sensors, including applying a dielectric film to the front side of the silicon substrate, forming the structure of the sensitive elements and creating thin dielectric membranes by anisotropic etching of the silicon substrate from the back, carried out in two stages, the first to applying a dielectric film, and the second after completion of all operations of forming the structure of sensitive elements with preliminary Protecting the front side of the substrate from an etchant, anisotropic etching of silicon in the first stage is carried out first in an aqueous solution of a mixture of ethylene diamine and pyrocatechol, and then in an aqueous solution of potassium hydroxide, and in the second stage only in an aqueous solution of a mixture of ethylene diamine and pyrocatechol.

При этом так же, как и в известном способе, анизотропным травлением одновременно формируют разделительные полосы между кристаллами, но в отличие от прототипа предлагаемый способ обеспечивает лучший контроль глубины разделительных полос в процессе изготовления чувствительных элементов. Это достигается благодаря контролируемому началу травления разделительных полос, а не посредством смыкания плоскостей с кристаллографической ориентацией (111) в процессе анизотропного травления, как это характерно для прототипа. Для этого при подготовке подложек к проведению анизотропного травления кремния в областях разделительных полос слой маскирующего термического окисла кремния удаляют частично, что исключает их травление в водном растворе смеси этилендиамина с пирокатехином на первом этапе. Затем, в процессе травления в водном растворе гидроокиси калия, остаточный маскирующий слой в областях разделительных полос удаляется, и они начинают травиться. Применение предложенного способа позволяет контролируемо начать процесс травления разделительных полос на завершающей стадии первого этапа анизотропного травления кремния, по окончании которого разделительные полосы протравливаются частично. Основной протрав разделительных полос формируют на втором этапе анизотропного травления кремния, что способствует обеспечению надежного вакуумного прижима и повышению жесткости подложки на этапах формирования структуры чувствительных элементов, а также повышает выход годных изделий.In this case, as in the known method, anisotropic etching simultaneously forms dividing strips between the crystals, but in contrast to the prototype, the proposed method provides better control of the depth of the dividing strips in the manufacturing process of sensitive elements. This is achieved due to the controlled start of etching of the dividing strips, and not by closing planes with crystallographic orientation (111) during anisotropic etching, as is typical for the prototype. To this end, when preparing the substrates for anisotropic etching of silicon in the regions of the separation strips, the masking thermal silicon oxide layer is partially removed, which excludes their etching in an aqueous solution of a mixture of ethylenediamine with pyrocatechol in the first stage. Then, during the etching process in an aqueous solution of potassium hydroxide, the residual mask layer in the areas of the dividing strips is removed, and they begin to be etched. The application of the proposed method allows you to start the process of etching the separation strips at the final stage of the first stage of anisotropic etching of silicon, at the end of which the separation strips are partially etched. The main mordant of the dividing strips is formed at the second stage of anisotropic etching of silicon, which helps to ensure reliable vacuum pressing and increase the rigidity of the substrate at the stages of formation of the structure of sensitive elements, and also increases the yield of suitable products.

Сущность изобретения заключается в том, что процесс образования мембран осуществляют равномерным травлением кремниевой подложки за счет полного ее погружения в травитель, но при этом, благодаря двухэтапному анизотропному травлению, минимизируют время воздействия травителя на подложку со сформированной структурой чувствительных элементов, что позволяет обеспечить надежную защиту лицевой стороны подложки со сформированными чувствительными слоями от агрессивных травителей. На первом этапе посредством анизотропного травления сначала в водном растворе смеси этилендиамина с пирокатехином, а затем в водном растворе гидроокиси калия формируют рельеф полостей под мембранами на максимально возможную глубину (от 80% до 90% толщины подложки). При этом формируют рельеф разделительных полос на минимально возможную глубину (от 10% до 20% толщины подложки). Для надежного разделения подложек на отдельные кристаллы в результате двух этапов анизотропного травления общая глубина разделительных полос должна составлять треть от толщины подложки. Это делают для того, чтобы сократить время травления на втором этапе - окончательном дотравливании, которое производится при герметично защищенной лицевой стороне подложки, а также повысить жесткость подложки за счет частичного формирования разделительных полос. Необходимость уменьшения времени дотравливания вызвана тем, что при контакте с травителем известные защитные покрытия разрушаются, а контакт травителя с элементами структуры датчика, особенно с чувствительным слоем, недопустим. Поэтому надежная защита лицевой стороны готовой структуры датчика возможна только в течение сравнительно короткого промежутка времени. Одновременное формирование анизотропным травлением разделительных полос между кристаллами обусловлено недопустимостью применения известных способов разделения подложки на отдельные кристаллы ввиду неизбежного загрязнения чувствительных слоев и обеспечивает легкость разделения подложки на отдельные кристаллы.The essence of the invention lies in the fact that the process of membrane formation is carried out by uniform etching of the silicon substrate due to its complete immersion in the etchant, but at the same time, due to two-stage anisotropic etching, the exposure time of the etchant on the substrate with the formed structure of sensitive elements is minimized, which ensures reliable protection of the face sides of the substrate with sensitive layers formed by aggressive etchants. At the first stage, by anisotropic etching, first in an aqueous solution of a mixture of ethylenediamine with pyrocatechol, and then in an aqueous solution of potassium hydroxide, the relief of the cavities under the membranes is formed to the maximum possible depth (from 80% to 90% of the substrate thickness). At the same time, the relief of the dividing strips is formed to the minimum possible depth (from 10% to 20% of the thickness of the substrate). For reliable separation of the substrates into individual crystals as a result of two stages of anisotropic etching, the total depth of the separation bands should be one third of the thickness of the substrate. This is done in order to reduce the etching time in the second stage - the final etching, which is carried out with a hermetically protected front side of the substrate, and also to increase the rigidity of the substrate due to the partial formation of dividing strips. The need to reduce the time of etching is caused by the fact that upon contact with the etchant, the known protective coatings are destroyed, and the contact of the etchant with the elements of the sensor structure, especially with the sensitive layer, is unacceptable. Therefore, reliable protection of the front side of the finished sensor structure is possible only for a relatively short period of time. The simultaneous formation of dividing bands between the crystals by anisotropic etching is due to the inadmissibility of using known methods of separating the substrate into individual crystals due to the inevitable contamination of sensitive layers and provides ease of separation of the substrate into individual crystals.

Таким образом, вся совокупность признаков способа изготовления чувствительных элементов датчиков концентрации газа обеспечивает равномерное формирование мембран устройства по всей площади подложки без риска губительного воздействия травителя на структуру чувствительного элемента и материал мембраны, что обеспечивает высокий уровень выхода годных устройств в процессе их изготовления.Thus, the entire set of features of the method for manufacturing the sensitive elements of gas concentration sensors ensures uniform formation of the device’s membranes over the entire substrate area without the risk of the destructive effect of the etchant on the structure of the sensitive element and the membrane material, which ensures a high level of suitable devices during their manufacturing.

Пример реализации способа.An example implementation of the method.

Сущность способа поясняется чертежами на фиг. 1 - фиг. 4. На фиг. 1 показана структура кристалла чувствительного элемента перед первым этапом анизотропного травления кремния. На фиг. 2 показана структура кристалла чувствительного элемента после травления в водном растворе смеси этилендиамина с пирокатехином на первом этапе анизотропного травления кремния. На фиг. 3 показана структура кристалла чувствительного элемента по окончании первого этапа анизотропного травления кремния после травления в водном растворе гидроокиси калия. На фиг. 4 показана готовая структура кристалла чувствительного элемента по окончании второго этапа анизотропного травления кремния в водном растворе смеси этилендиамина с пирокатехином.The essence of the method is illustrated by drawings in FIG. 1 - FIG. 4. In FIG. 1 shows the crystal structure of the sensor before the first stage of anisotropic etching of silicon. In FIG. Figure 2 shows the crystal structure of the sensor after etching in an aqueous solution of a mixture of ethylenediamine with pyrocatechol at the first stage of anisotropic etching of silicon. In FIG. Figure 3 shows the crystal structure of the sensor at the end of the first stage of anisotropic etching of silicon after etching in an aqueous solution of potassium hydroxide. In FIG. Figure 4 shows the finished crystal structure of the sensor at the end of the second stage of anisotropic etching of silicon in an aqueous solution of a mixture of ethylenediamine with pyrocatechol.

Для реализации способа изготовления чувствительных элементов датчиков концентрации газа используют кремниевую подложку 1 ориентации (100).To implement a method for manufacturing the sensitive elements of gas concentration sensors, a silicon substrate 1 of orientation (100) is used.

Первоначально формируют слой 2 термического окисла кремния, используемый в дальнейшем в качестве маскирующего слоя при анизотропном травлении (далее - маскирующий слой). Толщина маскирующего слоя 2 должна быть достаточной для того, чтобы провести анизотропное травление на всю толщину подложки 1. Использование в качестве травителя водного раствора смеси этилендиамина с пирокатехином, ввиду высокой стойкости к травлению в нем термического окисла кремния, позволяет уменьшить требуемую для получения сквозного протрава полостей 3 под мембранами толщину маскирующего слоя 2, что упрощает технологический процесс изготовления чувствительных элементов. Для кремниевых подложек стандартных размеров, толщиной до 1 мм, для обеспечения сквозного протрава полостей 3 под мембранами предложенным способом требуется маскирующий слой 2 толщиной не более 1 мкм. При использовании в качестве анизотропного травителя только водного раствора гидроокиси калия маскирующего слоя 2 толщиной 1 мкм не достаточно даже для получения протрава полостей 3 под мембранами на глубину 400 мкм.Initially, layer 2 of thermal silicon oxide is formed, which is subsequently used as a masking layer during anisotropic etching (hereinafter, the masking layer). The thickness of the masking layer 2 should be sufficient to conduct anisotropic etching over the entire thickness of the substrate 1. Using an aqueous solution of a mixture of ethylenediamine and pyrocatechol as an etchant, due to the high resistance to thermal etching of thermal silicon oxide in it, reduces the required cavities to obtain through etching 3 under the membranes, the thickness of the mask layer 2, which simplifies the manufacturing process of sensitive elements. For silicon substrates of standard sizes, up to 1 mm thick, to provide a through etch of the cavities 3 under the membranes by the proposed method, a mask layer 2 with a thickness of not more than 1 μm is required. When using only an aqueous solution of potassium hydroxide as an anisotropic etching agent, a masking layer 2 of a thickness of 1 μm is not even enough to obtain etching of the cavities 3 under the membranes to a depth of 400 μm.

Затем, исходя из толщины полученного маскирующего слоя 2, проводят расчет режимов изотропного травления. Задачей на данном этапе является формирование рисунка в маскирующем слое 2, представленного на фиг. 1, позволяющего в процессе первого этапа анизотропного травления получить необходимый рельеф подложки 1, представленный на фиг. 3.Then, based on the thickness of the obtained masking layer 2, the calculation of the modes of isotropic etching. The task at this stage is to create a pattern in the masking layer 2 shown in FIG. 1, which makes it possible to obtain the necessary relief of the substrate 1 shown in FIG. 1 during the first stage of anisotropic etching. 3.

На первом этапе анизотропного травления получают как можно более глубокие полости 3 под мембраной, при этом травление разделительных полос 4 начинают, когда полости 3 уже протравлены от 60% до 70% от общей толщины подложки 1. Таким образом, на первом этапе анизотропного травления полости 3 вытравливают от 80% до 90% от общей толщины подложки 1, тогда как глубина разделительных полос 4 не должна превышать по окончании первого этапа травления от 20% до 30% от общей толщины подложки 1. Перед первым этапом анизотропного травления кремния, для формирования необходимого рельефа в маскирующем слое, представленного на фиг. 1, проводят две фотолитографии.In the first stage of anisotropic etching, the deepest cavities 3 under the membrane are obtained, while the etching of the separation bands 4 begins when the cavities 3 are already etched from 60% to 70% of the total thickness of the substrate 1. Thus, in the first stage of anisotropic etching of the cavity 3 from 80% to 90% of the total thickness of the substrate 1 is etched, while the depth of the dividing strips 4 should not exceed 20% to 30% of the total thickness of the substrate 1 at the end of the first etching stage. Before the first anisotropic etching of silicon, to form the necessary relief in the masking layer shown in FIG. 1, two photolithographs are performed.

Первую, двустороннюю, фотолитографию проводят для взаимной ориентации топологии кристалла на лицевой и обратной сторонах подложки и формирования рисунка окон 5 в маскирующем слое 2 для создания полостей 3 под мембранами. Для этого изотропным травлением в буферном травителе на обеих сторонах подложки в маскирующем слое 2 создают рисунок временных меток совмещения и одновременно на обратной стороне подложки в маскирующем слое 2 создают рисунок окон 5.The first, two-sided, photolithography is carried out for the mutual orientation of the crystal topology on the front and back sides of the substrate and the formation of a pattern of windows 5 in the masking layer 2 to create cavities 3 under the membranes. For this, isotropic etching in the buffer etcher on both sides of the substrate in the masking layer 2 creates a pattern of timestamps and simultaneously on the reverse side of the substrate in the masking layer 2 creates a pattern of windows 5.

Затем для формирования в маскирующем слое 2 рисунка окон 6 для создания разделительных полос 4 по обратной стороне подложки 1 проводят вторую фотолитографию. Изотропное травление при этом проводится не на всю толщину маскирующего слоя 2. Остаточная толщина маскирующего слоя 2 в областях разделительных полос 4 должна быть достаточной для того, чтобы на первом этапе анизотропного травления кремния, полностью исключить травление разделительных полос 4 в водном растворе смеси этилендиамина с пирокатехином, а также исключить травление разделительных полос 4 в водном растворе гидроокиси калия до тех пор, пока в полостях 3 под мембранами протрав не составит от 60% до 70% от общей толщины подложки 1.Then, to form windows 6 in the masking layer 2, to create dividing strips 4 on the back of the substrate 1, a second photolithography is performed. In this case, isotropic etching is not carried out on the entire thickness of the masking layer 2. The residual thickness of the masking layer 2 in the regions of the dividing strips 4 must be sufficient so that, at the first stage of anisotropic etching of silicon, the etching of the dividing strips 4 in an aqueous solution of a mixture of ethylenediamine with pyrocatechol is completely excluded and also to exclude etching of dividing strips 4 in an aqueous solution of potassium hydroxide until the etching in the cavities 3 under the membranes is from 60% to 70% of the total thickness of the substrate 1.

Затем проводят первый этап анизотропного травления кремния. Сначала травление проводится при температуре 100°С в водном растворе этилендиамина с пирокатехином. Массовые доли компонентов травителя: 11 частей этилендиамина, 4 части пирокатехина, 5 частей воды. Плотность раствора при комнатной температуре составляет 1,055 г/см3. В результате в подложке 1 формируется рельеф, представленный на фиг. 2. Затем травление проводится при температуре 100°С в водном растворе гидроокиси калия. Массовые доли компонентов травителя: 3 части гидроокиси калия, 7 частей воды. Плотность раствора при комнатной температуре составляет 1,242 г/см2. Для дополнительного контроля начала анизотропного травления кремния в областях разделительных полос 4 и обеспечения равномерности их травления допускается остановка процесса травления кремния в водном растворе гидроокиси калия для удаления в буферном травителе остаточного маскирующего слоя 2 из областей разделительных полос 4. В результате первого этапа анизотропного травления в подложке 1 формируется рельеф, представленный на фиг. 3.Then carry out the first stage of anisotropic etching of silicon. First, etching is carried out at a temperature of 100 ° C in an aqueous solution of ethylenediamine with pyrocatechol. Mass fraction of the components of the etchant: 11 parts of ethylenediamine, 4 parts of catechol, 5 parts of water. The density of the solution at room temperature is 1,055 g / cm 3 . As a result, the relief shown in FIG. 2. Then the etching is carried out at a temperature of 100 ° C in an aqueous solution of potassium hydroxide. Mass fraction of the components of the etchant: 3 parts of potassium hydroxide, 7 parts of water. The density of the solution at room temperature is 1.242 g / cm 2 . To further control the onset of anisotropic etching of silicon in the regions of the separation bands 4 and to ensure uniformity of etching, it is possible to stop the etching of silicon in an aqueous solution of potassium hydroxide to remove the residual mask layer 2 from the regions of the separation bands 4 in the buffer etchant. As a result of the first stage of anisotropic etching in the substrate 1, the relief shown in FIG. 3.

Затем на лицевой стороне подложки 1 в буферном травителе стравливают маскирующий слой 2 до остаточной толщины порядка 100 нм. После этого на остаточный слой наносят диэлектрическую мембранную пленку 7 из оксинитрида кремния, например, методом реактивного магнетронного распыления кремниевой мишени. Элементное соотношение компонентов мембранной пленки: 2 части кремния, 1 часть кислорода, 1 часть азота. Использование в качестве диэлектрической мембраны пленки 7 предложенного состава способствует повышению выхода годных чувствительных элементов благодаря стойкости пленки к травлению в водном растворе смеси этилендиамина с пирокатехином на втором этапе анизотропного травления. Также использование пленки 7 предложенного состава за счет близости значений коэффициентов линейного температурного расширения пленки и кремния способствует снижению возникающих в процессе изготовления и эксплуатации чувствительных элементов механических напряжений на границе раздела мембрана - подложка и приводит к повышению выхода годных и сроку службы чувствительных элементов.Then, the mask layer 2 is etched on the front side of the substrate 1 in a buffer etchant to a residual thickness of about 100 nm. After that, a dielectric membrane film 7 of silicon oxynitride is applied to the residual layer, for example, by reactive magnetron sputtering of a silicon target. The elemental ratio of the components of the membrane film: 2 parts of silicon, 1 part of oxygen, 1 part of nitrogen. The use of film 7 of the proposed composition as a dielectric membrane improves the yield of suitable sensitive elements due to the resistance of the film to etching in an aqueous solution of a mixture of ethylenediamine with pyrocatechol in the second stage of anisotropic etching. Also, the use of film 7 of the proposed composition due to the proximity of the values of the coefficients of linear thermal expansion of the film and silicon helps to reduce mechanical stresses arising during the manufacturing and operation of sensitive elements at the membrane-substrate interface and leads to an increase in the yield and service life of sensitive elements.

Затем проводят этапы формирования структуры чувствительных элементов. На лицевой стороне подложки, в центре предполагаемых мембран, при помощи взрывной фотолитографии формируют резистивные нагревательные элементы 8, резистивные датчики температуры 9 и контактные площадки 10 к чувствительным слоям 11. Контактные площадки от всех сформированных элементов выносят за пределы мембран.Then carry out the steps of forming the structure of sensitive elements. On the front side of the substrate, in the center of the proposed membranes, resistive heating elements 8, resistive temperature sensors 9 and contact pads 10 to the sensitive layers 11 are formed using explosive photolithography. Contact pads from all the formed elements are carried outside the membranes.

Далее реактивным магнетронным распылением на лицевой стороне подложки формируют слой изолирующего диэлектрика 12 из оксинитрида кремния того же элементного соотношения, что и мембранная пленка 7. После чего проводят вскрытие в слое изолирующего диэлектрика 12 окон к контактным площадкам 10 к чувствительным слоям 11, а также вскрытие окон к контактным площадкам всех элементов структуры чувствительных элементов. Затем проводят операции формирования чувствительных слоев 11. В зависимости от того, концентрацию какого газа необходимо определять изготавливаемыми чувствительными элементами, подбирают нужный материал чувствительных слоев 11. Ограничений по применению известных способов формирования чувствительных слоев для предлагаемого способа изготовления чувствительных элементов датчиков концентрации газа нет.Next, reactive magnetron sputtering on the front side of the substrate form an insulating dielectric layer 12 of silicon oxynitride of the same elemental ratio as the membrane film 7. Then, windows are opened in the insulating dielectric layer 12 to the contact pads 10 to the sensitive layers 11, and the windows are opened to the pads of all elements of the structure of sensitive elements. Then, the operations of forming the sensitive layers are carried out 11. Depending on the concentration of which gas it is necessary to determine by the manufactured sensitive elements, the desired material of the sensitive layers is selected 11. There are no restrictions on the use of the known methods for forming the sensitive layers for the proposed method for manufacturing the sensitive elements of the gas concentration sensors.

После формирования структуры чувствительных элементов проводят второй этап анизотропного травления кремния при температуре 80°С в водном растворе смеси этилендиамина с пирокатехином, состав которого соответствует предложенному для первого этапа анизотропного травления. При этом лицевую сторону подложки 1 со сформированной структурой чувствительного элемента герметично защищают от попадания на нее травителя. В результате второго этапа травления получают диэлектрические мембраны. Затем подложку 1 с готовыми чувствительными элементами извлекают из защитного устройства и разламывают по разделительным полосам 4 на отдельные кристаллы. Схематичное изображение одного готового кристалла чувствительного элемента датчика концентрации газа представлено на фиг. 4.After the formation of the structure of the sensitive elements, the second stage of anisotropic etching of silicon is carried out at a temperature of 80 ° C in an aqueous solution of a mixture of ethylenediamine with pyrocatechol, the composition of which corresponds to that proposed for the first stage of anisotropic etching. In this case, the front side of the substrate 1 with the formed structure of the sensing element is hermetically protected from the contact of the etchant. As a result of the second etching step, dielectric membranes are obtained. Then the substrate 1 with ready-made sensitive elements is removed from the protective device and broken into dividing strips 4 into individual crystals. A schematic representation of one finished crystal of the sensing element of the gas concentration sensor is shown in FIG. four.

Предложенный способ позволяет проводить все технологические операции изготовления полупроводниковых чувствительных элементов для датчиков концентрации газа групповым методом, что существенно упрощает процесс их изготовления, снижает себестоимость продукции, повышает ее надежность и воспроизводимость характеристик.The proposed method allows to carry out all technological operations of manufacturing semiconductor sensitive elements for gas concentration sensors by the group method, which significantly simplifies the process of their manufacture, reduces the cost of production, increases its reliability and reproducibility of characteristics.

Предложенный способ в зависимости от выбора материала чувствительного слоя 11 позволяет изготавливать чувствительные элементы для датчиков концентрации практически любых газов, что делает его универсальным для производства датчиков концентрации газа.The proposed method, depending on the choice of material of the sensitive layer 11, allows the production of sensitive elements for concentration sensors of almost any gas, which makes it universal for the production of gas concentration sensors.

Источники информацииInformation sources

1. Патент России №2054664, кл. G01N 27/12, 1996 г.1. Patent of Russia №2054664, cl. G01N 27/12, 1996

2. Патент России №2073932, кл. H01L 21/306, 1997 г.2. Patent of Russia No. 2073932, cl. H01L 21/306, 1997

3. Патент России №2143678, кл. G01N 27/12, H01L 21/02, 1999 г.3. Patent of Russia No. 2143678, cl. G01N 27/12, H01L 21/02, 1999

4. Патент России №2449412, кл. H01L 21/306, 2012 г.4. Patent of Russia No. 2449412, cl. H01L 21/306, 2012

Claims (1)

Способ изготовления чувствительных элементов датчиков концентрации газа, включающий нанесение диэлектрической пленки на лицевую сторону кремниевой подложки, формирование на пленке структуры чувствительных элементов и создание тонких диэлектрических мембран методом анизотропного травления кремниевой подложки с обратной стороны, проводимого в два этапа, первый до нанесения диэлектрической пленки, а второй после завершения всех операций формирования структуры чувствительных элементов с предварительной защитой от травителя лицевой стороны подложки, отличающийся тем, что первый этап травления проводят сначала в водном растворе смеси этилендиамина с пирокатехином, а затем в водном растворе гидроокиси калия, а второй этап проводят только в водном растворе смеси этилендиамина с пирокатехином. A method of manufacturing sensitive elements of gas concentration sensors, including applying a dielectric film to the front side of a silicon substrate, forming a structure of sensitive elements on the film and creating thin dielectric membranes by anisotropic etching of a silicon substrate from the back, carried out in two stages, the first before applying the dielectric film, and the second after completion of all operations of forming the structure of sensitive elements with preliminary protection from the etchant facial side of the substrate, characterized in that the first stage of etching is carried out first in an aqueous solution of a mixture of ethylenediamine with pyrocatechol, and then in an aqueous solution of potassium hydroxide, and the second stage is carried out only in an aqueous solution of a mixture of ethylene diamine with pyrocatechol.
RU2015113719/28A 2015-04-14 2015-04-14 Method of making sensitive elements of gas concentration sensors RU2597657C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015113719/28A RU2597657C1 (en) 2015-04-14 2015-04-14 Method of making sensitive elements of gas concentration sensors

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015113719/28A RU2597657C1 (en) 2015-04-14 2015-04-14 Method of making sensitive elements of gas concentration sensors

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2597657C1 true RU2597657C1 (en) 2016-09-20

Family

ID=56937754

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015113719/28A RU2597657C1 (en) 2015-04-14 2015-04-14 Method of making sensitive elements of gas concentration sensors

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2597657C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2625248C1 (en) * 2016-09-28 2017-07-12 Акционерное общество "Научно-исследовательский институт физических измерений" Method of manufacturing crystals of microelectromechanical systems
RU2650793C1 (en) * 2017-01-31 2018-04-17 Общество с ограниченной ответственностью "Сенсор Микрон" Method of manufacturing sensitive elements of gas sensors

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2143678C1 (en) * 1998-04-29 1999-12-27 Открытое Акционерное Общество Центральный научно-исследовательский технологический институт "Техномаш" Semiconductor gas sensor and process of its manufacture
US20090126460A1 (en) * 2005-09-02 2009-05-21 Julian William Gardner Gas-Sensing Semiconductor Devices
RU2449412C1 (en) * 2010-12-20 2012-04-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ" (НИЯУ МИФИ) Method for manufacturing multipurpose gas composition sensors
US20120193730A1 (en) * 2009-10-05 2012-08-02 Hokuriku Electric Industry Co., Ltd. Gas sensor element and manufacturing method of the same

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2143678C1 (en) * 1998-04-29 1999-12-27 Открытое Акционерное Общество Центральный научно-исследовательский технологический институт "Техномаш" Semiconductor gas sensor and process of its manufacture
US20090126460A1 (en) * 2005-09-02 2009-05-21 Julian William Gardner Gas-Sensing Semiconductor Devices
US20120193730A1 (en) * 2009-10-05 2012-08-02 Hokuriku Electric Industry Co., Ltd. Gas sensor element and manufacturing method of the same
RU2449412C1 (en) * 2010-12-20 2012-04-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ" (НИЯУ МИФИ) Method for manufacturing multipurpose gas composition sensors

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2625248C1 (en) * 2016-09-28 2017-07-12 Акционерное общество "Научно-исследовательский институт физических измерений" Method of manufacturing crystals of microelectromechanical systems
RU2650793C1 (en) * 2017-01-31 2018-04-17 Общество с ограниченной ответственностью "Сенсор Микрон" Method of manufacturing sensitive elements of gas sensors

Similar Documents

Publication Publication Date Title
TW201447308A (en) Probe guide plate and method for manufacturing the same
EP0060854A4 (en) Infrared radiation detector.
US10338057B2 (en) Device and method for forming same
RU2597657C1 (en) Method of making sensitive elements of gas concentration sensors
WO2011146384A1 (en) Methods of forming superconductor circuits
US8847335B2 (en) Membrane structure for electrochemical sensor
US8720268B2 (en) Flow rate detection device having anti-undercurrent material
US10761057B2 (en) Membrane device and method for manufacturing same
RU2449412C1 (en) Method for manufacturing multipurpose gas composition sensors
TWI299787B (en) Micro sample heating apparatus and method of making the same
US10825719B2 (en) Methods of fabricating silicon-on-insulator (SOI) semiconductor devices using blanket fusion bonding
RU2137249C1 (en) Process of manufacture of micromechanical instruments
RU2702820C1 (en) Method of making semiconductor pressure sensors
KR101209172B1 (en) Separation method of polyimide electrode from substrate and preparation method of polyimide electrode comprising the same
RU2672033C1 (en) Method for formation of silica areas in silicon plate
Dragoi et al. Plasma activated wafer bonding for MEMS
JP2006501072A (en) Method for forming a microstructure from a single crystal substrate
KR20070044273A (en) Method for analyzing damage layer of surface of soi wafer
JPS63127531A (en) Manufacture of semiconductor device
RU2650793C1 (en) Method of manufacturing sensitive elements of gas sensors
JP2002341548A (en) Method of processing wafer
TWI738568B (en) A method of preparing a semiconductor specimen for failure analysis
US11427731B2 (en) Adhesive silicon oxynitride film
JP3877564B2 (en) Electrophoresis chip and manufacturing method thereof
JPH07113708A (en) Manufacture of semiconductor absolute pressure sensor

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20170415