RU2601219C1 - Способ изготовления микромеханических упругих элементов - Google Patents
Способ изготовления микромеханических упругих элементов Download PDFInfo
- Publication number
- RU2601219C1 RU2601219C1 RU2015135834/28A RU2015135834A RU2601219C1 RU 2601219 C1 RU2601219 C1 RU 2601219C1 RU 2015135834/28 A RU2015135834/28 A RU 2015135834/28A RU 2015135834 A RU2015135834 A RU 2015135834A RU 2601219 C1 RU2601219 C1 RU 2601219C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- elastic elements
- etching
- control element
- thickness
- silicon
- Prior art date
Links
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 16
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims abstract description 48
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims abstract description 16
- 229910021421 monocrystalline silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 14
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 claims abstract description 5
- 229920002120 photoresistant polymer Polymers 0.000 claims abstract description 5
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims description 7
- 239000011241 protective layer Substances 0.000 claims description 4
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 claims description 2
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 23
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 abstract description 22
- 239000010703 silicon Substances 0.000 abstract description 22
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 235000012431 wafers Nutrition 0.000 description 18
- 238000000034 method Methods 0.000 description 13
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 3
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 3
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 3
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 3
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 241000089750 Gotra Species 0.000 description 1
- 230000010485 coping Effects 0.000 description 1
- 238000011982 device technology Methods 0.000 description 1
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 1
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 1
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 1
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 description 1
- 238000011179 visual inspection Methods 0.000 description 1
- 238000005406 washing Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
- H01L21/18—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic Table or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
- H01L21/30—Treatment of semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 - H01L21/26
- H01L21/302—Treatment of semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 - H01L21/26 to change their surface-physical characteristics or shape, e.g. etching, polishing, cutting
- H01L21/306—Chemical or electrical treatment, e.g. electrolytic etching
- H01L21/308—Chemical or electrical treatment, e.g. electrolytic etching using masks
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Weting (AREA)
- Pressure Sensors (AREA)
Abstract
Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано при изготовлении кремниевых микромеханических датчиков. Сущность изобретения: в способе изготовления упругих элементов из монокристаллического кремния окисляют плоскую круглую пластину с ориентацией базовой поверхности в плоскости (100), наносят на нее защитный слой фоторезиста, проводят фотолитографию, вскрывают окна в окисном слое в области формирования упругих элементов на определенную ширину с учетом анизотропии травления монокристаллического кремния, анизотропно травят на глубину для получения требуемой толщины упругих элементов. Одновременно с вышеуказанными операциями по формированию упругих элементов формируют контрольный элемент, расположенный вне зоны упругих элементов, формирование контрольного элемента проводят до самоторможения на заданную глубину, определяемую заданным математическим выражением. Изобретение обеспечивает повышение технологичности изготовления упругих элементов из монокристаллического кремния путем оценки травления контрольных элементов до самоторможения. 3 ил.
Description
Изобретение относится к технологии приборостроения и может применяться при изготовлении кремниевых микромеханических датчиков, таких как микромеханические акселерометры, датчики давления, датчики угловой скорости, гироскопы, и др.
Известен способ (Патент SU 1783596, кл. H01L 21/302, опубл. 23.12.1992) изготовления балочных упругих элементов групповым методом из пластин кремния кристаллографической ориентации (100), включающий формирование с двух сторон пластины защитного окисла путем термического окисления и анизотропное травление в 30%-ном щелочном растворе КОН, с целью повышения точности воспроизведения формы и размеров упругих элементов термическое окисление проводят до получения толщины защитного окисла не менее 2,3·10-3 толщины пластины, ориентируют пластину относительно направления кристаллографической оси 
с двух сторон пластины в окисле вскрывают окна напротив друг друга шириной не менее 0,75 толщины h пластины, анизотропное травление проводят при 96-98°С до получения заданного сечения упругого элемента, после чего дополнительно окисляют пластины с упругими элементами.
В данном изобретении при травлении кремниевой пластины насквозь с двух сторон в сечении упругого элемента образуется выпуклый шестигранник за время
где V100 - скорость травления плоскости (100) кремния. При дальнейшем травлении пластины кремния начинает расширяться сквозной паз за счет снятия острия до появления плоскости (110).
Время травления острия до получения прямоугольного сечения определяется как
где V110 - скорость травления плоскости (110) кремния, α - угол между плоскостями (111) и (100) кремния.
Общее время травления до получения упругого элемента согласно патенту составляет не менее
t=≥t1+t2=(156+78)·h=234·h
для h=0,34 мм t=80 мин.
Недостатки данного способа заключаются в следующем. Необходимо точно контролировать время травления, общее время травления составляет не менее 80 мин, таким образом, оно может быть и более 80 мин. Для получения упругого элемента прямоугольного сечения необходимо периодически контролировать ширину и форму получаемого элемента путем извлечения кремниевой пластины из раствора КОН по истечении 80 мин, так как точное время травления не определено. При этом при каждом извлечении пластины необходима ее отмывка и сушка. Это снижает технологичность получения упругого элемента.
Известен способ (Патент RU 2207658, Кл. Н01L 21/02, Н01L 29, опубл. 27.06.2003) изготовления микромеханического инерциального чувствительного элемента емкостного типа, включающий формирование размерным травлением кремния рамки и плат емкостных обкладок, закрепленных на рамке с помощью взаимно перпендикулярных перемычек и углубленных по отношению к плоскости рамки на величину, соответствующую емкостному зазору, после создания емкостных зазоров на противоположных поверхностях пластины создают из пленки двуокиси кремния толщиной 0,5…1,5 мкм совмещенные между собой маски под рамку, платы и перемычки с размерами, превышающими требуемые размеры рамки, плат и перемычек на величину (1,05…1,1)·h, содержащие в участках соединения перемычек с рамкой и платами прорези в областях рамки и плат длиной 
, причем перемычки располагают под углом 45° к направлению (110) плоскости пластины, проводят встречное травление кремния в 20…30%-ном водном растворе КОН до сквозных отверстий, получения требуемых размеров рамки, плат и перемычек.
В данном способе формирование взаимно перпендикулярных перемычек проводится методом анизотропного травления, при этом требуемая геометрия перемычек образуется за счет встречного травления исходной маски. При этом необходимо точно задавать топологию маски травления с технологическим допуском (0,05…0,1)·h. При формировании перемычек необходимо точно контролировать их размер, периодически извлекая пластины из раствора и проводя необходимые измерения, так как необходимо продолжение травления до требуемой ширины после получения сквозных отверстий в окнах маски. При этом необходима отмывка и сушка кремниевых пластин перед каждой операцией измерений, что снижает технологичность изготовления перемычек.
Известен способ (Патент RU 2211504, Кл. H01L 21/306, опубл. 27.08.2003. Прототип) изготовления упругих элементов из монокристаллического кремния путем окисления плоской круглой пластины с ориентацией базовой поверхности в плоскости (100), нанесения на нее защитного слоя фоторезиста, фотолитографии, вскрытия окон в окисном слое в области формирования упругих элементов на определенную ширину с учетом анизотропии травления монокристаллического кремния, анизотропного травления на глубину, меньшую, чем необходимо для получения требуемой толщины упругих элементов, изотропного дотравливания до получения требуемой толщины упругих элементов, пластины с определенной величиной клиновидности профиля для анизотропного травления на глубину, меньшую, чем необходимо для получения требуемой толщины упругого элемента, подвешивают таким образом, что минимальная толщина находится в верхней части травильного раствора, с последующим одновременным извлечением их со скоростью
где υ - скорость извлечения пластин из раствора травителя, d - диаметр исходной кремниевой пластины, ТТР - расчетное время травления при максимальной толщине пластины, ТОТР - расчетное время травления при минимальной толщине пластины.
При изготовлении упругих элементов толщиной 20 мкм из пластины монокристаллического кремния с ориентацией плоскости (100), диаметром 76 мм, толщиной 0,38 мм и с клином 1 мкм минимальное время травления составляет 6 часов при скорости травления 60 мкм/час. При этом пластины извлекают из раствора травителя со скоростью 1,27 мм/сек. Если клин пластины составляет 6 мкм, скорость извлечения пластин составляет 0,25 мм/сек.
Недостатками данного способа является сложность используемой установки, предполагающей извлечение пластин из раствора травителя с точно заданной скоростью. При этом на части пластины, извлеченной из раствора, продолжается взаимодействие травящего раствора с кремнием, так как раствор не удаляется с пластины. Это может привести к нарушению воспроизводимой геометрии упругих элементов из монокристаллического кремния, что также является недостатком данного способа.
Целью изобретения является повышение технологичности изготовления упругих элементов из монокристаллического кремния путем оценки травления контрольных элементов до самоторможения.
Технический результат изобретения - повышение точности воспроизведения толщины упругих элементов за счет визуального контроля травления контрольных элементов.
Поставленная цель достигается тем, что в способе изготовления упругих элементов из монокристаллического кремния путем окисления плоской круглой пластины с ориентацией базовой поверхности в плоскости (100), нанесения на нее защитного слоя фоторезиста, фотолитографии, вскрытия окон в окисном слое в области формирования упругих элементов на определенную ширину с учетом анизотропии травления монокристаллического кремния, анизотропного травления на глубину для получения требуемой толщины упругих элементов, согласно изобретению одновременно вышеуказанными операциями по формированию упругих элементов формируют контрольный элемент, расположенный вне зоны упругих элементов, причем формирование контрольного элемента проводят до самоторможения на заданную глубину, определяемую математическим выражением:
где hтр - глубина травления, Δ - технологический допуск, равный 3…6 мкм, 
- ширина контрольного элемента, связанная с требуемой толщиной упругих элементов следующим математическим выражением:
где hпл - толщина плоской круглой пластины, hуэ - толщина упругих элементов, n - количество сторон пластины, подвергаемой травлению.
Формирование контрольного элемента одновременно вышеуказанными операциями по формированию упругих элементов и расположенного вне зоны упругих элементов позволяет проводить контроль геометрических размеров изготавливаемых упругих элементов без использования измерительных приборов. Это обусловлено тем, что скорость травления кремния в контрольном элементе и во вскрытых окнах в области формирования упругих элементов одинакова. При травлении контрольного элемента на глубину, равную:
выявляются кристаллографические плоскости (111), причем они травятся до самоторможения. Это связано с тем, что стороны контрольного элемента ориентированы по кристаллографическим направлениям [100] и ширина контрольного элемента связана с требуемой толщиной упругих элементов и толщиной плоской круглой пластины математическим выражением:
При таких отношениях толщины плоской круглой пластины, толщины упругих элементов и ширины контрольного элемента последний травится до самоторможения при травлении на глубину для получения требуемой толщины упругих элементов, при этом момент самоторможения, т.е. момент схождения кристаллографических плоскостей (111), характеризует завершение процесса травления упругих элементов до получения требуемой толщины.
В предлагаемом способе изготовления возможно проведение визуального контроля получения геометрических размеров изготавливаемых упругих элементов без использования измерительных приборов, а также проведение разбраковки по геометрическим размерам упругих элементов, что повышает технологичность изготовления.
На чертежах фиг. 1-3 показана последовательность операций, применяемых для реализации предложенного способа.
На фиг. 1 изображена круглая кремниевая пластина 1 с окисным слоем 2. На фиг. 2 а, б) показаны вскрытые окна 3 в окисном слое 2, контрольный элемент 4. На фиг. 3 а, б) показан контрольный элемент 4 после анизотропного травления до самоторможения, упругие элементы 5 требуемой толщины.
Пример реализации предложенного способа.
На плоской круглой кремниевой пластине 1 с ориентацией базовой поверхности в плоскости (100) создают окисный слой 2 (фиг. 1), наносят на нее защитный слой фоторезиста, методами фотолитографии вскрывают окна 3 в окисном слое 2 (фиг. 2 а, б) в области формирования упругих элементов 5 (фиг. 3 а) на определенную ширину с учетом анизотропии травления монокристаллического кремния, одновременно вышеуказанными операциями по формированию упругих элементов 5 формируют контрольный элемент 4 (фиг. 2 а, б), расположенный вне зоны упругих элементов 5, анизотропно травят на глубину для получения требуемой толщины упругих элементов 5, при этом формирование контрольного элемента 4 проводят до самоторможения на заданную глубину (фиг. 3 а, б), что является моментом получения упругих элементов 5 требуемой толщины.
На практике, на кремниевой пластине расположено множество кристаллов с формируемыми упругими элементами. Формирование контрольных элементов вне области формирования упругих элементов возможно около каждого кристалла. Это позволяет оценивать геометрические размеры упругих элементов каждого кристалла и, таким образом, проводить разбраковку по геометрическим размерам упругих элементов.
При производстве пластин допуск по толщине исходной кремниевой пластины составляет ±1..2% [Готра З.Ю. Технология микроэлектронных устройств: Справочник. - М.: Радио и связь, 1991. - 528 с.]. Например, при заявленной толщине исходной кремниевой пластины 300 мкм значение ее толщины может составить 294…306 мкм. С этим связан технологический допуск Δ, равный 3…6 мкм.
Например, при толщине пластины hпл=294 мкм, толщине упругого элемента hуэ=30 мкм, одностороннем травлении пластины ширина контрольного элемента определится как:
Данный способ может использоваться при травлении кремниевых пластин как с одной стороны, например для формирования упругих элементов датчиков давления, так и при травлении с двух сторон кремниевых пластин, например при формировании упругих элементов микромеханических акселерометров и датчиков угловой скорости.
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет повысить технологичность изготовления упругих элементов из монокристаллического кремния путем оценки травления контрольных элементов до самоторможения.
Claims (1)
- Способ изготовления упругих элементов из монокристаллического кремния путем окисления плоской круглой пластины с ориентацией базовой поверхности в плоскости (100), нанесения на нее защитного слоя фоторезиста, фотолитографии, вскрытия окон в окисном слое в области формирования упругих элементов на определенную ширину с учетом анизотропии травления монокристаллического кремния, анизотропного травления на глубину для получения требуемой толщины упругих элементов, отличающийся тем, что одновременно вышеуказанными операциями по формированию упругих элементов формируют контрольный элемент, расположенный вне зоны упругих элементов, причем формирование контрольного элемента проводят до самоторможения на заданную глубину, определяемую математическим выражением:
,
где hтр - глубина травления, Δ - технологический допуск, равный 3…6 мкм, l - ширина контрольного элемента, связанная с требуемой толщиной упругих элементов следующим математическим выражением:
,
где hпл - толщина плоской круглой пластины, hуэ - толщина упругих элементов, n - количество сторон пластины, подвергаемой травлению.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015135834/28A RU2601219C1 (ru) | 2015-08-24 | 2015-08-24 | Способ изготовления микромеханических упругих элементов |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015135834/28A RU2601219C1 (ru) | 2015-08-24 | 2015-08-24 | Способ изготовления микромеханических упругих элементов |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2601219C1 true RU2601219C1 (ru) | 2016-10-27 |
Family
ID=57216500
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2015135834/28A RU2601219C1 (ru) | 2015-08-24 | 2015-08-24 | Способ изготовления микромеханических упругих элементов |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2601219C1 (ru) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2662499C1 (ru) * | 2017-09-01 | 2018-07-26 | Общество ограниченной ответственности "Игла" | Способ изготовления микромеханических элементов из пластин монокристаллического кремния |
| RU2677491C1 (ru) * | 2017-10-06 | 2019-01-17 | Общество с ограниченной ответственностью "Игла" | Способ изготовления микроигл и массива микроигл |
| RU2695771C1 (ru) * | 2018-12-29 | 2019-07-25 | Общество с ограниченной ответственностью "Игла" | Способ изготовления микроиглы в интегральном исполнении с внутренними каналами |
| RU2770165C1 (ru) * | 2021-08-26 | 2022-04-14 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт физических измерений" | Способ изготовления упругих элементов из монокристаллического кремния |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2207658C2 (ru) * | 2001-07-09 | 2003-06-27 | ФГУП "НИИ физических измерений" | Способ изготовления микромеханического инерциального чувствительного элемента емкостного типа |
| RU2211504C1 (ru) * | 2002-07-25 | 2003-08-27 | Государственное образовательное учреждение высшего и послевузовского образования Нижегородский государственный технический университет | Способ изготовления упругих элементов из монокристаллического кремния |
| RU2300823C2 (ru) * | 2005-08-30 | 2007-06-10 | Открытое акционерное общество Арзамасское научно-производственное предприятие "ТЕМП-АВИА" (ОАО АНПП "ТЕМП-АВИА") | Способ изготовления упругого элемента микромеханического устройства |
-
2015
- 2015-08-24 RU RU2015135834/28A patent/RU2601219C1/ru active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2207658C2 (ru) * | 2001-07-09 | 2003-06-27 | ФГУП "НИИ физических измерений" | Способ изготовления микромеханического инерциального чувствительного элемента емкостного типа |
| RU2211504C1 (ru) * | 2002-07-25 | 2003-08-27 | Государственное образовательное учреждение высшего и послевузовского образования Нижегородский государственный технический университет | Способ изготовления упругих элементов из монокристаллического кремния |
| RU2300823C2 (ru) * | 2005-08-30 | 2007-06-10 | Открытое акционерное общество Арзамасское научно-производственное предприятие "ТЕМП-АВИА" (ОАО АНПП "ТЕМП-АВИА") | Способ изготовления упругого элемента микромеханического устройства |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2662499C1 (ru) * | 2017-09-01 | 2018-07-26 | Общество ограниченной ответственности "Игла" | Способ изготовления микромеханических элементов из пластин монокристаллического кремния |
| RU2677491C1 (ru) * | 2017-10-06 | 2019-01-17 | Общество с ограниченной ответственностью "Игла" | Способ изготовления микроигл и массива микроигл |
| RU2695771C1 (ru) * | 2018-12-29 | 2019-07-25 | Общество с ограниченной ответственностью "Игла" | Способ изготовления микроиглы в интегральном исполнении с внутренними каналами |
| RU2770165C1 (ru) * | 2021-08-26 | 2022-04-14 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт физических измерений" | Способ изготовления упругих элементов из монокристаллического кремния |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2601219C1 (ru) | Способ изготовления микромеханических упругих элементов | |
| CN100562484C (zh) | 一种悬臂梁结构、制作方法及应用 | |
| DE19617666B4 (de) | Mikromechanischer Drehratensensor | |
| RU2648287C1 (ru) | Способ изготовления упругих элементов микромеханических датчиков | |
| RU2539767C1 (ru) | Способ изготовления глубокопрофилированных кремниевых структур | |
| DE102014008872A1 (de) | Struktur und Verfahren für das Kappen-Bonden für die Rückseite absoluter Drucksensoren | |
| JPH04506727A (ja) | 基材に少なくとも一つのキャビティを得るためのエッチング方法及びそのような方法により得られた基材 | |
| JP4146850B2 (ja) | 垂直段差構造物の製作方法 | |
| RU2300823C2 (ru) | Способ изготовления упругого элемента микромеханического устройства | |
| RU2572288C1 (ru) | Способ изготовления глубокопрофилированных кремниевых структур | |
| US9476906B2 (en) | Capacitive acceleration sensor with an H-shaped beam and preparation method thereof | |
| CN103995022B (zh) | 硅材料顶层硅杨氏模量和残余应力的测试结构及测试方法 | |
| RU2580910C1 (ru) | Способ изготовления упругого элемента микромеханического устройства | |
| KR100817813B1 (ko) | 실리콘 기판 상에 상이한 수직 단차를 갖는 미세구조물의제조 방법 | |
| RU2628732C1 (ru) | Способ формирования монокристаллического элемента микромеханического устройства | |
| RU2662499C1 (ru) | Способ изготовления микромеханических элементов из пластин монокристаллического кремния | |
| CN107265394B (zh) | 一种悬空微结构的正面释放技术 | |
| Tang et al. | Smoothness control of wet etched Si {100} surfaces in TMAH+ Triton | |
| RU2211504C1 (ru) | Способ изготовления упругих элементов из монокристаллического кремния | |
| RU2559336C1 (ru) | Способ микропрофилирования кремниевых структур | |
| CN109360793A (zh) | 半导体晶圆基片上硅晶体缺陷的快速检测方法 | |
| RU2656109C1 (ru) | Способ изготовления чувствительного элемента акселерометра | |
| RU2691162C1 (ru) | Способ формирования глубокопрофилированных кремниевых структур | |
| Singh et al. | A measurement free pre-etched pattern to identify the< 110> directions on Si {110} wafer | |
| RU2770165C1 (ru) | Способ изготовления упругих элементов из монокристаллического кремния |