RU2704199C1

RU2704199C1 - Method of creating structure - silicon on insulator

Info

Publication number: RU2704199C1
Application number: RU2019100768A
Authority: RU
Inventors: Игорь Николаевич Чебурахин; Владимир Алексеевич Петрин; Валерий Евгеньевич Пауткин
Original assignee: Акционерное общество "Научно-исследовательский институт физических измерений"
Priority date: 2019-01-10
Filing date: 2019-01-10
Publication date: 2019-10-24

Abstract

FIELD: instrument engineering.

SUBSTANCE: invention relates to instrument making and can be used in making silicon sensitive elements of micromechanical sensors, such as pressure sensors, accelerometers, angular velocity sensors. Invention objective is improvement of metrological characteristics of micromechanical sensors, namely reduction of measurement error due to reduction of thermomechanical stresses occurring in zones of connected parts. In the method of creating a structure – silicon on an insulator, which includes formation on the first silicon plate of a dielectric layer, its connection to the second silicon plate, splicing of the connected plates by heating, thinning one of the plates, according to the method, thinning one of the silicon plates is carried out before connecting the plates locally in accordance with the topology of the formed structures, after which a low-melting dielectric layer is formed on the plates by magnetron sputtering, and jointing of joined plates is carried out at melting point of low-melting dielectric layer.

EFFECT: reduction of measurement error due to reduction of thermomechanical stresses in zones of plates connection.

1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области приборостроения и может применяться при изготовлении кремниевых чувствительных элементов микромеханических датчиков, таких как датчики давления, акселерометры, датчики угловой скорости.The invention relates to the field of instrumentation and can be used in the manufacture of silicon sensitive elements of micromechanical sensors, such as pressure sensors, accelerometers, angular velocity sensors.

Чувствительным элементам микромеханических датчиков (МЭМС-датчикам) присущи миниатюрность, возможность группового изготовления. Кроме того, они должны отличаться стабильностью выходного сигнала, иметь низкие термомеханические напряжения сопрягаемых деталей и обладать прочностью в условиях эксплуатации. Таким образом, поиск оптимальных вариантов конструктивно-технологических решений соединения деталей чувствительных элементов микромеханических датчиков является актуальной задачей.Sensitive elements of micromechanical sensors (MEMS sensors) are inherent in miniature, the possibility of group production. In addition, they should be distinguished by the stability of the output signal, have low thermomechanical stresses of the mating parts, and have strength under operating conditions. Thus, the search for optimal options for structural and technological solutions for connecting parts of sensitive elements of micromechanical sensors is an urgent task.

Известен способ соединения кремниевых пластин [Патент РФ №2 635 822 C1, H01L 21/18. Опубл. 2016]. Согласно способа, на соединяемых пластинах намечают точки соединения, в которых выполняют контактные площадки, контактные площадки в точках соединения намечают реперными знаками, в точках соединения в пластинах вытравливают пирамидальные сквозные отверстия с внутренними стенками под углом 54,4°, вокруг пирамидальных отверстий в соединяемых пластинах выполняют разгрузочные канавки на глубину порядка 10-20 мкм, соединяемые пластины совмещают по реперным знакам и сжимают с силой до 10 Н, каналы пирамидальных отверстий направляют расширяющимися частями в противоположные стороны, после чего каналы заполняют силикатным клеем и просушивают при температуре 70-80°С.A known method of connecting silicon wafers [RF Patent No. 2 635 822 C1, H01L 21/18. Publ. 2016]. According to the method, the connection points at which the contact pads are made are marked on the joined plates, the contact pads at the connection points are marked with reference marks, at the connection points in the plates, pyramidal through holes with internal walls are etched at an angle of 54.4 °, around the pyramidal holes in the connected plates discharge grooves are carried out to a depth of about 10-20 μm, the plates to be joined are aligned according to reference marks and compressed with a force of up to 10 N, the channels of the pyramidal holes are directed expanding Isya parts in opposite directions, and then fill the channels silicate glue and is dried at a temperature of 70-80 ° C.

Недостатком указанного способа применительно к конструкциям МЭМС-датчиков является снижение прочности конструкции и повышение температурной погрешности результатов измерений из-за клеевого соединения пластин.The disadvantage of this method in relation to the designs of MEMS sensors is a decrease in structural strength and an increase in temperature error of the measurement results due to the adhesive bonding of the plates.

Известен способ изготовления кремниевых структур [Патент РФ №2163410, H01L 21/324, опубл. 2001]. Согласно способа, изготовление кремниевых структур с p-слоем, включающим границу раздела сращиваемых структур, заключается в полировке поверхности пластин, создании на этой поверхности канавок глубиной не менее 0,3 мкм и расстоянием между границами канавок 20-1000 мкм, гидрофилизации пластин, обработке их в растворе плавиковой кислоты в деионизованной воде, соединении пластин полированными сторонами в водном растворе, сушке соединенных пластин на воздухе при 100-130 град, в течение не менее 4 ч при одновременном приложении давления не менее 3×10^-3 Па, нагреве пластин со скоростью не более 10 град./мин, начиная с 200 град, до температуры не менее 1000 град., и выдержке при указанной температуре, соединение пластин производят в водных растворах диффузантов элементов третьей группы с концентрацией 0,1-3,0%.A known method of manufacturing silicon structures [RF Patent No. 2163410, H01L 21/324, publ. 2001]. According to the method, the manufacture of silicon structures with a p-layer including the interface of the spliced structures consists in polishing the surface of the plates, creating grooves on this surface with a depth of at least 0.3 μm and the distance between the boundaries of the grooves of 20-1000 μm, hydrophilizing the plates, processing them in a solution of hydrofluoric acid in deionized water, joining plates with polished sides in an aqueous solution, drying the connected plates in air at 100-130 degrees, for at least 4 hours while simultaneously applying pressure of at least 3 × 10 ^{- 3} Pa, heating the plates at a speed of not more than 10 degrees / min, starting from 200 degrees, to a temperature of not less than 1000 degrees, and holding at the indicated temperature, the plates are connected in aqueous solutions of diffusers of elements of the third group with a concentration of 0.1- 3.0%

Недостатком указанного способа является возникновение значительных термомеханических напряжений в зонах соединения пластин из-за высокой температуры проведения процесса (до 1000 град).The disadvantage of this method is the occurrence of significant thermomechanical stresses in the areas of connection of the plates due to the high temperature of the process (up to 1000 degrees).

Известен способ создания структуры - кремний на изоляторе для СБИС [Патент РФ №2 234 164, H01L 21/762, опубл. 2004], включающий осаждение первого слоя металла на первой пластине кремния со сформированным на ней диэлектрическим слоем, соединение ее со второй пластиной кремния, так что осажденные слои оказываются между пластинами, сращивание соединенных пластин путем нагревания до образования между ними слоя металлида - силицида металла, утонение одной из пластин кремния, согласно способа, на первой пластине на первый слой металла осаждают слой легкоплавкого металла или сплава, а на вторую пластину осаждают слои из металла и легкоплавкого металла или сплава, подобные слоям, осажденным на первой пластине, и сращивание проводят по крайней мере в две стадии, первую стадию - низкотемпературную при температуре незначительно выше температуры плавления легкоплавкого металла или сплава, но ниже температуры активации диффузионных процессов, с образованием жидкой фазы металла, вторую стадию - при температуре, обеспечивающей образование твердой фазы металлида, после чего проводят утонение одной из пластин.A known method of creating a structure is silicon on an insulator for VLSI [RF Patent No. 2 234 164, H01L 21/762, publ. 2004], including the deposition of the first metal layer on the first silicon wafer with the dielectric layer formed on it, connecting it to the second silicon wafer, so that the deposited layers are between the wafers, splicing the connected wafers by heating to form a metal-metal silicide layer between them, thinning one of the silicon wafers, according to the method, on the first plate, a layer of fusible metal or alloy is deposited on the first metal layer, and layers of metal and fusible metal are deposited on the second plate and whether the alloy is similar to the layers deposited on the first plate and the splicing is carried out in at least two stages, the first stage is low-temperature at a temperature slightly higher than the melting point of the low-melting metal or alloy, but lower than the activation temperature of diffusion processes, with the formation of a liquid metal phase, the second stage - at a temperature that ensures the formation of the solid phase of the metallide, after which one of the plates is thinned.

В разновидностях способа утонение проводят на первой пластине над диэлектрическим слоем, либо на второй пластине над слоем металлида, перед осаждением на вторую пластину слоев из металла и легкоплавкого металла или сплава осаждают диффузионно-барьерный слой, вместо первой пластины кремния может быть использована подложка из диэлектрического материала, а вместо второй пластины кремния также может быть использована подложка из диэлектрического материала, диэлектрический материал выбирают из группы материалов с высокой теплопроводностью, например, подложки из алмазоподобного углерода, нитрида бора, окиси алюминия (сапфира).In varieties of the method, thinning is carried out on the first plate above the dielectric layer, or on the second plate above the metal layer, before the layers of metal and low-melting metal or alloy are deposited on the second plate, a diffusion-barrier layer is deposited, instead of the first silicon plate, a substrate of dielectric material can be used and instead of a second silicon wafer a substrate of a dielectric material can also be used, the dielectric material is selected from the group of materials with high thermal conductivity for example, substrates of diamond-like carbon, boron nitride, alumina (sapphire).

Недостатком указанного способа применительно к МЭМС-датчикам являются низкие метрологические характеристики, а именно высокая погрешность измерения, обусловленная появлением гистерезиса выходного сигнала в условиях эксплуатации из-за появления термомеханических напряжений на границе раздела «кремниевая пластина - металлид - силицид металла» при применении материалов с различными физическими параметрами.The disadvantage of this method with respect to MEMS sensors is low metrological characteristics, namely, a high measurement error due to the appearance of a hysteresis of the output signal in operating conditions due to the appearance of thermomechanical stresses at the interface “silicon wafer - metalide - metal silicide” when using materials with various physical parameters.

Целью изобретения является улучшение метрологических характеристик микромеханических датчиков, а именно снижение погрешности измерения за счет снижения термомеханических напряжений, возникающих в зонах соединяемых деталей.The aim of the invention is to improve the metrological characteristics of micromechanical sensors, namely, reducing the measurement error by reducing thermomechanical stresses arising in the areas of the connected parts.

Поставленная цель достигается тем, что в способе создания структуры -кремний на изоляторе, включающем формирование на первой пластине кремния диэлектрического слоя, соединение ее со второй пластиной кремния, сращивание соединенных пластин путем нагревания, утонение одной из пластин, согласно способа, утонение одной из пластин кремния проводят до соединения пластин локально в соответствии с топологией формируемых структур, после чего на пластинах методом магнетронного напыления формируют легкоплавкий диэлектрический слой, а сращивание соединенных пластин проводят при температуре плавления легкоплавкого диэлектрического слоя.This goal is achieved by the fact that in the method of creating a structure -silicon on the insulator, which includes forming a dielectric layer on the first silicon wafer, connecting it to the second silicon wafer, splicing the wafers together by heating, thinning one of the wafers, according to the method, thinning one of the silicon wafers they are carried out locally before joining the plates in accordance with the topology of the structures formed, after which a fusible dielectric layer is formed on the plates by magnetron sputtering, and spliced e connected plates is carried out at the melting temperature fusible dielectric layer.

Выполнение локального утонения одной из пластин кремния позволяет, с одной стороны, снизить площадь соединяемых поверхностей, что приведет к снижению термомеханических напряжений в соединяемых пластинах, а с другой стороны получить внутреннюю герметизированную полость со структурами произвольной топологии, что существенно при создании микромеханических датчиков. Кроме этого, формирование легкоплавкого диэлектрического слоя методом магнетронного напыления позволяет снизить температуру сращивания по сравнению с известными аналогами, что также приводит к снижению термомеханических напряжений.Performing local thinning of one of the silicon wafers allows, on the one hand, to reduce the area of the connected surfaces, which will lead to a decrease in thermomechanical stresses in the connected plates, and on the other hand to obtain an internal sealed cavity with structures of arbitrary topology, which is essential when creating micromechanical sensors. In addition, the formation of a fusible dielectric layer by magnetron sputtering reduces the splicing temperature in comparison with known analogues, which also leads to a decrease in thermomechanical stresses.

Технический результат изобретения - снижение погрешности измерения за счет снижения термомеханических напряжений в зонах соединения пластин.The technical result of the invention is the reduction of measurement error by reducing thermomechanical stresses in the areas of the plates.

На чертежах фиг. 1-3 показана последовательность операций, применяемых при реализации предложенного способа.In the drawings of FIG. 1-3 shows the sequence of operations used in the implementation of the proposed method.

На фиг. 1 изображена первая пластина кремния (1) со сформированным на ней методом магнетронного напыления легкоплавким диэлектрическим слоем (2).In FIG. 1 shows the first silicon wafer (1) with the magnetron sputtering method formed on it by a low-melting dielectric layer (2).

На фиг. 2 показана вторая пластина кремния (3) с локальным утонением (4) и сформированным на ней методом магнетронного напыления легкоплавким диэлектрическим слоем (5).In FIG. Figure 2 shows the second silicon wafer (3) with local thinning (4) and the magnetron sputtering method formed on it by a fusible dielectric layer (5).

На фиг. 3 представлена готовая структура кремний на изоляторе (6), представляющая собой сращенные первую пластину кремния 1 и вторую пластину кремния 3.In FIG. 3 shows the finished silicon structure on the insulator (6), which is a spliced first silicon wafer 1 and a second silicon wafer 3.

Пример реализации предложенного способа.An example implementation of the proposed method.

На первой пластине кремния 1 методом магнетронного напыления формируют легкоплавкий диэлектрический слой 2, представляющий собой пленку стекла сложной композиции SiO₂ - PbO - Al₂O₃ с добавлением оксидов металлов II и V групп периодической таблицы, толщиной 2,0-4,0 мкм (фиг. 1). На второй пластине кремния 3 формируют локальное утонение 4 согласно необходимой топологии формируемых структур, утонение выполняют, например, методом плазмохимического или жидкостного анизотропного травления кремния на глубину 10,0…30,0 мкм, определяемую конструкцией микромеханического прибора, после чего на пластине кремния 3 методом магнетронного напыления формируют легкоплавкий диэлектрический слой 5, аналогичный сформированному на первой пластине кремния (фиг. 2). Первую пластину кремния 1 со сформированным легкоплавким диэлектрическим слоем 2 предварительно соединяют со второй пластиной кремния 3, имеющей локальное утонение 4 и легкоплавкий диэлектрический слой 5, сращивают соединенные пластины путем нагревания до температуры плавления легкоплавких диэлектрических слоев, находящейся в диапазоне (400…600)°С, при этом легкоплавкие слои расплавляются, образуя единую композицию, жестко связывая кремниевые пластины между собой с образованием заданной структуры кремний на изоляторе 6 (фиг. 3).A low-melting dielectric layer 2 is formed on the first silicon wafer 1 by magnetron sputtering, which is a glass film of a complex composition of SiO ₂ - PbO - Al ₂ O ₃ with the addition of metal oxides of groups II and V of the periodic table, 2.0-4.0 μm thick ( Fig. 1). Local thinning 4 is formed on the second silicon wafer 3 according to the required topology of the structures being formed, thinning is performed, for example, by plasma-chemical or liquid anisotropic etching of silicon to a depth of 10.0 ... 30.0 μm, determined by the design of the micromechanical device, and then on the silicon wafer 3 by the method magnetron sputtering form a fusible dielectric layer 5 similar to that formed on the first silicon wafer (Fig. 2). The first silicon wafer 1 with the formed fusible dielectric layer 2 is pre-connected to the second silicon wafer 3 having a local thinning 4 and the fusible dielectric layer 5, the connected wafers are spliced by heating to the melting temperature of the fusible dielectric layers in the range (400 ... 600) ° С while the fusible layers melt, forming a single composition, rigidly bonding silicon wafers to each other with the formation of a given structure of silicon on the insulator 6 (Fig. 3).

Таким образом, предложенный способ позволяет улучшить метрологические характеристики микромеханических датчиков, а именно снизить погрешность измерения за счет снижения термомеханических напряжений, возникающих в зонах соединяемых деталей за счет выполнение локального утонения одной из пластин кремния, уменьшающего площадь соединяемых поверхностей, а также снижения температуры сращивания посредством формирования легкоплавкого диэлектрического слоя методом магнетронного напыления.Thus, the proposed method allows to improve the metrological characteristics of micromechanical sensors, namely to reduce the measurement error by reducing the thermomechanical stresses arising in the areas of the parts to be joined by performing local thinning of one of the silicon wafers, which reduces the area of the surfaces to be connected, and also reduces the joint temperature by forming fusible dielectric layer by magnetron sputtering.

Claims

The method of creating the structure is silicon on an insulator, which includes forming a dielectric layer on the first silicon wafer, connecting it to the second silicon wafer, splicing the wafers together by heating, thinning one of the wafers, characterized in that one of the silicon wafers is thinned before the wafers are joined locally in in accordance with the topology of the structures formed, after which a fusible dielectric layer is formed on the plates by magnetron sputtering, and splicing of the connected plates is carried out at mperature melting fusible dielectric layer.