RU2730104C1 - Способ изготовления профилированных кремниевых структур - Google Patents
Способ изготовления профилированных кремниевых структур Download PDFInfo
- Publication number
- RU2730104C1 RU2730104C1 RU2019143558A RU2019143558A RU2730104C1 RU 2730104 C1 RU2730104 C1 RU 2730104C1 RU 2019143558 A RU2019143558 A RU 2019143558A RU 2019143558 A RU2019143558 A RU 2019143558A RU 2730104 C1 RU2730104 C1 RU 2730104C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- silicon
- relief
- etching
- isotropic
- forming
- Prior art date
Links
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical group [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 40
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 20
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title description 4
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 25
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims abstract description 25
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 claims abstract description 9
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 claims abstract description 9
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 claims abstract description 8
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 abstract description 30
- 239000010703 silicon Substances 0.000 abstract description 30
- 230000007547 defect Effects 0.000 abstract description 11
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 3
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 abstract 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 10
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 9
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 9
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 8
- 239000011241 protective layer Substances 0.000 description 7
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 6
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 5
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 5
- 238000003486 chemical etching Methods 0.000 description 4
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 4
- LIVNPJMFVYWSIS-UHFFFAOYSA-N silicon monoxide Inorganic materials [Si-]#[O+] LIVNPJMFVYWSIS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 125000002887 hydroxy group Chemical group [H]O* 0.000 description 3
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 description 3
- 229920002120 photoresistant polymer Polymers 0.000 description 3
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910018557 Si O Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 description 2
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 2
- 238000009499 grossing Methods 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- 229910021421 monocrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000006798 recombination Effects 0.000 description 2
- 238000005215 recombination Methods 0.000 description 2
- 238000009623 Bosch process Methods 0.000 description 1
- GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N Nitric acid Chemical class O[N+]([O-])=O GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 230000021615 conjugation Effects 0.000 description 1
- 230000005518 electrochemistry Effects 0.000 description 1
- 230000000873 masking effect Effects 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 125000000896 monocarboxylic acid group Chemical group 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000021715 photosynthesis, light harvesting Effects 0.000 description 1
- 229910021420 polycrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004078 waterproofing 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
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)
Abstract
Изобретение относится к области приборостроения и может применяться при изготовлении кремниевых упругих элементов микромеханических датчиков, таких как датчики давления, ускорения, угловой скорости. В способе формирования профилированных кремниевых структур, заключающемся в формировании рельефа чередованием анизотропного и изотропного способов травления кремниевой структуры, после анизотропного и изотропного травления удаляют тонкий слой путем термического окисления и удаления оксида кремния с полученного рельефа. Изобретение позволяет повысить добротность микромеханических упругих элементов за счет формирования рельефа со структурой поверхности, максимально приближенной к идеальной кристаллической при отсутствии дефектов ее поверхности. 4 ил.
Description
Изобретение относится к области приборостроения и может применяться при изготовлении упругих элементов кремниевых микромеханических датчиков, таких как акселерометров, датчиков угловой скорости и пр.
Продолжающаяся тенденция к миниатюризации датчиковой аппаратуры предполагает снижение габаритных размеров чувствительных элементов датчиков и, как следствие, уменьшение габаритных размеров их конструктивных элементов, таких как упругие перемычки, резонаторы и пр. При этом по мере уменьшения размеров, на работоспособность датчика существенную роль начинает играть соотношение объем/поверхность упругих элементов - перемычек и резонаторов из-за возрастающего влияния структуры поверхности на выходные характеристики датчиков. Наличие дефектов поверхности, таких как шероховатость, дислокации, центры рекомбинации носителей заряда и пр. вызывает рассеяние механической и электрической энергии упругих элементов при их работе, что снижает добротность приборов. Таким образом, задача получения упругих элементов со структурой, максимально приближенной к идеальной при снижении дефектов ее поверхности является актуальной задачей приборостроения.
Известен способ [Патент Российской Федерации №2209489, H01L 21/308, опубл. 27.07.2003] изготовления упругого элемента микромеханического устройства, включающий фотолитографическое нанесение рисунка на исходный кристалл и последующее его анизотропное травление для получения заданной конфигурации упругого элемента. В процессе нанесения рисунка на маске в местах сопряжения упругого элемента с рамкой и чувствительной массой выполняют маскирующие области, размер которых определяется глубиной травления и коэффициентом анизотропии. Рисунок с фотошаблона с помощью процесса фотолитографии переносится на кристалл. Глубокое анизотропное травление упругого элемента микромеханического устройства вызывает на его поверхности дефекты в виде значительной шероховатости, приводящей к рассеянию механической энергии, что снижает добротность устройства.
Известен способ [Патент Российской Федерации №2211504, H01L 21/306, опубл. 27.08.2003] изготовления упругих элементов из монокристаллического кремния путем окисления плоской круглой пластины с ориентацией базовой поверхности в плоскости (100). На пластину наносят 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, меньшую, чем необходимо для получения требуемой толщины упругих элементов, изотропно дотравливают до получения требуемой толщины упругих элементов. Пластины для анизотропного травления подвешивают таким образом, что минимальная толщина находится в верхней части травильного раствора, с последующим одновременным извлечением их с заданной скоростью.
Недостатком данного способа является низкая механическая добротность упругих элементов, обусловленная дефектами поверхности, возникающими вследствие продолжения реакции травления кремния при извлечении пластин из раствора с заданной скоростью.
Наиболее близким техническим решением является способ формирования глубокопрофилированных кремниевых структур [Патент Российской Федерации №2691162, H01L 21/308, опубл. 11.06.2019]. В способе формируют кремниевые структуры последовательными операциями изотропного и анизотропного травления, операцию фотолитографии выполняют на кремниевой структуре, используя фоторезист с гидроизоляционными свойствами. Проводят жидкостное изотропное травление в 10% растворе КОН при температуре 96°С, выполняя формирование рельефа в кремнии. После этого применяют анизотропное сухое плазмохимическое травление (Bosch-процесс) чередованием травящего газа SF6 и пассивирующего газа C4F8, удаляя кремний в локальных областях, не защищенных фоторезистом. Затем снова повторяют операцию жидкостного изотропного травления в 8% растворе КОН при температуре 80°С, сглаживая поверхность.
Недостатком данного способа является снижение добротности упругих элементов вследствие возникновения дефектов поверхности из-за образования поликристаллической фазы на поверхности кремния при химическом травлении в растворе КОН.
Целью изобретения является повышение добротности упругих элементов за счет снижения дефектов поверхности упругих элементов.
Поставленная цель достигается тем, что в способе формирования профилированных кремниевых структур, заключающемся в формировании рельефа чередованием изотропного и анизотропного способа травления кремниевой структуры, согласно изобретению, после изотропного и анизотропного травления удаляют тонкий поликристаллический слой путем термического окисления и последующего удаления оксида кремния с полученного рельефа.
Термическое окисление и последующее удаление оксида с полученного рельефа после чередования изотропного и анизотропного травления имеет следующие преимущества. На травленой поверхности в силу химической природы травления образуется поликристаллическая фаза диоксида кремния, которая приводит к изменению электронных свойств поверхности кремния за счет появления дополнительных электронных состояний в приповерхностных слоях, являющихся центрами рекомбинации носителей заряда. Таким образом, поликристаллическая фаза, как дефект поверхности упругого элемента, является центром рассеяния энергии на поверхностных электронных состояниях. Дефекты поверхности возникают из-за образования связей Si-O- на травленой поверхности кремния, полученной травлением в растворе КОН, использованного в качестве изотропного травителя на заключительной стадии формирования рельефа, что обусловлено химическим характером травления кремния (образование поликристаллической фазы в растворах, содержащих гидроксильные группы -ОН). Смыкание связей Si-O- вызывает рост поликристаллического слоя SiO2, что изменяет электронные свойства поверхности, изменяя концентрацию и спектр поверхностных электронных состояний в приповерхностном слое кремния, являющихся дефектами кристаллической решетки.
При химическом травлении в растворах, содержащих гидроксильные группы ОН- (например, растворы КОН или смеси плавиковой и азотной кислот с водой), ответственных за травление кремния, величина растущего слоя диоксида кремния SiO2 не превышает 70 нм [Xiaoge Gregory Zhang. Electrochemistry of Silicon and Its Oxide. Kluwer Academic Publishers. 2004]. При термическом окислении кремния, проводимого при высокой температуре (около 1000°С), располагающиеся на поверхности кремния связи Si-O- «докисляются» до полного оксида SiO2, причем приповерхностные слои кремния Si также окисляются до оксида кремния SiO2.
При термическом окислении кремния часть его расходуется для роста оксидного слоя. Толщину этого слоя легко предсказать по следующей зависимости:
dк=0,45⋅dок
где dok - толщина оксида кремния.
Учитывая высокую температуру проведения процесса, формируют термический оксид кремния толщиной до (1,0…1,5) мкм путем варьирования температурой и длительностью проведения процесса. При этом приповерхностные слои кремния с дополнительными электронными состояниями оказываются также окисленными.
Учитывая рост оксида кремния по всей поверхности исходной пластины и характер его распространения - «внутрь» пластины, поликристаллическая фаза диоксида кремния, возникшая на поверхности кремния во время химического травления, оказывается заключенной «внутри» растущего термического слоя SiO2.
Термическое окисление и последующее удаление оксида с полученного изотропным и анизотропным травлением рельефа удаляет поликристаллическую фазу SiO2 с поверхности кремния. При этом удаляются и приповерхностные слои кремния с измененными поверхностными состояниями, снижая дефектность поверхности и приближая ее структуру к идеальной кристаллической.
На чертежах фиг. 1-4 показана последовательность операций, применяемых для реализации предложенного способа.
На фиг. 1 изображена кремниевая пластина 1 с защитным слоем 2, служащим в качестве защитного слоя для предварительного формирования ступени рельефа 3.
На фиг. 2 показана кремниевая пластина 1 с защитным слоем 2, предварительный рельеф 3 с наличием на травленой поверхности поликристаллической фазы диоксида кремния 4.
На фиг. 3 представлена кремниевая пластина 1 с предварительным рельефом 3, на поверхности которого сформирован термический слой оксида кремния 5.
На фиг. 4 изображена кремниевая пластина 1 со сформированной структурой в виде рельефа 6.
Пример реализации предложенного способа.
На кремниевой пластине 1 толщиной 300-400 мкм с ориентацией базовой поверхности в плоскости (100) создают определенную топологию защитного слоя 2, представляющего собой пленку диоксида кремния толщиной до 1,0 мкм, либо металлическую защитную пленку из меди толщиной до 10,0 мкм, либо комбинацию пленки диоксида кремния и медной пленки, после чего кремниевую пластину 1 травят анизотропно известными методами в растворе КОН до получения предварительного рельефа 3 (фиг. 1). Затем известными методами изменяют топологию защитного слоя 2 путем увеличения окна для травления кремниевой пластины 1, проводят изотропное травление в растворе HF:HNO3:CH3COOH:H2O, сглаживая ступени рельефа 3 с появлением на поверхности рельефа 3 поликристаллической фазы диоксида кремния 4 (фиг. 2). После этого с поверхности кремниевой пластины 1 удаляют защитный слой 2 и проводят термическое окисление кремниевой пластины 1 при температуре 1000°С в атмосфере кислорода в течение времени не менее 6 ч, при этом на поверхности кремниевой пластины 1 образуется слой диоксида кремния 5 толщиной до 1,2 мкм (фиг. 3). После этого полученный слой диоксида кремния 5 удаляют в растворах, не содержащих гидроксильные группы ОН- до получения заданной структуры в виде рельефа 6 (фиг. 4).
Таким образом, предложенное техническое решение позволяет повысить добротность микромеханических упругих элементов за счет формирования рельефа со структурой поверхности, максимально приближенной к идеальной кристаллической при отсутствии дефектов ее поверхности.
Claims (1)
- Способ формирования профилированных кремниевых структур, заключающийся в формировании рельефа чередованием анизотропного и изотропного способов травления кремниевой структуры, отличающийся тем, что после анизотропного и изотропного травления удаляют тонкий слой путем термического окисления и последующего удаления оксида кремния с полученного рельефа.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019143558A RU2730104C1 (ru) | 2019-12-20 | 2019-12-20 | Способ изготовления профилированных кремниевых структур |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019143558A RU2730104C1 (ru) | 2019-12-20 | 2019-12-20 | Способ изготовления профилированных кремниевых структур |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2730104C1 true RU2730104C1 (ru) | 2020-08-17 |
Family
ID=72086269
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2019143558A RU2730104C1 (ru) | 2019-12-20 | 2019-12-20 | Способ изготовления профилированных кремниевых структур |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2730104C1 (ru) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| 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 |
| US6712983B2 (en) * | 2001-04-12 | 2004-03-30 | Memsic, Inc. | Method of etching a deep trench in a substrate and method of fabricating on-chip devices and micro-machined structures using the same |
| US6787052B1 (en) * | 2000-06-19 | 2004-09-07 | Vladimir Vaganov | Method for fabricating microstructures with deep anisotropic etching of thick silicon wafers |
| RU2648287C1 (ru) * | 2016-12-27 | 2018-03-23 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт физических измерений" | Способ изготовления упругих элементов микромеханических датчиков |
| RU2691162C1 (ru) * | 2018-11-19 | 2019-06-11 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники" | Способ формирования глубокопрофилированных кремниевых структур |
-
2019
- 2019-12-20 RU RU2019143558A patent/RU2730104C1/ru active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6787052B1 (en) * | 2000-06-19 | 2004-09-07 | Vladimir Vaganov | Method for fabricating microstructures with deep anisotropic etching of thick silicon wafers |
| US6712983B2 (en) * | 2001-04-12 | 2004-03-30 | Memsic, Inc. | Method of etching a deep trench in a substrate and method of fabricating on-chip devices and micro-machined structures using the same |
| 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 |
| RU2648287C1 (ru) * | 2016-12-27 | 2018-03-23 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт физических измерений" | Способ изготовления упругих элементов микромеханических датчиков |
| RU2691162C1 (ru) * | 2018-11-19 | 2019-06-11 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники" | Способ формирования глубокопрофилированных кремниевых структур |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Bühler et al. | Silicon dioxide sacrificial layer etching in surface micromachining | |
| KR101072760B1 (ko) | 실리콘에 정사각형 커트를 생성하기에 적합한 습식 에칭 및그로부터 얻은 구조체 | |
| TWI430353B (zh) | 用於製造矽之微結構之各向異性蝕刻劑組成物及蝕刻方法 | |
| US20070281493A1 (en) | Methods of shaping vertical single crystal silicon walls and resulting structures | |
| Monk et al. | Hydrofluoric acid etching of silicon dioxide sacrificial layers: I. Experimental observations | |
| US6916728B2 (en) | Method for forming a semiconductor structure through epitaxial growth | |
| CN1325367C (zh) | 一种mems传感器悬梁结构的制造方法 | |
| RU2730104C1 (ru) | Способ изготовления профилированных кремниевых структур | |
| RU2648287C1 (ru) | Способ изготовления упругих элементов микромеханических датчиков | |
| US3725160A (en) | High density integrated circuits | |
| RU2691162C1 (ru) | Способ формирования глубокопрофилированных кремниевых структур | |
| RU2628732C1 (ru) | Способ формирования монокристаллического элемента микромеханического устройства | |
| Zhou et al. | Friction-induced selective etching on silicon by TMAH solution | |
| Abe et al. | Low strain sputtered polysilicon for micromechanical structures | |
| Kuhl et al. | Formation of porous silicon using an ammonium fluoride based electrolyte for application as a sacrificial layer | |
| RU2059321C1 (ru) | Способ изготовления упругих элементов из монокристаллического кремния | |
| JP2005534518A (ja) | シリコン層および不動態層を有する層系、シリコン層上に不動態層を形成する方法およびこれらの使用 | |
| RU2770165C1 (ru) | Способ изготовления упругих элементов из монокристаллического кремния | |
| Vázsonyi et al. | Characterization of the anisotropic etching of silicon in two-component alkaline solution | |
| EP1241703B1 (en) | Method for masking silicon during anisotropic wet etching | |
| CN104627957B (zh) | 一种热解碳微结构电极的制作工艺及其电性能表征方法 | |
| RU2672033C1 (ru) | Способ формирования областей кремния в объеме кремниевой пластины | |
| RU2804791C1 (ru) | Способ изготовления глубокопрофильных многоуровневых микроструктур в кварцевом стекле | |
| EP0233248A1 (en) | Dielectric isolation structure for integrated circuits | |
| RU2687299C1 (ru) | Способ получения рельефа в диэлектрической подложке |