RU2794560C1 - Method for forming bulk silicon elements for microsystem technology devices and a production line for implementing the method - Google Patents
Method for forming bulk silicon elements for microsystem technology devices and a production line for implementing the method Download PDFInfo
- Publication number
- RU2794560C1 RU2794560C1 RU2022122545A RU2022122545A RU2794560C1 RU 2794560 C1 RU2794560 C1 RU 2794560C1 RU 2022122545 A RU2022122545 A RU 2022122545A RU 2022122545 A RU2022122545 A RU 2022122545A RU 2794560 C1 RU2794560 C1 RU 2794560C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- silicon
- etching
- installation
- formation
- membrane
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области приборостроения и может применятся при изготовлении объемных элементов в кремнии для устройств микросистемной техники - акселерометров, гироскопов и т.д.The invention relates to the field of instrumentation and can be used in the manufacture of volumetric elements in silicon for devices of microsystem technology - accelerometers, gyroscopes, etc.
В патенте RU 2284613 «Полупроводниковый преобразователь давления и способ его изготовления», опубликован в 2006 г., предложен способ изготовления полупроводникового преобразователя давления из монокристаллической кремниевой подложки КЭФ, предусматривающий получение мембраны из кремния путем легирования бором до концентрации 5⋅1019 см-3. Далее проводят одностороннее анизотропное стоп-травление кремния в 25-50% водном растворе этилендиамина при температуре не менее 90°С. Недостатком данного способа формирования мембраны является достаточно большая степень легирования кремния фосфором, что приводит к увеличению деформационных напряжений в кристаллической решетке формируемой кремниевой мембране и последующему выходу из строя мембраны даже при небольших нагрузках.Patent RU 2284613 "Semiconductor pressure transducer and method for its manufacture", published in 2006, proposes a method for manufacturing a semiconductor pressure transducer from a KEF single-crystal silicon substrate, providing for obtaining a silicon membrane by doping with boron to a concentration of 5⋅10 19 cm -3 . Next, one-sided anisotropic stop-etching of silicon is carried out in a 25-50% aqueous solution of ethylenediamine at a temperature of at least 90°C. The disadvantage of this method of membrane formation is a rather high degree of doping of silicon with phosphorus, which leads to an increase in deformation stresses in the crystal lattice of the formed silicon membrane and subsequent failure of the membrane even at low loads.
В патенте RU 2648287 «Способ изготовления упругих элементов микромеханических датчиков», опубликован в 2018 г., предложен способ формирования мембраны и упругого элемента на ее основе. Мембрана формируется методом двойного химического жидкостного травления монокристаллической кремниевой подложки с ориентацией (100), сначала мембрана травится анизотропно до определенной глубины через один рисунок маски, а затем на мембране формируется новая маска и далее формируется новый рисунок травлением насквозь в изотропном травителе. Недостатком способа является использование анизотропного травления для формирования мембраны в связи с погрешностью получаемой толщины мембраны до 3 мкм, что недопустимо для изготовления чувствительных элементов и приборов на их основе. Для того, чтобы процент выхода годных чувствительных элементов на пластине был бы высоким (до 90%), потребуется применение дорогих пластин с высокой равномерностью по толщине (TTV<1 мкм), что является очень затратным. Толщина получаемых мембран также зависит от этого параметра. Также, очень высокая скорость травления (до 3 мкм/мин) крайне плохо контролируется в изотропном травителе, что может не обеспечить точность получения требуемых размеров упругих элементов.In patent RU 2648287 "Method of manufacturing elastic elements of micromechanical sensors", published in 2018, a method for forming a membrane and an elastic element based on it is proposed. The membrane is formed by double chemical liquid etching of a single-crystal silicon substrate with (100) orientation, first the membrane is etched anisotropically to a certain depth through one mask pattern, and then a new mask is formed on the membrane, and then a new pattern is formed by etching through isotropic etchant. The disadvantage of this method is the use of anisotropic etching to form the membrane due to the error in the resulting membrane thickness up to 3 μm, which is unacceptable for the manufacture of sensitive elements and devices based on them. In order for the percentage of yield of suitable sensitive elements on the wafer to be high (up to 90%), it will be necessary to use expensive wafers with high uniformity in thickness (TTV<1 µm), which is very costly. The thickness of the resulting membranes also depends on this parameter. Also, a very high etching rate (up to 3 μm/min) is extremely poorly controlled in an isotropic etchant, which may not ensure the accuracy of obtaining the required dimensions of elastic elements.
В качестве ближайшего аналога заявленного технического решения является патент «Способ изготовления кантилевера сканирующего зондового микроскопа» RU 2335033, опубликованный в 2008 г., Предложен технологический процесс изготовления кантилевера методами объемной микрообработки на монокристаллической кремниевой подложке КДБ ориентацией (100), предусматривающий формирование мембраны методом электрохимического стоп-травления толщиной 4 мкм. С помощью легирования фосфора и последующей диффузии сформировали р-n переход, где поверхностная концентрация фосфора составила 1015-1016 см-3. Травление прекращается автоматически при достижении n-слоя. Недостатками данного способа изготовления являются концентраторы напряжений, возникающие в месте перехода формируемой мембраны в толщину пластины, а также проведение сквозного травления в анизотропном травителе, имеющем неравномерность травления до 3 мкм.As the closest analogue of the claimed technical solution is the patent "Method of manufacturing a cantilever of a scanning probe microscope" RU 2335033, published in 2008. A technological process for manufacturing a cantilever by volumetric micromachining methods on a single-crystal silicon substrate KDB with orientation (100) is proposed, providing for the formation of a membrane by the method of electrochemical stop - etching with a thickness of 4 microns. With the help of phosphorus doping and subsequent diffusion, a p-n junction was formed, where the surface concentration of phosphorus was 10 15 -10 16 cm -3 . Etching stops automatically when the n-layer is reached. The disadvantages of this manufacturing method are stress concentrators that occur at the transition point of the formed membrane into the thickness of the plate, as well as carrying out through etching in an anisotropic etchant having an etching unevenness of up to 3 μm.
В свою очередь в заявленном изобретении для преодоления технических проблем описанных выше способов изготовления микроэлектромеханических систем, уменьшения напряжений формируемой кремниевой мембраны и минимизации внутренних напряжений в структуре материала при функционировании устройства, что в итоге позволит повысить процент выхода годных изделий, предлагается перед формированием электропроводящего слоя проводить обработку кремния в водном растворе содержащим окислительный компонент для кремния и травящий компонент оксида кремния для улучшения электрического контакта между металлом и кремнием; после формирования кремниевой мембраны применять операции окисления и травления окисла кремниевой мембраны в несколько этапов для уменьшения напряжений формируемой кремниевой мембраны; и формировать объемную структуру сквозным плазмохимическим травлением для минимизации внутренних напряжений в структуре материала при функционировании устройства. Предлагаемый способ позволяет получать объемные элементы с высокой точностью комбинацией электрохимического стоп-травления и окисления.In turn, in the claimed invention, in order to overcome the technical problems of the above-described methods for manufacturing microelectromechanical systems, reduce the stresses of the formed silicon membrane and minimize internal stresses in the structure of the material during the operation of the device, which will ultimately increase the percentage of yield of suitable products, it is proposed to carry out processing before forming the electrically conductive layer silicon in an aqueous solution containing an oxidizing component for silicon and an etching component of silicon oxide to improve electrical contact between metal and silicon; after the formation of the silicon membrane, apply the operations of oxidation and etching of the oxide of the silicon membrane in several stages to reduce the stresses of the formed silicon membrane; and to form a three-dimensional structure by through plasma-chemical etching to minimize internal stresses in the material structure during the operation of the device. The proposed method makes it possible to obtain high-precision volumetric elements by a combination of electrochemical stop-etching and oxidation.
Предложен способ формирования объемного элемента для устройств микросистемной техники, в котором на кремниевой подложке КДБ с ориентацией (100) последовательно формируют р-n переход, защитную маску с лицевой стороны и с обратной стороны, электропроводящий слой, проводят электрохимическое травление подложки до р-n перехода с образованием кремниевой мембраны. Маску для анизотропного травления, например, из оксида и нитрида кремния, формируют с лицевой стороны и с обратной стороны из двух слоев в едином процессе. Перед формированием электропроводящего слоя предлагается выполнить обработку кремния в водном растворе, содержащем окислительный компонент для кремния и травящий компонент оксида кремния и представляющем собой раствор на основе хромового ангидрида, фторида аммония и ацетата кадмия. Электропроводящий слой возможно выполнить из алюминия. При формировании электропроводящего слоя на обратной стороне пластины, места расположения объемных структур закрыты маской и не контактируют со сформированным электропроводящим слоем. Электрохимическое травление выполняют в водном растворе едкого калия, причем применяется схема подключения с тремя электродами: анодом, катодом и электродом сравнения. После электрохимического травления и формирования кремниевой мембраны выполняют не менее двух циклов окисления с последующим травлением окисла кремниевой мембраны, например, водным раствором плавиковой кислоты и фторида аммония. На завершающей стадии формируют контур объемной структуры сквозным односторонним плазмохимическим травлением через ранее сформированную маску по обратной стороне пластины. Конечная толщина кремниевой мембраны достигается последовательным окислением и травлением окисла кремния. Возможно перед формированием электропроводящего слоя провести дополнительное глубинное жидкостное анизотропное травление в водном растворе едкого калия. В этом случае возможно перед операцией глубинного жидкостного анизотропного травления сформировать сплошной защитный слой химически стойкого лака на обратной стороне подложки для защиты от травления кремния.A method is proposed for forming a volumetric element for devices of microsystem technology, in which a p-n junction, a protective mask on the front side and on the reverse side, an electrically conductive layer are sequentially formed on a KDB silicon substrate with (100) orientation, electrochemical etching of the substrate is carried out up to the p-n junction to form a silicon membrane. An anisotropic etch mask, such as silicon oxide and silicon nitride, is formed on the front side and the back side from two layers in a single process. Before forming the electrically conductive layer, it is proposed to treat silicon in an aqueous solution containing an oxidizing component for silicon and an etching component of silicon oxide and which is a solution based on chromic anhydride, ammonium fluoride and cadmium acetate. The electrically conductive layer can be made of aluminium. When forming an electrically conductive layer on the reverse side of the plate, the locations of the three-dimensional structures are covered with a mask and do not contact with the formed electrically conductive layer. Electrochemical etching is performed in an aqueous solution of caustic potassium, and a connection scheme with three electrodes is used: anode, cathode and reference electrode. After electrochemical etching and formation of the silicon membrane, at least two oxidation cycles are performed, followed by etching of the silicon membrane oxide, for example, with an aqueous solution of hydrofluoric acid and ammonium fluoride. At the final stage, the contour of the bulk structure is formed by through one-sided plasma-chemical etching through the previously formed mask on the reverse side of the plate. The final thickness of the silicon membrane is achieved by successive oxidation and etching of silicon oxide. It is possible to carry out additional deep liquid anisotropic etching in an aqueous solution of caustic potassium before the formation of the electrically conductive layer. In this case, it is possible to form a continuous protective layer of chemically resistant varnish on the reverse side of the substrate to protect silicon from etching before the operation of deep liquid anisotropic etching.
Предложена производственная линия для формирования объемного элемента для устройств микросистемной техники (в качестве аналога можно рассмотреть, например, производственную линию, используемую при производстве кантилеверов на предприятии Nanosensors (Швейцария) (www.nanosensors.com) и на предприятии АО «Ангстрем» (Россия) (www.angstrem.ru), содержащая последовательно задействуемое оборудование: зону обеспыливания для обеспечения необходимого качества воздуха и выполнения операций комплектования, маркирования и операций контроля; установку химической обработки пластин для выполнения химической обработки и подготовки пластин кремния; установки для анизотропного травления кремния и химического травления алюминия; установку для снятия фоторезиста; установку отмывки и сушки пластин; микроскоп для оптического контроля; центрифугу для нанесения фоторезиста; установку спреевого нанесения фоторезиста; установку инфракрасной термообработки фоторезиста; установку отмывки фотошаблонов; установку фотолитографического двустороннего экспонирования для формирования топологии для пластин с двухсторонней полировкой; сушильный шкаф для задубливания фоторезиста; установку плазмохимической обработки для зачистки фоторезиста; установку плазмохимического травления нитрида кремния; установку плазмохимического травления кремния с индуктивно-связанной плазмой для сквозного травления элементов изделия; оптический профилометр для контроля глубины травления; электропечь диффузионную однозонную для термического окисления и разгонки ранее обработанных ионной имплантацией пластин кремния, а также вжигания алюминия; эллипсометрический комплекс для контроля толщины нанесенных тонких диэлектрических пленок; установку ионного легирования для ионного легирования пластин кремния фосфором; установку осаждения для осаждения нитрида кремния; установку вакуумного магнетронного напыления для формирования пленок алюминия на поверхности пластин; установку для электрохимического анизотропного самоостанавливающегося травления кремния; растровый электронный микроскоп для контроля толщины мембраны разрушающим методом; климатическую камеру шокового температурного воздействия для термоциклической обработки пластин; миллиомметр для контроля электрического сопротивления контакта алюминия и кремния.A production line for the formation of a three-dimensional element for devices of microsystem technology is proposed (as an analogue, one can consider, for example, a production line used in the production of cantilevers at the Nanosensors enterprise (Switzerland) (www.nanosensors.com) and at the Angstrem JSC enterprise (Russia) (www.angstrem.ru), which contains sequentially used equipment: a dedusting zone to ensure the required air quality and perform picking, marking and control operations; a wafer chemical processing unit for chemical processing and preparation of silicon wafers; anisotropic silicon etching and chemical aluminum etching; photoresist stripping unit; wafer cleaning and drying unit; microscope for optical inspection; photoresist centrifuge; photoresist spraying unit; photoresist infrared heat treatment unit; ; drying cabinet for hardening photoresist; installation of plasma-chemical processing for stripping photoresist; installation of plasma-chemical etching of silicon nitride; installation of plasma-chemical silicon etching with inductively coupled plasma for end-to-end etching of product elements; optical profilometer to control the etching depth; single-zone diffusion electric furnace for thermal oxidation and distillation of silicon wafers previously processed by ion implantation, as well as aluminum burning-in; ellipsometric complex for controlling the thickness of deposited thin dielectric films; ion doping unit for ion doping of silicon wafers with phosphorus; a deposition unit for deposition of silicon nitride; installation of vacuum magnetron sputtering for the formation of aluminum films on the surface of the plates; installation for electrochemical anisotropic self-stopping silicon etching; scanning electron microscope to control the thickness of the membrane by a destructive method; climatic chamber of thermal shock for thermal cycling of plates; milliohmmeter to control the electrical resistance of the contact between aluminum and silicon.
Для осуществления, предложенного выше способа формирования объемного элемента предлагается, в установке для электрохимического анизотропного самоостанавливающегося травления кремния разместить оснастку для герметизации обратной стороны пластины кремния и подачи электрического сигнала на легированную область кремния при самоостанавливающемся жидкостном химическом травлении. Оснастка может быть выполнена из фторопластового основания с проточкой диаметром на 2 мм больше диаметра пластины кремния, высотой не менее 10 толщин пластины кремния и резьбой на внутренней поверхности, штуцером подачи воздуха для создания повышенного давления в герметичной области и электродом для ввода электрического сигнала в герметичную область; пластины кремния того же размера, что и пластина с объемными элементами, со сформированными сквозными металлизированными отверстиями и металлизацией с двух сторон, соединенной гибким проводом с электродом для ввода электрического сигнала в герметичную область; кольца из фторопласта внешним диаметром соответствующим резьбе в основании, с резьбой на внешней поверхности, внутренним диаметром не менее, чем на 10% меньшим, чем наружный и высотой не менее 8 толщин пластины кремния.To implement the method proposed above for forming a volumetric element, it is proposed to place equipment for sealing the reverse side of the silicon wafer and supplying an electrical signal to the doped silicon area during self-stopping liquid chemical etching in an installation for electrochemical anisotropic self-stopping silicon etching. The rig can be made of a fluoroplastic base with a
Формирование объемных элементов в кремнии для устройств микросистемной техники в соответствии с предложенным способом осуществляется следующим образом.The formation of bulk elements in silicon for devices of microsystem technology in accordance with the proposed method is carried out as follows.
Обычно для снятия концентраторов напряжений на пересечении плоскостей травления монокристаллического кремния проводится с помощью изотропного травителя (см., например, RU 2648287). Травление проводится изотропным травителем на основе азотной и плавиковой кислоты. Реакция травления экзотермическая, из-за зависимости скорости реакции от температуры необходимо поддерживание стабильной температуры на всей площади травимой пластины. В случае группового метода травления тонких упругих перемычек, процесс изотропного травления приводит к большому количеству брака на пластинах из-за их растрава и не соответствия размера мембраны требуемой точности ±0,5 мкм. Для повышения процента выхода годных был применен процесс термического окисления кремния при температуре Токисления=1050°С. Для эффективного уменьшения концентраторов напряжений была выбрана толщина окисленной пленки 0,6 мкм. Однако, при охлаждении из-за большой разницы температурных коэффициентов линейного расширения кремния и оксида кремния в биморфной структуре появлялись большие деформации, приводящие к разрушению тонких упругих перемычек.Usually, to relieve stress concentrators at the intersection of planes, etching of single-crystal silicon is carried out using an isotropic etchant (see, for example, RU 2648287). Etching is carried out with an isotropic etchant based on nitric and hydrofluoric acids. The etching reaction is exothermic, due to the dependence of the reaction rate on temperature, it is necessary to maintain a stable temperature over the entire area of the etched plate. In the case of the group method of etching thin elastic bridges, the process of isotropic etching leads to a large number of defects on the plates due to their etching and the membrane size not matching the required accuracy of ±0.5 μm. To increase the yield percentage was applied the process of thermal oxidation of silicon at a temperature of oxidation T =1050°C. To effectively reduce stress concentrators, the thickness of the oxidized film was chosen to be 0.6 µm. However, during cooling, due to the large difference in the temperature coefficients of linear expansion of silicon and silicon oxide, large deformations appeared in the bimorph structure, leading to the destruction of thin elastic bridges.
Деформации биморфной структуры определяются следующей формулой: R=Es⋅hs 2/6⋅σ⋅(1-μs)⋅hf, где Es/(1-μs) и hs - биаксиальный модуль упругости в Н/м2 и толщина кремниевой мембраны, м, R - радиус кривизны биморфной структуры, м, hf - толщина пленки, м, σ - напряжения в пленке, Па [Stoney G.G. The tension of metallic films deposited by electrolysis // Proc. R. Soc. Lond. Ser. A. -1909 - V.82. №.553. - P. 412-423]. Таким образом, исходя из формулы с ростом толщины окисной пленки радиус кривизны кремниевой перемычки уменьшается и, следовательно, растут деформации в структуре. По этой причине для уменьшения количества брака был разработан процесс последовательного окисления кремния и травления окисла в два и более этапов, с формированием окисной пленки в каждом этапе не более 0,3 мкм.The deformations of the bimorph structure are determined by the following formula: R=E s ⋅h s 2 /6⋅σ⋅(1-μ s )⋅h f , where E s /(1-μ s ) and h s is the biaxial modulus of elasticity in N/ m 2 and the thickness of the silicon membrane, m, R is the radius of curvature of the bimorph structure, m, h f is the film thickness, m, σ is the tension in the film, Pa [Stoney GG The tension of metallic films deposited by electrolysis // Proc. R. Soc. Lond. Ser. A.-1909 - V.82. No.553. - P. 412-423]. Thus, proceeding from the formula, with an increase in the thickness of the oxide film, the radius of curvature of the silicon bridge decreases and, consequently, deformations in the structure increase. For this reason, in order to reduce the amount of rejects, a process was developed for sequential oxidation of silicon and oxide etching in two or more stages, with the formation of an oxide film in each stage no more than 0.3 μm.
Способ формирования объемных элементов в кремнии для устройств микросистемной техники поясняется при помощи следующего неисключительного примера.The method of forming bulk elements in silicon for devices of microsystem technology is illustrated using the following non-exclusive example.
При проведении электрохимического процесса травления кремния на обратной стороне пластины необходимо сформировать омический контакт с кремнием без операции «вжигания» металла, высокая температура процесса которого приводит к возникновению больших механических напряжений в системе металл - кремниевая мембрана и увеличивает брак маятниковых структур. В качестве металла для кремния был выбран алюминий, работа выхода электронов которого ниже, чем у кремния. Данное условие позволяет (согласно модели Шоттки - Мотта) сформировать в идеальном контакте с кремнием область пространственного заряда с повышенной концентрацией основных носителей и получить омический контакт без операции «вжигания». Однако, в реальных контактах высота барьера перехода электронов металла в полупроводник часто не зависит от работы выхода электронов из металла и полупроводника. Причиной этого согласно, модели Бардина являются поверхностные электронные состояния полупроводника примесного, дефектного и адсорбционного происхождения. Они экранируют внутренний объем проводника от металла и уменьшают изгиб зон на границе контакта. Согласно модели DIGS для контактов металл - диэлектрик - полупроводник формирование на границе раздела между металлом и полупроводником промежуточного слоя диэлектрика позволяет уменьшить плотность поверхностных электронных состояний на поверхности полупроводника, сформировать область пространственного заряда с повышенной концентрацией основных носителей в полупроводнике и сформировать омический контакт.[В.Г. Божков, Контакты металл-полупроводник: физика и модели, Томск, 2016, с. 15, 63].When carrying out the electrochemical process of etching silicon on the reverse side of the wafer, it is necessary to form an ohmic contact with silicon without the operation of "burning" the metal, the high temperature of the process of which leads to the occurrence of large mechanical stresses in the metal-silicon membrane system and increases the rejection of pendulum structures. Aluminum was chosen as the metal for silicon, the work function of which is lower than that of silicon. This condition makes it possible (according to the Schottky-Mott model) to form a space charge region with an increased concentration of majority carriers in ideal contact with silicon and to obtain an ohmic contact without the "burning" operation. However, in real contacts, the height of the barrier for the transition of electrons from a metal to a semiconductor often does not depend on the work function of electrons from the metal and the semiconductor. The reason for this, according to Bardeen's model, is the surface electronic states of a semiconductor of impurity, defect, and adsorption origin. They shield the internal volume of the conductor from the metal and reduce the bending of the zones at the contact boundary. According to the DIGS model for metal-dielectric-semiconductor contacts, the formation of an intermediate dielectric layer at the interface between a metal and a semiconductor makes it possible to reduce the density of surface electronic states on the semiconductor surface, form a space charge region with an increased concentration of main carriers in the semiconductor, and form an ohmic contact. [B. G. Bozhkov, Metal-semiconductor contacts: physics and models, Tomsk, 2016, p. 15, 63].
Учитывая склонность поверхности кремния к окислению после проведения технологических операций (термообработки, химической обработки пластин) перед магнетронным напылением алюминия на границе кремния присутствует тонкий слой окисла толщиной несколько нанометров. Качество данного окисла не позволило обеспечить однородность потенциала на всей площади пластины, сформировать омический контакт и провести электрохимическое травление кремния. Для увеличения качества окисла на поверхности кремния в технологический процесс перед напылением алюминия была введена дополнительная химическая обработка кремниевых пластин в водном растворе на основе хромового ангидрида Cr2O3, фторида аммония NH4F, ацетата кадмия и воды, (раствор Cr2O3 (80 г/мл), NH4F (12 г/мл), Cd(CH3COO)2 (40 г/мл), H2O (1000 мл), позволившая стабилизировать поверхностные состояния в кремнии, сформировать низкое омическое сопротивление между металлом и полупроводником без операции «вжигания», провести процесс электрохимического травления и создать на пластинах кремния диаметром 100 мм мембраны толщиной до 10 мкм с погрешностью 0,3 мкм.Taking into account the propensity of the silicon surface to oxidation after technological operations (heat treatment, chemical treatment of wafers), before the magnetron sputtering of aluminum, a thin layer of oxide several nanometers thick is present at the silicon boundary. The quality of this oxide did not make it possible to ensure the homogeneity of the potential over the entire area of the wafer, to form an ohmic contact, and to carry out electrochemical etching of silicon. To increase the quality of oxide on the silicon surface, additional chemical treatment of silicon wafers in an aqueous solution based on chromic anhydride Cr 2 O 3 , ammonium fluoride NH 4 F, cadmium acetate and water was introduced into the technological process before aluminum deposition (solution Cr 2 O 3 (solution Cr 2 O 3 ( 80 g / ml), NH 4 F (12 g / ml), Cd (CH 3 COO) 2 (40 g / ml), H 2 O (1000 ml), which made it possible to stabilize the surface states in silicon, form a low ohmic resistance between metal and semiconductor without the operation of "burning", to carry out the process of electrochemical etching and create on silicon wafers with a diameter of 100 mm membranes up to 10 microns thick with an error of 0.3 microns.
При изготовлении кремниевой мембраны методом жидкостного анизотропного химического травления контуры получаемого объемного элемента могут иметь либо наклонные (с углом 54,7° относительно основания) либо прямоугольные стенки в зависимости от расположения линий травления относительно базового среза пластины (0° или 45° соответственно). Такой профиль травления связан с использованием кремния с ориентацией (100) в качестве основного конструктивного материала. При этом, места закрепления мембраны к подвижному и фиксированному элементу недопустимо выполнять с прямоугольной стенкой, так как в этом случае образуется концентратор напряжения в прямом угле в месте стыковки, в случае травления под углом 54,7° в месте стыковки образуется тупой угол, который вызывает много меньшие напряжения в структуре кремния. Так как боковые стенки мембраны ортогональны линиям закрепления мембраны, то в данном случае травление боковых стенок также будет проходить с образованием фаски с углом 54,7°, так как травление ортогональных плоскостей в кремнии имеет однотипный характер. В предложенном варианте формирование контура объемной структуры мембраны проводится сквозным плазмохимическим травлением через ранее сформированную маску по обратной стороне пластины. Данное решение позволяет достичь прямоугольного профиля травления боковых стенок, при этом в месте закрепления мембраны угол травления кремния останется равным 54,7°.In the manufacture of a silicon membrane by liquid anisotropic chemical etching, the contours of the resulting volumetric element can have either inclined (with an angle of 54.7° relative to the base) or rectangular walls, depending on the location of the etching lines relative to the base cut of the plate (0° or 45°, respectively). Such an etch profile is associated with the use of (100) oriented silicon as the main structural material. At the same time, the places of fixing the membrane to the movable and fixed element must not be made with a rectangular wall, since in this case a stress concentrator is formed in a right angle at the docking point, in the case of etching at an angle of 54.7 ° an obtuse angle is formed at the docking point, which causes much lower stresses in the silicon structure. Since the side walls of the membrane are orthogonal to the lines of fixing the membrane, in this case the etching of the side walls will also take place with the formation of a chamfer with an angle of 54.7°, since the etching of orthogonal planes in silicon is of the same type. In the proposed version, the formation of the contour of the bulk structure of the membrane is carried out by through plasma-chemical etching through a previously formed mask on the reverse side of the plate. This solution makes it possible to achieve a rectangular etching profile of the side walls, while at the place where the membrane is fixed, the silicon etching angle will remain equal to 54.7°.
Сравним два варианта профиля травления боковых граней мембраны, при которых в первом случае в сечении получается трапеция, а во втором -прямоугольник. При воздействии на мембрану изгибного усилия в прямоугольном сечении получается симметричная относительно нейтральной оси изгиба эпюра напряжений с максимальным значением σ1=(M/I)y1 (фиг. 1). В случае трапециевидной формы сечения балки при изгибе нейтральная ось изгиба сдвигается к большей стороне трапеции и эпюра напряжений становится не симметричной, при этом осевой момент инерции I и момент силы М сохраняются, тем самым максимальное напряжение σ2 =(М/I)у2 логично возрастает (так как расстояние у от нейтральной оси изгиба до напряженной точки увеличивается) и становится больше, чем в варианте с прямоугольным профилем сечения (фиг. 1). Таким образом, вариант с прямоугольным сечением стенок мембраны является более предпочтительным. Применяемый в технологическом процессе способ плазмохимического травления тем самым способствует минимизации внутренних напряжений в структуре материала при функционировании устройства.Let us compare two variants of the etching profile of the side faces of the membrane, in which in the first case a trapezoid is obtained in the cross section, and in the second - a rectangle. When a membrane is subjected to a bending force in a rectangular section, a stress diagram symmetrical with respect to the neutral axis of bending is obtained with a maximum value of σ 1 =(M/I)y 1 (Fig. 1). In the case of a trapezoidal beam section during bending, the neutral axis of bending shifts to the larger side of the trapezoid and the stress diagram becomes asymmetrical, while the axial moment of inertia I and the moment of force M are preserved, thus the maximum stress σ 2 = (M / I) y 2 is logical increases (since the distance y from the neutral axis of the bend to the stress point increases) and becomes larger than in the variant with a rectangular section profile (Fig. 1). Thus, the variant with a rectangular section of the membrane walls is more preferable. The method of plasma-chemical etching used in the technological process thus contributes to minimizing internal stresses in the structure of the material during the operation of the device.
Для изготовления используются кремниевые заготовки (фиг. 2а, поз. 1), легированные акцепторной примесью двусторонней полировки, толщиной 385 мкм. На первом этапе методом ионной имплантации и отжига имплантируемой донорной примеси формируется несимметричный р-n переход (фиг. 2а, поз. 2) на глубине, равной толщине будущего упругого балочного чувствительного элемента. Далее (фиг. 2б) формируется двуслойная маска SiO2/Si3N4 (фиг. 2б, поз. 3) с лицевой стороны заготовки. Использование двуслойной маски позволило решить проблему растрава SiO2, так как верхняя маска из Si3N4 более селективна к травлению. После проводится глубинное анизотропное жидкостное химическое травление кремния (фиг. 2в) под маской SiO2/Si3N4 в 33% горячем растворе КОН на глубину 250 мкм в оснастке, защищающей обратную сторону от травления. Для формирования микроструктур процесс жидкостного химического травления является классическим, но при травлении глубиной около 330 мкм погрешность толщины формируемой мембраны по пластине диаметром 100 мм составляет около 3 мкм. Использование электрохимического стоп-травления позволяет снизить погрешность толщины до ±0,5 мкм по всей пластине. Поэтому оставшаяся толщина кремниевой мембраны дотравливается методом электрохимического стоп-травления в таком же растворе с подачей к легированной части пластины электрического потенциала.Silicon blanks (Fig. 2a, pos. 1) doped with an acceptor impurity of double-sided polishing, 385 μm thick, are used for fabrication. At the first stage, by ion implantation and annealing of the implanted donor impurity, an asymmetric p-n junction is formed (Fig. 2a, pos. 2) at a depth equal to the thickness of the future elastic beam sensitive element. Further (Fig. 2b) a two-layer mask SiO 2 /Si 3 N 4 (Fig. 2b, pos. 3) is formed from the front side of the workpiece. The use of a two-layer mask made it possible to solve the problem of SiO 2 etching, since the upper Si 3 N 4 mask is more selective to etching. After that, deep anisotropic liquid chemical etching of silicon is carried out (Fig. 2c) under a mask of SiO 2 /Si 3 N 4 in a 33% hot KOH solution to a depth of 250 μm in a tooling that protects the reverse side from etching. For the formation of microstructures, the process of liquid chemical etching is classical, but when etching with a depth of about 330 µm, the error in the thickness of the formed membrane over a plate with a diameter of 100 mm is about 3 µm. The use of electrochemical stop-etching makes it possible to reduce the thickness error to ±0.5 µm over the entire wafer. Therefore, the remaining thickness of the silicon membrane is etched by the method of electrochemical stop-etching in the same solution with the electric potential applied to the doped part of the wafer.
Для обеспечения контакта к р-n переходу на обратной стороне пластины формируется маска (фиг. 2г), соответствующая рисунку сквозного травления кремния для формирования упругого подвеса из сформированной мембраны: методом магнетронного напыления, наносится слой металла (фиг. 2д, поз. 4). Далее проводится процесс жидкостного электрохимического стоп-травления (фиг. 2е). Пластину с подключенным к металлическому слою (фиг. 2д, поз. 4) (р-n переходу фиг. 2а, поз. 2) электродом опускают в 33% раствор КОН и подают потенциал. По увеличению регистрируемых значений силы тока судят о завершении процесса травления, который останавливается при достижении легированной области из-за пассивации кремния. Далее металл (фиг. 2д, поз. 4) стравливают и плазмохимическим травлением проводят сквозное вскрытие кремния по маске (фиг. 2г), сформированной с обратной стороны, в результате оказываются сформированы упругие перемычки. Также возможно введение операции нанесения химически стойкого лака (фиг. 2б', поз. 5) на обратную сторону подложки (фиг. 2б'). Поверхность пластины с имидизированным химически стойким лаком становится гидрофобной, что приводит к отталкиванию раствора КОН от поверхности и препятствованию возникновения дефектов. Также возможно объединение глубинного анизотропного жидкостного химического травления кремния (фиг. 2в) с электрохимическим стоп-травлением (фиг. 2е).To provide contact to the p-n junction, a mask is formed on the reverse side of the plate (Fig. 2d), corresponding to the pattern of through silicon etching to form an elastic suspension from the formed membrane: a metal layer is deposited by magnetron sputtering (Fig. 2e, pos. 4). Next, the process of liquid electrochemical stop-etching is carried out (Fig. 2e). The plate with the electrode connected to the metal layer (Fig. 2e, pos. 4) (p-n transition of Fig. 2a, pos. 2) is lowered into a 33% KOH solution and a potential is applied. An increase in the recorded current values is used to judge the completion of the etching process, which stops when the doped region is reached due to silicon passivation. Next, the metal (Fig. 2e, pos. 4) is etched and through plasma-chemical etching, silicon is opened through the mask (Fig. 2d) formed on the reverse side, as a result, elastic bridges are formed. It is also possible to introduce the operation of applying a chemically resistant varnish (Fig. 2b', pos. 5) on the reverse side of the substrate (Fig. 2b'). The surface of the plate with an imidized chemically resistant varnish becomes hydrophobic, which leads to the repulsion of the KOH solution from the surface and prevents the occurrence of defects. It is also possible to combine deep anisotropic liquid chemical etching of silicon (Fig. 2c) with electrochemical stop etching (Fig. 2e).
Производственная линия для формирования объемного элемента для устройств микросистемной техники, содержит зону обеспыливания для обеспечения необходимого качества воздуха и выполнения операций комплектования, маркирования и операций контроля; установки химической обработки пластин для выполнения химической обработки и подготовки поверхности кремния, установки для анизотропного травления кремния и химического травления алюминия, установку для снятия фоторезиста; установку отмывки и сушки для обработки пластин; микроскоп для оптического контроля; центрифугу для нанесения фоторезиста, установку спреевого нанесения фоторезиста, установку инфракрасной термообработки фоторезиста, установку отмывки фотошаблонов и установку фотолитографического двустороннего экспонирования для формирования топологии пластин с двусторонней полировкой, а также сушильный шкаф для задубливания фоторезиста; установку плазмохимической обработки для зачистки фоторезиста, установку плазмохимического травления нитрида кремния; установку плазмохимического травления кремния с индуктивно-связанной плазмой для сквозного травления элементов изделия; оптический профилометр для контроля глубины травления; электропечь диффузионную однозонную для термического окисления и разгонки ранее обработанных ионной имплантацией пластин кремния, а также вжигания алюминия; эллипсометрический комплекс для контроля толщины нанесенных тонких диэлектрических пленок; установку ионного легирования для ионного легирования пластин кремния фосфором; установку осаждения для формирования слоя нитрида кремния; установку вакуумного магнетронного напыления для формирования пленок алюминия на поверхности пластин; установку для электрохимического анизотропного самоостанавливающегося травления кремния; растровый электронный микроскоп для контроля толщины мембраны разрушающим методом; камеру шокового температурного воздействия для термоциклической обработки пластин; миллиомметр для контроля сопротивления контакта алюминия и кремния.The production line for the formation of a three-dimensional element for devices of microsystem technology, contains a dedusting zone to ensure the required air quality and perform picking, marking and control operations; installations for chemical processing of wafers for performing chemical processing and surface preparation of silicon, installations for anisotropic etching of silicon and chemical etching of aluminum, installation for removing photoresist; a washing and drying unit for wafer processing; microscope for optical control; centrifuge for applying photoresist, installation for spray application of photoresist, installation for infrared heat treatment of photoresist, installation for cleaning photomasks and installation for double-sided photolithographic exposure to form the topology of plates with double-sided polishing, as well as a drying cabinet for hardening photoresist; installation of plasma-chemical processing for stripping photoresist, installation of plasma-chemical etching of silicon nitride; installation of plasma-chemical silicon etching with inductively coupled plasma for end-to-end etching of product elements; optical profilometer to control the etching depth; single-zone diffusion electric furnace for thermal oxidation and distillation of silicon wafers previously processed by ion implantation, as well as aluminum burning-in; ellipsometric complex for controlling the thickness of deposited thin dielectric films; ion doping unit for ion doping of silicon wafers with phosphorus; a deposition unit for forming a layer of silicon nitride; installation of vacuum magnetron sputtering for the formation of aluminum films on the surface of the plates; installation for electrochemical anisotropic self-stopping silicon etching; scanning electron microscope to control the thickness of the membrane by a destructive method; thermal shock chamber for thermal cycling of wafers; milliohmmeter to control the contact resistance of aluminum and silicon.
Предлагается дополнить производственную линию оснасткой, предназначенной для герметизации обратной стороны пластины кремния и подачи электрического сигнала на легированную область кремния при самоостанавливающемся жидкостном химическом травлении. Оснастка состоит из фторопласта и представляет собой цилиндрическое основание с проточкой диаметром на 2 мм больше диаметра пластины кремния, на дне основания закреплено фторопластовое кольцо для поддержания кремниевой пластины, в основание также вставлен штуцер, через который подается газ для создания повышенного давления в герметичной полости оснастки, и электрод для подачи электрического потенциала на металлизированную пластину, примыкающую одной из сторон к кремниевой пластине с объемными элементами. Металлизированная пластина представляет собой подложку диаметром, равным диаметру пластины с объемными элементами и содержащую проводящий электричество слой металла с двух сторон и сквозные переходные отверстия, электрически соединяющие верхнюю и нижнюю металлизацию данной пластины. Металлизированная пластина присоединена к электроду основания через провод пайкой. Металлизированная пластина со сквозными металлизированными переходными отверстиями предназначена для равномерного распределения подаваемого электрического потенциала на обратную сторону рабочей пластины путем плотного прижатия пластин между собой фиксирующим кольцом, вкручивающимся по резьбе в основание.It is proposed to supplement the production line with equipment designed to seal the reverse side of the silicon wafer and supply an electrical signal to the doped area of silicon during self-stopping liquid chemical etching. The rig consists of fluoroplastic and is a cylindrical base with a
Общий вид оснастки в сборе представлен на фиг. 3. Структурная схема в общем виде представлена на фиг. 4. Материалом оснастки служит фторопласт-4 (политетрафторэтилен), так как он обладаем широким диапазоном температур применения - от минус 70°С до +270°С, а также является гидрофобным диэлектриком, устойчивым к химически агрессивным средам, что необходимо при многоразовом использовании его в процессе самоостанавливающегося травления кремния. Фторопласт практически не меняет своих эксплуатационных свойств при высокотемпературном воздействии, что позволяет успешно применять его в высокотемпературных агрессивных средах в качестве оснастки. Из фторопласта изготовлены основание в виде окружности диаметром 125 мм и толщиной 18,4 мм (фиг. 3, 4, поз. 6), кольцо (фиг. 3, 4, поз. 7) диаметром 100 мм вкладывающееся в паз, выточенный в основании и крышка диаметром 100 мм и высотой 10 мм (фиг. 3, 4, поз. 8), вкручивающаяся в основание. В оснастке есть составные части из других материалов: штуцер из нержавеющей стали, вставленный в отверстие в основании (фиг. 4, поз. 9) для подачи газовой смеси, штырь из нержавеющей стали вставленный в отверстие (фиг. 4, поз. 10) в основании для подключения электрического потенциала, подложка из кремния с переходными сквозными металлизированными отверстиями, покрытая проводящим электрический ток металлом, устойчивым к травлению в растворе щелочи.The general view of the assembly is shown in Fig. 3. The block diagram in general form is shown in Fig. 4. The tooling material is fluoroplast-4 (polytetrafluoroethylene), as it has a wide range of application temperatures - from minus 70 ° C to + 270 ° C, and is also a hydrophobic dielectric resistant to chemically aggressive environments, which is necessary when using it repeatedly in the process of self-stopping silicon etching. Fluoroplast practically does not change its operational properties under high-temperature exposure, which allows it to be successfully used in high-temperature aggressive environments as tooling. The base was made from PTFE in the form of a circle with a diameter of 125 mm and a thickness of 18.4 mm (Fig. 3, 4, item 6), a ring (Fig. 3, 4, item 7) with a diameter of 100 mm inserted into a groove machined in the base and a cover with a diameter of 100 mm and a height of 10 mm (Fig. 3, 4, item 8), screwed into the base. The tooling contains components made of other materials: a stainless steel fitting inserted into the hole in the base (Fig. 4, item 9) for supplying a gas mixture, a stainless steel pin inserted into the hole (Fig. 4, item 10) in base for connecting the electric potential, a silicon substrate with via metalized through holes, coated with an electrically conductive metal resistant to etching in an alkali solution.
На дне основания (фиг. 3, 4, поз. 6), где располагается кольцо (фиг. 3, 4, поз. 7) обеспечивается свободный объем, в который происходит подача газа через вставленный в основание (фиг. 3, 4, поз. 6) штуцер. Подача газовой смеси необходима для обеспечения повышенного давления внутри оснастки с целью исключить протекание раствора щелочи внутрь оснастки, что может привести к короткому замыканию проводников в процессе электрохимического травления, а также растраву металлического слоя на обратной стороне рабочей пластины и прерыванию подачи электрического потенциала на р-n переход. При этом пластин продолжит травится как с лицевой, так и с обратной стороны, образуются сквозные отверстия, и мембрана не сформируется, что недопустимо.At the bottom of the base (Fig. 3, 4, pos. 6), where the ring is located (Fig. 3, 4, pos. 7), a free volume is provided into which gas is supplied through the one inserted into the base (Fig. 3, 4, pos. .6) fitting. The supply of the gas mixture is necessary to ensure increased pressure inside the tooling in order to prevent the alkali solution from leaking into the tooling, which can lead to a short circuit of the conductors during electrochemical etching, as well as etching the metal layer on the reverse side of the working plate and interrupting the supply of electrical potential to p-n transition. In this case, the plates will continue to be etched both from the front and from the back, through holes are formed, and the membrane will not form, which is unacceptable.
Через кольцо (фиг. 3, 4, поз. 7) проходит провод, припаянный к штырю, вставленному в основание (фиг. 3, 4, поз. 6) через отверстие (фиг. 4, поз. 10). Штырь подключен к источнику электрического потенциала. Провод от штыря в объеме основания (фиг. 3, 4, поз. 6) оснастки подключен к металлизированной подложке с переходными сквозными металлизированными отверстиями. Подложка с металлизированными переходными отверстиями необходима для равномерного распределения электрического потенциала по площади обратной стороны рабочей пластины для формирования мембраны более равномерной толщины. Передача электрического потенциала от металлизированной подложки с переходными отверстиями осуществляется плотным прижатием к ней рабочей пластины стороной с проводящим слоем и р-n переходом, прижатие осуществляется крышкой оснастки (фиг. 3, 4, поз. 8).A wire passes through the ring (Fig. 3, 4, item 7), soldered to a pin inserted into the base (Fig. 3, 4, item 6) through a hole (Fig. 4, item 10). The pin is connected to a source of electrical potential. The wire from the pin in the volume of the base (Figs. 3, 4, pos. 6) of the equipment is connected to a metallized substrate with transitional through metallized holes. A substrate with metallized vias is necessary for a uniform distribution of the electric potential over the area of the reverse side of the working plate in order to form a membrane of a more uniform thickness. The transfer of the electric potential from the metallized substrate with vias is carried out by tightly pressing the working plate to it with the side with the conductive layer and the p-n junction, the pressing is carried out by the snap-in cover (Fig. 3, 4, pos. 8).
Claims (13)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2794560C1 true RU2794560C1 (en) | 2023-04-21 |
Family
ID=
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2403647C1 (en) * | 2009-08-31 | 2010-11-10 | Учреждение Российской академии наук Физико-технологический институт РАН | Method of electrically insulated silicon regions formation in bulk of silicon wafer |
| TW201803068A (en) * | 2016-06-30 | 2018-01-16 | 台灣積體電路製造股份有限公司 | Method of reconfiguring uncrowned standard cells and semiconductor apparatus |
| RU2672033C1 (en) * | 2017-11-13 | 2018-11-08 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт физических измерений" | Method for formation of silica areas in silicon plate |
| KR20190088423A (en) * | 2018-01-18 | 2019-07-26 | 한양대학교 산학협력단 | Tunable Colloidal Crystalline Patterns on Micro-Patterned Curved Surfaces and Method for Fabricating the Same |
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2403647C1 (en) * | 2009-08-31 | 2010-11-10 | Учреждение Российской академии наук Физико-технологический институт РАН | Method of electrically insulated silicon regions formation in bulk of silicon wafer |
| TW201803068A (en) * | 2016-06-30 | 2018-01-16 | 台灣積體電路製造股份有限公司 | Method of reconfiguring uncrowned standard cells and semiconductor apparatus |
| RU2672033C1 (en) * | 2017-11-13 | 2018-11-08 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт физических измерений" | Method for formation of silica areas in silicon plate |
| KR20190088423A (en) * | 2018-01-18 | 2019-07-26 | 한양대학교 산학협력단 | Tunable Colloidal Crystalline Patterns on Micro-Patterned Curved Surfaces and Method for Fabricating the Same |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR102413942B1 (en) | Deposition of passivation layer on graphene sheet | |
| Guckel et al. | Fabrication of micromechanical devices from polysilicon films with smooth surfaces | |
| US6549393B2 (en) | Semiconductor wafer processing apparatus and method | |
| US6300756B2 (en) | Micro-mechanical probes for charge sensing | |
| CN1108851C (en) | Gas passage with selectively acting penetration surface and process for producing penetration surface | |
| US20050230839A1 (en) | Fabrication of silicon micro-mechanical structures | |
| KR20090122163A (en) | Plasma processing apparatus and driving method thereof | |
| WO2006138470A1 (en) | A method of thinning a semiconductor structure | |
| RU2794560C1 (en) | Method for forming bulk silicon elements for microsystem technology devices and a production line for implementing the method | |
| CN115127630A (en) | Preparation method of double-shaft multidirectional MEMS (micro-electromechanical systems) thermal flow sensor | |
| JP2001324398A (en) | Corrosion resistant vacuum sensor | |
| JP3950628B2 (en) | Method for manufacturing a broad membrane mask | |
| JP4369142B2 (en) | Pressure wave generator and manufacturing method thereof | |
| CN114242568A (en) | Low-stress medium composite film and manufacturing method thereof | |
| Pangal et al. | Noninvasive measurement of charging in plasmas using microelectromechanical charge sensing devices | |
| JP2009088558A (en) | Electrostatic chuck device | |
| RU2645920C2 (en) | Method for forming contact windows in the layer of the protective foundation of a high-voltage device | |
| US6579408B1 (en) | Apparatus and method for etching wafer backside | |
| CN114459624B (en) | Built-in film thermocouple and preparation method thereof | |
| CN114225975B (en) | Electron microscope fluid infinitesimal temperature control chip and manufacturing method thereof | |
| CN108751123B (en) | Method for forming contact window | |
| JP2004253403A (en) | Electrostatic chuck | |
| CN106865489B (en) | The manufacturing method of MEMS device | |
| Elwenspoek et al. | Silicon micromachining | |
| CN105712287A (en) | Semiconductor device manufacturing method |