Способ изготовления упругих элементов из монокристаллического кремния

 

Использование: в приборостроении, а именно к способам изготовления анизотропным травлением упругих элементов приборов (балок, мембран, струн и т. д. ) из пластины монокристаллического кремния с ориентацией плоскости (100). Сущность изобретения: в способе осуществляют окисление плоской пластины из монокристаллического кремния с ориентацией поверхности в плоскости (100), нанесение на нее защитного слоя фоторезиста, одностороннюю фотолитографию, вскрытие окна в окисле в области формирования упругого элемента на ширину, большую требуемой ширины упругого элемента, легирование кремния в окне на глубину, равную требуемой толщине упругого элемента, удаление окисла и повторное окисление пластины кремния, нанесение на нее защитного слоя фоторезиста, одностороннюю фотолитографию на стороне, противоположной легированию, вскрытие окна в окисле в области формирования упругого элемента на ширину l₂, большую требуемой ширины упругого элемента, и анизотропное травление до легированного слоя кремния. Первое анизотропное травление проводится на глубину, равную половине толщины кремниевой пластины, и, кроме того, осуществляют нанесение на пластину защитного слоя фоторезиста, одностороннюю фотолитографию на стороне, противоположной легированию, вскрытие окна в окисле в области формирования упругого элемента на ширину l₄, удовлетворяющую соотношению l₄ - l₂ > 2(b₂ - b₁), где b₁ и b₂ соответственно толщина упругого элемента и пластины кремния, и второе анизотропное травление до легированного слоя кремния. 7 ил.

Изобретение относится к технологии приборостроения, а именно к способам изготовления анизотропным травлением упругих элементов приборов (балок, мембран, струн и так далее) из пластины монокристаллического кремния с ориентацией плоскости (100).

Известен способ изготовления упругих элементов из монокристаллического кремния, включающий операции окисления пластины, покрытия ее защитным слоем фоторезиста, фотолитографии, вскрытия окисла в местах формирования упругого элемента на ширину, равную размеру упругого элемента, анизотропного травления на глубину меньшую, чем необходимо для получения требуемой толщины упругого элемента, и изотропного дотравливания до получения требуемой толщины упругого элемента [1] Данному способу-аналогу присущи следующие недостатки: невысокая точность изготовления деталей, так как вторым технологическим процессом изготовления упругого элемента является полирующее изотропное дотравливание; нетехнологичность способа, так как в нем применяются два технологических процесса (анизотропное травление и полирующее изотропное дотравливание).

Прототипом изобретения выбран способ изготовления упругих элементов из монокристаллического кремния [2] включающий окисление плоской пластины из монокристаллического кремния с ориентацией поверхности в плоскости (100), нанесение на нее защитного слоя фоторезиста, одностороннюю фотолитографию, вскрытие окна в окисле в области формирования упругого элемента на ширину, большую требуемой ширины упругого элемента, легирование кремния (например, путем термодиффузии бора) на глубину, равную требуемой толщине упругого элемента. Далее окисел кремния удаляется и проводится повторное окисление пластины кремния, нанесение на нее защитного слоя фоторезиста, односторонняя фотолитография на стороне, противоположной легированию, вскрытие окна в окисле в области формирования упругого элемента на ширину l₂, равную L₂+2 (b₂-b₁)tg 35,3^о.

После этих операций проводится анизотропное травление до легированного слоя кремния, где происходит самоостановка травления в глубину.

Способ-прототип иллюстрируется фиг. 1, где 1 пластина монокристалла кремния с ориентацией поверхности (100); 2 легированный слой кремния; l₁ ширина упругого элемента; b₁ толщина упругого элемента; l₂ ширина окна в окисле; b₂ толщина пластины кремния; l₃ ширина легированного слоя кремния.

Способ-прототип имеет следующий недостаток наличие концентратора напряжений по линии А (см. фиг. 1) в местах "заделки" упругого элемента в пластину кремния. Здесь необходимо отметить, что указанный концентратор становится наиболее опасен при "перетраве" кремниевой пластины.

Предлагаемый способ отличается тем, что при проведении первого анизотропного травления из окна шириной l₂ травление производится на глубину, равную 0,5b₂. В способ вводится еще одна операция нанесения на пластину защитного слоя фоторезиста, односторонняя фотолитография на стороне, противоположной легированию, вскрытие окна в окисле в области формирования упругого элемента на ширину l₄, удовлетворяющую соотношению l₄-l₂ >2(b₂-b₁).

Далее проводится анизотропное травление до легированного слоя кремния.

На фиг. 2 изображена пластина из монокристаллического кремния с ориентацией поверхности (100) после вскрытия окна в окисле в области формирования упругого элемента на ширину l₃, большую требуемой ширины упругого элемента; на фиг. 3 пластина кремния после проведения легирования и удаления окисла кремния; на фиг. 4 пластина кремния после вскрытия окна в окисле в области формирования упругого элемента на стороне, противоположной легированию, на ширину l₂ и первого анизотропного травления на глубину, равную половине толщины кремниевой пластины; на фиг. 5 конечная конфигурация упругого элемента, полученного согласно изобретению; на фиг. 6 и 7 этапы изготовления симметричного упругого элемента с использованием изобретения.

На чертежах изображены: 1 пластина из монокристаллического кремния с ориентацией поверхности (100); 2 окисел кремния SiO₂; 3 легированный слой кремния.

Реализация способа согласно изобретению осуществляется следующим образом.

Плоская пластина 1 из монокристаллического кремния с ориентацией поверхности в плоскости (100) окисляется с образованием окисла 2. Далее на окисел наносится защитный слой фоторезиста и проводится односторонняя фотолитография на той стороне пластины, на которой формируется упругий элемент. В окисле вскрывается окно в области формирования упругого элемента на ширину l₃, большую требуемой ширины упругого элемента (см. фиг. 2).

Пластина кремния легируется через окно в окисле на глубину b₁, равную требуемой толщине упругого элемента, а окисел удаляется (см. фиг. 3).

Проводится повторное окисление пластины кремния, нанесение на нее защитного слоя фоторезиста, односторонняя фотолитография на стороне, противоположной легированию, вскрытие окна в окисле в области формирования упругого элемента на ширину l₂ и анизотропное травление на глубину 0,5 b₂ (см. фиг. 4).

Далее на пластину опять наносится защитный слой фоторезиста, проводится односторонняя фотолитография на стороне, противоположной легированию, вскрывается окно в окисле в области формирования упругого элемента на ширину l₄, удовлетворяющую соотношению l₄-l₂ >2(b₂-b₁).

Затем проводится анизотропное травление до легированного слоя кремния. Полученный профиль упругого элемента показан на фиг. 4.

Предложенный способ изготовления упругих элементов может быть реализован с любым известным технологическим процессом легирования кремния (ионное легирование, плазменное легирование и так далее). Естественно, что применение этих других процессов легирования требует коррекции общего техпроцесса, представляемого в изобретении.

С использованием изобретения могут быть изготовлены и симметричные упругие элементы (фиг. 6 и 7).

Для этого на первом этапе изготовления на верхней поверхности кремниевой пластины 1 с помощью способа [1] формируется профиль и осуществляется легирование его поверхности (фиг. 6).

Далее на нижней поверхности пластины осуществляются операции согласно изобретению и (при необходимости) проводится легирование мест "заделки" упругого элемента в пластину (фиг. 7).

Заявленный способ изложен применительно к изготовлению упругих элементов типа мембрана. Для изготовления этим способом упругих элементов типа балок и струн легирование кремния надо проводить не на всю длину мембраны, а лишь в местах расположения балок (или струн) на длину, равную ширине балки (или струны).

Формула изобретения

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ УПРУГИХ ЭЛЕМЕНТОВ ИЗ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО КРЕМНИЯ, включающий окисление плоской пластины из монокристаллического кремния с ориентацией поверхности в плоскости (100), нанесение на нее защитного слоя фоторезиста, одностроннюю фотолитографию, вскрытие окна в окисле в области формирования упругого элемента на ширину, большую требуемой ширины упругого элемента, легирование кремния в окне на глубину, равную требуемой толщине упругого элемента, удаление окисла и повторное окисление пластины кремния, нанесение на нее защитного слоя фоторезиста, одностороннюю фотолитографию на стороне, противоположной легированию, вскрытие окна в окисле в области формирования упругого элемента на ширину l₂, большую требуемой ширины упругого элемента, и анизотропное травление кремния до легированного слоя кремния, отличающийся тем, что анизотропное травление до легированного слоя проводят в две стадии, первую стадию анизотропного травления проводят на глубину, равную половине толщины кремниевой пластины, после первой стадии дополнительно проводят нанесение на пластину защитного слоя фоторезиста, одностороннюю фотолитографию со стороны, противоположной легированию, и вскрытие окна в окисле в области формирования упругого элемента на ширину l₄, удовлетворяющую соотношению l₄ l₂ > 2(b₂ b₁), где b₁ и b₂ соответственно толщина упругого элемента и пластины кремния, а затем проводят вторую стадию анизотропного травления до легированного слоя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7