Способ изготовления универсальных датчиков состава газа

Изобретение относится к изготовлению средств выявления примеси газов в воздушной среде и определения уровня концентрации газов в среде. Техническим результатом изобретения является возможность получения тонкопленочных (1-5 мкм) диэлектрических мембран по всей площади подложки одновременно и повышение выхода годных датчиков в процессе их изготовления в целом. Сущность изобретения: в способе изготовления универсальных датчиков состава газа, включающем нанесение диэлектрической пленки на лицевую сторону кремниевой подложки, формирование на пленке элементов структуры датчика и создание тонкопленочной диэлектрической мембраны методом анизотропного травления кремниевой подложки с обратной стороны, анизотропное травление проводят в два этапа, причем первый до нанесения диэлектрической пленки, а второй после завершения всех операций формирования элементов структуры датчика с предварительной защитой от травителя лицевой стороны подложки. Анизотропным травлением одновременно формируют разделительные полосы между кристаллами глубиной от 30 до 40% от толщины подложки. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к области микроэлектроники, в частности к технологии изготовления полупроводниковых структур, являющихся элементной базой функциональной микроэлектроники, и может быть использовано в технологии изготовления интегральных газовых датчиков с тонкими диэлектрическими мембранами.

Существуют различные способы получения полупроводниковых газовых датчиков с тонкопленочными диэлектрическими мембранами.

Известен способ создания газового датчика на тонкопленочной диэлектрической мембране [1]. На кремниевой подложке формируется тонкопленочная диэлектрическая мембрана. На мембране последовательно формируются резистивный нагреватель, слой изолирующего диэлектрика и пленка чувствительного материала. Мембрана выполняется круглой, резистивный нагреватель - в форме не замкнутого кольца, центр которого совпадает с центром круглой мембраны, а его внешний радиус меньше радиуса круглой мембраны. Пленочные контакты нагревателя выполнены на свободных торцевых кромках резистивного нагревателя. Недостаток способа заключается в том, что формирование тонкопленочной диэлектрической мембраны осуществляется методом изотропного травления, при котором сложно получить заданную форму и размеры.

Известен способ формирования диэлектрических мембран методом анизотропного травления вплавь [2]. На кремниевой подложке формируется структура датчика, а затем производится анизотропное травление вплавь лицевой стороной вверх, т.е. травитель контактирует только с обратной стороной подложки. Недостаток состоит в том, что данным способом практически невозможно добиться равномерного вытравливания кремния из полостей под мембраной. Это обусловлено тем, что процесс травления сопровождается выделением газа, который скапливается в полостях и препятствует равномерному доступу травителя к образцу, не позволяя одновременно получить мембраны по всей площади подложки. В то же время этот способ не обеспечивает надежную защиту чувствительного элемента, т.к. он постоянно находится под воздействием паров травителя.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению и принятым в качестве прототипа является способ [3] изготовления датчиков газового состава на основе диэлектрической мембраны, выполненной на кремниевой подложке. Способ включает нанесение диэлектрической пленки на лицевой стороне кремниевой подложки, формирование на пленке элементов структуры датчика - нагревателя, чувствительного слоя и контактных площадок и создание тонкопленочной диэлектрической мембраны методом анизотропного травления кремниевой подложки с обратной стороны, причем после формирования на поверхности подложки диэлектрического слоя и структуры датчика, перед этапом одностороннего анизотропного травления, подложки разделяются на отдельные кристаллы, которые устанавливаются методом "перевернутого кристалла" в ячейки на заранее заготовленных ситалловых платах при помощи токопроводящего клея или припоя. Затем производится вытравливание кремния до формирования мембран.

Этот способ обладает большой трудоемкостью, т.к. обработка каждого кристалла проводится индивидуально.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является возможность получения тонкопленочных (1-5 мкм) диэлектрических мембран по всей площади подложки одновременно, что обеспечивает снижение трудоемкости и повышение выхода годных датчиков в процессе их изготовления в целом.

Это достигается тем, что в известном способе изготовления датчика состава газа, включающем нанесение диэлектрической пленки на лицевую сторону кремниевой подложки, формирование на пленке элементов структуры датчика и создание тонкопленочной диэлектрической мембраны методом анизотропного травления кремниевой подложки с обратной стороны, анизотропное травление проводят в два этапа, причем первый до нанесения диэлектрической пленки, а второй после завершения всех операций формирования элементов структуры датчика с предварительной защитой от травителя лицевой стороны подложки.

При этом согласно п.2 формулы изобретения предлагается анизотропным травлением одновременно формировать разделительные полосы между кристаллами глубиной от 30 до 40% от толщины подложки.

Сущность изобретения заключается в том, что процесс образования мембран осуществляется равномерным травлением кремниевой подложки за счет полного погружения в травитель, но при этом, благодаря двухэтапному травлению, минимизируется время воздействия травителя на элементы структуры датчика и диэлектрическую мембрану, что позволяет обеспечить надежную защиту лицевой стороны от агрессивных травителей. На первом этапе анизотропного травления формируется рельеф полости под мембраной на максимально возможную глубину, порядка 80-90% толщины подложки. Это делается для того, чтобы сократить время травления на втором этапе - окончательном дотравливании, которое производится при герметично защищенной лицевой поверхности подложки. Необходимость уменьшения времени дотравливания вызвана тем, что при контакте с травителем известные защитные покрытия разрушаются, а контакт травителя с элементами структуры датчика, особенно с чувствительным слоем, недопустим. Поэтому надежная защита лицевой стороны готовой структуры датчика возможна только в течение сравнительно короткого промежутка времени. Одновременное формирование анизотропным травлением разделительных полос между кристаллами обеспечивает легкость разделения подложки на кристаллы, а также освобождает от дополнительных операций разрезания подложки.

Таким образом, вся совокупность признаков способа изготовления универсальных датчиков состава газа обеспечивает равномерное формирование мембран устройства по всей площади подложки без риска губительного воздействия травителя на структуру датчика и материал мембраны, что позволяет добиться высокого выхода годных в процессе производства.

Пример реализации способа.

Сущность способа поясняется чертежами на фиг.1 - 3. На фиг.1 показана структура кристалла датчика перед первым анизотропным травлением. На фиг.2 показана структура кристалла датчика после первого анизотропного травления. На фиг.3 показана готовая структура кристалла датчика.

Для реализации способа изготовления датчиков состава газа используется кремниевая подложка 1. Для удаления с поверхности подложек загрязнений их подвергают химической обработке в перекисно-аммиачном растворе.

Затем в диффузионной печи при температуре 1150°С формируют слой 2 термического окисла кремния, используемый в дальнейшем в качестве маскирующего слоя при анизотропном травлении. Толщина образованного маскирующего слоя должна быть достаточна для того, чтобы произвести травление на всю глубину подложки.

Далее проводят измерение толщины полученного термического окисла и по этим показателям рассчитывают параметры изотропного травления термического окисла для подложек выбранной толщины. Задачей на данном этапе является формирование рисунка в окисле, позволяющего, в процессе одного анизотропного травления, получить необходимый рельеф подложки, представленный на фиг.3.

На первом этапе анизотропного травления до формирования структуры датчика необходимо получить как можно более глубокие полости 3 под мембраной, чтобы снизить до минимума время дотравливания остатков кремния до мембраны на втором этапе. Но при этом нужно сохранить жесткость подложки в целом во избежание ее рассыпания на отдельные кристаллы до окончания технологического цикла изготовления устройства. Поэтому полости 3 по обратной стороне подложки под образование мембран на первом этапе вытравливают на 80-90% от общей толщины подложки, тогда как для сохранения жесткости глубина разделительных полос 4 по обратной стороне подложки не должна превышать 25-30% толщины подложки. Перед первым этапом анизотропного травления проводят две фотолитографии для формирования необходимого рельефа в маскирующем окисле.

При первой, двусторонней, фотолитографии рисунок в термическом окисле формируют как на лицевой, так и на обратной стороне подложек. На лицевой стороне в окисле создают только рисунок разделительных меток 5 для двустороннего совмещения. На обратной стороне подложек создают рисунок квадратных окон 6 и временных меток для двустороннего совмещения. Затем проводят двустороннее изотропное травление термического окисла по обеим сторонам подложек в буферном травителе. Время травления для каждой стороны рассчитывается индивидуально исходя из толщины термического окисла, температуры и концентрации травителя. На протяжении разницы рассчитанных для обеих сторон времен травления процесс травления проводят вплавь, далее травление ведут при полном погружении до получения необходимого рельефа в маскирующем окисле.

Далее проводят вторую одностороннюю фотолитографию по обратной стороне для частичного вытравливания окон 7 в области разделительных полос и окончательного вытравливания окисла в области квадратных окон 6 под образование мембран. Для получения рельефа в окисле производят изотропное травление вплавь по обратной стороне подложки, результаты которого изображены на фиг.1.

Затем рассчитывают время травления для получения необходимого рельефа в подложке и производят первый этап анизотропного травления. В результате в кремниевой подложке на обратной стороне получают необходимый рельеф разделительных полос 4 и полостей 3 квадратной формы под образование мембран, а на лицевой рельеф разделительных меток 8, как это показано на фиг.2.

Затем производят химическую обработку и реактивное магнетронное распыление на слой 2 остаточного термического окисла по лицевой стороне подложки диэлектрической пленки 9, используемой в качестве мембраны. Материал для диэлектрической пленки подбирают исходя из условий эксплуатации, главными из которых являются диапазон рабочих температур производимого устройства, уровень адгезии к термическому окислу кремния и сопоставимость значений коэффициентов термического расширения наносимой пленки с коэффициентом расширения кремния и термического окисла. Это может быть оксид кремния, нитрид кремния, оксинитрид кремния, их комбинация или другой пригодный для этого материал.

Затем на лицевой стороне подложки в центре предполагаемой мембраны формируют при помощи взрывной фотолитографии резистивный нагревательный элемент 10 и датчик температуры 11 и контактные площадки 12 к чувствительному слою. Одновременно на лицевой поверхности подложки рядом с мембраной на периферийной части кристалла формируют два датчика температуры 13. Они используются для определения температуры за пределами мембраны. Контактные площадки сформированных элементов вынесены за пределы мембраны на поверхность подложки. Затем производят напыление на поверхность слоя 14 изолирующего диэлектрика, вскрытие в нем окон к контактным площадкам 12 к чувствительному слою, а также вскрытие окон к контактным площадкам всех элементов (на фигурах не показаны). Затем методом трафаретной печати наносят чувствительный слой 15. В зависимости от того, какой газ необходимо выявить, подбирают нужный материал чувствительного слоя.

После формирования структуры датчика производят окончательное второе анизотропное травление остатков кремниевой подложки в полостях 3 по обратной стороне до формирования мембран квадратной формы, состоящих из пленок 2 и 9. При этом лицевая сторона герметично защищается от попадания на нее травителя. Получив тонкую диэлектрическую мембрану, подложки с готовыми датчиками извлекают из защитного устройства и разламывают по разделительным полосам 4 на отдельные кристаллы. Схематичное изображение одного готового кристалла датчика газового состава представлено на фиг.3.

Предложенный способ позволяет выполнять все операции по изготовлению полупроводниковых газовых датчиков групповым образом, что существенно снижает стоимость производства и повышает их надежность и воспроизводимость характеристик. На изготовленных образцах датчиков была получена температура чувствительного слоя 800°С при температуре периферийной части кристалла около 50°С.

При помощи предложенного способа в зависимости от выбора материала чувствительного слоя возможно изготавливать датчики для выявления практически любого газа, что делает предложенную технологию универсальной для производства датчиков газового состава.

Список литературы

1. Патент России №2054664, Кл. G01N 27/12, 1996 г.

2. Патент России №2073932, Кл. H01L 21/306, 1997 г.

3. Патент России №2143678, Кл. G01N 27/12, H01L 21/02, 1999 г.

1. Способ изготовления универсальных датчиков состава газа, включающий нанесение диэлектрической пленки на лицевой стороне кремниевой подложки, формирование на пленке элементов структуры датчика и создание тонкопленочной диэлектрической мембраны методом анизотропного травления кремниевой подложки с обратной стороны, отличающийся тем, что анизотропное травление проводят в два этапа, причем первый - до нанесения диэлектрической пленки, а второй - после завершения всех операций формирования элементов структуры датчика с предварительной защитой от травителя лицевой стороны подложки.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что анизотропным травлением одновременно формируют разделительные полосы между кристаллами глубиной от 30 до 40% от толщины подложки.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к способам общего назначения для обработки материалов с помощью электрической энергии и может быть использовано в технологии полупроводниковых приборов.

Изобретение относится к области полупроводниковой электроники, в частности к технологии полупроводниковых приборов. .
Изобретение относится к устройствам, предназначенным для удержания полупроводниковых пластин во время жидкостной обработки. .
Изобретение относится к области вакуумно-плазменной обработки (очистки, осаждения, травления и т.д.) потоками ионов, атомов, молекул и радикалов инертных или химически активных газов слоев и пленочных материалов на ленточных носителях в микро- и наноэлектронике, оптике, гелиоэнергетике, стекольной, автомобильной и других отраслях промышленности.
Изобретение относится к технологии изготовления силовых кремниевых транзисторов и интегральных схем, в частности к способам обработки подложек для формирования контактных окон.

Изобретение относится к области мембранных технологий и может быть использовано для производства микро- и нанофлюидных фильтров, биосенсорных устройств, приборов медицинской диагностики, а также при изготовлении элементов электронно-оптических преобразователей и рентгеновской оптики.

Изобретение относится к микроэлектронике, в частности к реакторам для высокоплотной и высокочастотной плазменной обработки полупроводниковых структур. .
Изобретение относится к микроэлектронике и может быть использовано в технологии изготовления интегральных пьезоэлектрических устройств - фильтров, резонаторов, линий задержки на поверхностных акустических волнах.

Изобретение относится к технологии полупроводникового производства, в частности к формированию затворов в КМОП технологии

Изобретение относится к устройствам локального травления тонких пленок микроэлектроники

Изобретение относится к технологии производства электронных компонентов для микро- и наносистемной техники

Изобретение относится к созданию высокоэффективных солнечных элементов на основе полупроводниковых многослойных наногетероструктур для прямого преобразования энергии солнечного излучения в электрическую энергию с использованием солнечных батарей
Изобретение относится к области полупроводниковой техники и может быть использовано, в частности, в технологии изготовления полупроводниковых СВЧ приборов

Изобретение относится к технологии полупроводников, в частности к способам консервации поверхности полупроводниковых подложек. Изобретение позволяет сохранять «epiready» свойства подложек на воздухе без использования инертной среды при комнатной температуре и затем использовать для эпитаксиального выращивания полупроводниковых гетеро-и наноструктур. В способе консервации поверхности подложек из арсенида галлия, включающем химико-динамическое полирование поверхности полупроводника в полирующем травителе, содержащем концентрированную серную кислоту, перекись водорода и воду в соотношении H2SO4:H2O2:H2O=5:1:1, отмывку в деионизованной воде, стравливание слоя остаточного оксида в водном растворе концентрированной соляной кислоты H2O:HCl=10:1 до проявления гидрофобных свойств чистой поверхности подложки из арсенида галлия, отмывку в деионизованной воде, сушку в центрифуге, обработку в парах селена, стравливание образовавшегося слоя селенида галлия в водном растворе концентрированной соляной кислоты H2O:HCl=10:1, отмывку в деионизованной воде, сушку в центрифуге, после сушки подложку повторно обрабатывают в парах селена в камере квазизамкнутого объема с образованием эпитаксиального слоя селенида галлия (Ga2Se3) при температуре подложки - Tn=(310÷350)°С, температуре стенок камеры - Тс=(280-300)°С, температуре селена - TSe=(230÷250)°C в течение 3÷10 минут и затем осуществляют упаковку без использования инертной среды. 4 ил.

Изобретение относится к технологии изготовления полупроводниковых приборов, в частности к очистке поверхности полупроводниковых пластин кремния от механических и органических загрязнений, и может найти применение в микроэлектронике, радиотехнической, электротехнической и других отраслях промышленности. Сущность изобретения: очистку поверхности полупроводниковых пластин осуществляют в ванне с моющим бифторидным раствором, активированным концентрированным озоном и ультразвуком при комнатной температуре с последующей промывкой в деионизованной воде. Изобретение обеспечивает создание высокоэффективного, ресурсо- и энергосберегающего, экологически чистого и безопасного способа очистки поверхности полупроводниковых пластин от органических и металлических загрязнений и сокращение времени обработки пластин. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к технологии изготовления полупроводниковых приборов, в частности к очистке поверхности полупроводниковых пластин от органических загрязнений и получению пористой поверхности кремния при изготовлении различных структур. Очистку от органических загрязнений и получение пористой поверхности полупроводниковых пластин осуществляют совместно в одну стадию в растворах HBF4 или NH4HF2, активированных озоном высокой концентрации 17% и выше. Травление полупроводниковых пластин осуществляют в концентрированных, более 10%, растворах HBF4 или NH4HF2. Применение предложенного способа очистки и получения пористой поверхности полупроводниковых пластин в растворах HBF4 или NH4HF2, активированных озоном высокой концентрации, позволит упростить технологию, понизить температуру процесса очистки, снизить энергоемкость, сократить число стадий и время обработки пластин, повысить экологическую безопасность очистки и получения пористой поверхности полупроводниковых пластин. 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 2 ил.

Изобретение относится к технике индивидуальной обработки подложек и может быть использовано при производстве изделий электронной техники. Сущность изобретения заключается в том, что в способе отмывки и сушки подложек каждую подложку устанавливают на носитель, опускают в ванну отмывки с деионизованной водой до полного погружения подложки, затем медленно поднимают из воды в камеру сушки, отмывая ее с помощью мегазвукового излучения, а в момент выхода подложки из воды подают пары органического растворителя на границу раздела ванны и воздушной среды камеры и сушат. Новым в способе является то, что на носителе подложек создают зоны точечных контактов двух торцов подложки с носителем, устанавливают подложку на носитель таким образом, что нижний торец подложки расположен под определенным углом к горизонтали, опускают подложку в ванну отмывки непрерывно, а при подъеме подложки мегазвуковое излучение направляют на всю ширину подложки. Изобретение позволяет повысить качество отмывки и сушки подложек, расширить технологические возможности устройства, упростить аппаратурную реализацию процесса обработки, а также повысить надежность и производительность обработки. 2 н.п. ф-лы, 9 ил.

Изобретение предназначено для использования в мембранных нанотехнологиях для производства управляемых микро- и нанофлюидных фильтров, биосенсорных устройств, приборов медицинской диагностики. Сущность изобретения: в канальной матрице помимо пластины монокристаллического кремния дырочного типа с вскрытыми каналами и осажденного материала на фронтальной поверхности этой пластины создан промежуточный диэлектрический слой двуокиси кремния и нанесена металлическая пленка на фронтальную поверхность пластины с вскрытыми каналами, имеющими заданный поперечный размер. Техническим результатом изобретения является улучшение эксплуатационных характеристик за счет введения электродов и применение электрокинетического и электрофизического контроля, что позволяет расширить номенклатуру изделий мембранной техники на основе биосовместимого и высокотехнологичного кремния. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к изготовлению средств выявления примеси газов в воздушной среде и определения уровня концентрации газов в среде

Наверх