Способ изготовления глубокопрофилированных кремниевых структур

Авторы патента:

Тимошенков Алексей Сергеевич (RU)

Тимошенков Сергей Петрович (RU)

Рапидов Михаил Ольгердович (RU)

Шилов Валерий Федорович (RU)

Миронов Сергей Геннадьевич (RU)

Рубчиц Вадим Григорьевич (RU)

H01L21/308 - с использованием масок (H01L 21/3063,H01L 21/3065 имеют преимущество)

Владельцы патента RU 2539767:

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский университет "МИЭТ" (RU)
Общество с ограниченной ответственностью "Лаборатория Микроприборов" (RU)

Изобретение относится к изготовлению конструктивных элементов микромеханических приборов на кремниевых монокристаллических подложках. Изобретение обеспечивает снижение трудоемкости изготовления и повышение качества структур. Способ изготовления глубокопрофилированных кремниевых структур включает нанесение защитной пленки на плоскую пластину из монокристаллического кремния с ориентацией поверхности в плоскости (100), нанесение на нее с двух сторон защитного слоя фоторезиста, проведение одно-двухсторонней фотолитографии, вскрытие окон в защитной пленке, повторное нанесение защитной пленки, проведение одно-двухсторонней фотолитографии, вскрытие окон меньшего размера до поверхности пластины, проведение анизотропного травления в образовавшемся окне, стравливание защитной пленки и проведение анизотропного травления. Представлены альтернативные способы изготовления глубокопрофилированных структур. 5 ил.

Изобретение относится к хирургическим режущим инструментам, для создания которых используются достижения современных нанотехнологий, и может быть использовано для проведения микрохирургических операций в офтальмологии.

Изобретение может также относится к приборостроению и может применяться для изготовления конструктивных элементов микромеханических приборов на кремниевых монокристаллических подложках, а именно упругих подвесов (элементов) и всего чувствительного элемента в целом, например для микромеханических акселерометров и гироскопов.

Известен способ изготовления глубокопрофилированных кремниевых структур путем изотропного травления исходной пластины монокристаллического кремния [1].

Недостатком известного способа является неточность изготовления элементов режущих микроинструментов, в том числе и конструктивных элементов для микроприборов, из-за зависимости скорости травления от температуры и концентрации травителя, а также сложность обеспечения локальной защиты от длительного воздействия травителя. Другим недостатком данного способа является значительное боковое расстравливание монокристаллического кремния, т.к. при изотропном травлении скорость во всех направлениях одинакова.

Известен способ изготовления чувствительного элемента микромеханического устройства, заключающийся в нанесении на пластину защитной маски, формировании окна и локальном анизотропном травлении кремния в окне этой маски [2].

Однако известный способ имеет следующие недостатки. В результате анизотропного травления получается профиль в виде трапеции в сечении, на вершинах которой в местах резкого перехода возникают концентраторы механических напряжений и при наличии микротрещин при эксплуатации режущего микроинструмента происходит его разрушение. Кроме того, в микромеханических приборах это также ведет к отказу всего прибора, следовательно, к снижению надежности. Кроме того, в микромеханических приборах изготовленный таким способом упругий подвес обладает низкой устойчивостью к продольному сжимающему воздействию. При воздействии измеряемой величины упругий элемент, полученный таким способом, испытывает распределенный изгиб, что снижает точность преобразователя.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является снижение трудоемкости изготовления и повышение качества структур.

Для достижения этого способ изготовления глубокопрофилированных кремниевых структур включает нанесение защитной пленки на плоскую пластину из монокристаллического кремния с ориентацией поверхности в плоскости (100), нанесение на нее с двух сторон защитного слоя фоторезиста, одно-двухстороннюю фотолитографию, вскрытие окон в защитной пленке в области формирования глубокопрофилированных кремниевых структур и дальнейшего анизотропного травления. После вскрытия окон в защитной пленке вновь наносят защитную пленку, проводят одно-двухстороннюю фотолитографию, вскрывают окна меньшего размера до поверхности пластины, проводят анизотропное травление в образовавшемся окне, стравливают защитную пленку и проводят анизотропное травление или наносят защитную пленку, проводят одно-двухстороннюю фотолитографию, вначале вскрывают новое окно меньшего размера до поверхности пластины, затем наносят защитную пленку, проводят одно-двухстороннюю фотолитографию, вскрывают окна большего размера до поверхности пластины образовавшегося окна, проводят анизотропное травление во втором окне, затем стравливают защитную пленку до первого окна и проводят анизотропное травление или наносят защитную пленку, проводят одно-двухстороннюю фотолитографию, вскрывают новое окно большего размера, вновь проводят одно-двухстороннюю фотолитографию, вскрывают окно меньшего размера до поверхности пластины, проводят анизотропное травление, стравливают защитную пленку до поверхности пластины, вскрывая окно большего размера, и проводят анизотропное травление.

Отличительными признаками заявленного способа является то, что после вскрытия окон в защитной пленке вновь наносят защитную пленку. Затем проводят одно-двухстороннюю фотолитографию. Вскрывают окна меньшего размера до поверхности пластины. Проводят анизотропное травление в образовавшемся окне. Далее стравливают защитную пленку и вновь проводят анизотропное травление. Можно опять наносить защитную пленку. Потом проводят одно-двухстороннюю фотолитографию, вначале вскрывают новое окно меньшего размера до поверхности пластины. Затем наносят защитную пленку, проводят одно-двухстороннюю фотолитографию, вскрывают окна большего размера до поверхности пластины образовавшегося окна, проводят анизотропное травление во втором окне, затем стравливают защитную пленку до первого окна и проводят анизотропное травление. Еще можно наносить защитную пленку. Потом проводят одно-двухстороннюю фотолитографию, вскрывают новое окно большего размера. Вновь проводят одно-двухстороннюю фотолитографию, вскрывают окно меньшего размера до поверхности пластины, проводят анизотропное травление, стравливают защитную пленку до поверхности пластины, вскрывая окно большего размера, и проводят анизотропное травление.

Предлагаемым способом можно изготавливать микрохирургический инструмент с различными углами заточки. В прототипе возможно только под углом 54, 44. Таким образом, расширяется диапазон изготовления микроинструмента.

Предлагаемый способ позволяет изготавливать профиль упругих элементов микромеханических приборов - плавным. Это увеличивает надежность по сравнению с прототипом, у которого на изгибах возникают концентраторы напряжений, ведущих к разрушению прибора.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами фиг.1, фиг.2, фиг.3.

На фиг.1 (а, б, в, г, д) изображена последовательность изготовления глубокопрофилированных кремниевых структур первым способом, где

1 - монокристаллическая пластина кремния;

2 - защитная пленка;

3 - вновь наносимая защитная пленка;

4 - первое анизотропное травление;

5 - последующее анизотропное травление.

На фиг.2 (а, б, в, г, д) изображена последовательность изготовления глубокопрофилированных кремниевых структур вторым способом, где

1 - монокристаллическая пластина кремния;

2 - защитная пленка;

3 - вновь наносимая защитная пленка.

На фиг.3 (а, б, в. г, д) изображена последовательность изготовления глубокопрофилированных кремниевых структур третьим способом, где

1 - монокристаллическая пластина кремния;

2 - защитная пленка.

Способ реализуется следующим образом. На пластину монокристаллического кремния 1 с ориентацией плоскости (100) наносят защитную пленку 2(а), проводят двухстороннее экспонирование для вскрытия окон в защитной пленке 2(б). Вновь наносят защитную пленку 3(в). Затем проводят одно-двухстороннюю фотолитографию. Вскрывают окна меньшего размера до поверхности пластины 1. Проводят анизотропное травление в образовавшемся окне 4(г). Стравливают защитную пленку 3 и проводят анизотропное травление 5(д). Еще можно наносить защитную пленку 3(a). Потом проводят одно-двухстороннюю фотолитографию, вначале вскрывают новое окно меньшего размера (б) до поверхности пластины 1. Затем наносят защитную пленку 3(в), проводят одно-двухстороннюю фотолитографию, вскрывают окна большего размера (г) до поверхности пластины 1 образовавшегося окна, проводят анизотропное травление 4 во втором окне, затем стравливают защитную пленку до первого окна и проводят анизотропное травление 5(д). Еще можно наносить защитную пленку 2(а). Потом проводят одно-двухстороннюю фотолитографию, вскрывают новое окно большего размера (б). Вновь проводят одно-двухстороннюю фотолитографию, вскрывают окно меньшего размера (в) до поверхности пластины 1, проводят анизотропное травление 3, стравливают защитную пленку 2 до поверхности пластины, вскрывая окно большего размера (г), и проводят анизотропное травление % (д).

Пример 1. Изготовление микрохирургических инструментов для проведения микрохирургических операций в офтальмологии.

На фиг.4 (а, б, в, г) изображена последовательность операций для изготовления микрохирургических инструментов.

На фиг.4(а) изображено исходное состояние после анизотропного травления указанными выше способами фиг.3(г).

На фиг.4(б) изображено состояние пластины после первого промежуточного травления.

На фиг.4(в) изображено состояние пластины после второго промежуточного травления.

На фиг.4(г) изображено состояние пластины после окончательного травления и получения микрохирургического лезвия заданной конфигурации.

Таким образом, предложенный способ обеспечивает снижение трудоемкости изготовления и повышение качества микрохирургических инструментов.

Пример 2. Изготовление конструктивных элементов микромеханических приборов на кремниевых монокристаллических подложках, а именно упругих подвесов для микромеханических акселерометров.

На фиг.5 (а, б, в, г) изображена последовательность операций для изготовления конструктивных элементов микромеханических приборов на кремниевых монокристаллических подложках, а именно упругих подвесов для микромеханических акселерометров.

На фиг.5(а) изображено исходное состояние после анизотропного травления указанными выше способами фиг.3(г).

На фиг.5(б) изображено состояние пластины после первого промежуточного травления.

На фиг.5(в) изображено состояние пластины после второго промежуточного травления.

На фиг.5(г) изображено состояние пластины после окончательного травления и получения микропрофиля конструктивных элементов микромеханических приборов заданной конфигурации.

Таким образом, предложенный способ обеспечивает снижение трудоемкости изготовления чувствительных элементов, повышение работоспособности преобразователя путем увеличения механической прочности подвеса. При этом существенно снижается концентрация механических напряжений в местах сопряжения упругих элементов.

В случае наличия микротрещин в теле элемента подвеса по сравнению с прототипом уменьшается вероятность выхода из строя преобразователя.

Источники информации

1. Травление полупроводников [сборник статей]. Пер. с англ. С.Н. Горина. М.: Мир, 1965.

2. Ваганов В.И. Интегральные тензопреобразователи. - М.: Энергоатомиздат, 1983. - Прототип.

Способ изготовления глубокопрофилированных кремниевых структур, включающий нанесение защитной пленки на плоскую пластину из монокристаллического кремния с ориентацией поверхности в плоскости (100), нанесение на нее с двух сторон защитного слоя фоторезиста, одно-двухстороннюю фотолитографию, вскрытие окон в защитной пленке в области формирования глубокопрофилированных кремниевых структур и дальнейшего анизотропного травления, отличающийся тем, что после вскрытия окон в защитной пленке вновь наносят защитную пленку, проводят одно-двухстороннюю фотолитографию, вскрывают окна меньшего размера до поверхности пластины, проводят анизотропное травление в образовавшемся окне, стравливают защитную пленку и проводят анизотропное травление или наносят защитную пленку, проводят одно-двухстороннюю фотолитографию, вскрывают новое окно меньшего размера до поверхности пластины, затем наносят защитную пленку, проводят одно-двухстороннюю фотолитографию, вскрывают окна большего размера до поверхности пластины образовавшегося окна, проводят анизотропное травление во втором окне, затем стравливают защитную пленку до первого окна и проводят анизотропное травление или наносят защитную пленку, проводят одно-двухстороннюю фотолитографию, вскрывают новое окно большего размера, вновь проводят одно-двухстороннюю фотолитографию, вскрывают окно меньшего размера до поверхности пластины, проводят анизотропное травление, стравливают защитную пленку до поверхности пластины, вскрывая окно большего размера, и проводят анизотропное травление.

Изобретение относится к технологии создания сложных проводящих структур и может быть использовано в нанотехнологии, микроэлектронике для создания сверхминиатюрных приборов, интегральных схем и запоминающих устройств.

Способ формирования рельефа из электронного или фотонного материала // 2495515

Изобретение относится к способу формирования рельефа из электронных и фотонных материалов и структурам и устройствам, изготовленным с использованием этого способа.

Жидкая композиция, способ получения кремниевой подложки и способ получения подложки для головки для выброса жидкости // 2468467

Изобретение относится к жидкой композиции, способу получения кремниевой подложки и к способу получения подложки для головки для выброса жидкости. .

Способ изготовления чувствительного элемента датчика давления жидких и газообразных сред // 2465681

Изобретение относится к технологии изготовления упругих элементов микроэлектромеханических измерительных систем. .

Способ обработки подложек и подложка, обработанная этим способом // 2459312

Изобретение относится к обработке подложек для получения вогнуто-выпуклой структуры. .

Способ изготовления чувствительных элементов микромеханических систем // 2439741

Изобретение относится к технологии изготовления чувствительных элементов микроэлектромеханических систем. .

Способ изготовления глубокопрофилированных кремниевых структур // 2437181

Изобретение относится к приборостроению и может применяться при изготовлении полупроводниковых микромеханических устройств, например чувствительных элементов интегральных датчиков.

Способ изготовления наноразмерных проволочных кремниевых структур // 2435730

Изобретение относится к технологии изготовления кремниевых микро- и наноэлектронных устройств. .

Способ получения нанослоев // 2425794

Изобретение относится к технологии формирования наноэлектронных структур. .

Способ фотолитографии // 2399116

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано при изготовлении полупроводниковых приборов и интегральных микросхем, а также однослойных и многослойных печатных плат для радиоэлектронной аппаратуры.

Микроструктурные элементы для селекции электромагнитного излучения и способ их изготовления // 2548945

Использование: для селекции электромагнитного излучения. Сущность изобретения заключается в том, что микроструктурный элемент выполнен в виде перфорированной сеточной структуры, объем которой в основном выполнен из полимерной пленки и вся ее поверхность, включая внутренние полости, металлизирована. Технический результат: обеспечение возможности формирования перфорированных пленок в диапазоне толщин от нескольких микрометров до нескольких миллиметров. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

Способ микропрофилирования кремниевых структур // 2559336

Изобретение относится к приборостроению и может применяться для изготовления конструктивных элементов микромеханических приборов на кремниевых монокристаллических подложках, а именно упругих подвесов и всего чувствительного элемента в целом, например для микромеханических акселерометров и гироскопов. Изобретение обеспечивает снижение трудоемкости изготовления и повышение качества структур. Способ микропрофилирования кремниевых структур включает нанесение защитной пленки на пластину из монокристаллического кремния, формирование из защитной пленки локальной маски в области формирования микропрофиля, анизотропное травление пластины монокристаллического кремния, нанесение защитной пленки, нанесение слоя поликристаллического кремния, анизотропное травление поликристаллического кремния, окисление поликристаллического кремния, травление диоксида кремния со вновь наносимой защитной пленки, травление защитной пленки до поверхности пластины и анизотропное травление в образовавшемся окне пластины монокристаллического кремния. Повторяют поочередно эти процессы необходимое количество раз до получения требуемого микропрофиля с последующим сглаживанием в изотропном или анизотропном травителе или анизотропном и изотропном травителях полученной поверхности. 2 ил.

Способ изготовления подложки с маской для травления и способ изготовления продукта с рисунком. // 2562923

Изобретение относится к подложке с маской для травления, которая нанесена при помощи алмазоподобного углерода, и способу изготовления указанной подложки. Способ изготовления подложки с маской для травления включает подготовку подложки, нанесение фоточувствительного материала на поверхность подложки, экспонирование и проявление фоточувствительного материала для формирования рисунка в фоторезисте, формирование покрывающей пленки из алмазоподобного углерода на поверхности подложки и поверхности рисунка в фоторезисте и отделение покрывающей пленки вместе с рисунком в фоторезисте для формирования рисунка из алмазоподобного углерода на поверхности подложки. Техническим результатом изобретения является создание подложки с маской для травления, обеспечивающей высокоточное нанесение рисунка. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

Способ защиты углов трехмерных микромеханических структур на кремниевой пластине при глубинном анизотропном травлении // 2568977

Использование: для изготовления микроэлектромеханических структур. Сущность изобретения заключается в том, что способ защиты углов трехмерных микромеханических структур на кремниевой пластине с кристаллографической ориентацией (100) при глубинном анизотропном травлении в водном растворе гидрооксида калия КОН включает формирование масочного рисунка с элементами защиты углов, элементы защиты углов, имеющие диагональную форму на топологической маске, располагают под углом 45° к контурам жесткого центра, причем размеры изготовляемых трехмерных микромеханических структур определяются из определенных условий. Технический результат: обеспечение возможности повышения качества и увеличения процента выхода годных трехмерных микромеханических структур. 6 ил., 2 табл.

Способ изготовления глубокопрофилированных кремниевых структур // 2572288

Изобретение относится к приборостроению и может применяться при изготовлении кремниевых микромеханических датчиков, таких как датчики давления и акселерометры. Сущность изобретения: в способе изготовления глубокопрофилированных кремниевых структур на кремниевой пластине создают защитный слой, создают контрастный слой из материала, отличающегося от материала защитного слоя, формируют последовательными операциями фотолитографии и травления структуру заданного профиля до появления кремния в области максимальной глубины структуры, последующем чередованием травления кремния и оставшегося защитного слоя получают в кремнии заданный профиль. Вскрытие кремния в области максимальной глубины структуры проводят после создания защитного слоя, а затем наносят контрастный слой на защитный слой и на вскрытый участок кремния и проводят формирование структуры заданного профиля. Изобретение обеспечивает повышение точности изготовления глубокопрофилированных кремниевых структур. 10 ил.

Способ изготовления упругого элемента микромеханического устройства // 2580910

Изобретение может быть использовано для создания упругих подвесов, торсионов и других элементов (например, балок, мембран, струн) микромеханических устройств, например кремниевых гироскопов и акселерометров. Способ изготовления упругого элемента микромеханического устройства заключается в окислении плоской пластины из монокристаллического кремния с ориентацией поверхности в плоскости (100), трехкратного проведения последовательности операций, состоящей из нанесения фоторезиста, вскрытия в нем окон методом двухсторонней фотолитографии и травления окисла по вскрытым окнам. На первом этапе травление окисла проводится до кремния, на втором на глубину, равную 2/3, а на третьем на глубину, равную 1/3 от его начальной толщины. Далее проводят жидкостное травление кремния на глубину, равную 0,5 H1, и дважды повторяют последовательность операций, состоящую из травления окисла на глубину, равную 1/3 от его начальной толщины, и жидкостного травления кремния. Изобретение обеспечивает улучшение качества и воспроизводимости технологии. 6 з.п. ф-лы, 6 ил.

Способ изготовления микромеханических упругих элементов // 2601219

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано при изготовлении кремниевых микромеханических датчиков. Сущность изобретения: в способе изготовления упругих элементов из монокристаллического кремния окисляют плоскую круглую пластину с ориентацией базовой поверхности в плоскости (100), наносят на нее 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 для получения требуемой толщины упругих элементов. Одновременно с вышеуказанными операциями по формированию упругих элементов формируют контрольный элемент, расположенный вне зоны упругих элементов, формирование контрольного элемента проводят до самоторможения на заданную глубину, определяемую заданным математическим выражением. Изобретение обеспечивает повышение технологичности изготовления упругих элементов из монокристаллического кремния путем оценки травления контрольных элементов до самоторможения. 3 ил.

Способ формирования 3d микроструктур кремния металл-стимулированным травлением // 2620987

Изобретение относится к области микроэлектроники, в частности к технологии создания 3D микроструктур кремния, являющихся элементной базой функциональной микроэлектроники, металл-стимулированным травлением с использованием локально расположенных масок Ni. В состав раствора для травления кремния входит фтористоводородистая кислота, перекись водорода и деионизованная вода в объемном соотношении 2:1:10. Процесс травления с использованием никеля является экономически выгодным процессом, так как позволяет заменить дорогостоящие благородные металлы и удешевить технологию создания кремниевых 3D структур.

Способ получения периодических профилей на поверхности кристаллов парателлурита // 2623681

Изобретение относится к области дифракционной оптики и может быть использовано для разработки новых дифракционных оптических элементов для диапазона 0,35-5,5 мкм. В основу изобретения поставлена задача получения периодических профилей на поверхности кристаллов парателлурита методом анизотропного химического травления. Пластина, вырезанная из кристалла парателлурита и отшлифованная, покрывается смесью химически стойкого к щелочам нитроцеллюлозного лака с растворителем 646, часть смеси удаляется с помощью алмазной иглы через различные интервалы, затем проводится химическое травление, промывка, в результате получаем периодическую структуру заданной геометрии на поверхности образца. Применение данного способа позволяет получать периодические профили на кристаллах парателлурита, обладающих высокими оптическими характеристиками. 3 ил.

Способ изготовления кристаллов микроэлектромеханических систем // 2625248

Изобретение относится к области приборостроения и может применяться при изготовлении кремниевых кристаллов микроэлектромеханических систем, используемых в конструкциях микромеханических приборов, таких как акселерометры, гироскопы, датчики угловой скорости. В способе изготовления кристаллов микроэлектромеханических систем наносят защитные покрытия на лицевую и обратную стороны пластины, проводят фотолитографию по защитным слоям с лицевой и обратной сторон, травят кремний с лицевой и обратной сторон пластины на заданную глубину и с заданным профилем, наносят защитный слой с лицевой стороны пластины и профиля вытравленных канавок от растрава при последующем травлении с обратной стороны пластины, удаляют остатки маскирующих покрытий с лицевой и обратной сторон пластины. Согласно изобретению после травления кремния на заданную глубину и с заданным профилем удаляют защитный слой с лицевой стороны пластины и профиля вытравленных канавок, проводят обработку профиля в полирующем травителе и удаляют остатки маскирующих покрытий с лицевой и обратной сторон пластины. Кроме того, фотолитографию по защитным слоям на лицевой и обратной стороне проводят одновременно, в качестве защитного слоя с лицевой стороны пластины и профиля вытравленных канавок наносят медную пленку, в качестве маскирующих покрытий с лицевой и обратной стороны используют идентичные материалы, например нитрид кремния. Изобретение повышает чувствительность и прочность конструкций микроэлектромеханических систем за счет повышения технологичности изготовления и формирования кремниевых кристаллов с минимальной шероховатостью вертикального профиля канавок. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.