Способ защиты углов кремниевых микромеханических структур при анизотропном травлении

Изобретение относится к области приборостроения и может применяться при изготовлении кремниевых микромеханических чувствительных элементов датчиков, таких как акселерометры, датчики угловой скорости, датчики давления. Изобретение обеспечивает повышение метрологических характеристик микромеханических датчиков за счет повышения линейности преобразования. Сущность изобретения: в способе защиты углов трехмерных микромеханических структур на кремниевой пластине с кристаллографической ориентацией (100) при глубинном анизотропном травлении в водном растворе гидрооксида калия KOH формируют масочный рисунок с элементами защиты углов, примыкающими к исходной части топологической маски вблизи точки пересечения сторон защищаемой трехмерной микроструктуры на пластине и продолжающимися за пределы исходной части маски. Травление проводят до тех пор, пока кремниевые элементы, сформированные в области маски защиты углов, не стравятся в процессе анизотропного химического травления до границы исходной топологической области микромеханической структуры, элементы защиты углов выполнены в виде Т-квадрата - совокупности квадратов с уменьшающимися размерами, где центр каждого квадрата является вершиной последующего квадрата, сторона начального Т-квадрата и последующих итерационных Т-квадратов определяется по формуле. 5 ил.

 

Изобретение относится к области приборостроения и может применяться при изготовлении кремниевых микромеханических чувствительных элементов датчиков, таких как акселерометры, датчики угловой скорости, датчики давления.

Известен способ [Патент Российской Федерации №2220475, МПК: H01L 21/308, опубл. 27.12.2003] защиты углов трехмерных микромеханических структур на кремниевой пластине с кристаллографической ориентацией (100). Пластину подвергают анизотропному травлению в водном растворе гидрооксида калия KOH, формируют масочный рисунок с элементами защиты углов, примыкающими к исходной части топологической маски вблизи точки пересечения сторон защищаемого чипа или трехмерной микроструктуры на пластине и продолжающимися за пределы исходной части маски, для защиты выпуклых углов чипа или трехмерной микроструктуры формируют масочный рисунок с элементами Т-образной формы, содержащей продольную и поперечную части, масочный рисунок с Т-образными элементами защиты выпуклых углов формируют из металлической структуры V-Cu'-Cu'', включающей тонкопленочную структуру ванадия и меди V-Cu' и гальванический слой меди Cu'', а каждый из Т-образных элементов защиты выполняют в форме двух полосок - продольной вдоль кристаллографического направления [110] высотой В и поперечной шириной Ш, расположенной в поперечном направлении под прямым углом к продольной полоске, при этом травление проводят до тех пор, пока продольные кремниевые элементы, сформированные в области маски защиты углов в процессе анизотропного химического травления, не стравятся до границы исходной топологической области жесткого центра преобразователя, что соответствует моменту формирования правильного многоугольника в основании объемной фигуры жесткого центра, самосовмещения топологических слоев преобразователя и выхода на заданную глубину травления.

Недостатком способа является невозможность полной защиты углов микромеханических структур при увеличении глубины травления. Это связано с тем, что при указанных размерах мембраны и жесткого центра суммарная длина Т-образных элементов защиты, определяемая как сумма высоты В, длины Д и ширины Ш, из которых формируется Т-образный элемент, не позволяет разместить их на топологическом рисунке фотошаблона без взаимного наложения друг на друга и/или выхода за пределы внешнего контура мембраны. В итоге приходится искусственно уменьшать длину защитных элементов, что в зависимости от конкретных размеров приводит к значительному подтраву углов микромеханической структуры. Подтрав структур может вызвать ухудшение линейности преобразовательной характеристики микромеханических датчиков. Кроме этого, из-за несимметричности расположения защитных элементов относительно формируемых углов микроструктур возможны несимметричные остаточные следы травления относительно кристаллографических направлений [100] и [110], что вызовет ухудшение параметров изготавливаемых приборов, например, может снизить их надежность.

Указанные недостатки не позволяют в полной мере реализовать полную защиту углов микромеханических структур при анизотропном травлении и увеличить глубину травления. Применение многослойных защитных масок, состоящих из оксида кремния и напыленной структуры V-Cu' со слоем гальванической меди Cu'', усложняет технологический процесс и снижает его технологичность.

Известен способ [Готра З.Ю. Технология микроэлектронных устройств: Справочник. - М.: Радио и связь, 1991: ил., с. 397] микропрофилирования монокристаллического кремния ориентации (100) посредством анизотропного химического травления в системе едкое кали KОН - изопропиловый спирт (ИПС) C₃H₂OH - вода H₂O, содержащей KOH: ИПС: H₂O=32 г: 250 мл: 375 мл при температуре +80°C. При формировании мезаструктур или V-образных канавок в данном травителе происходит растравливание внешних углов. Для получения формы углов, близкой к прямоугольной, в рисунок фотошаблонов в вершинах внешних углов вводят защитные элементы в виде маскированного квадрата, центр которого совмещен с вершиной угла.

Недостатком указанного способа является невозможность защиты внешних углов формируемых микромеханических структур при увеличении глубины анизотропного травления, так как это требует увеличения площади маскированных защитных элементов в виде квадрата. При этом возможен выход защитных элементов за пределы областей, подвергаемых травлению и слиянию их с областями кремниевой пластины, не подвергаемой травлению. Для избежания этого необходимо уменьшать площадь защитных элементов, что приведет к значительному подтраву углов микромеханической структуры. Перечисленное приведет к невозможности формирования микроструктур методом анизотропного травления.

Известен способ [Патент Российской Федерации №2582903, МПК B81B 7/02, опубл. 27.04.2016. Прототип] защиты углов трехмерных микромеханических структур на кремниевой пластине с кристаллографической ориентацией (100) при глубинном анизотропном травлении в водном растворе гидрооксида калия KOH. В способе формируют масочный рисунок с элементами защиты углов, примыкающими к исходной части топологической маски вблизи точки пересечения сторон защищаемого чипа или трехмерной микроструктуры на пластине и продолжающимися за пределы исходной части маски, при котором для защиты выпуклых углов чипа или трехмерной микроструктуры формируют масочный рисунок с элементами Т-образной формы, содержащей продольную и поперечную части, причем травление проводят до тех пор, пока кремниевые элементы, сформированные в области маски защиты углов, не стравятся в процессе анизотропного химического травления до границы исходной топологической области жесткого центра микромеханической структуры, продольные части двух соседних Т-образных элементов защиты перпендикулярны друг другу, причем размеры изготовляемых трехмерных микромеханических структур определяют из условий: a/hTP>0,8 и b/hTP>0,9, а параметры их изготовления назначают из соотношений

,

p=(0,2…0,3)⋅h_mр - ширина,

где а - половина от размера стороны квадратной мембраны,

b - половина от размера квадратной стороны жесткого центра,

h_mр - глубина травления в направлении <100>,

V_<100> - скорость травления кремния в направлении <100>, мкм/мин,

V₁ - скорость травления Т-образного защитного элемента, мкм/мин.

Недостатком способа является невозможность полной защиты углов микромеханических структур при увеличении глубины травления. Это связано с тем, что при указанных размерах мембраны и жесткого центра суммарная длина Т-образных элементов защиты не позволяет разместить их на топологическом рисунке фотошаблона без взаимного наложения друг на друга и/или выхода за пределы внешнего контура мембраны. Кроме этого, минимально возможные при указанной ширине локальные утолщения мембраны как следы компенсаторов при анизотропном травлении будут располагаться несимметрично относительно центра формируемой микромеханической структуры. Это связано с топологическим размещением защитных элементов - их повороту друг относительно друга на 90° на каждом внешнем углу формируемой микроструктуры при ее обходе по внешнему контуру. Это приводит к появлению «спиральных» полей деформации вокруг формируемой микроструктуры, что снижает такие параметры приборов, как линейность преобразования.

Целью изобретения является повышение метрологических характеристик микромеханических датчиков за счет повышения линейности преобразования.

Поставленная цель достигается тем, что в способе защиты углов кремниевых микромеханических структур при глубинном анизотропном травлении в водном растворе гидрооксида калия KOH на кремниевой пластине с кристаллографической ориентацией (100) формируют масочный рисунок с элементами защиты углов, примыкающими к исходной части топологической маски вблизи точки пересечения сторон защищаемой трехмерной микроструктуры на пластине и продолжающимися за пределы исходной части маски, травление проводят до тех пор, пока кремниевые элементы, сформированные в области маски защиты углов, не стравятся в процессе анизотропного химического травления до границы исходной топологической области микромеханической структуры, согласно способу элементы защиты углов выполнены в виде Т-квадрата - совокупности квадратов с уменьшающимися размерами, где центр каждого квадрата является вершиной последующего квадрата, сторона начального Т-квадрата и последующих итерационных Т-квадратов определяется как:

где - заданная глубина травления, V₁₀₀ - скорость травления кремния в направлении [100], мкм/мин; V₁₁₀ - скорость травления кремния в направлении [110], мкм/мин, n - количество итераций.

Применение в качестве компенсирующих элементов Т-квадратов имеет следующие преимущества. Ввиду того, что сторона итерационного квадрата второго и последующего порядков меньше, чем сторона предшествующего Т-квадрата в два раза, это позволяет разместить компенсирующие элементы на топологическом рисунке фотошаблона без взаимного наложения друг на друга. Кроме этого, минимально возможные при глубинном анизотропном травлении локальные утолщения мембраны в виде следов травления компенсирующих элементов будут располагаться симметрично относительно центра формируемой микромеханической структуры. Это связано с топологическим размещением защитных элементов - в виде Т-квадратов.

При этом каждый внешний угол Т-квадрата защищен последующим итерационным квадратом, что предохраняет внутренние итерационные квадраты от растравов при анизотропном травлении, так как в этом случае растравливаются внешние итерационные квадраты, и только затем последующие, располагающиеся ближе к первому итерационному Т-квадрату, служащему в качестве основного защитного элемента микромеханической структуры при травлении. Таким образом, травление основного защитного элемента начинается после растрава всех последующих итерационных квадратов, при этом растрав внешнего квадрата начинается одновременно с травлением пластины на глубину. При достижении фронта травления основного маскирующего элемента пластина кремния уже будет протравлена на определенную глубину, что увеличивает глубину травления кремния по сравнению с аналогами. Таким образом, предлагаемое техническое решение исключает появление «спиральных» полей деформации вокруг формируемой микроструктуры, что повышает такие параметры приборов, как линейность преобразования, и, как следствие, повышает метрологические характеристики микромеханических датчиков.

Технический результат изобретения - формирование микроструктур с формой углов, максимально приближенной к прямоугольной с симметричным расположением следов травления относительно кристаллографических направлений [100] и [110] за счет оптимального топологического размещения элементов защиты.

На чертежах фиг. 1-5 показана последовательность операций, применяемых для реализации предложенного способа.

На фиг. 1 изображена микромеханическая структура (1) на кремниевой пластине с кристаллографической ориентацией (100) с элементами защиты углов в виде Т-квадрата (2) с количеством итераций n=2 с внешним итерационным квадратом (3). На фиг. 2 изображен момент начала травления внешнего итерационного квадрата (3). На фиг. 3 изображен элемент защиты углов в виде Т-квадрата (2) в момент растрава внешнего итерационного квадрата. На фиг. 4 изображена микромеханическая структура (1), сечение микромеханической структуры (5) после окончания процесса травления, наклонные боковые кристаллографические грани (111) (6) микромеханической структуры (1). На фиг. 5 изображен пример реализации микромеханической структуры (1) с элементами защиты углов в виде Т-квадрата (2) с количеством итераций n=3 с внешним итерационным квадратом (4).

Пример реализации предложенного способа.

На кремниевой пластине с кристаллографической ориентацией (100) формируют масочный рисунок микромеханической структуры (1) с элементами защиты углов в виде Т-квадрата (2), примыкающими к исходной части топологической маски вблизи точки пересечения сторон защищаемой трехмерной микроструктуры (1) с количеством итераций Т-квадрата (2) n=2 с внешним итерационным квадратом (3) (фиг. 1). Сторона начального Т-квадрата равна:

При V₁₀₀=2,5 мкм/мин, V₁₀₀=6,25 мкм/мин, сторона начального Т-квадрата составляет 500 мкм при n=1 Соответственно, сторона внешнего итерационного квадрата (3) при n=2 равна 250 мкм.

Процесс травления внешнего итерационного квадрата (3) начинается одновременно с травлением кремневой пластины (фиг. 2). В момент травления внешнего квадрата пластина кремния травится на глубину

глубина H₁ составляет 70,5 мкм при окончательном травлении внешнего итерационного квадрата (3) (фиг. 3).

При продолжении травления начинает травиться элемент защиты углов в виде Т-квадрата до достижения фронта травления основного маскирующего элемента (1), при этом его форма имеет сечение (5), ограненное наклонными кристаллографическими гранями (111) (фиг. 4).

Количество итераций n Т-квадрата может быть увеличено, как показано в качестве примера (фиг. 5).

Применение в качестве компенсирующих элементов Т-квадратов позволяет предохранить внутренние итерационные квадраты от растравов при анизотропном травлении и позволяет максимально приблизить форму углов формируемых структур к прямоугольной с симметричным расположением следов травления относительно кристаллографических направлений [100] и [110], что приводит к повышению линейности преобразования микромеханических датчиков.

Способ защиты углов трехмерных микромеханических структур на кремниевой пластине с кристаллографической ориентацией (100) при глубинном анизотропном травлении в водном растворе гидрооксида калия КОН, включающий формирование масочного рисунка с элементами защиты углов, примыкающими к исходной части топологической маски вблизи точки пересечения сторон защищаемой трехмерной микроструктуры на пластине и продолжающимися за пределы исходной части маски, причем травление проводят до тех пор, пока кремниевые элементы, сформированные в области маски защиты углов, не стравятся в процессе анизотропного химического травления до границы исходной топологической области микромеханической структуры, отличающийся тем, что элементы защиты углов выполнены в виде Т-квадрата - совокупности квадратов с уменьшающимися размерами, где центр каждого квадрата является вершиной последующего квадрата, сторона начального Т-квадрата и последующих итерационных Т-квадратов определяется как:

где h_mp - заданная глубина травления, V₁₀₀ - скорость травления кремния в направлении [100], мкм/мин; V₁₁₀ - скорость травления кремния в направлении [110], мкм/мин, n - количество итераций.