Способ изготовления упругих элементов из монокристаллического кремния

Авторы патента:

Пауткин Валерий Евгеньевич (RU)

Мишанин Александр Евгеньевич (RU)

Алексеева Вера Владимировна (RU)

Абдуллин Фархад Анвярович (RU)

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

Владельцы патента RU 2770165:

Акционерное общество "Научно-исследовательский институт физических измерений" (RU)

Изобретение относится к области приборостроения и может применяться для изготовления микромеханических датчиков - датчиков давления, ускорения, угловой скорости. Способ изготовления упругих элементов из монокристаллического кремния включает окисление плоской круглой пластины с определенной величиной клиновидности профиля с ориентацией базовой поверхности в плоскости (100), нанесение на нее защитного слоя фоторезиста, фотолитографию, вскрытие окон в окисном слое в области формирования упругих элементов на определенную ширину с учетом анизотропии травления монокристаллического кремния, анизотропное травление пластины на глубину для получения требуемой толщины упругих элементов, при этом в процессе анизотропного травления плоской круглой пластины в травильном растворе проводят ее поворот вокруг своей оси в плоскости (100) на 360° дискретно с количеством шагов не менее четырех. Изобретение направлено на улучшение метрологических характеристик микромеханических датчиков за счет повышения точности воспроизведения упругих элементов, обусловленной уменьшением клиновидности и разнотолщинности кремниевых пластин в процессе анизотропного травления. 1 ил.

Изобретение относится к области приборостроения и может применяться для изготовления микромеханических датчиков - датчиков давления, ускорения, угловой скорости.

При изготовлении упругих элементов микромеханических датчиков из монокристаллического кремния возникает их разброс по толщине, обусловленный клиновидностью и разнотолщинностью исходной кремниевой пластины, связанных с технологическими процессами ее изготовления.

Изготовление упругих элементов микромеханических датчиков из монокристаллического кремния проводят с использованием технологии анизотропного травления в растворе КОН. Данный процесс характеризуется высокой скоростью травления в направлении <100>.

Другой особенностью процесса анизотропного травления кремния в растворе КОН является наличие восходящих снизу-вверх потоков водорода, описанных следующими химическими реакциями:

Это приводит к увеличению скорости травления пластины по высоте, причем верхняя часть пластины травится быстрее нижней части, приводя к еще большей величине клиновидности и разнотолщинности формируемых упругих элементов.

При погружении пластины со сформированным топологическим рисунком упругих элементов в раствор КОН из-за наличия разнотолщинности и клиновидности профиля пластины формируются упругие элементы с разбросом по толщине, что приводит к значительному снижению метрологических свойств микромеханических датчиков.

Основной задачей при изготовлении упругих элементов является уменьшение влияния клиновидности и разнотолщинности кремниевой пластины, которые ухудшают метрологические характеристики микромеханических датчиков.

Известен способ изготовления балочных упругих элементов [Патент СССР, описание изобретения к АС № SU 1783596, МПК H01L 21/302, 1991] групповым методом из пластин кремния кристаллографической ориентации (100), включающий формирование с двух сторон пластины защитного окисла путем термического окисления и анизотропное травление в 30%-ном щелочном растворе КОН. При этом термическое окисление проводят до получения толщины защитного окисла не менее 2,3⋅10^-3 толщины пластины, ориентируют пластину относительно направления кристаллографической оси [но] с двух сторон пластины в окисле вскрывают окна напротив друг друга шириной не менее 0,75 толщины h пластины, а анизотропное травление проводят при 96-98°С до получения заданного сечения упругого элемента, после чего дополнительно окисляют пластины с упругими элементами.

Известен способ изготовления упругого элемента микромеханического устройства [Патент Российской Федерации №2300823, МПК H01L 21/308, 2007]. В указанном способе окисляют плоскую пластину из монокристаллического кремния с ориентацией поверхности в плоскости (100), наносят на нее с двух сторон слой фоторезиста, предварительно вскрывают окна в слое фоторезиста при помощи двусторонней фотолитографии, травят окисел по вскрытым окнам шириной L₁ в области формирования упругого элемента и анизотропно травят пластину до промежуточной глубины h. После травления окисла в месте формирования упругого элемента методом анизотропного травления формируют канавку шириной L₁ и длиной М до самоторможения, вторично вскрывают окна в окисле для конечного формирования упругого элемента и производят анизотропное травление до получения требуемой толщины упругого элемента Н, толщина которого задается по формуле H=(T₁-T_cam)V,

где T₁ - время травления выступающих углов канавки, T_cam - время формирования канавки, V - скорость анизотропного травления,

Недостатком указанных способов является низкие метрологические характеристики изготавливаемых микромеханических датчиков, обусловленные разбросом по толщине упругих элементов из-за разнотолщинности и клиновидности исходной пластины из монокристаллического кремния.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и совокупности признаков является способ изготовления упругих элементов из монокристаллического кремния [Патент Российской Федерации №2211504, МПК H01L 21/306, опубл. 27.08.2003. Прототип]. Способ включает изготовление упругих элементов из монокристаллического кремния путем окисления плоской круглой пластины с ориентацией базовой поверхности в плоскости (100), нанесения на нее защитного слоя фоторезиста, фотолитографии, вскрытия окон в окисном слое в области формирования упругих элементов на определенную ширину с учетом анизотропии травления монокристаллического кремния, анизотропного травления на глубину, меньшую, чем необходимо для получения требуемой толщины упругих элементов, изотропного дотравливания до получения требуемой толщины упругих элементов с одновременным формированием галтельных переходов. Согласно способа, пластины с определенной величиной клиновидности профиля для анизотропного травления на глубину, меньшую, чем необходимо для получения требуемой толщины упругого элемента, подвешивают таким образом, что минимальная толщина находится в верхней части травильного раствора, с последующим одновременным извлечением их со скоростью

где V - скорость извлечения пластин из раствора травителя; d - диаметр исходной кремниевой пластины; Т_тр - расчетное время травления при максимальной толщине пластины; Т_0тр - расчетное время травления при минимальной толщине пластины.

Недостатком указанного способа являются низкие метрологические характеристики микромеханических датчиков, обусловленные низкой точностью воспроизведения упругих элементов вследствие клиновидности и разнотолщинности исходной пластины в процессе ее травления до получения требуемой толщины упругих элементов.

Задачей, на которую направлено изобретение, является улучшение метрологических характеристик микромеханических датчиков за счет повышения точности воспроизведения упругих элементов путем уменьшения клиновидности и разнотолщинности кремниевых пластин в процессе анизотропного травления.

Поставленная цель достигается тем, что в способе изготовления упругих элементов из монокристаллического кремния, включающем окисление плоской круглой пластины с определенной величиной клиновидности профиля с ориентацией базовой поверхности в плоскости (100), нанесение на нее защитного слоя фоторезиста, фотолитографию, вскрытие окон в окисном слое в области формирования упругих элементов на определенную ширину с учетом анизотропии травления монокристаллического кремния, анизотропное травление пластины на глубину для получения требуемой толщины упругих элементов, согласно изобретения в процессе анизотропного травления плоской круглой пластины в травильном растворе проводят ее поворот вокруг своей оси в плоскости (100) на 360° дискретно с количеством шагов не менее четырех.

Поворот пластины со сформированным топологическим рисунком упругих элементов в плоскости (100) вокруг своей оси на 360° дискретно в травильном растворе позволяет компенсировать величину ее клиновидности и разнотолщинности в процессе анизотропного травления за счет равного по времени нахождения обрабатываемых участков пластины со сформированным топологическим рисунком в восходящих потоках водорода согласно химическим реакциям (1), (2), приводящим к локальному увеличению скорости травления кремния, повышая таким образом равномерность травления участков кремния в области упругих элементов, что приводит к повышению точности воспроизведения упругих элементов и, как следствие улучшению метрологических характеристик микромеханических датчиков.

Таким образом, предлагаемое техническое решение улучшает метрологические характеристики микромеханических датчиков за счет повышения точности воспроизведения упругих элементов, обусловленной уменьшением клиновидности и разнотолщинности кремниевых пластин в процессе анизотропного травления.

На фиг.1 приведена последовательность операций способа, где

1 - кремниевая пластина, 2 - базовый срез пластины.

Способ реализуется следующим образом. Известными методами на поверхности плоской круглой кремниевой пластины 1 толщиной (380-420) мкм, имеющей ориентацию базовой поверхности в плоскости (100), формируют топологический рисунок упругих элементов путем нанесения на пластину 1 защитного слоя фоторезиста, фотолитографии, вскрытия окон в окисном слое в области формирования упругих элементов на определенную ширину с учетом анизотропии травления монокристаллического кремния. Плоскую круглую кремниевую пластину 1 погружают в щелочной раствор КОН концентрации (20-30)%, имеющий температуру (94-98)°С базовым срезом 2 вниз (фиг.1а). Через 15-30 минут (в зависимости от толщины упругого элемента) в травильном растворе проводят поворот кремниевой пластины 1 вокруг своей оси в плоскости (100) на 90° (фиг.1б). Повторяют поворот кремниевой пластины 1 (фиг.1в, г) до тех пор пока кремниевая пластина 1 вновь не окажется базовым срезом 2 вниз (фиг.1д). Таким образом, проводят анизотропное травление пластины на глубину для получения требуемой толщины упругих элементов из монокристаллического кремния.

Применение предложенного способа улучшает метрологические характеристики микромеханических датчиков за счет повышения точности воспроизведения упругих элементов путем уменьшения клиновидности и разнотолщинности кремниевых пластин в процессе анизотропного травления.

Способ изготовления упругих элементов из монокристаллического кремния путем окисления плоской круглой пластины с определенной величиной клиновидности профиля с ориентацией базовой поверхности в плоскости (100), нанесения на нее защитного слоя фоторезиста, фотолитографии, вскрытия окон в окисном слое в области формирования упругих элементов на определенную ширину с учетом анизотропии травления монокристаллического кремния, анизотропного травления пластины на глубину для получения требуемой толщины упругих элементов, отличающийся тем, что в процессе анизотропного травления плоской круглой пластины в травильном растворе проводят ее поворот вокруг своей оси в плоскости (100) на 360° дискретно с количеством шагов не менее четырех.

Изобретение относится к области обработки подложек для формирования вогнуто-выпуклой структуры на поверхности подложки. Сущность изобретения состоит в травлении проводящей подложки посредством обратной литографии с предварительным расчетным упреждением на фотошаблоне для получения расчетных параметров брэгговской решетки, в качестве маски используется кобальт.

Способ изготовления интегральных преобразователей // 2698486

Изобретение относится к области приборостроения и может применяться при изготовлении упругих элементов, используемых в конструкциях кремниевых чувствительных элементов микромеханических датчиков - акселерометров, резонаторов, датчиков угловой скорости. Изобретение обеспечивает повышение процента выхода годных изделий за счет проведения операций фотолитографии по плоским поверхностям, не содержащим рельефа.

Способ формирования глубокопрофилированных кремниевых структур // 2691162

Суть настоящего изобретения состоит в формировании глубокопрофилированных кремниевых структур последовательными операциями изотропного и анизотропного травления, причем операцию фотолитографии выполняют на кремниевой структуре, используя фоторезист с гидроизоляционными свойствами. Изобретение обеспечивает повышение точности формирования глубокопрофилированных кремниевых структур за счет уменьшения числа используемых материалов.

Способ получения рельефа в диэлектрической подложке // 2687299

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано для получения рельефа в диэлектрических подложках, в частности кварцевых, при изготовлении микромеханических приборов. Техническим результатом изобретения является повышение технологичности изготовления кварцевых диэлектрических подложек за счет сокращения времени выполнения технологических операций и увеличения процента выхода годных.

Способ изготовления глубокопрофилированных структур в кремниевой пластине // 2680264

Изобретение относится к приборостроению, конкретно к способам изготовления кремниевых чувствительных элементов микромеханических гироскопов и акселерометров. Технический результат заявленного изобретения заключается в повышении точности микромеханических гироскопов и акселерометров.

Способ изготовления микроигл и массива микроигл // 2677491

Использование: для формирования микроигл. Сущность изобретения заключается в том, что способ изготовления микроигл и массива микроигл заключается в нанесении на верхней поверхности монокристаллической кремниевой подложки с ориентацией (100) защитной пленки, формировании в ней маски и последующем локальном анизотропном травлении кремния, при этом заодно с формированием маски между маской и периферийной областью защитной пленки, образующей при травлении внешнюю рамку, а также между соседними масками при изготовлении массива микроигл формируют поддерживающие элементы - подвесы, например, в форме полос или пилообразных зубцов, причем поддерживающие элементы - подвесы формируются так, что направление продольной оси поддерживающих элементов - подвесов совпадает с кристаллографическим направлением <111>.

Способ получения рельефа в диэлектрической подложке // 2672034

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано при изготовлении микромеханических датчиков, таких как акселерометры, датчики угловой скорости, чувствительные элементы которых выполнены из диэлектрического материала. Способ получения рельефа в диэлектрической подложке заключается в том, что наносят на подложку защитную маску в виде многослойной системы двух материалов с различной толщиной слоев, формируют конфигурацию защитной маски, осуществляют травление подложки и удаляют защитную маску.

Способ создания двустороннего топологического рисунка в металлизации на подложках со сквозными металлизированными микроотверстиями // 2671543

Способ создания двустороннего топологического рисунка металлизации позволит повысить технологичность и воспроизводимость при формировании двустороннего топологического рисунка в металлизации на подложках со сквозными металлизированными микроотверстиями. При формировании топологического рисунка литографией для нанесения и сушки резиста подложку первоначально окунают в резист с последующей сушкой последовательно при температуре, меньшей температуры сушки резиста, и температуре сушки резиста и удалением резиста.

Способ защиты углов кремниевых микромеханических структур при анизотропном травлении // 2667327

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.

Способ изготовления микромеханических элементов из пластин монокристаллического кремния // 2662499

Изобретение относится к области приборостроения и может применяться для изготовления микромеханических элементов, используемых, в частности, для подвеса чувствительных масс микромеханических измерительных устройств, например кремниевых гироскопов и акселерометров, микроигл и т.д. Изобретение обеспечивает снижение трудоемкости изготовления и повышение качества и точности воспроизведения микромеханических элементов.

Способ изготовления проводящей наноячейки с квантовыми точками // 2777199

Изобретение относится к наноэлектронике, а именно к способам изготовления элементов и структур приборов с квантовыми эффектами. Предлагается способ изготовления проводящей наноячейки с квантовыми точками, включающий нанесение на непроводящую подложку нанопленки металла ванадия, активированного алюминием в объемной доле 1-5%, в виде полоски-проводника наноразмерной ширины; поверх нее – защитной маски с нанощелью поперек полоски-проводника; плазмохимическое травление через нанощель маски тетрафторидом углерода в проточной среде очищенного аргона при охлаждении реактивной зоны в интервале температур не ниже точки росы в камере-реакторе; при этом скорость травления регулируется и подбирается экспериментально для обеспечения высокого аспектного числа наноячейки; адресное осаждение квантовых точек проводится электрофоретически из матрицы, выполненной в виде мономолекулярной пленки, нанесенной методом Ленгмюра-Блоджетт; при этом адресность расположения квантовых точек в нанозазоре между наноэлектродами наноячейки обеспечивается поочередной подачей постоянного или переменного напряжения между одним из наноэлектродов и электродом электрофоретического устройства. Технический эффект: наноячейки памяти и модуляции напряжения, одноэлектронный транзистор в схемах опто- и наноэлектроники. 2 ил.