Способ изготовления интегральных кремниевых механоэлектрических преобразователей

 

(19)SU(11)807917(13)A1(51)  МПК ⁵    _H01L21/82(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯк авторскому свидетельствуСтатус: по данным на 27.12.2012 - прекратил действиеПошлина:

(54) СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИНТЕГРАЛЬНЫХ КРЕМНИЕВЫХ МЕХАНОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Изобретение относится к технологии изготовления механоэлектрических преобразователей, в частности, к технологии изготовления интегральных механоэлектрических преобразователей. Известен способ изготовления интегральных механоэлектрических преобразователей из монокристаллического кремния, состоящий из термического окисления пластины, изготовления тензочувствительных компонентов и формирования тонких кремниевых мембран [1] . Формирование мембран в данном случае проводится с помощью электроэрозии. В ходе этого процесса на поверхности упругого элемента образуется большое количество дефектов, поэтому впоследствии нарушенный слой удаляют с помощью изотропного полирующего травителя. Такой способ изготовления упругого элемента, во-первых, сложен (сочетает в себе два различных этапа), во-вторых, уменьшает надежность преорбразователя за счет появления в упругом элементе дефектов, не все из которых могут быть устранены с помощью изотропного травителя; в - третьих, характеризуется невысокой воспроизводимостью формы упругого элемента, и, следовательно, чувствительности преобразователя. Наиболее близким техническим решением является способ изготовления интегральных кремниевых механоэлектрических преобразователей из монокристаллического кремния, состоящий из термического окисления Si пластины, двухстороннего совмещения элементов преобразователя на разных ее сторонах, изготовления тензочувствительных компонентов, формирования упругого элемента методом локального анизотропного травления кремния в водном растворе едкого кали [2] . В известном способе на пластине n-типа с ориентацией поверхности в плоскости (100) выращивают толстый термический окисел, проводят совмещение рисунков на разных сторонах пластины, вскрывают "окна" в окисле и проводят формирование тензоэлементов. После этого наносят слой никеля и золота и формируют металлическую разводку. Затем выполняют упругий элемент методом анизотропного травления кремния в водном растворе едкого кали. Недостатком этого способа является наличие непосредственного контакта непрофилированной стороны преобразователя с травителем во время формирования упругих элементов. Во-первых, за счет дефектов, образующихся в процессе напыления металлов и во время фотолитографий, при непосредственном контакте с металлизацией травитель может проникать через дефекты, в слое золота, разрушать находящиеся ниже слои металлов и травить кремний в окнах, вскрытых в окисле под контакты. Во-вторых, дефекты в окисле, расположенном на непрофилированной стороне пластины, могут приводить к двухстороннему травлению кремния в местах формирования мембран и появлению в них сквозных отверстий. Это приводит к уменьшению процента выхода годных при изготовлении преобразователей. Кроме того, поскольку водный раствор едкого кали травит многие металлы, в известном способе в качестве материала металлизации, выдерживающего воздействие травителя, применяют золото, что приводит к удорожанию процесса изготовления преобразователей. При использовании известного способа для обеспечения локальности анизотропного травления Si в качестве защитной используется пленка двуокиси кремния SiO₂, характеризующаяся малой, но конечной скоростью травления в щелочи, т. к. в процессе травления обе стороны пластины подвергаются воздействию травителя одинаковое время, то толщина пленки SiO₂ на той стороне пластины, где расположена тензочувствительная схема, должна быть достаточно большой. Это приводит к тому, что после формирования тонкой кремниевой мембраны она деформируется из-за механических напряжений на границе Si и SiO₂, обусловленных различием в значениях коэффициентов линейного расширения этих материалов. Это приводит к ухудшению метрологических характеристик преобразователя, уменьшая диапазон его линейного преобразования. Целью изобретения является увеличение выхода годных преобразователей и расширение диапазона линейного преобразования. Поставленная цель достигается тем, что в способе, включающем в себя термическое окисление кремниевой пластины, двухстороннее совмещение элементов преобразователей на разных ее сторонах, изготовление тензочувствительных компонентов и формирование упругого элемента методом локального анизотропного травления кремния в водном растворе едкого кали, после термического окисления кремниевой пластины удаляют с одной ее стороны пленку окисла и напряженный приповерхностный слой кремния, после этого на пластине вновь выращивают окисел, необходимый для обеспечения защиты при проведении локальной диффузии или ионной имплантации, затем проводят двухстороннее совмещение элементов преобразователя, изготавливают тензокомпоненты и металлизацию, после этого помещают кремниевую пластину на пластинку из стекла металлизацией вниз и наносят по ее периметру слой кремнийорганического соединения, в виде полоски таким образом, чтобы один ее край находился на краю пластины, а второй - на прилегающей к краю пластины части стекла, затем подсушивают кремнийорганическое соединение и наносят слой эпоксидной смолы в виде двух полосок по внешнему и внутреннему краям полоски из кремнийорганического соединения таким образом, что эпоксидная смола закрывала границу соединения кремнийорганической полоски с двуокисью кремния и стеклом, дают эпоксидной смоле отвердеть, после этого наносят второй слой кремнийорганического соединения, полностью закрывающий эпоксидную смолу, подсушивают его, затем формируют упругие элементы преобразователей, отделяют пластинку от стекла и разделяют ее на кристаллы. В данном случае после изготовления металлизации проводятся операции, в процессе которых планарная сторона кремниевой пластины защищается от непосредственного контакта с травителем. Это позволяет избежать брака, появляющегося за счет растравливания в щелочи дефектов, образующихся в окисной и металлической пленках либо во время их нанесения, либо во время фотолитографий и приводит к увеличению процента выхода годных преобразователей. Кроме того, появляется возможность использовать для изготовления металлизации любой металл, в том числе широко распространенный в производстве интегральных схем алюминий, а это в свою очередь позволяет избавиться от необходимости использовать золото и удешевить таким образом процесс изготовления преобразователей, что дополнительно уменьшает их стоимость. Наличие защиты планарной стороны пластины от воздействия травителя позволяет выращивать на этой стороне окисел, толщина которого определяется операциями диффузии или ионной имплантации, с помощью которых формируются тензоэлементы, а не операцией травления упругих элементов. Это позволяет во многих случаях уменьшить толщину окисла на планарной стороне пластины по сравнению с использовавшейся ранее, что достигается снятием первоначально выращенного окисла с одной стороны пластины и проведением повторного окисления, в процессе которого на ней вырастает окисел меньшей толщины. Таким образом, удается уменьшить механические напряжения, возникающие на границе раздела кремния и SiO₂ из-за различия в величинах коэффициентов линейного расширения этих материалов. Это приводит к увеличению диапазона линейного преобразования прибора. На фиг. 1-6 иллюстрируется последовательность операций для изготовления интегральных механоэлектрических преобразователей согласно описываемому способу. П р и м е р. В качестве исходных используют полированные с двух сторон однородные кремниевые пластины 1 (фиг. 1) n-типа с ориентацией поверхности в плоскости (100) толщиной (310±3) мкм. Вырастив термический окисел 2 толщиной 0,8 мкм, его удаляют с одной стороны 3 пластины в буферном травителе, защитив вторую ее сторону фоторезистом фиг. 2. После этого в полирующем травителе снимают тонкий поверхностный слой кремния (1-2 мкм) для уменьшения остаточных напряжений на поверхности мембраны. Затем повторно проводят термическое окисление пластины, во время которого на стороне 3 пластины выращивают окисел 4 толщиной 0,35 мкм (фиг. 3), а на другой стороне его толщина становится равной примерно 0,9 мкм. После этого проводят двухстороннее совмещение элементов преобразователя, изготовление тензокомпонентов 5 и Al металлизации 6, в окисле вскрываются окна 7 под травление мембран (фиг. 4). Затем пластину 1 (фиг. 5) помещают на пластинку из стекла 8 металлизацией вниз, и по ее периметру наносят слой 9 из кремнийорганического соединения КЛТ-30 (марка А ТУ 38-103-95-71) в виде полоски таким образом, чтобы один ее край находился на краю пластины, а второй - на прилегающей к краю пластины части стекла. После подсушки в течение 1,5 ч на воздухе по обоим краям полоски из КЛТ-30 наносят слой 10 эпоксидной смолы ЭД-6 СТУ 30-14026-63 в виде двух полосок таким образом, чтобы эпоксидная смола закрывала границу соединения кремнийорганической полоски 9 с двуокисью кремния и стеклом. Эпоксидная смола отвердевает в течение 3 ч на воздухе. После этого наносят второй слой II КЛТ-30, полностью закрывающий эпоксидную смолу. Он подсушивается в течение 10 ч на воздухе. Далее проводят травление мембран 12 в щелочи, после чего пластина отделяется от стекла и разделяется на кристаллы (фиг. 6). Данный способ позволяет получить на поверхности мембраны тонкий окисел и предотвратить непосредственный контакт планарной стороны пластины с травителем и таким образом увеличить диапазон линейного преобразования приборов и повысить выход годных преобразователей. (56) 1. Gieles A. S. , Comers G. H. Miniature Pussure Transclucers a Si cliaphragm "Philips technical review". , 1973 33, N 1. 2. Патент США N 3888708, кл. Н 01 L 7/50, опубл. 03.07.75.

Формула изобретения

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИНТЕГРАЛЬНЫХ КРЕМНИЕВЫХ МЕХАНОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ, включающий операции термического окисления кремниевой пластины, совмещение элементов преобразователей на ее противоположных сторонах, изготовление тензочувствительных компонентов и формирование упругих элементов методом локального анизотропного травления кремния, отличающийся тем, что, с целью увеличения выхода годных преобразователей и расширения диапазона линейного преобразования, после термического окисления кремниевой пластины удаляют с одной ее стороны окисный слой и напряженный приповерхностный слой кремния, изготавливают тонкий окисный слой термическим окислением кремниевой пластины, а после операции совмещения элементов преобразователя изготавливают тензочувствительные компоненты и металлизацию на стороне кремниевой пластины с тонким окисным слоем, размещают кремниевую пластину этой стороной на стеклянной пластинке и наносят по периметру кремниевой пластины до соприкосновения со стеклянной пластинкой слой кремнийорганического соединения, после сушки которого по двум его краям наносят полоски эпоксидной смолы, после ее отверждения наносят второй слой кремнийорганического соединения, по краям перекрывающий эпоксидную смолу, затем формируют упругие элементы преобразователей, отделяют кремниевую пластину от стеклянной пластинки и разделяют на кристаллы.

РИСУНКИ

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