Основы технологии кремниевой микрообработки

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Общие и комплексные проблемы естественных и точных наук


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

УДК 621. 39
ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ КРЕМНИЕВОЙ МИКРООБРАБОТКИ Иванов Сергей Викторович, Карелин Евгений Юрьевич
Воронежский государственный технический университет, Россия, Воронеж
e-mail: muratovav@kipr. vorstu. ru
394 026, Воронеж, ул. Московский пр-т, д. 14, тел. (473) 243−77−06
В данной статье кратко рассмотрены технологии кремниевой микрообработки, которые используются в настоящее время для изготовления микроэлектромеханических систем. Представлены основные параметры данных технологий, выявлены их преимущества и недостатки, а также отличительные особенности.
Ключевые слова: микроэлектромеханические системы, микрообработка,
кремний, технология.
Развитие технологических процессов микрообработки кремния обеспечило быстрый прогресс в области микроэлектромеханических систем (МЭМС). Под термином «микрообработка кремния» подразумевается формирование микроскопических механических элементов внутри кремниевой подложки или на ее поверхности. Существует две технологии микрообработки кремния: объемная микрообработка, при которой элементы системы вытравливаются внутри кремниевой подложки, и поверхностная микрообработка, при которой микромеханические слои формируются из пленок, осажденных на поверхности подложки. Объемная и поверхностная микрообработка являются двумя основными технологиями обработки кремния.
Объемная микрообработка представляет собой микроэлектронную технологию, позволяющую изготавливать трехмерные МЭМС на кремниевой подложке с помощью анизотропного травления кремния с использованием в качестве масок пленок SiO2, Si3N4, хрома, золота. Недостаток этого метода — зависимость геометрии микроструктуры от кристаллической структуры подложки. Поэтому для формирования МЭМС-систем проводят либо глубокое анизотропное сухое травление (например, реактивное травление газовой плазмой), либо соединяют две подложки (кремниевую с кремниевой или кремниевую со стеклянной), на каждой из которых
изготовлена МЭМС-структура и микросхема. Это позволяет создавать более сложные трехмерные МЭМС-элементы. Сейчас объемная технология во многих случаях используется для изготовления МЭМС-устройств, входящих в двух- или даже трехкристальные конструкции [1].
Существуют два вида объемной микрообработки кремния: жидкостное (влажное) травление и сухое травление, которые различаются фазовым состоянием используемого травильного реагента. Для жидкостного травления используются жидкие травильные реагенты, представляющие собой водные растворы химических реактивов, а для сухого травления применяются реагенты в виде паров и плазмы.
Сухое травление представляет собой метод селективного удаления немаскированных участков поверхности. Особенности процесса заключаются в том, что этот процесс можно комбинировать с технологией тонких плёнок и с технологией КМОП. Также посредством физико-химического травления контролируется профиль травления [2]. Сухое травление происходит за счет химического и физического взаимодействий между ионами газового травильного реагента и атомами кремниевой подложки [3]. В таблице 1 представлены параметры процесса сухого травления, а также указаны его преимущества и недостатки.
Таблица 1 — Параметры сухого травления
Параметры процесса Преимущества Недостатки
1. Параметры плазмы: — состав газа- - напряжение смещения- - температура подложки- - плотность плазмы- - давление процесса. Осмысленно Получаемое горизонтальное изображение Обработка пластин по отдельности
2. Маскирование полимерами и тонкими пленками: — термически SiO- - химическим осаждением из паровой фазы при пониженном давлении SiO2 или SiO3N4- - нанесение фоторезиста- - металлизация (Cr, Al). Изменяемый профиль Увеличение времени травления
3. Химическое воздействие: — с обратной стороны (мембраны, отверстия): геометрическая форма определяется шаблоном маски- - с передней стороны (консоли, канала, затвора): геометрическая форма определяется под-травливанием. Возможно получение рельефных изображений Нет собственного ограничителя травления и определения изображения
4. Г азы травителя:
— SF6-CBrF3 при t& lt-270 K
— SF6-O2 при t& lt-100 K
— CHF3-O2 при t& lt-100 K
— CHC13 при t& lt-270 K
Жидкостное травление происходит путем погружения подложки в травильную ванну или ее опрыскиванием травильными реагентами, которые могут быть щелочами или кислотами. Жидкостное травление может быть изотропным или анизотропным в зависимости от используемых травильных реагентов и структуры материала подложки. В этом процессе используется то, что разные кристаллографические направления кристалла травятся с разной скоростью (остаётся поверхность с ориентацией 111). Основные этапы жидкого химического анизотропного травления представлены на рисунке 1 [4].
Рисунок 1- Этапы жидкого химического анизотропного травления
В таблице 2 представлены параметры жидкого химического анизотропного травления.
Таблица 2 — Параметры жидкого химического анизотропного травления
Параметры процесса Преимущества Недостатки
1 2 3
1. Ориентация подложки: 111 (канавка V-образного Простой про- Маскирование для
сечения). цесс группового изготовления глубинного травления
2. Маскирование тонкими пленками: — термически SiO2- - химическим осаждением из паровой фазы при пониженном давлении SiO2 или SiO3N4- - металлизация (Cr) для термомеханической обработки. Ограниченный набор получаемых изображений
1 2 3
3. Химическое воздействие: — с обратной стороны (мембраны, каналы): геометрическая форма определяется кристаллографическими плоскостями- - с передней стороны (консоли, каналы): геометрическая форма определяется подтравливанием. Проблемы с внешними углами
4. Процесс группового изготовления ограничен поверхностной реакцией.
Поверхностная технология заключается в построении микроструктур на поверхности кремния путем осаждения тонких пленок защитных (жертвенных) и структурных слоев и удаления в конце процесса защитных слоев для получения требуемой механической структуры. Основные этапы кремниевой поверхностной микрообработки представлены на рисунке 2 [4].
1. Осаждение изолирующего слоя и основы из поликристаллического кремния
2. Осаждение 1-го жертвенного слоя и формирование исходного ри-сунка
3. Осаждение поликристаллического кремния и формирование изображения рисунка статора и ротора
4. Нанесение рисунка на 1-ый жертвенный слой и на 2-ой жертвенный слой
5. Травление жертвенных слоёв и освобождение ротора
Рисунок 2 — Этапы кремниевой поверхностной микрообработки
Поверхностная микрообработка позволила с меньшими усилиями создавать более сложные, многокомпонентные интегрированные МЭМС-структуры, форми-
руемые в слоях жертвенного материала. Подложка в основном служит механической основой, на которую осаждаются слои структурного и жертвенного материала. Жертвенный материал после создания требуемой структуры удаляется с помощью химического растворителя, освобождая подвижный элемент. Наиболее широко в качестве структурного материала используется поликремний, в качестве жертвенного материала — SiO2. Это обусловлено тем, что регулируя температуру высокотемпературного отжига поликремния, можно получать свободные от механических напряжений, или наоборот, механически напряженные слои. Механические напряжения двуокиси кремния сложно контролировать. Вот почему SiO2 используется как жертвенный [1]. Основная часть подложки в этом процессе не затрагивается. Преимущество данной технологии заключается в возможности многократного удаления (растворения) вспомогательных слоев без повреждения взаимосвязей базовых слоев. Ее главная особенность в том, что она совместима с полупроводниковой технологией, поскольку для микрообработки используется обычный КМОП-процесс [2]. В таблице 3 показаны основные процессы кремниевой поверхностной микрообработки.
Таблица 3 — Параметры кремниевой поверхностной микрообработки
Параметры процесса Преимущества Недостатки
1. Плазмохимическое осаждение из паровой фазы или химическое осаждение из паровой фазы при пониженном давлении поликристаллического кремния, фосфорокварцевого стекла Осмысленно получаемая горизонтальная геометрическая форма Уменьшенное отношение ширины канала к длине
2. Маскирование полимерами и тонкими пленками: — нанесение фоторезиста- - термически SiO2 — химическим осаждением из паровой фазы при пониженном давлении SiO2 или SiO3N4 фосфорокварцевого стекла. Изменяемый профиль Сокращение количества материалов
3. Сухое и жидкое термическое окисление Есть возможность получать свободные структуры
4. Геометрическая форма определяется маскированием и при травлении Совместимость с КМОП
5. Травление (сухое и жидкое)
Геометрические размеры микроструктур, изготовленных по поверхностной технологии, могут быть на несколько порядков меньше, чем у микроструктур, полученных по объемной технологии. Для построения микросистем по поверхностной
технологии используются те же материалы, что и при изготовлении большинства интегральных схем, а именно: поликремний и диоксид кремния- полиимид и алюминий- нитрид кремния и поликремний- вольфрам и диоксид кремния. Кремниевые микроструктуры, полученные по поверхностной технологии, обычно являются планарными. Существуют методы, использующие для построения трехмерных микросистем тонкопленочные структуры, получаемые при помощи удаления нижележащих защитных слоев. Такие методы позволяют значительно расширить рамки традиционной поверхностной технологии. Также трехмерные микросистемы можно построить соединяя поликремневые пластины друг с другом и подложкой при помощи специальных методов. Другой подход к построению трехмерных микроустройств заключается в осаждении структурных и защитных пленок из поликремния и диоксида кремния до заполнения специальных углублений, предварительно вытравленных в кремниевой подложке.
Таким образом, в заключение данной статьи следует сделать вывод о том, что применение объемной или поверхностной микрообработки для изготовления МЭМС-устройств зависит от конкретно поставленной задачи. Технология объемной микрообработки существует довольно давно и применяется все реже. Данный метод имеет меньшую точность, чем поверхностная микрообработка. Главной особенностью поверхностной микрообработки является то, что она совместима с полупроводниковой технологией, поскольку для данной обработки используется обычный КМОП-процесс. Также, к преимуществам поверхностной микрообработки следует отнести возможность многократного удаления вспомогательных слоев, меньшие геометрические размеры микроструктур, простоту интеграции компонентов, изготовленных по данной технологии, с интегральными схемами. Резюмируя вышесказанное, использование поверхностной микрообработки для изготовления большинства современных МЭМС-устройств является более целесообразным решением.
Литература
1. Журнал ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес 7/2009. МЭМС-технологии. Простое и доступное решение сложных системных задач, стр. 80−89.
2. Материалы сайта www. pcweek. ru.
3. Варадан В. ВЧ МЭМС и их применение / В. Варадан, К. Виной, К. Джозе -М.: Техносфера, 2004. — 528 с.
4. Материалы сайта www. micromachine. narod. ru.
FOUNDATIONS OF TECHNOLOGIES SILICON MICROMACHINING Ivanov Sergey Viktorovich, Karelin Evgenie Jurevich
Voronezh state technical university, Russia, Voronezh e-mail: muratovav@kipr. vorstu. ru
In given article technologies of silicon microprocessing which are used now for manufacturing of microelectromechanical systems are is short considered. Key parametres of the given technologies are presented, their advantages and lacks, and also distinctive features are revealed.
Key words: microelectromechanical systems, microprocessing, silicon, technology.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой