УДК 681.586'33.776.442
ИЗГОТОВЛЕНИЕ МЭМС-СТРУКТУР ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
ДАТЧИКОВ КОНЦЕНТРАЦИИ ГАЗА
w 1
С ПРИМЕНЕНИЕМ ОРГАНИЧЕСКИХ ЩЕЛОЧЕЙ1
ORGANIC ALKALIS APPLICATION FOR MANUFACTURING OF MEMS-STRUCTURES GAS SENSORS
1) Веселов Денис Сергеевич
канд. тех. наук, инженер E-mail: deonis86@inbox.ru
1) Воронов Юрий Александрович
канд. техн. наук, доцент E-mail: yavoronov@mephi.ru
2) Ванюхин Кирилл Дмитриевич
инженер
E-mail: kirivan@list.ru
1) Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ", Москва
кафедра микро- и наноэлектроники
2) ООО "Планар-МИФИ", Москва
Аннотация: Приведены результаты исследования способов приготовления и процессов анизотропного травления кремния в растворах органических щелочей при формировании чувствительных элементов газовых датчиков методом МЭМС. Получены значения скоростей травления кремния, уровня локальной неравномерности и равномерности поверхности травления по всей площади образцов, стойкости к травлению термического окисла кремния и мембранных пленок. Полученные растворы исследованы на пригодность к проведению глубокого анизотропного травления кремния.
Ключевые слова: диаминоэтан, пирокатехин, водный раствор, окисленный раствор, барботирование кислородом, анизотропное травление, неравномерность травления.
^ Veselov Denis S.
Ph. D. (Technical), Engineer E-mail: deonis86@inbox.ru
1) Voronov Yuriy A.
Ph. D. (Technical), Associate Professor E-mail: yavoronov@mephi.ru
2) Vanjuhin Kirill D.
Engineer
E-mail: kirivan@list.ru
1) National Research Nuclear University "MEPHI", Moscow
Department of micro- and nanoelectronics
2) LLC "Planar-MEPHI", Moscow
Abstract: For achievement demanded characteristics semiconductor metal-oxide gas sensors during measurement it is necessary to heat up their sensitive layers to temperatures in some hundreds degrees of Celsius. MEMS-technology allow to provide the due level thermal protection of sensitive layers by forming heated areas on dielectric membrane films made on silicon substrates by a method of anisotropic etching. Research processes anisotropic etching of silicon and solutions preparation of organic alkalis is carried out. Speeds of silicon etching, level of local etching non-uniformity and etching uniformity on all area of samples, firmness to etching of thermal silicon dioxide and membrane films are received. The received solutions are investigated on suitability to carrying out of deep anisotropic silicon etching.
Keywords: ethylenediamine, pyrocatechol, the water solution, the oxidised solution, oxygen barbotaging, anisotropic etching, etching non-uniformity.
ВВЕДЕНИЕ
Для анализа состава газообразных сред широко применяются датчики, в которых измерение концен-
1 г>
В статье использованы результаты НИОКР по контрактам с "Фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере" № 8994р/14043 от 19.04.2011 г., № 10837р/16938 от 13.09.2012 г., № 12501р/23910 от 28.02.2014 г.
трации газа сопровождается предварительным нагревом чувствительного слоя, избирательно ускоряющим процессы на его поверхности и в объеме. Типичным примером являются полупроводниковые металл-оксидные датчики концентрации газа. Нагрев чувствительных слоев таких датчиков позволяет улучшать их характеристики путем достижения температур, при которых молекулы определяемых газов
наиболее активны по отношению к материалам чувствительных слоев. На возможность достижения требуемых температур чувствительного слоя решающее влияние оказывает его теплообмен с окружающей средой через конструкцию чувствительного элемента (ЧЭ). Отличительной особенностью конструкций ЧЭ таких датчиков является наличие нагревателя и теплоизолирующей структуры [1, 2].
Рис. 1. Чувствительный элемент на основе диэлектрической мембранной конструкции:
1 — разделительная полоса; 2 — диэлектрическая мембрана; 3 — слой изолирующего диэлектрика, 4 — структурные элементы (резистивный нагреватель, резистивный датчик температуры, контакты к чувствительному слою); 5 — чувствительный слой; 6 — полость под образование мембраны; 7 — термический окисел кремния; 8 — подложка
Рис. 2. Рельеф поверхности травления в растворе гидроокиси тетраметиламмония при 7 = 85 °С:
а — профилограмма поверхности; б — фрагмент микрофотографии колодца
ПРОЦЕССЫ АНИЗОТРОПНОГО ТРАВЛЕНИЯ КРЕМНИЯ
Наиболее эффективными теплоизолирующими конструкциями полупроводниковых металл-оксидных ЧЭ датчиков концентрации газа являются диэлектрические мембранные конструкции, формируемые анизотропным травлением кремния. Структура такого ЧЭ представлена на рис. 1 [3]. На стадии разработки технологии одной из важнейших задач является поиск оптимальных травящих составов и режимов проведения процессов анизотропного траления кремния для формирования в подложке сквозных полостей под образование мембран. Необходимо обеспечить равномерность травления как в пределах одной полости, так и по всей площади подложки в пределах нескольких микрометров.
Известен ряд реактивов, позволяющих осуществлять глубокое анизотропное травление кремния. Наиболее распространенные из них — водные растворы КОН и КаОН: их преимуществами являются высокая скорость анизотропного травления кремния и низкая стоимость. Недостаточная селективность травления кремния и его термического окисла, используемого в качестве маски, делает проблематичным применение этих тра-вителей для сквозного травления пластин кремния диаметром 76 мм и более. Альтернативой могут быть другие типы травителей или их комбинации с растворами неорганических щелочей. В работе было исследовано анизотропное травление кремния в растворах органических щелочей: в водном растворе гидроокиси тетраметиламмония и растворах на основе диаминоэтана с добавлением пирокатехина. Растворы на основе гидразингидрата из-за их высокой токсичности не использовались, хотя известно, что травление в таких растворах обеспечивает хорошую равномерность поверхности [4].
Исследование процессов анизотропного травления проводилось на кремниевых пластинах КЭФ-4,5 ориентации (100) диаметром 76 мм, толщиной (380 ± 20) мкм. Скорость травления окисла кремния в органических щелочах составляет сотые доли нанометра в минуту. Поэтому обязательным условием такого травления является предварительное удаление в буферном тра-вителе, содержащем плавиковую кислоту, слоя естественного окисла кремния. Невыполнение этого условия влечет за собой образование значительных неравномерностей поверхности травления.
Исследование анизотропного травления в водном растворе гидроокиси тетраметиламмония (C4H13ON) проводилось в температурном диапазоне 70... 100 °С. Использовался реактив производства компании "Merck" (Германия) с концентрацией 25 % по массе, класса чистоты, соответствующего ЧДА по стандартам РФ. Типичная профилограмма поверхности травле-ния и фрагмент фотографии вытравленного колодца представлены на рис. 2. На профилограмме присутствуют значительные неровности поверхности травления (около 3—5 мкм), связанные с несовер-
46
Sensors & Systems • № 1.2015
Рис. 4. Область травления со слоем осадка, локально блокирующего травление:
а — микрофотография; б — профилограмма поверхности
шенством структуры кремния, и V-образная канавка 1 по периметру полостей под образование мембран (глубиной около 3—5 мкм). Локальная неравномерность поверхности при травлении на глубину 175 мкм составляет около 1...2 мкм. Полученные зависимости скоростей травления кремния от времени процесса для различных температур, представлены на рис. 3.
Видно, что для 25-процентного водного раствора гидроокиси тетра-метиламмония характерно значительное изменение скорости травления в течение процесса, и чем выше температура травления, тем большее изменение скорости травления и меньшее время сохранения травящих свойств свойственно данному травителю. Лучшие результаты по равномерности поверхности кремния после травления были получены при температурах 80...90 °С.
Для определения стойкости к травлению мембранных пленок, полученных реактивным магнетрон-ным распылением, на образцы были напылены диэлектрические пленки различного элементного состава, на которых была сформирована металлическая разводка, служащая массой при травлении. Время травления диэлектрических пленок составляло 3—5 ч. Показателем значительного воздействия травите-ля на пленку являлось отслаивание элементов металлической разводки. Измерение глубины травления
Рис. 3. Зависимости скоростей травления кремния от времени для различных температур
осуществлялось по профилограмме поверхности. Выявлено, что полученные магнетронным распылением диэлектрические мембранные пленки не стойки к травлению в водном растворе гидроокиси тетра-метиламмония во всем диапазоне исследуемых температур. Скорость травления маскирующего термического окисла кремния — около 10 5 мкм/мин.
Вторым исследованным составом был раствор пирокатехина (П) в диаминоэтане (Д) производства компании Merck (Германия) также класса чистоты ЧДА. Для активации травящих свойств растворов в процессе приготовления травителя применялось окисление методом барботирования кислородом при комнатной и при повышенной температурах. В результате выяснилось, что для растворов с малыми концентрациями пирокатехина (массовая доля до 10 %) окисление раствора барботированием не обеспечивает эффективной активизации его травящих свойств. При травлении на поверхности образовывался твердый осадок, локально блокирующий травление и вызывающий значительную неравномерность поверхности травления, как показано на рис. 4.
Образующийся осадок не растворяется в этиловом спирте и ацетоне. Опытным путем выявлено, что
промывка образца вместо деиони-зованной воды в теплом ацетоне после удаления естественного окисла кремния перед погружением в травитель позволяет снизить интенсивность образования осадка. Исследуемый осадок имеет химический состав 811,оС19д^з 79И2804Д5 [5].
В широком диапазоне концентраций компонентов была проведена проверка на соответствие многим критериям пригодности раствора. Исследовались растворы, приготовленные с применением различного времени ок
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.