ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2010, № 9, с. 56-61
УДК 621.382
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПРЕЦИЗИОННОГО ГЛУБИННОГО МИКРОПРОФИЛИРОВАНИЯ ТРЕХМЕРНОЙ КРЕМНИЕВОЙ ТЕНЗОРАМКИ НА ГЕТЕРОСТРУКТУРЕ КНИ © 2010 г. Л. В. Соколов1, А. А. Жуков1, Н. М. Парфенов1, А. А. Данилин2
Московский государственный авиационный институт (Технический университет)
Москва, Россия 2ОАО "Раменский приборостроительный завод", Раменское, Московская область, Россия Поступила в редакцию 01.10.2009 г.
Приводятся результаты исследований прецизионного микропрофилирования трехмерной кремниевой рамки с глубокой узкой щелью, полученной методом анизотропного химического травления (АХТ) при изготовлении микроэлектромеханических тензопреобразователей на основе гетеро-структуры кремний-на-изоляторе (КНИ). Анализируется морфология поверхностей (100) и (111), полученных после травления.
ВВЕДЕНИЕ
Мероприятиями Федеральной целевой программы на 2008—2015 годы [1] предусмотрены исследование и разработка базовых технологий и конструкционных принципов создания микроэлектромеханических преобразователей и систем контроля давления. Известные преимущества структур кремний на изоляторе (КНИ) и технологии КНИ как главной альтернативы традиционной кремниевой технологии при производстве большого класса полупроводниковых приборов, включая датчики, сверхскоростные и ультрабольшие интегральные схемы, обусловливают выбор КНИ-технологии как генерального направления развития кремниевой микроэлектроники на ближайшую перспективу [2, 3]. Датчики физико-механических величин на основе гетероструктуры кремний-на-изоляторе с монолитной интегральной тензорамкой (КНИ-МТ) отличаются высокой долговременной стабильностью в широком температурном диапазоне, что существенно расширяет возможности микропроцессорной обработки сигнала для достижения высокой точности измерений [4].
Одной из основных проблем формирования тен-зоструктуры является прецизионное микропрофилирование на приборном слое пластины КНИ трехмерной кремниевой рамки прецизионной геометрии с глубокой узкой щелью [4]. В связи с появлением в последние годы нового быстро развивающегося направления на основе комбинации планарной микроэлектронной технологии с технологией микропрофилирования кремния (МЭМС), а также интегральных механоэлектрических преобразователей с интегрированными трехмерными микромеханическими структурами, остро стоят проблемы повышения аспектного
отношения при глубине травления 300 мкм и более, а также прецизионности структур при высокой скорости анизотропного травления [2—11].
Аналитические исследования современных технологий формирования прецизионных микромеханических структур интегральных кремниевых сенсоров, сенсорных- и МЭМС-систем [2, 3] показали, что большинство кремниевых сенсоров, актюаторов и микромеханические структуры МЭМС-устройств изготавливаются в настоящее время по технологии избирательного анизотропного травления, включая быстро развивающиеся методы травления в высокоплотной плазме. Наиболее широко применяется анизотропное химическое травление (АХТ) кремния в растворе КОН, в том числе современные модификации этого метода, благодаря простоте и воспроизводимости, относительно низкой токсичности и одновременно низкой цене. Главное достоинство этих технологий заключается в высоких технических характеристиках приборов и устройств, обеспечиваемых совершенством кремниевых микромеханических структур, сформированных анизотропным травлением и превосходными механическими свойствами монокристаллического кремния.
Однако механизм анизотропного химического травления кремния слабо изучен. Его исследованиям за рубежом стали уделять повышенное внимание в последние годы [5—11]. Вероятной причиной такого внимания, помимо научной задачи понимания механизма травления, являются коммерческие интересы фирм-производителей датчиков и микросистем, вытекающие из необходимости увеличения процента выхода годных изделий.
Рис. 1. Поперечное сечение интегрального микроэлектромеханического тензопреобразователя на основе гетероструктуры кремний-на-изоляторе (а): 1 — монолитная тензорамка, 2 — тонкий диэлектрический слой, 3 — мембрана и расположение кристаллографических плоскостей на тензорамке (б) при АХТ кремния в плоскости (100).
Целью работы является исследование процесса глубинного травления и характеристик поверхностей (100) и (111) трехмерной рамки с глубокой узкой щелью и мембраны, полученных прецизионным микропрофилированием кремния методом АХТ, для формирования необходимой геометрической формы и требуемого качества поверхности интегральных элементов (рамки и мембраны) микроэлектромеханического тензопреобразователя на основе гетероструктуры КНИ.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Исследование процесса прецизионного глубинного микропрофилирования трехмерной кремниевой тензорамки на гетероструктуре КНИ проводилось на экспериментальных образцах партии пластин с гетероструктурой КНИ диаметром 100 мм, включающей приборную и опорную кремниевые пластины КЭФ-4, 5 (100), неразъемно соединенные тонким слоем стекла, согласованного по значению
Рис. 2. Фотография фрагмента защитной маски с угловыми компенсаторами, полученная с помощью цифровой фотокамеры.
коэффициента термического расширения (КТР) с кремнием в широком диапазоне температур. Толщины пластин в КНИ-структуре составляли 160 ± 4 мкм и 410 ± 8 мкм для приборной и опорной пластин. После стандартных операций химической очистки на поверхности пластин термическими методами и фотолитографией формировали защитную маску.
На рис. 1 показано поперечное сечение трехмерной кремниевой рамки с глубокой узкой щелью на основе гетероструктуры КНИ, а на рис. 2 — фотография защитной маски с угловыми компенсаторами для прецизионного микропрофилирования рамки. На рис. 1а показано, что угол у образован между кристаллографическими плоскостями (100) и (111) при АХТ кремния, 2a — размер стороны квадратной мембраны.
В качестве защитной маски использовалась двухслойная структура, содержащая слои оксида и нитрида кремния. Двухстороннее травление кремния КНИ-пластин на глубину 160 мкм (рамка) и 350 мкм (мембрана) проводилось по известной технологии анизотропного химического травления монокристаллического кремния в водном растворе КОН [12].
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ
Исследования поверхностей кремния {100} и {111} проводились с помощью конфокального микроскопа Nikon Eclipse c программным управлением от фирмы ATOS, оптического микроскопа Karl Zeiss с использованием цифровой фотокамеры Kodak и методом растровой электронной микроскопии (РЭМ) на микроскопе JSM-6400 фирмы JEOL. Конфокальный микроскоп позволяет по снимкам поверхности при различной глубине резкости и на основе изменения фазы световых лучей проводить расчет трехмерного профиля исследуемого объекта (метод фазового кон-
58
СОКОЛОВ и др.
траста) с точностью до 5 нм (аксиальная) и до 1 мкм (латеральная). Прецизионность микропрофилирования оценивалась по величине отклонения линейных размеров на основании результатов сравнительного анализа. Линейные размеры тензорамки измерялись в оптическом микроскопе фирмы Karl Zeiss и фиксировались на фотографиях с помощью цифровой фотокамеры Kodak.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Благодаря применению специальной защитной маски с угловыми компенсаторами в процессе глубинного АХТ кремния на экспериментальных образцах тензопреобразователей КНИ (рис. 3) получены монолитные рамочные структуры трапецеидального сечения с четко выраженной формой без подтра-вливания выпуклых углов.
Отклонения основных размеров рамки после микропрофилирования кремния (100)
Конструктивный параметр Размер, мкм А, мкм
Расчетный Измеренный
Длина рамки, 1р 3573.0 3538.12 -34.88
Ширина рамки, Ьр 200.0 150.67 -49.33
Ширина щели, Ьщ 327.0 371.65 +44.65
На рис. 4 приведены фотографии интегральных элементов тензопреобразователя рамки и мембраны с измеренными значениями основных конструктивных параметров /р ~ 2а, Ьр и Ьщ (таблица).
Сравнительный анализ величины отклонения линейных размеров тензорамки от расчетных (таблица) позволяет сделать вывод о достаточно высокой прецизионности полученных размеров рамки.
На рис. 5—9 показаны морфология поверхностей интегральных кремниевых структур и профиль поверхностей, полученных после травления кремния. Из морфологии поверхности (рис. 5) следует, что на боковых гранях {111} имеет место послойное травление кремния. Отчетливо наблюдаются ступени на поверхности в виде каскада террас. На рис. 6, 7 и 8 приведены в трехмерных координатах фрагменты 1 и 2 морфологии поверхностей в двух локальных областях кремниевой мембраны. Первая локальная область показана на рис. 6, 8, вторая — на рис. 7. На рисунках отчетливо наблюдается волнообразный профиль поверхности с множеством пирамидальных фигур и ямок травления.
Локальная область поверхности мембраны в интервалах координат 85—100 мкм по Хи 0—15 мкм по У (рис. 8) приведена в увеличенном масштабе: хорошо видны объемные пирамидальные образования со ступенчатым рельефом ребер, ямки и канавки травления. Размеры наиболее крупной пирамиды составляют в основании 3 х 3 мкм, а по высоте 300—400 нм. Размеры наиболее крупных ямок составляют 3 мкм по
(а)
(б)
Рис. 4. Фрагменты тестового образца микроэлектромеханического тензопреобразователя КНИ с измеренными конструктивными параметрами тензорамки (а) и мембраны (б) (съемка с помощью цифровой фотокамеры).
'I
\
\
Рис. 5. РЭМ-изображение фрагмента морфологии поверхности (111), полученной методом АХТ кремния, при формировании трехмерной кремниевой тензорамки на гетероструктуре КНИ.
Рис. 6. Фрагмент 1 морфологии поверхности (100) кремния, сформированной анизотропным химическим травлением (съемка с помощью конфокального микроскопа).
60
СОКОЛОВ и др.
0
Рис. 7. Развернутый на 180° относительно оси Z фрагмент 1 морфологии травленой поверхности (100) кремния.
Рис. 8. Фрагмент 2 морфологии поверхности (100) кремния, сформированной анизотропным химическим травлением: на выноске в увеличенном масштабе показаны пирамидальные фигуры, ямки и канавки травления. Съемка с помощью конфокального
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.