ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2013, № 2, с. 89-92
УДК 621.385:547.22
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОГРАНИЧЕНИЙ ФОТОЛИТОГРАФИИ ПО РЕЛЬЕФНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПЛАСТИНЫ КНИ ПРИ ФОРМИРОВАНИИ 3D-МИКРОМЕХАНИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ ИНТЕГРАЛЬНОГО ТЕНЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ © 2013 г. Л. В. Соколов1, А. А. Жуков2, Н. М. Парфенов2, С. О. Игошин3
Московский авиационный институт, "филиал-Стрела", Жуковский, Московская область, Россия 2Московский авиационный институт, Москва, Россия 3ООО "ИНТЕРЛАБ", Москва, Россия Поступила в редакцию 20.01.2012 г.
Приводятся результаты исследований по проблеме формирования ЗБ-микромеханической структуры интегрального микроэлектромеханического тензопреобразователя, анализируются технологические ограничения контактной фотолитографии по рельефной структуре, сформированной на приборном слое пластины кремний-на-изоляторе, на конструктивные параметры (высоту рамки и ширину щели рамки). Исследования проводились на растровом электронном микроскопе фирмы Hitachi TM-3000 .
Б01: 10.7868/80207352813020091
ВВЕДЕНИЕ
Важной проблемой создания на пластинах кремний-на-изоляторе (КНИ) интегральных высокоточных тензопреобразователей с 3Э-микро-механической мембранной структурой являются технологические ограничения контактной фотолитографии по рельефной поверхности, сформированной на приборном слое пластины со структурой КНИ, на конструктивные параметры: высоту рамки и ширину щели рамки. Эта проблема обусловлена техническими требованиями на метрологические характеристики тензопреобразователя, которые могут быть реализованы только при определенных сочетаниях конструктивных параметров тензопреобразователя, в частности высоты тензорамки и ширины щели в рамке, т.е. аспектного отношения [1, 2].
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Исследования технологических ограничений фотолитографии проводились по рельефной поверхности приборной пластины структуры крем-ний-на-изоляторе.
Структура интегрального тензопреобразова-теля была сформирована методом термокомпрессионного сращивания кремниевых пластин с промежуточным слоем стекловидного диэлектрика. На термически окисленную рабочую
кремниевую пластину и опорную пластину кремния методом ВЧ-магнетронного распыления наносился слой многокомпонентного стекловидного диэлектрика толщиной 1.5 мкм. Затем при температуре 1100°С под давлением 500 Па в диффузионной печи осуществляли сращивание пластин с применением специальной оснастки. Заключительной операцией являлась прецизионная шлифовка и химико-механическая полировка рабочей пластины до заданной толщины [2]. С помощью двухстороннего химического травления пластин КНИ на глубину 160 мкм были сформированы рамка и мембрана на глубину 350 мкм. Тензорамка имела прямоугольную форму трапецеидального сечения, размер нижней ее части составлял 100 мкм. Тензо-рамка, образуя мостовую измерительную схему, своим широким основанием через сформированный слой стекла имела неразъемное соединение с мембраной. Тензорамка в поперечном направлении своими длинными сторонами максимально приближена к продольной оси симметрии, которая совпадает с кристаллографическим направлением [100] монокристаллического кремния. В качестве приборной пластины был применен монокристаллический кремний диаметром 100 мм с проводимостью и-типа, ориентацией [100] и удельным объемным сопротивлением 4.5 Ом • см [2—5].
90
СОКОЛОВ и др.
I, отн. ед.
(а)
Рис. 1. Фрагмент микроэлектромеханического SD-тензопреобразователя КНИ-МТ с тензорамкой.
Состав, вес. % 80
(б)
67
6 8 U, кэВ
60 - 1
40 -
20 - 10
ш -ш , i 1
23
К 1
Al
Si
Ba
Рис. 2. Локальная область дна в щели рамки в увеличенном масштабе с недотравленными пленками фоторезиста и алюминия, изображенная на рис. 1: 1 — микрочастица пленки алюминия; 2,3 — локальные области для проведения рентгеновских исследований.
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИИ
Исследования локальной области дна в щели тензорамки выполнялись с помощью растрового электронного микроскопа Hitachi TM-3000, обеспечивающего разрешение до 30 нм. Приставка энергодисперсионного анализа Oxford Instruments к микроскопу позволяла определять рентгеновский спектр и полуколичественный состав химических элементов на дне щели тензорамки. Технологическая операция экспонирования и совмещения проводилась на установке фотолитографии ЭМ-576 при следующих режимах: время экспозиции 20—40 с, длина волны излучения X = = 365 нм.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
На рис. 1 приведен фрагмент микроэлектромеханического 3Э-тензопреобразователя КНИ-МТ:
Рис. 3. Рентгеновский спектр (а) и распределение по составу химических элементов (б) в локальной области 2 тензорамки на рис. 2.
1 — тензорамка; 2 — область нанокластера стекла. В увеличенном масштабе на рис. 2 показана локальная область дна в щели рамки с недотравлен-ным участком фоторезиста и алюминия, изображенная на рис. 1: 1 — микрочастица пленки алюминия; 2, 3 — локальные области тензорамки для проведения исследований. Обнаруженные на дне щели фрагменты микрочастицы алюминия обусловлены сложностью процесса экспонирования фоторезиста вследствие рельефной структуры КНИ и, следовательно, сложностью удаления продуктов травления из глубокой узкой щели. Наличие микрочастиц алюминия на дне рамки в условиях эксплуатации изделия может привести к появлению токов утечки и перегреву резисторов в тензорамке. Одной из возможных причин, связанных с неполным удалением фоторезиста, может быть глубокая и узкая щель тензорамки. На рис. 3 показан рентгеновский спектр (а) и распределение по составу химических элементов (б) в локальной области 2 тензорамки на рис. 2. Из рис. 3 следует, что в данной локальной области обнаружены химические элементы — А1, Si, Ва. На рис. 4 приведен рентгеновский спектр (а) и распределение по составу химических элементов (б) в локальной области 3 тензорамки на рис. 2. В указанной локальной области обнаружены хими-
4
2
0
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОГРАНИЧЕНИЙ ФОТОЛИТОГРАФИИ
91
I, отн. ед.
(а)
Вес. % 50
40 30 20 10
0
6 8 U, кэВ
(б)
45
5 Al
Рис. 4. Рентгеновский спектр (а) и распределение по составу химических элементов (б) в локальной области 3 тензо-рамки на рис. 2.
ческие элементы — С, N О, А1, Si. Присутствие этих химических элементов в приведенных локальных областях на дне щели тензорамки свидетельствует о существующей проблеме фотолитографии и выбора конструкции тензорамки. В результате этого мы наблюдаем химические элементы, которые могут быть причиной не только недотравленной полоски фоторезиста из-за тени в этой области, создаваемой рельефом при экспонировании, в отличие от области 3, но и остатков продуктов травления в сложнодоступ-ной для отмывки области 2. Микрочастицы алюминия на дне в щели тензорамки также могут быть причиной появления токов утечки в условиях эксплуатации.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Проведены исследования технологических ограничений контактной фотолитографии по рельефной поверхности КНИ пластины, образованной интегральными монолитными тензорамками.
2. В результате анализа установлены причины технологических ограничений при контактной фотолитографии, обусловленные предельными
значениями аспектного отношения на рельефной структуре поверхности КНИ пластин.
3. Результаты исследований учтены в новых разработках интегральных микроэлектромеханических КНИ тензопреобразователей с изолированной монолитной тензорамкой.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Sokolov Leonid V. // Proc. of 9th Intern. Symp. on Measurement Technology and Intelligent Instruments. S.-Petersburg, 2009. V. 3. P. 248.
2. Sokolov L.V. // Proc. 219th ECS Meeting Advanced Semiconductor-on-Insulator Technology and Related Physics 15. / Eds. Omura Y., Gamiz F., Ishii H., Mar-tino J., Nguyen B., Raskin J., Selbeherr S. Montreal: QC, Canada, 2011. V. 35. Issue 5. P. 135.
3. Тимошенков С.П., Чаплыгин Ю.Н. // Технология и методы исследования структур КНИ. Монография. М.: МИЭТ, 2003. 269 c.
4. Кошелев Н.И., Семенов О.Ю., Ермолаева А.И. // Перспективные материалы. 2000. № 6. С. 21.
5. Соколов Л.В., Жуков А.А., Парфенов Н.М., Данилин А.А. // Поверхность. Рентген., синхротр. и нейтрон. исслед. 2010. № 9. C. 56.
0
2
4
92
COKOHOB h gp.
Research of Technological Limitations for Photolithography on Relief SOI Wafer Surface during the Formation of Integral Tensoconverter
3D Micromechanical Structure
L. V. Sokolov, A. A. Zhukov, N. M. Parfenov, S. O. Igoshin
The results of investigation of integral tensoconverter 3D micromechanical structures formation are presented. Technological restrictions on contact photolithography relief structure formed on the surface layer of SOI wafer are analyzed. The influence of design parameters (height of the frame and slit width of the frame) is revealed.
nOBEPXHOCTb. PEHTrEHOBCKHE, CHHXPOTPOHHblE H HEHTPOHHblE HCCHE^OBAHHH № 2 2013
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.