Микропрофилирование кремния при создании сенсорных микросистем

В.М. Колешко, А.В. Сергейченко

МИКРОПРОФИЛЙРОВАНИЕ КРЕМНИЯ ПРИ СОЗДАНИИ СЕНСОРНЫХ МИКРОСИСТЕМ

Белорусский н щ гш н ^ь н ы й технический университет Минск, Беларусь

Т р^ования повышения быстродействия, снижения энерго- и материалоемкос-

|’И, интеграция преобразующих и функциональных элементов микросистем, а также развитие кремниевой технологий привели к созданию твердотельных микросенсо­

ров и микросистем, где в качестве основного конструкционного материала выступает монокристаллический кремний [1].

В настоящей работе будут рассмотрены методы микропрофилирования, позво- пяющие создавать в массиве монокристаллического кремния элементы и трехмерные структуры микронных и субмикронных размеров.

М етоды м икропроф илирования с использованием м аскирую щ их п окры тий

Химическое анизотропное травление. Щелочные реагенты, используемые для I равления полупроводниковых материалов, в основном обладают анизотропным воз­

действием на кристаллографические плоскости с малыми ицдексами. Предпочтитель­

но выбирать (100) — ориентированный срез кремния, т.к. это единственная из основ­

ных плоскостей, в которой плоскости (110), (111), (100) и (211) пересекаются с регуляр­

ной симметрией, что позволяет создавать четко ориентированный глубокий рельеф.

Процесс травления в щелочных травителях происходит в три стадии (на приме­

ре травления в КОН)[2, 3]:

окис лительно-восстановительная стадия

S\ + 2H f > - ^ S i O ^ + 2H ^ стадия гидратации оксида Si02 + хН^О-> SiO^* х Н р ;

стадия растворения гидратирован­

ного оксида

SiO, х Щ О + 2КО Н -»

\ ( х + \) Я р .

Скорости травления, величина под- грава, степень устойчивости маски (ис­

пользуемый обычно в качестве маски гермический оксид кремния также тра-

Рис. 1. Меза-структура, выполненная селективным травлением в К О Н (белым

цветом показана исходная маска)

679

Рис. 2. Профиль канавки анизотропного травления щ>емния

вится в щелочи) зависят как от состава тра- вителя, так и от режимов процесса. Кроме того, скорость анизотропного травления кремния зависит от степени легирования. Ле­

гированный бором (N=7* 10^’ см'^) іфемнйй в щелочных травителях практически не тра­

вится, что позволяет использовать его как в качестве стопслоя, так и маскирующего по­

крытия. I

В силу анизотропии данного процесса элементы микросенсоров необходимо ориен­

тировать на поверхности пластины в соответ­

ствии с ее кристаллографией (Рис. ł ).

Химическое изотропное травление. Процесс изотропного травления прохо­

дит в две стадии: окисление кремния и последующее травление окисла. В смеси пла­

виковой и азотной кислот в общем происходит следующая реакция:

Si + 2HNO^ ^б Н Г H ^iF ^ + 2HNO^ + 2 Н р .

Азотная кислота окисляет Si до SiO^, а плавиковая кислота растворяет образо­

вавшийся окисел. Ледяная уксусная кислота добавляется с целью контролирования вязкости травителя,

В силу значительных величин подтрава данный способ уместно использовать, когда размеры элементов в плане значительно пре­

восходят глубину травления.

В отличие от анизотропного, при изот­

ропном травлении тип и величина проводи­

мости кремния щ>актически не влияют на ско­

рость травления и микрорельеф поверхности (рис. 2). В остальном, скорость травления за­

висит от большого количества факторов, что приводит к ее плохой контролируемости.

Электролитическое (анодное) трав­

ление, При анодном травлении на поверхно­

сти кремниевой пластины протекает анодная реакция окисления кремния, сопровож­

дающаяся комшгексообразованием и переводом атомов кремния в раствор в вдде ус­

тойчивых комплексных анионов [2]. Итоговая реакция анодного растворения крем­

ния в плавиковой кислоте имеет следующий вид:

Si +

6

HF + пе^ = H2SiFQ + 4Н* + (4 - п)е~»

Рис. 3. Трехмерная микроструктура, полученная анодным травлением кремния

I ле n ~ ( 2 - 4 )- эффективная валентность растворения кремния, е% — электроны II дырки, соответственно.

Скорость травления определяется в основном плотностью протекающего тока.

Предельные значения последнего зависят от поверхностной концентрации дырок, инляющихся в данном случае основными носителями заряда. При травлении крем- мня п-типа используются различные способы повышения концентрации дырок: п6- иышение температуры, освещение образца, инъекция дырок извне и т.п. Существует ншисимость скорости травления от плотности упаковки атомов в различных крис­

таллографических плоскостях.

Локализация процесса травления (рис, 3) достигается использованиеммаскіфу- Ю1ЦИХ покрытий, увеличением плотности тока на отдельных участках путем созда­

ния высокой напряженности электрического поля посредством помещения в непос­

редственной близости от поверхности катода (необходимой формы), использование миртуального катода [4] и т.д.

Химическое газовое т равление, Повы- июмная температура при газофазном травле­

нии необходима для диссоциации молекул ипа-травителя на радикалы. Исключением в данной ситуации является XeF^, молекулы которого распадаются уже при комнатной іемііературе (рис. 4 ). Помимо СІ^ и XeFj су­

ществует целый ряд газов, используемых в данном процессе в качестве реагентов трав­

ления кремния [9]. Одни из травителей про- ІЙПЯЮТ крйсталлографйчесіую зависимость скорости травления, другие травят изотроп­

но. Кроме того, скорость травления зависит от температуры в реакторе. В случав травления в атмосфере хлора скорость травления кремния изменяется по закойу Т* в интервале температур 900-1100°С. Лимити­

рующей стадией при высокотемпературном ииовом травлении кремния является ско- росгь хемосорбции реагента на поверхнос­

ти кремния.

Плазменное травление, В процессах 1'ривления к]ремния, активированных плаз­

мой, травящими агентами выступаюткакней- 'іршіьные частицы, таки активные: радикалы и ионы. Слои кремния удаляются в хлор- и фторсодержащих газах с типичными скорос-

Рис. 4. Структуры на основе пленки выполненные травлением кремния в XeF^

Рис. 5 Структуры, полученные с использованием плазменного травления (Si)

681

Р и с. 6. М и к р о м а ш и н а н а п о л и к р ем н и ево й п л ен к е

тями 50-100 нмДшн [5]. Максимальная скорость трав- І можвт достигать ввличины 6 мкм/мин В шюзме

SFg + Oj при содержании кислорода 17-18 % [6]. Энер­

гия активных частиц в плазме составляет--!000 эВ лри плотности тока

о,

^5-1,

о

^{мА/см^.}

Необходимо отметить, что на скорость травле­

ния оказывает влияние тип проводимости кремния:

v,(p-Si) > v^(Si) > v^(n-Si).

Универсальность метода состоит в том, что он позволяет практически одинаково эффективно обра­

батывать различные материалы (Рис. 4). Однако, в то же самое время, это является и его недостатком, т.к.

для увеличения избирательности травления приходится использовать маски больших толщин. Равномерность травления по площади пластины составляет 80-99 %.

Травление пали/дремиия. Технология тонких полупроводниковых слоев и, в ча­

стности, процессы выращивания слоев поликремния на подложках различного вида позволили создавать трехмерные структуры активных элементов [7]. Поликремний травят практически все травители, которые используются при химическом травле­

нии монокристаллического кремния. По сравнению с изотропным травлением моно- кристаллического кремния полшфемний травится менее однородно в силу существен­

но большей неоднородности поликристалла. Что касается плазменного травления, то данный метод является основным методом мйіфопрофйлйрова- ния при изготовлении микроструктур на основе тонких слоев поликремния.

Актюаторы и сенсорные микромашины цели­

ком могут выращиваться слой за слоем на іфвмнй- евой подложке, применяя технологии осаждения слоев поликристаллического тдремния и двуокиси кремния, литографии, травления и планаризации.

Толщина слоев поликремния — 1-2 мкм, и это — толпщна шестерней, маховиков, шатунов, рычагов, пружин и т.д. (Рис. 6). До 20 таких шестерней уля­

жется на тшощади 1 мм^ кремниевой подложки.

Травление пористого кремния. Данный метод позволяет создавать элементы микросенсоров мем­

бранного типа [8] и представляет собой совокуп­

ность анодного электролитического и химическо­

го жидкостных методов микропрофилирования.

Р и с. 7. П о р и ст ы й к р ем н и й : в и д с в е р х у и н а ск о л е п л а ст и н ы

682

I Іредварйтельно, в месте будущего микросенсора, на планарной стороне кремниевой

1ИШСТИНЫ формируется область пористого кремния заданной глубины (до сотен мик-

|Н)11) (Рис. 7). Последующим этапом является формирование мембраны с последую­

щим удалением из-под нее пористого кремния. Формирование области пористого кремния осуществляется путем электрохимической обработки монокристаллическо- и) кремния в плавиковой кислоте. В отличие от гфямого электролитического травле­

ния в данном случае происходит нано структурирование монокремния. В основе дан­

ною процесса лежит положение о том, что на путях меньшего сопротивления проис­

ходит концентрация тока [9].

Преимущество такого комбинированного метода по сравнению, например, с йиизотропным травлением — отсутствие необходимости ориентировки маски на по­

верхности пластины.

Разрешающая способность всех описанных выше методов шщеделяется, фак­

тически, разрешающей способностью фотолитографических процессов и величина­

ми ухода размеров из-за подтрава под маску (см. табл. 1).

Безмасочные методы м икропроф илирования

Прямое лазерное и лазерно-стимулированное микропрофилирование. Форми­

рование в кремниевой пластине отверстий может производиться как непосредствен­

ным воздействием лазерного излучения, так и посредством стимулирования газооб­

разных, жидких или твердых реагентов, находящихся в контакте с кремниевой плас­

тиной излучением лазера (рис. 8).

При прямом взаимодействии лазерного излучения (ЛИ) с твердым телом проис­

ходят следующие реакции: поглощение света и передача энергии тепловым колеба­

ниям кристаллической решетки, разогрев материала и его плавление без разрушения, разрушение материала путем испарения и

выброса расплава, остывание после оконча­

ния воздействия ЛИ.

Кремний слабо поглощает излучение с длиной волны в области 1-12 мкм и макси­

мально при 1 = 0,265 мкм.

Энергия светового потока, поступаю­

щего на поверхность обрабатываемого полу­

проводника, тратится не только на нагрев и испарение материала. Значительная часть ее теряется на отражении (для кремния > 30%,

и зависимости от длины излучения), а также Рис. 8. Гребни излучателя, полученные за счет теплопроводности. Однако, при диа- лазерным микропрофилированием метре луча больше 5 мкм радиальным пото- кремния в атмосфере хлора

683

ком тепла можно пренебречь[ 10]. В итоге тепловая энергия, необходимая для испаре­

ния некоторого количества кремния при помощи лазерного излучения равна [11]:

£ = т(С р Д Т + Щ +ДН^р),

где т — количество молей, — удельная теплоемкость, D T — изменение темпера­

туры, DH^— теплота плавления, — теплота испарения,

С целью снижения количества энергии, необходимой для испарения, на поверх­

ность подложки можно наносить специальное антиотражающее покрытие. Расчет­

ная величина порога разрушения кремния составляет 80 кВт/см^.

Разрешающая способность метода определяется характеристиками излучения, разрешающей способностью источника излучения и однородностью структуры пла­

стины.

Лазерно-стимулированные методы имеют следующие положительные момен­

ты: создание микрорельефа одноэтапным безмасочным травлением; высокая разре­

шающая способность при использовании УФ источников излучения; высокая (на не­

сколько порядков выше, чем при обычных методах) скорость травления в зоне воз­

действия ЛИ, обеспечивающая высокую направленность и селективность травления.

Факторы, ограничивающие использование лазерного прямого и лазерно-стиму­

лированных методов травления при формировании глубокого микрорельефа в крем­

нии: изготовление стойких к ЛИ шаблонов и трафаретов, ограничение по размеру сечения пучка, низкая производительность, высокая стоимость.

Электронно-лучевое травление. Кинетическая энергия проходящих через вещество электронов преобразуется в рабочей зоне в тепловую и вызывает нагрев, плавление и испарение материала обрабатываемой пластины. Например, при ускоряющем напряже­

нии 20 кВ и удельной поверхностной мощности 10® Вт/см^ за время 10'®...10'®с поверхностные слои кремния в области облучения разогреваются до температуры 6273 К (температура плавления кремния составляет 2773 К).

Рабочей средой при электронно-лучевом трав­

лении (ЭЛТ) является вакуум (10-^ — 10’^ Па). Характерной чертой метода явля­

ется большая мощность (до 10’ Вт). Минимальная ширина отверстия при данном методе определяет­

ся как энергией луча, так и «расплыванием» пучка в материале. При этом получаются практически вер­

тикальные стенки (уклон может достигать 1 ®).

Такие недостатки метода как наличие радиа­

ционных дефектов, эффекты обратного рассеяния, а также низкая производительность затрудняют его Рис. 9. Элемент линзы Френеля,

полученной с использованием электронно-лучевой литографии и

жидкостного травления монокремния

684

Рис. 10. Отверстие, выполненное в полупроводниковом мат ериале ультразвуковой

микрообработ кой практическое использование. Кроме

mro, при обработке таких хрупких ма- I с риалов как кремний в результате зна-

•пггельных градиентов температуры воз­

можно растрескивание обрабатываемой пиастины. В этом случае необходимо мпбо снижать мощность, что снизит про- шиодительность, либо подогревать до определенной температуры всю пласти­

ну. Однако, благодаря тому, что электрон- ПІ.ІЙ луч даже при относительно невы- юких энергиях (10’^ Кл/см^) способен

достаточно глубоко проникать в кремний и заметно нарушать его кристаллическую решетку, позволяет эффективно использовать данный метод в совокупности с други­

ми методами микропрофилирования. Облученные области монокремния более чем в I ри раза быстрее травятся в жидком травителе или в плазме [5]. Электронно-лучевая иптография в совокупности с жидкостными или сухими методами микропрофилиро- мапия позволяет получить структуры с рекордно высокой плотностью упаковш эле­

ментов (рис. 9).

Размерная ультразвуковая обработка. Принцип ультразвуковой (УЗ) размер­

ной обработки заключается в воздействии рабочего инструмента, колеблющегося с умьтразвуковой частотой (> 16 кГц) на абразивные зерна, взвешенные в суспензии.

Форма и размеры образующегося отверстия определяются формой и размерами рабочего инструмента (рис. 10). В качестве абразива используются микрошлифпо- рошки M l о — М3 с размером зерна 10 — 3 мкм. Так как монокристаллический крем­

ний относится к хрупким материалам (критерий хрупкости t > 2), то в качестве мик- рошлифпорошков можно использовать карбид кремния или электрокорунд. В каче- с гве несущей жидкости могут использоваться вода, глицерин или масла.

Существует метод совмещенной обработки, объединяющий методы УЗ обра­

ботки и анодного растворения. В результате удается в десятки раз повысить произво­

дительность и одновременно значительно снизить степень износа инструмента. При

»том шероховатость поверхности --1 мкм, уход размеров составляет 60 мкм.

Наложение ультразвуковых колебаний повышает точность и производительность практически всех рассмотренных методов микропрофилирования.

Электроискровая эрозия. Метод электроэрозионной обработки (ЭЭО) заключа­

ется в разрушении материала подложки под действием электрического разряда. Ле­

гированная кремниевая пластина выступает в качестве второго электрода (положи- гельного или отрицательного). При достижении напряжения определенной величи­

ны происходит электрический пробой рабочей среды в межэлектродном простран- 685

стве. Длина и поперечное сечение образующегося канала разряда незначительны. Поэтому плотность энергии в нем достигает больших величин и темпе­

ратура в момент разряда составляет десятки тысяч градусов. В результате материал пластины в точке разряда плавится и испаряется, уносясь из межэлек­

тродного пространства под действием давления вместе с продуктами высокотемпературного разло­

жения рабочей среды [12]. В качестве рабочей сре­

ды при точной обработке обычно используется ке­

росин. Может использоваться и вода.

Размеры и форма образующихся отверстий при ЭЭО определяются формой и размерами электрода-инструмента (минимальные раз­

меры доходят до 35 мкм в диаметре). Несомненным преимуществом метода является возможность создания трехмерных микроизделий сложной формы (рис. 11).

Описанные в обзоре методы микропрофилирования кремния позволяют созда­

вать сложные сенсорные микросистемы, отличающиеся высокой надежностью и ре­

кордно низким энергопотреблением. На рисунке 12 приведены примеры таких мик­

роизделий.

Рис. 11. S-образная кремниевая структура, выполненная электроискровой эрозией

б) в)

Рис. 12. Микросенсоры и микросистемы

а - микроплатформа газовых сенсоров, б -микрогироскоп, в - микропинцет, г - микродвигатель

В заключении необходимо отметить, что при изготовлении микросенсоров и микросистем с трехмерной структурой элементов достаточно сложно ограничиться каким-то одним из выше указанных методов, и, наоборот, их комплексное использо­

вание позволяет достигнуть поставленных целей. Доминантное использование того либо иного метода определяется конструкцией, требованиями к точности изготовле­

ния элементов (см. табл. 1,2) и экономической целесообразностью.

686

я J

и

I

® г s ч а 's

¥ I І'Т

" в I f ?

+ ^

E

t

&

3 VO.Я

СЛ

'S' и чЭ^З I I

СЛ 1Я

ІЗ І й

i i

?1 I f

S = =

9 І й ,

«Л fS, r-*, }

С-»1 - S c . S a Ś Ś

|fr

?§

i ' I•e<

§

s i

g g a i l l

Й І І

Ś' Яі І В . ! ? 5 2

ł s l r

p ffi Э Д zi»

§ s S i s

| 8 уЗ § S t^ lS u s

w9.S й O ę 2 8 i

к

й і і

г s и <ц

687

н

I

5 г

I

i I

с

о .

Ф

<

u S*

н

I

« 0 2

I

^.

- i

^ 2

s S

& i

I §

S

I

Й Э'

ti

§• i

e ^ a

2 ^ S.

^ §

i i s

U H » I ^ g H H ж

S

>g

>< S' s

I sbi s I о * I e «Г

s i f

m g , *

8 g I

I ° I S i-S | s jW О ЙЧ a ^.s

Ś s

i !

S о

§ S

s s

S 5

i i s g Is

I I

s « s a

Is

^ »

§ J

| g

s

s §

« Й

5 S'

>V

' ^ S

§ I

I . S

о tt!

S C S

g-s

о 2

r

' sa я

l i s l a I l i i

t i l S s

_,

S'

£ I i ^

is

Й “

^ I

^ L I ill

S s

I S g I I I

g g 3 в5 я

^ 2

^ ' (S T

« О

Z ^«

i f p

_{fet «}

о о

i t

о g

о ^к 1

j яii i i

s I I

S «> ^{i ltfi} в s&a g'i l l a

II Ш

^{^H i s} Р.Ю I I

г

&I-

III Ili

Р/ m0 S Ś 1 S ^

й*!

i §

u {

® 2s s

ż S И

| t !

_{« H §}

g

s ^ l

Ш

l l

l t I s

688

ЛИТЕРАТУРА

1. Петерсон К.Э. Кремний как механический материал// ТИИЭРЛ982, т.70, № 5.

2. И.Г Пичуган, Ю.М. Таіфов Технология іюлуіфоводнйковых приборов.— М.: Высш.

шк., 1984. — 288 с. 3. Технология полупроводниковых приборов и изделий микро­

электроники. В 10 кн. Кн. 1.— М.: Высш. шк., 1989. — 223 с. 4. Е. А. Ефимов, И. Г.

І ірусалймчйк Электрохимия германия и кремния. — М .:, 1963. 5. У. Моро Микроли­

тография: В 2-х ч. Ч. 2: Пер. с англ. -М .: Мир, 1990.- 632 с. 6. В.Д.Журавов, К.Г. Марин, Б.В. Стрижнов Исследование процесса плазмохимического глубокого травления пластин кремния//Электронная техника. Сер. 3. Микроэлектроника, 1982.

№ 5. — 6. 7. В. М. Колешко, А. А. Ковалевский Поликристаллические пленки полу­

проводников в микроэлектронике. -М инск: Наука и техника, 1978. — 344 с.

8. А. Splinter, О, Bartels, W. Benecke Thick porous silicon formation using implanted mask technology// Sensors and Actuators, В 76 (2001), 354-360. 9. Chazalviel J.-N., Wehrspohn R.B., Ozanam F. Electrochemical preparation o f porous semiconductors: from phenomenology to understanding // Materials Science and Engineering. 2000. v. B69 — 70. p. 1.10. Z. Liau, B. Tsaur, J. Mayer, Appl. Phys. Lett. 34,24 (1979). 11. M. Aboelfotoh, R. von Gutfeld, J. Appl. Phys. 43, 3792 (1972). 12. A. Gieles, G. Somers / Philips Techn.

Rev., 1973, V . 33, № 1, p. 14-20. 13. B.M. Колешко, И Л . Таратын, A.B. Сергейченко Интегральные микросенсоры — основные элементы «электронного носа» для мони­

торинга газовых сред// Сб. научных трудов «Машиностроение», Минск, 2001. Вып.

17, с. 443-445.14. В.И. Хитько, В.М. Колешко, И Л . Таратын, А.В. Сергейченко Про­

ектирование полупроводникового акселерометра для микросистем// Сб. научных тру­

дов «Современные методы проектирования машин. Расчет, конструирование и тех­

нология изготовления», Минск, 2002. Вып. 1. В 3-х томах, т. 1, с. 190-193.

УДК543.13+546.07.654

Н.Н. Костюк, Т.А . Д ик, Н.В. Тереш ко

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЕ РАСТВОРЕНИЕ LA В НЕВОДНЫХ СРЕДАХ

Институт прикладных физичестсих проблем им, А.Н. Севченко М инск Беларусь

Практически ни одно из современных наукоемких производств не обходится без продукции препаративной электрохимии [1]. Это и новые материалы с уникальными свойствами для микроэлектроники, лазерной техники, летучие соединения металлов,

689