2.5.1.2. Селективное травление при помощи примесей Мембраны из кремния изготавливаются в основном при помощи тонкого барьерного слоя, сильно легированного бором. Этот слой может быть получен либо при помощи эпитаксиального выращивания, либо сформирован методом диффузии или имплантации бора в слабо легированную подложку. Барьерный эффект характерен для основных травильных растворов, таких как КОН, NaOH, этилендиамин пирокатехол (EDP) и гидразин (см. таблицу 2.14). Из-за сильного легирования бором константа кристаллической решетки кремния слегка уменьшается, что приводит к большой деформации мембран и даже к нарушению плоскости. Однако такие мембраны даже при толщине несколько микрон и около 1 см в диаметре обладают упругостью и достаточной прочностью. Такой метод не пригоден для структур, чувствительных к давлению, поскольку он может привести к их смещению даже при отсутствии внешних нагрузок. В этих случаях необходимо применять другие методы создания барьерного слоя.

Основными достоинствами метода создания барьерных слоев, сильно легированных бором, являются независимость от ориентации кристаллов, гладкость получаемой поверхности и возможность построения свободных микроструктур с любой геометрией боковых срезов за одну стадию травления. Однако известно, что необходимые высокие уровни бора приводят к значительной механической напряженности материала, являющейся причиной деформации и даже разрыва диафрагмы или других изготавливаемых структур. Более того, в такие микроструктуры невозможно ввести компоненты для выполнения сенсорных функций, например, нельзя встраивать пьезорезисторы, поскольку это запрещено высоким уровнем легирования. Далее будут рассмотрены основные проблемы, связанные с применением барьерных слоев с высокой концентрацией бора. В настоящее время более перспективным методом селективного травления является метод травления с электрохимическим способом остановки процесса или травление с электрическим смещением.

2.5.1.3. Электрохимический способ остановки процесса травления

При электрохимическом травлении к кремниевой подложке (аноду) и к электроду (катоду), находящимся в травильном растворе, при-

кладывается постоянное напряжение. Механизм травления состоит из следующих основных этапов:

(1) введение в полупроводник дырок для увеличения его окислительных свойств, т.е получение Si+,

(2) присоединение к положительно заряженному Si+отрицательно заряженных гидроксильных групп ОН ,

(3) химическая реакция между гидратом кремния и комплексо-образующим реагентом в растворе,

(4) растворение продуктов химической реакции в травильном растворе.

При электрохимическом травлении процессу окисления способствует положительное напряжение, приложенное к кремниевой подложке, которое приводит к накоплению дырок на границе раздела: кремний - раствор. При этих условиях процесс окисления происходит довольно быстро, а полученный оксид легко растворяется в травителе. Дырки в виде ионов Н+ переносятся на катод, где высвобождаются в виде пузырьков водорода. В дополнение к этому на поверхности кремния может возникнуть избыток пар электрон-дырка (например, из-за оптического возбуждения), что также приводит к повышению скорости травления.

Традиционный электрохимический метод травления подходит как для изготовления микродатчиков, так и микроприводов, поскольку позволяет реализовывать микроструктуры из умеренно легированного кремния п-типа, обладающие хорошей воспроизводимостью, и при этом осуществлять контроль за их толщиной. Основным ограничивающим фактором для использования этого метода является возникновение обратного тока утечки через полупроводниковый переход. Поскольку в этом процессе избирательность травления в кремнии п- и р-типа достигается при помощи токозапираю-щей функции диода, любая утечка в этом диоде будет влиять на селективность. Иногда, при больших токах утечки процесс травления Л10жет прекратиться, не доходя до самого перехода, а в редких случаях даже не начаться. Этот эффект хорошо изучен, и для борьбы с ним применяются альтернативные схемы смещения, использующие три, а то и четыре электрода. Был также разработан альтернативный Метод электрохимического травления, лишенный вышеуказанного недостатка. В этом методе к кремниевой подложке, погруженной в травильный раствор, прикладывается импульсное напряжение анодизации (Wang et al, 1992). Этот метод называется селективным

- селективное травление при помощи примесей и электрического смещения.

Глава 2. Материалы и методы изготовления микросистем

травлением при помощи импульсного напряжения анодизации, он будет рассмотрен в следующем разделе.

2.5.14. Селективное травление при помощи импульсного напряжения анодизации Импульсное анодное окисление является методом селективного травления кремния п-типа (Wang et al, 1992). В нем используется разница времени, требующегося для растворения анодно-оксидных пленок, сформированных на кремниевых пластинах п- и р-типа при идентичных условиях. Механизм возникновения этой разницы во времени до конца не изучен, но предполагается, что она появляется из-за различия скоростей окисления, вызванного ограниченным доступом дырок к пластине из кремния п-типа (Wang et al, 1992). Метод анодного окисления применим в широком диапазоне напряжений, травильных композиций и температур. Его главное отличие от традиционного электрохимического метода, основанного на создании р-п перехода, останавливающего процесс травления, заключается в том, что теперь он не зависит от выпрямительных характеристик или качества диода. Этим методом можно изготавливать микроструктуры из кремния р-типа как слабо, так и умеренно легированного. Следовательно, метод импульсной анодизации открывает возможность построения временных микроструктур в кремнии р-типа.

Основные проблемы электрохимических традиционного и альтернативного методов травления заключаются в необходимости изготовления специальных держателей пластин для обеспечения контакта с эпитаксиальным слоем и крепления двух, трех или четырех электродов на подложке, а также для защиты эпитаксиальной стороны подложки от травильного реагента. Любые утечки в этих держателях приводят к нарушению корректного выполнения электрохимического травления. Более того, известно, что механические напряжения, вносимые этими приспособлениями, могут привести к существенному снижению производительности процесса. Поэтому достаточно актуальной является задача разработки надежных держателей подложек для использования в процессах анизотропного травления электрохимическими методами. Обеспечение контакта с самой подложкой - также непростая задача. Поэтому изготовление свободных микроструктур за один технологический цикл хоть традиционным, хоть альтернативным методами электрохимического травления может быть связано с большими проблемами. Недавно был разработан способ электрохимического травления, не требую-

2.5. Применение объемных технологий обработки кремния

щии внешних электродов или соединений с подложкой, названный фотогальваническим методом (РНЕТ) (Peeters et al, 1994).

2.5.1.5. Фотогальванический метод электрохимического травления

Этот метод подходит для изготовления большинства микроструктур, которые могут производиться и травлением с созданием барьерного высоколегированного бором слоя, и электрохимическим способом (Peeters et al, 1994). Для фотогальванического метода не требуется создание зоны с высокой концентрацией бора, нет необходимости введения дополнительных электродов или изготовления специальных держателей подложек, как в традиционном и альтер- нативном электрохимических методах. Фотогальваническим способом за один технологический цикл можно формировать свободные структуры из кремния р-типа с любой геометрией боковых срезов. Принципиально этот метод похож на традиционный электрохимический способ травления. Здесь также используются два электрода для выращивания пассивирующего оксидного слоя, но разность потенциалов и ток, требуемые для этого процесса, не подводятся извне, а генерируются внутри самой кремниевой подложки. Создаваемая разность потенциалов, по существу, имеет две составляющие: разность потенциалов, возникающая при освещении р-п перехода, и напряжение Нернста, генерируемое в электрохимической ячейке, состоящей из кремния п-типа/металла/раствора травителя.

2.5.2. Сухое травление

Как обсуждалось выше, методы объемной технологии обработки кремния позволяют формировать внутри подложки из монокристаллического кремния разнообразные микроструктуры, используя для этого определенные свойства ориентации кристаллов, варьируя концентрацию примесей и применяя различные растворы химических травильных реагентов, таких как EDP, КОН и гидразин. Однако выбор типа, формы и размеров микроструктур, получаемых методами жидкостного травления, весьма ограничен. Для построения подвесных механических структур и приводов из монокристаллического кремния был разработан метод сухого травления (Zhang, McDonald, 1992). Этот метод получил название SCREAM. Он включает в себя реактивное травление монокристаллического кремния и процесс металлизации. Технология реактивно-ионного травления используется для формирования на кремниевой подложке подвижных

Глава 2. Материалы и методы изготовления микросистем

микроструктур с поперечными размерами более 250 нм и произвольной ориентацией кристаллов. А для формирования управляющих электродов используются: процесс ступенчатой металлизации поверхности, основанный на методах напыления металла, и сухое травление металла.

Технология SCREAM может использоваться для формирования сложных геометрических структур: круглых, треугольных и др. При помощи нее можно реализовывать интегрированные емкостные приводы с высоким характеристическим соотношением, позволяющие возбуждать электростатические силы, приводящие к движению механических микрочастей.

2.5.3. Внутренний процесс окисления

Внутренний процесс окисления позволяет изготавливать микроструктуры, используя для этого слой из диоксида кремния, сформированный внутри подложки. Для этого сначала методом ионной имплантации в кремниевую подложку вводится кислород, после чего проводится ее высокотемпературный отжиг, при котором ионы кислорода вступают в реакцию с кремнием, формируя скрытый слой из диоксида кремния. Оставшийся тонкий слой монокристаллического кремния может использоваться для построения эпитаксиального слоя толщиной от нескольких микрон до десятков микрон.

При построении микроструктур скрытый слой из диоксида кремния используется в качестве барьерного слоя, останавливающего процесс травления. Например, скорость травления таким реагентом как КОН значительно снижается, как только он достигает слоя из диоксида кремния. Выбором соответствующего метода имплантации кислорода можно формировать скрытые слои из диоксида кремния различной конфигурации.

2.5.4. Монтаж кремниевых компонентов методом сплавления

Изготовление некоторых сложных механических микроустройств состоит не только в формировании отдельных компонентов, но и в их сборке. В микропроизводстве для объединения отдельных микроструктур в единую систему применяются специальные методы монтажа. Методы соединения подложек, интегрированные в технологии построения микросистем, позволяют изготавливать 3D структуры, толщина которых намного превышает толщину отдельно взятой подложки. Для соединения подложек было разработано несколько

2.5. Применение объемных технологий обработки кремния

методов. Наиболее распространенным из них является метод сплавления.

Несколько фирм (Apel et al, 1991, Lasky, 1986, Ohashi, 1986) продемонстрировали возможность сплавления подложек из гидрофильного кремния для получения кремниевых материалов на подложке из изолятора (SOI). С тех пор методы соединения подложек нашли широкое применение в различных областях микроэлектроники. На основе материалов SOI были изготовлены микросхемы статических ОЗУ, ряд КМОП и силовых устройств. Для микросистем метод сплавления подложек дает возможность построения сложных структур при помощи объединения двух или более подложек разной формы. В этом разделе будут описаны физические основы метода сплавления и представлены технологии соединения подложек, применяемые при производстве микросистем.

2.5.4-1- Сплавление подложек В простейшем случае процесс соединения подложек методом сплавления заключается в скреплении пары кремниевых пластин друг с другом при комнатной температуре с последующим отжигом при температуре 700... 1100 °С. При комнатной температуре происходит склеивание подложек при помощи образования перекрестных связей между атомами водорода, входящих в состав хемосорбиро-ванных молекул воды. Далее на стадии отжига происходит реакция, в результате которой образуются связи между атомами кислорода и кремния Si-О-Si. Очевидно, что такая технология требует проведения подготовительных операций, например, жидкостной очистки или плазменной гидрофилизации.

При любых формах соединения всегда существуют области, где не обеспечивается контакт кремниевых подложек друг с другом, такие области обычно называются пустотами. Появление пустот в основном объясняется наличием на поверхностях инородных частиц, органических налетов, различных дефектов и недостаточным скреплением подложек. Очевидно, что для проведения качественного соединения двух подложек методом сплавления необходимо, чтобы обе кремниевые пластины были гладкими и чистыми, поскольку самые незначительные дефекты и частицы могут привести к образованию больших пустот. Поэтому оптимальная технология должна включать в себя обязательную проверку поверхностей, их предварительную обработку (гидрофилизацию, очистку) и механическое выравнивание подложек для обеспечения плотного контакта между