Глава 2. Материалы и методы изготовления микросистем

ними, при этом в окружающей среде должны отсутствовать мелкие частицы посторонних веществ.

2.5.4-2. Отжиг

После обеспечения плотного контакта между двумя кремниевыми подложками при комнатной температуре часто требуется проводить операцию высокотемпературного отжига, необходимую для создания прочного соединения. На стадии отжига, который обычно проходит при температуре 800 °С, могут возникнуть проблемы, связанные с расширением профиля легированной зоны, возникновением термических напряжений, дефектами и загрязнениями. Отжиг также нельзя применять при соединении составных полупроводниковых материалов, поскольку они часто обладают низкой температурой разложения. К этому можно добавить, что при соединении двух металлизированных подложек температура процесса должна быть ниже 450°С, поскольку при более высоких температурах большинство металлов, используемых при изготовлении микросистем, могут просто расплавиться. Поэтому для монтажа микроструктур, выполненных из таких материалов, необходимо разрабатывать низкотемпературные методы соединения. В настоящее время активно ищутся пути решения этих проблем, которые заключаются в стремлении понизить температуру процесса, сохранив при этом прочность соединения.

При монтаже микросистем используются три температурных диапазона отжига:

- до 450 °С для металлизированных подложек,

- до 800 °С для подложек с легированными слоями (например для р * барьерных слоев),

, - выше 1000° С для соединения монокремниевых подложек пе-, ред обработкой. Было показано, что при поддержании температуры выше 1000 °С в течение нескольких часов, реакции на границе раздела двух подложек практически полностью заканчиваются, и для получения достаточно сильных связей необходимо проводить отжиг при температуре 1000° С в течение не менее двух часов (Harendt et al, 1991). После такого отжига практически невозможно разделить подложки, не сломав их.

2.5.4-3. Сплавление кремниевых материалов Сплавление поликремния, диоксида кремния или нитрида кремния с монокристаллическим кремнием похоже на процесс соединения двух монокремниевых подложек. Однако в случае соединения поли-

2.5. Применение объемных технологий обработки кремния

кремния с монокремнием необходимо проводить предварительную шлифовку двух поверхностей, чтобы на них не оставалось никаких дефектов. Механизм соединения здесь также заключается в образовании на поверхностях связей между кремнием и гидроксильны-ми группами Si-ОН. Поэтому при сплавлении поликремния и монокремния также требуются фазы предварительной подготовки (ги-дрофилизации) и отжига.

Сплавляемые материалы обладают разными механическими характеристиками, что при температурной обработке может приводить к возникновению напряженных состояний, приводящих к изгибам подложек или другим дефектам. Здесь трудно бывает получить соединение подложек без пустот. При сплавлении подложек, покрытых тонкими пленками из термических оксидов или нитридов кремния, получаются равномерные соединения. Однако при сплавлении поверхностей, покрытых более толстыми оксидными или нитридны-ми пленками, в соединениях появляются пустоты (Gardner, Varadan, Awadelkarim, 2001).

2.5.5. Анодное соединение

Анодное соединение - это метод склеивания двух кремниевых пластин при помощи тонкого слоя стекла. Установка для осуществления анодного соединения, как правило, состоит из нагревательного зажимного устройства с электродом, обеспечивающим подвод высокого напряжения к склеиваемым деталям. В течении процесса склеивания в системе поддерживается определенные температура и уровень напряжения.

Поверхности склеиваемых элементов предварительно чистятся и шлифуются. Затем на поверхность верхней подложки напыляется первоначальный слой стекла толщиной несколько микрон. Эта подложка накладывается на верхнюю часть другой кремниевой пластины, выполняющей роль опоры. Опорная подложка закрепляется в алюминиевом зажимном устройстве, на которое подается положи-тел-бное постоянное напряжение. Отрицательный электрод соединяется с верхней подложкой. Напряжение подается в течении довольно длительного интервала времени, позволяющего току выйти на минимальный уровень. Анодное соединение обычно проводится при температуре ниже 400 °С и рабочем напряжении 50.. .200 В на воздухе при атмосферном давлении. Процесс склеивания обычно заканчивается за 10... 20 минут.

Глава 2. Материалы и методы изготовления микросистем

: 2.6. Применение поверхностных технологий . обработки кремния при изготовлении .>i??.t ;

микросистем г>; г

С начала восьмидесятых годов двадцатого века поверхностные технологии обработки кремния стали активно использоваться при построении механических микросистем. Реализованные по этим технологиям 2-размерные структуры размещаются, в основном, на поверхности кремниевой подложки в виде тонких пленок. Размеры устройств, полученных по поверхностным технологиям, могут быть на порядок меньше аналогичных структур, построенных по объемным технологиям. Основным преимуществом микросистем, изготовленных поверхностными методами, является простота их интеграции с традиционными интегральными схемами, поскольку они могут быть реализованы на тех же самых подложках. Однако миниатюрность поверхностных микросистем имеет свои недостатки, их малые размеры и вес делают их непригодными для применения во многих датчиках и приводах. Эта проблема особенно ощутима в емкостных механических микродатчиках (см. раздел 6.4) и микроприводах, управляемых за счет изменений емкости, что объясняется трудностями получения высоких уровней емкостной связи. Для преодоления вышеуказанной проблемы были разработаны методы, используюшце глубокое травление, такие как LIGA, но они трудно применимы к кремниевым подложкам.

Существует несколько подходов к изготовлению микросистем по поверхностным технологиям:

- создание защитных слоев при построении механических микроструктур,

совместное применение традиционных методов изготовления микросхем и жидкостного анизотропного травления, использование плазменного травления для производства микроструктур на поверхности кремниевой подложки.

2.6.1. Технология защитного слоя

По этой технологии в качестве структурного материала для построения микроэлементов, в основном, применяется поликремний, и только в редких случаях - монокремний. Для создания защитного слоя здесь используется хорошо известный традиционный метод химического осаждения из газовой фазы при низких давлениях (см. главу 4). Пленки, получаемые таким способом, отличаются

2.6. Применение поверхностных технологий обработки кремния

отличными механическими свойствами, сравнимыми со свойствами монокристаллического кремния. Если в качестве структурного материала используется поликремний, защитный слой обычно строится из диоксида кремния. Элементы из защитного материала всегда выполняют вспомогательную роль в производстве микроустройства и никогда не входят в его окончательную структуру.

Технология запщтного слоя состоит из следующих основных этапов:

цс: - осаждения и формирования защитного слоя из диоксида крем-i, ния на подложке,

1., - осаждения и формирования слоя из поликремния, - - удаления защитного оксида травлением в плавиковой кислоте . (HF). Этот шаг необходим для вытравливания оксида из-под поликремниевой структуры.

Считается, что поликремний выступает в качестве структурного материала, а диоксид кремния - защитного. Это сочетание выбрано потому, что оно подходит почти для всех практических приложений. Однако иногда применяются и другие комбинации материалов.

2.6.2. Материалы, применяемые в технологии защитного слоя

В идеальных механических микроструктурах отсутствуют остаточные механические напряжения, т.е. нанесенные пленки не имеют значительной остаточной деформации. Если это не выполняется, могут возникнуть серьезные проблемы. Например, балка на двух опорах может изогнуться при наличии в структурном материале даже незначительной остаточной деформации сжатия. Но при соответствующем выборе условий нанесения слоев и оптимизации фазы отжига можно получить пленки из структурных материалов, практически свободные от остаточных механических напряжений.

Поверхностные технологии требуют подбора соответствующих пар структурных и защитных материалов, а также выбора подходящих-химических реагентов. Структурные материалы должны обладать физическими и химическими свойствами, необходимыми для выполнения конкретных функций. В дополнение к этому структурные материалы должны иметь соответствующие механические качества, такие как высокие пластичность и прочность на разрыв, минимальные ползучесть и усталость, а также хорошую износостойкость. Зацщтные материалы также должны обладать хорошими механическими характеристиками для предотвращения поломки изделия во время изготовления. Им необходимо иметь хорошую адгезию

и низкое остаточное напряжение, чтобы защитить микроструктуры от расслоения и/или разломов. Травильные реагенты должны обладать отличной селективностью, чтобы обеспечивать удаление защитного материала, не затрагивая саму микроструктуру. Они также должны иметь соответствующие вязкость и характеристики поверхностного натяжения.

2.6.2.1. Поликремний/диоксид кремния Об этой паре материалов уже шла речь в первой главе. Это самая распространенная система, в ней в качестве структурного материала применяется поликремний, химически осажденный из газовой фазы при низких давлениях, а в роли защитного материала выступает диоксид кремния, выращенный термическим способом или также осажденный из газовой фазы. Для растворения оксида используется плавиковая кислота (HF), которая не оказывает никакого влияния на поликремний. В качестве электрического изолятора в этой системе часто применяется нитрид кремния. Эта система обладает следующими достоинствами:

- И поликремний, и диоксид кремния используются в традиционных технологиях изготовления интегральных схем, поэтому технологии их нанесения хорошо отработаны;

Поликремний обладает отличными механическими характеристиками и может быть легирован различными примесями для придания ему необходимых электрических свойств. Легирование применяется не только для изменения электрических свойств, но и для влияния на механические характеристики поликремния. Например, у свободно подвешенной балки, изготовленной из легированного фосфором поликремния, максимальная длина волны звуковых колебаний будет значительно выше, чем у балки из чистого поликремния;

- Получение слоев из диоксида кремния методами термического выращивания или осаждения из газовой фазы можно про-

уу водить в широком температурном диапазоне (200... 1200 °С), V; что удовлетворяет требованиям многих технологических про-Ч цессов. Однако качество получаемых оксидных пленок сильно зависит от температуры их осаждения;

- Материалы системы совместимы с технологией производства интегральных схем. И поликремний, и диоксид кремния являются стандартными материалами, используемыми при изготовлении микросхем. Эта общность позволяет использовать технологию защитного слоя при производстве интегрированных устройств.

2.6.2.2. Полиимид/алюминий

В этой системе в качестве структурного материала используется полимер полиимид , в то время как алюминий выполняет роль защитного материала. Для растворения защитного слоя алюминия используются реагенты на основе кислотных производных алюминия. Эта система обладает тремя достоинствами:

- Модуль упругости полиимида в 50 раз меньше, чем у поликремния;

- Полиимид перед разрушением способен выдерживать большие механические напряжения;

- Технологические процессы обработки и полиимида, и алюминия проходят при относительно низких температурах (< 400 °С).

Однако полиимид имеет не очень хорошие вязкоупругие характеристики (например, он склонен к ползучести), поэтому для микросистем, построенных на его основе, характерен значительный параметрический дрейф.

2.6.2.3. Нитрид кремния/поликремний и вольфрам/диоксид кремния

В системе нитрид кремния/поликремний структурным материалом является нитрид кремния, а защитным материалом - поликремний. Здесь для удаления поликремния применяется анизотропное травление кремния растворами КОН и EDP.

В системе вольфрам/диоксид кремния в качестве структурного материала используется осажденный из газовой фазы вольфрам, а роль защитного материала выполняет диоксид кремния. Для удаления защитного оксида здесь, как правило, применяется раствор плавиковой кислоты (HF).

И, наконец, приведем еще одну работающую систему, в которой, как и раньше, нитрид кремния служит для построения структур, а вот алюминий используется вместо поликремния, как защитный материал.

2.6.3. Плазменное травление, как метод поверхностных технологий

В поверхностных технологиях кроме методов сухого и жидкостного травления применяется плазменное травление. Плазменное травление кремниевых подложек при помощи смеси газов на основе ЗРе/Ог и CF4H2 превосходит два остальных метода по своей селективности при удалении слоев из фоторезиста, диоксида кремния и алю-

6 - 10482