связано с тем, что для микросистем практически никогда не применяется глубокое травление. Для монокристаллического кремния возможно использование анизотропного травления. Форма получаемых структур определяется скоростью травления, которая зависит от ориентации кристаллов кремния. Самой низкой скоростью травления обладает кремний с ориентацией (111). Таким образом при выборе кремниевых подложек с разной ориентацией кристаллов получают различные объемные структуры (рис. 1.1 б и 1.1 в). Для анизотропного травления кремния чаще всего используются следующие травильные реагенты: различные щелочные растворы (КОН, NaOH и т.д.), растворы гидрата аммония (NH4OH, ТМАН[(СНз)4КОН] и т.д.) и EDP (этилендиамин пирокатехол с водой). Комбинируя разные способы анизотропного травления, например, травления с имплантацией бора (с созданием Р-- барьерного слоя) и травления с электрохимическим барьерным слоем, можно создавать различные объемные микроструктуры из кремния (рис. 1.1).

Сухое травление происходит за счет химического и физического взаимодействия между ионами газового травильного реагента и атомами кремниевой подложки. Для проведения сухого изотропного травления можно использовать газообразные формы следующих реагентов: дифторксенона и смеси галогенов. При этом удается добиться очень высокой селективности травления для алюминия, диоксида кремния, нитрида кремния, фоторезиста и т. д. Наиболее распространенными методами сухого объемного травления кремния являются плазменное и реактивное ионное травление (ШЕ), проводящиеся в реакционных камерах низкого давления, где для запуска химических реакций требуется подвод внешней энергии. Здесь в качестве травильных реагентов могут применяться газообразные хлорфторуглероды, гексафторид серы, бромсодержащие смеси и кислород. Анизотропное сухое травление широко используется при изготовлении микросистем, поскольку дает возможность формирования сложных геометрических структур, часто при меньшем химическом загрязнении окружающей среды по сравнению с жидкостным травлением. При помощи анизотропного сухого травления возможно изготовление глубоких, произвольно ориентированных кремниевых структур (рис. Lie). Самые глубокие кремниевые микроструктуры получаются при использовании технологии RIE (Bryzek, Peterson, McCulley 1994).

При сборке микросистемных устройств, изготавливаемых по объемной технологии, требуется использование дополнительных методов крепления отдельных элементов к подложке. В то время как по-

верхностная технология позволяет реализовывать монолитные микросистемы.

1.3.2. Поверхностная технология

формирование защитного слоя

У/.

защитный слой (диоксид 1фемния)

осаждение структурного слоя

поликристалличдет!ий I кремний (поликравшй)

литография

формирование структурного слоя

удаление защитного слоя

полученная структура

Рис. 1.2. Последовательность этапов типовой поверхностной микрообработки кремния. Репродукция из книги G. Stix, 1992, Trends in micromechanics: micron machinations*, Scientific American (November 1992): 72-80, с разрешения Scientific American

Поверхностная технология заключается в построении микроструктур на поверхности кремния путем осаждения тонких пленок защитных (жертвенных) и структурных слоев и удаления в конце процесса защитных слоев для получения требуемой механической структуры (рис. 1.2). Геометрические размеры микроструктур, изготовленных по поверхностной технологии, могут быть на несколько порядков меньше, чем у микроструктур, полученных по объемной технологии. Главным преимуществом компонентов, реализованных при помощи методов поверхностной микрообработки кремния, является простота их интеграции с интегральными схемами, поскольку они

Глава 1. Микросистемы

могут быть выполнены на одной подложке. Но следует отметить, что из-за малых размеров элементов, получаемых по поверхностной технологии, их масса будет также мала, что может привести к невозможности их использования в ряде случаев в качестве механических датчиков и приводов.

Для изготовления микросистем по поверхностной технологии требуются следующие материалы:

- материалы для построения микроструктур,

- материалы для построения защитных слоев,

- реагенты для травления.

Материалы для построения микроструктур должны обладать соответствующими назначению физическими и химическими свойствами. К тому же они должны удовлетворять механическим требованиям: выдерживать высокое разрушающее напряжение, быть устойчивыми к пластическим деформациям, обладать низким уровнем ползучести и усталости, быть износостойкими.

Защитные материалы также должны обладать хорошими механическими характеристиками для того, чтобы в процессе изготовления микросистемы не произошла поломка ее внутренних структур. Под механическими характеристиками здесь понимается хорошая адгезия и низкое остаточное напряжение для предотвращения деформации микроустройств при расслоении и/или раскалывании. Травильные реагенты, используемые для удаления защитных материалов, должны обладать отличной избирательностью, чтобы при травлении удалять только защитное покрытие, не оказывая никакого влияния на материал формируемых микроструктур. В дополнении к этому, травильные реагенты должны иметь соответствующую вязкость и поверхностное натяжение. Для построения микросистем по поверхностной технологии используются те же материалы, что и при изготовлении большинства интегральных схем:

(1) Поликремний/диоксид кремния. В этом случае применяется химическое осаждение поликремния из газовой фазы при низ-

, ком давлении для построения микроструктур и паров оксида для формирования защитных слоев. Раствор HF легко растворяет оксид, не оказывая влияния на поликремний. Для электроизоляции совместно с этими материалами часто используется нитрид кремния.

(2) Полиимид/алюминий. Здесь полиимид применяется как структурный материал, а алюминий - как защитный. Для растворения алюминиевого защитного слоя используются кислотные реагенты.

1.3. Технология изготовления микросистем

(3) Нитрид кремния/поликремний. Нитрид кремния играет роль структурного материала, а поликремний - защитного. В этой комбинации материалов при проведении анизотропного травления кремния для растворения поликремния используются КОН и EDP.

(4) Вольфрам/диоксид кремния. Здесь происходит осаждение па-ров вольфрама для построения микроструктур и паров оксида для реализации защитных слоев. Для удаления защитного оксидного слоя применяется раствор HF.

Для построения микросистем иногда используются карбид кремния, алмазоподобный углерод, оксид цинка, золото и другие материалы, применяемые при изготовлении традиционных микросхем.

Для поверхностной микрообработки кремния могут применяться методы сухого травления. Предпочтительнее использовать плазменное травление кремниевой подложки при помощи смеси газов на основе SFe/02 и CF4/H2, поскольку при этом, применяя маскирующие слои из фоторезиста, диоксида кремния и алюминия можно получить высокую селективность травления. Однако при плазменном травлении наблюдается высокое подтравливание маскирующего слоя, происходящее из-за атомов фтора, входящих в состав травильных реагентов. Такой метод изотропного травления иногда сравнивают с вертикальным травлением, при котором удаление части материала выполняется за счет ионной бомбардировки. В этом случае применение реактивного ионного травления поликристаллического кремния с использованием комбинации хлористых и фтористых газов в качестве травильных реагентов и фоторезиста для маскирующего слоя, позволяет создавать почти вертикальные профили микроструктур без подтравливания маски. Таким образом, применяя метод хлористого/фтористого плазменного травления, можно создавать прямоугольные кремниевые структуры глубиной до 30 мкм из поликремниевых пленок на кремниевой подложке.

Кремниевые микростуктуры, полученные по поверхностной технологии, обычно являются планарными (т. е. имеют два геометрических размера). Существуют методы, использующие для построения трехмерных микросистем тонкопленочные структуры, получаемые при помощи удаления нижележащих защитных слоев. Такие методы позволяют значительно расширить рамки традиционной поверхностной технологии. Трехмерные микросистемы можно также построить, соединяя поликремниевые пластины друг с другом и подложкой при помощи специальных методов. Другой подход к постро-

Глава 1. Микросистемы

ению трехмерных микроустройств заключается в осаждении структурных и защитных пленок из поликремния и диоксида кремния до заполнения специальных углублений, предварительно вытравленных в кремниевой подложке.

1.3.3. Соединение слоев внутри микросистемы

При использовании методов микрообработки кремния для изготовления микросистем существуют ограничения при формировании сложных 3D структур в едином монолитном формате. В этом случае трехмерные микросистемы делают многокристалльными, для чего применяются специальные способы соединения подложек (Stix, 1992). Методы соединения можно разделить на три категории: анодное соединение, соединение при помощи вспомогательного слоя и прямое соединение.

1.3.3.1. Анодное соединение

Анодное соединение также называется термической сваркой или электростатическим склеиванием. Анодное соединение обычно используется для склеивания натриевого стекла и кремния в микросистемах. Для осуществления анодного соединения катод прикрепляется к стеклу (или кремнию с тонким стеклянным покрытием),

анод - к кремниевой подложке и на них подается напряжение в диапазоне 200. ..1000В. Одновременно £ этим анод помещается Ц на нагреватель, обеспечива-(наг^еютель) ющий температуру 180...

500 °С (см. рис. 1.3). В процессе такой термической сварки ионы кислорода из стекла перемещаются в кремний, образуя при этом между кремниевой подложкой и стеклом слой кремниевого диоксида, который их прочно и герметично склеивает.

Преимуществом анодного соединения является то, что оно проводится при низкой температуре, поэтому нет опасности разрушения металлических слоев (например, алюминиевых), входящих в состав микросистем.

1.3.3.2. Соединение при помощи вспомогательного слоя Этот вид соединения подложек соединения требует применения вспомогательного слоя, который может быть металлическим, полимер-

катод

Рис. 1.3. Анодное соединение

1.3. Технология изготовления микросистем

ным, стеклянным и т. д. (Stix, 1992). Одним из самых ранних способов соединения двух кремниевых подложек является эвтектическое сплавление, применяемое при изготовлении датчиков давления, в котором в качестве вспомогательного слоя используется золото (Ко, Suminto, Yeh, 1985). Такой способ соединения проводится при температуре 363 °С, ниже критической температуры для алюминиевого слоя. Но обнаружилось, что при этом в подложках возникают значительные напряженные состояния, приводящие к дрейфу характеристик датчиков (Ко, Suminto, Yeh, 1985).

При очень низких температурах в качестве вспомогательного слоя, как правило, используются полимеры, обладающие высокой эластичностью, которая позволяет им выдерживать высокие нагрузки и сохранять при этом низкое напряженное состояние. Важным является отсутствие в полимерах ионов металла. Обычно применяются фоторезистивные полимеры, чувствительные к ультрафиолетовому излучению, такие как полиимид, AZ-4000, SU-8, полиме-тилметакрилат (РММА) и другие полимеры с сетчатой структурой (Madou, 1997). Недостатком таких соединений является их низкая герметичность из-за относительно высокой газовой проницаемости полимеров.

В качестве вспомогательных слоев иногда применяют стекло с низкой температурой плавления. При таком способе соединения слой из расплавленного стекла осаждается на кремниевую подложку. Для получения однородного, прочного, мало напряженного соединения важным является обеспечение равномерности осаждения слоя из расплавленного стекла. При изготовлении датчиков давления используется трафаретная печать по расплавленному стеклу. Датчики, реализованные по данной технологии, обладают хорошими рабочими характеристиками (Ко, Suminto, Yeh, 1985).

В последние годы разрабатываются технологии по использованию в качестве вспомогательного слоя других материалов, обладающих низкой температурой плавления, высокой прочностью и низкой нацрдженностью (Stix, 1992).

1.3.3.3. Прямое соединение Прямое соединение также называется соединением методом сплавления кремния. Этот способ используется для соединения двух кремниевых пластин. Прямое соединение основывается на химической реакции между группами ОН, находящимися на поверхности исходного кремния или на образованном на подложке слое оксида кремния (Madou, 1997). Прямое соединение обычно состоит из трех этапов: