30.4 Технология изготовления интегральных тензопреобразователей (ит)
Технология изготовления интегральных механоэлектрических преобразователей предполагает разработку и использование специфических технологических операций. К ним относятся формирование упругого элемента преобразователя, точное расположение тензочувствительных компонентов на упругом элементе, взаимное соединение отдельных конструктивных элементов преобразователей. Обобщенная технологическая последовательность изготовления ИТ:
Подготовка исходных пластин. Этот этап предполагает, во-первых, изготовление однородных по толщине пластин с соответствующей структурой. Для этого используются стандартные методы выращивания авто- и гетероэпитаксиальных слоев кремния, а также слоев поликристаллического кремния. Во-вторых, в отличие от стандартного планарного процесса здесь используются обе стороны пластины. Поэтому необходимо подготовить вторую сторону пластины для последующего проведения на ней фотолитографического процесса. Для этой цели обычно используют стандартные методы механической обработки пластин – шлифовку и полировку. Сначала предпочтительнее обрабатывать ту сторону пластины, с которой будет производиться локальное микропрофилирование, а затем, лицевую сторону, где будут формироваться компоненты ИМС.
Окисление пластины. По сравнению со стандартной технологией здесь есть особенности. Во-первых, качественный окисел должен быть получен с обеих сторон пластины. Во-вторых, толщина окисла определяется уже не только обычными требованиями, но и специфическими.
Двухстороннее совмещение, или совмещение изображений компонентов или деталей упругих элементов на разных сторонах полупроводниковой пластины можно использовать:1) для формирования упругих элементов сложной формы;2) для точного взаимного расположения компонентов интегральной схемы и упругого элемента. Необходимо отметить, что при изготовлении тензочувствительных компонентов механоэлектрических преобразователей нужно решать также задачу ориентации этих компонентов вдоль определенных кристаллографических направлений на поверхности полупроводниковой пластины. К известным способам двухстороннего совмещения относятся:а) совмещение в инфракрасном свете;б) двухсторонняя фотолитография;в) совмещение по сквозным отверстиям.
Совмещение в инфракрасном свете. В настоящее время это наиболее совершенный, простой и точный способ двухстороннего совмещения. Оно проводится на специальных установках. Сначала на одной стороне пластины обычными способами планарной технологии формируется рисунок компонентов ИС или их деталей, например, создаются тензочувствительные элементы. При этом одновременно решается задача их ориентации вдоль определенных кристаллографических направлений. Затем фоторезист наносят на другую сторону пластины и совмещение с очередным фотошаблоном проводят в инфракрасном свете. Прозрачность кремниевых пластин для ИФК–излучения позволяет наблюдать рисунок топологии компонентов и деталей, сформированных на противоположной стороне пластины, и совместить с ним требуемый фотошаблон, например, создать рисунок окон в окисле для локального травления в целях формирования упругого элемента преобразователя
Двухсторонняя фотолитография. Суть этого метода заключается в том, что фоторезист наносят на обе стороны пластины, которую после этого помещают в специальное приспособление между предварительно совмещенными фотошаблонами (на рис.), и производят экспозицию с двух сторон. Дальнейшая обработка резиста и травление окисла не отличаются от стандартных операций. К преимуществам двухсторонней фотолитографии относится простота: способ может быть освоен в условиях стандартной фотолитографии. К недостаткам можно отнести сравнительно невысокую точность совмещения.
Совмещение по сквозным отверстиям. С одной стороны кремниевой пластины проводится фотолитография, и с помощью локального травления создаются сквозные отверстия по периферии пластины, которые впоследствии служат реперными знаками для совмещения изображения на одной и другой сторонах пластины. Для локального травления предпочтительно использовать анизотропное травление, которое обеспечивает наилучшую воспроизводимость геометрической формы лунки травления, определяемую соответствующими кристаллографическими плоскостями. Поэтому при анизотропном травлении пластины известной толщины края отверстия на одной и другой сторонах пластины оказываются совмещены с высокой точностью
Изготовление интегральной тензосхемы. Это стандартный планарный процесс изготовления ИС. Для изготовления ТП в принципе можно использовать любые модификации планарного процесса, применяемого для изготовления МС как на биполярных, так и на МДП–транзисторах. Этот этап включает в себя несколько операций фотолитографии, одну или несколько операций диффузии или ионной имплантации примесей, создание металлических соединений и контактных площадок.
Микропрофилирование пластин является основным специфическим этапом технологии изготовления ТП. Химическое микропрофилирование, в частности анизотропное травление кремния, уже довольно широко используется в технологии ИС. В технологии интегральных преобразователей микропрофилирование используется для формирования упругих элементов механоэлектрических преобразователей, получения деталей и узлов микроконструкций преобразователей.
При формировании упругих элементов решают несколько задач, главные из которых – обеспечение и контроль воспроизводимости: 1) геометрическая форма упругих элементов преобразователей и их размеры; 2) толщины упругих элементов преобразователей.
Изотропное травление является одним из самых известных и распространенных способов локального микропрофилирования. Как правило, в качестве изотропных используются травители на основе плавиковой и азотной кислот. Характерной особенностью изотропного травления является одинаковое воздействие во всех направлениях. Изготовление таким способом чувствительного элемента имеет смысл только тогда, когда радиус аМ значительно больше глубины травления
Травление поликристаллического кремния. Разработка так называемого эпик–процесса положила начало широкому применению поликристаллического кремния при производстве интегральных микросхем. Использование этого процесса полезно в некоторых случаях при изготовлении ТП. При этом упругий элемент можно формировать с помощью травления поликристаллического кремния. Форма микропрофиля при травлении поликристаллического кремния:
Электроискровой способ микропрофилирования. Быстрота и довольно высокая точность процесса привлекли к нему внимание разработчиков ИП. Диаметр упругого элемента круглой формы определяется диаметром используемых цилиндрических электродов и может быть уменьшен до 0,3 мм. Следует также отметить, что боковые стенки получаемой лунки в этом случае практически вертикальны. Однако даже самые активные последователи этого способа отмечают два его существенных недостатка. Во-первых, в результате электроэрозии в структуре приповерхностного слоя полупроводника появляется большое количество дефектов. Во-вторых, существует некоторый разброс по глубине травления. Поэтому, как правило, используют двухэтапный процесс микропрофилирования. Электроэрозия используется только на первом этапе, а затем с помощью электролитического травления удаляют поврежденный слой полупроводника и доводят толщину упругого элемента до заданного размера. Можно считать, что этот способ практически исчерпал свои возможности в смысле дальнейшего уменьшения геометрических размеров получаемых упругих элементов с требуемой точностью. Микропрофилирование сапфира основано на травлении в потоке водорода и CH4 при температуре 1900 С и давлении 1.3 Па. Локальность травления обеспечивается маскированием поверхности сапфировой пластины с помощью вольфрамовой пленки, выращенной из парогазовой смеси. Указанное травление носит анизотропный характер. Анизотропное травление представляется одним из самых перспективных способов микропрофилирования кремния.
Анизотропное травление кремния (АТ). Известно, что в процессе травления на поверхности кристалла образуются микроскопические ступеньки, которые перемещаются по поверхности в процессе травления. Процесс травления представляет собой поэтапное удаление атомных слоев с поверхности кристалла. Особенностью АТ является то, что в разных кристаллографических направлениях скорость удаления атомных слоев с поверхности травления, т.е. скорость травления имеет различные значения. Это объясняется различной плотностью упаковки атомов в разных плоскостях, а также различным характером связи поверхностных атомов между собой и с атомами, расположенными в объеме кристаллической структуры полупроводника. Известны различные анизотропные травители и водные растворы щелочей. Последние для некоторых применений, например, для формирования упругих элементов ТП имеют ряд преимуществ. В частности, качество поверхности травления гораздо лучше, чем в травителях на основе гидразина при соизмеримой скорости травления. Кроме того, они менее токсичны. Проведенные исследования анизотропных травителей кремния на основе водных растворов едкого калия показали, что скорость травления кремния в различных кристаллографических направлениях существенно зависит от концентрации компонентов и температуры травителя.В результате локального анизотропного травления пластины кремния образуется объемная фигура травления, обладающая конкретной конфигурацией плана и микропрофиля, которые определяются:1) ориентацией исходной поверхности пластины кремния;2) видом маски для локального травления (для формирования лунок или меза–структур);3) формой маски для локального травления;4) ориентацией маски для локального травления на поверхности пластины кремния;5) типом анизотропного травителя;6) концентрацией компонентов травителя;7) температурой травителя;8) временем травления.
Разделение пластин на кристаллы. Этот этап также имеет некоторую специфику по сравнению с аналогичным этапом производства традиционных ИМС. Обычно применяемые скрайбирование и разламывание пластины на кристаллы хотя и можно иногда использовать при производстве интегральных преобразователей, тем не менее для большинства случаев их нельзя считать приемлемыми по крайней мере по двум причинам: во-первых, во многих конструкциях принципиально важны внешняя форма и точные размеры кристалла; во-вторых, механическая прочность пластины после изготовления упругих элементов, например, мембран, оказывается недостаточной: разламывание пластины традиционным способом не нужным направлениям. Упрощает решение то, что локальное микропрофилирование пластин для изготовления упругих элементов может с успехом служить для разделения пластин на отдельные кристаллы. Для этого можно использовать:
1) сквозное травление и автоматическое разделение пластин на кристаллы;
2) травление кристаллов по периферии до толщины упругого элемента и последующее механическое разделение пластины на кристаллы.
3) частичное подтравливание по периферии кристаллов с последующим механическим разделением пластины на кристаллы. Этот способ можно реализовать при использовании, в основном, анизотропного травления. Как видно из приведенного описания обобщенной технологической последовательности изготовления ТП.