2.11. Технология изготовления интегральных тензопреобразователей

Технология изготовления интегральных механоэлектрических преобразователей хотя и базируется на общей технологии ИМ (фото- или электронной литографии, диффузии или ионной имплантации, металлизации и др.), однако 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 и др. Основные требования, такие как групповой способ проведения операций, возможность автоматизации, точность, контроль и, конечно, стоимость, необходимо предъявлять к этим специфическим операциям [35]. Рассмотрим обобщенную технологическую последовательность изготовления интегральных тензопреобразователей.

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 (обычно специально не обрабатываемую после резки слитка на пластины) сторону пластины для последующего проведения на ней фотолитографического процесса.

Для этой цели обычно используют стандартные методы механической обработки пластин – шлифовку и полировку. Существует оборудование для двухсторонней шлифовки и полировки кремниевых пластин. Если же применяют стандартное оборудование для односторонней обработки пластин, сначала предпочтительнее обрабатывать ту сторону пластины, с которой будет производиться локальное микропрофилирование, а затем, и более тщательно, лицевую сторону, где будут формироваться компоненты ИМС.

Известно, что используемые в полупроводниковой промышленности пластины имеют толщину от 200 до 400 мкм, причем разброс по толщине от пластины к пластине может быть значительным. Иногда при производстве механоэлектрических преобразователей (например, в случае формирования упругого элемента методом анизотропного травления) необходимо использовать пластины строго заданной толщины. В этом случае удаление ненужного материала, кроме механического способа, можно осуществить химическим травлением. Однако поверхность, получаемая при этом, должна быть полированной, чтобы, во-первых, проводить на ней фотолитографию, во-вторых, не ухудшать качество поверхности после травления, с помощью которого далее выполняется сам упругий элемент.

Микронеровности на поверхности упругого элемента определяют неравномерность его толщины, играют роль концентраторов механических напряжений, влияя на характер их распределения. Это приводит к неконтролируемому и невоспроизводимому разбросу параметров преобразователей, тем большему, чем соизмеримее толщина упругого элемента с размером микронеровностей.

Если поверхность кремниевой пластины, полученную непосредственно после резки слитка, с микронеровностями порядка нескольких десятков микрометров подвергнуть полирующему травлению, то после удаления слоя кремния около 50–70 мкм удается получить полированную слегка волнистую поверхность с микронеровностями порядка нескольких микрометров.

Окисление пластины. Этот этап является хорошо исследованным. Однако 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 (например, защитными свойствами при диффузии примесей, паразитными емкостями проводников на подложку и т.п.), но и специфическими. Например, существует необходимость защиты поверхности кремния при глубоком микропрофилировании пластины методом анизотропного химического травления. В тех случаях, когда для защиты поверхности пластины при микропрофилировании, а также для других целей используются другие защитные покрытия, например, нитрид кремния Si₃N₄, тогда к слою двуокиси кремния предъявляются обычные требования.

Двухстороннее совмещение представляет собой первый крупный этап изготовления ТП, не типичный для стандартного планарного процесса. Смысл его очевиден, ибо, как правило, тензочувствительные элементы изготовляют на одной стороне пластины, а микропрофилирование происходит на другой.

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. Эту задачу можно решить как непосредственно в процессе двухстороннего совмещения, так и предварительно в виде отдельной операции.

В некоторых случаях возникает задача формирования упругих элементов сложной формы. На рис. 2.21 схематично изображено поперечное сечение интегрального балочного акселерометра.

Балка отделена с трех сторон от кольцевого основания сквозным щелевым отверстием, для изготовления которого проще всего использовать локальное травление кремниевой пластины с двух сторон. При малой ширине щелевого отверстия, например, порядка нескольких микрометров, точность двухстороннего совмещения масок локального травления, естественно, должна быть достаточно высокой.

Этот же пример иллюстрирует второе назначение двухсторонней фотолитографии. Балка акселерометра (рис. 2.21) имеет сложный профиль, состоящий из массивной части – концентратора механических напряжений, на котором с противоположной стороны расположен тензочувствительный компонент, например, тензорезистор.

Рис.2.21. Интегральный балочный акселерометр:

1 – контактные площадки; 2– тензокомпонент; 3 – балка; 4 – щель;

5 – инерционная масса; 6 – упругий элемент

Другой пример создания упругого элемента сложной формы представлен на рис. 2.22, где схематично изображен интегральный емкостный преобразователь давления.

Рис.2.22. Интегральный кремниевый емкостный преобразователь давления:

1 – основание; 2 – зазор; 3 – мембрана; 4 – металлическая обкладка;

5 – стекло

Одной обкладкой конденсатора служит кремниевая мембрана, полученная локальным травлением исходной пластины с двух сторон. Травление с другой стороны необходимо для обеспечения точного и одинакового зазора между обкладками конденсатора и для изготовления паза для вывода второй обкладки конденсатора, которую можно выполнить металлизацией на изолированной подложке, например, стекле. Кремниевая мембрана с помощью массивного основания соединяется с изолированной подложкой, например, методом анодной герметизации, и тем самым обеспечивается определенный зазор между обкладками, а, следовательно, определенное значение емкости.

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. К преимуществам этого метода относятся простота как самого совмещения, так и ориентации компонентов, универсальность, точность, а к недостаткам – необходимость использования специализированного оборудования.

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, и производят экспозицию фоторезиста с двух сторон. Дальнейшая обработка резиста и травление окисла не отличаются от стандартных операций [82].

При использовании обычного способа нанесения резиста неoбходимо использовать центрифугу с вакуумным присосом пластины и резист наносить сначала на одну сторону пластины, а затем, после подсушки, на другую. Как правило, стандартных режимов нанесения и подсушки резиста оказывается достаточно, чтобы при нанесении на другую сторону ранее нанесенный слой резиста не портился уплотнительным кольцом головки центрифуги.

Рис.2.23. Приспособление для проведения двухсторонней фотолитографии

Конструкции и приспособления с предварительно совмещенными фотошаблонами для проведения двухсторонней экспозиции фоторезистом можно условно разделить на две группы: неразъемные и разъемные. В неразъемных приспособлениях (рис. 2.23) фотошаблоны жестко закреплены один относительно другого на некотором расстоянии, которое равно толщине пластины, помещенной между ними. Разъемные приспособления состоят из двух частей, каждая из которых жестко связана со своим фотошаблоном. Кроме того, предусмотрена система штырей, упоров, пружин, винтов, с помощью которых обе части приспособления соединяются таким образом, что фотошаблоны оказываются совмещенными. При проведении двухсторонней фотолитографии пластину сначала располагают на одном из фотошаблонов и проводят ее ориентацию относительно шаблона по нужному кристаллографическому направлению. Затем сверху накладывают вторую часть приспособления, где укреплен другой фотошаблон, и производят сборку. Погрешность совмещения с помощью простых приспособлений обычно составляет несколько микрометров.

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. Суть этого метода заключается в следующем. 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. При толщине пластины порядка 300 мкм погрешность воспроизведения геометрических размеров отверстия, полученного анизотропным травлением, может достигать (2...3) мкм. Однако анизотропное травление отверстий по периферии пластины может привести к образованию дополнительных дефектов в центральной части, где впоследствии будут формироваться приборы. К преимуществам метода относятся его простота и точность, а к недостаткам – усложнение технологии.

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. С помощью планарного процесса можно изготовить почти все известные тензочувствительные компоненты: тензорезисторы, диоды и биполярные транзисторы, тензодиоды Шоттки, МДП–транзисторы и даже целые тензочувствительные схемы.

Микропрофилирование пластин является основным специфическим этапом технологии изготовления ТП. Необходимо отметить, однако, что 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. Оно широко распространено в технологии интегральных микросхем, поэтому именно оно было использовано одним из первых для изготовления упругого элемента интегрального механоэлектрического тензопреобразователя. Как правило, в качестве изотропных используются травители на основе плавиковой и азотной кислот. Характерной особенностью изотропного травления является одинаковое воздействие во всех направлениях. Форма получаемого при этом микропрофиля показана на рис. 2.24. Если упругий элемент представляет собой круглую мембрану, то диаметр лунки травления D = 2(а_М+R·t), где а_М – радиус отверстия в маске для локального травления; R – скорость травления полупроводника; t – время травления. Очевидно, что изготовление таким способом чувствительного элемента имеет смысл только тогда, когда радиус а_М значительно больше глубины травления [35].

Рис.2.24. Форма микропрофиля при изотропном травлении

Скорость травления полупроводника зависит от большого числа факторов, например: тип травителя, его температура, скорость отвода продуктов реакции и подвода реагентов к поверхности полупроводника (т.е. скорость перемешивания травителя), наличие или отсутствие дефектов как в самом полупроводнике, так и в защитной маске, обеспечивающей локальность травления, испарение травителя, приводящее к изменению его концентрации, и т.д. Большинство этих факторов плохо поддается контролю. Это приводит к тому, что невоспроизводимость скорости травления R вносит основной вклад в неточность геометрии упругого элемента.

Специфическая форма микропрофиля, а также сложность обеспечения локальной защиты от длительного воздействия травителя не позволяют рассматривать изотропное травление как перспективный способ микропрофилирования для изготовления преобразователей.

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.

Практически все травители, воздействующие на монокристаллический кремний, травят и поликристалл. Однако более перспективными представляются те травители, в которых пленка двуокиси кремния оказывается надежной защитой при локальном травлении пластины на большую глубину, например, почти на всю толщину пластины [83]. К ним относятся, в частности, водные растворы гидрата окиси калия и гидразингидрата. По сравнению с изотропным травлением монокристаллического кремния травление поликристаллического кремния приводит к несколько худшей воспроизводимости формы упругих элементов преобразователей из-за существенно большой неоднородности поликристалла. Однако в отличие от изотропного травления рассматриваемый процесс характеризуется определенной направленностью. Во всех случаях боковое подтравливание под край маски происходит медленнее, чем травление в глубину. Форма получаемого при этом микропрофиля показана на рис. 2.25.

При получении интегральных механоэлектрических преобразователей на основе эпик–процесса в качестве травителей предпочтительнее использовать водные растворы гидразина. В них не только лучше воспроизводятся геометрические размеры упругого элемента преобразователя, но и скорость травления в них двуокиси кремния значительно меньше, чем в растворах едкого калия. Это позволяет использовать более тонкие слои окиси кремния в качестве маскирующего покрытия в процессе травления как на поверхности поликристаллического, так и на обеих поверхностях монокристаллического слоя кремния. Это, в свою очередь, приводит к меньшим начальным деформациям упругого элемента и меньшим температурным погрешностям преобразователей.

Рис. 2.25. Форма микропрофиля при травлении поликристаллического кремния

Электроискровой способ микропрофилирования. Электроискровую обработку различных материалов издавна использовали в машиностроении и приборостроении. 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. Их число так велико, что может даже образовываться слой поликристаллического кремния, а также глубокие дислокации. Кроме того, возникают механические напряжения. 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, например, до толщины эпитаксиальной пленки. К недостаткам можно отнести также сложность обеспечения группового способа обработки. Кроме того, можно считать, что этот способ практически исчерпал свои возможности в смысле дальнейшего уменьшения геометрических размеров получаемых упругих элементов с требуемой точностью. Однако в некоторых случаях эта технология может с успехом конкурировать с другими, например, при необходимости получить определенную, скажем, круглую внешнюю форму кристалла чувствительного элемента с вертикальными стенками, что, в свою очередь, может быть продиктовано требованиями конструкции всего первичного измерительного преобразователя.

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. Отношение скорости травления в глубину к скорости бокового подтравливания равно четырем. При травлении сапфира на глубину 100 мкм боковой растрав не превышает 25 мкм.

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 происходит по 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. Этот способ можно реализовать при любом методе микропрофилирования (электроэрозия, изотропное и анизотропное травление);

3) частичное подтравливание по периферии кристаллов с последующим механическим разделением пластины на кристаллы. Этот способ можно реализовать при использовании, в основном, анизотропного травления.

Рис.2.26. Этапы изготовления тензопреобразователя:

а – исходная окисленная кремниевая пластина (100), n-тип проводимости; б – двухсторонняя фотолитография; в – p-диффузия для создания тензорезисторов; г – вскрытие окон под контакты; д – металлизация; е – фотолитография для изготовления межсоединений и контактных площадок; ж – вскрытие окон с обратной стороны для локального травления; з – формирование упругого элемента с помощью анизотропного травления: 1 – основание; 2 – мембрана; 3 – тензорезистор; 4 – канавка для разделения пластины на кристаллы

Как видно из приведенного описания обобщенной технологической последовательности изготовления ТП, каждый этап может быть реализован различными технологическими приемами. Разнообразие конкретных технологических последовательностей определяется, в частности, множеством возможных сочетаний этих приемов. Кроме того, сама последовательность обобщенных этапов может изменяться. Так, например, этап микропрофилирования может следовать непосредственно после окисления пластин или после двухстороннего совмещения, а затем могут быть изготовлены тензочувствительные компоненты. Это также расширяет разнообразие конкретных технологий. Разумеется, некоторые из рассмотренных этапов, например, групповое соединение деталей в микроконструкцию, могут в некоторых случаях отсутствовать. В заключение приведем пример конкретной последовательности технологических операций изготовления интегральных тензопреобразователей давления. Эта последовательность схематично изображена на рис. 2.26 и предназначена для изготовления преобразователей со структурой, соответствующей рис. 2.11 а [35]. В пластинах ориентированых в плоскости [001], используется микропрофилирование на основе анизотропного травления кремния. В результате выполнения указанной последовательности операций и разделения пластины получаются кристаллы профилированных чувствительных модулей, один из которых изображен на рис. 2.27.

Рис.2.27. Профилированный чувствительный элемент интегрального

преобразователя давления:

1– радиальный тензорезистор; 2 – тангенциальный тензорезистор; 3 – основание; 4 – мембрана; 5 – контактные площадки