Спосіб формування багаторівневих порожнин в кремнієвих пластинах

1. Спосіб формування багаторівневих порожнин в кремнієвих пластинах, що включає маскування за заданою топологією поверхні пластини, витравлювання в немаскованих місцях на задану глибину вертикальних щілин, покриття поверхні щілин нітридом кремнію і його селективне витравлення на дні щілини, поглиблення щілин витравлюванням кремнію та формування горизонтальних порожнин-тунелів і звисаючих в них зі стінок щілин ділянок із нітриду кремнію, травлення нітриду кремнію на поверхні стінок щілин і наступне термічне окислення поверхонь порожнин і щілин до змикання окисних плівок між протилежними стінками щілин і їх перекриття, який відрізняється тим, що вертикальні щілини і горизонтальні порожнинитунелі формують в кремнієвій пластині послідовно U 2 (19) 1 3 утворюваних порожнин підбирають таким чином, що в процесі локального окислення порожнинтунелів, термічні окисли на поверхнях порожнин проокислювали сусідні міжпорожнинні перегородки і змикалися. Після заповнення порожнин піролітичними окислом утворюються локальні тривимірні КНІ-структури, і як проміжний варіант цією технології, можливим є також формування за заданою технологією негерметизованих порожнин під поверхнею кремнієвої пластини, які в поєднанні з КНІструктурами можуть використовуватися як конструктивні елементи інтегрованих мікросистем- і мікролабораторій-на-кристалі (МСК і МЛК). Проте недоліком даного способу є відсутність можливостей безпосереднього формування герметизованих порожнин в кремнієвій пластині, що обмежує можливості його застосування для створення нових приладних елементів мікросистем. Найбільш близьким технічним рішенням, прийнятим авторами за найближчим аналогом, є спосіб формування герметизованих порожнин в кремнієвих пластинах [2], який включає маскування поверхні пластини за заданою топологією плівкою із нітриду кремнію, плазмохімічні витравлювання в немаскованих місцях на задану глибину вертикальних щілин, покриття їх стінок нітридом кремнію і його селективне витравлення на дні щілини, поглиблення щілин витравлюванням кремнію та формування порожнин і звисаючих в них ділянок із нітриду кремнію на стінках щілин та окислення порожнин, а для герметизації порожнин та мікроканальців в кремнієвих пластинах або пластинах зі структурами кремній-на-ізоляторі, поверхню порожнин локально окислюють до змикання звисаючих ділянок плівок із нітриду кремнію для перекриття щілин, після чого на зімкнені ділянки із нітриду кремнію осаджують, наприклад, піролітичний окисел, полікремній, метали або інші матеріали до повного або часткового заповнення щілин. У цьому способі, змикання нависаючих ділянок із нітриду кремнію, яке відбувається унаслідок їх підйому в процесі локального окислення порожнин при відповідно підібраних топологічних розмірах щілин і довжин нависаючих ділянок плівки із нітриду кремнію, утворює п'єдестал, на який можна осаджувати необхідні матеріали. Іншим методом герметизації порожнин у цьому способі є одночасне термічне окислення незахищених поверхонь стінок щілин і порожнин в кремнієвій пластині, при цьому відстань між протилежними стінками щілин вибирають такою, щоб в процесі окислення їх поверхонь, окисні плівки на протилежних стінках щілин зімкнулися до повного перекриття щілин. Герметизовані мікропорожнини і мікроканали можуть бути використані, для побудови елементів сенсорних мікросистем або мікролабораторій, конструктивно і технологічно інтегрованих зі схемами обробки інформації на одному кристалі. Основним недоліком цього способу є обмежені можливості конструювання приладних елементів мікросистем-на-кристалі. В основу корисної моделі пропонованого способу поставлене завдання розширення можливостей для конструювання на основі багаторівневих 62085 4 мікропорожнин та нестандартних тривимірних КНІструктур різноманітних приладних архітектур такі як сенсорні та актюаторні елементи, елементи мікросистем- і мікролабораторій-на-кристалі зі схемами обробки інформації та їх конструктивна й технологічна інтеграція на кристалі. Поставлене завдання вирішується тим, що в способі формування багаторівневих порожнин в кремнієвих пластинах, який включає маскування за заданою топологією поверхні пластини, витравлювання в немаскованих місцях на задану глибину вертикальних щілин, покриття поверхні щілин нітридом кремнію і його селективне витравлення на дні щілини, поглиблення щілин витравлюванням кремнію та формування горизонтальних порожнин-тунелів і звисаючих в них зі стінок щілин ділянок із нітриду кремнію, травлення нітриду кремнію на поверхні стінок щілин і наступне термічне окислення поверхонь порожнин і щілин до змикання окисних плівок між протилежними стінками щілин і їх перекриття, який відрізняється тим, що згідно із корисною моделлю, вертикальні щілини і горизонтальні порожнини-тунелі формують в кремнієвій пластині послідовно одна над одною на двох і більше рівнях методами плазмохімічного травлення з приладної сторони пластини, утворюючи під її поверхнею спочатку перший, верхній рівень вертикальних щілин та горизонтальних порожнинтунелів, захищають вертикальні стінки щілин плівкою із нітриду кремнію, плазмохімічним травленням формують другий, нижній рівень вертикальних щілин та порожнин-тунелів, видаляють плівку нітриду кремнію з вертикальних стінок щілин, після чого одночасно локально окислюють поверхні порожнин та вертикальних щілин до змикання окислів між поверхнями протилежних стінок щілин всіх рівнів і їх перекриття. Таким чином, в процесі одночасного локального термічного окислення поверхонь щілин і порожнин при відповідно підібраних топологічних розмірах щілин до змикання окислів між протилежними поверхнями стінок вертикальних щілин приводить до їх перекриття, і як наслідок, до герметизації мікропорожнин. Зменшуючи час окислення або збільшуючи геометричні розміри щілин, що не буде приводити зо змикання окислів між протилежних стінках щілин, можна отримувати також і багаторівневі негерметизовані мікропорожнини. Поставлене завдання може бути вирішене також і тим, що згідно із корисною моделлю за даним способом, маскою при плазмохімічному травленні нижнього рівня щілин є щілини верхнього рівня покриті плівкою нітриду кремнію заданої товщини, що забезпечує менші геометричні розміри щілин нижнього рівня порівняно із верхнім на величину подвійної товщини плівки нітриду кремнію, і відповідно, послідовну герметизацію порожнин від нижнього до верхнього рівнів при термічному окисленні поверхонь щілин і порожнин. Тому при менших геометричних розмірах щілин нижнього рівня у порівнянні з наступним верхнім рівнем, перекриття щілин і герметизація мікропорожнин в процесі їх локального термічного окислення, для нижнього рівня наступить швидше, порівняно із верхнім. Більші розміри щілин верх 5 нього рівня забезпечують проходження кисню до нижніх щілин при одночасному окисленні поверхонь і гарантують послідовне перекриття спершу нижніх, а після цього верхніх щілин, і відповідно, таку ж послідовність герметизації мікропорожнин. При певному співвідношенні геометричних розмірів верхніх і нижніх щілин можливим є отримання герметизованих мікропорожнин на нижньому рівні, і негерметизованих - на верхньому. Отже суть пропонованого способу полягає у проведенні послідовності технологічних операцій, в результаті яких в кремнієвій пластині формують щілини на задану глибину, покривають їх нітридною плівкою, здійснюють поглиблення щілин і формують під поверхнею пластини перший рівень мікропорожнин під поверхнею пластини з утворенням нависаючих в них ділянок із плівки нітриду кремнію, після чого формують аналогічно другий нижній рівень щілин і мікро порожнин, після цього знімають захисну для окислення нітридну плівку на вертикальних стінках щілин обох рівнів, проте залишаючи такий захист на поверхні пластини, і що дає змогу проводити локальне термічне окислення тільки поверхонь мікропорожнини і щілин. Змінюючи співвідношення топологічних розмірів щілин на різних рівнях, яке можна задати на стадії проектування топології або використовуючи маскуючи покриття, при цьому під поверхнею пластини утворюються герметизовані або негерметизовані мікропорожнини та мікроканали. Приклад конкретного виконання Суть пропонованого способу детально пояснюється поданою послідовністю базових операцій технологічного процесу формування дворівневих мікропорожнин та мікроканалів в кремнієвих пластинах, а саме, на фіг. 1-12 зображено результати приладно-технологічного комп'ютерного моделювання технології формування окисногерметизованих мікропорожнин без маскування вертикальних щілин нітридною плівкою згідно із корисною моделлю у вигляді поперечних перетинів структур. При цьому топологічні розміри розраховують таким чином, щоб в процесі локального окислення поверхонь порожнин і щілин, окисні плівки на поверхнях щілин зімкнулися, і під ними утворилися незаповнені окислом, а з термічноокисленою поверхнею порожнини. На кожній із фігур 1-12 подані горизонтальні і вертикальні шкали у мікрометрах, які дозволяють оцінити реальні топологічні розміри елементів і товщини елементів на поперечних перетинах. Всі перетини структур, зображені на фіг. 1-12, були отримані в результаті комп'ютерного приладнотехнологічного моделювання. Технологічна послідовність формування дворівневих герметизованих мікропорожнин і мікроканальців в кремнієвих пластинах, орієнованих на комбінацію із локальними тривимірними КНІ-структурами, відповідно до фіг. 1-12 є наступною: на фіг. 1 зображено кремнієву пластину 1 після осадження шару нітриду кремнію 2 товщиною 0,15 мкм після проведеної фотолітографії для формування маски із Si3N4 при витравлюванні першого рівня щілин; 62085 6 на фіг. 2 зображено поперечний перетин структури після наступної технологічної операції - анізотропного плазмохімічного травлення кремнієвої пластини 1 у немаскованих Si3N4 2 місцях на глибину 1,5 мкм і формування вертикальних щілин 3; на фіг. 3 зображено поперечний перетин структури після повторного осадження шару 4 Si3N4 товщиною 0,05 мкм на поверхні пластин і щілин. Сумарна товщина плівки нітриду кремнію 2 на поверхні пластини становить 0,20 мкм, а на вертикальних стінках щілини - 0,05 мкм; на фіг. 4 зображено поперечний перетин структури після локального плазмохімічного травлення плівки Si3N4 нa дні щілини 5; фіг. 5 - зображена структура пластини після ізотропного травлення кремнію на величину 0,6 мкм з утворенням верхнього рівня порожнин 6 та нависаючих в них ділянок із Si3N4; на фіг. 6 зображено поперечний перетин структури після наступної технологічної операції - анізотропного плазмохімічного травлення кремнієвої пластини 1 у немаскованих верхньою щілиною в комбінації із Si3N4 плівкою 4 місцях на глибину 1,5 мкм і формування нижнього рівня вертикальних щілин 7; на фіг. 7 зображено поперечний перетин структури після повторного осадження шару Si3N4 товщиною 0,05 мкм на поверхні пластин і щілин. Сумарна товщина плівки Si3N4 2 на поверхні пластини становить 0,25 мкм і на вертикальних стінках щілини - 0,05 мкм; на фіг. 8 зображено поперечний перетин структури після локального плазмохімічного травлення плівки Si3N4 на дні нижньої щілини 9; на фіг. 9 зображено структуру пластини після поглиблення нижніх щілин анізотропним травленням та наступного ізотропного травлення кремнію на величину 0,6 мкм з утворенням нижнього рівня порожнин 10 та нависаючих в них ділянок із Si3N4; на фіг. 10 - зображено поперечний перетин структури після травлення плівки 8 із Si3N4 товщиною від 0,05 мкм з поверхонь щілин, порожнин і поверхні пластин; на фіг. 11 - зображено поперечний перетин структури після локального термічного окислення поверхонь порожнин і щілин на двох рівнях. Окисні плівки на протилежних поверхнях щілин змикаються, утворюючи герметизовані, покриті окислом поверхні порожнин 6 і 10 в кремнієвій пластині 1. Маскою для локального окислення служить плівка із Si3N4 на поверхні пластини із залишеною товщиною приблизно 0,15 мкм. на фіг. 12 - зображено поперечний перетин структури після травлення плівки плівка із Si3N4 на поверхні пластини товщиною 0,15 мкм і часткового травлення локального окислу над верхньою щілиною для отримання локальної тривимірної структури «кремній-на-ізоляторі» 12, а також утвореної в процесі термічного окислення структури «кремній-в-ізоляторі» 13. Отже, як видно із результатів приладнотехнологічного комп'ютерного моделювання, запропонованим методом можна формувати в кремнієвих пластинах на заданій глибині герметизовані 7 мікропорожнини та мікроканали на двох і більше рівнях. При формуванні таких структур важливим є вибір і розрахунок тополічних розмірів щілин. Вказані розміри вибираються із розрахунку змикання термічно-окисних плівок на протилежних стінках щілин. В основі цих розрахунків вирощування термічних окисних плівок на поверхнях щілин, що приводять зо змикання окислів і герметизації мікропорожнин. Для прикладу, реальні конструктивно-топологічні розміри структури в мікрометрах, подані на вертикальних і горизонтальних шкалах для отримання герметизованих дворівневих мікропорожнин були підібрані шляхом комп'ютерного, приладно-технологічного моделювання. Запропонованим методом і варіацією топологічних розмірів щілин в комбінацією з товщиною термічного окислу (часом термічного окислення) на поверхнях щілин і порожнин аналогічним чином можуть бути теж отримані й негерметизовані мікропорожнини, або герметизовані на одному рівні і негерметизовані на другому. Тому отримані запропонованим способом дворівневі мікропорожнини і мікроканали під поверхнею пластини, і як похідні цього способу - локальні тривимірні структури «кремній-на-ізоляторі» та «кремній-в-ізоляторі» дадуть змогу розширити можливості конструювання на цій основі елементів мікросистем-на-кристалі, мікролабораторій-накристалі, в яких герметизовані канальці під поверхнею пластини можуть виконувати функції мікро- і нанотрубок, розтащування яких зрозуміло, буде задаватися необхідною топологією пристрою. Окрім цього, такі мікропорожнини можуть бути використані, наприклад, для побудови сенсорних елементів абсолютного тиску, конструктивно і технологічно інтегрованих зі схемами обробки інформації на одному кристалі, елементів системи охолодження на кристалі, елементів вбудованих в кристал мікроджерел живлення і накопичення енергії та ін. Перспективним видається використанням запропонованих дворівневих мікроканалів та структур «кремній-в-ізоляторі» як елементів оптоелектроніки та ін. Оскільки, як аналог і найближчий аналог для створення багаторівневих мікропорожнин і мікроканалів було використано технологію формування локальних тривимірних «кремній-наізоляторі»-структур, базові технологічні операції для яких є спорідненими з технологією формування дворівневих мікропорожнин, дані технології можуть бути легко інтегрованими одна в одну, що буде перспективним напрямком для побудови інтегрованих мікросистем і мікролабораторій-накристалі на основі локальних тривимірних КНІструктур та створення мікро- і наноелектронних конструкцій як зі стандарними, планарними архітектурами, так і з тривимірними, об'ємними конфігураціями елементів, інтеграції стандартних об'ємних технологій і технологій на основі КНІ-структур на одному кристалі. Перелік фігур креслення та прийняті позначення 62085 8 Фіг. 1 - перетин кремнієвої пластини після осадження шару Si3N4 для формування маски при витравлюванні першого рівня щілин; Фіг. 2 - перетин структури після формування вертикальних щілин анізотропним плазмохімічним травленням кремнієвої пластини; Фіг. 3 - перетин структури після повторного осадження шару Si3N4 на поверхні пластин і щілин. Фіг. 4 - перетин структури після локального плазмохімічного травлення плівки Si3N4 на дні щілини; Фіг. 5 - структура пластини з утворенням верхнім рівнем порожнин ізотропним травленням кремнію; Фіг. 6 - перетин структури зі сформованим нижнім рівнем вертикальних щілин; Фіг. 7 - перетин структури після повторного осадження шару Si3N4 на поверхні пластин і щілин; Фіг. 8 - перетин структури після локального плазмохімічного травлення плівки Si3N4 на дні нижньої щілини; Фіг. 9 - структура пластини з утвореним нижнім рівнем порожнин та нависаючими в них ділянками із Si3N4; Фіг. 10 - перетин структури з відкритими для локального окислення поверхнями щілин і порожнин; Фіг. 11 - перетин структури після локального термічного окислення поверхонь порожнин і щілин на двох рівнях; Фіг. 12 - перетин структури зі сформованими дворівневими мікро-порожнинами і локальними тривимірної структурою «кремній-на-ізоляторі» та «кремній-в-ізоляторі». На фіг. 1-12 цифрами позначені: 1 - кремнієва пластина, наприклад, КДБ-40 з кристалографічною орієнтацією поверхні (100); 2 - плівка нітриду кремнію Si3N4 (або оксинітриду кремнію) товщиною 0,15 мкм; 3 - вертикальна щілина в кремнієвій пластині; 4 - осаджена плівка Si3N4 на поверхню вертикальної щілини і кремнієвої пластини; 5 - локально витравлена плівка нітриду кремнію на поверхні дна щілини в кремнієвій пластині; 6 - ізотропно витравлені порожнини-тунелі першого рівня в кремнієвій пластині після анізотропного поглиблення щілин; 7 - анізотропно витравлена вертикальна щілина нижнього рівня глибиною 1,5 мкм; 8 - осаджена плівка Si3N4 на поверхню порожнини, вертикальних щілин і кремнієвої пластини; 9 - локально витравлена плівка Si3N4 на поверхні дна нижньої щілини в кремнієвій пластині; 10 ізотропно витравлені порожнини-тунелі другого рівня в кремнієвій пластині після анізотропного поглиблення щілин другого рівня; 11 - локальновирощений, герметизуючий термічний окисел на поверхнях порожнин і щілин; 12 - локальний тривимірний острівець «кремнію-на-ізоляторі» першого рівня з відкритою поверхнею; 13 - локальний тривимірний острівець «кремнію-в-ізоляторі» другого рівня із закритою поверхнею. Використані джерела інформації: 1. Anatoliy Druzhynin, Victor Holota, Igor Kohut, Sergij Sapon and Yurij Khoverko "The DeviceTechnological Simulation of The Field-Emission micro-Cathodes Based on Three-Dimensional SOI 9 Structures". - Journal of The Elecrochemical Society, ESC Trans. 14, (1) 569 (2008). 2. Патент України на корисну модель № 43198 UA. Спосіб формування герметизованих порожнин 62085 10 в кремнієвих пластинах / Когут І.Т., Голота В.І.; опубл. 15.08.2008. - Бюл. № 15. 11 62085 12 13 Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков 62085 Підписне 14 Тираж 23 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601