Спосіб формування герметизованих порожнин в кремнієвих пластинах

1. Спосіб формування герметизованих 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 порожнинтунелів і звисаючих в них зі стінок щілин ділянок із 3 Отже, в цьому способі, локальні, тобто, розташовані за заданою топологією, тривимірні КНІструктури створюють комбінуючи методи маскування, селективного плазмохімічного анізотропного та ізотропного травлення зі сторони робочої поверхні кремнієвої пластини для формування вертикальних щілин, їх поглиблення, формування горизонтальних порожнин-тунелів під поверхнею кремнієвої пластини в місцях КНІ-острівців, їх локального окислення, планаризації поверхні пластини піролітичним окислом та його витравлення у вертикальних щілинах на задану глибину. При цьому топологічні розміри вертикальних щілин для утворюваних порожнин підбирають таким чином, що в процесі локального окислення порожнин-тунелів, термічні окисли на поверхнях порожнин проокислювали сусідні міжпорожнинні перегородки і змикалися. Після заповнення порожнин піролітичними окислом утворюються локальні тривимірні структури кремній-на-ізоляторі, і як проміжний варіант цією технології, можливим є також формування за заданою технологією негерметизованих порожнин під поверхнею кремнієвої пластини, які в поєднанні з КНІ-структурами можуть використовуватися як конструктивні елементи інтегрованих мікросистем-на-кристалі. Проте недоліком даного способу є відсутність можливостей безпосереднього формування герметизованих порожнин, що обмежує можливості його застосування. В основу корисної моделі пропонованого способу поставлене завдання спрощення і розробка недорогої промислової технології формування герметизованих мікропорожнин та мікроканальців в одному конструктивному елементі, а саме, в кремнієвій пластині із суб- та нанометровими розмірами, як для стандартних об'ємних кремнієвих пластин, так і для пластин зі структурами «кремній-на-ізоляторі», тобто включаючи комбінацію «герметизовані порожнини - локальні КНІструктури» і створення можливостей для конструювання на цій основі різноманітних приладних архітектур типу сенсорних та актюаторних елементів, мікросистем і лабораторій-на-кристалі зі схемами обробки інформації, проектування конструктивно-технологічно інтегрованих мікросистем-накристалі. Поставлене завдання вирішується тим, що в способі формування локальних тривимірних КНІструктур, 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, в якому згідно із корисною моделлю, для формування герметизованих 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 43198 4 нітриду кремнію осаджують, наприклад, піролітичний окисел, полікремній, метали або інші матеріали до повного або часткового заповнення щілин. Таким чином, 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. Поставлене завдання може бути вирішене також і тим, що згідно із корисною моделлю за даним способом поверхні стінок щілин і порожнин в кремнієвій пластині формуюють незахищеними для окислення, після чого їх термічно окислюють, 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. 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 порожнини з утворенням нависаючих в них ділянок із плівки нітриду кремнію, після чого порожнини локально окислюють термічним окислом до підняття нависаючих ділянок нітриду кремнію і їх змикання з наступним осадженням герметизуючого піролітичного окислу, полікремнію, металів або інших матеріалів до часткового або повного заповнення щілин. При цьому під поверхнею пластини утворюються герметизовані мікропорожнини або мікроканали. І відповідно до додаткового варіанту способу створення герметизованих мікропорожнин - вони можуть бути сформованими проведенням іншої, дещо зміненої послідовності технологічних операцій, в результаті яких, в кремнієвій пластині формують щілини і мікропорожнини, при цьому їх поверхні залишаються незахищеними для окислення, після чого проводять термічне окислення поверхонь як порожнин, так і щілин до змикання окисних плівок між протилежними стінками щілин. В результаті змикання окисних плівок між протилежними стінками щілин забезпечується герметизація мікропорожнин, поверхня яких, одночасно із поверхнею щілин є також покритою термічним окислом. Приклад конкретного виконання. Суть пропонованого способу детально пояснюється поданою послідовністю базових операцій технологічного процесу формування герметизованих порожнин в кремнієвих пластинах двома методами, а саме, на фіг. 1-16 зображено результати приладно-технологічного комп'ютерного моделювання технології формування герметизованих порожнин згідно із корисною моделлю у вигляді поперечних перетинів структур на основі змикання нависаючих ділянок плівки нітриду кремнію і осадження на них герметизуючих окислені порожнини під поверхнею пластини піролітичного окислу кремнію, полікремнію, металів або інших матеріалів до часткового або повного заповнення щілин, а на 5 фіг. 17-23 зображено результати моделювання технології формування окисно-герметизованих порожнин без маскування вертикальних щілин нітридною плівкою. 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 фіг. 1-23 цифрами позначені: 1 - кремнієва пластина, наприклад, КДБ-40 з кристалографічною орієнтацією поверхні (100); 2 - плівка нітриду кремнію Si3N4 (або оксинітриду кремнію) товщиною 0,1 мкм; 3 - ділянки плівки фоторезисту після проведеної фотолітографії для формування вертикальних щілин в кремнієвій пластині; 4 - бокова поверхня вертикальної щілини в кремнієвій пластині; 5 - плівка нітриду кремнію після повторного осадження сумарною товщиною 0,25 мкм на поверхні пластини і 0,15 мкм на вертикальних стінках щілин; 6 - плівка піролітичного окислу кремнію товщиною 0,05 мкм; 7 - ділянки плівки фоторезисту після проведеної фотолітографії, як маскуючого покриття, при витравлюванні окислу кремнію у щілинах; 8 - локально витравлена поверхня дна щілини в кремнієвій пластині; 9 - заглиблення в кремнієвій пластині на дні щілин; 10 - звисаючі в порожнину ділянки нітриду кремнію; 11 - ізотропно витравлена поверхня порожнин в кремнієвій пластині; 12 - локально вирощений термічний окисел кремнію на поверхні порожнини; 13 - осаджений піролітичний окисел на поверхню кремнієвої пластини і щілини; 14 - осаджений шар полікремнію на поверхню кремнієвої пластини і щілини; 15 - герметизована порожнина (або каналець) в кремнієвій пластині; 16 - термічний окисел на поверхнях щілини і порожнини. На кожній із фігур 1-23 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. 1-23, були одержані в результаті приладно-технологічного комп'ютерного моделювання. Технологічна послідовність формування герметизованих мікропорожнин і мікроканальців в кремнієвих пластинах, орієнованих на комбінацію із локальними тривимірними КНІ-структурами, відповідно до фіг. 1-23 є наступною: - на фіг. 1 зображено кремнієву пластину 1 після осадження шару нітриду кремнію 2 товщиною 0,1 мкм; - на фіг. 2 зображено поперечний перетин структури після нанесення шару фоторезисту 3 та проведеної фотолітографії для формування маски із Si3N4 при витравлюванні щілин; - на фіг. 3 зображено поперечний перетин структури після ізотропного плазмохімічного травлення плівки Si3N4; - на фіг. 4 зображено поперечний перетин структури після зняття фоторезисту і підготовленої для витравлювання вертикальних щілин; - на фіг. 5 зображено поперечний перетин структури після наступної технологічної операції анізотропного плазмохімічного травлення кремніє 43198 6 вої пластини 1 у немаскованих нітридною плівкою 2 місцях на глибину 1,5мкм і формування вертикальних щілин 4; - на фіг. 6. зображено поперечний перетин структури після повторного осадження шару Si3N4 товщиною 0,15 мкм на поверхні пластин і щілин. Сумарна товщина плівки нітриду кремнію 6 на поверхні пластини становить 0,25 мкмк і на вертикальних стінках щілини - 0,15 мкм; - фіг. 7 - поперечний перетин структури пластини після осадження плівки піролітичного окислу кремнію 6 товщиною 0,05 мкм; - фіг. 8 - структура пластини після нанесення фоторезисту 7 і проведеної фотолітографії для маскування поверхні пластини зі зняттям фоторезисту у місцях щілин; - фіг. 9 - поперечний перетин структури після операції витравлення окислу кремнію на поверхні щілин 4; - фіг. 10 - структура пластини після зняття фоторезисту із залишеними ділянками маскуючої плівки 6 із SiО2; - фіг. 11 - поперечний перетин структури після локального плазмохімічного травлення плівки Si3N4 на дні щілини 8; - фіг. 12 - структура пластини після анізотропного плазмохімічного травлення кремнію для збільшення глибини щілин 9 в пластині 1 на 0,5 мкм; - фіг. 13 - структура пластини після ізотропного травлення кремнію на величину 0,5 мкм з утворенням порожнин 11 та нависаючих ділянок 10 із Si3N4; - фіг. 14 - структура пластини після локального термічного окислення порожнин 11 з утворенням окислу 12, при цьому нависаючі ділянки 10 із плівки SisN4 деформуються і змикаються. Процес окислення суттєво уповільнюється і фактично доступ кисню суттєво зменшується, а зімкнені нависаючі ділянки Si3N4 герметизують доступ до порожнин. - фіг. 15 - структура пластини після кінцевої герметизації порожнин шляхом осадження піролітичного окислу 13 товщиною 0,5 мкм. Зімкнені ділянки 10 із Si3N4 запобігають проникненню піролітичного SiO2 в порожнину, при осадженні цього окислу заповнюються щілини з утворенням герметизованих порожнин 15; - фіг. 16 - структура після нанесення замість піролітичного окислу кремнію - полікремнієвого шару 14, з метою його використання після відповідного легування домішками, наприклад, фосфором, як електропровідного шару і формування герметизованої порожнини 15. На фіг. 17-23 зображено результати приладнотехнологічного моделювання створення герметизованих порожнин шляхом термічного окислення поверхонь порожнин і щілин до змикання окисних плівок на поверхнях щілин. При цьому технологічна послідовність, зображена на фіг. 1-6 є спільною, різниця полягає лише у менших топологічних розмірах для формування щілин. Вказані розміри вибираються із розрахунку змикання термічноокисних плівок на протилежних стінках щілин. Для прикладу, реальні конструктивно-топологічні розміри структури в мікрометрах, подані на вертикальних і горизонтальних шкалах для отримання 7 герметизованих, порожнин, були підібрані шляхом комп'ютерного, приладно-технологічного моделювання. На фіг. 17 подано поперечний перетин структури після нанесення фоторезисту 7 і фотолітографії для маскування поверхні і відкриття щілин; - фіг. 18 - структура після плазмо-хімічного травлення плівки Sі3N4 на дні щілин до відкриття поверхні кремнію 8; - фіг. 19 - структура пластини після наступного зняття фоторезисту; - фіг. 20 - поперечний перетин структури після поглиблення щілин 9 на 0,5 мкм анізотропним травленням кремнію 1; - фіг. 21 - структура пластини після утворення порожнин 11 ізотропним витраленням кремнію 1 на величину 0,5 мкм; - фіг. 22 - поперечний перетин структури після травлення плівки 5 із Si3N4 товщиною від 0,1 до 0,25 мкм з поверхонь щілин 4 і поверхні пластин; - фіг. 23 - поперечний перетин структури після термічного окислення поверхонь пластини 1, порожнин 11 і щілин 4 кремнію. Окисні плівки на поверхнях щілин змикаються, утворюючи герметизовану окислену порожнину 15 в кремнієвій пластині 1. Отже, як видно із результатів приладнотехнологічного комп'ютерного моделювання, запропонованим методом можна формувати в кремнієвих пластинах на заданій глибині герметизовані мікропорожнини та канальці і використовувати їх для конструювання на цій основі елементів мікросистемної техніки, наприклад, лабораторій-накристалі, в яких герметизовані канальці під поверхнею пластини можуть виконувати функції мікро- і нанотрубок, розташування яких зрозуміло, буде задаватися необхідною топологією пристрою. Окрім цього, такі порожнини можуть бути використані, наприклад, для побудови сенсорних елементів абсолютного тиску, конструктивно і технологічно інтегрованих зі схемами обробки інформації на одному кристалі. Перспективним видається використанням запропонованих герметизованих канальців як елементів оптоелектроніки та ін. Оскільки, як найближчий аналог для створення герметизованих мікропорожнин і канальців було використано технологію формування локальних тривимірних «кремній-на-ізоляторі» - структур, базові технологічні операції для яких є спорідненими з технологією формування герметизованих порожнин, дані технології можуть бути легко інтегрованими одна в одну, це буде перспективним напрямком для побудови інтегрованих мікросистем і мікролабораторій-на-кристалі на основі локальних тривимірних КНІ-структур, створення мікроелектронних конструкцій як зі стандартними, планарними архітектурами, так і з тривимірними, об'ємними конфігураціями елементів, інтеграції стандартних об'ємних технологій і технологій на основі КНІ-структур на одному кристалі. Використані джерела інформації: 1. «Фізичні основи електронної техніки» за редакцією З.Ю. Готри. - «Бескид-БІТ». - Львів. - 2004. - стр. 709.) 43198 8 2. Anatoliy Druzhynin, Victor Holota, Igor Kohut, Sergij Sapon and Yurij Khoverko "The DeviceTechnological Simulation of The Field-Emission micro-Cathodes Based on Three-Dimensional SOIStructures". - Journal of The Elecrochemical Society, ESC Trans. 14, (1) 569 (2008). Перелік фігур креслення та прийняті позначення. Фіг. 1 - перетин кремнієвої пластини після осадження шару Si3N4; Фіг. 2 - перетин структури після проведеної фотолітографії для формування маски із SisN4 при витравлюванні щілин; Фіг. 3 - поперечний перетин структури травлення плівки Si3N4; Фіг. 4 - структура, підготовлена для витравлювання вертикальних щілин; Фіг. 5 - структура з витравленими щілинами глибиною 1,5 мкм; Фіг. 6 - поперечний перетин структури після повторного осадження шару Si3N4 товщиною 0,15 мкм на поверхні пластин і щілин. Фіг. 7 - структура пластини після осадження плівки піролітичного окислу кремнію товщиною 0,05 мкм; Фіг. 8 - структура пластини проведеної фотолітографії для маскування поверхні пластини зі зняттям фоторезисту у місцях щілин; Фіг. 9 - структура пластини після операції витравлення окислу кремнію на поверхні щілин; Фіг. 10 - структура пластини після зняття фоторезисту з маскуючою плівкою SiO2; Фіг. 11 - структура пластини після локального плазмохімічного травлення плівки Si3N4 на дні щілини; Фіг. 12 - структура пластини після збільшення глибини щілин в пластині на 0,5 мкм; Фіг. 13 - структура пластини з утворенням порожнин та нависаючих ділянок із Si3N4; Фіг.14 - структура пластини після локального термічного окислення порожнин. Фіг. 15 - структура пластини після герметизації порожнин піролітичним окислом кремнію Фіг. 16 - структура пластини з герметизацією порожнин полікремнієм. Фіг. 17 - поперечний перетин структури після фотолітографії для маскування поверхні і відкриття щілин; Фіг. 18 - структура пластини після відкриття поверхні кремнію на дві щілин; Фіг. 19 - структура пластини після зняття фоторезисту; Фіг. 20 - перетин структури після поглиблення щілин в кремнії; Фіг. 21 - структура пластини після утворення порожнин ізотропним витраленням кремнію; Фіг. 22 - перетин структури після травлення SisN4 на поверхнях щілин і пластини; Фіг. 23 - поперечний пертин структури після термічного окислення кремнію з герметизованими порожнинами в кремнієвій пластині. На фіг. 1-23 цифрами позначені: 1 - кремнієва пластина, наприклад, КДБ-40 з кристалографічною орієнтацією поверхні (100); 2 - плівка нітриду кремнію Si3N4 (або оксинітриду кремнію) товщиною 9 0,1 мкм; 3 - ділянки плівки фоторезисту після проведеної фотолітографії для формування вертикальних щілин в кремнієвій пластині; 4 - бокова поверхня вертикальної щілини в кремнієвій пластині; 5 - плівка нітриду кремнію після повторного осадження сумарною товщиною 0,25 мкм на поверхні пластини і 0,15 мкм на вертикальних стінках щілин; 6 - плівка піролітичного окислу кремнію товщиною 0,05 мкм; 7 - ділянки плівки фоторезисту після проведеної фотолітографії, як маскуючого покриття, при витравлюванні окислу кремнію у щілинах; 8 - локально витравлена поверхня дна щілини в кремнієвій пластині; 9 - заглиблення в кремнієвій пластині на дні щілин; 10 - звисаючі в 43198 10 порожнину ділянки нітриду кремнію; 11 - ізотропно витравлена поверхня порожнин вкремнієвій пластині; 12 - локально вирощений термічний окисел кремнію на поверхні порожнини; 13 - осаджений піролітичний окисел на поверхню кремнієвої пластини і щілини; 14 - осаджений шар полікремнію на поверхню кремнієвої пластини і щілини; 15 - герметизована порожнина (або канадець) в кремнієвій пластині; 16 - термічний окисел на поверхнях щілини і порожнини. Всі перетини структур, зображені на фіг. 1-23, були одержані в результаті приладно-технологічного комп'ютерного моделювання. 11 43198 12 13 43198 14 15 43198 16 17 Комп’ютерна верстка Д. Шеверун 43198 Підписне 18 Тираж 28 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