Способ микропрофилирования композиции "sic-aln"

 

Использование: при изготовлении микромеханических приборов и микроэлектронных устройств из сэндвич-структуры "SiC-AlN" на подложке. Сущность изобретения: способ предусматривает плазмохимическое вытравливание с использованием маскирующего покрытия участков пленки SiC и последующее удаление участков слоя AlN для освобождения подвижных элементов целевого изделия. Все операции осуществляют в квазизамкнутой камере установки реактивного ионно-плазменного травления под действием ВЧ-магнетронного разряда с удельной мощностью 1,4 ± 4 Вт/см², при этом в качестве материала для маскирующего покрытия используют алюминий, операцию вытравливания участков пленки SiC проводят при давлении 0,4 ± 0,2 Па в плазме газовой смеси SF₆/O₂, содержащей 15 ± 5 об.% O₂, а операцию удаления участков слоя AlN проводят при давлении 0,5 ± 9,1 Па в плазме газовой смеси C₂Cl₃F₃/O₂, содержащей 5 ± 2 об.% O₂. Соотношение давления в камере и удельной мощности ВЧ-разряда целесообразно регулировать с помощью следящей системы из расчета где p - давление в квазизамкнутой камере, Па; w_уд - удельная мощность магнетронного разряда, Вт/см². Для получения конструкции на кремниевой подложке проводят заключительную операцию глубинного локального травления подложки в плазме газовой смеси SF₆/O₂, содержащей 12 ± 8 об.% O₂, при давлении 0,6 ± 0,2 Па. Техническим результатом изобретения является повышение его технологичности за счет обеспечения возможности выполнения всех операций микропрофилирования на одной технологической установке по единой технологии. 2 з.п. ф-лы, 3 табл., 2 ил.

Изобретение относится к микроэлектронике и может быть использовано при изготовлении микромеханических приборов и микроэлектронных устройств из сэндвич-структуры "SiC-AlN" на подложке. Наиболее эффективно его использовать при изготовлении объемных конструкций целевых изделий (тензоакселерометров, инклинометров, датчиков температуры и давления, актюаторов и пр.).

Известен способ микропрофилирования слоистых систем ВЧ-плазмой, предусматривающий последовательное травление слоев при различной частоте, оптимальной в отношении скорости и селективности травления каждого слоя (DD 225861, C 23 C 14/54, 1985).

Однако техническое осуществление данного способа требует использования нестандартной аппаратуры - мощного ВЧ-генератора регулируемой частоты. При этом работа мощного ВЧ-генератора на нестандартных частотах запрещена из-за возможности создания радиопомехи.

Известен также способ микропрофилирования композиции с алюминий- и кремнийсодержащими слоями путем избирательного маскирования резистом с последующим сухим ионно-плазменным травлением под вакуумом с помощью ВЧ-разряда в две стадии: сначала в плазме CCl₄ + BCl₃, а затем - в плазме CF₄ + O₂ (ЕПВ 0122776, H 01 L 21/31, 1984).

Используемые в данном способе газовые смеси обладают сложной рецептурой, к тому же смесь CCl₄ + BCl₃ канцерогенна и вызывает быструю коррозию узлов используемой аппаратуры, особенно вакуумной системы. Кроме того, данный способ является низкопроизводительным.

Наиболее близким к заявляемому является способ микропрофилирования композиции "SiC-AlN", предусматривающий плазмохимическое вытравливание с использованием маскирующего покрытия участков пленки SiC с использованием фоторезистивной маски для формирования микромеханического узла и последующее удаление участков слоя AlN с помощью жидкостного химического травления для освобождения подвижных элементов целевого изделия. Для уменьшения искажения требуемой формы длительность операции жидкостного травления устанавливают по визуально наблюдаемому окончанию травления тест-объекта (RU 2137249, H 01 L 21/203, 1999, формула, пример 1 - прототип).

Однако этот способ нетехнологичен, поскольку в нем используют разные технологические схемы травления - плазмохимическое и жидкостное. Кроме того, операция жидкостного травления нитрида алюминия не обеспечивает высокого качества микропрофилирования из-за значительного бокового подтравливания.

Технической задачей предлагаемого способа является повышение его технологичности на основе обеспечения возможности выполнения всех операций микропрофилирования на одной технологической установке по единой технологии.

Решение указанной технической задачи общеупотребительным путем сочетания наилучших из известных вариантов ионно-плазменного травления каждого слоя затруднительно. Так, например, при попытке микропрофилирования композиции "SiC-AlN" на кремниевой подложке путем плазмохимического вытравливания участков пленки SiC в среде, содержащей смесь гексафторида серы (SF₆) и фторуглерода CF₄ (патент США N 4687543, B 44 C 1/22, C 03 C 15/00, 25/06, 1987), с последующим плазмохимическим вытравливанием участков слоя AlN в среде CCl₄ (патент Японии 61-183929, H 01 L 21/302, C 23 F 1/00) и кремниевой подложки в среде SF₆/O₂/CHF₃ (Anisotropic Reactive Ion Etching of Silicon Using SF₆/O₂/CHF₃, Gas Mixtures/ R.Legtenberg, H.Yfnsen. M.Dt Boer, etc.// J. Of Tlectrochem. Soc. - 1995. - Vol. 142. - P. 2020-2027) с использованием алюминиевых масок имеют место не только крайне низкие скорости травления, применение высокотоксичного газа (CCl₄), но и низкая селективность, особенно при микропрофилировании слоя AlN.

Для решения указанной технической задачи в способ микропрофилирования композиции "SiC-AlN", предусматривающий плазмохимическое вытравливание участков пленки SiC для формирования микромеханического узла и последующее удаление участков слоя AlN для освобождения подвижных элементов целевого изделия с использованием маскирующего покрытия, вносятся следующие изменения: 1) все операции способа осуществляют в квазизамкнутом объеме соответствующей камеры установки реактивною ионно-плазменного травления; 2) ионно-плазменное травление осуществляют под действием высокочастотного магнетронного разряда с удельной плотностью w_уд = 1,4±0,4 Вт/см² поверхности ВЧ-электрода; 3) в качестве материала для маскирующего покрытия используют алюминий; 4) операцию вытравливания участков пленки SiC проводят в плазме газовой смеси SF₆/O₂, содержащей 15±5 об.% O₂, при давлении 0,4±0,2 Па; 5) операцию удаления участков слоя AlN проводят в плазме газовой смеси C₂Cl₃F₃/O₂, содержащей 5±2 об.% O₂, при давлении 0,5±0,1 Па.

Квазизамкнутый объем образуют путем расположения обрабатываемого образца, электродной системы и коллектора подачи газа на основании под экраном, выполненным в виде колпака, торец которого прилегает к основанию с регулируемым зазором. Настройкой зазора регулируют разность давлений внутри и снаружи квазизамкнутого объема. Этим самым удовлетворяются противоречивые требования проведения процесса ионно-плазменного травления под вакуумом и повышением давления за счет циркуляции подаваемой газовой смеси. Данный прием известен, например, из (Данилин B.С., Киреев В.Ю. Применение низкотемпературной плазмы для травления и очистки материалов. - М.: Энергоатомиздат, 1987). В предлагаемом способе тот же признак используется для обеспечения работоспособности.

ВЧ-магнетронный разряд применительно к используемым газовым смесям необходим для повышения эффективности ионизации и диссоциации молекул газов. При использовании общеупотребительного диодно-планарного разряда скорость травления слоев композиции "SiC-AlN" существенно снижается.

Использование алюминиевых маскирующих покрытий при выполнении каждой операции травления обеспечивает высокую точность формирования требуемого микрорисунка в любом из обрабатываемых слоев (иллюстрируется примерами). Как показывают испытания, маски из органических фоторезистов (например, типа ФП-383) разрушаются под действием ВЧ-магнетронного разряда при используемых в предлагаемом способе удельных мощностях. Маски из титана, вольфрама, ниобия и тантала взаимодействуют с используемой фторхлорсодержащей плазмой с образованием летучих соединений, что ускоряет их стравливание. Приемлемую устойчивость в данной технологии имеют никелевые и платиновые маски; однако они дорогие, имеют плохую адгезию к слоям композиции "SiC-AlN", а их последующее удаление затруднено.

Выбор используемых газовых смесей и соотношения их компонентов, а также режимов мощности разряда и давления осуществлены по критериям работоспособности и высокой производительности способа.

Наилучший вариант осуществления способа учитывает взаимовлияние прикладываемой мощности и давления реакционного газа в квазизамкнутой камере. С этой целью соотношение давления в квазизамкнутой камере и удельной мощности ВЧ-разряда регулируют с помощью следящей системы из расчета где p - давление в квазизамкнутой камере, Па;
w_уд - удельная мощность магнетронного разряда, Вт/см².

Формула (1) не противоречит пункту 1 формулы изобретения, так как выполняемое следящей системой регулирование соотношения давления и мощности производится в пределах, указанных в п. 1 диапазонов давлений и мощностей. Следящее регулирование целесообразно не только для исключения быстро утомляющегося человека от управления процессом, но и, прежде всего, для обеспечения высокой динамической точности поддержания узкого оптимального режима.

При получении объемной конструкции из сэндвич-композиции "SiC-AlN" на кремниевой подложке проводят заключительную операцию глубинного локального травления подложки в плазме газовой смеси SF₆/O₂, содержащей 12±8 об.% O₂, при давлении 0,6±0,2 Па.

Для технической реализации нового способа необходимо специальное оборудование (фиг. 1).

На фиг. 1 приведена схема установки магнетронного травления, используемой для осуществления предлагаемого способа; на фиг. 2 показана схема микромеханического узла чувствительного элемента тензоакселерометра, изготовленного в сэндвич-структуре "SiC-AlN".

Установка магнетронного травления, используемая для осуществления предлагаемого способа (фиг. 1), содержит вакуумную камеру 1, подключенную к двухступенчатой системе откачки, включающей диффузионный и форвакуумный насосы (поз. 2 и 3 соответственно). К боковым стенкам камеры 1 прикреплено основание 4, выполненное в виде кольца, внутри которого вакуумно плотно закреплен водоохлаждаемый ВЧ-электрод 5, выполненный в виде диска и электрически изолированный от стенок и основания камеры 1 с помощью фторопластового кольца 6. Под ВЧ-электродом 5 расположена сканирующая магнитная система на основе постоянных магнитов 7, установленных с возможностью возвратно-поступательного перемещения параллельно плоскости ВЧ-электрода 5 с помощью электропривода 8. ВЧ-электрод 5 присоединен к ВЧ-генератору 9 частотой. На верхней поверхности ВЧ-электрода 5 расположен обрабатываемый образец 10. Установка оборудована кольцевым коллектором 11, подключенным к трехканальному блоку 12 напуска газов (SF₆, O₂ и C₂Cl₃F₃). Обрабатываемый образец 10, коллектор 11 и ВЧ-электрод 5 закрыты заземленным металлическим экраном 13, выполненным в виде колпака, торец которого прилегает к основанию 4 с регулируемым зазором, образуя квазизамкнутую камеру 14. На верхних стенках вакуумной камеры 1 и квазизамкнутой камеры 14 выполнены герметичные оптические окна для текущего контроля за процессом травления с помощью лазерного интерферометра 15. В квазизамкнутой камере 14 установлен датчик 16 термопарного вакуумметра 17. ВЧ-генератор 9 снабжен блоком 18 измерения удельной (относительно площади ВЧ-электрода 5) мощности разряда. Выходы вакуумметра 17 и блока 18 связаны соответственно с первым и вторым входами регулятора 19, выход которого подключен к управляющему входу блока 12 напуска газа с образованием следящей системы для регулирования соотношения давления p в квазизамкнутой камере 14 и удельной мощности разряда w_уд.

После откачки вакуумной камеры 1 насосами 2 и 3 до 1,3·10^-3 Па в квазизамкнутую камеру 14 подают требуемую газовую смесь от блока 12. При этом рабочее давление в квазизамкнутом объеме устанавливается по равновесию скоростей откачки и натекания газов. После этого зажигают разряд между ВЧ-электродом 5 и заземленным экраном 13, выполняющим также функцию второго электрода. При этом высота экрана задает межэлектродное расстояние, от которого зависит скорость травления. Поэтому на стадии наладки установки исследуют зависимость производительности травления от межэлектродного расстояния и устанавливают это расстояние выбором высоты экрана или настройкой электродного вкладыша в его крышке (на фиг. 1 не показан). В приводимых ниже примерах использован экран 13 из расчета межэлектродного расстояния 40±10 мм. Происходящий процесс ионизации и диссоциации молекул рабочего газа после зажигания ВЧ-разряда, а также локализацию плазмы вблизи поверхности обрабатываемого изделия 10 интенсифицируют возвратно-поступательным перемещением магнитных полюсов 7, создающих магнитное поле ~0,1 Тл, направленное параллельно поверхности обрабатываемого изделия 10 перпендикулярно вектору напряженности ВЧ электрического поля. Это обуславливает горение разряда в скрещенных электрическом и магнитном полях. Электроны, эмитируемые из ВЧ-электрода 5 и обрабатываемого образца 10 под действием ионной бомбардировки, оказываются в своеобразной магнитной ловушке и циркулируют по замкнутым траекториям, существенно увеличивая эффективность ионизации и диссоциации молекул рабочего газа. Это, в свою очередь, приводит к росту химически активных частиц, взаимодействующих с поверхностью обрабатываемого изделия 10 с образованием летучих соединений и обеспечивающих процесс травления. Возникающее автосмещение на ВЧ-электроде 5 обуславливает ионную бомбардировку обрабатываемого изделия 10 в направлении, перпендикулярном его верхней поверхности. Ионная бомбардировка обеспечивает не только интенсификацию процесса правления, но и его анизотропность. Поскольку нижняя поверхность обрабатываемого изделия 10 плотно прижата к ВЧ-электроду 5, она не подвергается обработке, а потому не требует маскирования. Возвратно-поступательное перемещение магнитных полюсов 7, наряду с вышеуказанной функцией, обеспечивает также равномерность травления по всей площади обрабатываемого изделия 10. Неподвижность изделия 10 в процессе обработки создает идеальные условия для текущего контроля процесса травления, в частности для принятия решения об окончании операции, с помощью лазерного интерферометра 15.

В процессе регулирования режимных параметров ионно-плазменной обработки целесообразно исключить человека. С этой целью включают следящую систему (блоки 12, 16-19), которая производит оперативную корректировку соотношения разрежения в квазизамкнутой камере 14 и удельной мощности ВЧ-разряда согласно формуле (1).

На данной установке осуществляют последовательные циклы микропрофилирования слоев SiC и AlN, а также (при необходимости) подложки.

Способ поясняется примерами изготовления объемного изделия - микромеханического узла чувствительного элемента тензоакселерометра (фиг. 2).

Пример 1. Эпитаксиальную композицию "SiC-AlN" на подложке из сапфира микропрофилируют в соответствии с фиг. 2. В верхнем слое 1 из SiC формируют тензорезисторную мостовую схему 2, коаксиально которой в нижележащем слое 3 из AlN выполняют канавку 4, а в подложке 5 - инерционный элемент 6 на балочной подвеске 7. При дальнейшей обработке микропрофилированного образца формируют металлическую разводку 8.

На фиг. 2 размеры указаны в микрометрах.

На поверхности слоя 1 из SiC в соответствии с фиг. 2 формируют алюминиевую маску толщиной 0,6±0,1 мкм. Далее проводят операцию вытравливания участков слоя 1 в квазизамкнутой камере установки реактивного ионно-плазменного травления (фиг. 1) под действием магнетронного разряда с частотой 13,56 МГц в плазме газовой смеси SF₆/O₂ при различных значениях соотношения концентраций газов, давления в квазизамкнутой камере 14 и удельной мощности разряда. Момент окончания травления устанавливают с помощью лазерного интерферометра 15. Эту и последующие операции ионно-плазменного травления проводят при граничных, средних и запредельных значениях технологических параметров, в том числе с использованием системы следящего регулирования соотношения p и w_уд.

Учитывают скорость травления слоя, селективность по отношению к маскирующему покрытию и нижележащему слою, а также отношение глубины рельефа к боковому подтраву (анизотропию травления).

Результаты указаны в табл. 1. Как видно из табл. 1, при концентрации кислорода в газовой смеси в пределах от 10 до 20 об.%, давлении в квазизамкнутом объеме в пределах от 0,2 до 0,6 Па и удельной мощности разряда от 1,0 до 1,8 Вт/см² обеспечивается максимальные анизотропия (7:1 - 8:1), скорость травления карбида кремния (от 120 до 260 нм/мин) и селективность травления по отношению к маскирующему покрытию (от 19:1 до 25:1). При этом селективность травления SiC по отношению к AlN составляет от 30:1 до 50:1.

Далее проводят операцию удаления участков слоя 3 из AlN через вновь нанесенную алюминиевую маску.

Результаты приведены в табл. 2. Как видно из табл. 2, при концентрации кислорода в газовой смеси в пределах от 3 до 7 об.%, давлении в квазизамкнутом объеме в пределах от 0,40 до 0,50 Па и удельной мощности разряда от 1,0 до 1,8 Вт/см² обеспечивается максимальные анизотропия (7:1 - 8:1), скорость травления нитрида алюминия (от 28 до 65 нм/мин) и селективность травления по отношению к маскирующему покрытию (от 6:1 до 7:1). При этом селективность травления AlN по отношению к подложке 5 из сапфира составляет 20:1. Данная операция весьма чувствительна к режиму давления: отклонение давления на несколько сотых долей Па от заданного значения приводит к резкому уменьшению скорости травления.

В связи с тем, что сапфировая подложка не может быть подвергнута ионно-плазменному травлению, данный пример ограничивается выполнением вариантов по п.п. 1 или 2 формулы, а обработку подложки 5 далее ведут путем химического травления.

Пример 2. Для изготовления целевого изделия (фиг. 2) из эпитаксиальной сэндвич-композиции "SiC-AlN" на подложке из монокристаллического кремния операции вытравливания участков SiC и удаления участков слоя AlN производят как в примере 1. Для получения объемной конструкции далее сторону подложки 5, противоположную слоям SiC и AlN, маскируют алюминием (1,2 мкм) и проводят заключительную операцию глубинного локального травления подложки в плазме газовой смеси SF₆/O₂, содержащей от 0 до 25 об.% O₂, при давлении в камере 14 от 0,2 до 1,0 Па и удельной мощности ВЧ-разряда от 0,8 до 2,0 Вт/см².

Результаты приведены в табл. 3. Как видно из табл. 3, при концентрации кислорода в газовой смеси в пределах от 4 до 20 об.%, давлении в квазизамкнутом объеме 14 в пределах от 0,40 до 0,50 Па и удельной мощности разряда от 1,0 до 1,8 Вт/см² обеспечиваются весьма высокие скорость травления кремния (2200-3100 нм/мин) и селективность по отношению к маскирующему покрытию (от 500:1 до 600:1), что обеспечивает высокую производительность глубинного микропрофилирования (на 300-400 мкм, вплоть до сквозного протравливания подложки). Селективность травления Si по отношению к AlN составляет не менее 500: 1.

Таким образом, по сравнению с прототипом новый способ более технологичен, так как его основные операции выполняют на одной установке по близким технологическим схемам.

Формула изобретения

1. Способ микропрофилирования композиции "SiC-AlN", предусматривающий плазмохимическое вытравливание с использованием маскирующего покрытия участков пленки SiC для формирования микромеханического узла и последующее удаление участков слоя AlN для освобождения подвижных элементов целевого изделия, отличающийся тем, что все операции способа осуществляют в квазизамкнутой камере установки реактивного ионно-плазменного травления под действием высокочастотного магнетронного разряда с удельной мощностью 1,4 ± 4 Вт/см³, при этом в качестве материала для маскирующего покрытия используют алюминий, операцию вытравливания участков пленки SiC проводят при давлении 0,4 ± 0,2 Па в плазме газовой смеси SF₆/O₂, содержащей 15 ± 5 об.% O₂, а операцию удаления участков слоя AlN проводят при давлении 0,5 ± 9,1 Па в плазме газовой смеси C₂Cl₃F₃/O₂, содержащей 5 ± 2 об.% O₂.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что соотношение давления в квазизамкнутой камере и удельной мощности ВЧ-разряда регулируют с помощью следящей системы из расчета

где р - давление в квазизамкнутой камере, Па;
w_уд - удельная мощность магнетронного разряда, Вт/см².

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что для получения объемной конструкции из сэндвич-композиции "SiC-AlN" на кремниевой подложке проводят заключительную операцию глубинного локального травления подложки в плазме газовой смеси SF₆/O₂, содержащей 12 ± 8 об.% O₂, при давлении 0,6 ± 0,2 Па.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4