Исследование процесса глубокого плазмохимического травления кремния (Бош-процесс) для формирования балочной структуры в процессе изготовления МЭМС устройств Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 528.44

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ГЛУБОКОГО ПЛАЗМОХИМИЧЕСКОГО ТРАВЛЕНИЯ КРЕМНИЯ (БОШ-ПРОЦЕСС) ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ БАЛОЧНОЙ СТРУКТУРЫ В ПРОЦЕССЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МЭМС УСТРОЙСТВ

Кирилл Олегович Андрющенко

Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, студент, тел. (913)014-74-31, e-mail: [email protected]

Геннадий Васильевич Перов

Новосибирский завод полупроводниковых приборов с объединенным конструкторским бюро, 630082, Россия, г. Новосибирск, ул. Дачная, 60, кандидат технических наук, доцент, заместитель начальника ОКБ по научной работе, руководитель центра обучения, тел. (913)703-70-61, e-mail: [email protected]

В статье будет рассматриваться исследование процессов глубокого плазмохимического травления кремния (Бош-процесс) для формирования балочной структуры в процессе изготовления МЭМС устройств.

Ключевые слова: глубокое травление кремния, Бош-процесс, высокоаспектное отношение структур.

INVESTIGATION OF THE PROCESSES OF DEEP PLASMA-CHEMICAL ETCHING OF SILICON (BOSCH PROCESS) FOR THE FORMATION OF A BEAM STRUCTURE IN THE PROCESS OF MAKING MEMS DEVICES

Kirill O. Andryushchenko

Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., student, tel. (913)014-74-31, e-mail: [email protected]

Gennady V. Perov

Novosibirsk Plant of Semiconductor Devices with an Integrated Design Bureau, 630082, Russia, Novosibirsk, 60 Dachnaya St., Ph. D., associate Professor, deputy head of the OKB for scientific work, head of the training center, tel. (913)703-70-61, e-mail: [email protected]

The paper will consider the process of carrying out a deep plasmachemical etching of silicon (Bosch process) to form a beam structure in the process of making MEMS devices.

Key words: Deep etching of silicon, the Bosch process, high-aspect ratio of structures.

Технология формирования элементов микромеханических систем основана на операциях, составляющих технологию полупроводниковых, в основном кремниевых, приборов и интегральных схем (ИС). Но она имеет ряд существенных особенностей и проблем, которые приходится учитывать при использовании типовых технологических процессов для конкретных микромеханических структур и систем. Как правило, эти проблемы могут быть преодолены путем модернизации существующих типовых процессов и (или) разработки нестандартных технических решений. Одним из главных отличий технологии

микромеханических структур от технологии интегральных схем является необходимость формирования глубокого (до нескольких сотен микрометров) рельефа в монокристаллическом кремнии и других материалах.

Целью настоящей работы является исследование процесса глубокого плаз-мохимического травления кремния в процессе изготовления МЭМС устройств.

Для формирования рельефа в кремнии на глубину до 100 мкм и более с вертикальными стенками используется, как правило, так называемый «ВоэсЬ) -процесс.Процесс глубокого травления кремния с применением попеременных процессов травления и пассивации («Bosch»-процесс)был запатентован Робертом Бошем (RobertBosch) в 1994 году и с тех пор активно применяется для травления кремниевых структур с высоким аспектным отношением. Его суть состоит в многократном повторении трехстадийного цикла травления. В первой стадии цикла производится травление кремния через маску на сравнительно небольшую глубину в среде эле - газа (химическая формула - SF6) (рисунок 11 а). Во второй стадии цикла производится пассивация стенок протравленного профиля с помощью, например, разряда на основе хладона - 318 (химическая формула - C4F8). В третьем шаге травления ионная компонента разряда удаляет пассивирующий слой полимера со дна канавки, в то время как боковые стенки канавки остаются защищёнными маскирующим слоем полимера. Далее снова проводится стадия травления, и т.д. В результате, травление идёт только в вертикальном направлении с небольшими периодическими подтравами в боковых направлениях.

Изготовление вибрационного элемента на лабораторной установке глубокого плазмохимического травления "Plazma pro'^ площадке НПП "Восток":

Исследован процесс глубокого плазмохимического травления кремния на примере технологического процесса изготовления кристалла вибрационного элемента генератора энергии:

Исходное состояние: на подложку КЭФ 4,5 (100) на обе стороны осаждается Si3N4 толщиной 0,2 мкм газофазным осаждением при T = 600° .

1) Фотолитография непланарной стороны по слою Si3N для формирования рисунка балок шаблоном №1

2) Плазмохимическое травление Si3N4непланарной стороны.

3) Фотолитографияпланарнойстороныпо слою SiзN4Для формирования рисунка балок фотошаблоном №2.

4) Плазмохимическое травление Si3N4 планарная сторона.

5) Анизотропное жидкостное травление Si с планарной и непланарной стороны для формирования балок.

Используемые шаблоны представлены на рис. 1, 2.

К преимуществам процесса можно отнести: проведение процесса при комнатных температурах, высокую селективность к фоторезисту (около 80:1 и более), получение структур с аспектным отношением до 30:1 [2], скорость травления до 20 мкм/мин, а также контролируемый профиль травления [3].

М_|Ц_Vd._Iй!

□ □

Рис. 1. Фотошаблон № 1 для формирования вибрационного элемента:

1 - технологические отверстия для демпфирования; 2 - «Зубцы» для крепления вибрационного элемента к корпусу; 3 - технологические отверстия для клея

3

Рис. 2. Фотошаблон № 2 для формирования вибрационного элемента

Основным недостатком процесса является шероховатость стенок (scallops) в связи с цикличностью процесса.

В основном «Bosch»-процесс используют при изготовлении трехмерных структур с применением технологии формирования глубоких отверстий в кремнии (through-silicon vias, TSV), а также при изготовлении микроэлектромеханических систем (МЭМС).

Основным преимуществом технологии TSV является улучшение характеристик изделий при уменьшении занимаемой площади. Так фирмы Sam-sungElectronics [4] (Южная Корея) и MicronTechnology (США) разработали чипы памяти с применением технологии TSV, пропускная способность которых

увеличена вплоть до 320 ГБ/сек. При этом данные чипы требуют примерно на 70% меньше энергии, чем существующие на данный момент чипы DDR3.

В настоящее время технология формирования глубоких отверстий в кремнии представляет большой интерес для отечественной микроэлектроники. Однако необходимое промышленное оборудование может быть представлено только импортными образцами ведущих разработчиков (Lam Research(США), SPTS technologies(Великобритания)) и имеет большую стоимость.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Ключевые процессы технологии микросистемной техники: плазмохимические процессы глубокого анизотропного травления кремния / И. И. Амиров, О. В. Морозов, В. А. Кальнов, В. Ф. Лукичев, А. А. Орликовский // Нанотехнологии и наноматериалы. -2008. - № 4 (66). - С. 8-13.

2. Oxford Plasma Technology [Электронный ресурс] / «Deep Si Etching at room temperature: the "Bosch" process» - Режим доступа: http://www.oxfordplasma.de/process/sibo_1.htm/. -Загл. с экрана.

3. Samsung begins to produce 64GB DDR4 modules based on TSV chips [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://www.kitguru.net/components/memory/anton-shilov/samsung-begins-to-produce-64gb-ddr4- memory-modules-based-on-tsv-chips/. - Загл. с экрана.

4. Micron's 320GB/sec Hybrid Memory Cube comes to market in 2013, threatens to finally kill DDR SDRAM [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://www.extremetech.com/computing/152465-microns-320gbsec-hybrid-memory-cubecomes-to-market-in-2013-threatens-to-finally-kill-ddr-sdram/. - Загл. с экрана.

© К. О. Андрющенко, Г. В. Перов, 2017