CC BY
208
Байдаров С.Ю.
ФГУП ФНПЦ ПО «Старт», г. Заречный
МИКРОМЕХАНИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ФОРМИРОВАНИЯ ПЬЕЗОКВАРЦЕВЫХ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
1. Пьезокварцевые чувствительные элементы
В микроэлектронных датчиках физических величин (ДФВ), выпускаемых в настоящее время для различных отраслей промышленности, основным функциональным материалом является кремний. Но ему присущи определенные недостатки, которые ограничивают сферу применения кремниевых датчиков. К ним относятся ограниченный температурный диапазон, недостаточная механическая прочность и химическая стойкость. Поэтому, наряду с кремниевыми ДФВ, развиваются и занимают свою определенную нишу частотные датчики, использующие в качестве конструктивного и функционального материала-монокристаллический пьезокварц (SiO2) . Пьезокварц используется в датчиках для формирования ПКЧЭ на основе поверхностно-акустических волн (ПАВ)-ЧЭ, в которых SiO2 является звукопроводом для высокочастотных акустических волн. Кроме того, на рынке присутствуют датчики с ПКЧЭ на основе пьезотрансформаторов и струнных виброчастотных элементов.
Таким образом, пьезокварц, благодаря своей многофункциональности, обладает целым рядом ценных свойств и широко используется в радиоэлектронике, измерительной технике, в связи и навигации. В тоже время, для расширения областей применения, требуется использовать усложненные по форме конструкции пьезокварцевых элементов, что не позволяет использовать чисто механические методы обработки. Для придания пьезокварцевым элементам сложных, объемных форм различной конфигурации, используются формообразующие технологии, основанные на жидкостном, газовом и плазмохимическом методах травления [1 - 4]. Особенно распространены такие технологии при производстве пьезокварцевых чувствительных элементов (ПКЧЭ), используемых в датчиках физических величин [5] . При этом от технологических режимов и стабильности формообразующих технологий напрямую зависят как точность размеров, так и надежность ПКЧЭ. Таким образом, разработка немеханических методов формообразования ПКЧЭ, применительно к ДФВ, особенно используемых в атомной промышленности, является весьма актуальной задачей [6, 7].
При анализе публикаций по методам формообразования структур из монокристаллического кварца можно отметить тенденцию перехода от жидкостных методов травления к «сухим» - плазмохимическим и ионно-плазменным, так же как это происходит и в кремниевой технологии. В первую очередь это объясняется высокой селективностью и разрешающей способностью газовых и плазменных методов травления. Но основными недостатками «сухих» формообразующих методов является сложность и дороговизна используемого технологического оборудования, что зачастую препятствует их использованию в приборостроительном (немассовом) производстве. Потому для небольших размеров ПКЧЭ (порядка 10...1 мм) и невысоких требований по селективности, более технологичным и экономичным методом является жидкостное травление.
2. Формообразующие процессы жидкостного травления
При жидкостном (химическом) травлении используются два вида травителей: изотропный (ИТ) и анизотропный (АТ) . При этом первый тип травителя, имеющий большую скорость травления и равномерный фронт травления, используется главным образом для снятия наружного слоя, образующегося после механической шлифовки и полировки кварцевых пластин.
Для микропрофилирования чувствительных и функциональных элементов преимущественно используются анизотропные травители, которые имеют различие в скорости травления в зависимости от кристаллографических плоскостей и направлений исходной кварцевой пластины [8].
Количественно анизотропия травления может быть выражена коэффициентом анизотропии:
KAH
V
(1)
где vn и Vt соответственно нормальная и тангенциальная составляющие вектора скорости травле-
ния
Фактически Кан равен тангенсу угла наклона боковой стенки канавки (рисунок 1).
V
tgff = — (2)
Vt
В пьезокварце может наблюдаться ступенчатое травление, в результате которого образуется ступенчатый профиль (рисунок 2), который объясняется наличием в монокристаллическом кварце дислокаций различного происхождения [9].
Vn
Vt
Vn
Vt
Vn
Vn
Vt
Рисунок 1 - Конфигурация фигур травления в пьезокварцевых пластинах
V
Рисунок 2 - Ступенчатое травление пьезокварца по дислокациям
Травление по дислокациям имеет аномальный характер, поэтому, специально вводя в кварц дислокации, например,внедрением ионов металлов, облучением образцов энергетическими потоками, деформаци-ейпластин при нагреве и проч., можно достаточно эффективно управлять процессом формообразования.
Путем регулируемого АТ в кварце формируются сквозные и профильные отверстия, прямые и обратные меза-структуры, канавки прямоугольного и V - образного профиля.
Для получения точных размеров с малыми допусками используются фотолитография, при которой в качестве маски при травлении используются пленки металлов: Cu, Cr и их комбинации. Сложные профили ПКЧЭ, используемые для датчиков давлений (рисунок 3) можно получить только с использованием фотолитографии.
1________________п
у// / у
а) ЧЭ с жестким центром б) МембРанный ЧЭ
Рисунок 3 -Пьезокварцевые ЧЭ, получаемые с использованием фотолитографических процессов
Для формирования указанных сложнопрофильных ПКЧЭможет быть использовантравитель состава: бифторид алюминия (БФА) + плавиковая кислота (HF) с весовым соотношением 5г:1г.
При этом скорость травления при 75°С может быть получена:Vtp=0,208 мкм/мин.
Для исключения протравов структур по дефектам кварца, вместо БФА используется фторид алюминия (NH4HF) .
травления 80°Сблестящей поверхности (напыленный) - Cu (галь-
ТравительNH4HF + HF (5:1) позволяет достичьпри температуре травления, при этом скорость травления :VTPmax=2,7 мкм/мин.
В качестве защитной маски была использована биметаллическая маска:Cr ванич.) - Cr (гальванич.) с общей толщиной 5мкм.
При травлении в указанном травителе необходимо учитывать кристаллографическую ориентацию под ложки, иначе могут быть искажения и подтравы формируемых фигур травления (рисунок 4).
Y
Y'
X
Рисунок 4 - Изменение профилей канавок и структур в зависимости от их ширины и кристаллографической ориентации при фиксированном времени травления
Для анизотропных травителей скорость травления по оси Z в десятки раз больше чем по в X и Y (Vtpz=3,9 мкм/мин в травителей + NH4HF при 80°С) .
На рис. 5 в качестве примера практического использования жидкостного АТ приведенаструктура
профилированного фотошаблона, который используется для формирования разнопрофильных полупроводни-новых ЧЭ датчиков давления.
Рисунок 5 Профилированные фотошаблоны, полученные с помощью жидкостного травления
в анизотропномтравителе
3. Ионно-плазменное травление пьезокварцевых чувствительных элементов
При формировании меза-структур микронного размера в пьезокварцевых ЧЭ (ПАВ - структуры, оптоволоконные ЧЭ и проч.) жидкостными методами травления невозможно обеспечить размеры и допуски даже с использованием фотографических процессов.
Поэтому наиболее прогрессивными для микромеханических структур являются «сухие» процессы профилирования, основным из которых является травление пьезокварца с помощью ионных пучков и плазмы: ионно-плазменное травление (ИПТ), технология которого совместима с существующими микроэлектронными технологиями [10].
Физическая сущность ИПТ состоит в распылении материала (пьезокварца) под действием бомбардируемых его ионов инертных газов (физическое распыление) и химических реакций при бомбардировке ионами химически активных газов.
Лучшими по качеству и скорости травления являются фторосодержащие газовые смеси, в частности, наилучшие результаты были достигнуты в смеси (CF4) с кислородом :CF4+O2 в соотношении от 90:10 до 80:20.
В качестве маскирующего покрытия используются пленки металлов Al, Cr, Ni и ряда других.
Физико-математическая модель процесса ИПТ может быть выражена:
h(x, y) = 6,25 ■ 1025 ■ Kp ■ ]и (x, y)t , (3)
где h(x,y) - глубина травления канавки,КР - коэффициент распыления материала (справочная величина), j'h (х,у) - плотность ионного пучка,t-время травления.
Присутствие координат x и у в (3) объясняется анизотропией распыления материала подложки.
Изменяя jиИt по определенным законам, можно получить различные формы поверхностей травления (плоскости, клинья, параболы).
Глубина травления может достигать 100 и более мкм, точность формообразования 5мкм при глубине до 100мкм.
Наличие дефектов на поверхности и материале пьезокварца может привести при ИПТ к увеличению шероховатости (эффект экранирования, различие в коэффициентах распыления), поэтому для улучшения качества травления используют сканирование пучка и изменение угла наклона либо пучка, либо подложки.
С использованием комбинированного травления: жидкостного предварительного и полирующего - ион-но - плазменного, были изготовлены экспериментальные образцы пьезорезонансных датчиков, которые предполагается использовать при измерениях давлений в объектах атомной энергетики [11].
ЛИТЕРАТУРА
1. Мостяев В.А., ДюжиковВ.И. Технология пьезо- и акустоэлектронных устройств / М.: Ягуар,
1993 .
2. Санчак К. Травление кристаллов. Теория, эксперимент, применение. М.: Мир, 1990.
3. Цибизов П.Н., Астахова Т.В. Повышение качества полупроводниковых чувствительных элементов микроэлектронных датчиков давления, путем их группового разделения плазмохимическим травлением. Труды Международного симпозиума «Надежность и качество». 2009.Т2. С.141-143.
4. Киреев В.Ю. Плазмо-химическое и ионно-химическое травление микроструктур / М.: Радио и
связь, 1985.
5. Байдаров С.Ю., Матисон Н. Л Симонов В. Н. Конструктивные методы повышения точности прецизионных пьезорезонансных сенсоров давления // Новые промышленные технологии. - 2010. - № 5. - С. 57 - 61.
6. Байдаров С.Ю., Симонов В. Н., Матисон Н. Л. и др. Прецизионные кварцевые сенсоры давления // Тезисы доклада на конференции по проблемам измерения давления Томск: ОАО «Манотомь», 2010.
7. Байдаров С.Ю., Симонов В. Н., Матисон Н. Л. и др. Пьезорезонансные измерительные системы для работы в жестких условиях // Ядерные информационно-измерительные технологии.- 2011.- № 3. -С. 50-55.
8. Дж. Най Физические свойства кристаллов / М.: Мир, 1967.
9. Стасевич В.Н. Технология монокристаллов / М.: Радио и связь, 1990.
10. Байдаров С.Ю., Михайлов П. Г, Мокров Е. А. Изготовление неразъемных узлов микроэлектронных датчиков Контроль. Диагностика. - 2011. - № 7. - С. 33-39
11. БайдаровС.Ю., Матисон Н. Л., Симонов В. Н.// Патент РФ на полезную модель № 108140. Зарегистрирован 10.09.2011г.
