Совершенствование технологии мембранных МЭМС

Введение

Категория микроэлектромеханических систем (МЭМС) объединяет множество микроустройств самых разнообразных конструкций и назначения, производимых с использованием модифицированных групповых технологических приемов микроэлектроники. Объединяет их еще два признака: первый — это размер, а второй — наличие движущихся частей и предназначение к механическим действиям [5].

Сейчас МЭМС-технологии применяются для изготовления различных датчиков: акселерометров, датчиков давления и концентрации газа, потока воздуха, микрореакторов и др. (рис. 1), а также для создания датчиков угловых скоростей, магнитометрических и барометрических датчиков, анализаторов биосред [2].

К МЭМС относят механические устройства размером от 1 до 100 мкм, поэтому в таком масштабе законы классической механики не всегда применимы. Поскольку отношение поверхности к объему для МЭМС на порядки больше, чем для макроскопических механических устройств, особое значение приобретают поверхностные эффекты, связанные с трением, электростатическими взаимодействиями и смачиваемостью. При производстве МЭМС используется большое количество технологических приемов, заимствованных из микроэлектроники. Это позволяет, при относительно низких затратах, реализовывать на полупроводниковом чипе системы, беспрецедентные по уровню сложности, функциональности и надежности [3].

Основным материалом для изготовления МЭМС является кремний, что связано с его хорошими механическими свойствами и отработанной технологией структурирования, которая необходима при создании современных интегральных схем и изделий микроэлектроники. Все это позволяет интегрировать МЭМС с уже существующими электронными компонентами. Распространенность, доступность дешевых высококачественных материалов и способность к применению в электронных схемах делает кремний привлекательным и при изготовлении МЭМС. Кремний имеет значительные преимущества перед другими материалами благодаря своим физическим свойствам.

Рис. 1. МЭМС-датчики:
а) концентрации газа фирмы Figaro;
б) потока газа фирмы Honeywell;
в) микрореактор фирмы Motorola

Кремний очень надежен при сверхчастых движениях, так как он обладает очень малой усталостью и может работать в диапазоне от миллиардов до триллионов циклов без разрушения.

Изготовление МЭМС дешевле традиционной сборочной технологии, поскольку при их создании расходуется меньше материала, а промышленное производство является параллельным процессом, при котором за один цикл на одной кремниевой пластине можно произвести сразу сотни готовых устройств. Кроме того, при создании сложных устройств, состоящих из множества компонентов, МЭМСтехнология позволяет повысить надежность (поскольку все компоненты интегрированы в корпусе или на кристалле) и эффективность (так как компоненты расходуют мало энергии вследствие своего микроскопического размера и близкого расположения элементов).

Базовые технологии мембранных МЭМС

Основные методы получения МЭМС на основе кремния — это осаждение слоев материала и структурирование этих слоев с помощью фотолитографии и травления для создания требуемого профиля. Как правило, групповая технология используется при осаждении пленок, оптической литографии, гальванике или травлении, когда одновременно обрабатывается большое количество элементов и ручное вмешательство либо вообще не требуется, либо незначительно.

Так как микросистемы имеют крошечные размеры, издержки на материалы малы, а это означает, что производственные затраты низкие, несмотря на то, что накладываются особые требования на необходимую чистоту материалов, а также точность производственного оборудования. Кроме того, высоких издержек требуют обслуживание и контроль (например, управление производственным процессом, контроль нанесения покрытия). В классическом варианте изготовления кремниевых МЭМС именно сборка и корпусирование вносят от 50 до 90% в себестоимость изделия. Как и для других современных высокотехнологических изделий, для МЭМС определяющим фактором рыночного успеха является отношение цена/качество [3]. А важнейшим требованием, предъявляемым к МЭМС массового применения, является выполнение соотношения «низкая цена/высокий объем производства».

В конструкции таких устройств используются многослойные мембранные композиции материалов, отличающиеся по структуре, составу, механическим, электрическим и теплофизическим свойствам (рис. 2). Основным элементом мембранных микромеханических датчиков является тонкостенная мембрана, базовые технологии для формирования которой включают:

• химическое (жидкостное) и плазмохимическое (сухое) травление кремния на всю толщину подложки;
• химическое осаждение из газовой фазы слоев поликристаллического кремния, а также диэлектрических слоев с заданными механическими свойствами;
• нанесение в вакууме металлических слоев с заданными электрофизическими и механическими свойствами.

Рис. 2. Структура высокотемпературного датчика

Мембраны высокотемпературных датчиков должны состоять из слоев, которые по структуре и составу, механическим, электрическим и теплофизическим свойствам способны обеспечить их работу в условиях повышенной температуры. Технология изготовления мембранных устройств включает в себя базовые процессы микроэлектроники для получения материалов, композиций слоев и методы объемной поверхностной тонкой микромеханики для формирования многослойных мембран с низкими остаточными напряжениями для широкой номенклатуры датчиков [4].

Сухое травление применяют для селективного удаления немаскированных участков поверхности. Особенности процесса заключаются в том, что этот процесс можно комбинировать с технологией тонких пленок и технологией КМОП.

Перед началом работы мембранного датчика (например, концентрации газа) на нагреватель подается напряжение питания, вследствие чего происходит разогрев газочувствительного элемента до рабочей температуры. В качестве материала нагревателя в зависимости от рабочей температуры можно использовать пленки поликристаллического кремния (ПКК), платины или никеля.

Большой интерес представляет изучение влияния легирования на остаточные напряжения, а также возможность использования легированных пленок поликристаллического кремния. Основными параметрами, влияющими на структуру пленок и величину остаточных напряжений, являются температура осаждения, а также загонка и разгонка легирующих примесей в процессах термической диффузии [5].

При температуре осаждения менее 850 К формируются аморфные пленки кремния с отдельными вкраплениями кристаллитов (рис. 3а), а при температуре более 870 К пленки имеют кристаллическую структуру с размерами зерна до 200 нм (рис. 3б). Для получения однородной пленки на поверхности каждой подложки необходимо, чтобы процесс осаждения был выполнен в определенном режиме при точном температурном контроле.

Рис. 3. Структура пленки поликристаллического кремния при различной температуре осаждения: а) ниже 850 К; б) выше 870 К

Режим осаждения пленок ПКК:

• температура осаждения: 888 К,
• скорость подачи силана: 6 л/ч,
• общее давление в реакторе (Р): 40 Па,
• скорость осаждения (V): 4–8 нм/мин.

На рис. 4 представлена зависимость остаточных напряжений в пленке ПКК от температуры осаждения, легирования и температуры последующего отжига.

Рис. 4. Зависимость величины остаточных напряжений в пленках ПКК от температуры осаждения, отжига и легирования: 1 — с отжигом при Т = 1273 К; 2 — с легированием бором; 3 — с легированием бором и отжигом; 4 — без легирования и отжига

Пленки ПКК, нанесенные методом химического осаждения из газовой фазы, при пониженном давлении (40 ±5 Па) обладают остаточными напряжениями растяжения или сжатия в зависимости от условий осаждения (рис. 4). Пленки ПКК имеют внутренние остаточные напряжения, величина которых зависит от режимов процесса получения и последующего отжига. Выращенные методом химического осаждения из газовой фазы при таких режимах пленки ПКК имеют регулярную столбчатую структуру кристаллитов с размерами 500–600 A. Этот режим обеспечивает конформное покрытие ступенек, что является важным аспектом в многослойной поверхностной микромеханической обработке.

В технологическом процессе формирования МЭМС пленки ПКК, как правило, подвергаются одному или нескольким высокотемпературным (более 1123 К) процессам обработки после осаждения (например, легирование, окисление, отжиг). Эти высокотемпературные операции могут вызвать процессы перекристаллизации в пленках ПКК и привести к изменению кристаллографической ориентации зерен пленки и существенному увеличению среднего размера зерна.

Наиболее качественными для нагревателей будут пленки ПКК кремния в многослойной мембране, наносимые на диэлектрическую пленку нитрида кремния, имеющую остаточные напряжения растяжения 20–50 МПа, полученные с последующим легированием бором до сопротивления 6–10 Ом. Режимы получения таких пленок следующие:

• температура осаждения: 888 К,
• скорость подачи силана: 6 л/ч,
• общее давление в реакторе (Р): 40 Па,
• скорость осаждения (V): 4–8 нм/мин.,
• температура отжига: 1123 К [5].

Остаточные напряжения пленок поликристаллического кремния, сформированных по этому режиму, составляют 12 МПа (напряжение сжатия), что хорошо согласуется с остаточными напряжениями пленки нитрида кремния (20–50 МПа, напряжение растяжения).

формирование компенсационного слоя диоксида кремния

При формировании мембран приборов МЭМС с рабочей температурой до 700 К в качестве материала нагревателя можно применять пленки Ni (это недорого). Остаточные напряжения в пленках Ni — порядка +480 МПа. Эти напряжения необходимо компенсировать. В качестве компенсационного слоя могут быть использованы пленки диоксида кремния, полученные химическим осаждением из газовой фазы с плазменной активацией процесса (PECVD-методом). Увеличение содержания кремния в пленках, которое определяется скоростью потока SiH₄, позволяет получить пленки диоксида кремния с остаточным напряжением 480 МПа, которые могут быть использованы в качестве компенсационного слоя при формировании мембран приборов МЭМС.

В качестве реагентов при осаждении диоксида кремния использовались силан и закись азота:

SiH₄+2N₂O→SiO₂+2N₂+2H₂.

Окислителем является закись азота, препятствующая зародышеобразованию в газовой фазе и связанной с этим дефектностью диоксида кремния.

Исследовано влияние режимов осаждения (скорости потоков рабочих газов, мощности ВЧ-генератора, рабочего давления) на остаточные напряжения в пленках диоксида кремния, сформированных химическим осаждением из газовой фазы с плазменной активацией процесса. На рис. 5а представлена зависимость остаточных напряжений в пленке диоксида кремния при изменении толщины пленки. Как видно, пленки имеют остаточные напряжения сжатия, величина которых с ростом толщины пленки увеличивается. При толщине пленки диоксида кремния 0,1 мкм напряжения сжатия порядка –80 МПа, а при толщине 1,05 мкм они достигают значения –480 МПа. С ростом общего давления в реакторе напряжение сжатия в пленке диоксида кремния также увеличивается (рис. 5б).

Рис. 5. Зависимость остаточных напряжений: а) от толщины пленки диоксида кремния; б) в пленке диоксида кремния от рабочего давления; в) в пленке диоксида кремния от соотношения рабочих газов N2O/SiH4

Пленки диоксида кремния, полученные осаждением из газовой фазы PECVD-методом при температуре подложки 620 ±3 К, травятся в буферных травителях фтористоводородной кислоты со скоростью 100 ±5 нм/мин. Скорость травления диоксида кремния, легированного фосфором и полученного при температуре 720 ±3 К, составляет 200 ±5 нм/мин., а скорость травления пленки диоксида кремния, полученного при температуре выше 1123 К, составляет 60–80 нм/мин., но высокая температура их формирования увеличивает стоимость процесса.

Плотность пленок диоксида кремния можно косвенно оценивать по скорости их травления в растворах плавиковой кислоты. Таким образом, для пассивации предпочтительнее использовать пленки диоксида кремния, полученные осаждением из газовой фазы при температуре 620 ±3 К, так как их плотность выше, чем у пленок, легированных фосфором.

На рис. 5в представлена зависимость остаточных напряжений в пленках диоксида кремния, сформированных PECVD-методом, от соотношения рабочих газов N₂O/SiH₄. Анализ показал, что при росте содержания азота в пленке остаточные напряжения увеличиваются. Величина остаточных напряжений слоя уменьшается с увеличением SiH₄ в соотношении N₂O/SiH₄.

Режим осаждения при использовании в качестве компенсационного слоя для МЭМС:

• толщина: 1 ±0,1 мкм;
• рабочее давление: 90 ±2 Па;
• температура: 623 ±3 К;
• соотношение N₂O/SiH₄: 60/1.

При выборе технологических режимов формирования пленок диоксида кремния PECVD-методом учитывают следующее:

• • Повышение давления в реакционной камере с 50 до 90 Па увеличивает скорость осаждения с 13 до 33 нм/мин., что делает процесс более производительным, однако приводит к увеличению остаточных напряжений сжатия в пленках диоксида кремния с –80 до –210 МПа;
  • Уменьшение величины соотношения рабочих газов NO₂/SiH₄(за счет увеличения скорости потока SiH₄) с 60 до 15 позволяет варьировать величину остаточных напряжений в пленках диоксида кремния с –480 до –80 МПа.

• Пленки диоксида кремния, сформированные из газовой фазы PECVD-методом, имеют остаточные напряжения сжатия, величина которых с ростом толщины пленок с 0,1 до 1,1 мкм увеличивается с –135 до –480 МПа.

Режим формирования пленок диоксида кремния в качестве компенсационного слоя для многослойной мембранной структуры с Ni нагревателем следующий:

• температура осаждения: 623 ±3 К;
• давление в реакционной камере: 50 ±2 Па;
• соотношение рабочих газов NO₂/SiH₄: 60/1;
• толщина: 1 ±0,1 мкм;
• величина остаточных напряжений сжатия: 480 МПа.

На рис. 6 представлена мембрана, состоящая из пленки нитрида кремния толщиной 1,2 мкм, резистивного слоя на основе пленки Ni 0,25 мкм, пассивирующей пленки нитрида кремния, полученной PECVD-методом без локально компенсирующей пленки диоксида кремния (рис. 6а) и с локально компенсирующей напряжения пленки диоксида кремния, сформированной PECVD-методом, толщиной 1,1 мкм (рис. 6б).

Рис. 6. Мембрана с резистивным слоем Ni: а) с пассивирующим слоем; б) с пассивирующим и локально компенсирующим слоем

При использовании в качестве резистивного слоя пленки Pt (при сравнении с Ni) необходимо решать задачу улучшения адгезии. Существующие методы улучшения адгезии, например использование в качестве подслоя Ti, Ta, Va, Cr, у высокотемпературных датчиков неприемлемы, так как это приводит к снижению стабильности работы и ухудшению электрических параметров (ТКС, R). Метод подготовки поверхности Al₂O₃ перед нанесением Pt путем ионно-лучевой обработки ионами Ar позволяет улучшить адгезию [6].

На рис. 7 представлена фотография разреза структуры, где пленка Pt наносилась на пленку Al₂O₃ после ионно-лучевой обработки при ускоряющем напряжении 3 кВ и плотности постоянного тока 0,3 мА/см₂ в течение 10 мин. Заметно, что платина проникает вглубь пор. датчики Проверкой усилия на отрыв подтверждено улучшение адгезии Pt к Al₂O₃. Усилие составило более 20 г с последующим разрывом золотой проволоки диаметром 30 мкм.

Рис. 7. Структура «пленка Pt – пленка Al2O3» после ионно-лучевой обработки

Таким образом, для формирования прочной пленки нитрида кремния методом химического осаждения из газовой фазы при пониженном давлении соотношение SiH₂Cl₂/NH₃ в объемном расходе газовой смеси SiH₂Cl₂+NH₃ должно быть 4/1, что дает возможность получения пленок нитрида кремния толщиной 0,8–1,2 мкм с остаточными напряжениями, не превышающими 20–50 МПа. Такие пленки могут использоваться как элементы мембран микроэлектромеханических систем без дополнительных слоев SiO₂. Показатель преломления может служить критерием для оперативной оценки соотношения компонентов Si/N и величины остаточных напряжений в пленках нитрида кремния. При формировании пленок диоксида кремния PECVD-методом необходимо выбирать режимы, позволяющие получать пленки с остаточными напряжениями, противоположными по знаку и равными по величине остаточным напряжениям в пленке Ni, для использования в качестве локального компенсационного слоя при формировании мембран приборов МЭМС с нагревателем на основе резистивного слоя Ni.

Заключение

Предложенные режимы формирования пленок диоксида кремния PECVD-методом позволяют получать пленки с остаточными напряжениями σ_сжат = –480 МПа, которые могут быть использованы в качестве компенсационного слоя при формировании мембран приборов МЭМС с нагревателем на основе резистивного слоя Ni.

В случае использования в качестве резистивного слоя пленок Pt предложен метод подготовки поверхности Al₂O₃ перед нанесением пленки Pt, заключающийся в ионнолучевой обработке ионами аргона, что обеспечивает вскрытие поверхностных пор с увеличением их размера до 0,02 мкм в поперечном сечении и повышает адгезию Pt к Al₂O₃ в 2–3 раза (толщина пленки Al₂O₃,4 ±0,04 мкм, диаметр пор 20 нм, толщина пленки платины 0,4 ±0,04 мкм) по сравнению с обработкой в ортофосфорной кислоте за счет увеличения площади физического контакта 5–6 раз при проникновении Pt вглубь пор Al₂O₃.