Методика расчета емкостного интерфейса микромеханического акселерометра

1.1 Выбор методики расчета

Схема емкостного микроакселерометра показана на рисунке 1.

Ускорение определяется исходя из смещения чувствительного элемента, которое может быть измерено различными путями. Для технологии емкостных датчиков, смещение определяется измерением изменения емкости между чувствительным элементом и соседними неподвижными электродами. Низкая паразитная емкость, достигнутая благодаря единой интеграции - ключ к улучшению чувствительности этой технологии.

Рисунок 1. Образец конструкции

Часто используемый емкостный чувствительный интерфейс - односторонний полумостовой интерфейс, показан на Рисунке 1.1 (а). Изменение в емкости может быть измерено, путём запитывания концов мостика и используя центральный узел как выход. Полностью дифференциальные интерфейсы всегда предпочитаются их односторонним аналогам из-за лучшего подавления помех электропитания и в первую очередь нейтрализации соединений подложки.

В некоторых разработках смещение определяется емкостным полумостиком, модуляцией центрального узла (то есть, чувствит. элемента) и подсоединением двух неподвижных концов к различным частям чувствительного интерфейса (рисунок 1.1 (б)). Так как в этом случае есть только один модуляционный узел вместо двух дифференцированных, во входных узлах дифференциального интерфейса появится существенный синфазный сигнал.

Эта схема требует наличия на входе специальной схемы обратной связи синфазного сигнала, чтобы улучшить ослабление соотношения синфазного сигнала на входе и динамический диапазон, однако, за счет дополнительного шума и сокращения ширины полосы пропускания частот.

(а) (б) (в)

Рисунок 1.1Различные схемы емкостных чувствительных интерфейсов

Рассогласование между двумя паразитными конденсаторами (C_p1, C_p2) приводит к смещению, которое может стать солидным источником ухода при изменениях окружающих условий.

Полностью дифференциальный емкостный мостовой интерфейс, показанный на рисунке 1.1 (в), описан в этом разделе. Используя преимущества многочисленных проводников в структурном слое, эта конструкция может приблизительно удвоить чувствительность топологии полумостика с тем же самым значением чувствительной емкости. Поскольку интерфейс является действительно полностью дифференциальным, может быть достигнуто, очень высокое значение коэффициента ослабления синфазного сигнала на выходе.

Нет никакой необходимости в дополнительной электрической схеме для обратной связи синфазного сигнала на входах чувствительной электроники.

Жёсткая рамка, включенная в конструкцию чувствительного элемента, обеспечивает минимизацию паразитной емкости, от сигнального тракта до подложки, а также позволяет применить методику согласования изгиба подвижных и неподвижных зубцов гребенки.

Для обеспечения обратной связи и в целях самопроверки, четыре электростатических привода помещены в углы датчика. Зубцы гребенки обратной связи отделены от чувствительных зубцов гребенки для упрощения разработки синхроимпульсов и минимизации возможных пробоев.

1.2 Методика расчета пружин

Гибкий U - образный упругий элемент показан на Рисунке 1.2. Преимущество данной конструкции в том, что она позволяет избавиться от остаточного напряжения, которое не будет воздействовать на жёсткость пружины. Та же самая конструкция с большим количеством витков позволяет получить более низкий коэффициент жёсткости пружины, и таким образом более высокую чувствительность. Коэффициент жесткости такой пружины находится как:

(1,1)

где E - Модуль продольной упругости (модуль Юнга), h - толщина, w - ширина, и l - длина пружинной структуры.

Рисунок 1.2 U- образная пружина

Чтобы иметь устойчивые параметры датчика, жёсткость пружины нужно хорошо контролировать. Согласно вышеприведённой формуле, коэффициент жёсткости пружины в пропорции к третьей степени ширины, которая и является ключевым параметром, который необходимо контролировать.

1.3 Методика расчета коэффициента демпфирования

В разработке присутствуют два механизма демпфирования.

1) Внутреннее демпфирование вызвано перемещениями структурных слоёв.

2) Вязкое воздушное демпфирование, которое, при атмосферном давлении, является величиной на несколько порядков более высокой, чем внутреннее. Демпфирование, вызванное воздушным потоком, между подвижными и неподвижными зубцами гребенки, а также на краях чувствительного элемента - это главный источник демпфирования.

Так как чувствительный элемент находится выше подложки, демпфирование потоком Кутта, появляющееся в результате движения воздуха между параллельными пластинами, является относительно малым. Для акселерометра демпфирование газовой пленкой, которое происходит, когда изменяется воздушный зазор между двумя близко расположенными параллельными поверхностями, также не является ощутимо высоким. Поток Хагена - Пуазейля, описывает демпфирование в узких зазорах. Коэффициент демпфирования между статором и зубцом гребенки вычисляют по формуле:

(1,2)

Где ? - эффективная вязкость воздуха, t - толщина зубца гребенки, d - зазор зубца гребенки, и l - длина зубца гребенки. При 760 мм.рт.ст.20^oC ? = 1.56e-5 кг/м.с. Для симметричной разработки с 28 щелями, расчетный коэффициент демпфирования - 2.7x10-6кг/с, и соответствующая ему добротность Q = 7, которая является близкой к взвешенному значению Q = 8. Уменьшение коэффициента демпфирования, изменением размера зубца гребенки или зазора разнится с задачей увеличения чувствительности. Вакуумная упаковка может значительно уменьшить демпфирование и увеличить добротность.

1.4 Методика расчета компенсирующего градиента

Из-за природы композита структурных слоёв КМОП-МЭМС, структуры испытывают большие значения вертикального градиента напряжения, чем при использовании отработанных технологий поликристаллического кремния. Типичный радиус кривизны структурного слоя может быть относительно малым, приблизительно 4 мм, по сравнению с классической технологией поликристаллического кремния в МЭМС где радиус кривизны может достигать 800 мм.

С заданным радиусом кривизны и длиной зубца, смещение конца зубца, вызванное изгибом будет:

 (1.3)

Например, для R=4мм, и l=200мм, зубец отклоняется от плоскости на 5 мкм, что соответствует толщине зубца гребенки равной 5мкм в технологии КМОП-МЭМС.

Рисунок 1.3 Методика согласования изгиба

Рисунок 1.3 (a) иллюстрирует два встречнонаправленных пальца гребенки, закрепленных на подложке в противоположных концах. Если зубцы гребенки достаточно длинны, тогда оба зубца изогнутся относительно плоскости. Точно так же в акселерометре, и подвижные зубцы гребенки и неподвижные зубцы гребенки изогнутся относительно плоскости и друг друга, тем самым, уменьшая эффективную чувствительную емкость.

Кроме того, рассогласование может сильно изменяться в зависимости от изменений окружающей среды, таких как температура и влажность, тем самым, увеличивая полный уход датчика. К сожалению, попытки решить проблему изгиба, ограничивая размер структуры, приводят к уменьшению эффективной массы и увеличению уровня Броуновского шума. Таким образом, подтверждается необходимость в специальной методике нацеленной на хорошее согласование изгиба. Если структура модифицирована так, как показано на рисунке 1.3 (б), закрепление правого пальца гребенки на структуре, приводит его изгиб в соответствие с левым пальцем гребенки, то есть встречнонаправленные пальцы гребенки будут изгибаться, вне плоскости совмещёнными, а это позволяет добиться хорошего согласования при изгибе.

Для достижения совмещения при изгибе, в акселерометре, и пружины и зубцы гребенки статора закреплены на жёсткой рамке, а не на подложке. Жёсткая рамка, пружины, чувствительный элемент, зубцы гребенки ротора и зубцы гребенки статора сделаны таким образом, чтобы одинаково выдерживать градиент напряжения.

Жёсткая рамка позволяет снизить паразитную емкость. Дополнительно появляется возможность контроля в микро - печке. Так как жёсткая рамка термически изолирует чувствительный элемент от других частей на микросхеме, это позволяет избежать эффектов перепада температур на пружинах подвеса.

Рамка должна быть значительно более твердой по сравнению с пружинами, иначе зубцы гребенки статора могут сместиться под воздействием входного ускорения.

2. Емкостной интерфейс акселерометра

В акселерометре, для определения положения чувствительного элемента по отношению к основанию в процессе измерения применен емкостной мост. Эта система является наиболее распространённой в инерциальных датчиках. Отличительной особенностью примененного в проектируемом акселерометре емкостного моста является его конструктивная реализация из большого числа подвижных обкладок, выполненных по поверхностной технологии.

Он обеспечивает хорошее согласование с остальной электронной схемой, подавляет синфазный сигнал, при этом исчезает потребность в применении схем обратной связи по синфазному сигналу во входном каскаде.

Многослойная структура технологически легкоосуществима.

Узлы считывания связаны с неподвижными зубцами, а узлы модуляции связаны с зубцами гребенки ротора чувствительного элемента. Так как рамка механически связана с подложкой, коммутационные провода - короткие. Эта топология уменьшает паразитную емкость с подложкой и предотвращает смешение с другими сигналами, такими как модуляционные сигналы и сигналы возбуждения.

Электрическая схема измерительной части представлена на рисунке 2.

Рисунок 2. Электрическая схема измерительного канала акселерометра

Симметричная топология (рисунок 2) имеет преимущества в простоте и меньшем количестве паразитной емкости, но при этом ускорение по перекрёстной оси продуцирует на выход паразитный синфазный сигнал.

2.1 Методика расчет параметров емкостного датчика

Полная емкость зазора может быть рассчитана как

(2.1)

где C_{m_air} - емкость зазора с металлической поверхностью, C_{d_air} - емкость зазора с диэлектрической поверхностью, и C_d - диэлектрический конденсатор. Сравнивая габариты и разницу диэлектрических постоянных двух типов емкостей видно что, C_d - величина большего порядка, чем C_{d_air}, а значит приблизительно, общая ёмкость зазора равна сумме C_{m_air} и C_{d_air}, что является близким к емкости зазора гомогенных зубцов гребенки.

(а)Сечение зубцов гребёнки (б) Эквивалентная ёмкость

Рисунок 2.1 Емкость зазора композитных зубцов гребёнки

Рисунок 2.2 Различные типы ёмкости зазора

Емкость на единицу длины может быть более точно определена при использовании анализатора электростатического конечного элемента Ansoft Maxwell. Рисунок 2.2 показывает расчёт емкости зазора для КМОП-МЭМС и зубцов гребенки из гомогенного поликристаллического кремния с одинаковыми поперечными сечениями.

Для расчёта, необходима точная схема емкостного интерфейса, которая учитывает все паразитные элементы и связи. Емкостный интерфейс в данной разработке весьма прост и близок к идеалу.

Рисунок 2.3 Схема емкостного интерфейса

Паразитные элементы являются малыми, и потребность в заземляющем экране отсутствует. Сопротивление от соединений является незначительным. На рисунке 2.3, главные паразитные конденсаторы - те, что между участками считывания сигнала и подложкой, C_{p_sub1} и C_{p_sub2}, и между двумя участками считывания, C_{p_cr}. Емкость перекрёстных помех, C_{p_cr} увеличена в конструкции с общим центром тяжести, из-за наложения двух сигнальных участков. Эффективное полное значение этих паразитных конденсаторов - около 70fF, что является величиной того же порядка, что и полная емкость считывания.

Паразитная емкость диодов и входных буферных транзисторов является относительно малой, меньше чем 5fF.

Выходное напряжение определяется как:

(2.2)

2.2 Чувствительность датчика

Чувствительность датчика определена соотношением выходного напряжения к входному ускорению. Мы можем разделить это соотношение на три условия, которые содержат больше физического смысла:

(2.3)

Увеличение чувствительности может быть получено, увеличением эффективной массы, и модуляционного напряжения, или уменьшением коэффициента жёсткости пружины k, зазора зубца гребенки, и соотношения полезной емкости к паразитной. Так как m и d ограничены технологическим процессом, чувствительность наиболее эффективно увеличивается при настройке значений k и V_m.

Как было сказано в Разделе 1.2, коэффициент жесткости пружины k может быть уменьшен, увеличением кол-ва витков пружины, однако, большое количество витков имеет тенденцию увеличивать чувствительность по перекрёстной оси, и уменьшать добротность.

Рисунок 2.4 Электростатические силы между зубцами гребёнки

Часть III: Технологический процесс производства микроакселерометра

1. Технологический процесс производства микроакселерометра

1.1 Описание конструкции микромеханического акселерометра

Микромеханический акселерометр, разработанный в дипломном проекте, имеет простое конструктивное оформление и протравливается по одному из вариантов «поверхностной» (surface) технологии, применяемой в производстве МЭМС.

Отличительной особенностью этих МЭМС является то, что их конструкционные элементы представляют собой осаждаемые пиролитически или из газовой среды тонкие плёнки поликремния, а также нитрида Si₃N₄ и оксида кремния SiO₂. Толщина этих плёнок, а следовательно и элементов конструкции этих МЭМС не превышает по технологическим причинам 10мкм. Как правило, она составляет 2-5 мкм. Таким образом «поверхностная» технология позволяет создавать МЭМС на порядок меньше по размерам, по сравнению с МЭМС, изготовленными по технологии травления.

Конструкция разработанного акселерометра включает три основных элемента:

- основание - фрагмент стандартной монокристаллической кремниевой пластины (толщина 1000-2000 мкм) покрытого изолирующей плёнкой из нитрида кремния Si₃N₄ (толщина 0,5-0,8 мкм)

- рама из поликристаллического кремния, закрепленная в 6^ти точках на основании, технологически интегрированная с чувствительным элементом

- неподвижные обкладки емкостного датчика положения

Принципы работы такого одноосного акселерометра состоят в следующем:

при ускоренном движении основания (подложки), в случае, если вектор ускорения имеет составляющую, совпадающую с осью чувствительности акселерометра, чувствительный элемент под действием силы инерции отклоняется вдоль оси чувствительности. В U -образных элементах упругого подвеса ЧЭ возникает противодействующая упругая сила, пропорциональная перемещению, пропорциональная силе инерции и, естественно, ускорению объекта.

Конструктивно объединённые с ЧЭ подвижные пластины емкостного датчика смещаются при этом относительно неподвижных обкладок, расположенных на основании.

Акселерометр этой конструкции может работать как в режиме прямого измерения (разомкнутый режим), так и по компенсационной схеме (в режиме с обратной связью по отклонению чувствительного элемента).

1.2 Описание технологических операций

1.2.1 Осаждение пленок

Перед началом проведения операции по осаждению пленок, необходимо провести подготовительные операции. Одной из основных таких операций является очистка поверхности пластин (более подробно об этом изложено в разделе «1.2.7 Загрязнения и борьба с ними».)

В дипломном проекте применяется пиролитическое осаждение SiO2. Пиролитическое осаждение используется для получения толстых слоев оксида кремния при низких температурах, т.к. термическое окисление неприемлемо из-за существенного изменения параметров предшествующих диффузионных слоев. Пиролитическое осаждение обеспечивает большую производительность, высокую равномерность слоев, качественное покрытие уступов металлизации и позволяет создавать изолирующие и пассивирующие слои Si3N4 и поликремния.

При пиролитическом осаждении оксида кремния происходит термическое разложение сложных соединений кремния с выделением SiO2.

Основное назначение пленок SiO2 толщиной более 0,2 мкм - создание маски, необходимой при локальной обработке поверхности полупроводниковых пластин для предохранения части поверхности пластин от диффузии основных легирующих примесей.

Более высокие маскирующие свойства имеют пленки Si3N4

толщиной > 0,1 мкм. Они препятствуют диффузии в пластину. Нитрид кремния применяют также для создания маски при травлении поверхности кремния и пленок SiO2, а также в качестве защитного слоя.

Пиролитическое осаждение предполагается проводить в типовом оборудовании. В качестве примера приведу описание установки для пиролитического осаждения SiO2 - "Изотрон" (рисунок 1). Конструктивно установка представляет собой трехтрубную диффузионную печь и имеет реакторы (3) с горячими стенками, работающие при пониженном давлении в режиме непрерывной откачки их объема. Нагревательный элемент (10) состоит из трех секций. Пластины устанавливают в кассету (2) вертикально по всей длине рабочей зоны, равной 600 мм.

Газовая смесь поступает с одного конца реактора и откачивается с другого. Предельное разряжение в реакторе установки не выше ~ 0,7 Па, рабочее давление при напуске газов варьируется в пределах от 13 до 670 Па.

Рисунок 1. Схема установки для пиролитического осаждения SiO2

Система откачки реактора имеет диффузионный (7) и масляный (8) с очистителем (9) насосы, фильтры (6), кран впуска азота (5) и заглушку (4). Датчик (1) позволяет контролировать давление в реакторе. Установка работает в автоматическом режиме, основные параметры выводятся на ЭВМ.

В таких устройствах скорость осаждения SiO2 составляет ~ 0,2 мкм/ч,

ФСС - 0,7 0,8 мкм/ч. Наиболее важными факторами, определяющими скорость осаждения, являются температура пластин, состав и расход газов, а также давление в реакторе.

Пленки SiO2, полученные пиролитическим осаждением, имеют более высокую пористость, чем при термическом окислении, однако в них ниже уровень механических напряжений.

1.2.2 Операция травления

В дипломном проекте применяется операция травления - плазмохимическим методом.

При плазмохимическом травлении поверхности полупроводниковых пластин обрабатываются химически активными атомами или радикалами, поступающими из высокочастотной газоразрядной плазмы в пять этапов:

- доставка молекул активного газа в зону разряда;

- превращение этих молекул в активные радикалы под воздействием электронов в плазме разряда;

- доставка радикалов к поверхности материала, подвергаемого травлению;

- взаимодействие радикалов с поверхностью материала (адсорбция, химические реакции и десорбция);

- отвод продуктов реакции из рабочей камеры.

Для плазмохимического травления кремния используют газовые смеси соединений углерода и серы с галогенами фреона и кислорода или азота. Последние служат для разбавления, обеспечения селективности и анизотропности травления. При использовании смеси фреона-14 (CF4) с 2-8% кислорода под действием высокочастотного электрического поля происходит диссоциация фреона-14:

где F* - возбужденный атом фтора; - положительно заряженный радикал; e - электрон. Атом фтора взаимодействует с кремнием, образуя летучее соединение SiF4, которое легко удаляется из рабочей камеры.

При введение в газовую смесь кислорода резко увеличивается скорость плазмохимического травления благодаря образованию радикалов COF, которые диссоциируют

и повышают концентрацию возбужденных атомов фтора.

Для выполнения плазмохимической обработки пластин кремния используется плазмохимический реактор TEGAL 803.

1.2.3 Обработка поверхности подложек

Необходимо помнить, что качество процесса фотолитографии во многом определяется механическим и физико-химическим состоянием поверхности подложек.

Механическое состояние поверхности подложек влияет на точность получения элементов рисунка, поэтому любые неровности, микробугорки, впадины царапины и риски приводят к искажению. Кроме того, при нанесении слоя фоторезиста эти дефекты вызывают появление пузырьков или проколов в слое фоторезиста.

Необходимое качество поверхности подложек обеспечивается на начальных стадиях их изготовления механической обработкой: резкой слитков на пластины, шлифовкой и полировкой пластин, в результате которой их поверхность доводится до зеркального блеска и приобретает идеальную плоскостность и плоскопараллельность.

Физико-химическое состояние поверхности подложек влияет на ее смачиваемость и адгезию фоторезиста. Поэтому на рабочих поверхностях подложек не должно быть инородных частиц, а также адсорбированных атомов и ионов жидкостей газов. Так как большинство фоторезистов содержит в своей основе полимеры, обладающие гидрофобными свойствами, то и поверхность подложек должна быть гидрофобной.

Критерием оценки состояния поверхности подложки может служить краевой угол ее смачивания каплей деионизированной воды. Если капля воды растекается, то поверхность подложки, т.е. ее угол смачивания менее 40^о, такую поверхность называют гидрофильной. Поверхность, на которой капля воды не растекается и образует угол смачивания более 90^о, называется гидрофобной.

При фотолитографии необходимо, чтобы поверхность подложек была гидрофильна к фоторезисту и гидрофобна к травителю, тогда вытравливаемый рисунок будет точно повторять рисунок фотошаблона.

Перед нанесением слоя фоторезиста или полупроводниковые подложки для удаления органических загрязнений обрабатывают в химических реактивах, а затем подвергают гидромеханической отмывке.

Поверхность подложек с выращенными термическим окислением пленками SiO₂ сразу после образования пленки гидрофобна. Поэтому рекомендуется непосредственно после окисления, не превышая межоперационное время более 1 часа, передавать подложки на фотолитографию. Через несколько часов поверхность подложек с пленкой SiO₂ становится гидрофильной, на ней адсорбируются молекулы воды из атмосферы, угол смачивания уменьшается до 20 ^о - 30 ^о и адгезия фоторезиста падает, что приводит к браку.

Для придания поверхности подложек гидрофобных свойств их термообрабатывают при температуре 110 ^оС в сушильной печи, после чего обрабатывают гексаметил-дисилазаном (HMDS).

1.2.4 Нанесение и сушка слоя фоторезиста

Нанесенный на предварительно подготовленную поверхность подложек слой фоторезиста должен быть однородным по толщине по всему их полю, без проколов, царапин (т.е. быть сплошным) и иметь хорошую адгезию.

Наносится слой фоторезиста на подложки в обеспыленной среде, соблюдая технологические режимы. Перед употреблением фоторезист необходимо профильтровать через специальные фильтры, а в особо ответственных случаях обработать на центрифуге при частоте вращения 10 - 20 тыс.об/мин в течение нескольких часов. Это делают для того, чтобы удалить из фоторезиста инородные микрочастицы размером менее 1 мкм, которые могут привести к браку фоторезистивного слоя. Кроме того необходимо проверить вязкость фоторезиста и довести его до нормы.

Для нанесения слоя фоторезиста на подложки используется метод центрифугирования.

Для окончательного удаления растворителя из слоя фоторезиста его просушивают. При этом уплотняется молекулярная структура слоя, уменьшаются внутренние напряжения и повышается адгезия к подложке. Неполное удаление растворителя из слоя фоторезиста снижает его кислотостойкость. Для удаления растворителя подложки нагревают до температуры, примерно равной 90 ^оС. Время сушки составляет 30 мин.

Температура и время сушки значительно влияют на такие важные параметры, как время их экспонирования и точность передачи размеров элементов после проявления. Большое значение при сушке имеет механизм подвода теплоты. Метод сушки - конвекционный.

Высушенный слой необходимо экспонировать не позднее чем через 10 ч. Сушку подложек следует выполнять в тщательно обеспыленной среде 10-го и

1-го классов частоты. Контролируют качество сушки визуально или под микроскопом.

1.2.5 Совмещение и экспонирование

Точность полученного в процессе фотолитографии топологического рисунка в первую очередь определяется прицензионностью процесса совмещения.

Передача изображения с фотошаблона на подложку должна выполняться с точностью до десятых долей минимального размера элемента.

Совмещение и экспонирование являются наиболее ответственными операциями процесса фотолитографии.

Перед экспонированием слоя фоторезиста фотошаблон следует правильно сориентировать относительно подложки и рисунка предыдущего слоя. Для полного формирования структуры полупроводникового прибора ИМС необходим комплект фотошаблонов со строго согласованными топологическими рисунками элементов.

При первой фотолитографии, когда поверхность подложек еще однородна, фотошаблон ориентируют относительно базового среза подложки. При последующих фотолитографиях, когда на подложках сформированы топологические слои, рисунок фотошаблона фотошаблона ориентируют относительно предыдущего слоя.

Совмещают рисунок фотошаблона и подложки в два этапа. На первом этапе с помощью реперных модулей - "пустых кристалов" выполняют грубое совмещение в пределах всего поля подложки. На втором этапе с помощью микроскопа в пределах единичного модуля по специальным знакам - фигурам совмещения, предусмотренным в рисунке каждого топологического слоя, выполняют точное совмещение.

Сложность операции совмещения состоит в том, что приходится с высокой точностью совмещать элементы малых размеров на большой площади. Современные установки обеспечивают точность совмещения 0,25 - 1 мкм.

Совмещение фотошаблонов с подложками может осуществляться двумя методами:

- визуальный, при котором, выполняя совмещение, наблюдают за контрольными отметками в микроскоп; при этом точность совмещения составляет 0,25 - 1 мкм и зависит от возможностей установки;

- автоматизированный фотоэлектрический с помощью с помощью фотоэлектронного микроскопа, обеспечивающий точность совмещения 0,1 - 0,3 мкм.

После выполнения совмещения подложку прижимают к фотошаблону и экспонируют слой фоторезиста. Основной целью экспонирования является высокоточное воспроизведение слоем фоторезиста всех элементов топологии. Правильность экспонирования влияет на качество переноса изображения с фотошаблона на слой фоторезиста.

Процесс экспонирования зависит от качества фотошаблона, свойств фоторезиста и подложки, оптических явлений, происходящих в системе подложка-фотошаблон и точности их совмещения.

Оборудование применяемое длясовмещения и экспонирования - EVG-420, Aligner.

1.2.6 Проявление слоя фоторезиста. Сушка проявленного рельефа

Проявление заключается в удалении в зависимости от использованного типа фоторезиста экспонированных или неэкспонированных участков, в результате чего на поверхности подложек остается защитный рельеф - фоторезистная маска требуемой конфигурации.

Проявителем для форезиста служит растворитель MF - 319.

Концентрация проявителя должна быть минимальна и обеспечивать необходимую производительность процесса проявления. Уменьшение концентрации щелочного проявителя увеличивает контраст проявления, стабилизирует процесс переноса изображения и снижает его дефектность.

Процесс проявления должен обеспечивать точное воспроизведение элементов рисунка фотошаблона, полное удаление растворенных участков фоторезиста и отсутствие пор, проколов и других дефектов.

Сушка - задубливание проявленных участков слоя фоторезиста (сформированного рельефа рисунка) обеспечивает изменение в результате полимеризации его структуры. Вследствии этого повышается стойкость слоя фоторезиста к действию травителей и улучшается его адгезия к подложке.

Задубление слоя фоторезиста является второй сушкой и отличается от первой, выполняемой после его нанесения, более высокой температурой, порядка 110^оС, и продолжается в течении 30 минут. (90 ^оС при первой сушке).

При повышенных температурах происходит пластическая деформация слоя фоторезиста.

Режим задубления и характер повышения температуры заметно влияют на точность передачи размеров элементов рисунка. Так как резкий нагрев вызывает оплавление границ рисунка, для точного формирования элементов повышать температуру следует плавно или ступенчато.

1.2.7 Загрязнения и борьба с ними

Как уже говорилось выше, при производстве необходимо уделить большое внимание очистке поверхности пластин, т.к. практически на любой поверхности присутствуют посторонние частицы. Некоторые из них дают дефекты покрытий, что в конечном счете приводит к отказу прибора. Источниками случайных загрязнений может быть и сама кремниевая пластина (дефекты края пластины), а также технологическое оборудование, контейнеры для хранения пластин, персонал, воздух в помещении. Большинство частиц диаметром 0,3-10 мкм, невидимых невооруженным глазом, для обнаружения требуют сложных диффузионных счетчиков частиц и счетчиков, работающих на рассеянии света. Эти частицы в свою очередь являются причинами случайных дефектов.

Существует четыре основных источника частиц загрязнений, приводящих к дефектам на поверхности полупроводниковых пластин. Эти источники характеризуются параметрами, различным образом влияющих на степень чистоты (таблица 1).

Таблица 1. Параметры источников загрязнения

Главные источники загрязнения	Параметры
Технологическое оборудование	Конструкция, материалы, принцип действия
Химические реактивы	Чистота, фильтрация, упаковка
Среда чистых комнат	Конструкция, фильтрация, контроль
Персонал	Одежда, численность, квалификация

Получение сверхчистой технологической среды возможно только в условиях комплексного контроля всех приведенных факторов. Относительное число частиц, возникающих от перечисленных источников, изменяется от одной производственной площади к другой. Соотношения между чистотой окружающей среды и оседанием частиц являются сложными и зависят от многих факторов, таких, как скорость и направление воздушного потока, турбулентность, создаваемая оборудованием, перемещение персонала, продолжительность нахождения пластин на открытом воздухе. Создание сверхчистых зон требует высоких затрат. Компромиссом является формирование таких зон в небольших ограниченных объемах, где пластины надежно защищены от загрязнений.

Чистая поверхность - это та, которая не содержит значительных количеств нежелательного материала. Поскольку очистка часто обеспечивает хорошую адгезию, то плохую адгезию, проколы или пустоты в резистной пленке связывают с загрязнениями. Загрязнения при работе с резистами могут происходить на нескольких стадиях: при нанесении резиста, экспонировании резиста, из-за перенанесения вещества резиста. Любая деталь оборудования и каждый оператор выделяют, адсорбируют и переносят частицы вещества или загрязнения. Загрязнения на поверхности пластины существуют в твердой, жидкой и газообразной фазах, а также в виде их смесей (таблица 2).

Таблица 2. Загрязнения на поверхности пластины

Твердые	Жидкие	Газообразные
Волосы, перхоть Обломки Резист Соли Пренанесение вещества	Масло Вода Пластификаторы	Пары (не водяные) Пары воды Озон

К наихудшим видам загрязнений относятся металлические и другие проводящие частицы. Металлы непрозрачны для УФ-излучения. Если металлы оседают на поверхности резиста или располагаются вблизи нее, то при экспонировании они ведут себя как непрозрачная маска. После проявления в областях экспонированного негативного резиста могут образовываться проколы. В случае позитивных резистов возникают недопроявленные области, под которыми при плазменном травлении пленок может оставаться материал. Осевшие на поверхности пластины металлы стойки к действию окисляющей плазмы, окисляющих жидких растворителей и органических растворителей, применяемых для снятия резиста.

Поверхность полимерного резиста может действовать как «липучка для мух» из-за присутствия полярных групп, которые увеличивают электростатическое притяжение. Межмолекулярные силы зависят (обратно-пропорционально) от расстояния между частицами и от отношения площади поверхности к объему частицы.

Для уменьшения сил адгезии частиц к поверхности резиста или кремния в чистых комнатах необходимы электростатические улавливатели и статические нейтрализаторы, а также системы управления влажностью.

Существует множество причин загрязнения. В чистой комнате существенными источниками загрязнения является персонал, его верхняя одежда и перчатки. До 6000 частиц в час выделяет каждая кремнивая пластина. К вторичным факторам относятся повышенная температура и уровень вибрации, рассеянный свет и шумящее оборудование. Выход из строя схем от прикосновения пинцетом или руками может быть уменьшен за счет применения пневматической транспортной системы и бесконтактной обработки. Одиночная обработка пластин с высокой скоростью технологических операций, очевидно, лучше с точки зрения контроля технологического процесса и понижения плотности дефектов.

Далее более подробно рассмотрю методики очистки.

Физические загрязнения. Методика очистки зависит от характера загрязнения поверхности.

Физические загрязнения, обусловленные физической адсорбцией, подразделяются на неорганические (пыль различного происхождения, абразивные частицы) и органические (жировые пленки, остатки ионообменных смол из промывочной воды, частицы фоторезиста, микроорганизмы размером от 1 до 20 мкм, и т.д.). Физическая адсорбция загрязнений к поверхности полупроводникового материала происходит в результате межмолекулярного взаимодействия, называемого силами Ван-дер-Ваальса, а также электростатической поляризации (кулоновского взаимодействия заряженных частиц) и является обратимым процессом. Некоторые адсорбированные частицы могут преодолеть силы, связывающие их с поверхностью, и перейти в исходную фазу (десорбироваться).

Неорганические загрязнения удаляют гидромеханической очисткой или сдувают струей очищенного азота.

Органические загрязнения при термической обработке разлагаются с образованием атомов углерода, которые служат центрами дефектообразования. Органические загрязнения можно разделить на полярные и неполярные. Полярные - жиры, белки, остатки поверхностно активных веществ, молекулы которых, как правило, ориентированны на поверхности и, притягиваясь, способствуют сокращению площади загрязнения. Неполярные - минеральные масла, парафины, вазелины, молекулы которых имеют высокую поверхностную энергию и способны покрывать большие площади.

Нерастворимые в воде органические жировые загрязнения делают поверхность пластины гидрофобной, т.е. плохо смачиваемой водой. Для равномерной очистки поверхность необходимо в гидрофильное, т.е. в хорошо смачиваемое водой состояние. Удаление жировых загрязнений, сопровождаемое переводом поверхности из гидрофобного состояния в гидрофильное, называется обезжириванием.

Органические загрязнения удаляют отмывкой в органических растворителях или на парах. Сначала в неполярных или слабополярных растворителях отмывают неполярные загрязнения, а затем - в спиртах, ацетоне, трихлорэтилене - полярные.

Химические загрязнения. Химические загрязнения связанны с поверхностью полупроводникового материала силами химической адсорбции.(хемосорбции). При хемосорбции образуются прочные ковалентные или ионные связи между атомами адсорбированного вещества и поверхности. Это необратимый процесс.

Химические загрязнения бывают ионными и атомными. Ионными загрязнения являются растворимые в воде соли, кислоты и основания, которые осаждаются на поверхности пластин из моющих и травильных растворов, полирующих суспензий, металлической основы режущих дисков, шлифовальников и полировальников. Атомные загрязнения осаждаются в виде микрозародышей из атомов золота, серебра, меди, железа, имеющихся в химических реактивах, и могут покрывать всю поверхность и даже образовывать микроскопические слои.

Химические загрязнения удаляют в кислотах, часто в смеси с сильными окислителями, комплексообразователях или поверхностно-активных веществах.

В первую очередь при очистке удаляют органические загрязнения и химически связанные с поверхностью пленки, а затем - ионные и атомные.

Основными источниками различных загрязнений являются абразивные и клеящие материалы, применяемые при механической обработке полупроводниковых пластин, пыль, находящаяся в воздухе производственных помещений; оборудование, оснастка, а также тара для транспортировки и хранения пластин; технологические среды, органические и неорганические реагенты, промывочная вода. Существенными источниками загрязнения является одежда, косметика, бактерии, вирусы и жировые отпечатки пальцев оператора.

Применяемые при очистке методы и составы должны быть инертны по отношению к обрабатываемому полупроводниковому материалу, минимально токсичными и пожаробезопасными. Химреактивы, газы и вода должны иметь высокую степень чистоты, чтобы, в свою очередь, не вносить загрязнения. Оборудование, на котором выполняют очистку, должно конструироваться по принципу "бесконечного разбавления" (каскадные ванны, обработка в парах и др.)

Методы физического и химического обезжиривания.

При физическом обезжиривании - растворении органических загрязнений в горячих или кипящих органических растворителях - молекулы жиров, отрываясь от поверхности пластин, равномерно распределяются в объеме растворителя. Одновременно происходит обратный процесс - адсорбация молекул жира очищенной поверхностью, для снижения интенсивности которого используется каскадный метод отмывки. При таком методе кассета с пластинами поочередно переносится из нижней ванны в верхнюю. Таким образом соблюдается принцип "бесконечного разбавления" и чистый растворитель не смешивается с загрязненным, который постепенно вытесняется.

Растворение загрязнений в органических растворителях весьма эффективно, однако требует многократной очистки растворителей и сопровождается их большими потерями. Кроме того, некоторые из растворителей токсичны и огнеопасны.

Принцип "бесконечного разбавления" соблюдается и при очистке пластин в парах растворителя. Пластины помещаются в рабочую камеру, куда поступают пары кипящего растворителя, которые конденсируются на очищаемых поверхностях. Капли конденсата, стекая с поверхностей пластин, уносят загрязнения. При этом пластины непрерывно омываются свежим чистым конденсатом, а загрязненный стекает вниз.

Такую очистку производят в парах изотропилового спирта, фреона-113 или хлорированных углеводородов. Наиболее эффективная очистка в фреоне-113 - негорючей и нетоксичной жидкости, имеющей температуру кипения 47,6 ^оС и плотность 1,57 г/см2. В парах растворителей плохо удаляются мыла, растворимые масла, а также соединения, содержащие воду. Недостаток этого метода очистки - значительные потери растворителя из-за испарения и необходимость высокой герметичности установок.

Химическое обезжиривание производится в составах, разрушающих молекулы жира и не действующих на обрабатываемый материал. Поэтому в растворе отсутствуют молекулы жира и исключаются процессы их десорбции очищенной поверхностью. Для химического обезжиривания используется горячий (75-80 ^оС) перекисно-амиачный раствор, состоящий из водного раствора, перекиси водорода H2O2 и гидроксида аммония NH4OH. Атомарный кислород, выдиляющийся при нагреве пергидроли, окисляет как органические, так и неорганические загрязнения, а щелочь ускоряет реакцию разложения H2O2, омывает или эмульгирует жиры, а также связывает в хорошо растворимые комплексы ионы некоторых металлов.

Химическое обезжиривание в сравнении с физическим обезжириванием в органических растворителях менее токсично и трудоемко.

Очистку поверхности от атомов и ионов металлов, а также остатков пленок оксидов, сульфидов, нитридов производят в кислотах. Удаление с помощью кислот ионов металлов основано на их вытеснении ионами водорода. При кислотной очистке следует тщательно соблюдать правила техники безопасности, так как попадание кислот на кожу и в глаза вызывает ожоги.

Для повышения эффективности очистки используют различные методы интенсификации. При этом ускоряются более медленные стадии процесса (например, подвод свежего реагента в зону обработки, отвод продуктов химической реакции от обрабатываемой поверхности), обеспечивается десорбция атомов или ионов и т.д.

Методы интенсификации подразделяют на физические, химические и комбинированные. К физическим методам интенсификации относят нагрев, кипячение, обработку струей, гидроциркуляцией, протоком, гидромеханическую очистку, центрифугирование, ультрозвуковую обработку, вибрацию промышленной частоты, плазменную очистку; к химическим - очистку поверхностно-активными веществами, комплексообразователями. Комбинированные методы интенсификации объединяют физические и химические методы (обработка горячей струей, подогрев ультразвуковой ванны и т.д.).

При обработке полупроводниковых пластин из физических методов чаще всего используют гидромеханическую и ультразвуковую очистки и почти все химические методы.

При гидромеханической очистке интенсификация процесса обеспечивается за счет контакта с рабочей поверхностью вращающейся пластины, закрепленной на вакуумном столике, мягких нейлоновых щеток, надетых на валик, ось вращения которого перпендикулярна оси пластины. Этот метод обычно используют при финишной отмывке деионизованной водой, которая подается на пластину под давлением 50 - 200 кПа. Основным недостатком гидромеханической очистки является возможность переноса загрязнений со щеток на рабочую поверхность пластины и появления на ней царапин в случае засорения щеток кремниевой пылью. Для избежания этого, следует соблюдать регламент смены и очистки щеток.

При ультразвуковой очистке интенсификация достигается за счет перемешивания отмывочного состава, ускорения процесса растворения и десорбции загрязнений под действием кавитационных пузырьков, образующихся при колебаниях, передаваемых ванне концентратором магнитострикционного излучателя. При захлопывании газовых пузырьков происходит растрескивание пленок поверхностных загрязнений и их отслоение. Достоинством ультрофиолетовой очистки поверхностей после шлифовки и резки является проникновение жидкости в глубокие поры, трещины, углубления, которые при обычных методах остаются неочищенными.

Наиболее интенсивно ультразвуковая очистка происходит при частоте колебаний 20 - 40 кГц. С повышением мощности ультразвуковых колебаний интенсивность очистки повышается, но возникает опасность повреждения тонких пластин или появления в них трещин.

Химическая интенсификация с помощью поверхностно-активных веществ и комплексообразователей является одним из перспективных направлений повышения качества очистки и в ряде случаев позволяет отказаться от токсичных и огнеопасных органических растворителей и концентрированных кислот. Загрязнения в водных растворах поверхностно-активных веществ (ПАВ) удаляют в четыре этапа: смачивание очищаемой поверхности водными растворами ПАВ; адсорбция молекул ПАВ поверхностью и частицами загрязнений; отделение частиц загрязнений от поверхности; перевод водонерастворимых загрязнений в состав эмульсии или суспензии. При этом связь между частицами загрязнений и поверхностью ослабляется благодаря расклинивающему действию молекул ПАВ. Молекулы, адсорбируемые частицами, образуют прочные оболочки и препятствуют их повторному осаждению на очищаемую поверхность.

Комплексообразователи создают с поверхностными загрязнениями или водными продуктами химических реакций устойчивые сложные соединения - комплексы, которые переходят в раствор и остаются в нем.

1.3 Технологический процесс производства микроакселерометра

Технологические процессы изготовления микроакселерометра представлены его основными операциями. Укрупнённый технологический маршрут (рисунок 2.1 - рисунок 2.9) включает следующие этапы представляющие типовые технологические модули.

I. Химическая очистка кремниевых пластин (основания) перед нанесением первого диэлектрического слоя Si3N4 (Pre - LPCVD - clean)

Компоненты технологического модуля Pre - LPCVD - clean:

1. Промывка в ванне со смесью H₂SO₄/H₂O₂ (перекись)

Концентрация 4:1

Время процесса 40 мин.

Область очистки - двусторонняя

Температура - 120^оС

Оборудование - неметаллическая ванна

Диаметр пластин - 75мм, 100мм, 150мм

Держатель пластин - тефлоновый зажим

Толщина пластин - 200-550мкм

2. Промывка в ванне с HCl/ H₂O₂ (перекись)

Концентрация 1:1.5

Время процесса 10 мин.

Температура - 70^оС

Оборудование- полиэтиленовый контейнер

Диаметр пластин - 75мм, 100мм, 150мм

Держатель пластин - тефлоновый зажим

Толщина пластин - 300-550мкм

3. Промывка в раствор HF/H₂O

Концентрация HF/H₂O - [1:50]

Время процесса 10 c

Область очистки - двусторонняя

Оборудование - керамическая промывочная ванна

Диаметр пластин - 75мм - 150мм

Держатель пластин - тефлоновый зажим

Толщина пластин - 200-550мкм

II. Осаждение слоя Si₃N₄ (изолирующий слой - толщина 0, 1-0, 8 мкм)

Компоненты модуля:

1. Пиролитическое осаждение нитрида кремния Si₃N₄

Селективность процесса - высокая

Толщина слоя - 0,1 - 0,8 мкм

Технологическая среда - NH₃ + SH₄

(газ)

Скорость осаждения - 16 нм/мин.

Состав осаждаемого слоя - Si₃N₄

III. Осаждение слоя SiO₂ (диоксида кремния) методом PECVD на слой Si₃N₄

Компоненты модуля:

Толщина слоя - 0,08 - 3 мкм

Технологическая среда - SiH₄ +N₂O₃

Скорость осаждения - 40 нм/мин.

Состав осаждаемого слоя - SiO₂

Структура слоя - аморфная

Давление в камере - 0,45*10^-2 Па

Остаточное напряжение - 350 MPa (сжатие)

Время операции - 30 мин.

Температура - 430^оС

Неоднородность слоя

по толщине - 0.07

Размеры пластины - 100 мм и более

Толщина пластины - 200 - 1000 мкм

Оборудование- типовое оборудование для пиролитического осаждения SiO₂ (PECVD)

IV. Фотолитография шаблона мест крепления конструкции к подложке (контактный метод Shipley 1813)

Компоненты модуля:

1. Предварительная термообработка

Температура - 110^оС

Время процесса 15 мин.

Оборудование - сушильная печь

Диаметр пластин - 100 - 150 мм

Держатель пластин - лодочка

Толщина пластин - 100 - 2000 мкм

2. Дегидратация поверхности

Характеристики процесса:

Материал - HMDS

Оборудование - установка для нанесения фоторезиста

Держатель пластин - металлический зажим

Толщина пластин - 100 - 1000 мкм

3. Нанесение фоторезиста (Shipley 1813)

Характеристики процесса:

Материал - фоторезист Shipley 1813

Толщина - 1,3 мкм

Оборудование - установка для нанесения фоторезиста

4. Сушка фоторезиста

Характеристики процесса:

Давление - атмосферное

Температура- 90^оС

Длительность

операции - 30минут

Оборудование - печь для сушки пластин

5. Экспонирование (первый шаблон)

Оборудование - EVG - 420

- Aligner

Дополнительное

оборудование - комплект шаблонов

Держатель - металлический зажим

6. Проявление фоторезиста

Проявитель - MF - 319

Фоторезист - Shipley 1813

Температура - 25^оС

Оборудование - Ванна для проявления

Дополнительное

оборудование - тефлоновые подставки, тефлоновые держатели

7. Сушка проявленного фоторезиста

Параметры операции и оборудование:

Среда- воздух

Давление - атмосферное

Температура- 110^оС

Время операции - 30 мин.

Оборудование - Печь для сушки пластин

Дополнительное

оборудование - металлические держатели

V. Травление отверстий для точек крепления конструкции (PoliSi) к подложке (плазменное травление SiO₂)

Компоненты модуля:

Глубина травления - 0,1 - 2 мкм

Технологическая

среда - фреон

Скорость травления - 0,5 мкм/мин

Аспектное соотношение

(глубина отверстия/диаметр) - 10:1

Давление - 2,8*10^-2 Па

Температура процесса - 120^оС

Селективность процесса- средняя

Оборудование - плазмохимический реактор TEGAL 803

Дополнительное оборудование - алюминиевый зажим

VII. Осаждение нелегированного поликремния (PolySi) по всей поверхности подложки (на слой SiO₂)

Компоненты технологического модуля:

1. RCA - химическая очистка подложки.

Характеристики процесса

Реактивы - NH₃OH, DI, HCl, DI

Время процесса - 60 мин.

Область очистки - двусторонняя

Температура процесса - 75^оС

Оборудование - MOS -процесс оборудование

Диаметр пластин - 75 - 150 мм

Держатель подложки - тефлоновый зажим

Толщина подложки - 200 - 1000 мкм

2. Осаждение слоя легированного поликремния на поверхность подложки (SiO₂)

Толщина слоя - 0.1 - 1 мкм

Скорость осаждения - 0,008 мкм/мин

Материал - поликремний

Давление в камере - 300*10^-2

Шероховатость - 8 нм

Температура - 615^оС

Оборудование - MRL печь - 321 - 2

Диаметр пластины - 100 мм

Держатель пластин - кварцевый зажим

Толщина подложки- 200 - 1000 мм

3. Контроль толщины пластины

Оборудование - Nanometrics NanoSpec /AFT 4000

VIII. Фотолитография конструкции микроакселерометра

Компоненты модуля:

1. Предварительная термообработка

Температура - 110^оС

Время процесса 15 мин.

Оборудование - сушильная печь

Диаметр пластин - 100 - 150 мм

Держатель пластин - лодочка

Толщина пластин - 100 - 2000 мкм

2. Дегидратация поверхности

Характеристики процесса:

Материал - HMDS

Оборудование - установка для нанесения фоторезиста

Держатель пластин - металлический зажим

Толщина пластин - 100 - 1000 мкм

3. Нанесение фоторезиста (Shipley 1813)

Характеристики процесса:

Материал - фоторезист Shipley 1813

Толщина - 1,3 мкм

Оборудование - установка для нанесения фоторезиста

Дополнительное оборудование аналогично п.IV.2

4. Сушка фоторезиста

Характеристики процесса:

Давление - атмосферное

Температура - 90^оС

Длительность

операции - 30минут

Оборудование - печь для сушки пластин

5. Экспонирование (первый шаблон)

Оборудование - EVG - 420

- Aligner

Дополнительное

оборудование - комплект шаблонов

Держатель - металлический зажим

6. Проявление фоторезиста

Проявитель - MF - 319

Фоторезист - Shipley 1813

Температура - 25^оС

Оборудование - Ванна для проявления

Дополнительное

оборудование - тефлоновые подставки, тефлоновые держатели

7. Сушка проявленного фоторезиста

Параметры операции и оборудование:

Среда- воздух

Давление - атмосферное

Температура- 110^оС

Время операции - 30 мин.

Оборудование - Печь для сушки пластин

Дополнительное

оборудование - металлические держатели

IX. Травление поликремния (PolySi) по второму шаблону

1. Травление поликремния

Глубина травления - 0,1 - 2 мкм

Среда - хлор

Аспектное соотношение - 10:1

Скорость травления - 0,35мкм/мин

Материал - поликремний

Давление - 400*10^-5

Температура - 80^оС

Диаметр пластин - 100 мм

Держатель - зажим из нержавеющей стали

Толщина пластины - 200 - 500 мкм

X. Травление жертвенного слоя SiO₂

Компоненты модуля:

Глубина травления - 0,1 - 2 мкм

Технологическая

среда - фреон

Скорость травления - 0,5 мкм/мин

Аспектное соотношение

(глубина отверстия/диаметр) - 10:1

Давление - 2,8*10^-2 Па

Температура процесса - 120^оС