Результат интеллектуальной деятельности: Способ создания структуры - кремний на изоляторе

Изобретение относится к области приборостроения и может применяться при изготовлении кремниевых чувствительных элементов микромеханических датчиков, таких как датчики давления, акселерометры, датчики угловой скорости.

Чувствительным элементам микромеханических датчиков (МЭМС-датчикам) присущи миниатюрность, возможность группового изготовления. Кроме того, они должны отличаться стабильностью выходного сигнала, иметь низкие термомеханические напряжения сопрягаемых деталей и обладать прочностью в условиях эксплуатации. Таким образом, поиск оптимальных вариантов конструктивно-технологических решений соединения деталей чувствительных элементов микромеханических датчиков является актуальной задачей.

Известен способ соединения кремниевых пластин [Патент РФ №2 635 822 C1, H01L 21/18. Опубл. 2016]. Согласно способа, на соединяемых пластинах намечают точки соединения, в которых выполняют контактные площадки, контактные площадки в точках соединения намечают реперными знаками, в точках соединения в пластинах вытравливают пирамидальные сквозные отверстия с внутренними стенками под углом 54,4°, вокруг пирамидальных отверстий в соединяемых пластинах выполняют разгрузочные канавки на глубину порядка 10-20 мкм, соединяемые пластины совмещают по реперным знакам и сжимают с силой до 10 Н, каналы пирамидальных отверстий направляют расширяющимися частями в противоположные стороны, после чего каналы заполняют силикатным клеем и просушивают при температуре 70-80°С.

Недостатком указанного способа применительно к конструкциям МЭМС-датчиков является снижение прочности конструкции и повышение температурной погрешности результатов измерений из-за клеевого соединения пластин.

Известен способ изготовления кремниевых структур [Патент РФ №2163410, H01L 21/324, опубл. 2001]. Согласно способа, изготовление кремниевых структур с p-слоем, включающим границу раздела сращиваемых структур, заключается в полировке поверхности пластин, создании на этой поверхности канавок глубиной не менее 0,3 мкм и расстоянием между границами канавок 20-1000 мкм, гидрофилизации пластин, обработке их в растворе плавиковой кислоты в деионизованной воде, соединении пластин полированными сторонами в водном растворе, сушке соединенных пластин на воздухе при 100-130 град, в течение не менее 4 ч при одновременном приложении давления не менее 3×10^-3 Па, нагреве пластин со скоростью не более 10 град./мин, начиная с 200 град, до температуры не менее 1000 град., и выдержке при указанной температуре, соединение пластин производят в водных растворах диффузантов элементов третьей группы с концентрацией 0,1-3,0%.

Недостатком указанного способа является возникновение значительных термомеханических напряжений в зонах соединения пластин из-за высокой температуры проведения процесса (до 1000 град).

Известен способ создания структуры - кремний на изоляторе для СБИС [Патент РФ №2 234 164, H01L 21/762, опубл. 2004], включающий осаждение первого слоя металла на первой пластине кремния со сформированным на ней диэлектрическим слоем, соединение ее со второй пластиной кремния, так что осажденные слои оказываются между пластинами, сращивание соединенных пластин путем нагревания до образования между ними слоя металлида - силицида металла, утонение одной из пластин кремния, согласно способа, на первой пластине на первый слой металла осаждают слой легкоплавкого металла или сплава, а на вторую пластину осаждают слои из металла и легкоплавкого металла или сплава, подобные слоям, осажденным на первой пластине, и сращивание проводят по крайней мере в две стадии, первую стадию - низкотемпературную при температуре незначительно выше температуры плавления легкоплавкого металла или сплава, но ниже температуры активации диффузионных процессов, с образованием жидкой фазы металла, вторую стадию - при температуре, обеспечивающей образование твердой фазы металлида, после чего проводят утонение одной из пластин.

В разновидностях способа утонение проводят на первой пластине над диэлектрическим слоем, либо на второй пластине над слоем металлида, перед осаждением на вторую пластину слоев из металла и легкоплавкого металла или сплава осаждают диффузионно-барьерный слой, вместо первой пластины кремния может быть использована подложка из диэлектрического материала, а вместо второй пластины кремния также может быть использована подложка из диэлектрического материала, диэлектрический материал выбирают из группы материалов с высокой теплопроводностью, например, подложки из алмазоподобного углерода, нитрида бора, окиси алюминия (сапфира).

Недостатком указанного способа применительно к МЭМС-датчикам являются низкие метрологические характеристики, а именно высокая погрешность измерения, обусловленная появлением гистерезиса выходного сигнала в условиях эксплуатации из-за появления термомеханических напряжений на границе раздела «кремниевая пластина - металлид - силицид металла» при применении материалов с различными физическими параметрами.

Целью изобретения является улучшение метрологических характеристик микромеханических датчиков, а именно снижение погрешности измерения за счет снижения термомеханических напряжений, возникающих в зонах соединяемых деталей.

Поставленная цель достигается тем, что в способе создания структуры -кремний на изоляторе, включающем формирование на первой пластине кремния диэлектрического слоя, соединение ее со второй пластиной кремния, сращивание соединенных пластин путем нагревания, утонение одной из пластин, согласно способа, утонение одной из пластин кремния проводят до соединения пластин локально в соответствии с топологией формируемых структур, после чего на пластинах методом магнетронного напыления формируют легкоплавкий диэлектрический слой, а сращивание соединенных пластин проводят при температуре плавления легкоплавкого диэлектрического слоя.

Выполнение локального утонения одной из пластин кремния позволяет, с одной стороны, снизить площадь соединяемых поверхностей, что приведет к снижению термомеханических напряжений в соединяемых пластинах, а с другой стороны получить внутреннюю герметизированную полость со структурами произвольной топологии, что существенно при создании микромеханических датчиков. Кроме этого, формирование легкоплавкого диэлектрического слоя методом магнетронного напыления позволяет снизить температуру сращивания по сравнению с известными аналогами, что также приводит к снижению термомеханических напряжений.

Технический результат изобретения - снижение погрешности измерения за счет снижения термомеханических напряжений в зонах соединения пластин.

На чертежах фиг. 1-3 показана последовательность операций, применяемых при реализации предложенного способа.

На фиг. 1 изображена первая пластина кремния (1) со сформированным на ней методом магнетронного напыления легкоплавким диэлектрическим слоем (2).

На фиг. 2 показана вторая пластина кремния (3) с локальным утонением (4) и сформированным на ней методом магнетронного напыления легкоплавким диэлектрическим слоем (5).

На фиг. 3 представлена готовая структура кремний на изоляторе (6), представляющая собой сращенные первую пластину кремния 1 и вторую пластину кремния 3.

Пример реализации предложенного способа.

На первой пластине кремния 1 методом магнетронного напыления формируют легкоплавкий диэлектрический слой 2, представляющий собой пленку стекла сложной композиции SiO₂ - PbO - Al₂O₃ с добавлением оксидов металлов II и V групп периодической таблицы, толщиной 2,0-4,0 мкм (фиг. 1). На второй пластине кремния 3 формируют локальное утонение 4 согласно необходимой топологии формируемых структур, утонение выполняют, например, методом плазмохимического или жидкостного анизотропного травления кремния на глубину 10,0…30,0 мкм, определяемую конструкцией микромеханического прибора, после чего на пластине кремния 3 методом магнетронного напыления формируют легкоплавкий диэлектрический слой 5, аналогичный сформированному на первой пластине кремния (фиг. 2). Первую пластину кремния 1 со сформированным легкоплавким диэлектрическим слоем 2 предварительно соединяют со второй пластиной кремния 3, имеющей локальное утонение 4 и легкоплавкий диэлектрический слой 5, сращивают соединенные пластины путем нагревания до температуры плавления легкоплавких диэлектрических слоев, находящейся в диапазоне (400…600)°С, при этом легкоплавкие слои расплавляются, образуя единую композицию, жестко связывая кремниевые пластины между собой с образованием заданной структуры кремний на изоляторе 6 (фиг. 3).

Таким образом, предложенный способ позволяет улучшить метрологические характеристики микромеханических датчиков, а именно снизить погрешность измерения за счет снижения термомеханических напряжений, возникающих в зонах соединяемых деталей за счет выполнение локального утонения одной из пластин кремния, уменьшающего площадь соединяемых поверхностей, а также снижения температуры сращивания посредством формирования легкоплавкого диэлектрического слоя методом магнетронного напыления.