Способ подготовки поверхности кремния и стекла перед процессом анодного бондинга Российский патент 2025 года по МПК H01L21/30 H01L21/3065 

Изобретение относится к технологии изготовления устройств микрофлюидики на основе кремния.

Одним из этапов формирования структур в составе подобных устройств является герметизация канала, который, как правило, проводится с применением технологии анодного бондинга. В технологии анодного бондинга ключевым фактором соединения двух пластин является дрейф ионов, за счет подачи напряжения смещения на структуру. Как правило, в данной методике для сращивания используются кремний и стекло, размещаемые между катодом и анодом /1/. Основными операционными параметрами процесса анодного бондинга являются температура, напряжение смещения, давление на образцы. Достоинства данного метода заключаются в низкой температуре процесса, возможности сохранения герметичности соединения, отсутствии требования значительного механического прижатия.

Критически важным для обеспечения качества соединения бондингом является микроморфология и химический состав приводимых в контакт поверхностей. В связи с чем, актуальным является решение задачи управляемого воздействия на эти поверхности с целью обеспечения необходимых параметров.

Для формирования соединения с высокой адгезий стекла к кремнию известен способ жидкостной очистки поверхности кремния перед процессом анодного бондинга/2/.

На первом этапе стекло и кремний промывают с помощью раствора SPM (серно-пероксидная смесь), после чего следует отмывка в течение 10 минут чистящим раствором, состав которого не упомянут авторами, с дальнейшей промывкой в деионизованной воде. Второй этап - отмывка стекла при помощи перекисно-аммиачного раствора и растворов фирмы RCA, после чего стекло промывается деионизованной водой и сушится на воздухе в течение 20 минут. Способ помогает очистить поверхность от частиц органики, металлов и естественного окисла. Недостатком данного способа является то, что он не влияет на первоначальную микрошероховатость кремния, которая может сильно минимизировать площадь полезного контакта.

Также известен способ плазменной зачистки поверхности стекла и кремния перед процессом анодного бондинга /3/.

Данный метод предполагает удаление органических загрязнений на поверхностях кремния и стекла в кислородной плазме при давлении 6-8 Па в течение 30 минут непосредственно перед процессом анодного бондинга. Механизм бондинга основан на химических реакциях, происходящих между поверхностями стекла и кремния при повышенной температуре и воздействии электрического поля. Недостатком данного способа является то, что основная часть реакций носит электрохимический характер и предполагает окисление кремния ионами кислорода, отделенными от ионов щелочных металлов Na+, K+ внешним электрическим полем, причем сформировавшийся окисел будет являться связующим слоем для двух материалов, то наличие уже имеющего на поверхности SiO₂ может привести к затруднению протекания данного процесса, из-за чего возникает риск образования некачественного соединения с малой площадью контакта.

Наиболее близким по технической сути является способ комбинированной подготовки поверхности кремния с помощью жидкостной обработки и плазмы /4/.

В этом способе рассматривается двухстадийная очистка поверхности, где на первой стадии пластина обрабатывается в растворе плавиковой кислоты HF для удаления оксида, после чего прибегают к плазменной обработке в кислороде для удаления следов органики, после чего проводят повторное стравливание окисла в плазме CF₄. Благодаря этому процессу уменьшается шероховатость кремния, что увеличивает площадь полезного контакта стекла и кремния при бондинге, а также удаляются все поверхностные загрязнения. Недостатком этого способа является наличие групп вида Si_xF_y на поверхности, что в дальнейшем может привести к деградации адгезии стекла к кремнию, так как фтор будет реагировать со связывающим стекло и кремний слоем SiO₂.

Задача изобретения - улучшение надежности соединения стекла и кремния, полученного с помощью процесса анодного бондинга.

Решением задачи является способ подготовки поверхности кремния и стекла перед процессом анодного бондинга, включающий плазмохимическую обработку поверхности кремния в плазме Ar:O₂:CF₄ в соотношении газовой смеси 2:4:3, после чего кремниевую пластину обрабатывают в растворе плавиковой кислоты и воды в соотношении 1:50, буферизированном фторидом аммония, до скатывания, далее проводят отмывку кремниевой пластины в деионизованной воде от остатков раствора и сушат кремниевую пластину в инертной среде, параллельно проводят отмывку стеклянной подложки в растворе диметилформамида, отмывают стеклянную подложку от остатков диметилформамида в деионизованной воде и сушат ее в инертной среде.

Поставленная задача решается за счет того, что при плазмохимической зачистке кремния в изначальной смеси Ar и О₂ с расходами 100 seem и 200 seem шероховатость поверхности кремния уменьшается на 50% за счет введения в плазму газа CF₄ в количестве 150 seem, благодаря снижению скорости окисления кремния и одновременного удаления образующегося оксида. Комбинирование плазменной и жидкостной обработки поверхности кремния повышает в 1,5 раза адгезию стекла к подложке.

Способ подготовки поверхности кремния и стекла перед процессом анодного бондинга поясняется фиг.1-2.

Фиг. 1 - результаты измерений микрошероховатости поверхности кремния:

а) - кристалл после жидкостной обработкой,

б) - кристалл после комбинированной плазменной и жидкостной обработки, где Ra - средняя высота шероховатости поверхности;

Rms - среднеквадратичная шероховатость.

Фиг. 2 - результаты рентгеновского энергодисперсионного анализа по составу поверхности:

а) - результаты единственной жидкостной обработки,

б) - результаты комбинированной зачистки поверхности, где по оси X - энергия, по оси Y - интенсивность спектральной линии.

Технологический процесс подготовки поверхности кремния и стекла перед процессом анодного бондинга реализуется в следующей последовательности. На первом этапе подбирается соотношение газов Ar и О₂ в плазме, использование которой позволяет удалить органические загрязнения с помощью кислорода с поверхности кремния, при этом окисляя ее. Добавка аргона необходима для повышения степени диссоциации молекул О₂ на атомы О и ионы O⁺, что будет воздействовать на скорость очистки за счет повышения температуры подложки при выделении большего тепла во время химических реакций. Это также будет влиять на более быстрый рост оксида кремния, толщиной которого можно управлять увеличением времени обработки поверхности, а также равномерность скоростей роста оксида по пластине. При соотношении расходов газов Ar:О₂ 2:4 достигается компромисс между очисткой поверхности кремния и ростом оксида кремния на поверхности. При меньшей добавке аргона степень диссоциации ниже, из-за чего скорость удаления органики уменьшается, что было подтверждено на пленках фоторезиста. При этом после его удаления неравномерность окисления поверхности оказывается больше 6-7%, что будет затруднять его удаление в дальнейшем. При большей добавке Ar не отмечается отрицательных эффектов, при этом результаты обработки схожи с полученным после использования соотношения Ar:O₂ 2:4, из-за чего повышение расхода Ar нецелесообразно. Добавка CF₄ к газовой смеси необходима для in situ удаления оксида кремния. За счет попеременного окисления/травления оксида будет уменьшаться шероховатость поверхности, что также подтверждается в ряде публикаций /5,6/. При подборе соотношения газовой смеси наиболее предпочтительным является Ar:O₂:CF₄ в соотношении 2:4:3. При этом обеспечивается необходимое сглаживание поверхности за счет эффекта, описанного выше. При меньшем расходе CF₄ пленка оксида не стравливается полностью, и необходимой морфологии поверхности не удается достичь. При большем расходе газа CF₄ существует риск интенсивного удаления пассивирующего оксида, из-за чего может происходить затрав в кремний, что может усугубить перепады рельефа на поверхности. После получения нужной шероховатости на кремниевой пластине происходит удаление естественного оксида, образующегося на атмосфере после обработки кремния в реакторе плазмохимической зачистки, в растворе плавиковой кислоты и воды в соотношении 1:50, буферизированном фторидом аммония, до скатывания. Отмывка кремниевой пластины в деионизованной воде для удаления остатков травителя и групп Si_xF_y на поверхности. Для сушки и удаления влаги с поверхности используется инертный газ азот.Стеклянную пластину зачищают только от следов органических загрязнений в растворе диметилформамида (ДМФА). Остатки ДМФА на стеклянной подложке удаляют в деионизованной воде, после чего сушат стеклянную пластину в инертной среде. После вышеописанных обработок, стекло совмещают с кремнием и помещают в установку для анодного бондинга.

Способ подготовки поверхности кремния и стекла перед процессом анодного бондинга применяется для формирования структур в составе устройств микрофлюидики, в частности колонок хроматографа на кремниевом кристалле, где особо важным параметром является ее герметичность, обеспечиваемая плотным прилеганием стеклянной крышки и ее адгезией. Предлагаемый способ реализуется для технологической операции герметизации МЭМС колонки газового хроматографа. Определяющими выходными характеристиками процесса анодного бондинга является сращивание образцов без пустот межсоединении, а также сила соединения, пропорциональная силе разрыва кристаллов друг от друга.

С помощью динамометрии была определена сила отрыва стекла от кремния в диапазоне 115-120 Н/см². Результат анализа с помощью ИК сенсора оптического профилометра показал отсутствие пустот в межсоединении стекла и кремния.

Источники информации

1. Патент РФ №2 540 067.

2. Патент Респ. Корея KR 100386954 В1.

3. Патент Китая CN 105731367 A.

4. Патент США US 10312217B2 - прототип.

5. Efremov A.M., Kwon K.-Н. Plasma parameters and composition in CF4/O2/Ar gas mixture. Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. 2017. V. 60. N1. P. 5055.

6. Chaplygin, Yury & Putrya, Mikhail & Paramonov, V. & Osipova, Т.. (2020). Development of a Technological Route for the Silicon Microneedles Matrix Formation. 2119-2122. 10.1109/EIConRus49466.2020.9038950.

Изобретение может быть использовано в технологии изготовления устройств микрофлюидики. Предлагаемый способ включает плазмохимическую обработку поверхности кремния в плазме Ar:O₂:CF₄ в соотношении газовой смеси 2:4:3, после чего кремниевую пластину обрабатывают в растворе плавиковой кислоты и воды в соотношении 1:50, буферизированном фторидом аммония, до скатывания, далее проводят отмывку кремниевой пластины в деионизованной воде от остатков буферного раствора и сушат кремниевую пластину в инертной среде, параллельно проводят отмывку стеклянной подложки в растворе диметилформамида, отмывают стеклянную подложку от остатков диметилформамида в деионизованной воде и сушат ее азотным пистолетом. Изобретение обеспечивает улучшение надежности соединения стекла и кремния, полученного с помощью процесса анодного бондинга. 2 ил.

Способ подготовки поверхности кремния и стекла перед процессом анодного бондинга, включающий плазмохимическую обработку кремниевой пластины в плазме Ar:O₂:CF₄, жидкостную обработку кремниевой пластины и стеклянной подложки, отличающийся тем, что сначала проводят плазмохимическую обработку поверхности кремния в плазме Ar:O_2;CF₄ в соотношении газовой смеси 2:4:3, после чего кремниевую пластину обрабатывают в растворе плавиковой кислоты и воды в соотношении 1:50, буферизированном фторидом аммония, до скатывания, далее проводят отмывку кремниевой пластины в деионизованной воде от остатков раствора и сушат кремниевую пластину в инертной среде, параллельно проводят отмывку стеклянной подложки в растворе диметилформамида, отмывают стеклянную подложку от остатков диметилформамида в деионизованной воде и сушат ее в инертной среде.