Способ изготовления балочных упругих элементов Советский патент 1992 года по МПК H01L21/302 

Изобретение относится к приборостроению, а именно к способам получения упругих элементов приборов из монокристаллов путем анизотропного травления.

Известен способ получения упругих элементов из кремния плоскости (100) в виде мембраны заданной толщины (патент США № 3888708) путем формирования окон в защитной маске с одной стороны пластины и травления до вскрытия паза с другой стороны. Этот способ пригоден для получения упругих элементов типа мембраны и не может быть использован для получения ба- лочек заданного сечения.

Известен способ получения упругих ба- лочек для микромеханических датчиков из пластин кремния с ориентацией плоскости (100) в 30% растворе щелочи КОН с использованием защитных масок из SI02 (Ваганов 0.И. Интегральные тензопреобразователи. М. Энергоатомиздат, 1983, с 61,100-101).

Недостатком такого способа является невозможность получения упругих изгиб- ныхбалочек прямоугольного и других экономически выгодных форм поперечных сечений, т.е. сечений с максимальным моментом сопротивления при наименьшей массе, При анизотропном травлении известным способом возможно получать из пластины кремния плоскости (100) сечения балочек в виде треугольника, параллелограмма, трапеции, ромба и выпуклого шестигранника, что объясняется особенностями травления кристаллографических плоскостей: травление осуществляется только до плоскости (111), имеющей на несколько порядков меньшую скорость травления, чем другие плоскости кубической решетки. За счет этого достигается хорошая воспроизводимость формы упругого элемента.

Целью изобретения является разработка группового способа получения из пластины кремния кристаллографической ориентации

vj 00 Ы СЛ sO О

(100) балочного упругого элемента с повышенной точностью воспроизведения формы и размеров.

Поставленная цель достигается тем, что для обеспечения требуемой формы упругого элемента при анизотропном травлении в 30% растворе КОН защитную маску из двуокиси кремния SiOa выполняют с двух сторон пластины кремния толщиной не менее 2,3 10 h (h - толщина пластины), упругие элементы располагают вдоль направления кристаллографической оси 110, с двух сторон пластины в окисле вскрывают окна напротив друг друга определенной ширины не менее 0,75h и травление ведут в узком диапазоне температур 96-98°С раствора КОН в течение времени не менее 230h минут (h - в мм) до получения прямоугольной или вогнутой шестиугольной формы сечения; затем проводят окисление всей пластины с образованными на ней упругими элементами

Указанная толщина SI02 обеспечивает сохранение при травлении формы упругого элемента на плоскостях (100) пластины кремния, а размеры и расположение окон в окисле по отношению к упругому элементу позволяют выдерживать конфигурацию боковых сторон поперечного сечения. Для получения высокой точности воспроизведения групповым методом упругих элементов на пластине требуется поддержание температуры и времени травления, а стабилизация упругих свойств выполняется за счет упрочнения поверхностного слоя упругого элемента термическим окислением всей структуры.

На фиг. 1 показана стандартная круглая пластина кремния плоскости (100); на фиг. 2 - пластина кремния, окисленная с двух сторон; на фиг. 3 - пластина кремния после фотолитографии по окислу с окнами с каждой стороны упругого элемента; на фиг. 4 - пластина кремния, разрез, после анизотропного травления до получения прямоугольного поперечного сечения упругого элемента, на фиг. 5 - пластина кремния, разрез, со сформированными упругими элементами после окисления; на фиг. 6 - фрагмент упругого элемента с формой сечения в процессе анизотропного травления; на фиг. 7 - две возможные формы сечения упругого элемента - прямоугольная и вогнутая шестиугольная.

Способ получения упругого элемента заключается в следующем.

Используется стандартная пластина кремния 1 с полированными плоскостями (ЮО)АиВ(фиг 1), например КДБдиаметром 76 мм и толщиной 0,34 мм Термическое окисление пластин кремния производят в

диффузионных печах до получения окисла 2

(фиг 2) с каждой стороны пластины до толщины не менее 2,3 , т.е. при h 0,34

мм толщина окисла должна быть более

0,78 мкм.

Минимальная толщина окисла выбирается исходя из обеспечения стойкости при травлении в 30% растворе КОН в воде при температуре 96-98°С. С помощью известных буферных травителей проводят фотолитографию по окислу (фиг.З). С каждой стороны пластины друг против друга вскрывают (снимают) окисел на всю толщину до кремния 1, получая окна 3 шириной более

0,75h с двух сторон балочного упругого элемента, в дальнейшем образуемого при анизотропном травлении под оставшейся частью окисла 2, Если h 0,34 мм, то ширина окна 0,248 0,25 мм.

Для получения требуемых форм и размеров и воспроизводимости сечения упругих элементов при травлении необходимо ориентировать упругие элементы на пластине: балочку по длине располагать вдоль направления кристаллографической оси 110.

Анизотропное травление проводят в 30% растворе КОН (одновременно несколько пластин после фотолитографии), поддерживая температуру травителя в пределах 96-98°С путем его нагрева.

Оканчивают травление после получения заданного сечения 4 упругого элемента (фиг.4). Затем снимается остаточный слой

окисла на плоскостях А и В и производится окисление всей структуры, при этом наружная поверхность сечения упругого элемента окисляется, появляется окисел SiOa, обеспечивающий упрочнение поверхности и улучшение упругих свойств упругого элемента. Процесс анизотропного травления основан на различных скоростях травления вдоль различных кристаллографических направлений 100, 110 и 111 и по различным

кристаллографическим плоскостям (100), (110) и (111).

Экспериментально установлено, что для травителя 30% КОН при 96-98°С максимальные скорости травления плоскости

(100) VIQO 3,2 мкм/мин, плоскости (110) Vno 4,5 мкм/мин и плоскости (111) Vm 0,01 мкм/мин.

Благодаря разным скоростям травления Si и SlOa в окнах начинается постоянное

снятие слоев, при этом боковые грани С и D (фиг.6) образуются плоскостью (111), располагаемой под углом а 54,7° к плоскости (100) пластины. Эта плоскость кремния имеет наименьшую скорость травления, примерно в 45 раз меньшую, чем для плоскости (100).

Если ширина окна, как видно из фиг. 5 больше, чем h- tg (90° - а) - Mg 35,3° « 0,7- h «0,75 h (с учетом запаса на долу- ски), то при травлении насквозь с двух сторон пластины в сечении упругого элемента образуется выпуклый шестигранник за вреMflt1 2v- 156h-nPMh 0-34MMti 53MMH-

При дальнейшем травлении пластины кремния начинает расширяться сквозной паз F за счет снятия острия со скоростью ,5 мкм/мин до появления плоскости (110) (см. штриховые линии), а далее после получения прямоугольного сечения начинается ускоренное травление в месте нахождения стравленного острия до образования сечения вогнутый шестигранник. Время травления острия до пол- учения прямоугольного сечения

h/2 -tg(90P-a) определяется как t2 грL -

ffijPU Ш 78 h. Общее ере-

2Viio 2 -4,5 10 3

мя травления должно быть не менее t ц + t2 - (156 + 78)h 234h мин, для h 0,34 мм, t 80 мин.

Через 80 мин анизотропного травления будет сформирован балочный упругий элемент прямоугольного поперечного сечения. Если обеспечить травлениё при указанных режимах, то можно сформировать сечение вогнутый шестиугольник (фиг.7). Два этих сечения в балочных упругих элементах, работающих на изгиб, обладают наименьшей чувствительностью к механическим воздействиям (минимальная масса при практически неизменном моменте сопротивления сечения), позволяют получить минимальную жесткость элемента в монокристаллической структуре вдоль пластины.

234Н 0,01 КГ3 2,34- мм Толщина защитного окисла при травлении до получения балочки прямоугольного сечения должна быть не менее t VsiO2

2,34 h мкм

Если h 0,34 м.м, то толщина окисла должна быть 0,8 мкм.

По предлагаемому способу изготовлены групповым методом из пластин кремния акселерометры с балочными упругими элементами, имеющими размеры прямоугольного сечения 0,34 х 0,040 мм и 0,3 х 0,020 мм, длина упругих элементов 3-4,5 мм. Погрешность изготовления размеров сечения не превышает ± 2 мкм, выход годных при травлении до 100 элементов в пластине диаметром 76 мм 95%.

Введение кругового поверхностного окисления упругого элемента повышает стабильность работы акселерометра, сокращая разбросы по настройке в партии до 10-20%.

Формула изобретения

Способ изготовления балочных упругих элементов групповым методом из пластин кремния кристаллографической ориентации (100), включающий формирование с двух сторон пластины защитного окисла путем термического, окисления и анизотропное травление в 30%-ном щелочном растворе КОН, отличающийся тем, что, с целью повышения точности воспроизведения формы и размеров упругих элементов, термическое окисление проводят до получения толщины защитного окисла не менее 2,3 103 толщины пластины, ориентируют пластину относительнолаправления кристаллографической оси 110 с двух сторон пластины в окисле вскрывают окна напротив друг друга шириной не менее 0,75 толщины h пластины, а анизотропное травление проводят при 96- 98°С до получения заданного сечения упругого элемента, после чего дополнительно окисляют пластины с упругими элементами.

1783596

. /

xxxxx ) / s s, ft,, В

Фиг./

2.

Фиг./

}

г

Д

i f i

X /:/ S S S у / / ft /, rf if s, /,

-r-ir-t v ц и i Л. v j

3

/

Фиг./

г

Д

rf if

Лй

Использование: групповые способы изготовления упругих балочных элементов Сущность изобретения: получают упругий элемент с сечением в виде прямоугольника или вогнутого шестиугольника при повышенной точности воспроизведения формы и размеров упругого элемента путем окисления пластины кремния до определенной толщины окисла, ориентации упругого элемента вдоль кристаллографического направления (110), вскрытия окон в окисле с двух сторон пластины и последующего анизотропного травления при фиксированной температуре и в течение определенного времени. 7 ил.

С D

Составитель А.Косарев Редактор ГБельскаяТехред М.Моргентал

Фю.З

Фю.$

.

X

XI

Корректор М.Ткач