Способ изготовления емкостного преобразователя механических величин Советский патент 1993 года по МПК H01L21/02 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано при изготовлении малогабаритных полупроводниковых емкостных преобразователей механических величин, например, давления и ускорения.

Целью изобретения является повышение чувствительности и точности преобразователя,

Поставленная цель достигается тем. что в способе изготовления емкостного преобразователя механических величин, включающим локальное травление кремниевых пластин в окнах защитной маски до формирования областей мембран, легирование примесью мембран и кремниевого основания, соединение мембран и основания с зазором и присоединение внешних выводов, при формировании кремниевой пластины создают на пленарной поверхности пластины легированный бором до концентрации N 5- 1019см 3слой кремния толщиной2...5 мкм, а на непланэрной поверхности последовательно вытравливают окна кремния в

00

о

ел

СА) О

защитной маске под мембраны и дополнительные окна до 0,1...0.5 исходной толщины защитной маски, превышающие по размерам предыдущие окна на величину, равную ширине области соединения мембран и основания, травят кремний в водном растворе этилёндиамина в окнах на глубину, равную заданной величине зазора между мембраной и основанием, уменьшенной на толщину соединительного шва между мембраной и основанием, травят защитную маску до момента вскрытия кремния в областях соединения мембран и основания, продолжают травить кремний до выявления легированного слоя мембраны, в основании вытравливают пьедесталы высотой, превышающей толщину кремниевой пластины, формируют на них дизлектрический слой, соединяют кремниевую подложку с основанием между собой через упоры и разделяют полученную структуру на отдельные емкостные преобразователи.

Данный способ поясняется фиг. 1-8.

На фиг. 1 изображена кремниевая пластина 1 толщиной Писх1 со сформированными на планарной поверхности легированный бором до концентрации N 5 10 9 см3 слоя 2 кремния толщиной 2,..5 мкм и на непланарной поверхности защитной маской 3 из двуокиси кремния с исходной толщиной Ьисх. з.м. .

На фиг. 2 изображена пластина после вытравливания под областями мембран окон 4, в защитной маске до кремния и дополнительных окон 5 до 0,1...0,5 исходной толщины защитной маски.

Диапазон толщин остаточной защитной маски в последних окнах определяется требуемой величиной емкостного зазора; при малой величине зазора (5...20 мкм) достаточно оставить 0,1 hMcx 1. а при величине зазора более 20 мкм необходимо до 0,5 hucx 1.

На фиг. 3 изображена пластина после травления кремния в окнах 6, на глубину, равную величине зазора ha, уменьшенной на толщину соединительного шва между мембраной и основанием Ьс.ш..

На фиг. 4 изображена пластина после стравливания защитной маски в областях соединения мембран и оснований.

На фиг, 5 изображена пластина после выявления легированного стоп слоя мембраны 8 и получения упоров 9 заданной толщины (h3 - Ьс.ш.).

На фиг. 6 изображено основание 10 с пьедесталами 11 высотой (Ьисх 2), превышающей толщину пластины, для обеспечения посадки мембран через упоры на основание. В основании проведено легирование бора для создания проводящего р слоя 12

и на их поверхности создан диялскгричо ский слой 13( изолирующий при сборке мем брану от основания. На вершине пьедестала сформированы адгезионные области 14 для

соединения мембран и основания.

На фиг, 7 изображена сборка пластины и основания между собой, во время которой мембраны и основания соединяются по области 15.

На фиг, 8 изображены отделенные друг от друга преобразователи (16) с присоединенными к ним внешними выводами 17. Изобретение поясняется примером. Кремниевую пластину марки КЭФ-4.5

ориентации (100) толщиной 300 мкм окисляют до толщины SlOa 1,0... 1,2 мкм, стравливают с планарной поверхности SlOa и проводят в планарную поверхность ионное легирование бором с дозой 6000 мккл/см2

при ускоряющем напряжении 100 кэВ с последующим отжигом в инертной среде при температуре 1150-1200°С в течение 2...3 ч. При этом образуется легированный слой глубиной 3...5 мкм с поверхностной концентрацией примеси более 5- 1019 , Двумя последовательными фотолитографиями в областях мембран с непланарной поверхности в пленке S102 вскрывают окна до кремния под мембраны и окна до толщины SI02,

равной 0,1...0,2 мкм, под упоры. В 20...30% водном растворе этилёндиамина травят кремний в окнах под мембраны на глубину 8 ± 0,5 мкм, травят Si02 с непланарной поверхности до момента удаления SI02 из областей упоров и продолжают травить кремний до выявления стоп слоя из р4 кремния. На данной стадии возможно более точное подтравливание высоты упоров, т.к. слой мембраны не травится. На второй

кремниевой пластине (основании) толщиной 500 мм вытравливают меза-структуры (пьедесталы) высотой 350 мкм, проводят их легирование бором до удельного поверхностного сопротивления 5...20 Ом/О и окиеление до толщины 5Ю2 1,0...1,2 мкм. На выступах в областях соединения с упорами мембраны наносят участки пленки из алюминия толщиной 2...2,5 мкм. Совмещают пластину с мембранами со второй пластиной с основаниями и проводят диффузионную сварку кремния с алюминием при температуре 550...650°С. Возможны соединения мембран с основаниями методами анодной посадки в электростатическом поле или сварки через слой стекла. Разделяют структуру на отдельные чувствительные элементы -и присоединяют внешние выводы.

Технико-экономическими преимуществами предлагаемого способа являются:

- возможность изготовления емкостных датчиков давления и ускорений со сверхмалыми рабочими зазорами до 5...15 мкм, обеспечивающие повышение чувствительности в 2.,.4 раза;

- реализация тонких (2...5 мкм) воспринимающих механические усилия мембран, позволяющие измерять сверхмалые давления;

- упрощение процесса сборки, базирующейся на групповой обработке и существенно снижающей вероятность разрушения тонких мембран.

Формула изобретения Способ изготовления емкостного преобразователя механических величин, включающий локальное травление кремниевых пластин в окнах защитной маски до формирования областей мембран, легирование примесью мембран и кремниевого основания, соединение мембран и основания с зазором и присоединение внешних выводов, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности и точности преобразователя за счет получения тонких

верхности создают слой кремния толщиной 2-5 мкм, легированный бором концентрации N 5- 10 , а на непланарной по верхности последовательно вытравливают

окна кремния в защитной маске под мембраны и дополнительные окна до 0.1-0,5 исходной толщины защитной маски, превышающие по размерам предыдущие окна на величину, равную ширине области соединения мембран и основания, травят в растворе этилендиамина кремний в окнах на глубину, равную заданной величине зазора между мембраной и основанием, уменьшенной на толщину соединительного шва между мембраной и основанием, травят защитную маску до момента вскрытия кремния в областях соединения мембран и основания и травят кремний до появления легированного слоя мембраны, в основании вытравливают пьедесталы высотой, превышающей толщину кремниевой пластины, формируют на них диэлектрический слой, осуществляют соединение кремниевой пластины с основанием между собой через упоры и разделяют

структуру на отдельные емкостные преобразователи.

Использование: относится к области измерительной техники и может быть использовано при изготовлении малогабаритных полупроводниковых преобразователей механических величин. Сущность: При формировании первой кремниевой пластины с мембранами создают на пленарной поверхности пластины легированный бором до концентрации 5-10™ кремния толщиной 2...5 мкм, а на непланарной поверхности под областями мембраны вытравливают окна до кремния в защитной маске под мембраны и описывающие их окна до 0,1...0,5 исходной толщины защитной маски, превышающие по размерам предыдущие окна на величину, равную ширине области соединения мембран и основания, травят кремний в водном растворе этилен- диамина в окнах на глубину, равную величине зазора, уменьшенной на толщину соединительного шва между мембраной и основанием, травят защитную маску до момента вскрытия кремния в областях соединения мембран и основания, продолжают травить кремний до выявления легированного слоя мембраны и получения упоров заданной толщины, при формировании основания на второй пластине вытравливают пьедесталы высотой, превышающей толщину первой пластины, формируют на них диэлектрический слой, соединяют пластину с мембранами и пластину с основаниями- между собой через упоры и разделяют полученную структуру на отдельные емкостные преобразователи. 8 ил. fe

Фиг 5