Нанотехнологии

Главным фактором, влияющим на разрешающую способность ФР, являются дифракционные эффекты при формировании оптического изображения на слое ФР на подложке.

Рис. Экран со щелью и угол дифракции Угол дифракции при больших расстояниях от экрана со щелью

определяется формулой

α = Dλ

где D - ширина щели, λ - длина волны света

Дифракционное размытие световой картины тем больше, чем больше длина световой волны, поэтому стремятся использовать источники света со всё меньшей длиной волны, переходят от ртутных осветительных ламп к лазерным и плазменным источникам света, длина волны излучения которых может быть меньше в 3 и более раз.

Химическая стойкость – это способность слоя ФР защищать поверхность подложки от воздействия травителей. Стойкость определяют величиной бокового подтравливания под край маски (рис. 3)

Рис. 3

Способы экспонирования

Воптической литографии используются три способа экспонирования:

-контактная литография,

-бесконтактная, или фотолитография с зазором;

-проекционная фотолитография

51

где h - расстояние между поверхностями фотошаблона и подложки.

Проекционная фотолитография заключается в оптическом формировании изображения рисунка маски на слое фоторезиста с помощью проекционного объектива (рис. ).

Разрешающая способность (минимальный передаваемый размер элемента) определяется длиной волны излучения и углом α расходимости лучей, приходящих в точку изображения:

Kλ

bmin = nsinα ,

где nsinα - числовая апертура объектива

Процессы травления

При жидкостном травлении через защитную маску из фоторезистивного рисунка часть материала плёнок или подложки удаляется под воздействием жидкого химического травителя. Существует два вида жидкостного травления: изотропный и анизотропный. При изотропном травлении травильные реагенты равномерно удаляют материал во всех направлениях; при анизотропном скорость удаления материала в разных направлениях неодинакова. Для травления разных материалов используются собственные травильные реагенты.

Химические травители должны обладать селективностью, то есть способностью растворять основной технологический слой, не взаимодействуя с фоторезистивной маской и другими нижележащими слоями.

В технологии изготовления кремниевых микросхем часто используется травление тонкой защитной плёнки двуокиси кремния на кремниевой подложке:

SiO2 + HF → SiF4 − +2H2 0

Входящая в состав травителя плавиковая кислота не действует на кремний, обнажающийся после удаления окисла. Образующийся продукт реакции – фтористый кремний - является летучим.

По мере уменьшения размеров элементов микросхем возникает необходимость в использовании всё более тонких фоторезистивных масок, так как при этом улучшается точность формирования топологии; однако при этом ухудшается химическая стойкость фоторезистивных слоёв. Разработано плазмо-химическое травление, которое является «сухим», не требует использования жидких травителей. Подложки при этом способе загружаются в вакуумные установки, в которые напускается под небольшим давлением газовая смесь инертного и активного газа. В газе вблизи поверхности подложки зажигается тлеющий электрический разряд. В плазме разряда газы ионизуются, и положительные ионы движутся к подложке под действием направленного к подложке электрического поля (ионы имеют

53

положительный заряд, а подложка соединена с отрицательным полюсом источника напряжения). В качестве активного газа часто используют галогеносодержащие газа типа фреонов; в плазме молекулы фреонов разлагаются с образованием химически активных радикалов и атомарных газов. Так, при использовании четырёхфтористого углерода CF4 .под действием плазмы образуется атомарный фтор, реагирующий с кремнием, окислом кремния и др.:

4Fat + Si → SiF4 − .

В связи с направленностью движения атомов и радикалов к подложке обеспечивается некоторая анизотропия травления – скорость травления в глубину подложки больше, чем в боковые стороны образующейся ямки травления.

3.4. Технологии объемной микромеханики

Для создания объемных структур микромеханики, в которых конструкционные элементы толщиной в доли и единицы мкм в виде трехмерных конструкций могут занимать объемы высотой в десятки-сотни- тысячи мкм, разрабатываются несколько технологических направлений.

3.4.1. Технология глубинного травления кремния

Под термином микрообработка кремния понимается формирование микроскопических механических элементов внутри кремниевой подложки или на ее поверхности. Существуют две технологии микрообработки кремния: - объемная, при которой элементы системы вытравливаются внутри кремниевой подложки и являются фактически неудаленным при травлении материалом первоначальной кремниевой пластины; - поверхностная, при которой микромеханические элементы формируются из плёнок, осажденных на поверхности подложек.

Объемная технология заключается в избирательном удалении кремния самой кремниевой пластины (подложки) для формирования необходимых объемных структур.

Используя эту технологию, получают структуры толщиной до долей мкм с поперечными размерами от долей мкм до сотен мкм

54

Рис. 3.2.(2.)

Подбираются такие травители, которые, растворяя кремний, не воздействуют на защитные слои материалов.

На рис.2 (а) показано изотропное жидкостное травление. Маской является тонкий слой двуокиси кремния SiO2 . В этом слое имеются отверстия. При помещении кремниевой пластины со слоем маски в жидкостный травитель кремний в отверстиях маски растворяется, скорость растворения во все стороны одинакова, и фронт травления оказывается близким к сферическому (если отверстие в маске круглое) или является цилиндрическим, если отверстие имеет форму щели. Имеет место подтравливание кремния под краями маски, и эти края нависают над образовавшейся в кремнии полости. В качестве травителя часто используют смесь кислот азотной, серной и соляной. На рис.2 (б) и (в) показано анизотропное травление кремния.

В некоторых травителях скорость травления кремния зависит от ориентации кристаллических слоев подложки относительно фронта травления. В качестве подложки почти всегда используется монокристаллический кремний; подложку вырезают из большого монокристалла кремния под определенным углом относительно его кристаллических осей. В кремнии существуют направления, по которым атомы упакованы наиболее плотно, и направления с менее плотной упаковкой. Найдены травители, которые «чувствуют» плотность упаковки, и скорость травления кремния этими травителями по разным направлениям отличается в сотни раз. Такими избирательными травителями являются растворы щелочи КОН, травитель ЕДП (этилендиамин-пирокатехин) и др.

Видно, что в зависимости от ориентации поверхности через окна в маске в кремнии вытравливаются углубления с наклонными стенками рис.2

(б) или вертикальными стенками рис.2 (в); подтравливания под края маски практически нет.

Для получения структур типа мембран используются несколько методов жидкостного травления.

55

Рис.3.3.( 3.)

На рис.3, а) показан метод травления, использующий тот факт, что высоколегированный примесью бора поверхностный слой травится в избирательном травителе ЕДП очень медленно, и травлением кремния с тыльной стороны подложки можно на лицевой стороне получить тонкую (толщиной 1-3 мкм) мембрану.

Такую же мембрану можно получить электрохимическим травлением кремния, если под поверхностью пластины кремния легированием соответствующей примесью с поверхности получить р-п переход. Травление кремния с тыльной стороны пластины остановится, когда фронт травления дойдет до р-п перехода; образуется мембрана (рис.3, б).

Область, дойдя до которой фронт травления остановится, называется барьерным слоем.

Мембрану можно получить из окисла кремния (рис.3, в). Пластину окисляют в атмосфере кислорода, травление ведут с тыльной стороны пластины кислотным травителем, который растворяет кремний, но не действует на слой окисла.

Существуют также методы сухого травления кремния. Сухое травление происходит за счет химического и физического взаимодействия между молекулами или ионами газового травильного реагента и атомами кремниевой подложки.

Для молекулярного сухого изотропного травления используют следующие газы: дифторксенон F2 Xe и смеси галогенов. При таком травлении удается добиться высокой избирательности травления: алюминий,

двуокись кремния, нитрид кремния не травятся при травлении кремния.

При сухом молекулярном травлении могут происходить химические реакции:

Si + Cl2 −→ SiCl4

Si + F2 Xe −→ SiF4 − +Xe −

56

Продукты реакции являются газообразными.

Наиболее распространенными методами сухого травления кремния являются плазменное и реактивное ионное травления, проводящиеся в реакционных камерах низкого давления. Для запуска химических реакций реакционная среда переводится в плазменное состояние, т.е. для травления требуется подвод внешней энергии. Плазменное и реактивное ионное травления могут быть анизотропными и позволяют получать глубокие канавки и полости в кремнии. Анизотропия такого травления во многом определяется анизотропией движения ионов в плазме: ионы двигаются по направлению к поверхности, и в большей степени взаимодействуют с дном вытравливаемых полостей, чем с их боковыми стенками.

При использовании сухого травления в производстве в меньшей степени загрязняется внешняя среда в сравнении с жидкостным травлением, т.е. эти методы являются более экологически чистыми.

Однако ограничением технологии является невозможность получения любых, необходимых в конкретном случае, конфигураций вытравленных полостей; нет необходимого разнообразия получаемых методом глубинного травления структур.

3.5. Технология поверхностной микромеханики.

Значительная доля разработок в области микромеханических устройств основана на базовых кремниевых микротехнологиях и на использовании поверхностной микротехнологии с жертвенным слоем.

Поверхностная технология заключается в построении микроструктур на поверхности кремния путем осаждения тонких плёнок структурных слоев и вспомогательных, временно поддерживающих слоев, которые называются жертвенными и впоследствии удаляются.

Основные процессы этой технологии: нанесение на подложку сначала жертвенного, затем рабочего слоя; удаление через отверстие в рабочем слое жертвенного слоя, при этом формируется объемная полость между рабочим слоем и подложкой.

Последовательности технологических операций сводятся к известным последовательностям, используемым в планарной технологии кремниевых микросхем. В эту последовательность входят нанесение слоев, нанесение фотолитографических масок, избирательное травление через отверстия в масках рабочего и жертвенного слоев с образованием объемных полостей, промывка образовавшихся полостей.

Часто в качестве рабочего используют слой поликремния, в качестве жертвенного – двуокись кремния.

Выяснилось, что для обеспечения механической устойчивости образующихся нависающих над подложкой структур важна термомеханическая совместимость используемых материалов и их механическая прочность. Двуокись кремния и поликремний имеют

57

значительно отличающиеся коэффициенты теплового расширения, что приводит к механическим напряжениям в полученных консольных, балочных и мембранных структурах.

Ведется поиск других перспективных для микромеханических структур материалов. Предложено в качестве жертвенного слоя вместо двуокиси кремния применять пористый кремний. Слой пористого кремния на поверхности монокристаллической подложки получают электрохимическим травлением поверхности в особом режиме, при этом приповерхностный слой на заданную глубину оказывается пронизанным множеством наноразмерных каналов. Этот слой впоследствии при использовании его в качестве жертвенного легко удаляется избирательным жидкостным травителем.

Применяют сочетание слоев карбида кремния (рабочего) и нитрида алюминия (жертвенного). Нитрид алюминия может также и быть элементом несущей конструкции, т.к. обладает изолирующими и пьезоэлектрическими свойствами.

Геометрические размеры микроструктур, изготовленных по этой технологии, могут быть в десятки-сотни раз меньше, чем в случае объемной технологии. Большим преимуществом технологии является простота интеграции их с электронными интегральными схемами, поскольку они могут быть выполнены на одной подложке. На рис.4 показана последовательность этапов типовой поверхностной технологии получения структур на кремнии.

Рис. 3.4(4.)

Вначале кремниевую полированную пластину окисляют нагреванием до высоких температур в течение часов в атмосфере кислорода.

58

Получающийся слой SiO2 может иметь толщину 0,1÷1,0 мкм. Проводят фотолитографию по слою и получают в нем сквозные отверстия. После удаления слоя фоторезиста на полученную структуру наносят в специальной установке тонкую плёнку поликристаллического кремния (поликремния), которая осаждается равномерным слоем, закрывая собой в том числе и отверстие в окисной плёнке.

Если теперь удалить слой SiO2 (рис.4, г), то поликремний образует структуру, которая соединяется с подложкой только участком, а края слоя поликремния расположены в пространстве с зазором от подложки. Удаленный слой двуокиси играл здесь роль жертвенного слоя.

Как видно из приведенного примера важным является сохранение после удаления жертвенного слоя формы механической структуры. Это возможно, если остаточные механические напряжения в слое поликремния малы.

Сформируем основные положения технологии.

1)Важным является подбор таких травителей, которые производят удаление слоя избирательно, не действуя на другие слои. Так, травитель SiO2 на рис.4, б) не должен воздействовать на фоторезист и кремний, а на рис.4, г) травитель SiO2 не должен реагировать с поликремнием.

2)После травления жертвенного слоя пластина со структурами оказывается в промывочной жидкости. Удаленная из промывочной ванны пластина все еще влажная, покрыта слоем воды; воду требуется удалить, а пластину высушить. Сушка микромеханических структур является проблемой. Остатки жидкости в зазоре между поверхностью кремниевой пластины и свободными краевыми участками поликремниевой консоли (рис.5, а) силами поверхностного натяжения жидкости могут прижать консоль к поверхности, деформировать микромеханическую структуру. Эта проблема решается различными путями: применением сухих травителей; использованием сверхкритической сушки.

59

Рис. 3.5.(5.)

3) При разработке поверхностной технологии получения микроструктур важным является подбор сочетания конструкционных материалов и травильных смесей.

Часто используются сочетания материалов.

А. Поликремний/двуокись кремния. Поликремний и двуокись осаждаются химическим путем из газовой фазы при низком давлении. Используется травитель в виде раствора плавиковой кислоты HF , который реагирует с SiO2 , но не взаимодействует с поликремнием. Часто совестно с

этими материалами применяют нитрид кремния Si3 N4 .

Б. Полиимид-алюминий. Полиимид – это полимер с высокими термоустойчивостью и химической стойкостью, хорошими механическими характеристиками. Применяется в микромеханике как материал структуры; алюминий выполняет роль защитного материала. Для удаления алюминиевого защитного слоя используют кислотные травители.

В. Нитрид кремния–поликремний. Нитрид играет роль структурного материала, полукремний – защитного. При проведении анизотропного травления кремния, локально покрытого этими материалами, используют травительи КОН и ЕДР, которые не реагируют на нитрид и поликремний.

Г. Вольфрам/двуокись кремния. Вольфрам, осажденный из паров, применяют как структурный материал, двуокись кремния – защитный.для удаления защитного слоя применяют раствор плавиковой кислоты HF .

Для построения микроструктур в МСТ иногда используют карбид кремния SiC , алмазоподобный углерод, оксид цинка ZnO , золото и др.

Д. При сухой обработке кремния, на поверхности которого нанесены слои фоторезиста, двуокиси кремния, алюминия, используют плазменное травление в смеси газов на основе SF6 / O2 или CF4 / H2 . Получается высокая избирательность травления; однако фоторезист обладает меньшей устойчивостью, чем двуокись и алюминий.

Кремниевые микроструктуры, полученные по поверхностной технологии, являются трехмерными, но их «высота» не так велика, как при использовании объемной технологии.

3.5.2. Сверхкритическая сушка

3.6.LIGA-технология

3.6.1.Принципы LIGA-технологии.

LIGA-процесс - специализированный тип микромеханической обработки поверхности, объединяющий рентгеновскую литографию, гальванопластику и микроштамповку для создания высокоаспектных (имеющих высоту во много раз большую, чем ширину) микроструктур. Технология была разработан в начале восьмидесятых годов 20 века в IMT (Институт микроструктур, Карлсруэ, Германия) как способ производства

60