RU2830141C1 - Method of connecting silicon plates - Google Patents
Method of connecting silicon plates Download PDFInfo
- Publication number
- RU2830141C1 RU2830141C1 RU2024103836A RU2024103836A RU2830141C1 RU 2830141 C1 RU2830141 C1 RU 2830141C1 RU 2024103836 A RU2024103836 A RU 2024103836A RU 2024103836 A RU2024103836 A RU 2024103836A RU 2830141 C1 RU2830141 C1 RU 2830141C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- silicon
- wafer
- etching
- protective film
- plate
- Prior art date
Links
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 81
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 80
- 239000010703 silicon Substances 0.000 title claims abstract description 80
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 37
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 102
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 claims abstract description 51
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 claims abstract description 51
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims abstract description 41
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 claims abstract description 41
- 229910021421 monocrystalline silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 18
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 claims abstract description 16
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 16
- 229910021420 polycrystalline silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 15
- 230000000284 resting effect Effects 0.000 claims abstract description 5
- 235000012431 wafers Nutrition 0.000 claims description 127
- 238000005304 joining Methods 0.000 claims description 8
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 7
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 claims description 5
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 claims description 5
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 11
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 46
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 10
- 238000003486 chemical etching Methods 0.000 description 8
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 6
- 239000000356 contaminant Substances 0.000 description 5
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 4
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 4
- BPQQTUXANYXVAA-UHFFFAOYSA-N Orthosilicate Chemical compound [O-][Si]([O-])([O-])[O-] BPQQTUXANYXVAA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000003292 glue Substances 0.000 description 3
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- BLRPTPMANUNPDV-UHFFFAOYSA-N Silane Chemical compound [SiH4] BLRPTPMANUNPDV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 2
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 2
- 238000010292 electrical insulation Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 2
- 238000009499 grossing Methods 0.000 description 2
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 2
- 239000002346 layers by function Substances 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 2
- 229920002120 photoresistant polymer Polymers 0.000 description 2
- 229920005591 polysilicon Polymers 0.000 description 2
- 238000005406 washing Methods 0.000 description 2
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 2
- 229910021529 ammonia Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000000712 assembly Effects 0.000 description 1
- 238000000429 assembly Methods 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 229910052681 coesite Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052906 cristobalite Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 230000001747 exhibiting effect Effects 0.000 description 1
- 230000004927 fusion Effects 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 description 1
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 1
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 1
- 229910052682 stishovite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
- 229910052905 tridymite Inorganic materials 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано при изготовлении чувствительных элементов, применяемых при изготовлении микромеханических акселерометров, микрогироскопов, интегральных датчиков давления.The invention relates to the field of instrument making and can be used in the manufacture of sensitive elements used in the manufacture of micromechanical accelerometers, microgyroscopes, and integrated pressure sensors.
Многие МЭМС приборы представляют собой многослойную сборку. Типичным примером является трехслойная сборка «крышка - чувствительный элемент - крышка». Каждый слой является частью отдельной кремниевой пластины после частичной обработки, после которой отдельные пластины сращиваются между собой в многослойную структуру. Такая сборка может проходить затем дополнительную технологическую обработку, после чего нарезается на чипы, которые и представляют собой итоговый МЭМС прибор.Many MEMS devices are multilayer assemblies. A typical example is a three-layer assembly of "cap-sensing element-cap". Each layer is part of a separate silicon wafer after partial processing, after which the individual wafers are fused together to form a multilayer structure. This assembly can then undergo additional technological processing, after which it is cut into chips, which represent the final MEMS device.
Известен способ соединения кремниевых пластин с использованием промежуточного слоя алюминия. По контуру соединяемых пластин наносят слой алюминия толщиной 1-2 мкм, соединяемые пластины сжимают с легким усилием в пакет, после чего пакет нагревают до температуры 600°С. Происходит диффундирование алюминия в кремний, в результате чего происходит сращивание кремниевых пластин [1].A method of joining silicon wafers using an intermediate aluminum layer is known. A 1-2 µm thick aluminum layer is applied along the contour of the wafers to be joined, the wafers to be joined are compressed into a stack with light force, after which the stack is heated to a temperature of 600°C. The aluminum diffuses into the silicon, resulting in the fusion of the silicon wafers [1].
Недостатком вышеуказанного является то, что в месте соединения слой алюминия имеет температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) на порядок выше по сравнению с кремнием. По этой причине интегральные датчики, выполненные по данной технологии, имеют температурную нестабильность характеристик.The disadvantage of the above is that at the junction the aluminum layer has a temperature coefficient of linear expansion (TCLE) an order of magnitude higher than that of silicon. For this reason, integrated sensors made using this technology have temperature instability of characteristics.
Известен способ соединения кремниевых пластин, при котором на одной из соединяемых кремниевых пластин выращивают слой двуокиси кремния (SiO2) толщиной порядка 10 мкм, в пластинах намечают точки соединения, и площадки в точках соединения помечают реперными знаками [2].A method for joining silicon wafers is known, in which a layer of silicon dioxide (SiO 2 ) with a thickness of about 10 µm is grown on one of the silicon wafers to be joined, connection points are marked in the wafers, and the areas at the connection points are marked with reference marks [2].
Недостатком вышеуказанного способа соединения является нестабильность размеров (особенно зазоров) в конструкциях с промежуточным слоем из двуокиси кремния между соединяемыми кремниевыми пластинами, что в результате приводит к снижению точности.The disadvantage of the above-mentioned connection method is the instability of dimensions (especially gaps) in structures with an intermediate layer of silicon dioxide between the connected silicon wafers, which ultimately leads to a decrease in accuracy.
Известен способ соединения кремниевых пластин, заключающийся в том, что на соединяемых пластинах намечают точки соединения, на которых выполняют контактные площадки, контактные площадки в точках соединения намечают реперными знаками, отличающийся тем, что 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. [3]A method for joining silicon wafers is known, which consists in marking the connection points on the wafers to be joined, on which contact pads are made, the contact pads at the connection points are marked with reference marks, characterized in that pyramidal through holes with internal walls at an angle of 54.4° are etched in the wafers at the connection points, relief grooves are made around the pyramidal holes in the wafers to be joined to a depth of about 10-20 μm, the wafers to be joined are aligned according to reference marks and compressed with a force of up to 10 N, the channels of the pyramidal holes are directed with their expanding parts in opposite directions, after which the channels are filled with silicate glue and dried at a temperature of 70-80°C. [3]
Недостатком известного способа является использование силикатного клея.The disadvantage of the known method is the use of silicate glue.
Силикатный клей не обеспечивает точность зазоров необходимых в микроэлектромеханических датчиках.Silicate glue does not provide the precision gaps required in microelectromechanical sensors.
Известен способ соединения кремниевых пластин, характеризующийся тем, что на первой и второй соединяемых пластинах намечают точки соединения, в точках соединения на первой соединяемой пластине вытравливают сквозные отверстия, на второй соединяемой пластине формируют выступы, размеры которых равны размерам сквозных отверстий на первой соединяемой пластине, затем первую и вторую соединяемые пластины соединяют с совмещением сквозных отверстий и выступов, после чего сжимают с давлением 2 кПа и производят соединение путем применения лазерной сварки кремния в среде азота в местах соединения граней сквозных отверстий и выступов [4].A method for joining silicon wafers is known, characterized by the fact that on the first and second wafers to be joined, connection points are marked, through holes are etched at the connection points on the first wafer to be joined, protrusions are formed on the second wafer to be joined, the dimensions of which are equal to the dimensions of the through holes on the first wafer to be joined, then the first and second wafers to be joined are combined with the through holes and protrusions aligned, after which they are compressed with a pressure of 2 kPa and the connection is made by using laser welding of silicon in a nitrogen environment at the points where the faces of the through holes and protrusions are joined [4].
Недостатком указанного способа является использование лазерной сварки, которая локально воздействует на точки соединения, тем самым не снижает напряжения в соединенных пластинах.The disadvantage of this method is the use of laser welding, which locally affects the connection points, thereby not reducing the stress in the connected plates.
Из [5] известен способ изготовления устройства полупроводник на изоляторе (SOI), который включает в себя формирование функционального слоя устройства на передней стороне кремниевой пластины-заготовки, связывание первой пластины-носителя с передней стороной пластины-заготовки, обработку полупроводникового слоя на задней стороне пластины-заготовки и связывания второй пластины-носителя с обработанной поверхностью. В некоторых аспектах способ может дополнительно включать в себя удаление первой пластины-носителя с передней стороны, чтобы обнажить функциональный слой устройства.[5] discloses a method for manufacturing a semiconductor-on-insulator (SOI) device, which includes forming a functional layer of the device on the front side of a silicon wafer blank, bonding a first carrier wafer to the front side of the wafer blank, processing the semiconductor layer on the back side of the wafer blank, and bonding a second carrier wafer to the processed surface. In some aspects, the method may further include removing the first carrier wafer from the front side to expose the functional layer of the device.
В [6] описан способ обработки пластины-заготовки, включающий нанесение жертвенного материала на поверхность пластины-носителя, прилипание поверхности пластины пластины-заготовки к противоположной поверхности пластины-носителя, выравнивание открытой поверхности жертвенного материала путем удаления только части его толщины и выравнивание противоположной поверхности пластины-заготовки. Фиксация заготовки на носителе возможна с помощью фоторезиста. Снятие заготовки с пластины-носителя возможно с помощью растворителя.[6] describes a method for processing a blank plate, including applying a sacrificial material to the surface of the carrier plate, adhering the surface of the blank plate to the opposite surface of the carrier plate, leveling the exposed surface of the sacrificial material by removing only part of its thickness, and leveling the opposite surface of the blank plate. Fixation of the blank on the carrier is possible using a photoresist. Removal of the blank from the carrier plate is possible using a solvent.
Известен способ соединения кремниевых пластин микроэлектромеханических систем с изоляционным слоем диоксида кремния между ними, заключающийся в том, что на каждой из противоположно расположенных сторон кремниевой пластины методом термического окисления выращивают слои диоксида кремния, затем размещают кремниевую пластину на опорную поверхность и на одной поверхности кремниевой пластины производят плазмохимическое травление кремниевой пластины со стороны нанесенного слоя диоксида кремния, затем переворачивают указанную пластину и устанавливают ее на опорную поверхность стороной с полученным рисунком травления и производят плазмохимическое травление кремниевой пластины с другой стороны нанесенного слоя диоксида кремния, а затем осуществляют методом термического сращивания соединение указанной кремниевой пластины с проработанными травлением сторонами с другой кремниевой пластиной. [7]A method is known for joining silicon wafers of microelectromechanical systems with an insulating layer of silicon dioxide between them, which consists in growing layers of silicon dioxide on each of the opposite sides of the silicon wafer by a thermal oxidation method, then placing the silicon wafer on a support surface and performing plasma-chemical etching of the silicon wafer on one surface of the silicon wafer from the side of the applied layer of silicon dioxide, then turning over the said wafer and placing it on the support surface with the side with the resulting etching pattern and performing plasma-chemical etching of the silicon wafer from the other side of the applied layer of silicon dioxide, and then performing a thermal splicing method to join the said silicon wafer with the sides processed by etching to another silicon wafer. [7]
Недостатком указанного способа является то, что при изготовлении многослойных МЭМС для функциональных целей требуется электрическая изоляция между отдельными слоями. Самым популярным изолятором является слой диоксида кремния SiO2 (далее - оксид), который формируется на стороне пластины-слоя, которая будет сращиваться с другой пластиной.The disadvantage of this method is that when manufacturing multilayer MEMS for functional purposes, electrical insulation is required between the individual layers. The most popular insulator is a layer of silicon dioxide SiO 2 (hereinafter referred to as oxide), which is formed on the side of the plate-layer that will be spliced with another plate.
Однако при сохранении традиционных технологий образования многослойных МЭМС возникает серьезная классическая проблема - наличие или образование паразитической проводимости диоксида кремния, которая возникает в процессе технологической обработки пластин в присоединяемом слое 6 диоксида кремния, если в качестве сращивания используется термическое сращивание оксид-кремний. В результате, когда пластина своим оксидом сращивается с другой пластиной, между ними нет должной электрической изоляции. Корнем проблемы является термическая диффузия частиц загрязнений в слой оксида во время высокотемпературных процессов. Частицы загрязнений попадают на пластину во время ее контакта со столиками производственных установок, в которых пластины проходят технологическую обработку. Сам процесс термического сращивания пластин производится при высокой температуре (более 900°С). Таким образом, для исключения проявления паразитической проводимости изоляционного слоя на основе диоксида кремния Si02 необходимо, чтобы перед сращиванием в слоистую конструкцию кремниевые пластины быть чистыми, то есть не содержали на своей поверхности инородные частицы любого природного происхождения.However, when maintaining traditional technologies for the formation of multilayer MEMS, a serious classical problem arises - the presence or formation of parasitic conductivity of silicon dioxide, which occurs during the technological processing of wafers in the attached layer 6 of silicon dioxide, if thermal bonding of oxide-silicon is used as a splice. As a result, when a wafer is bonded with another wafer by its oxide, there is no proper electrical insulation between them. The root of the problem is the thermal diffusion of contaminant particles into the oxide layer during high-temperature processes. Contaminant particles get onto the wafer during its contact with the tables of production units in which the wafers undergo technological processing. The process of thermal bonding of wafers itself is carried out at a high temperature (over 900 °C). Thus, to exclude the manifestation of parasitic conductivity of the insulating layer based on silicon dioxide SiO2, it is necessary that before splicing into a layered structure, the silicon wafers be clean, that is, do not contain foreign particles of any natural origin on their surface.
В описанных примерах обработка одной стороны пластины (термическим окислением и плазмохимическим травлением) заключается в том, что эта пластина закреплена на столике производственной обработки. И после обработки одной ее стороны переворачивается и снова укладывается на этот же столик или другой столик обработанной стороной для последующей обработки другой ее стороны. В результате на слое диоксида кремния, которым пластина примыкает к поверхности столика, остаются элементы загрязнения. Классическим способом снятия загрязнений является мойка пластин в жидкой химии. В некоторых случаях это не представляется возможным вследствие того, что очищаемая пластина может содержать тонкие подвижные микроструктуры, которые будут повреждены силой поверхностного натяжения жидкости. Вдобавок, часто мойка поверхности не удаляет загрязнения достаточно хорошо, чтобы предотвратить порчу изоляционных свойств диоксида кремния при термическом сращивании. Применение различных способов механической очистки этих загрязнений на этой стадии нежелательны, так как приводят к повреждению поверхностей слоя диоксида кремния и самого кремния. Поэтому при сращивании кремниевых пластин через слой диоксида кремния при высоких температурах происходит диффузия частиц загрязнений в микротрещины с образованием электропроводящих микромостиков, образующих в многослойной конструкции МЭМС паразитические наводки, влияющие на функционирование электро- или электромеханической схемы на каждой кремниевой пластине.In the described examples, the processing of one side of the wafer (thermal oxidation and plasma-chemical etching) consists of the wafer being fixed on the production processing table. And after processing one side, it is turned over and placed again on the same table or another table with the processed side for subsequent processing of its other side. As a result, elements of contamination remain on the silicon dioxide layer, with which the wafer adjoins the surface of the table. The classic method of removing contamination is washing the wafers in liquid chemistry. In some cases, this is not possible due to the fact that the cleaned wafer may contain thin mobile microstructures that will be damaged by the surface tension of the liquid. In addition, surface washing often does not remove contamination well enough to prevent damage to the insulating properties of silicon dioxide during thermal bonding. The use of various methods of mechanical cleaning of these contaminants at this stage is undesirable, since they lead to damage to the surfaces of the silicon dioxide layer and the silicon itself. Therefore, when bonding silicon wafers through a layer of silicon dioxide at high temperatures, particles of contaminants diffuse into microcracks, forming electrically conductive microbridges that create parasitic interference in the multilayer MEMS structure, affecting the functioning of the electro- or electromechanical circuit on each silicon wafer.
Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение является снижение остаточных внутренних напряжений, возникающих в пакете монокристаллического кремния и, следовательно, повышение точностных характеристик микромеханических датчиков.The task that the claimed invention is aimed at solving is to reduce residual internal stresses that arise in a package of monocrystalline silicon and, consequently, to increase the precision characteristics of micromechanical sensors.
Поставленную задачу решают за счет того что, в способе соединения кремниевых пластин микроэлектромеханических систем с изоляционным слоем диоксида кремния между ними, заключающийся в том, что на каждой из противоположно расположенных сторон кремниевой пластины методом термического окисления выращивают слои диоксида кремния, затем на одной поверхности кремниевой пластины производят травление кремниевой пластины со стороны нанесенного слоя диоксида кремния, затем устанавливают ее на опорную поверхность стороной по полученным рисунком травления, а затем осуществляют методом термического сращивания соединение указанной кремниевой пластины с проработанными травлением сторонами с другой кремниевой пластиной, согласно изобретению, вначале наносят три защитные пленки на пластину из монокристаллического кремния, дополнительно наносят нитрид кремния, далее наносят поликристаллический кремний, формируют из защитных пленок локальные маски в области формирования микропрофиля и проводят травление защитной пленки до поверхности пластины, проводят анизотропное травление в образовавшемся окне пластины монокристаллического кремния, травление защитной пленки до поверхности пластины и анизотропное травление необходимое количество раз до получения требуемого микропрофиля, после последнего травления стороны кремниевой пластины их размещают на опорной поверхности с опиранием пластин друг на друга, а перед термическим сращиванием удаляют поликристаллическую защитную пленку, затем удаляют защитную пленку из нитрида кремния, а поверхность контакта с ней кремниевой пластины с рисунком травления очищают, а при термическом сращивании указанную кремниевую пластину с проработанными травлением сторонами соединяют с другими кремниевыми пластинами со стороны имевшей контакт с пластиной слоя диоксида кремния.The stated problem is solved due to the fact that, in the method of joining silicon wafers of microelectromechanical systems with an insulating layer of silicon dioxide between them, which consists in the fact that on each of the oppositely located sides of the silicon wafer, layers of silicon dioxide are grown by the method of thermal oxidation, then on one surface of the silicon wafer, the silicon wafer is etched from the side of the applied layer of silicon dioxide, then it is installed on the supporting surface with the side according to the obtained etching pattern, and then the said silicon wafer with the sides processed by etching is connected to another silicon wafer by the method of thermal splicing, according to the invention, first three protective films are applied to the wafer of monocrystalline silicon, silicon nitride is additionally applied, then polycrystalline silicon is applied, local masks are formed from the protective films in the area of microprofile formation and the protective film is etched to the surface of the wafer, anisotropic etching is carried out in the formed window of the monocrystalline silicon wafer, etching protective film to the surface of the wafer and anisotropic etching the required number of times until the required microprofile is obtained, after the last etching of the sides of the silicon wafer they are placed on the support surface with the wafers resting on each other, and before thermal bonding the polycrystalline protective film is removed, then the protective film of silicon nitride is removed, and the contact surface of the silicon wafer with the etching pattern is cleaned, and during thermal bonding the said silicon wafer with the sides processed by etching is connected to other silicon wafers from the side that had contact with the wafer of the silicon dioxide layer.
Отличительными признаками заявленного способа от известных является то, что, вначале наносят три защитные пленки на пластину из монокристаллического кремния, дополнительно наносят нитрид кремния, далее наносят поликристаллический кремний, формируют из защитных пленок локальные маски в области формирования микропрофиля и проводят травление защитной пленки до поверхности пластины, проводят анизотропное травление в образовавшемся окне пластины монокристаллического кремния, травление защитной пленки до поверхности пластины и анизотропное травление необходимое количество раз до получения требуемого микропрофиля, после последнего травления стороны кремниевой пластины их размещают на опорной поверхности с опиранием пластин друг на друга, а перед термическим сращиванием удаляют поликристаллическую защитную пленку, затем удаляют защитную пленку из нитрида кремния, а поверхность контакта с ней кремниевой пластины с рисунком травления очищают, а при термическом сращивании указанную кремниевую пластину с проработанными травлением сторонами соединяют с другими кремниевыми пластинами со стороны, имевшей контакт с пластиной слоя диоксида кремния.The distinctive features of the claimed method from the known ones are that, first, three protective films are applied to a wafer of monocrystalline silicon, silicon nitride is additionally applied, then polycrystalline silicon is applied, local masks are formed from the protective films in the area of microprofile formation and the protective film is etched to the surface of the wafer, anisotropic etching is carried out in the resulting window of the monocrystalline silicon wafer, the protective film is etched to the surface of the wafer and anisotropic etching is carried out the required number of times until the required microprofile is obtained, after the last etching of the sides of the silicon wafer they are placed on the support surface with the wafers resting on each other, and before thermal bonding the polycrystalline protective film is removed, then the protective film of silicon nitride is removed, and the contact surface of the silicon wafer with the etching pattern is cleaned, and during thermal bonding the said silicon wafer with the sides processed by etching is connected to other silicon wafers from the side that had contact with the silicon dioxide layer plate.
На фиг. 1, 2, 3, 4 изображена схема процесса получения многослойной микроэлектромеханической системы согласно настоящему изобретению, где:Fig. 1, 2, 3, 4 shows a diagram of the process for producing a multilayer microelectromechanical system according to the present invention, where:
1 - монокристаллическая пластина кремния,1 - single-crystal silicon wafer,
2 - защитная пленка двуокиси кремния,2 - protective film of silicon dioxide,
3 - защитная пленка нитрида кремния,3 - protective film of silicon nitride,
4 - слой поликристаллического кремния,4 - layer of polycrystalline silicon,
5 - 2 слой защитной пленки двуокиси кремния.5 - 2 layers of protective silicon dioxide film.
На фиг. 3 схематично изображен финальный этап подготовки пластин к соединению.Fig. 3 schematically shows the final stage of preparing the plates for joining.
На фиг. 4 схематично изображен пакет кремниевых пластин перед прямым сращиванием.Fig. 4 schematically shows a stack of silicon wafers before direct bonding.
Согласно настоящего изобретения рассматривается новый способ соединения кремниевых пластин микроэлектромеханических систем с изоляционным слоем диоксида кремния между ними с целью создания многослойных конструкций, в которой микроэлектронный функционал на каждой кремниевой пластине мог бы обеспечивать решение логической или прикладной задачи без наводок и паразитных связей от микроэлектронного функционала на каждой присоединенной к ней кремниевой пластине в многослойной конструкции.According to the present invention, a new method is considered for connecting silicon wafers of microelectromechanical systems with an insulating layer of silicon dioxide between them with the aim of creating multilayer structures in which the microelectronic functionality on each silicon wafer could provide a solution to a logical or applied problem without interference and parasitic connections from the microelectronic functionality on each silicon wafer connected to it in the multilayer structure.
В общем случае, этот способ заключается в том, что на каждую из противоположно расположенных сторон кремниевой пластины наносят три защитные пленки на пластину из монокристаллического кремния, дополнительно наносят нитрид кремния, далее наносят поликристаллический кремний, формируют из защитных пленок локальные маски в области формирования микропрофиля и проводят травление защитной пленки до поверхности пластины, проводят анизотропное травление в образовавшемся окне пластины монокристаллического кремния, травление защитной пленки до поверхности пластины и анизотропное травление необходимое количество раз до получения требуемого микропрофиля, после последнего травления стороны кремниевой пластины их размещают на опорной поверхности с опиранием пластин друг на друга, а перед термическим сращиванием удаляют поликристаллическую защитную пленку, затем удаляют защитную пленку из нитрида кремния, а поверхность контакта с ней кремниевой пластины с рисунком травления очищают, а при термическом сращивании указанную кремниевую пластину с проработанными травлением сторонами соединяют с другими кремниевыми пластинами со стороны, имевшей контакт с пластиной слоя диоксида кремния.In general, this method consists in the fact that three protective films are applied to each of the oppositely located sides of the silicon wafer on a wafer made of monocrystalline silicon, silicon nitride is additionally applied, then polycrystalline silicon is applied, local masks are formed from the protective films in the area of the formation of the microprofile and the protective film is etched to the surface of the wafer, anisotropic etching is carried out in the formed window of the monocrystalline silicon wafer, etching the protective film to the surface of the wafer and anisotropic etching the required number of times until the desired microprofile is obtained, after the last etching of the sides of the silicon wafer they are placed on the support surface with the wafers resting on each other, and before thermal bonding the polycrystalline protective film is removed, then the protective film of silicon nitride is removed, and the contact surface of the silicon wafer with it with the etching pattern is cleaned, and during thermal bonding the said silicon wafer with the sides processed by etching is connected to other silicon wafers with the side that had contact with the silicon dioxide layer plate.
Также необходимо пронимать, что пленка из диоксида кремния, выращенная на кремниевых подложках, имеет пористую структуру, независимо от способа получения этой пленки. Естественно, чем меньше пористость, тем выше изоляционные свойства такой пленки в случае ее применения в качестве изоляционного слоя. Однако технически получение слоя диоксида кремния с малой или максимально малой пористостью представляет собой трудоемкий и затратный по времени технологический процесс.It is also necessary to understand that the silicon dioxide film grown on silicon substrates has a porous structure, regardless of the method of obtaining this film. Naturally, the lower the porosity, the higher the insulating properties of such a film in the case of its use as an insulating layer. However, technically, obtaining a silicon dioxide layer with low or extremely low porosity is a labor-intensive and time-consuming technological process.
Тройная зашита с высокой степенью обеспечивает защиту диоксида кремния от загрязнений.Triple protection with a high degree of protection ensures silicon dioxide is protected from contamination.
Таким образом, нитрид кремния поликремний защищают двуокись кремния от лишних примесей и обеспечивают прочное сращивание кремниевых пластин и исключают проявления паразитической проводимости изоляционного слоя на основе диоксида кремния SiO2.Thus, silicon nitride polysilicon protects silicon dioxide from excess impurities and ensures strong bonding of silicon wafers and eliminates the manifestation of parasitic conductivity of the insulating layer based on silicon dioxide SiO 2 .
Затем наступает операция сращивания методом термического сращивания кремниевой пластины с проработанными травлением сторонами с другой кремниевой пластиной. При этом сращивание указанной кремниевой пластины с проработанными травлением сторонами с другой кремниевой пластиной осуществляют путем присоединения другой кремниевой пластины к стороне имевшего контакт с пластиной со слоем диоксида кремния. В результате этот сращенный слой диоксида кремния имеет высокую чистоту без загрязнений, что обеспечивает высокую изоляционную способность изоляционного слоя соединения, не формирующего паразитическую проводимость. Способ реализуется следующим образом. На пластину монокристаллического кремния 1 наносят защитную пленку двуокиси кремния 2. Наносят защитную пленку нитрида кремния 3 (фиг. 1а), проводят экспонирование для вскрытия окон в защитной пленке двуокиси кремния 2 и нитрида кремния 3 (фиг. 1б). Проводят анизотропное травление монокристаллической пластины кремния 1 в образовавшемся окне (фиг. 1в). Наносят защитную 2 слой двуокиси кремния 5. (фиг. 1г). Наносят поликристаллический кремний 4 (фиг. 1г). Проводят анизотропное травление поликристаллического кремния 4 (фиг. 1д). Проводят окисление поликристаллического кремния 4 (фиг. 2а). Проводят травление 2 слоя защитной пленки двуокиси кремния 5 до поверхности пластины 1 (фиг. 2б). Проводят анизотропное травление монокристаллической пластины кремния 1 в образовавшемся окне (фиг. 2в). Повторяют необходимое количество раз до получения требуемого микропрофиля с последующим сглаживанием в изотропном или анизотропном травителе или анизотропном и изотропном травителях полученной поверхности. Получение конкретного профиля определяется конкретным назначением приборов, в которых будет использоваться микропрофиль, например его упругих элементов, которые определяют его основные точностные и прочностные характеристики. Соответственно для каждого конкретного микропрофиля по назначению количество циклов определяется для каждого индивидуального микропрофиля отдельно по назначению. После этого снимают остатки поликристаллического кремния 4, 2 слоя защитной пленки двуокиси кремния 5 и нитрида кремния 3 (фиг. 3). Остается только защитная пленка двуокиси кремния 2 (фиг. 4), которая не содержит загрязнений и минимальное количество пор так как в процессе изготовления не контактировала с травителями и агрессивными средами. Тем самым при дальнейшем прямом сращивании обеспечит прочное надежное соединение кремниевых пластин с отсутствием паразитных наводок.Then, the bonding operation by the method of thermal bonding of the silicon wafer with the sides processed by etching with another silicon wafer occurs. In this case, the bonding of the said silicon wafer with the sides processed by etching with another silicon wafer is carried out by attaching another silicon wafer to the side that had contact with the wafer with the silicon dioxide layer. As a result, this bonded silicon dioxide layer has high purity without contamination, which ensures high insulating capacity of the insulating layer of the compound, which does not form parasitic conductivity. The method is implemented as follows. A protective film of
ПримерExample
На пластине монокристаллического кремния ориентации (100) при термическом окислении, температуре 1100°С в течение 65 мин в водном паре образуется на поверхности монокристаллического кремния пленка диоксида кремния толщиной 0,4 мкм при нормальном атмосферном давлении. Далее наносят защитную пленку нитрида кремния. Проводят осаждение Si3N4 (100 нм). Процесс осаждения Si3N4 проводят из газовой фазы (моносилан и аммиак) в течение 60 мин, при температуре 850-870°С, рабочем давлении 30 Па. Затем наносят фоторезист, например ФП-383. Проводят фотолитографию. Проводят плазмохимическое травление (вертикальное) SiO2. Далее проводят плазмохимическое травление кремния на глубину 2 мкм. Проводят осаждение 2 слоя диоксида кремния. Затем проводят осаждение поликристаллического кремния (1 мкм = 2 раза по 60 мин) из газовой фазы (моносилан) в течение 120 мин, при температуре 850-870°С, рабочем давлении 30 Па. Проводят плазмохимическое травление (вертикальное) поликремния на глубину 1 мкм. Затем проводят окисление поликристаллического кремния при парциальном давлении Н2О в 0,6 атм в течение 600 мин, температуре 1150°С, рабочем давлении 1 атм. Проводят плазмохимическое травление (вертикальное) Si3N4 до поверхности пластины. Проводят плазмохимическое травление кремния на глубину 2 мкм. Повторяют операции начиная с осаждения Si3N4 необходимое количество раз до получения требуемого микропрофиля с последующим сглаживанием в изотропном или анизотропном травителе или анизотропном и изотропном травителях полученной поверхности. Процесс сращивания кремниевых пластин 1 и 7 проводится в установке сращивания пластин при температуре 120-180°С в течение 4-10 мин, сила прижима 300-450 Н и давление в камере 10-4-10-1 мбар.On a wafer of monocrystalline silicon with the (100) orientation, during thermal oxidation at a temperature of 1100°C for 65 min in water vapor, a silicon dioxide film with a thickness of 0.4 μm is formed on the surface of monocrystalline silicon at normal atmospheric pressure. Then a protective silicon nitride film is applied. Si 3 N 4 is deposited (100 nm). The process of deposition of Si 3 N 4 is carried out from the gas phase (monosilane and ammonia) for 60 min, at a temperature of 850-870°C, an operating pressure of 30 Pa. Then a photoresist is applied, for example, FP-383. Photolithography is carried out. Plasma-chemical etching (vertical) of SiO 2 is carried out. Then plasma-chemical etching of silicon is carried out to a depth of 2 μm. 2 layers of silicon dioxide are deposited. Then, polycrystalline silicon is deposited (1 μm = 2 times for 60 min) from the gas phase (monosilane) for 120 min at a temperature of 850-870°C and an operating pressure of 30 Pa. Plasma-chemical etching (vertical) of polysilicon is performed to a depth of 1 μm. Then, polycrystalline silicon is oxidized at a partial pressure of H 2 O of 0.6 atm for 600 min at a temperature of 1150°C and an operating pressure of 1 atm. Plasma-chemical etching (vertical) of Si 3 N 4 is performed to the wafer surface. Plasma-chemical etching of silicon is performed to a depth of 2 μm. The operations are repeated starting with the deposition of Si 3 N 4 the required number of times until the desired microprofile is obtained, followed by smoothing in an isotropic or anisotropic etchant or anisotropic and isotropic etchants of the resulting surface. The process of bonding silicon wafers 1 and 7 is carried out in a wafer bonding unit at a temperature of 120-180°C for 4-10 min, with a pressing force of 300-450 N and a pressure in the chamber of 10 -4 -10 -1 mbar.
При этом сращивание указанной кремниевой пластины с проработанными травлением сторонами с другой кремниевой пластиной осуществляют путем присоединения другой кремниевой пластины, к стороне имевшего контакт с дополнительной пластиной слоя диоксида кремния. В результате этот сращенный слой диоксида кремния имеет высокую чистоту без загрязнений, что обеспечивает высокую изоляционную способность изоляционного слоя соединения, не формирующего паразитическую проводимость.In this case, the splicing of the said silicon wafer with the sides processed by etching with another silicon wafer is carried out by attaching another silicon wafer to the side of the silicon dioxide layer that had contact with the additional wafer. As a result, this spliced silicon dioxide layer has high purity without contamination, which ensures high insulating capacity of the insulating layer of the compound, which does not form parasitic conductivity.
Таким образом, причем процесс микропрофилирования кремниевых структур проводится с одним фотошаблоном. При этом варьированием толщины осажденного поликристаллического кремния и глубины анизотропного травления в образовавшемся окне пластины монокристаллического кремния каждой стадии формирования получают требуемую форму микропрофиля. Обеспечивается получение различных форм профиля кремниевых структур: как овальных, так и ломаных.Thus, the process of microprofiling of silicon structures is carried out with one photomask. In this case, by varying the thickness of the deposited polycrystalline silicon and the depth of anisotropic etching in the resulting window of the monocrystalline silicon plate at each stage of formation, the required shape of the microprofile is obtained. It ensures the production of various shapes of the profile of silicon structures: both oval and broken.
При использовании заявленного способа обеспечивается техническая чистота слоя диоксида кремния в месте сращивания пластин, который работает исключительно в качестве изоляционного слоя без проявления паразитической проводимости.When using the claimed method, the technical purity of the silicon dioxide layer at the junction of the plates is ensured, which functions exclusively as an insulating layer without exhibiting parasitic conductivity.
Настоящее изобретение промышленно применимо и позволяет повысить функциональную надежность многослойных МЭМС за счет исключения паразитической проводимости изоляционного слоя диоксида кремния.The present invention is industrially applicable and makes it possible to increase the functional reliability of multilayer MEMS by eliminating parasitic conductivity of the insulating layer of silicon dioxide.
Источники информацииSources of information
1. Вавилов В.Д. Интегральные датчики. Изд-во НГТУ, Н. Новгород. 2003, 504 стр.1. Vavilov V.D. Integrated sensors. Publishing house of NSTU, N. Novgorod. 2003, 504 p.
2. Вавилов В.Д. Микроэлектромеханические системы. Монография. Изд-во НГТУ. Н. Новгород. 2014, 630 стр.2. Vavilov V.D. Microelectromechanical systems. Monograph. Publishing house of NSTU. N. Novgorod. 2014, 630 p.
3. Патент РФ №2635822.3. Patent of the Russian Federation No. 2635822.
4. Патент РФ №2680263.4. Patent of the Russian Federation No. 2680263.
5. Патент US №2013168803.5. US Patent No. 2013168803.
6. Патент US №2019252575.6. US Patent No. 2019252575.
7. Патент РФ №2137259 - прототип.7. Patent of the Russian Federation No. 2137259 - prototype.
Claims (1)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2830141C1 true RU2830141C1 (en) | 2024-11-13 |
Family
ID=
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2149481C1 (en) * | 1998-12-30 | 2000-05-20 | Акционерное общество открытого типа "Научно - исследовательский институт молекулярной электроники и завод "Микрон" | Method for producing silicon-on-insulator structures for very large-scale integrated circuits (options) |
US20050280106A1 (en) * | 2004-06-21 | 2005-12-22 | Samsung Electro-Mechanics Co., Ltd. | MEMS structure and method for fabricating the same |
US20130168803A1 (en) * | 2011-09-16 | 2013-07-04 | Sionyx, Inc. | Semiconductor-On-Insulator Devices and Associated Methods |
US20190252575A1 (en) * | 2017-08-18 | 2019-08-15 | Micron Technology, Inc. | Method and apparatus for processing semiconductor device structures |
RU2745338C1 (en) * | 2020-08-05 | 2021-03-24 | Общество с ограниченной ответственностью "Маппер" | Method of joining silicon wafers of microelectromechanical systems with an insulating layer of silicon dioxide between them |
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2149481C1 (en) * | 1998-12-30 | 2000-05-20 | Акционерное общество открытого типа "Научно - исследовательский институт молекулярной электроники и завод "Микрон" | Method for producing silicon-on-insulator structures for very large-scale integrated circuits (options) |
US20050280106A1 (en) * | 2004-06-21 | 2005-12-22 | Samsung Electro-Mechanics Co., Ltd. | MEMS structure and method for fabricating the same |
US20130168803A1 (en) * | 2011-09-16 | 2013-07-04 | Sionyx, Inc. | Semiconductor-On-Insulator Devices and Associated Methods |
US20190252575A1 (en) * | 2017-08-18 | 2019-08-15 | Micron Technology, Inc. | Method and apparatus for processing semiconductor device structures |
RU2745338C1 (en) * | 2020-08-05 | 2021-03-24 | Общество с ограниченной ответственностью "Маппер" | Method of joining silicon wafers of microelectromechanical systems with an insulating layer of silicon dioxide between them |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP0955668B1 (en) | Process for manufacture of micro electromechanical devices having high electrical isolation | |
US8946052B2 (en) | Processes for multi-layer devices utilizing layer transfer | |
US5105254A (en) | Rod assembly for manufacturing large wafer for electronic devices | |
KR100471744B1 (en) | Method of through-etching substrate | |
EP2019081B1 (en) | Boron doped shell for MEMS device | |
US8253243B2 (en) | Bonded wafer substrate utilizing roughened surfaces for use in MEMS structures | |
EP1433199B1 (en) | Method for forming a cavity structure in an soi substrate and cavity structure formed in an soi substrate | |
KR100866303B1 (en) | Hidden hinge mems device | |
JP2000155030A (en) | Manufacture of angular velocity sensor | |
US20050112843A1 (en) | Method for anodic bonding of wafers and device | |
RU2830141C1 (en) | Method of connecting silicon plates | |
US6458513B1 (en) | Temporary bridge for micro machined structures | |
JP2000133817A (en) | Semiconductor pressure sensor and its manufacture | |
KR20090105910A (en) | How to create and control rough interfaces | |
CN112875642B (en) | MEMS device and method of manufacturing the same | |
US9082716B2 (en) | Method of manufacturing semiconductor device | |
TW202335242A (en) | Method for transferring an optoelectronic device | |
KR20170104404A (en) | Structure for device with integrated microelectromechanical systems | |
JPH11186566A (en) | Manufacture of fine device | |
CN114477072A (en) | Method for manufacturing fine structure | |
RU2745338C1 (en) | Method of joining silicon wafers of microelectromechanical systems with an insulating layer of silicon dioxide between them | |
KR940000984B1 (en) | Silicon substrate using mono-crystal and manufacturing method thereof | |
Galchev et al. | Silicon-on-silicon (SOS): a new CMOS compatible low-temperature MEMS process using plasma activated fusion bonding | |
KR100727185B1 (en) | Method for Producing Silicon Float on SOI Substrate | |
CN117747533A (en) | Method for manufacturing substrate |