[go: up one dir, main page]

RU2832493C1 - Method of manufacturing mems micromirror matrix - Google Patents

Method of manufacturing mems micromirror matrix Download PDF

Info

Publication number
RU2832493C1
RU2832493C1 RU2024120371A RU2024120371A RU2832493C1 RU 2832493 C1 RU2832493 C1 RU 2832493C1 RU 2024120371 A RU2024120371 A RU 2024120371A RU 2024120371 A RU2024120371 A RU 2024120371A RU 2832493 C1 RU2832493 C1 RU 2832493C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
layer
etching
photolithography
silicon nitride
plasma
Prior art date
Application number
RU2024120371A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Николай Алексеевич Дюжев
Максим Юрьевич Чиненков
Николай Александрович Филиппов
Владислав Витальевич Парамонов
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "Микрофотоника"
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "Микрофотоника" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "Микрофотоника"
Application granted granted Critical
Publication of RU2832493C1 publication Critical patent/RU2832493C1/en

Links

Abstract

FIELD: microelectromechanical devices.
SUBSTANCE: invention relates to methods of manufacturing mobile MEMS devices. Method of manufacturing a MEMS micromirror matrix involves deposition of a metal layer of torsions, photolithography and etching of the layer of torsions, deposition of a reflecting layer, lithography and etching of the reflecting layer, etching of the second and first separation sacrificial layers. Before forming a layer of torsions, a layer of aluminium nitride is deposited on a substrate with layers of metal wiring, including the lower electrodes of the matrix and interlayer insulation from silicon oxide, photolithography and etching of contact windows in the layer of aluminium nitride, plasma-chemical deposition of silicon nitride layer, which is the first separating sacrificial layer, photolithography and etching of contact windows in the layer of silicon nitride and after formation of the topology of the layer of torsions, plasma-chemical deposition of the second separating sacrificial layer of silicon nitride, photolithography and etching of contact windows in the second layer of silicon nitride.
EFFECT: improved geometry of MEMS micromirrors and increased efficiency of their manufacturing.
1 cl, 9 dwg, 1 tbl

Description

Областью применения предлагаемого способа является изготовление подвижных МЭМС-устройств, в том числе используемых в проекторах, 3D принтерах, установках лазерной декапсуляции, мультиобъектовых спектрометрах, устройствах телеориентирования, установках проекционной литографии и установках безмасочной литографии, в том числе рентгеновской и экстремальной ультрафиолетовой литографии.The field of application of the proposed method is the production of mobile MEMS devices, including those used in projectors, 3D printers, laser decapsulation units, multi-object spectrometers, teleorientation devices, projection lithography units and maskless lithography units, including X-ray and extreme ultraviolet lithography.

Под матрицей понимается упорядоченный набор МЭМС-элементов, организованный в виде прямоугольного массива [1].A matrix is an ordered set of MEMS elements organized in a rectangular array [1].

Большинство маршрутов изготовления МЭМС устройств требуют для своей реализации довольно специфического оборудования. Рабочие слои МЭМС устройств не должны вытравливаться в том, в чем вытравливается жертвенные слои. Для этого у них должна быть высокая селективность к этому травлению или они должны быть закрыты стойким материалом.Most MEMS manufacturing routes require very specific equipment for their implementation. The working layers of MEMS devices should not be etched in the same place where the sacrificial layers are etched. For this, they must have high selectivity for this etching or they must be covered with a resistant material.

Известен способ, основанный на использовании поликристаллического или аморфного кремния [2]. Это способ формирования микромеханического устройства. В качестве жертвенных слоев используются пленки из поликристаллического или аморфного кремния, а в качестве структурных слоев используются пленки металлов. Вытравливание жертвенных слоев осуществляется методом сухого газофазного травления в парах дифторида ксенона. Способ включает в себя нанесение защитного слоя на подложку, нанесение первого разделительного жертвенного слоя, фотолитографию и травление контактных окон в первом жертвенном слое, нанесение первого структурного слоя на жертвенный слой и в контактные окна, фотолитографию и травление первого структурного слоя, в том числе вытравливаются области, предназначенные для будущего торсиона. Затем осаждается второй конструкционный слой, производится фотолитография и травление второго структурного слоя, в результате формируются торсионы. Далее осаждается второй жертвенный слой, производится фотолитография и травление контактных окон во втором жертвенном слое. Далее осаждается третий структурный слой, производится фотолитография и травление второго структурного слоя, в результате формируются отражающие элементы. После этого вытравливаются жертвенные слои.A method is known based on the use of polycrystalline or amorphous silicon [2]. This is a method for forming a micromechanical device. Polycrystalline or amorphous silicon films are used as sacrificial layers, and metal films are used as structural layers. The sacrificial layers are etched using dry gas-phase etching in xenon difluoride vapor. The method includes applying a protective layer to the substrate, applying a first separating sacrificial layer, photolithography and etching of contact windows in the first sacrificial layer, applying the first structural layer to the sacrificial layer and into the contact windows, photolithography and etching of the first structural layer, including etching of areas intended for the future torsion. Then the second structural layer is deposited, photolithography and etching of the second structural layer is performed, as a result of which torsions are formed. Next, the second sacrificial layer is deposited, photolithography and etching of contact windows in the second sacrificial layer is performed. Next, the third structural layer is deposited, photolithography and etching of the second structural layer are performed, resulting in the formation of reflective elements. After this, the sacrificial layers are etched.

Известный способ имеет следующие недостатки. Температуры процессов химического осаждения из газовой фазы поликристаллического или аморфного кремния более 550°С.Такая температура оказывает существенное негативное воздействие на металл разводки и контакты металл-полупроводник. Также поликристаллический кремний имеет характерный развитый рельеф кристаллитов на поверхности и напыляемый на него слой будет повторять этот рельеф, что ухудшает совершенство геометрии и равномерность механических характеристик между МЭМС-элементами. Также, развитая морфология поликремния, передавшись на отражающий слой металла, повысит рассеивание света, что является нежелательным. Развитая морфология поликристаллического кремния может быть устранена с помощью химико-механического полирования, тогда это потребует существенного усложнения и удорожания процесса производства.The known method has the following disadvantages. The temperatures of chemical vapor deposition processes of polycrystalline or amorphous silicon are more than 550°C. Such a temperature has a significant negative effect on the wiring metal and metal-semiconductor contacts. Also, polycrystalline silicon has a characteristic developed relief of crystallites on the surface and the layer sprayed on it will repeat this relief, which worsens the perfection of the geometry and the uniformity of the mechanical characteristics between the MEMS elements. Also, the developed morphology of polysilicon, transferred to the reflective layer of metal, will increase the scattering of light, which is undesirable. The developed morphology of polycrystalline silicon can be eliminated using chemical-mechanical polishing, then this will require a significant complication and increase in the cost of the production process.

Известен способ изготовления микрозеркал [3]. Микрозеркальное устройство, в котором микрозеркало подвешивается на торсионном подвесе и отклоняется посредством постепенного соединения с вертикальным гребенчатым электростатическим актюатором, расположенным под поверхностью микрозеркала. Прогрессивная рычажная система включает в себя пару торсионных пружин, которые соединены вместе и работают аналогично четырехзвенной -рычажной системе с пружинными шарнирами. Прогрессивная связь обеспечивает нелинейную жесткость пружины, что позволяет наклонять микрозеркало на любой угол в пределах его диапазона, практически без какой-либо электростатической нестабильности или гистерезисного поведения. На окисленную кремниевую пластину осаждается слой нитрида кремния, далее осаждается первый структурный слой легированного поликристаллического кремния, производится фотолитография и травление первого слоя поликристаллического кремния, далее осаждается первый разделительный жертвенный слой оксида кремния и выполняется его планаризация химико-механическим полированием, далее производится фотолитография и травление оксида кремния для формирования окон к первому слою поликремния, далее осаждается второй слой поликремния толщиной 1 мкм и производится фотолитография и травление второго слоя поликремния, в этом слое формируются торсионы, опоры и гребенчатые актюаторы, далее осаждается второй разделительный жертвенный слой из оксида кремния толщиной 0,3 мкм, фотолитография и травление оксида кремния для формирования окон ко второму слою поликремния, далее осаждается третий слой поликремния и так далее. Всего конструкция содержит пять слоев легированного поликремния и четыре жертвенных слоя оксида кремния. Жертвенные слои вытравливаются в растворе плавиковой кислоты, и на сформированные микрозеркала через трафарет напыляется 0,2 мкм металла для улучшения их отражательной способности. Описанный способ имеет следующие недостатки. Данная технология предполагает проведение высокотемпературных процессов отжига поликремния 1100°С, химического осаждения из газовой фазы при пониженном давлении поликремния 580°С и оксида кремния 750°С, что делает невозможным ее использование на пластинах с транзисторными структурами и алюминиевой металлической разводкой. Также для вытравливания используется жидкостное химическое травление в растворе плавиковой кислоты в течении 12 часов, что делает невозможным использование стандартной металлической разводки, кроме золотой. Процесс вакуумного напыления через трафарет обладает существенными недостатками: трудность обеспечения плотного равномерного прилегания трафарета к пластине, на пластине на момент напыления предполагается наличие вывешенных МЭМС-структур, которые легко могут быть повреждены при касании трафаретом, следовательно, должен быть обеспечен зазор между пластиной и трафаретом. Чем больше зазор между пластиной и трафаретом, тем сильнее подпыление в область геометрической тени. Вблизи границы области геометрической тени маски толщина напыляемого материала плавно убывает, таким образом получается существенная неравномерность толщины. Кроме этого, минимальные размеры элементов на трафаретах сильно ограничены, таким образом, это ограничивает миниатюризацию МЭМС-устройства, изготавливаемого с применением данной технологии. Поликристаллический кремний обладает характерной морфологией, которая при толщине 2,25 мкм обеспечит высокую шероховатость поверхности микрозеркала и высокое рассеивание света. Наиболее близким, по технической сути является способ изготовления цифрового микрозеркального устройства и способ изготовления проекционной дисплейной системы с его использованием, принятый за прототип [4]. Способ изготовления цифрового микрозеркального устройства, содержащий набор слоев материалов, включающий разделительный жертвенный слой из фоторезиста, включающий несколько отверстий, схему управления, расположенную в полупроводниковой подложке, слой материала торсиона из алюминиевого сплава, расположенный над разделительным жертвенным слоем и внутри отверстий, и слой опор торсиона из оксида кремния, расположенный над слоем торсиона и внутри отверстий, формирование топологии слоя торсиона поверх слоя опор торсиона с использованием фоторезиста, формирование топологии слоя торсиона с использованием потравленного по фоторезистивной маске слоя опор торсиона как твердой маски, удаление слоя опор торсиона с верхних поверхностей потравленного слоя торсионов (при этом он остается на боковых поверхностях в контактных окнах). Во втором разделительном жертвенном слое, формируемым над слоем торсионов, формируются окна и поверх него и в контактных окнах формируется слой отражающего материала, после формирования рисунка в отражающем слое производится вытравливание первого и второго жертвенных слоев, в результате чего конструкция высвобождается и становится подвижной. Данный способ имеет следующие недостатки. В качестве жертвенных слоев используются слои фоторезиста. Это исключает возможность проведения жидкостных химических обработок, например в диметилформамиде, после формирования первого жертвенного слоя. Так как кристаллы МЭМС-изделий имеют большую площадь, то исключение жидкостных обработок из технологического маршрута на завершающей части маршрута, включающей три фотолитографии и четыре плазмохимических травления, резко повышает требования к электровакуумной гигиене на производстве и привносимой дефектности на каждом из процессов. Так как для движения МЭМС-устройств, изготавливаемых по данной технологии, используется электростатика, а следовательно, и высокие напряжения, то наличие дефектов в виде проколов изоляции и коротких замыканий металлических элементов является крайне существенным. Если требуется сформировать на отражающем слое, например, слой многослойного отражающего покрытия для экстремального ультрафиолета, то может требоваться проведение химико-механического полирования и напыление, совмещенное с ионно-лучевым травлением и подогревом подложки, что невозможно при наличии на пластине фоторезиста в качестве материала жертвенных слоев. Также, для формирования отражающего слоя может потребоваться использование атомно-слоевого осаждения, при этом даже у плазмоактивируемого процесса атомно-слоевого осаждения рабочая температура более 250°С, что делает невозможным осаждение на пластины с фоторезистом.A method for manufacturing micromirrors is known [3]. A micromirror device in which the micromirror is suspended on a torsion suspension and is tilted by means of a progressive connection to a vertical comb electrostatic actuator located under the surface of the micromirror. The progressive linkage system includes a pair of torsion springs that are connected together and operate similarly to a four-link spring-hinged lever system. The progressive connection provides a nonlinear spring stiffness, which allows the micromirror to be tilted to any angle within its range, with virtually no electrostatic instability or hysteresis behavior. A layer of silicon nitride is deposited on the oxidized silicon wafer, then the first structural layer of doped polycrystalline silicon is deposited, photolithography and etching of the first layer of polycrystalline silicon is performed, then the first separating sacrificial layer of silicon oxide is deposited and its planarization is performed by chemical-mechanical polishing, then photolithography and etching of silicon oxide is performed to form windows to the first layer of polysilicon, then the second layer of polysilicon with a thickness of 1 μm is deposited and photolithography and etching of the second layer of polysilicon is performed, torsions, supports and comb actuators are formed in this layer, then the second separating sacrificial layer of silicon oxide with a thickness of 0.3 μm is deposited, photolithography and etching of silicon oxide are performed to form windows to the second layer of polysilicon, then the third layer of polysilicon is deposited and so on. In total, the design contains five layers of doped polysilicon and four sacrificial layers of silicon oxide. Sacrificial layers are etched in a hydrofluoric acid solution, and 0.2 μm of metal is sprayed onto the formed micromirrors through a stencil to improve their reflectivity. The described method has the following disadvantages. This technology involves high-temperature annealing processes for polysilicon (1100°C), chemical vapor deposition at low pressure for polysilicon (580°C) and silicon oxide (750°C), which makes it impossible to use it on wafers with transistor structures and aluminum metal wiring. Liquid chemical etching in a hydrofluoric acid solution for 12 hours is also used for etching, which makes it impossible to use standard metal wiring, except for gold. The process of vacuum deposition through a stencil has significant drawbacks: difficulty in ensuring tight uniform adhesion of the stencil to the plate, the plate at the time of deposition is supposed to have suspended MEMS structures that can easily be damaged when touched by the stencil, therefore, a gap must be provided between the plate and the stencil. The larger the gap between the plate and the stencil, the stronger the dusting in the geometric shadow area. Near the boundary of the geometric shadow area of the mask, the thickness of the deposited material smoothly decreases, thus obtaining a significant unevenness of the thickness. In addition, the minimum dimensions of the elements on the stencils are strongly limited, thus limiting the miniaturization of the MEMS device manufactured using this technology. Polycrystalline silicon has a characteristic morphology, which at a thickness of 2.25 μm will provide high roughness of the micromirror surface and high light scattering. The closest, in technical essence, is a method for manufacturing a digital micromirror device and a method for manufacturing a projection display system using it, adopted as a prototype [4]. A method for manufacturing a digital micromirror device, comprising a set of material layers, including a separating sacrificial layer made of photoresist, including several holes, a control circuit located in a semiconductor substrate, a torsion material layer made of aluminum alloy, located above the separating sacrificial layer and inside the holes, and a torsion support layer made of silicon oxide, located above the torsion layer and inside the holes, forming the topology of the torsion layer on top of the torsion support layer using photoresist, forming the topology of the torsion layer using a torsion support layer etched along a photoresist mask as a hard mask, removing the torsion support layer from the upper surfaces of the etched torsion layer (while it remains on the side surfaces in the contact windows). In the second separating sacrificial layer formed above the torsion layer, windows are formed and above it and in the contact windows a layer of reflective material is formed, after the pattern is formed in the reflective layer, the first and second sacrificial layers are etched, as a result of which the structure is released and becomes movable. This method has the following disadvantages. Photoresist layers are used as sacrificial layers. This excludes the possibility of carrying out liquid chemical treatments, for example, in dimethylformamide, after the formation of the first sacrificial layer. Since the crystals of MEMS products have a large area, the exclusion of liquid treatments from the technological route at the final part of the route, including three photolithographies and four plasma-chemical etchings, sharply increases the requirements for electrovacuum hygiene in production and the introduced defects in each of the processes. Since the movement of MEMS devices manufactured using this technology uses electrostatics, and therefore high voltages, the presence of defects in the form of insulation punctures and short circuits of metal elements is extremely significant. If it is necessary to form, for example, a layer of a multilayer reflective coating for extreme ultraviolet on the reflective layer, then it may be necessary to carry out chemical-mechanical polishing and spraying, combined with ion-beam etching and heating of the substrate, which is impossible if there is a photoresist as a material for sacrificial layers on the plate. Also, to form a reflective layer, it may be necessary to use atomic layer deposition, and even the plasma-activated atomic layer deposition process has an operating temperature of more than 250 ° C, which makes deposition on plates with a photoresist impossible.

Задачей изобретения является улучшение геометрии МЭМС микрозеркал и эффективности их изготовления.The objective of the invention is to improve the geometry of MEMS micromirrors and the efficiency of their manufacture.

Решением задачи является способ изготовления матрицы МЭМС микрозеркал, включающий осаждение металлического слоя торсионов, фотолитографию и травление слоя торсионов, напыление отражающего слоя, литографию и травление отражающего слоя, вытравливание второго и первого разделительных жертвенных слоев, отличающийся тем, что перед формированием слоя торсионов на подложку со слоями металлической разводки, образующей, в том числе, нижние электроды матрицы и межслойной изоляции из оксида кремния, осаждается слой нитрида алюминия, производится фотолитография и травление контактных окон в слое нитрида алюминия, производится плазмохимическое осаждение слоя нитрида кремния, являющегося первым разделительным жертвенным слоем, фотолитография и травление контактных окон в слое нитрида кремния и после формирования топологии слоя торсионов производится плазмохимическое осаждение второго разделительного жертвенного слоя нитрида кремния, фотолитография и травление контактных окон во втором слое нитрида кремния.The solution to the problem is a method for manufacturing a MEMS micromirror matrix, including deposition of a metal torsion layer, photolithography and etching of the torsion layer, deposition of a reflective layer, lithography and etching of the reflective layer, etching of the second and first separating sacrificial layers, characterized in that before forming the torsion layer on a substrate with layers of metal wiring, forming, among other things, the lower electrodes of the matrix and interlayer insulation made of silicon oxide, a layer of aluminum nitride is deposited, photolithography and etching of contact windows in the aluminum nitride layer are performed, plasma-chemical deposition of a silicon nitride layer, which is the first separating sacrificial layer, photolithography and etching of contact windows in the silicon nitride layer are performed, and after forming the torsion layer topology, plasma-chemical deposition of the second separating sacrificial layer of silicon nitride, photolithography and etching of contact windows in the second layer are performed. silicon nitride.

Поставленная задача решается за счет использования в качестве жертвенных слоем нитрида кремния вместо слоев фоторезиста. Вместо жертвенного слоя со специальным образом обработанным фоторезистом (засветка большой дозой глубокого ультрафиолета и отжиг), используется осаждаемый плазмохимически нитрид кремния. За счет этого решается проблема недостаточной температурной стабильностью фоторезиста при температурах более 150°С, требуемых для проведения многих технологических операций. Температурная стабильность нитрида кремния перестает быть ограничивающим фактором. В плане ограничения рабочих температур процессов основным ограничителем становится металлизация. Так для алюминиевой разводки допустимыми являются температуры до 500°С. Таким образом, существенно повышается максимальная допустимая температура процессов после осаждения первого жертвенного слоя. Нитрид кремния стабилен при температурах процессов плазмохимического осаждения, которые обычно не превышают 350°С, и температурах атомно-слоевого осаждения, которые обычно не превышают 450°С. За счет этого обеспечивается возможность проведения процессов плазменно-химического осаждения из паровой фазы, плазменно-стимулированного атомно-слоевого осаждения и химического метода нанесения тонких пленок веществ на подложку из газовой фазы. Улучшение геометрии МЭМС микрозеркал обеспечивается за счет проведения химико-механического полирования (СМР), так как нитрид кремния является твердым диэлектриком, технологически допустимым для операций химико-механического полирования и последующей отмывки абразивной суспензией с продуктами абразии. Применение химико-механического полирования верхнего жертвенного слоя обеспечивает возможность совершенствования геометрии отражающего слоя МЭМС микрозеркал и геометрии МЭМС микрозеркал в целом. Улучшение эффективности изготовления МЭМС микрозеркал обеспечивается за счет того, что нитрид кремния обладает высокой химической стойкостью и нерастворим в органических растворителях, поэтому появляется возможность применения операций жидкостной химической обработки в органических растворителях и снимателях, что существенно снижает дефектность, повышает процент выхода годных, улучшает адгезию слоев, уменьшает вероятность коррозии металла из-за остаточных продуктов плазмохимического травления, снижает требования к классу чистоты производственных помещений и к привносимой дефектности процессов. Кроме того, формирование подвижных МЭМС элементов на подложках с транзисторными структурами и стандартной металлической разводкой возможно за счет того, что нитрид кремния является стандартным диэлектриком в кремниевой технологии и может быть плазмохимически осажден после формирования слоев металлической разводки. За счет этого обеспечивается возможность формирования подвижных МЭМС-элементов на подложках с транзисторными структурами и стандартной металлической разводкой. Способ изготовления матрицы МЭМС микрозеркал поясняется фиг. 1-9: фиг. 1 - приведены разрезы структур на операциях технологического маршрута с жертвенными слоями нитрида кремния, где:The task is solved by using silicon nitride as a sacrificial layer instead of photoresist layers. Instead of a sacrificial layer with a specially processed photoresist (exposure to a large dose of deep ultraviolet and annealing), plasma-chemically deposited silicon nitride is used. Due to this, the problem of insufficient temperature stability of the photoresist at temperatures above 150°C required for many technological operations is solved. The temperature stability of silicon nitride ceases to be a limiting factor. In terms of limiting the operating temperatures of the processes, the main limiting factor is metallization. Thus, temperatures up to 500°C are permissible for aluminum wiring. Thus, the maximum permissible temperature of the processes after deposition of the first sacrificial layer is significantly increased. Silicon nitride is stable at temperatures of plasma-chemical deposition processes, which usually do not exceed 350°C, and temperatures of atomic layer deposition, which usually do not exceed 450°C. This makes it possible to carry out plasma-enhanced chemical vapor deposition, plasma-enhanced atomic layer deposition, and chemical deposition of thin films of substances onto a substrate from the gas phase. Improvement of the MEMS micromirror geometry is achieved by chemical-mechanical polishing (CMP), since silicon nitride is a solid dielectric, technologically acceptable for chemical-mechanical polishing operations and subsequent washing with an abrasive suspension with abrasion products. The use of chemical-mechanical polishing of the upper sacrificial layer makes it possible to improve the geometry of the reflective layer of MEMS micromirrors and the geometry of MEMS micromirrors as a whole. The efficiency of MEMS micromirrors manufacturing is improved due to the fact that silicon nitride has high chemical resistance and is insoluble in organic solvents, which makes it possible to use liquid chemical processing operations in organic solvents and removers, which significantly reduces defects, increases the percentage of good products, improves layer adhesion, reduces the likelihood of metal corrosion due to residual products of plasma-chemical etching, reduces the requirements for the cleanliness class of production facilities and for the introduced defects of processes. In addition, the formation of movable MEMS elements on substrates with transistor structures and standard metal wiring is possible due to the fact that silicon nitride is a standard dielectric in silicon technology and can be plasma-chemically deposited after the formation of metal wiring layers. Due to this, the possibility of forming movable MEMS elements on substrates with transistor structures and standard metal wiring is ensured. The method for manufacturing a matrix of MEMS micromirrors is explained in Figs. 1-9: Fig. 1 - shows sections of structures in operations of the technological route with sacrificial layers of silicon nitride, where:

1 - исходная пластина,1 - original plate,

2 - плазмохимическое осаждение оксида кремния,2 - plasma-chemical deposition of silicon oxide,

3 - напыление алюминия,3 - aluminum spraying,

4 - нанесение фоторезиста,4 - application of photoresist,

5 - проекционная фотолитография (первый слой разводки),5 - projection photolithography (first layer of layout),

6 - реактивно-ионное травление металла разводки 1,6 - reactive ion etching of metal of the layout 1,

7 - снятие фоторезиста,7 - removing photoresist,

8 - плазмохимическое осаждение оксида кремния,8 - plasma-chemical deposition of silicon oxide,

9 - нанесение фоторезиста,9 - application of photoresist,

10 - проекционная фотолитография (контактные окна между первым и вторым слоями разводки),10 - projection photolithography (contact windows between the first and second layers of the layout),

11 - реактивно-ионное травление SiO2 межслойной изоляции,11 - reactive ion etching of SiO2 interlayer insulation,

12 - снятие фоторезиста,12 - removal of photoresist,

13 - напыление алюминия,13 - aluminum spraying,

14 - нанесение фоторезиста,14 - application of photoresist,

15 - проекционная фотолитография (второй слой разводки),15 - projection photolithography (second layer of layout),

16 - реактивно-ионное травление металла разводки 2,16 - reactive ion etching of metal layout 2,

17 - снятие фоторезиста,17 - removal of photoresist,

18 - плазменное осаждение оксида кремния,18 - plasma deposition of silicon oxide,

19 - химико-механическое полирование,19 - chemical-mechanical polishing,

20 - напыление нитрида алюминия,20 - aluminum nitride spraying,

21 - нанесение фоторезиста,21 - application of photoresist,

22 - фотолитография (контактные окна от разводки к торсиону),22 - photolithography (contact windows from the layout to the torsion),

23 - реактивно-ионное травление нитрида алюминия в хлорной плазме,23 - reactive ion etching of aluminum nitride in chlorine plasma,

24 - реактивно-ионное травление оксида кремния во фторной плазме,24 - reactive ion etching of silicon oxide in fluorine plasma,

25 - снятие фоторезиста,25 - removal of photoresist,

26 - плазмохимическое осаждение нитрида кремния (первого разделительного жертвенного слоя),26 - plasma-chemical deposition of silicon nitride (the first separating sacrificial layer),

27 - нанесение фоторезиста,27 - application of photoresist,

28 - проекционная фотолитография (контакты от разводки к торсиону),28 - projection photolithography (contacts from the layout to the torsion),

29 - реактивно-ионное травление нитрида кремния,29 - reactive ion etching of silicon nitride,

30 - снятие фоторезиста,30 - removal of photoresist,

31 - напыление алюминиевого сплава (материала торсионов),31 - spraying of aluminum alloy (torsion bar material),

32 - нанесение фоторезиста,32 - application of photoresist,

33 - проекционная фотолитография (слой торсионов),33 - projection photolithography (torsion layer),

34 - реактивно-ионное травление материала торсионов в хлорной плазме,34 - reactive ion etching of torsion material in chlorine plasma,

35 - снятие фоторезиста,35 - removal of photoresist,

36 - плазмохимическое осаждение нитрида кремния (второго разделительного жертвенного слоя),36 - plasma-chemical deposition of silicon nitride (second separating sacrificial layer),

37 - проекционная фотолитография (контакты от разводки к торсиону),37 - projection photolithography (contacts from the layout to the torsion),

38 - реактивно-ионное травление нитрида кремния,38 - reactive ion etching of silicon nitride,

39 - снятие фоторезиста,39 - removal of photoresist,

40 - напыление алюминия (материал отражающего слоя),40 - aluminum sputtering (reflective layer material),

41 - нанесение фоторезиста,41 - application of photoresist,

42 - проекционная фотолитография (слой зеркал),42 - projection photolithography (mirror layer),

43 - реактивно-ионное травление материала торсионов в хлорной плазме,43 - reactive ion etching of torsion material in chlorine plasma,

44 - снятие фоторезиста,44 - removal of photoresist,

45 - плазмохимическое травление нитрида кремния в изотропном режиме в SF6 (вытравливание жертвенного слоя).45 - plasma-chemical etching of silicon nitride in isotropic mode in SF6 (etching of the sacrificial layer).

фиг. 2 - приведены толщины слоев, представленных на фиг. 1:Fig. 2 - shows the thicknesses of the layers shown in Fig. 1:

Н0 - кремниевая пластина,H0 - silicon wafer,

H1 - изолирующий диэлектрик 1,H1 - insulating dielectric 1,

Н2 - металлическая разводка 1,H2 - metal wiring 1,

Н3 - изолирующий диэлектрик 2,H3 - insulating dielectric 2,

Н4 - металлическая разводка 2,H4 - metal wiring 2,

Н5 - изолирующий диэлектрик 3,H5 - insulating dielectric 3,

Н6 - жертвенный слой 1,H6 - sacrificial layer 1,

Н7 - металлический торсион,H7 - metal torsion bar,

Н8 - жертвенный слой 2,H8 - sacrificial layer 2,

Н9 - металлическое зеркало,H9 - metal mirror,

Н10 - фоторизист позитивный.H10 - positive photoresist.

фиг. 3 - пример топологии первого слоя металлической разводки соответствует виду сверху фиг. 1, п. 7,Fig. 3 - an example of the topology of the first layer of metal wiring corresponds to the top view of Fig. 1, item 7,

фиг. 4 - пример топологии контактных окон от первого слоя разводки ко второму соответствует виду сверху фиг. 1, п. 12,Fig. 4 - an example of the topology of contact windows from the first layer of the layout to the second corresponds to the top view of Fig. 1, item 12,

фиг. 5 - пример топологии второго слоя металлической разводки соответствует виду сверху фиг. 1, п. 17,Fig. 5 - an example of the topology of the second layer of metal wiring corresponds to the top view of Fig. 1, item 17,

фиг. 6 - пример топологии слоя контактных окон от второго слоя металла к слою торсионов соответствует виду сверху фиг. 1, п. 25,Fig. 6 - an example of the topology of the contact window layer from the second metal layer to the torsion layer corresponds to the top view of Fig. 1, item 25,

фиг. 7 - пример топологии слоя торсионов соответствует виду сверху фиг. 1, п. 35,Fig. 7 - an example of the torsion layer topology corresponds to the top view of Fig. 1, item 35,

фиг. 8 - пример топологии слоя контактных окон от слоя торсионов к отражающему слоюFig. 8 - example of the topology of the contact window layer from the torsion layer to the reflective layer

соответствует виду сверху фиг. 1, п. 39,corresponds to the top view of Fig. 1, item 39,

фиг. 9 - пример топологии отражающего слоя соответствует виду сверху фиг. 1, п. 44.Fig. 9 - an example of the topology of the reflective layer corresponds to the top view of Fig. 1, item 44.

Способ изготовления матрицы МЭМС микрозеркал реализуется в результате следующих технологических операций:The method for manufacturing a matrix of MEMS micromirrors is implemented as a result of the following technological operations:

на пластине с металлической разводкой, в топологии слоев которой присутствуют области тянущих электродов и области для контактов к слою торсионов и межслойной изоляции из оксида кремния, на которой выполнена планаризация химико-механическим полированием (фиг. 1, п. 1-19), осаждается магнетронным напылением либо атомно-слоевым осаждением слой нитрида алюминия (фиг. 1, п. 20);on a plate with a metal layout, in the layer topology of which there are areas of pulling electrodes and areas for contacts to the layer of torsions and interlayer insulation made of silicon oxide, on which planarization is performed by chemical-mechanical polishing (Fig. 1, item 1-19), a layer of aluminum nitride is deposited by magnetron sputtering or atomic layer deposition (Fig. 1, item 20);

производится фотолитография и реактивно-ионное травление контактных окон в слое нитрида алюминия, при этом вскрываются контакты от верхнего слоя металла разводки к формируемому далее слою торсионов (фиг. 1, п. 21-25); проводится плазмохимическое осаждение слоя нитрида кремния, являющегося первым разделительным жертвенным слоем (фиг. 1, п. 26); производится фотолитография и травление контактных окон в слое нитрида кремния, при этом вскрываются контакты от верхнего слоя металла к формируемому далее слою торсионов (фиг. 1, п. 27-30);photolithography and reactive ion etching of contact windows in the aluminum nitride layer are performed, thereby opening the contacts from the upper layer of the wiring metal to the torsion layer formed further (Fig. 1, items 21-25); plasma-chemical deposition of a silicon nitride layer, which is the first separating sacrificial layer, is performed (Fig. 1, item 26); photolithography and etching of contact windows in the silicon nitride layer are performed, thereby opening the contacts from the upper layer of metal to the torsion layer formed further (Fig. 1, items 27-30);

производится осаждение металлического слоя торсионов, при этом напыление производится на таком оборудовании и таким методом, которые обеспечивают высокую конформность напыляемой пленки, то есть близость толщин на горизонтальных и на наклонных поверхностях (фиг. 1, п. 31), за счет этого запыленные боковые стенки контактных окон после вытравливания жертвенных слоев останутся в качестве опор вывешиваемой конструкции; производится фотолитография и реактивно-ионное травление металла для формирования топологии слоя торсионов (фиг. 1, п. 32-35);the deposition of a metal layer of torsions is carried out, while the spraying is carried out on such equipment and by such a method that ensure high conformity of the sprayed film, that is, the proximity of thicknesses on horizontal and inclined surfaces (Fig. 1, item 31), due to which the dusty side walls of the contact windows after etching of the sacrificial layers will remain as supports for the suspended structure; photolithography and reactive ion etching of the metal are carried out to form the topology of the torsion layer (Fig. 1, items 32-35);

производится плазмохимическое осаждение слоя нитрида кремния, являющегося вторым разделительным жертвенным слоем (фиг. 1, п. 36);plasma-chemical deposition of a layer of silicon nitride is performed, which is the second separating sacrificial layer (Fig. 1, item 36);

производится фотолитография и реактивно-ионное травление контактных окон в слое нитрида кремния, при этом вскрываются контакты от металла торсионов к формируемому далее отражающему слою (фиг .1, п. 37-39); производится напыление отражающего слоя (фиг. 1, п. 40); производится фотолитография и травление для формирования топологии отражающего слоя (фиг. 1, п. 41-44);photolithography and reactive ion etching of contact windows in the silicon nitride layer are performed, thereby opening contacts from the torsion metal to the reflective layer being formed further (Fig. 1, items 37-39); the reflective layer is deposited (Fig. 1, item 40); photolithography and etching are performed to form the topology of the reflective layer (Fig. 1, items 41-44);

производится вытравливание жертвенных слоев нитрида кремния плазмохимическим травлением в плазме гексафторида серы для высвобождения подвижных частей МЭМС микрозеркала (фиг. 1, п. 45). Если требуется сформировать на поверхности зеркал слой со специальными отражающими свойствами, например, многослойное брэгговское зеркало для экстремального ультрафиолета из слоев молибдена и кремния, которые травятся во фторной плазме, то эти слои должны осаждаться после напыления алюминия (фиг. 1, п. 40). После этого должна быть проведена фотолитография слоя зеркал как на (фиг. 1, п. 42), но с более высокой дозой экспонирования. Далее должно быть проведено реактивно-ионное травление слоев брэгговского зеркала и снятие фоторезиста. После этого должно быть произведено осаждение защитного покрытия, например, нитрида алюминия, которое предотвратит вытравливание слоя при травлении жертвенных слоев во фторной плазме. После вытравливания жертвенных слоев защитный слой может быть удален с помощью ионно-лучевого травления.the sacrificial layers of silicon nitride are etched by plasma-chemical etching in sulfur hexafluoride plasma to release the moving parts of the MEMS micromirror (Fig. 1, item 45). If it is required to form a layer with special reflective properties on the surface of the mirrors, for example, a multilayer Bragg mirror for extreme ultraviolet from layers of molybdenum and silicon, which are etched in a fluorine plasma, then these layers must be deposited after aluminum deposition (Fig. 1, item 40). After this, photolithography of the mirror layer must be performed as in (Fig. 1, item 42), but with a higher exposure dose. Next, reactive ion etching of the Bragg mirror layers and removal of the photoresist must be performed. After this, a protective coating must be deposited, for example, aluminum nitride, which will prevent etching of the layer during etching of the sacrificial layers in a fluorine plasma. After etching the sacrificial layers, the protective layer can be removed using ion beam etching.

В таблице 1 приведены примерные характеристики и данные слоев.Table 1 shows approximate characteristics and data of the layers.

Матричная структура в соответствии с заявляемым способом изготовления матрицы МЭМС микрозеркал реализуется за счет наличия горизонтальных (фиг. 3) и вертикальных (фиг. 5) шин.The matrix structure in accordance with the claimed method of manufacturing a matrix of MEMS micromirrors is realized due to the presence of horizontal (Fig. 3) and vertical (Fig. 5) buses.

Для апробации способа изготовления матрицы МЭМС микрозеркал было проведено изготовление опытной партии на пластинах диаметром 150 мм с использованием проекционной фотолитографии с минимальными размерами 0,7 мкм. Проведенные лабораторные исследования подтвердили высокие технические характеристики отражательной способности матрицы МЭМС микрозеркал и возможности динамического управления. МЭМС микрозеркала имеют два устойчивых состояния при минимальном потреблении в режиме нахождения в одном из них. Это позволяет снизить потребляемую мощность и увеличить частоту переключения, так как время переключения зависит лишь от момента инерции МЭМС микрозеркала и величины управляющего потенциала. Оценки показывают, что для МЭМС микрозеркал с характерными размерами порядка 20 мкм время переключения составляет порядка 10 мкс. Заявляемый способ изготовления матрицы МЭМС микрозеркал позволяет улучшить геометрию МЭМС микрозеркал за счет применения химико-механического полирования, так как нитрид кремния является твердым диэлектриком, технологически допустимым для операций химико-механического полирования и последующей отмывки абразивной суспензией с продуктами абразии. Это обеспечивает возможность совершенствования геометрии отражающих слоев и МЭМС микрозеркал в целом. Улучшение эффективности изготовления матрицы МЭМС микрозеркал обеспечивается за счет снижения дефектности, повышения процента выхода годных, улучшения адгезии слоев, уменьшения вероятности коррозии металла из-за остаточных продуктов плазмохимического травления и снижения требований к классу чистоты производственных помещений и к привносимой дефектности процессов.To test the method of manufacturing the MEMS micromirror matrix, a pilot batch was manufactured on 150 mm diameter wafers using projection photolithography with minimum dimensions of 0.7 μm. The laboratory studies confirmed the high technical characteristics of the reflectivity of the MEMS micromirror matrix and the possibilities of dynamic control. MEMS micromirrors have two stable states with minimal consumption in the mode of being in one of them. This allows reducing the power consumption and increasing the switching frequency, since the switching time depends only on the moment of inertia of the MEMS micromirror and the value of the control potential. Estimates show that for MEMS micromirrors with characteristic dimensions of about 20 μm, the switching time is about 10 μs. The claimed method for manufacturing a matrix of MEMS micromirrors allows improving the geometry of MEMS micromirrors by using chemical-mechanical polishing, since silicon nitride is a solid dielectric, technologically acceptable for chemical-mechanical polishing operations and subsequent washing with an abrasive suspension with abrasion products. This provides the ability to improve the geometry of the reflective layers and MEMS micromirrors as a whole. Improvement in the efficiency of manufacturing a matrix of MEMS micromirrors is ensured by reducing defects, increasing the percentage of good products, improving the adhesion of layers, reducing the likelihood of metal corrosion due to residual products of plasma-chemical etching and reducing the requirements for the cleanliness class of production facilities and for the introduced defects of processes.

Источники информации:Sources of information:

1. Gehner A, Doleschal W, Elgner A, Kauert R, Kunze D, Wildenhain M. Active-matrix-addressed micromirror array for wavefront correction in adaptive optics. In: Motamedi ME, Goering R, editors. Moems Miniaturized Syst. Ii 2001; vol. 4561:265-75.1. Gehner A, Doleschal W, Elgner A, Kauert R, Kunze D, Wildenhain M. Active-matrix-addressed micromirror array for wavefront correction in adaptive optics. In: Motamedi ME, Goering R, editors. Moems Miniaturized Syst. II 2001; vol. 4561:265-75.

2. Патент США №2001040675.2. US Patent No. 2001040675.

3. Патент США 7529016.3. US Patent 7529016.

4. Патент США №7450297 - прототип.4. US Patent No. 7450297 - prototype.

Claims (1)

Способ изготовления матрицы МЭМС микрозеркал, включающий осаждение металлического слоя торсионов, фотолитографию и травление слоя торсионов, напыление отражающего слоя, литографию и травление отражающего слоя, вытравливание второго и первого разделительных жертвенных слоев, отличающийся тем, что перед формированием слоя торсионов на подложку со слоями металлической разводки, образующей в том числе нижние электроды матрицы и межслойной изоляции из оксида кремния, осаждается слой нитрида алюминия, производится фотолитография и травление контактных окон в слое нитрида алюминия, производится плазмохимическое осаждение слоя нитрида кремния, являющегося первым разделительным жертвенным слоем, фотолитография и травление контактных окон в слое нитрида кремния и после формирования топологии слоя торсионов производится плазмохимическое осаждение второго разделительного жертвенного слоя нитрида кремния, фотолитография и травление контактных окон во втором слое нитрида кремния.A method for manufacturing a MEMS micromirror matrix, comprising depositing a metal torsion layer, photolithography and etching the torsion layer, sputtering a reflective layer, lithography and etching the reflective layer, etching the second and first separating sacrificial layers, characterized in that before forming the torsion layer on a substrate with layers of metal wiring, including forming the lower electrodes of the matrix and interlayer insulation made of silicon oxide, a layer of aluminum nitride is deposited, photolithography and etching of contact windows in the aluminum nitride layer is performed, plasma-chemical deposition of a silicon nitride layer, which is the first separating sacrificial layer, photolithography and etching of contact windows in the silicon nitride layer is performed, and after forming the torsion layer topology, plasma-chemical deposition of a second separating sacrificial layer of silicon nitride, photolithography and etching of contact windows in the second silicon nitride layer are performed.
RU2024120371A 2024-07-19 Method of manufacturing mems micromirror matrix RU2832493C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2832493C1 true RU2832493C1 (en) 2024-12-24

Family

ID=

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102800872A (en) * 2011-05-23 2012-11-28 中国科学院微电子研究所 MEMS Manufacturing Method of Fuel Cell Plate
CN114112085A (en) * 2021-10-19 2022-03-01 北京科技大学 Manufacturing method of high-efficiency MEMS high-temperature film thermocouple sensor

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102800872A (en) * 2011-05-23 2012-11-28 中国科学院微电子研究所 MEMS Manufacturing Method of Fuel Cell Plate
CN114112085A (en) * 2021-10-19 2022-03-01 北京科技大学 Manufacturing method of high-efficiency MEMS high-temperature film thermocouple sensor

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1510848B1 (en) Spatial light modulator using an integrated circuit actuator and method of making and using same
CN105353506B (en) Vertical comb teeth drives MOEMS micro mirror and preparation method thereof
CN101174024A (en) Micro Devices with Anti-Stick Materials
US20040130775A1 (en) High energy, low energy density, radiation-resistant optics used with micro-electromechical devices
CN101214917A (en) Using sacrificial materials to fabricate microdevices
CN106471603A (en) Extreme ultraviolet reflective element with multi-layer stack and its manufacturing method
KR20060065647A (en) Micromirror array with reduced spacing between adjacent micromirrors
CN101118313A (en) Low temperature fabrication of conductive microstructures
TWI803297B (en) Plasma etching of mask materials
CN115461682A (en) Extreme ultraviolet mask absorber material
US20040136049A1 (en) Micro-mechanical device having anti-stiction layer and method of manufacturing the device
RU2832493C1 (en) Method of manufacturing mems micromirror matrix
US7396740B2 (en) Method of producing a device with a movable portion
JP2004053852A (en) Light modulation element and method of manufacturing the same
US20070206265A1 (en) Spatial light modulator having a cantilever anti-stiction mechanism
US7294279B2 (en) Method for releasing a micromechanical structure
JP7447074B2 (en) Reducing defects in extreme ultraviolet mask blanks
TW202232678A (en) A passivation layer for a semiconductor device and method for manufacturing the same
JP3939632B2 (en) Ultra-compact mechanical structure having anti-adhesion film and method for producing the same
WO2021194593A1 (en) Methods to reduce microbridge defects in euv patterning for microelectronic workpieces
JP2003305697A (en) Method for manufacturing hollow structure
US20080035057A1 (en) Method and Apparatus for Creating a Phase Step in Mirrors Used in Spatial Light Modulator Arrays
CN101164171A (en) Isolation layer for semiconductor devices and method for forming the same
TWI809438B (en) Micro-electromechanical-system device and manufacturing method thereof
CN114314501B (en) Method for forming MEMS cavity structure