BG66488B1 - Метод за изработване на прибори за мемс с електрически елементи в страничните им стени - Google Patents

Abstract

Методът за изработване на прибори за микроелектромеханични системи (МЕМС) с електрически елементи върху страничните им стени е приложим за изработване на микроструктури с разнообразни електрически и механични свойства, които могат да бъдат използвани за извършване на измервания в различни области на техниката. Методът включва три етапа и чрез нееднократно повторение на процеси на създаване на маски и изграждане на защитни слоеве, структуриране на маските, легиране с високотемпературна йонна дифузия и последващи процеси на ецване, изпълнявани върху недеформируеми полупроводникови основни структури, например монокристални силициеви основни структури, дава възможност за изграждане на електрически елементи върху страничните стени на прибори за МЕМС. Получените по метода електрически елементи могат да бъдат еднакви или различни, и могат да бъдат разположени по целите или част от страничните стени на приборите. С МЕМС устройства, реализирани съгласно метода, могат да се извършват измервания със значително увеличена точност, прецизност и чувствителност.@

Description

Област на техниката

Изобретението се отнася до метод за изработване на прибори за микроелектромеханични системи (МЕМС прибори) с електрически елементи в страничните им стени, който намира приложение за изработване на микроструктури с разнообразни електрически и механични свойства, които могат да бъдат използвани за извършване на измервания в различни области на техниката.

Предшестващо състояние на техниката

МЕМС приборите са широко изследвани и прилагани инструменти за измерване на различни величини, свързани с микро- и наноразмерни обекти. Те са направени под формата на микроконзоли или друг вид еластични чувствителни елементи, и те реагират на малки въздействия, като се огъват. Съществуват различни методи за регистрация на тази реакция, напр. оптически, капацитивни, пиезоелектрични, като всеки от тях има предимства в определени области на приложение. Сред тези методи пиезорезистивният, при който в микроконзолите са вградени пиезорезистори, заема особено място, заради уникалните си възможности за лесно получаване с ниска себестойност, липса на необходимост от допълнителни външни компоненти, съвместимост със съществуващите електронни схеми и устройства, лесно системно интегриране и редица други.

Получаването на пиезорезистори с висока чувствителност е възможно при едновременното изпълнение на няколко изисквания: за подходяща ориентация на структурите по отношение на кристалографските равнини на подложката и подходящо легиране на пиезорезисторните области. Зависимостта на пиезорезистивния коефициент на силиций от ориентацията и легирането е изследвана в Y. Kanda, A Graphical Representation of Piezoresistance Coefficients in Silicon, IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. ED-29, No. 1, January, 1982.

Методите за производство на МЕМС прибори са заимствани от методите за производство на полупроводникови прибори, с някои модификации и допълнителни усъвършенствания. Голяма част от МЕМС се произвеждат от полупроводников материал монокристален 5 силиций, и затова приемствеността и съвместимостта между методите е естествена.

През последните повече от петдесет години е постигнато огромно разнообразие на технологии за производство на електронни интегрални схеми 10 и други полупроводникови електронни прибори. Понижаването на цената и подобряването на параметрите на електронните прибори са наложили използването на нови, съществено тримерни елементи и структури. Едновременно с развитието 15 на методите за вертикално ецване за тези приложения, са развити методи за получаване на селективно легирани повърхности с различна ориентация, основно посредством йонна имплантация. Относително по-малък е броят на 20 изследванията и публикациите, които прилагат алтернативни методи на легиране, такива като напр. отложени в дълбоко ецваните канавки легирани слоеве. Подобни методи за обработка на вертикални стени на канавки и/или получаване на 25 вертикални елементи са описани в US патенти №: US 5200353, US 5177030, US 5316978, и US патентна заявка № 2008169507.

От значение за настоящото изобретение са методите, разработени за контролируемо локално 30 дифузионно легиране на вертикални стени на ецвани структури, както за приложение в електронните елементи, напр. интегрални схеми, така и в МЕМС прибори, съдържащи по-специално пиезорезистори във вертикалните стени на 35 приборите.

US патент № 5345815 е първият патент, в който е описано използването на интегриран пиезорезистор в МЕМС микроконзола. В него са разкрити физическите принципи на метода, както 40 и типични реализации за приложение за атомносилова микроскопия (AFM). Пиезорезисторът е разположен на повърхността на микроконзолата и така той може да регистрира амплитудата и посоката на огъвания, които са перпендикулярни на тази 45 повърхност.

В US патент № 5444244 е разкрит пиезорезистивен микроконзолен сензор, който показва странична чувствителност при огъване. Описаният в него сензор използва две микрогреди 50 за конзолата, като на всяка от тях има по един

66488 Bl пиезорезистор, разположени върху повърхността им. Пиезорезисторите са разположени така, че изменението на съпротивлението им е различно в зависимост от това, дали огъването е в странична или във вертикална посока.

В патент № US 5959200 е разкрит микрострукгуриран МЕМС сензор за сила, при който се използват елементи за независимо регистриране на вертикални и на странични премествания. В него се използват гъвкави микроструктурирани ребра с голямо отношение дължина към дебелина и планарна структура, която има доминиращо огъване в двете напречни на дължината й направления. Сензорите са пиезорезистори, формирани на стените на ребрата с голямо отношение дължина към дебелина, посредством йонна имплантация под определен ъгъл. Легираните области на сензора за сила са отделени една от друга посредством ефект на засенчване по време на легирането с йонна имплантация. Едно от следствията от използването на този ефект е, че се налагат строги правила за проектиране на такъв тип тримерни сензори. Друго следствие е, че засенчването е необходимо да бъде реализирано в двете направления на равнината на сензора, което усложнява както устройството за йонна имплантация, така и налага точна пространствена ориентация на пластините спрямо легиращия сноп по време на легирането.

Редица от тези проблеми, свързани с метода, изобретателите са преодолели в техен следващ патент, а именно № US 6025208. В него е предложен метод за получаване на електрически елементи в страничните стени на микромеханични структури, който се прилага върху стените единствено и само на деформируеми структури, т.е. такива структури, при които по време на получаването на електрическите елементи вече са налице: съществуващи деформируеми (също наричани - еластични) елементи - ребра, които могат да бъдат отделени или неотделени, и подложка. В споменатия патент № US 6025208 е описан метод за осъществяване на йонна дифузия през фотолитографски структурирана маска. Найобщо, методът се състои от последователното изпълнение на процесите на отлагане на дифузионна маска; отваряне на области за легиране; дифузия на легиращи примеси в страничните стени; и по избор, отстраняване на дифузионната маска. Съгласно патента, етапите на маскиране и дифузия могат да се повтарят многократно върху различните странични стени на ребрата, с различни легиращи източници и параметри на дифузията, за образуване например на диоди и други електрически елементи върху тези странични стени.

Съществено за гореспоменатия метод е това, че в неговия вариант за получаване на локално легирани области посредством йонна дифузия се използва добре известният класически метод на газова дифузия през маска за получаване на електрически елементи върху полупроводникови структури, но приложен в случая специфично върху страничните стени на предварително реализирани, готови деформируеми структури, предназначени за производството на микроелектромеханични прибори. В описанието и претенциите на патента, никъде не се споменава, че методът се разпростира върху или предвижда използването на микромеханични прибори, получени посредством легиране на недеформируеми тримерни структури. Също така, поради това, че методът се отнася до обработването на предварително реализирани, готови деформируеми структури и съдържа само един процес на ецване, той не предполага, нито би било възможно, да се приложи с претендирания резултат върху недеформируеми структури.

За споменатия по-горе метод е характерно това, че с описания подход за структуриране на фоторезиста се получават легирани области, разположени по цялата височина на страничната стена на реброто, което води до ограничаване на приложимостта на метода, поради невъзможността да се получат легирани области, разположени върху част от страничните вертикални стени на деформируемите структури. Освен това, не е предвидена защита на тези участъци от прибора, в които формираните р-п преходи излизат на повърхността при процеса на освобождаване на деформируемите структури от подложката. Важна от практическа гледна точка особеност на метода съгласно патент № US 6025208 е това, че сензорите, получени по този метод и илюстрирани чрез фигурите и в примера за вертикален и страничен сензор, е очаквано да имат различна чувствителност и характеристики в двете направления - вертикално и странично, тъй като избраният подход не позволява създаването на елементи с еднакви характеристики в повърхностите на сензор с предложената конструкция, когато се използват обичайни подложки.

66488 Bl

В една последваща разработка, базирана на метода от патент № US 6025208, направена от Xinxin Li et. al., A Trench-sidewall Single-waferMEMS Technology and Its Typical Application in High-performance Accelerometers, IEDM Technical Digest., 13-15 Dec. 2004 , pp. 43 - 46, IEDM 0443, е докладван метод за получаване на МЕМС прибор, съдържащ пиезорезистори, коцдензаторни и актюаторни електроди, получени изцяло посредством дифузия на бор (В) в стените на микроструктурите. Получават се легирани структури, разположени по целите вертикални стени, като в странично направление отделните елементи са разделени от предварително формирани дълбоки канавки, запълнени с нелегиран силициев диоксид. Стъпката на легиране на пиезорезисторите се извършва след последната стъпка на вертикално ецване и дори след ецването на пластината от обратната страна, т.е., след формирането на деформируем елемент. Основният проблем при този метод, освен описаните по-горе присъщи за метода от патент № US 6025208, е необходимостта от манипулиране с чупливи тримерно-ецвани структури в няколко последователни процесии стъпки.

В статия от Т. Chu Due, et all. Lateral nanoNewton force-sensing piezoresistive cantilever for microparticle handling, J. Micromech. Microeng., 16(2006) S102-S106 е показана реализация на микроконзолен сензор за сила, с еластичност в равнината на повърхността на пластината. Сензорът се състои от микроконзола, получена от р-тип монокристален силиций с ориентация (100), върху който са израстнати два епитаксиални слоя. Вторият епитаксиален слой се структурира, като се формират два тесни и дълги пиезорезистори в двата края по ширината на микроконзолата.

По принцип, реализирането на микроконзоли с ниска стойност на еластичната константа е ограничено от ширината на пиезорезисторите. От друга страна, пиезорезисторът и микроконзолата се получават чрез различни процеси на микроструктуриране на съответно, различни слоеве, и чувствителността на такъв сензор е силно зависима от разсъвместяването между тези два структурирани слоя. Изработването на сензори с висока чувствителност по този метод е възможно само с найвисок клас фотолитографско оборудване, позволяващо получаването на структури с малки минимални размери и пренебрежимо разсъвместяване между структурираните слоеве. Тъй като резисторите от полисилиций са с хомогенно разпределено по ширината им легиране, а 5 разпределението на механичните напрежения по ширината на резисторите е силно нехомогенно, в резултат само малка част от всеки резистор е разположена в областите с най-големи по модул механични напрежения, което води до получаване 10 на относително слаб сигнал от пиезорезисторите.

В статия от Xu Ji et al., A piezoresistive cantilever for lateral force detection fabricated by a monolithic post-CMOS process, J. Micromech. Microeng. 18 (2008), е разгледано получаване на интегриран 15 МЕМС сензор за сила посредством метод, съвместим със стандартна технология на CMOS интегрални схеми. Съгласно предложения метод повърхностното микроструктуриране се извършва след завършване на интегралната схема. Чрез 20 използването на модифициран SCREAM процес, се получават два самосъвместени към микроконзолите пиезорезистора. Сензорният сигнал се взима само от единия от пиезорезисторите, а в мостовата схема са формирани три пасивни мостови резистора 25 едновременно с активния резистор, но са разположени в област без изменение на механичните напрежения. Такова решение води до дрейф на сигнала, когато активният и пасивните резистори са експонирани по различен начин на фактори, от които 30 зависи съпротивлението им. Освен това, чувствителността на такъв резистор е относително ниска, тъй като легираните области са относително плитки и широки, поради което много малка част от хомогенно легирания резистор е разположена в 3 5 областта с най-голямо механично напрежение.

В статия от Tao Chen et al., A Sidewall Piezoresistive Force Sensor Used in a MEMS Gripper, C. Xiong et al. (Eds.): ICRA 2008, Part II, LNAI 5315, pp. 207-216, 2008, е показан микрохващач c 40 интегрирани в страничните стени пиезорезистивни сензори за измерване на силата на хващане. Пиезорезисторите са формирани на повърхността на изходната силициева пластина посредством перпендикулярна към тази повърхност йонна 45 имплантация на бор (В). Микроконзолата се структурира чрез дълбоко ецване на силиций през фоторезистивна маска. Взаимното разположение на микроконзолата и пиезорезисторите е такова, че р-п преходите на пиезорезисторите излизат на 50

А

66488 Bl формираните вертикални странични стени на микроконзолите.

В така описания сензор за сила не е предвидена пасивация на р-п преходите върху страничните стени на микроконзолите; легирането 5 на пиезорезисторите в направление, перпендикулярно на посоката на страничните сили е нехомогенно, което значително намалява амплитудата на отклика на такива сили; получаването на два еднакви резистора от двете страни на микро- 10 конзолата е процес, който зависи от съвместяването на два фотолитографски структурирани слоя, и следователно води до специални изисквания към фотолитографското оборудване.

Следователно съществува необходимост от 15 създаването на метод за изработване на прибори за МЕМС с електрически елементи в страничните им стени, който да позволява получаването на разнообразни електрически елементи върху част или целите странични стени на такива прибори, без 20 за това да са необходими специфични материали и/ или оборудване. Необходимо е също така методът да предоставя възможност за защита на електрическите елементи и р-п преходите, и да позволява контрол на еластичните характеристики 25 на микромеханичните елементи в широки граници.

Техническа същност на изобретението

Съответно, цел на настоящото изобретение е да осигури метод за изработване на прибори за 30 микроелектромеханични системи (МЕМС) с електрически елементи в страничните им стени. Този метод се състои от първи етап, в който в полупроводникова основна структура се извършват последователно поне два процеса на структурирана ^{J J} високотемпературна дифузия, чрез която се изграждат поне две легирани области с еднакъв или различен тип на проводимост. Паралелно с процесите на структурирана дифузия се формират физически обособени структури за МЕМС чрез 40 повтарящи се процеси на ецване така, че след поне един процес на структурирана дифузия, извършван върху горната повърхност на монокристалната полупроводникова основна структура, всеки следващ процес на дифузия се осъществява и върху 45 новоформирана странична повърхност на физически обособените структури. Съгласно метода, процесите на ецване се осъществяват съвместено и за изграждането на определен тип електрически елементи се изпълняват в последователност: процес на ецване за последващо легиране през тази новосъздадена повърхност, легиране, процес на ецване на участъци от легираната област за обособяване на електрически елемент върху физически отделна структура, като легираните области от предходните дифузионни процеси и електрическите елементи от предходните процеси на ецване съответно, предварително подходящо се защитават, а по време на изпълнението на всички процеси за създаване на легираните области и паралелно формиране на физически обособените структури, обработваната полупроводникова структура остава недеформируема. В следващия втори етап на метода се извършва повърхностно микросгруктуриране на обработваната полупроводникова структура посредством обединяване чрез ецване, като се получават деформируеми междинни микроелектромеханични структури, новосъздадени повърхности и новообособени допълнителни електрически елементи. По време на този етап физически обособените структури с изградени върху страничните им стени електрически елементи се обединяват чрез последователни процеси на ецване, които водят до новосъздадени повърхности без електрически елементи, а след това върху деформируемите междинни микроелектромеханични структури, и новообособените допълнителни електрически елементи последователно се изграждат изолиращо покритие и след неговото структуриране, метален слой за връзки. В последния, трети етап на метода се осъществява обемно микросгруктуриране на деформируемите междинни микроелектромеханични структури, посредством последователни процеси на избирателно ецване, с които споменатите микроелектромеханични структури се освобождават от подложката, като се формират връзки между електрическите елементи и се получават самостоятелни прибори за МЕМС.

В едно особено предпочитано изпълнение на метода от изобретението, в първия етап, процесите на ецване, изпълнявани преди всеки от процесите на структурирана дифузия, са процеси на фотолитографски ориентирано, съвместено спрямо структурираните легирани области на повърхността, структуриране върху горната повърхност и върху новоформираните странични стени на полупроводниковата основна структура.

66488 Bl

Тази полупроводникова основна структура е монокристална и върху споменатите структурирани повърхности и новоформирани стени едновременно се получават структурирани легирани области и електрически елементи с еднакви или с предварително зададени различия в електрическите им характеристики. В следващия, втори етап на метода, се осъществява процес на ецване през фотолитографски ориентирана маска, като едновременно се формират нови микромеханични структури върху горната повърхност, които се обединяват с вече изградените физически обособени структури с легирани области и електрически елементи, като се получават деформируеми междинни микроелектромеханични структури, които са съответно с еднакви или с предварително зададени различия в механичните и/или електрическите им характеристики. В третия етап избирателното ецване, при което се формират електропроводящи връзки между електрическите елементи и създадените микроелектромеханични структури се отделят в прибори, се извършва съобразно предварително зададените различия в, или еднаквост на, електрическите характеристики на електрическите елементи, в зависимост от приложението на приборите за МЕМС.

В предпочитани изпълнения на метода, съгласно изобретението, монокристалната полупроводникова основна структура е монокристална силициева основна структура, легиращите примеси, които се използват по време на дифузионните процеси, са примеси, водещи до създаване на силнопроводящи или проводящи области с ртип проводимост или с п-тип проводимост, а физически обособените структури за МЕМС са локално легирани недеформируеми канавки.

В най-предпочитаното изпълнение на метода, съгласно изобретението, електрическите елементи, които се получават върху страничните стени на приборите за МЕМС, са пиезорезистори.

Както е използван тук, терминът структурирана дифузия означава, че е осъществен локално дифузионен процес с легиращ примес, през предварително определена област. За да бъде осъществен един такъв дифузионен процес, споменатата област предварително се подлага на структуриране, като например ецване през маска, и подобни.

Тези и други цели, признаци и изпълнения на изобретението и негови предимства, ще станат ясни от следващото подробно описание на илюстративни изпълнения, които следва да се четат във връзка с придружаващите фигури. Описанието и фигурите нямат за цел да ограничат изобретението, а са само илюстративни и специалистите в областта лесно ще установят, че могат да бъдат направени много изменения и вариации на метода, които са в обхвата на приложените претенции.

Пояснение на приложените фигури

Фигура 1 показва ориентирана по осите X и Y микроконзолна структура с вградени върху страничната й стена дифузионен резистор, силно легирани контактни области и проводящи връзки, получена по метода съгласно настоящото изобретение.

На фигура 2 е показан напречен разрез на монокристална силициева пластина със структурирана силно легирана дифузионна област.

Фигура 3 показва напречен разрез на силициева пластина с формирани недеформируеми канавки с легирани области върху страничните стени, припокриващи се частично със силно легираните дифузионни области на повърхността на пластината.

На фигура 4 е показан напречен разрез на пластина с обособени електрически елементи върху страничните стени на локално легирани канавки.

Фигура 5 включва фиг. 5А, която показва аксонометричния вид на физически обособена структура с електрически елементи, показани на фиг. 4, както и ориентацията на различните повърхнини и стени спрямо кристалографските направления на силициевата пластина; фиг. 5Б, в която е показан увеличен детайл на същата тази структура получена съгласно особено предпочитания първи вариант на изпълнение на метода; и фиг. 5В, в която е разкрит вида на алтернативно изпълнение на структурата от фиг. 5Б, получено съгласно особено предпочитания втори вариант на изпълнение на метода за получаване на еднакви електрически елементи.

На фигура 6 е представен увеличен напречен разрез на участък от пластина с формирана недеформируема канавка и повече от един електрически елементи върху страничните й стени.

Фигура 7 показва подготвена фотолитографски структурирана маска за обединяване на недеформируеми локално легирани канавки посредством ецване с новоформирани през маската микромеханични структури.

66488 Bl която е разположена с дължината си в направление Y и има вградени в страничните й стени 2 резистори 3, получени чрез дифузионен процес. Резисторът 3 е свързан посредством силно легирани области 4, напр. р+-области легирани с бор, с метализирани пътечки 5 и посредством тях към измервателен уред (непоказан на фигурата). Микроконзолата 1 има правоъгълно напречно сечение с дебелина d и ширина w.

Тази микроконзола ще има доминиращо направление на огъване в направлението на оста X тогава, когато е изпълнено условието:

d> 2w (1)

Областта на резистора 3 е легирана посредством високотемпературна йонна дифузия с примесни йони, имащи в силиция инверсна проводимост спрямо тази на конзолата 1. Когато осите X и Y съвпаднат съответно с кристалографско направление <110> и концентрацията на примесите е подходяща резистори, разположени по показания на фиг. 1 начин имат пиезорезистивни свойства, отговарящи на изискванията за сензорни приложения.

По метода съгласно настоящото изобретение върху горната и страничните повърхности на микроконзолната структура освен резистори и пиезорезистори, могат да бъдат получени и други елементи, такива като свързващи силно проводими области, оформени като пътечки 4, както е илюстрирано на фиг. 1, или друг вид електрически елементи, като например диоди, кондензаторни електроди или нагревателни микроелементи.

Също така, освен микроконзоли, по метода съгласно изобретението могат да се получат и други видове микроелекгромеханични елементи, като еластични мембрани, микроканали, микроогледала, микроклапани; задвижващи, предавателни и изпълнителни елементи и др.

За специалистите с опит в областта ще бъде ясно също, че преди изпълнението на процесите, съгласно метода от изобретението, е необходимо изходните полупроводникови основни структури да се подготвят чрез обичайни микрострукту45 риращи предварителни обработки, включително химическа обработка, за изпълнение върху тях на последващите процеси на дифузия, ецване, окисление и т.н., както е описано по-нататък в примерите.

В едно предпочитано изпълнение на

Ha фигура 8 е показан напречен разрез на участък от пластина със съвместени към недеформируемите локално легирани канавки, дълбоко анизотропно ецвани структури за формиране на обединени деформируеми междинни микроелект- 5 ромеханични структури.

Фигура 9 показва аксонометричния вид на обединените деформируеми междинни микроелектромеханични структури, получени посредством процеси на ецване. 10

На фигура 10 е показан напречен разрез на участък от пластина след последната окислителна стъпка и изотропно ецване за структуриране на слоевете силициев диоксид на двете страни на пластината: на задната страна за обемното 15 микроструктуриране и на предната страна за отваряне на контактните отвори към силно легирани области.

Фигура 11 показва напречен разрез на участък от пластина след нанасянето на проводящ 20 метален слой и структуриран фоторезист за формиране на проводящите връзки между елементите в междинна микроелектромеханична структура.

На фигура 12 е показан напречен разрез на 25 участък от монокристална силициева пластина след процес на обемно анизотропно ецване от обратната й страна.

Фигура 13 показва напречен разрез на участък от пластина след процеси на избирателно 3 0 ецване на слоеве, съответно, силиций и силициев диоксид за освобождаване на микроконзолата, от обратната страна на пластината.

На фигура 14 е показан напречен разрез на участък от пластина след процес на избирателно 35 двустранно ецване на метален слой през фотолитографски структурирана маска.

На фигура 15 е показан аксонометричния вид на готов микроелектромеханичен прибор получен по метода съгласно изобретението - 40 микроконзола с електрически елементи пиезорезистори, разположени в страничните й стени, и изводи за свързване към външен измервателен уред.

Подробно описание на предпочитани изпълнения на изобретението

На фиг. 1 е показан детайлен вид на предпочитана, получена по метода; съгласно изобретението, структура за микроелектромеханичен прибор за МЕМС. Тази структура се състои, например, от силициева микроконзола 1, 50

66488 Bl изобретението, методът за изработване на прибори за МЕМС с електрически елементи върху страничните им стени, който включва изпълнението последователно на първи етап - формиране на физически обособени структури с легирани 5 области и обособени електрически елементи в страничните им стени; втори етап - повърхностно микроструктуриране за създаване на деформируеми междинни микроелектромеханични структури, и трети етап - обемно микроструктури- 10 ране на деформируемите междинни микроелектромеханични структури и получаване на прибори за МЕМС, се осъществява върху подходящо подготвени силициеви пластини, които за предпочитане е да са монокристални силициеви пластини с 15 кристалографска ориентация (100), напр. п-тип на проводимост, със специфично съпротивление в границите от 1 до 10 Ω .cm.

Първи етап - Формиране на физически обособени структури с легирани области и 20 обособени електрически елементи в страничните им стени

В едно първо, предпочитано изпълнение на първия етап от метода, физически обособените структури с легирани области в страничните им 25 стени, които се изграждат, са локално легирани канавки, в стените на които са създадени електрически елементи, такива като пиезорезистори. Това предпочитано изпълнение е илюстрирано на фиг. 2 - фиг. 5 и се състои от следните стъпки: 30

1) Формиране на силнопроводящи легирани области върху силициевите пластини посредством йонна дифузия или друг процес за легиране с висока концентрация на легиращите примеси;

2) Получаване на канавки, ориентирани и 35 съвместени към силно легираните области посредством повърхностно ецване на изходните пластини;

3) Формиране на дифузионна маска върху дъното и стените на канавките; 40

4) Структуриране на дифузионната маска посредством свалянето й от зоните, където ще бъде извършено подходящо легиране, включително от зоните, в които ще бъдат формирани пиезорезисторите; 45

5) Дифузия за формиране на области с подходящо легиране, напр. за получаване на области с пиезорезистивни свойства.

6) Отстраняване на ненужни легирани участъци, обособяване на електрически елементи 50 и достигане до крайната дълбочина на канавките посредством ецване.

7) По избор, получаване на следващ/и самостоятелен/ни електрически елемент/елементи върху определен участък от стените на канавките, или на участъци без легиране, чрез повторение на всички или част от стъпките от 1) до 6), които са необходими за конкретния случай и при условия за осъществяване на процесите, адаптирани подходящо за изграждането на споменатите елементи или участъци без легиране.

На фиг. 2 е показана стъпка 1) от първия етап на метода, за формиране на силнопроводящата легирана област 4, като за целта върху горната повърхност на основната структура - монокристалната силициева пластина 6 посредством високотемпературно окисление нараства слой силициев диоксид 7, а върху задната страна съответно слой силициев диоксид 7' с такава дебелина, че впоследствие слоевете да се използват като маска при дифузията на легиращите примеси. След това слоят 7 върху лицевата страна на окислената пластина се структурира, като в него се отварят зони 8 посредством свалянето на дифузионната маска там, където ще бъде извършено легирането, включително от областите, в които ще бъдат формирани силнопроводящите области 4. По време на този етап, задната страна на пластината е изцяло защитена. Така обработената монокристална силициева основна структура се нагрява до висока температура и се експонира на дифузионен източник, който в зависимост от крайния прибор за МЕМС, който е необходимо да бъде получен, може да бъде източник на:

а) р-тип легиращ примес бор, от дифузионен източник като борен бромид (ВВг₃), диборан (В₂Н₆), бор-нитрид (BN), боросилиций или други с такива свойства; или

б) п-тип легиращи примеси: фосфор от дифузионен източник като фосфин (РН₅), фосфорен оксихлорид (РОС1₃), фосфоросилиций; арсен от дифузионен източник като арсин (AsH₅), арсенов оксид (As₂O₃) или арсенсилиций; антимон от дифузионен източник като стибин (SbH₃), антимонов оксид Sb₂O₃, антимонов пентахлорид Sb₃ С1₅ или други с такива свойства.

В едно най-предпочитано изпълнение на метода, за създаване на електрически елемент пиезорезистор върху страничните стени на прибор

О

66488 Bl за MEMC, легирането се извършва с източник на бор, като се използва например бор нитрид (BN).

Процесът на легирането продължава до образуване на проводящи области с необходимата концентрация на легиращите примеси и може да бъде извършен по всеки известен на специалистите в областта начин, който позволява получаването на слой или област със съответна желана ниска стойност на листовото съпротивление и респективно, висока концентрация на легиращите примеси. Както споменатата концентрация, така и стойността на листовото съпротивление се определят в практиката от предназначението на получаваните прибори за МЕМС.

По време на този процес легиращите йони дифундират в силициевата пластина 6 само в зоните 8, където силициевият диоксид е отстранен. Това легиране е с висока концентрация на примесите и се получават области 4 с р⁺, съответно когато се желае в дадени случаи, п⁺, легиране.

По-нататък на фиг. 3 е показана стъпка 2) микрообработка на канавки, което се извършва чрез второ структуриране, ориентирано и съвместено спрямо вече структурирания първи слой силициев диоксид. Това второ ориентирано структуриране се реализира в нов слой диоксид, получен посредством нов процес на окисление, който слой диоксид е с такава дебелина, че заедно със структурирания фоторезист служи за маска при извършващото се впоследствие анизотропно ецване на силиций. Фоторезистът се структурира посредством фотолитография за дефиниране на областите на канавките 9.

През структурирания по описания начин фоторезист се извършват последователно процесите на изотропно ецване, напр. мокро изотропно ецване на силициевия диоксид, и анизотропно, например дълбоко реактивно-йонно ецване (DRIE) на силиция в подложката, при което се получава канавка с дълбочина a_rmicrom. Този процес се осъществява обичайно при понижено налягане с използване на високочестотна плазма. Действителната дълбочина на канавките се определя от изискванията към параметрите на получавания електрически елемент, а в случаите на пиезорезистори това е тяхната ефективна височина. Типично, стойността на дълбочината на канавката е > 5 microm. Областта между две съседни канавки 10 е дефинирана от фотолитографския процес в стъпка 2) и в конкретния случай е с размер w' microm, като към нея може да има подходящо съвместени силнолегирани дифузионни области 4, както е илюстрирано на фиг. 3.

При изпълнението на тази стъпка, за да се получат пиезорезистори върху съответните стени на формираните обособени структури в монокристалната силициева основна структура, е необходимо поне един от контурите на фотолитографското изображение да съвпада с кристалографско направление <110> на монокристалната силициева основна структура, а при последващото ецване съответните стени на формираните обособени структури да са с ориентация {110}.

След формирането на стените на канавките, които могат да бъдат вертикални или под наклон спрямо повърхността, и свалянето на фоторезистивната маска, се изпълнява стъпка 3) формиране на дифузионна маска върху дъното и стените на канавките, чрез следващо високотемпературно окисление, при което се получава следващ слой силициев диоксид 11. Слоят 11 се получава с такава дебелина, че да служи за маска за дифузията на легиращия примес, използван за получаване на електрическия елемент, например бор в случаите на резистори, или фосфор в случаите на диоди. В така получения маскиращ слой 11 се осъществява стъпка 4) - структуриране на дифузионната маска, посредством свалянето й от зоните, където ще бъде извършено легирането, включително от областите, в които ще бъдат формирани пиезорезисторите. Това става като върху страничните стени и на дъното на канавките се отварят зони 12 чрез сваляне на слоя силициев диоксид. За структурирането на зоните 12 се използва фотолитографски процес, при който съвместяването на фотолитографското изображение е с точността, типична за този процес, поради което части от структурирани зони, през които се легират структури, могат да бъдат разположени и на дъното на канавките.

В един особено предпочитан втори вариант на изпълнение на метода съгласно изобретението за получаване на еднакви електрически елементи върху различни стени и повърхности на МЕМС, структурирането на канавките преди дифузията се извършва така, че легираните области се разполагат върху стени с различна кристалографска ориентация, в това число, и върху горната повърхност на силициевата основна структура. Тъй

66488 Bl като легирането на всички зони със свалена маска от силициев диоксид се извършва с един единствен процес на дифузия, то чрез използването на подходящо разположени структурирани зони по желание могат да се създадат легирани области с предварително зададена разлика на характеристиките на областите, или легирани области без разлики в характеристиките, но разположени върху стени с различна кристалографска ориентация. Тази особеност на метода е обяснена подробно понататък в следващите примери.

По-нататък изпълнението на процесите от първия етап продължава със стъпка 5), в която обработената според някое от изпълненията, описани по-горе, основна силициева структура, се подлага на втора високотемпературна дифузия, подобно на тази от стъпка 1), показана на фиг. 2. Втората високотемпературна дифузия се извършва с подходящо легиране, например за получаване на пиезорезистори, и при споменатата ориентация на стените, то е с легиращ примес бор (В) от твърд източник борнитрид (BN) и концентрация 6.10¹⁶ 5.10¹⁸ cm³, като се формират легирани области 13, разположени на страничните стени и дъното на канавките. Областите на силно легиране 4 и областите на подходящо легиране за получаването на слой с определени свойства 13, се припокриват частично, като в тяхното сечение 14 легирането е двукратно. Посредством тези двукратно легирани области 14 впоследствие се осъществява галваничната връзка на областите 13 с останалите елементи на микроелектромеханичния прибор и системата за измерване.

За получаването от легираните области на обособени един от друг, индивидуални електрически елементи върху част от страничните стени, е съществено участъци от дъното на канавката 15 и определени области от страничните стени да не са легирани. Това е предназначението на стъпка 6), при която се отстраняват ненужни легирани участъци по дъното на канавките, както е показано на фиг. 4, като по този начин се образуват електрически елементи, изолирани един от друг. Използва се анизотропно ецване на силициевата пластина, например реактивно-йонно ецване (RIE), подобно на процеса, показан на фиг. 3, през съществуващата маска от силициев диоксид, типично с дълбочина около 3-5 microm, като се отстраняват ненужните легирани участъци от дъното на канавките, обособяват се отделени един от друг електрически елементи и се увеличава дълбочината на канавките 15 с а' microm, достигайки крайната им дълбочина. Така получените от легираните области 13 обособени електрически елементи, напр. резисторите 3, са разположени върху част от стената на канавката.

Аксонометричен вид на така получената структура и ориентацията й спрямо кристалографските направления на силициевата пластина, са показани на фиг. 5.

На фиг. 5А са показани електрически елементи, получени съгласно особено предпочитания първи вариант на изпълнение на метода, които в случая са пиезорезистори 3, имащи област на припокриване 14 със силно легираните области 4. В тази конкретна реализация, посредством три силно легирани области 4, се реализират галванични връзки към двата пиезорезистора 3. Взаимното разположение на стените на канавките с формираните в тях електрически елементи спрямо силно легираните области 4 определя посоката на електрическия ток, който тече през тези елементи.

На увеличения детайл на фигура 5Б е показано едно примерно разположение на пиезорезистора 3 върху цялата дължина на едната странична стена, и върху част от съседната стена. Споменатата част от страничната стена, освен че осъществява проводяща област без прекъсване в ъгъла на канавката, служи и за получаване на област на припокриване 14 с областта 4, което се дължи на дифузията в дълбочина на легиращите примеси в тази област. В нея легирането е двукратно, но сумарната концентрация е несъществено по-висока от тази на областите 4, поради голямата разлика в концентрациите на двете области.

На фигура 5В, е показано алтернативно изпълнение на структурата от фиг. 5Б, получено съгласно особено предпочитания втори вариант на изпълнение на метода за получаване на еднакви електрически елементи, в което върху горната повърхност са разположени допълнителни електрически елементи 16, а върху страничните стени са разположени резисторите 3 и 3'. Както бе пояснено по-горе в примера, при този вариант начинът, по който се реализира фотолитографското структуриране е ключовият процес, от който зависят и поради това, предварително могат да бъдат зададени електрическите характеристики на получаваните елементи. За специалистите в

66488 Bl областта е ясно, че както може да се види от увеличения детайл на фиг, 5В, когато ъгълът между две странични стени на канавките Θ е прав, а резисторите 3 и 3', получени в първия етап на метода, са с еднакви геометрични размери, те имат еднакви 5 електрически характеристики. Аналогично, когато от своя страна, страничните стени на физически обособените структури са перпендикулярни на горната повърхност на основната силициева структура и резисторите 16, разположени в нея имат 10 подходящи геометрични размери и ръбовете на контурите им са успоредни на страничните стени, резисторите 16 имат електрически характеристики, еднакви с тези на резисторите 3 и 3'. В случаите, в които контурите на фотолитографското изображение, 15 от което са получени тези странични стени, са били ориентирани в кристалографско направление <110>, получените резистори 3 имат пиезорезистивен ефект, който е достатъчно силен и позволява използването на така получените пиезорезистори 20 за сензорни приложения. Посоката на електрическия ток през тези елементи се определя от взаимното разположение на стените на канавките с вградени електрически елементи спрямо силно легираните области 4. 25

Методът съгласно изобретението, предвижда след окончателното формиране на обособени електрически елементи, например пиезорезистори, когато се желае, реализацията на стъпка 7), при която, за да се получат и свържат подходящо повече 30 от един вид, предварително определени електрически елементи върху целите или част от вертикалните стени на канавките или да се формират участъци без електрически елементи съобразно предназначението на структурата, да се повтарят 35 определени стъпки от последователността от стъпки 1) до 6) толкова пъти, колкото е необходимо в условия, които са адаптирани да водят до получаването на съответните елементи. В този случай както обработената основна структура с 40 формирани обособени електрически елементи, така и горната повърхност на пластината се подлагат отново на процеси на ецване, окисление, структуриране и на последващо маскирано легиране в зависимост от еластичния микроелектроме- 45 ханичен елемент, който се желае да бъде получен. За целта се извършва ново подходящо високотемпературно дифузионно легиране, предшествано както е описано по-горе, от процес на ецване на избрани според случая участъци от 50 обработваната структура, включително участъци, разположени върху вече съществуващите канавки. Когато се ецват участъци, разположени в канавки, тяхната дълбочина се увеличава с ai microm, където i представя поредността на съответния процес на дифузия, последван от процес на подходящо маскирано легиране, и ново ецване на дълбочина ai' microm. Всички тези процеси се осъществяват след формиране на първоначално обособените електрически елементи, включително процесът на ецване след легирането за отстраняване на избрани участъци, както това, описано в стъпка 6).

Допълнително, в един вариант на изпълнение на стъпка 7) от първия етап на метода, съгласно изобретението, е възможно при получаването чрез дифузия на всеки две последователни подходящо легирани области процесът на ецване след първото легиране и този на ецване преди второто да се обединят в един процес, ако избраните условия го позволяват и ако е технологично изгодно.

Такъв обединен процес на ецване е използван във варианта на изпълнение на стъпка 7) от първия етап на метода съгласно изобретението, показан на фиг. 6. В него за получаването на допълнителни електрически елементи от вида р-п диоди след един процес на ецване, обединяващ аналогичните процеси от стъпки 6) и 2), който води до увеличаване дълбочината на недеформируемите легирани канавки с al microm, се извършва маскирано легиране чрез повтаряне на стъпки от 3) до 5), като се използва легиращ примес фосфор, при което се получава п-тип легирана област, еднотипна по проводимост с тази на основната монокристална силициева пластина. След ново изпълнение на ецването от стъпка 6) за образуване на участък 17 с дълбочина al' microm се обособява елементът 18. В резултат се получават структури, съдържащи в страничните си стени освен всеки един от отделните елементи 3 и 18, също така и нов елемент с електрически изправяща функция на контакта към подложка (т.е. диод), с характеристики, определени от р-п прехода на границата на тези две области, както е показано на фиг. 6. В този случай, поради наличието както на елементи с р-тип проводимост, така и на елементи с п-тип проводимост, за да се формират връзки към съответните елементи изпълнението на стъпка 7) включва и изграждането на съответната допълнителна силнолегирана област, както е

66488 Bl описано в стъпка 1).

Съществена особеност на метода съгласно настоящото изобретение, по-специално на неговия първи етап е обстоятелството, че процесите на структурирано легиране се извършват само по време на изпълнението на първия етап с използване на класическата технология за дифузионно легиране през маска върху повърхности, включително странични стени на недеформируеми структури, каквито са канавките, показани на фиг. 5. Както е разкрито в примерните изпълнения на първия етап на метода по-горе в настоящото описание, към момента на приключване на процесите на легиране все още никакви деформируеми структури и/или елементи, такива като греди, ребра или други, с голямо съотношение височина към ширина, не са структурирани. При това, откритата нова комбинация от паралелно извършвани процеси върху недеформируемите в хода на цялата спомената обработка структури създаде изненадващо неочакваната възможност по страничните стени на легираните недеформируеми канавки да се изгради последователност от няколко легирани области с еднакъв или различен тип на проводимост, включително и чрез по-нататъшно повтаряне на описаните процеси, но като се използват обичайни материали и оборудване. Така изобретението има предимството, че осигурява метод за практическа реализация на структури за прибори за МЕМС, с образувани области по цялата 3 0 височина или част от височината на страничните стени на получаваните микромеханични елементи, а също и по горната им повърхност, които области могат да са не само от един тип за формиране на електрически елементи, а последователност от 35 области, типът на проводимостта на всяка една от които може да е различен от този на заобикалящите я, като при това р-п преходите могат да се защитават. Освен това, процесът на дифузия позволява легираните области 13 и обособените 40 електрически елементи 3 да бъдат получени върху произволно ориентирани повърхности и стени. Друго предимство на комбинацията от процеси от първия етап на метода, съгласно изобретението е това, че така получените физически обособени 45 структури - канавки, могат да имат произволни геометрични размери, включително например, разстоянията w' между канавките 10, които могат да бъдат приблизително равни на дълбочината им, по-големи или по-малки от дълбочината им. От 50

9 своя страна, височината на пиезорезисторите също може да бъде произволна, доколкото се определя от дълбочината на ецване ат и е ограничена само от крайната дебелина d на микроелектромеханичния елемент, напр. микроконзолата, която се желае да бъде получена.

Особено важно и неочаквано предимство на метода съгласно настоящото изобретение, е възможността да се получават еднакви електри10 чески елементи върху различни стени и повърхности на прибори за МЕМС, когато се прилага особено предпочитания втори вариант на изпълнение на процесите на фотолитографско структуриране от първия етап. Така създадените 15 съгласно втория вариант на изпълнение електрически елементи с еднакви характеристики, но разположени върху различни повърхности могат да изпълняват различни функции в МЕМС. Например, по време на измервания сравняването 20 на изменението на съпротивлението на два еднакви пиезорезистора, получени съгласно настоящото изобретение и разположени върху две стени с различно функционално предназначение или върху два участъка на една стена с различна експозиция 25 на определено въздействие дава еднозначна информация за разликата на отклика на МЕМС на изследваното въздействие. Поради това МЕМС приборите, получени по метода, съгласно изобретението освен че притежават разширена функционалност, също така притежават и значително по-висока точност, възпроизводимост и чувствителност на измерванията.

Втори етап: Повърхностно микроструктуриране за получаване на деформируеми междинни микроелектромеханични структури

По-нататък обработената в първия етап структура се подлага във втория етап на повърхностно микроструктуриране, включващо следните стъпки, илюстрирани на фиг. 7 до фиг. 11:

1) Обединяване чрез процеси на ецване на недеформируеми легирани канавки с формирани по време на тези процеси новообособени структури и получаване на деформируеми междинни микроелектромеханични структури и новообособени допълнителни електрически елементи;

2) Получаване на изолиращо покритие;

3) Структуриране на маската за ецване от обратната страна на пластината;

4) Отлагане на проводящия слой за връзки между електрическите елементи и структуриране

66488 Bl на маската за ецването му.

На фиг. 7 е показан структуриран фоторезист 19, който се използва в едно предпочитано изпълнение на стъпка 1) от втори етап на метода за създаване на съвместени към канавките 5 новообособени микромеханични структури. Фотолитографското изображение в този фоторезист се съвместява към вече съществуващите структурирани локално легирани канавки, така че след последващите процеси на ецване да образуват 10 обединена структура с новоформираните микромеханични структури. Съвместяването между двата фотолитографски структурирани слоя, формиращи обединените деформируеми структури, е с голям толеранс и не влияе съществено върху 15 параметрите на получаваните прибори за МЕМС, когато те са проектирани подходящо, дори ако се използват за измерване на сили и премествания в латерално направление. За специалистите в областта е ясно, че процесите от стъпка 1) могат да се 20 реализират по различни начини, като в метода, съгласно изобретението за предпочитане е използването на обичаен позитивен фоторезист, нанесен по обичайния метод на центробежно разстилане. 25

През така структурирания фоторезист 19 се ецва слоят силициев диоксид 20, получен от слоя 7 чрез нарастване, което е резултат от всички изпълнени последващи процеси на окисление, за получаването на зони 21, през които се формират 30 деформируеми междинни микроелектромеханични структури, такива като неосвободени микроконзоли.

В структурите, получени след първия етап на метода съгласно изобретението, включително 35 структура, получена съгласно особено предпочитания втори вариант на изпълнение на фотолитографското структуриране, водещ до получаване на еднакви електрически елементи, процесите на структуриране на слоя силициев 40 диоксид от втория етап могат по желание да бъдат извършени така, че новоформираните странични стени имат различна ориентация. Чрез използване на подходящи структурирани зони в така създадената маска за ецването, което се извършва в един 45 процес за всички зони със структурирана маска, се създават еднакви, или с предварително зададена разлика на механичните характеристики, микромеханични структури. Чрез подходящо свързване на такива микромеханични структури 50 могат да се реализират разнообразни варианти, при които се получава усилване или компенсиране на отклика на определени въздействия. Добавянето на тази допълнителна функционалност (обединяването на две и повече структури), се извършва изцяло в стъпка 1) на втория етап.

В едно предпочитано изпълнение на изобретението се създават структурирани зони 21, които могат да бъдат разположени включително и в областите 10 между две съседни канавки. В тях се извършва дълбоко ецване през маска от структуриран фоторезист 19 и силициев диоксид 20.

На фиг. 8 е показан резултатът от дълбокото ецване на канавките 22 в обработваната монокристална силициева структура посредством процес, подобен на процеса на ецване, илюстриран на фиг. 4, при което се формира междинна микроконзолна структура, в която са обединени новообособената еластична структура 23, несъдържаща електрически елементи, с областта 10, която междинна микроконзолна структура представлява деформируем елемент. Дълбочината а на ецване на канавките 22 се определя от дълбочините на предшестващите ецвания на силиций с дълбочини съответно ar, ar', ai и ai* и от параметрите на изходната силициева пластина, като е в сила зависимостта:

а > а_г + а/ + Σ(α, + aft + TTV, (2) където:

а_г и а_г' са дълбочините на канавките след описаните ецвания за получаване на пиезорезистор, ai са дълбочините на ецване преди; а' са дълбочините на ецване след i-тото по ред легиране за получаване на обособени електрически елементи, когато е извършено такова; TTV е общата неравномерност на изходната силициева пластина по дебелина.

От това съотношение за дълбочините на ецване следва, че последната ецвана структура ще бъде с най-голяма дълбочина от всички възможни комбинации от предшестващи ецвания. Ето защо, въпреки вариациите на дебелината на изходната пластина при последващите процеси на освобождаване на структурите в третия етап, именно последната ецвана структура сред всички подобни елементи ще бъде достигната най-напред при избирателното ецване от задната страна.

Съществена особеност на настоящото изобретение е това, че цели странични стени или

66488 Bl части от тях на формираните в първия етап канавки с разположени в тях електрически елементи, в това число пиезорезистори, са странични стени или части от тях и на новите обединени деформируеми междинни микроелектромеханични структури. 5

Възможно е едновременно с изпълнение на процеса на ецване на канавките 22 да се прекъсват определени вече формирани проводящи области, връзки между тях и електрически елементи, като по този начин се обособяват части от тях в 10 допълнителни отделни електрически елементи.

По избор тази последователност на процесите от втория етап може да бъде повторена до получаване на желаната структура в силициевата основна структура. 15

По такъв начин се формират неосвободени от подложката деформируеми междинни микроелектромеханични структури, в страничните стени на които са разположени по избор, повече от един еднакви или различни електрически 20 елементи, свързани директно или посредством подходящи други елементи със силно проводящите елементи на повърхността на обработената силициева структура.

На фиг. 9 е показан аксонометричен изглед 25 на структура след процеса на ецване на канавките 22. Обединената деформируема междинна микроконзолна структура в описвания конкретен вариант на изпълнение се състои от областите 10 и 23 и съдържа съвместени към стените й електри- 30 чески елементи 3, които имат области на припокриване 14 със силнопроводящите области 4.

Когато при изпълнение на стъпка 1) в областта между две съседни канавки 10 не се структурира област 21, респективно не се формира 3 5 съответната допълнителна канавка, както е показано в примера на фиг. 5, то ширината w на така получената обединена деформируема структура е равна на разстоянието между две съседни канавки w', от която зависят стойностите на еластичните константи 40 на структурата.

Повърхностното микроструктуриране за обединяване на локално легираните канавки с новообразувани микромеханични структури може да бъде извършено така, че новоформираните 45 междинни микроелектромеханични структури да съдържат произволна комбинация от: i) множество електрически елементи върху странични стени с различна ориентация, в това число и върху горната повърхност на силициевата основна структура със 5 0 или без зададена разлика на електрическите характеристики, и/или ii) множество микромеханични структури, например канавки, ребра и т.н., с различна ориентация със зададена разлика на механичните характеристики на тези структури.

При изпълнение на процесите на ецване за реализиране на описаното по-горе обединение се формират същевременно и връзките между микромеханичните елементи.

Съществено предимство на деформируемите микроелектромеханични структури, получавани в резултат на изпълнението на така описаните дотук процеси от първия етап и стъпка 1) от втория етап на метода съгласно изобретението е тяхната значително увеличена чувствителност. Този неочаквано получен ефект се дължи на обстоятелството, че за разлика от микроелекгромеханичните елементи, получавани по известните досега методи, които имат ниска чувствителност поради ниската степен на припокриване на областите с максимално механично напрежение с областите на пиезорезисторите, настоящото изобретение предоставя метод за получаване на пиезорезистори, които са разположени върху стените на еластичните структури точно в областите с максимално механично напрежение по осите X и Y, което резултира в максимална чувствителност за сила или преместване на така получените сензори.

След формирането на деформируемите междинни микроелектромеханични структури, описано по-горе, се изпълнява стъпка 2) получаване на изолиращо защитно покритие на всички електрически елементи, напр. получено при последващо високотемпературно окисление, при което се получава слой силициев диоксид 24, както е показано на фиг. 10. Този слой служи за повърхностна защита на р-п преходите, и в същото време за изолация между електрическите елементи, напр. резисторите, и последващия метален проводящ слой. В резултат от това окисление страничните стени на всички структури, включително тези с формирани електрически елементи, се покриват със слой силициев диоксид.

По-нататък силициевият диоксид 7' на задната страна на пластината се подлага на обработката от стъпка 3) за структуриране посредством фотолитографски процеси и мокро изотропно ецване, изпълнявани по начин, идентичен с описания по-горе за процесите от първия етап. В

66488 Bl резултат от провеждането на тази стъпка, при която лицевата страна на пластината е защитена тя се структурира чрез отваряне на зони 25.

Накрая се изпълнява стъпка 4) отлагане на слоя за връзки между електрическите елементи и 5 структуриране на маската за ецването му, като за целта предварително върху лицевата страна на пластината се нанася фоторезист 26 и той се експонира с фотомаска за отваряне на контактни отвори 27 в слоя силициев диоксид 24, както е 10 илюстрирано на фиг. 10. На фиг. 11 е показан резултатът от два последователни процеса: отлагането на слой метал 28 на лицевата страна и структурирането на фоторезистивна маска 29 за ецване на този слой при формирането на връзките 15 между елементите.

Трети етап: Обемно микроструктуриране на деформируемите междинни микроелектромеханични структури и получаване на прибори за МЕМС

Така получената във втория етап обработена 20 силициева структура се подлага след това на процесите от трети етап, състоящ се от следната последователност от стъпки:

1) Обемно ецване на задната страна на силициевата пластина до достигане на предва- 25 рително зададена дебелина на остатъчния слой,

2) Освобождаване на деформируемите междинни микроелектромеханични структури от връзка със силициевата основа,

3) Селективно ецване на слоя силициев 30 диоксид,

4) Маскирано ецване на слоя метал от двете страни на силициевата основа (пластина) за формиране на електрическите връзки между елементите. 35

Едно пред почитано изпълнение на третия етап за обемно микроструктуриране на еластични микроелектромеханични елементи е показано на фиг. 12 - фиг. 14, от които:

Фиг. 12 илюстрира стъпка 1), при която 40 силициевата пластина се подлага на обемно анизотропно ецване от обратната й страна, като се получава структура 30. Предпочитаният начин за осъществяване на този процес е във воден разтвор на калиев хидроксид (КОН), като се използва 45 маската от силициев диоксид 7'. Това ецване се извършва по обичайния за практиката начин до получаване на тънък остатъчен слой 31 с дебелина, например 10 microm, като по време на процеса лицевата страна е защитена. 5 0

След това се извършва стъпка 2) последващо освобождаване на деформируемите междинни микроелектромеханични структури, напр. микроконзоли, с разположени върху страничните им стени пиезорезистори, както е показано на фиг. 13, посредством избирателно ецване на слоя силиций 31. За целта се използва напр., реактивно йонно изотропно ецване (RIE), което се извършва от същата страна на силициевата структура, както при ецването в стъпка 1). Ецването на силиция в стъпка 2) е без маска и се преустановява при достигане на слоя силициев диоксид 24.

По-нататък се осъществява стъпка 3), при която слоят силициев диоксид 24 се ецва самосъвместено през маската от структура 32, получена след ецване на слоя 31, както е илюстрирано на фиг. 13, посредством използването на изотропно реактивно йонно ецване (RIE) на силициев диоксид, от обратната страна на пластината, аналогично на стъпка 2). Ецването се преустановява при достигане на слоя метал 28.

Накрая се изпълнява стъпка 4) - маскирано ецване на слоя метал от двете страни на силициевата пластина. Както е показано на фиг. 14, за мокрото ецване на слоя метал се използва маската 29 и се получават металните пътечки 5, служещи за връзки между елементите. След ецването на метала, фоторезистът се сваля. Последният процес при получаването на дифузионните резистори е отгряването на металния слой, наричан също така синтеровка. Чрез така формираните метални пътечки се свързват електрическите елементи върху стените на микроелектромеханичните елементи с външни елементи и вериги.

На фиг. 15 е показан аксонометричен вид на МЕМС прибор, получен по метода от настоящото изобретение, в който микроконзолата е с ефективна ширина d, определяща се съгласно уравнението ά = α-δ, (3) където а е дълбочината на ецване във втория етап, определена чрез неравенството (2), абе параметър, отчитащ неравномерностите в дебелината на пластината и неравномерностите на процесите на ецване на структурите в третия етап, по време на освобождаването на микромеханичните елементи в стъпки 1), 2) и 3).

66488 Bl

Прилагането на метода, съгласно изобретението, откри неочаквано в третия етап, новата технологична възможност чрез целенасочено изменение на параметъра δ да се получават предварително зададени стойности на еластичните и други характеристики на микроелектромеханичната структура с висока точност. За тази цел, след извършването на процесите от стъпка 2) от третия етап, когато се желае настройка на ефективната ширина d, се извършва допълнително ецване за коригиране на конкретния параметър δ на микроконзолата. Процесът на ецване, който се изпълнява е подобен на процеса на ецване на остатъчния слой 31.

Като се използват изводите 33 и 34, представляващи връзки от структурирани метални пътечки 5, всеки контактуващ посредством съответната от двете обозначени отделни силнопроводящи области 4 и чрез припокриването в областите 14, с двата края на единия, видим на фиг. 15 пиезорезистор 3, могат да бъдат провеждани измервания напр. на изменението на стойността на електрическото му съпротивление. По избор, по аналогичен начин, посредством свързването на изводите 34 и 35 може да бъде измервано изменението на съпротивлението на пиезорезистора 3, разположен върху долната повърхност на микроконзолата. Посредством описаното по-горе измерване на стойностите на измененията на съпротивленията на тези, един или два, пиезорезистора 3 може да се оцени, напр. отместването Ах на свободния край на микроконзолата под въздействие на силата F, както е показано на фиг. 15.

Методът, съгласно настоящото изобретение, притежава същественото технологично предимство, изразяващо се в това, че ефективната дебелина на получаваните по него микромеханични елементи, в случая w, се определя от един фотолитографски процес и не зависи от разсъвместяването между различни фотолитографски нива. Доколкото познатите от практиката методи за изпълнение на фотолитография позволяват този параметър да се получава с достатъчна равномерност по една пластина и да се възпроизвежда от пластина-допластина с висока точност, то тази точност създава възможност за промишлено производство на прибори за МЕМС с възпроизводими зададени характеристики.

Друго съществено предимство на описания метод за получаване на микроконзолни или други подобни деформируеми елементи на прибори за МЕМС е, че той дава възможност да бъдат получавани едновременно елементи с различни съотношения между геометричните им характеристики ширина w и дебелина d. Доколкото това съотношение определя предпочитаното направление надеформация, то методът предоставя възможност за едновременното реализиране както на елементи с предпочитано направление на деформация по оста Z, когато е изпълнено условието:

d w, (4) така и на елементи с предпочитано направление на деформация по оста X, при изпълнено условие dw,(5)

В тези случаи по-малкият по стойност от двата параметъра d и w, определя еластичните константи на микроконзолите при деформации в съответните предпочитани направления.

Еластичният елемент е без направление на предпочитана деформация, когато е изпълнено условието d ~ w (6)

Когато се получават микроконзоли, за които е изпълнено условието d > 2w, те имат чувствителност към странични деформации, а формираните в страничните им стени пиезорезистори могат да се използват като сензори за сила или отместване в това направление. При такива деформации технологично определените параметри ширина w и дебелина d на микроконзолата разменят функционалните си роли в сравнение със случая на деформируема в направление Z микроконзола.

Claims (12)

1. Метод за изработване на прибори за МЕМС с електрически елементи в страничните им стени, включваш процес на обработка на полупроводникова основна структура чрез високотемпературно дифузионно легиране през структурирана маска за изграждане на електрически елементи върху странична повърхност, характеризиращ се с това, че методът се състои от:

първи етап, при който в полупроводниковата структура се формират силнопроводими легирани

1 4

66488 Bl области, последвано от получаване чрез структурирано повърхностно ецване на обособени недеформируеми структури във формата на канавки, след което се формира и структурира дифузионна маска на дъното и страничните стени 5 на споменатите обособени недеформируеми структури, последвано от следваща дифузия, и чрез отстраняване на излишни легирани части се извършва обособяване на електрически елементи, при което всички или част от процесите от ецването 10 на обособените недеформируеми структури във формата на канавки до обособяването на електрически елементи, се повтарят толкова пъти, колкото е необходимо за получаване на споменатите недеформируеми структури с повече от един 15 електрически елементи, разположени един над друг, имащи еднакви или предварително зададени разлики в техните електрически характеристики, при което за всяко следващо структуриране се използва нова маска; 20 втори етап, при който се осъществява следващо повърхностно микроструктуриране на обработваната полупроводникова структура през друга структурирана маска, който процес обединява части от обособените недеформируеми структури 25 във формата на канавки, имащи легирани области и/или електрически елементи в техните странични стени заедно с новоформирани микромеханични структури без електрически елементи в техните странични стени, до получаване на деформируеми 3 0 междинни микроелектромеханични структури и обособени електрически елементи на предната повърхност и в страничните стени, а след това над всички структури се създават изолиращ слой, и след структуриране, метален слой за връзки; и 35 в трети етап се осъществява обемно микроструктуриране на деформируемите междинни микроелектромеханични структури чрез последователни процеси на избирателно ецване, и споменатите микроелектромеханични структури се 40 освобождават и се формират проводящи връзки между електрическите елементи, като се получават самостоятелни прибори за МЕМС.

2. Метод съгласно претенция 1, характеризиращ се с това, че в първия етап, 45 процесите на дифузионно маскирано ецване, осъществявани преди всеки от процесите на структурирана дифузия, са процеси, изпълнявани през фотолитографска маска, съвместена със структурираните легирани области на повърхността, 50 на структуриране върху горната повърхност и върху новоформирани странични стени на обработваната полупроводникова структура, като върху споменатите структурирана повърхност и новоформирани странични стени едновременно се получават структурирани легирани области и електрически елементи с еднакви или с предварително зададени различия в електрическите им характеристики, след което във втория етап на метода, чрез ецване през друга фотолитографски структурирана маска, новоформирани микромеханични структури без легирани области и/или електрически елементи се обединяват с части от вече създадени обособени недеформируеми структури във формата на канавки с легирани области и електрически елементи в техните странични стени, като се получават деформируеми междинни микроелектромеханични структури със съответно еднакви или с предварително зададени различия в механичните и/или електрическите им характеристики, а в третия етап чрез процеси на избирателно ецване се формират връзки между електрическите елементи и получените деформируеми междинни микроелектромеханични структури се освобождават в прибори с еднакви или предварително зададени различия в характеристиките на електрическите елементи, в зависимост от приложението на приборите за МЕМС.

3. Метод съгласно която и да е от предходните претенции, характеризиращ се с това, че в първия етап като монокристална полупроводникова структура се използва монокристална силициева структура и обособените недеформируеми структури във формата на канавки са локално легирани и са получени чрез подлагането на повърхността на монокристална полупроводникова структура на дифузионно легиране през маска от силициев диоксид в структурирани зони, до формиране в зоните на легирани проводящи области, които са с концентрация на примесите, определена от желаните характеристики на получавания електрически елемент, а после в обработваната силициева структура се осъществява съвместено микроструктуриране на канавки през нов слой от силициев диоксид, след което се формира дифузионна маска от силициев диоксид, извършва се ново структуриране в нея и се осъществява поне една последваща високотемпературна дифузия, последвана от процес на ецване,

66488 Bl при който ненужните легирани области се отстраняват от дъното на недеформируемите канавки, обособяват се електрически елементи в страничните им стени и се достига крайната дълбочина на канавките.

4. Метод съгласно която и да е от предходните претенции, характеризиращ се с това, че в първия етап първият процес на високотемпературна дифузия върху обработваната силициева повърхност се провежда с легиращ примес бор до получаване на силнопроводяща област от р+тип, а височината на всяка последователно легирана област, получена чрез високотемпературна дифузия, се определя от дълбочината на съответната зона, получена в резултат на предшестващ процес на структурирано ецване.

5. Метод съгласно която и да е от предходните претенции, характеризиращ се с това, че във втория етап новите микромеханични структури без електрически елементи са създадени чрез ецване през друга структурирана маска и по избор те са разположени включително в пространството между недеформируемите канавки, и над така формираните деформируеми междинни микроелектромеханични структури и новообособени електрически елементи се създава изолиращ слой, а след структуриране се отлага метален слой за връзки между елементите и към външни елементи и схеми, а в третия етап последователните процеси на избирателно ецване за обемно микроструктуриране, чрез които посредством освобождаване на споменатите деформируеми междинни микроелектромеханични структури се получават прибори за МЕМС, се изпълняват върху задната страна на структурата, като изолиращото покритие и металният слой се използват за ограничаване на съответните последователни процеси на избирателно ецване, и накрая се провежда ецване на металния слой, чрез което се формират връзките между електрическите елементи.

6. Метод съгласно която и да е от предходните претенции, характеризиращ се с това, че в първия етап се създават самосъвместени към страничните стени на обособените недеформируеми структури електрически елементи пиезорезистори чрез изграждане на предната повърхност на монокристална силициева структура, на силно легирана област с легиращ примес бор, след което обработваната монокристална силициева структура се подлага на следващ процес на фотолитографско структуриране, ориентиран така, че кристалографската ориентация на стените на получените чрез ецване силициеви микроелектромеханични елементи да бъде {110}, след което в така структурираните нови повърхности се провежда второ подходящо високотемпературно дифузионно легиране с легиращ примес бор и последващо обособяване на електрически елементи чрез отстраняване на ненужните легирани части.

7. Метод съгласно която и да е от предходните претенции, характеризиращ се с това, че обособяването на електрически елементи се извършва в първия и във втория етап, в страничните стени на обособените недеформируеми структури във формата на канавки на обработваната монокристална силициева структура, или съответно на междинните микроелектромеханични структури, посредством отстраняване чрез ецване на избрани участъци от съответните структури или елементи.

8. Метод съгласно която и да е от предходните претенции, характеризиращ се с това, че последователно изпълняваните процеси на легиране за образуване на силнопроводящите области и на поне едно подходящо високотемпературно дифузионно легиране се осъществяват с частично припокриване на получените две или повече легирани области, при което се образува контактна област, чрез която в обработваната монокристална силициева структура се формират непрекъснати проводящи вериги.

9. Метод съгласно която и да е от предходните претенции, характеризиращ се с това, че във втория етап обединените деформируеми междинни микроелектромеханични структури се получават чрез изпълнението на поне един процес на ецване за образуване на микромеханични структури без електрически елементи, с обща дълбочина на ецване на силициевата основна структура а, определяна в съответствие с условието:

a>a_r + a_r’ + X(ai+_ai’) + TTV, където:

аг и ат¹ са дълбочините на: началното ецване на недеформируемите канавки за получаване на легирана област с даден тип на проводимост, и съответно, ецване за обособяване на електрически елемент с пиезорезистивни свойства,

66488 Bl ai е дълбочината на ецване преди, a ai' е дълбочината на ецване след следващото i-то по ред легиране за създаване на легирани области и елементи, когато е извършено такова, и

TTV е общата неравномерност на изходната силициева структура.

10. Метод съгласно която и да е от предходните претенции, характеризиращ се с това, че във втория етап изграждането на изолиращ слой се осъществява чрез високотемпературно окисление след последния процес на ецване за създаване на деформируеми междинни микроелектромеханични структури, при което се получава защитно изолиращо покритие върху всички повърхности и разположените по тях електрически елементи.

11. Метод съгласно която и да е от предходните претенции, характеризиращ се с това, че в третия етап последователните процеси на избирателно ецване на задната страна на силициевата структура включват обемно анизотропно ецване до достигане на предварително зададена дебелина, след което се осъществява избирателно ецване на силиция до достигане на слоя от силициев диоксид и освобождаване на деформируемите микроелектромеханични елементи, и се извършва последващо избирателно ецване на слоя от силициев диоксид до достигане на металния слой, който се подлага след това на процес на избирателно маскирано ецване от двете страни на структурата за формиране на връзките между електрическите елементи.

12. Метод съгласно която и да е от предходните претенции, характеризиращ се с това, че електрическите елементи, получавани върху страничните стени на приборите за МЕМС са пиезорезистори.