ISSN 0351-9716 VAKUUMIST 18/1(1998) MIKROOBDELAVA SILICIJA (II. del) Drago Resnik, UroS Aljančič, Danilo Vrtačnik, Matjaž Cvar, Slavko Amon, Fakulteta za elektrotehniko, TržaSka 25, 1000 Ljubljana Micromachining of Silicon (Part II) ABSTRACT Within this paper, several principles, tools and technologies that ate employed m microstructuring ot 3-D silicon sensing and actuating devices are reviewed Furthermore, mechanism ot anisotropic wet etching ol silicon m potassium hydroxide (KOH). which is considered as the most frequently used etchant is summarised Beside the electrochemical etch stop technique, also problems ot convex corner compensation are considered and some of our related results are discussed and presented. POVZETEK V nadaljevanju članka podajamo pregled različnih tehnoloških načinov, principov m orodij, ki se danes največ uporabljajo pri mikroobdelavi silicijevih mikrostruktur Fizikalni mehanizem jedkanja silicija v kalijevem lugu (KOH). kot najpogosteje uporabljenega jedkala, je opisan podrobneje. Poleg elektrokemijskega jedkanja je obravnavan tudi problem kompenzacije spod jed kavanja konveksnih vogalov 1 Uvod Mikroobdelava silicija zahteva natančno poznanje fizikalnih in drugih mehanizmov, ki nastopajo v tehnološkem postopku. Nekaj jih je bilo že opisanih v prvem delu, druge pa navajamo v naslednjih poglavjih. Predvsem je pomembno osnovno znanje, ker na njegovi podlagi ter pridobljenih izkušnjah lahko razmišljamo o novih primerih uporabe. Za neko vrsto uporabe, bodisi sistem ali samo senzor, je potrebno obvladovanje celega niza tehnoloških postopkov. saj nas šele sinteza vseh teh pripelje do končnega uporabnega elementa. Kakorkoli že. potrebna so znanja iz različnih področij, od mehanike, kemije, fizike do elektrotehnike in medicine. 2 Orodja za mikroobdelavo silicija Po pomembnosti lahko navedemo štiri osnovna orodja za realizacijo 3D-mikroelektromehanskih struktur na siliciju, ki se uporabljajo povezano ali posamično: • suho plazemsko jedkanje • metode nanašanja tankih plasti (epitaksija, PECVD, LPCVD. MBE. naprševanje) • mokro kemijsko (elektrokemijsko) jedkanje • bondiranje silicija na razne podlage 2.1 Suho jedkanje Suho jedkanje silicija in tankih plasti v plazmi je standarden postopek v mikroelektroniki. zato je tudi dobro poznan. Suho jedkanje Ima predvsem dve prednosti pred mokrim: - vertikalni profili mikrostruktur niso odvisni od kristalne orientacije podlage - plazma ne povzroča velikih stresnih napetosti v mi-krostrukturi Pri suhem jedkanju v plazmi razlikujemo: Plazemsko jedkanje (Plasma etching. PE), kjer so izvir jedkalnih reagentov predvsem radikali fluora v tleči plazmi razgrajenih reakcijskih plinov (CF4 ali SFe). Fluorovi atomi so zelo reaktivni in kemijsko reagirajo s površino Si. izotropno v vseh smereh. Jedkanje je selektivno (15:1), če za maskirni material uporabljamo SiO? ali Si3N4. Suho jedkanje v plazmi se odvija po naslednjih stopnjah: - tvorba reakcijskih delcev v plazmi - difuzija le-teh do površine silicija - adsorpcija - reakcija - desorpcija - difuzija odstranjenega reakcijskega produkta v plin Razprševanje (sputtering) atomov Si z ioni argona, ki so v plazmi pospešeni do visokih energij, nam daje usmerjeno (anizotropno) jedkanje silicija, kar je posledica električnega polja, vendar ni selektivno in tanjša obenem tudi masko, zato se ne uporablja za mikroobdelavo silicija. Reaktivno ionsko jedkanje (Reactive ion etching, RIE) združuje sinergijsko obe tehniki. Za anizotropno jedkanje se uporablja največkrat plazma s plinom CCU. kajti Cl ni tako reaktiven kot fluor. Fizično usmerjeno jedkanje z ioni in kemijsko z radikali poveča hitrost jedkanje silicija v vertikalni smeri, medtem ko se vertikalne Plazemsko jedkanje JUL.Ü> ^j o ..... Radikali (kemusko jedkarvjet u ionsko jedkanje "*j-«a '. ¦ _______-.„...... . Reaktivno ionsko jedkanje Ion (fizikalno leakanjej Polimen (pasivacua navpLnih sten) ' (cj Slika 1 Metode suhega jedkanja silicija; izotropno plazemsko, anizotropno razprševanje in anizotropno reaktivno ionsko jedkanje 191 VAKUUMIST 18/1(1998) ISSN 0351-9716 stene pasivirajo delno z reakcijskimi produkti in jih kemijsko jedkanje z radikali ne prizadene. Ravno tako dosežemo dobro selektivnost. Hitrosti jedkanja so približno 1pm/min. Na si. 1 so prikazane razlike in principi prej opisanih tehnik. Suho jedkanje je tesno povezano s kompleksnostjo naprav za jedkanje, kjer je potrebno uravnavanje več soodvisnih parametrov, ki skupaj spreminjajo hitrost jedkanja, anizotropijo in selektivnost med jedkanjem silicija in maskirnega materiala. Parametri, ki jih moramo obvladovati, so naslednji /14/: - vrsta in pretoki uporabljenih plinov - razmerja med pretoki posameznih plinov - lastnosti površine podlage in komore ter geometrija - elektromagnetni parametri za vzbujanje. 2.2 Mokro jedkanje silicija Mokro jedkanje silicija je elektrokemijski proces kontroliranega odstranjevanja materiala osnovne podlage /12/. Ponavadi je z maskirnim materialom določena tudi planarna oblika končne forme. Glede na smerne karakteristike jedkanja pa lahko razlikujemo načine odstranjevanja silicija na izotropno in anizotropno jedkanje. Kemijsko jedkanje polprevodniskih kristalov (npr. InP. GaAs). Se posebej silicija, igra pomembno vlogo v današnjih mikroelektronskih tehnologijah. Uporablja se za doseganje raznih strukturnih oblik elementov, od senzorskih struktur pa do pomnilnih celic, kot tudi za poliranje površine silicijevih podlag, kemijsko čiščenje površine silicija, tanjšanje delovnih silicijevih rezin in za odkrivanje raznih termično povzročenih kristalograf-skih napak v siliciju. Nizka cena teh postopkov v preteklosti jim je omogočila široko polje uporabe, ki pa se v zadnjih časih zaradi ekoloških pogledov oži in se bo verjetno Se bolj na račun suhih postopkov v plazmi. 2.2.1 Izotropno jedkanje in izotropna jedkala Izotropna jedkala odstranjujejo silicij z vseh kristalnih ravnin s približno enako hitrostjo. Uporabljajo se predvsem za odstranjevanje mehanskih poSkodb po žaganju silicijevih rezin, za kemijsko poliranje in planarno tanjšanje podlag, za jedkanje polikristalnih tankih plasti in včasih v kombinaciji z anizotropnimi jedkali za izdelavo 3D-struktur na siliciju. Glavni predstavniki teh jedkal so predvsem ternarne raztopine HNO3. HF in CH3COOH v različnih razmerjih. 2 različnimi medsebojnimi razmerji dosegamo različne jedkalne hitrosti silicija, s tem pa tudi različne gladkosti povrSin. Procesi so skoraj pri vseh razmerjih difuzijsko kontrolirani (pomembna je agitacija raztopine) in so skoraj neodvisni od koncentracije primesi in orientacije silicija. Zelo težko je kontrolirati reakcije in s tem hitrost jedkanja, ker je večina le-teh eksotermna /13/. Faktorji. kot so injekcija električnih nosilcev, dodatna osvetlitev. ali strukturne napake kristala, lahko dodatno pospešijo jedkalni procco /13/. 2.2.2 Anizotropno jedkanje in anizotropna jedkala Odločilni dejavnik za anizotropijo je vsekakor različna gostota atomov na površini in s tem prostih vezi na izpostavljeni površini. Ni pa ta edini, saj z razlikami med aktivacijskimi energijami treh osnovnih orientacij, ki so v vsakdanji uporabi, nikakor ne moremo razložiti faktorja anizotropije hitrosti jedkanja, ki je za smer (100) 200 in večkrat večji od tiste za smer (111). Anizotropno jedkanje je torej orientacijsko odvisno. Anizotropija je odvisna tudi od delovne temperature, uporabljenega jedkala ter njegove molarnosti. Za najpogosteje uporabljeno orientacijo silicija (100) prikazujemo na si. 2 značilno vedenje ob jedkanju v globino, če mu na površini z masko, katere stranica je paralelna z referenčno ravnino |110| na rezini, definiramo želeno obliko. Jedkanje gre po hitro jedkajočih (100) ravninah v globino, lateralno pa je omejeno s Štirimi konvergentnimi (111) počasi jedkajočimi ravninami, ki so pod točno določenimi koti med seboj (90"), in glede na (100) površino (54.73°). S posebnimi tehnološkimi prijemi /13/ je možno doseči tudi kote okoli 25*, kar ustreza <100>-Si <110>-Si Slika 2 Najpogostejše mikrostrukture, izdelane z mi-kroobdelavo silicija (100) 191 Slika 3 Dvonivojska mikroobdelava silicija, gledana v prerezu (debelina vzorca je 385 um); konver-gentne ravnine(1 11) tvorijo kot 54,7°, s površino (100). (311) ravnine pa kot 25" (LEE) S ISSN 0351-9716 VAKUUMIST 18/1(1998) ravnini (311). Na si. 3 so prikazani značilni profili, ki jih dosežemo s takim postopkom. To je takoimenovana dvonivojska mikro-obdelava silicija, razvita v našem laboratoriju. Različna anizotropna jedkala so predvsem alkalne vodne raztopine, kjer je glavna komponenta organska ali pa anorganska. Predstavljamo najbolj pogosta: Etilendiamin-pirokalehol (EDP. ethylenediamine-py-rocatechol) NH2(CH2)2NH2-C6H4(OH)2 tvori v različnih razmerjih z vodo pogosto uporabljano anizotropno jedkalo. Zahteva bolj previdno upravljanje kot s KOH. Je zdravju Škodljiv, karcinogen. zato so potrebni strogi varnostni ukrepi. Delovne temperature jedkala so relativno visoke (med 100 in 115°C), kar je lahko težavno pri vpenjanju in tesnjenju vzorcev. Če je kisik v jedkal-nem reaktorju, raztopina potemni in je onemogočena vizualna kontrola jedkanja. Zato mora biti jedkalni reaktor zaprtega tipa s stalnim prepihovanjem dušika. Prednost EDP je predvsem, da lahko kot masko za globoko jedkanje uporabimo tudi maskirno plast S1O2, poleg že znane maske Si3N4. Ne jedka Au, Ag, Cr. Ni mask; pač pa aluminij. Hitrosti jedkanja so takšne kot pri KOH. Anizotropija je malo slabša kot pri KOH. Kot moderator se dodaja majhne količine pirazina. Hidrazin (hydrazine) se uvršča med karcinogene snovi, pri visokih koncentracijah v vodni raztopini je tudi eksploziven, zato je treba pri delu z njim upoštevati izredno stroge varnostne ukrepe. Uporabljajo se stabilne raztopine 50:50 z vodo, normalno pri temperaturah okoli 90-100^C. Hitrosti jedkanja ravnine (100) so do 3.5 /im/min, kar je dvakrat več kot v KOH pri 85°C. Zelo počasi jedka Si3N 7 x 1019 atomov bora/cm3) - ima zadovoljivo hitrost jedkanja ravnin (100) pri nižjih temperaturah kot druga jedkala (1,3 ^m/min pri 80°C) Ima pa tudi naslednje pomanjkljivosti, ki jih je treba upoštevati pri načrtovanju in izdelavi mikrostruktur: - pri izdelavi globokih struktur ne zadostuje le Si02 kot maskirni material, ker ga KOH precej hitro jedka (2,5 nm/min). zato moramo poseči po maskah iz Si3N4 (0,2nm/min) ali nekaterih kovin (Au, Cr) - možna je kontaminacija procesa ali vezja s kalijevimi hitro difuzivnimi ioni, kar je nezdružljivo zlasti s procesi CMOS. zato se mikroobdelava izvaja vedno kot zadnja operacija. 2.2.2 Model anizotropnega jedkanja silicija (100) v raztopini KOH Najnovejši elektrokemijski model anizotropnega jedkanja silicija s KOH je predložil H. Seidel et. al./12/ ter je podan v osnovnih črtah spodaj. Zaradi različnih zaključitev atomske strukture na sami površini kristala se pojavijo površinska stanja z energijami, ki padejo v območje prepovedanega pasu, in ta stanja imajo pomembno vlogo v jedkalni reakciji. Določena so z zaporedjem in zasedenostjo orbital. Upoštevati je treba le tiste orbitale, ki prispevajo k jedkalnem procesu, to pa so stanja površinskih bingljajočih Si vezi (A), valenčne orbitale zadnjih vezi Si-Si {vezi, ki segajo v silicij, ne na površino) (B). in vezi Si-0 pri reakcijskih produktih (C). Razmere energijskih nivojev so prikazane na si. 4 pred stikom z raztopino (a) in po stiku z raztopino za P in N tip silicija (b). Na strani elektrolita so glavni reaktanti hidroksidni ioni kot oksidanti in vodne molekule kot reducenti, H2O/OH" par redox je definiran kot normalna vodikova elektroda (NHE) s potencialom -4.5eV proti vakuumskemu nivoju c • a©*m Slika 4 Energijske razmere pri Si in KOH pred staknitvijo (a) in po njej (b) 6 VAKUUMIST 18/1(1998) ISSN 0351-9716 pri faktorju pH=0. Za primer močno koncentriranega KOH (npr. pH = 14) se potencial premakne za cca 0,8 eV in je -3,7 eV. Ko potopimo vzorec silicija v elektrolit, se Fermijevi nivoji na obeh straneh izenačijo s prehodom elektronov iz elektrolita v silicij. To privede do zakrivitve energijskih nivojev navzdol, podobno za P kot tudi za N tip, kjer je sicer manj poudarjeno zaradi začetne razlike v Ep. Področje prostorskega naboja ob stiku je določeno s koncentracijo primesi in seveda s pH elektrolita. Minimalno se zakrivijo tudi energijski nivoji parov redox, vendar je to osiromašeno področje proti silicijevemu manjše za dva do tri velikostne razrede, zato to tudi ni na sliki prikazano. V prvem koraku reakcije se injicira elektron hidroksid-nega iona v orbitalo A bingljajoče površinske vezi s tunehranjem skozi Helmholtzovo plast. Rezultirajoči radikal OH se lahko sedaj veže na preostali elektron in formira vez Si-0 na površini, kar ustreza novemu površinskemu stanju zasedenosti v najvišji orbitali. Reakcija se nadaljuje s termično ekscitacijo elektrona iz najvišje zasedene orbitale A v prevodni pas. Na površini (100), ki ima dve bingljajoči vezi na en atom, se lahko vezeta dva hidroksidna iona s tem, ko injicirata dva elektrona v prevodni pas silicija (en.1). \ Si OH Si + 2 OH + 2e p»ev (D spevata dve hidroksidni skupini, dva pa vezna elektrona Si-Si. Ti elektroni so injicirani v prevodni pas silicija in ostanejo lokalizirani blizu površine zaradi potencialne jame, ki se ustvari zaradi krivljenja energijskih pasov ob stiku silicij-KOH. Silicij-hidroksidni kompleks dalje reagira Se z dvema hidroksidnima ionoma in tvori ortosilikatno kislino (en. 3). Predvidevamo, da pride do trganja zadnjih silicijevih vezi in simultane vezave hidroksidnih ionov. Si Si OH Si +2 OH' SI(OH)4+Si (3) OH Nevtralna Si(OH)«i molekula zapusti material z difuzijo v elektrolit, kjer pa je nestabilna zaradi visokega pH, Iz kemije silikatov je znano, da se pri pH > 12 s sprostitvijo dveh protonov formira naslednji kompleks: Si(OH)4------* Si02 (OH) 2* + 2 H2* (4) 2H* + 2 0H*-*2H20 (5) Si Si OH Krivljenje energijskih nivojev navzdol zagotovi potencialno jamo za injicirane elektrone in jih s tem obdrži blizu površine silicija. Tako imajo tudi zelo majhno verjetnost, da se rekombinirajo (celo v p-tipu). Zaradi vezanih hidroksidnih skupin na površinske atome silicija se zmanjša vezalna energija zadnjih vezi površinskih atomov, in sicer zaradi močne elektrone-gativnosti kisikovega atoma. V naslednji stopnji se morata zadnji vezi silicijevega atoma pretrgati, da dobimo topen silicijev kompleks. Energijsko to pomeni termično vzbuditev veznih elektronov in prehod v prevodni pas. Tako nastane pozitivno nabit hidroksidni kompleks (en.2). Si OH \ / Si /\ Si OH Si Si OH S; OH + 2e prev (2) Ce povzamemo: štirje elektronski naboji so potrebni za sprostitev enega površinskega atoma silicija; dva pri- Presežni elektroni v prevodnem pasu se lahko vežejo z vodnimi molekulami, ki se nahajajo blizu površine in tako tvorijo hidroksidne atome in vodikove atome, ki se kasneje rekombinirajo v molekularni vodik. 4 H?0 + 4e" -* 4 H2O' (6) 4 H2O" -* 4 OH" + 4H -> 4 OH' -f 2 H2 (7) Na si. 4 to ustreza prehodu elektronov iz prevodnega pasu v nezasedena stanja H2O/OH* para redoks. Paralelno s tvorbo molekularnega vodika so možni tudi drugi procesi, saj vemo. da vodik zlahka difundira v silicij in oslabi zadnje vezi, kar je poznan pojav iz amorfnega silicija. Predpostavljamo, da so Štirje hidroksidni ioni, ki izhajajo iz redukcijske en. 6 in en. 7 ravno tisti, ki so bili poprej porabljeni v koraku oksidacije (en. 1-3) za odstranitev površinskega silicijevega atoma. Ker so generirani tik ob površini, jim tudi ni treba premagovati odbojne sile negativno nabitega silicija, kot če bi prišli iz globine elektrolita. Celotno reakcijo lahko opišemo z naslednjo enačbo: Si + 2 OH* + 2 H2O -> Si02 (OH)2* + 2 H2 (8) 7 ISSN 0351-9716 VAKUUMIST 18/1(1998) 2.2.3 Samoustavitvene tehnike pri anizotropnem jedkanju v KOH Dve glavni družini mikrostruktur, ki jih izdelujemo z mikroobdelavo. so membrane in eno ali večstransko vpeti tanki nosilci (cantilevers). Poleg lateralnih dimenzij so zelo pomembne tudi debeline teh struktur. Klasičen način za dosego točno določene debeline temelji na kontroliranju časa jedkanja pri konstantni jedkalni hitrosti. Ker pa to ni povsem zanesljiva metoda za masovno proizvodnjo, je treba uporabiti metode selektivnega jedkanja s samoustavitvijo (etch stop technique), ki so se v zadnjih letih precej izpopolnile. Jedkanje se bo samodejno ustavilo pri neki globini, če naleti na kemijsko drugačno sestavo podlage (dopiran silicij), ali pa če to sprožimo od zunaj z električnim potencialom. Prva tehnika s praktičnega vidika ni tako zanimiva, ker zahteva, da je plast, kjer naj bi se jedkanje samodejno ustavilo, ko jo doseže, močno dopirana z borom. To seveda izključuje, da bi na tej plasti realizirali katerekoli elektronske elemente. Iz druge skupine pa se danes največ uporablja tehnika, imenovana tudi elektrokemij-ska samoustavitev na zaporno polariziranem spoju p-n, 2.2.3.1 Samoustavitev z zaporno polariziranim n-p spojem Globina spoja n-p določa debelino strukture, ki nam bo ostala po samo ustavitvi jedkanja. Spoj lahko realiziramo z visokotemperaturno difuzijo primesi, epitak-sialno raščeno plastjo dopiranega silicija ali pa z implantacijo primesi. Elektrokemijsko jedkanje združuje dobre lastnosti jedkanja v KOH in definiranje globinske razsežnosti z dopiranjem ali zunanjim priključenim potencialom. Sam silicij izkazuje napetostno odvisnost jedkalne hitrosti, če ga priključimo na zunanji potencial. Pri nekaterih napetostih se jedka z normalno jedkalno hitrostjo (potencial odprtih sponk - POS) ali z nižjo hitrostjo (napetosti katodno od POS), medtem ko se pri bolj anodnih napetostih jedkanje skoraj popolnoma ustavi (pasivacijski potencial-PP). Za p- in n-tip silicija so ti potenciali različni. Značilna odvisnost l-U je podana na sliki 5 le za n-tip silicija, skupaj s pripadajočo spremembo jedkalne hitrosti. 15 10 - tj C -5 - '; -15 PP 1 s - i 0 - 05 c; -I -o'. -2.0 -1.8 -1.6 -1.4 -12 -10 -08 -06 -0 * napcvost Si proti SCt IV| Stika 5 Odvisnost l-U hitrosti jedkanja n-tipa silicija KOH (LEE) Princip samoustavitve jedkanja na epitaksialnem spoju p-n je shematsko prikazan na sliki 6 za primer stiri-točkovne priključitve /20/. Zaporna napetost je priključena med epitaksialno plast n in platinasto proti-eiektrodo.Tako je ves padec napetosti na spoju in p-tjp podlage se jedka neovirano. Ko jedkanje doseže spoj, le-ta izgine in je priključena napetost sedaj pasivacijski potencial za n-tip silicija. Posledica je formiranje anod-nega oksida, ki zaustavi jedkanje silicija. Anodni oksid se sicer v KOH počasi jedka, vendar se zaradi PP formira nov. Ta proces porabljanja silicija je zanemarljiv proti jedkalni hitrosti samega silicija pri POS, tako da lahko upravičeno govorimo o samoustavitvi jedkanja na meji epi plasti, kar je tudi končna debelina želene membrane ali podobne strukture. ——1~— _~kdh'_ _— -----------------------.----------——* i Slika 6 Štiritočkovna priključitev vzorca n-p pri elek-trokemijskem jedkanju s samoustavitvijo na spoju 2.2.4 Jedkanje konveksnih kontur Pri realizaciji pravokotnih oblik 3D-struktur. paralelnih ali pravokotnih s |110| smerjo, kjer se pojavljajo pri jedkanju ne le notranji vogali, pač pa tudi zunanji -konveksni, pride do spodjedkavanja. torej do večje hitrosti jedkanja. To se dogaja brez izjeme pri vseh anizotropnih jedkalih in orientaciji podlage (100). Ilustracija takega primera je podana na SEM posnetku na si, 7. Slika 7 SEM posnetek spodjedkavanja konveksnega vogala pri anizotropnem jedkanju (LEE) 8 VAKUUMIST 18/1(1998) ISSN 0351-9716 Ta pojav je pri izdelavi 3D-struktur nezaželen, saj v končni fazi lahko celo povzroči nezanesljivo delovanje strukture, zato ga je treba eliminirati. Najprej je treba ugotoviti, katere so tiste ravnine, ki zaradi hitrejšega jedkanja doprinesejo k spodjedkavanju. Na podlagi tega začnemo izdelovati kompenzacijske maske, s katerimi moremo predvideti, kakšne oblike naj bo začetni, z masko definirani vogal, da bomo pri določeni globini dobili oster in nepoškodovan konveksni vogal na strukturah. Razlog za različne interpretacije, katere ravnine se hitro jedkajo na konveksnem vogalu, leži v različnih uporabljenih jedkalih. ki različno spodjed-kavajo konveksne vogale, in pa v zelo majhnih razlikah v kotih med bližjimi ravninami z višjimi indeksi. Zgled oblik kompenzacijskih maske, ki se najpogosteje uporabljajo je na sl.8 /9/. V Laboratoriju za elektronske elemente se uporablja kompenzacija s kvadratom (zahteva najmanj lateralne površine) in jedkanje v TMAH ter KOH. snop trikotnik kvadrat trak Slika 8 Zgledi možnih kompenzacijskih mask za upočasnitev jedkanja konveksnih kontur 191 Poleg kompezacijske maske pa se spodjedkavanje močno zmanjša (za faktor 3x) tudi ob uporabi alkohola (IPA) kol organskega dodatka /28/. Tabela prikazuje faktorje spodjedkavanja pri različnih jedkalih, skupaj z pripadajočimi anizotropijami in jedkalnimi hitrostmi. Rezultati izhajajo iz raziskovalnega in eksperimen-talega dela v našem laboratoriju Tabela 2. Jedkalne iastnosti in spodjedkavanje konveksnih vogalov za jedkala, ki so v uporabi v laboratoriju za elektronske elemente Slika 9 SEM-posnetek mikrostrukture, izdelane z uporabo trikotne kompezacijske maske vjedkalu KOH-IPA za senzor nizkih tlakov (LEE) 3 Bondiranje silicijevih rezin na podlago Čeprav je pojav direktnega spajanja (bondiranja) Si-Si poznan že dolgo, je prišel do praktične širše veljave šele pred leti. ko so se pojavile potrebe po mikrostruk-turah, ki jih s klasičnimi postopki globinske ali površinske mikroobdelave ni več bilo možno realizirati. Izdelano ali delno izdelano mikrostrukturo pritrdimo (bondiramo) na podlago ali pa na komplementarno mikrostrukturo v fazi. ko je rezina še cela. Ta postopek mora biti popolnoma združljiv z vsemi danes uporabljanimi koraki v mikroelektronski industriji in ne sme vnašati v samo strukturo dodatnih mehanskih napetosti. Podlaga je lahko silicij ali pa material s podobnim temperaturnim raztezkom, največkrat steklo pyrex 7740. Glede na zahtevane lastnosti aplikacije (her-metičnost,..) izbiramo tehnologijo bondiranja. Danes so v uporabi predvsem naslednje tehnike: • nizkotemperaturna stekla in polimeri kot adhezivi • direktno fuzijsko bondiranje Si-Si • elektrostatsko (anodno bondiranje} • nizkotemperaturno reaktivno bondiranje Si-Si • evtektično bondiranje Jedkalna Jedkalo hitrost (mm/min) i I Anizotropija Rel. spod-(100/111) I jedkavanje KOH 1.2-1.3 35-40 2,7 KOH-IPA 0.98-1.1 TMAH 0,87-0.92 100-140 15-17 1-2 5.5 TMAH-IPA 0,45-0.49 30 4 Vse bondirne tehnike pa postavljajo nekaj ostrih zahtev. kot so ultra čista površina stičnih ploskev, ravnost in gladkost stičnih ploskev ter hidrofilnost površine silicija za direktno bondiranje. Bondiranje z nizkotemperaturnimi stekli poteka pri nizkih temperaturah (do 500:C). Stekla so lahko BSG, PSG ali pa frit steklo z močnimi dodatki Pb. Na podlago se lahko plast debeline reda nekaj mikrometrov nanese z tiskanjem. CVD-postopki. naprševanjem ali pa s sedi-mentacijo. Ta vmesna plast se rabi nato za bondiranje 9 ISSN 0351-9716 VAKUUMIST 18/1(1998) dveh silicijevih rezin ali silicija na kakšno drugo podlago. Tako bondiranje se uporablja za manj zahtevne aplikacije, ker daje slabše lastnosti spoja (her-metičnost, trdnost) kot druge tehnike. Direktno tuzijsko bondiranje daje izredno kvaliteten kovalenten spoj, žal pa je uporabno predvsem v začetnih tazah, saj se izvaja na visoki temperaturi. Površine morajo biti mehansko polirane in hidrolilne, tako da imamo veliko gostoto skupin OH na silicijevi površini. Ena od površin ima lahko tudi termičen Si02 na površini. Ko pri 20UC položimo rezine skupaj, že delujejo šibke van der Waalsove privlačne sile zaradi vodikovih vezi. Nato sledi visokotemperaturni postopek v kisikovi ali dušikovi atmosferi. Kemijske reakcije se prično že pod 300"C. ko se skupine OH pretvorijo v H2O (en. 9). Si -O-H + H-O-Si -> Si-O-Si + H2O (9) Med procesom bondiranja se tvorijo ponekod na stiku praznine, in sicer iz več vzrokov. Vzrok so nečistoče ali pa jih generira povečan parni tlak vodnih molekul. Če niso vezane na delce nečistoč, potem v nadaljnjem procesu izginejo. Med 300 in 800*C voda disociira in sprosti še dodatno kisik za vezavo med Si atomi. medtem ko vodik difundira v kristal. Tlak plina v prazninah pade in ustvari se podtlak proti atmosferskemu, ki pomaga zapreti praznine. Pri temperaturah 800-1400"C difundira kisik v silicij (navkljub intersticijskem kisiku, ki je že v kristalu in je v večini). Si pa difundira na tista mesta, kjer je praznina na spojni površini. Tako dobimo kovalenten, stabilen, hermetičen spoj /23/. Anodno ali elektrostatsko bondiranje se zelo veliko uporablja pri izdelavi elementov, kjer želimo kvaliteten, hermetičen spoj, ne smemo pa prekoračiti določene temperature, predvsem zato. ker imamo že metalizi-rano sprednjo stran oziroma aktivne elemente. Steklo. ki se bondira. mora imeti primesi natrija ter podobne temperaturno odvisne raztezke kot silicij (Corning py-rex 7740). Pri sobni temperaturi se silicij in steklo stakneta, nakar se oboje segreje na temperaturo 350-450°C. Pri tej temperaturi so Na ioni že mobilni in ko sedaj priključimo med obe podlagi enosmerno napetost reda 400-1000 V (odvisno od debeline stekla). se ob spoju silicij-steklo tvori osiromašeno področje s kisikovimi ioni. Na spoju med Si in steklom se pojavi sedaj močno električno polje reda 7 MV/cm, ki povzroči elektrostatski pritisk okoli 20 barov in potegne podlagi skupaj. Ker sedaj ni več špranje med obema, je vsa napetost na osiromašenem področju in polje transpor- senzorski upor vztrajnostna masa omejilniki hoOa Slika 10 Zgled realizacije strukture senzorja pospeška z direktnim bondiranjem (zgoraj) in anodnim bondiranjem (spodaj) tira kisikove ione. ki se vežejo na vezi silicija. Ta spoj ima od vseh najboljše hermetične in mehanske lastnosti /23/. Pri izdelavi npr. senzorja absolutnega tlaka z zaprto referenčno votlino je treba zagotoviti poleg visoke temperature in visoke napetosti še dodaten pogoj, da se bondiranje odvija v vakuumu M O6 mbar). gibljiva membrana vmesna plast Slika 11 Zgled realizacije mikročrpalke s tremi bondh ranji Nizkotemperaturno Si-Si direktno reaktivno bondiranje se pojavlja v zadnjem času kot pomembna tema v mnogih člankih /25.26/, ki se ukvarjajo s problematiko. kako doseči kvaliteten spoj ("bond") pri čim nižji temperaturi, brez vmesnih adhezivnih plasti, in sicer z ustrezno pripravo silicijeve površine. Hidrofilni površini staknemo pri sobni temperaturi in vodikove vezi vežejo površini. Napuščanje pri temperaturi 300"C povzroči, da se vezi O-H prekinejo m se tvori voda. Ta razpade. v atomarni vodik (difundira iz silicija) in kisik, ki se veže neposredno na silicijeve bingljajoče vezi. Metoda je privlačna in obetavna, a zaenkrat Se ne more nadomestiti anodnega bondiranja z vidika zanesljivosti. Evtektično bondiranje je tisto z dodatno naneseno vmesno kovinsko plastjo na eno od spojnih površin. Pri določeni temperaturi se tvori evtektična zlitina (za Si-Au je pri 363"C), ki je stabilen spoj med dvema silicijevima rezinama. Za tak primer mora biti površina Si popolnoma brez oksida. Najpogosteje se uporablja tak tip bondiranja za pritrjevanje senzorjev na ohišja. 4 Nadaljnje smeri razvoja Čedalje večje težnje so po izdelavi takoimenovanih "smart" senzorjev, kjer 3D-mikroelektromehanske strukture realiziramo skupaj z integriranim vezjem na isti podlagi. Mikrostrukturo ponavadi izdelamo kot zadnji korak v procesu ali jo dodamo kasneje z bondiranjem. Največja prednost združitve silicija kot elektronskega in mehanskega materiala se torej kaže v integraciji izdelanega senzorskega dela s pripadajočim krmilnim in regulacijskim integriranim vezjem na isti podlagi. To so takoimenovani mikrosistemi. Težava pa se pojavi, ker mora biti senzorska ali aktuatorska mikro-struktura (za razliko od ostalega integriranega vezja, ki je ponavadi varno zaprto v standardno ohišje) v stiku z realnim svetom, s katerim interaktira. Za nekatera 10 VAKUUMIST 18/1(1998) ISSN 0351-9716 neprijazna okolja, kjer morajo mikrosislemi delovati, je treba uporabiti rešitve za to že pri sami zasnovi. Taki senzorji, ki so delno že danes komercialno dosegljivi, bodo v bodoče združevali več funkcij. Poleg tega, da bo na isti podlagi izdelanih več senzorjev za različne veličine (mehanske, termične, električne, mag-netooptične. ...). bodo na isti podlagi z mikroelektron-skim integriranim vezjem zagotovljene tudi funkcije, kot so kompenzacija raznih nelinearnih vplivov, avtokali-bracija sistema. A/D ali D/A pretvorbe signalov, izboljšanje S/N razmerij, impedančne prilagoditve /2,4.6/. Zraven sodi tudi možnost nadaljnjih miniaturizacij, h katerim teži mikroelektronika. Mikroobdelava silicija si utira pot tudi na področja senzorjev, aktuatorjev. kjer so aktivni gradniki drugi materiali, na primer tankoplastni feroelektriki (PZT, keramične plasti PLZT), kjer se izkoriščata piroelektrični in piezoelektrični efekt /27.28/. Slednje je prikazano na naslednjem zgledu izdelave konice za mikroskop na atomsko silo (AFM), kjer se s konice, izdelane z mikro-obdelavo, odvzema električni signal s tanke plasti PZT. nanesene na silicijevemu nosilcu /28/. - um Slika 12 SEM-slika Si nosilca in konice z radijem 10 nm za AFM, na katerega je nanesena tanka plast keramike PZT 1281 5 Sklep V članku je podan razširjen pregled osnovnih metod in orodij mikroobdelave. ki so danes v uporabi. Analizirali smo primernost posameznih pristopov za določene aplikacije, kot tudi fizikalne mehanizme, ki nastopajo pri mikroobdelavi z določenimi orodji. Ta pregled je dopolnjen z rezultati in izkušnjami pri mikroobdelavi silicija, ki so plod prizadevanj Laboratorija za elektronske elemente na Fakulteti za elektroteniko v Ljubljani. Le-te se nanašajo predvsem na piezoresistivne senzorje tlaka za srednja in nizka merilna območja in s tem povezanimi tehnologijami jedkanja tankih membran. kompenzacij spodjekavanja konveksnih vogalov ter vpeljavi ustreznih bondlrnlh tehnik. Mikroobdelava silicija obetavno kaže na močno Širjenje na vedno nova področja vsakdanjega življenja. Začelo se je s senzorji pritiska, nadaljevalo s senzorji pospeška za varnostne vreče, mikromotorji v mikromehaniki. mi-kročrpalkami za avtomatsko doziranje zdravil in vivo in se Se širi na druga področja, bolj ali manj pomembna za naše življenje. 6 Literatura /1/ Kuri E Petersen. Silicon asa mechanical material. IEEE Proč.. 70,5(1982) 121 J. Bryzek. K. Petersen. W. Me Culley. Micromachines on the march. IEEE Spectrum. May 1994 p. 20-31. /3/ M. Pottenger. 8. Eyre. E Krughck. G Lin. MEMS: The maturing of a new technology. Solid State Technology. September. 1997,89-96. /4/ J.B Angell. SC Terry. PW. Barih. Silicon micromechanical devices. Sei. Am . April 1983.36-47 /5/ H -J. Roelke. HF Schiaak. Micromechanics and microsystems technology. Siemens review-R&D Special-spring 1990 /6/ K.O Wise, K. Naiati Mico'abrication techniques 'or integrated sensors and microsystems. Science. Vol 254. 1334-1342. Nov 1991 /7/ P. Bley. The LIGA process tor fabrication ot three dimensional microscaie structures, Interdisciplinary Science Reviews. Vol. 18. No. 3. 1993.267-272 /8/ Fumo Shimura Semiconductor silicon crystal technology. Academic Press. Inc., 1989 191 W Lang. Silicon microstructuring lecnology. Materials science & engineering. Vol R17. No 1. Elsevier Science. September 1996 /10/ Gilles Delapierre. Micromachining: a survey ot the most commonly used processes. Sensors and Actuators. 17. 1989 /11/ H Seidel. L. Csepregi. A Heuberger, H Baumgartel, Anisotropic etching ot silicon in alkaline solutions. J Electrochem See . Vol 137. No 11. November 1990. /12/ Werner Kern. Chemical etching ot Silicon. Germanium. Galium Arsenide.and Galium Phosphide RCA Review. Vol 29. 1978 /13/ U- Aljančič. D.Resnik. O. Vrtačnik. S. Amon. Overpressure protection in silicon low pressure sensor. Miel-SD96, konferenca. Nova Gorica. September 1996,315-320 /14/ M. Mehregany, S D Senturia. Anisotropic etching ot silicon in hydrazine. Sensors and Actuators. 13 (1988), 375-390 /15/ J.E.AM, van den Meerakker. MUM van der Straten. A mechanistic study ot silico etching in NH3/H2Q2 cleaning solutions. J.EIectroch.Soc.. Vol. 137. No4. April 1990 /16/ O Tabata et. al Anisotropic eiching ot silicon in TMAH solutions. Sensors and Actuaiors A, 34 (1992) 51-57. /17/ D. Resnik. U Aljančič. D Vrtačnik. S. Amon. Investigation ot (100) Si convex corner undercutting in KOH and TMAH. International Convention MIPRO 97. Opatija. HrvaŠka. Maj 1997 /18/ S. D Collins. Etch stop techniques for micromachining.. Junij 1997 /19/ H.A. Waggener. Electrochemically controlled thinning ot silicon. The Bell System Technical Journal. March 1970. /20/ Ben Kloeck. S.D. Collins. NF. de Rooij, R. Smith. Study ol electrochemical etch-stop tor high precision thickness control of silicon membranes. IEEE Trans, on ED, Vol. 36. No 4. April 1989 /21/ D Resnik U Aljančič D Vrtačnik. S Amon. Electrochemical etch-stop technique in silicon diaphragm fabrication. Miei-SD 93 konferenca. Bled 1993.311-316 /22/ D. Resnik. U Aljančič. D. Vrtačnik. S Amon. Bossed diaphragm with compensated convex corner mask. Miei-SD konferenca. Nova Gorica 1996.321 -326. /23/ LRistic. Editor. Sensor Technology and Devices. Artech House. 1994. /24/ SM Sze. Semiconductor Sensors. John Wiley and Sons 1994. /25/ Q Y Tong. U. Goeseie A model for low temperature bonding and its applicaiions. Journal of Electrochemical Society, Vol 143. NO. 5. maj 1996 /26/ A Baertholf. M. J. Vellekoop. IC-compatibJe silicon to silicon water bonding, Sensors and Actuators A (60). 1997.208-211 /27/ D L Polla, L F. Francis, ferroelectric thin films In microelec- tromechanical system applications MRS bulletin. July '996 /28/ S Watanabe. T. Fujiu. T. Fujii. PZT thin film actuator/sensor for AFM. Proc on X. IEEE Inl. Symp. Of Ferroelecthcs. ISAF 96 Easi Brunswisck. N J . 1996. 199-201 11