Диссертация (Разработка технологии формирования фоторезистивных пленок прецизионной толщины с минимальной шероховатостью поверхности плазмохимическим травлением), страница 3

Введение функции, описывающейшероховатость верхнего электрода непосредственно в модели, представленныевыше, резко усложняет расчеты, что и отметили авторы [23]. Однако, очевидно,что эффект шероховатости нижней поверхности мембраны, также, как инижнего электрода, будет в значительной степени определять рабочиехарактеристики прибора с подвижным элементом в виде МС.Основываясь на представленных выше моделях, можно заключить, чтодлямаксимальногоприближенияхарактеристикэлектростатическиуправляемой МС к значениям, рассчитанным в приближении плоскогоконденсатора, необходимо прецизионно управлять размером воздушного зазора18между верхним и нижним электродом, а также обеспечить плоскостность игладкость нижней поверхности подвижного электрода.В большинстве случаев верхний подвижный электрод представляет собойтонкую мембрану, располагающуюся параллельно поверхности подложки нанекотором расстоянии от нее, для формирования которой широко используетсятехнология с использованием «жертвенного» слоя, на который наноситсяматериал мембраны требуемых размеров, а затем подлежащий удалению.Очевидно, что именно толщина этого слоя определяет величину зазора междуподвижной мембраной и поверхностью подложки, на которой сформированынеподвижные электроды, поэтому задача воспроизводимого формированияпрецизионного по толщине "жертвенного" слоя является, несомненно,актуальной.

При этом нижняя поверхность подвижного электрода будетнаследовать шероховатость поверхности "жертвенного" слоя, для минимизациикоторой, вероятнее всего, потребуются специальные меры.191.2. ТЕХНОЛОГИЯ «ЖЕРТВЕННОГО» СЛОЯ В ФОРМИРОВАНИИМИКРОСИСТЕМНЫХ УСТРОЙСТВ МЕМБРАННОГО ТИПАВыбор материалов для МС, способов и режимов их обработокопределяетсяограничениями,свойствамиприсущимиматериаловииспользуемымфизико-технологическимиметодаммикрообработки.Технологии, основанные на использовании «жертвенного» слоя, в общемслучае включают несколько основных этапов:- нанесение «жертвенного» слоя;- формирование в «жертвенном» слое требуемого топологическогорисунка;- формирование рабочих элементов конструкции будущего прибора;- удаление «жертвенного» слоя.Имея в виду особенности технологий, используемых на различныхэтапах,можносформулироватьследующиетребованиякматериалу,пригодному для формирования «жертвенных» слоев МС:- возможность воспроизводимого получения слоев заданной толщины свозможностью ее изменения в широком диапазоне;- технологичность – материал должен быть совместим с различнымитехнологиями, используемыми в микросистемной технике;- рабочие температуры технологических процессов формирования иудаления пленки не должны быть высокими, поскольку в противном случае втонкой мембране могут возникнуть сильные механические напряжения, что всвою очередь может привести к неработоспособности прибора в целом;- способность формировать планарный слой с максимально гладкойповерхностью, поскольку нижняя поверхность формируемой мембранынаследует морфологию поверхности «жертвенного» слоя;20Круг используемых в качестве «жертвенных» слоев материалов являетсядостаточно широким.

В таблице 1.1 собраны сведения об основных материалах,встречающиеся в доступной литературе.Таблица 1.1Материалы, применяемые для формирования «жертвенных» слоев в технологииМЭМСМатериал«жертвенного»слояПористый SiАморфный SiSiO2Поликристаллический SiПолиимидФоторезистыТехнологияформирования,температура, °СЭлектрохимическоетравление кремния,T=25 °СХимическоеосаждение из газовойфазыприпониженномдавлении (≥ 600 °С)Плазмохимическоеосаждение (100 – 300°С)Химическоеосаждение из газовойфазыприпониженномдавлении (≥ 600 °С)Плазмохимическоеосаждение (25 – 300°С)Химическоеосаждение из газовойфазыприпониженномдавлении (≥ 600 °С)Плазмохимическоеосаждение (100 – 300°С)Центрифугированиеиз раствора (T=25 –300 °С)Центрифугированиеизраствора,термообработка(T=25 - 180 °С)Технология удаленияПубликацияУдаление в растворе тетраметил [25],[26]гидроксида аммония«Сухое»травление [27],[28],[29]фторосодержащими реагентамиЖидкостное и «сухое»травление [30],[31]«Сухое»травление [32],[33]фторосодержащими реагентамиЖидкостное и «сухое» удаление[34],[35]Жидкостное и «сухое» удаление[36],[21]21Технологические процессы химического осаждения из газовой фазы припониженном давлении тонких пленок аморфного и поликристаллическогокремния и диоксида кремния обеспечивают формирование качественных слоевпри температурах выше 700 оС, что недопустимо при изготовлении приборов,содержащих термически нестойкие материалы.

Большинство из приведенныхматериалов может быть удалено с использованием низкотемпературныхплазмохимических ("сухим" травлением) процессов, что оказывается оченьважным, так как применение жидкостного травления для удаления жертвенногослоя нежелательно, поскольку капиллярные силы, возникающие в процессеудаления последних капель жидкости, остающихся между плоскостью прибораи мембраной, приводят к ее необратимой деформации [37][38][39].

Технологиянекоторых материалов позволяет формировать слои требуемой толщины лишьв узком диапазоне значений. Так, плазмохимическое осаждение позволяетполучать пленки приемлемого качества в диапазонах толщин 0,1 – 0,5 мкм.Более тонкие слои – слишком пористые, а формирование качественных толстыхпленок зачастую сопряжено с большими временными затратами. Кроме того,необходимо отметить, что процессы химического осаждения из газовой фазы иплазмохимические требуют использования дорогостоящего оборудования.Полимерные композиции, наносимые из растворов, в наибольшейстепениудовлетворяюттребованиям,предъявляемымкматериалам«жертвенных» слоев, и, главное, они способны образовывать сплошные гладкиепланарные слои (в отсутствие сильно развитого рельефа подложки) [40].Применение в качестве "жертвенных" полиимидных слоев ограничено рядомтехнологических факторов, так как они требуют длительного временизатвердевания при высоких температурах, характеризуются существеннымвлагопоглощением и большим коэффициентом температурного расширения.

Вэтой связи наиболее перспективным представляется применение в качествежертвенныхслоевпозитивныхфоторезистивныхкомпозиций,которыеполучили более широкое распространение в 80-е годы, благодаря более22высокойразрешающейспособности,чемнегативные[40].Другиминедостатками негативных фоторезистов являются набухание в ходе проведениялитографических операций и токсичность некоторых составляющих.

Крометого, негативные резисты обладают более высокой адгезией к поверхности, что,возможно, в дальнейшем могло бы усложнить его удаление из зазора междумембраной и подложкой.Основными преимуществами применения позитивных фоторезистов вкачестве "жертвенных" слоев по сравнению к другим материалам являются:- относительно невысокие технологические температуры, требуемые дляформирования качественных слоев (до 200 °С для наиболее широкораспространенных позитивных фоторезистов на основе нафтохинондиазидов(ХД));-отсутствиенеобходимостиразработкипринципиальноновыхтехнологических процессов;- возможность применения процессов плазмохимического травления дляудаления пленок.Позитивные фоторезисты представляют собой органические композиции,изменяющие свою растворимость под действием излучения. В состав всехпозитивныхфоторезистоввходятсветочувствительныекомпонентыхинондиазидного типа, полимерные составляющие – новолачные смолы,система растворителей и различные добавки, регулирующие свойстваматериала.

В целом, соотношение концентраций светочувствительных и всехпленкообразующих составляющих колеблется от 1:1,25 до 1:2,5 [40]. В таблице1.2 представлены основные этапы формирования фоторезистивных слоев. Накаждом этапе формирования пленки с полимером происходят различныефизико-химические превращения, которые могут приводить к возникновениюнежелательного рельефа.В таблице 1.3 перечислены наиболее распространенные методынанесения фоторезистивных пленок. Принимая во внимание, что в МЭМС с23исполнительными элементами мембранного типа наиболее часто используютсязазоры в диапазоне 1 – 5 мкм, а также учитывая степень равномерностифоторезистивных пленок по толщине, достигаемой при использованииразличных методов нанесения фоторезистивных пленок, среди приведенных втаблице 1.3 методов особое внимание для их воспроизводимого формированиязаслуживает центрифугирование аэрозольное распыление.Таблица 1.2Основные этапы формирования фоторезистивных слоев на основе ХДТехнологическаяФизико-химические измененияоперацияНанесениеиспарение 30 % растворителей, усадка пленкиПредэкспозиционная испарениерастворителей,сушкамеханических напряженийЭкспозицияфотохимические превращенияПостэкспозиционная небольшаяусадкапленки,усадкапленки,нарастаниенарастаниемеханическихсушканапряженийПроявлениевозможна адсорбция воды, небольшое набухание пленкиКонечнаяиспарение остаточных растворителей и воды, окисление итермообработкаоплавление поверхности пленки, усадка незначительная,(задубливание)Из перечисленных в таблице 1.3 методов для воспроизводимогоформирования фоторезистивных пленок для формирования жертвенных слоевзаслуживают внимания два – аэрозольное нанесение и центрифугирование.В связи с тем, что для создания структур МСТ в отличие отмикроэлектроники используется и третье измерение, в последние годы методаэрозольногонанесенияфоторезистивныхпленокполучилособоераспространение.Основной частью системы для аэрозольного нанесения являетсяультразвуковая распылительная насадка, с помощью которой образуетсяаэрозоль с размерами капель микрометрового размера.