Разработка технологии формирования фоторезистивных пленок прецизионной толщины с минимальной шероховатостью поверхности плазмохимическим травлением тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.06, кандидат наук Спешилова Анастасия Борисовна

• Спешилова Анастасия Борисовна
• кандидат наук
• 2019

Оглавление диссертации кандидат наук Спешилова Анастасия Борисовна

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. Проблема прецизионного жертвенного слоя в технологии микросистем

1.1. Микросистемные устройства мембранного типа

1.2. Технология «жертвенного» слоя в формировании микросистемных устройств мембранного типа

1.3. Внутренняя структура фоторезистивных слоев на основе нафтохинондиазидов

1.4. Плазмохимическое травление как метод формирования фоторезистивных слоев прецизионной толщины

1.5. Выводы из аналитического обзора и постановка задачи исследования 43 Глава 2. Используемое экспериментальное оборудование, методики исследований и подготовки образцов

2.1. Объект исследования. Подготовка образцов с фоторезистами

2.2. Методика плазмохимического травления фоторезистивных слоев

2.2.1. Плазмохимическая обработка при пониженном давлении, с емкостным способом возбуждения плазмы

2.2.2. Плазмохимическая обработка при атмосферном давлении, с емкостным способом возбуждения плазмы

2.2.3. Плазмохимическая обработка при пониженном давлении в установке с индуктивно связанной удаленной плазмой

2.3. Методика исследования шероховатости поверхности образцов 58 2.3.1. Атомно-силовая микроскопия

2.4. Методика исследования толщины фоторезистивных пленок

2.5. Оптическая эмиссионная спектроскопия

Глава 3. Исследование влияния режимов термообработки и условий плазмохимического травления на шероховатость поверхности фоторезистивных слоев

3.1. Исследование влияния режимов термообработки на шероховатость поверхности фоторезистивных слоев

3.2. Исследование влияния различных видов плазмохимической обработки на морфологию поверхности фоторезистивных слоев 78 Глава 4. Прецизионное плазмохимическое травление фоторезистивных слоев в удаленной кислородной плазме

4.1. Исследование распределения компонентов плазмы вдоль реактора методом оптической эмиссионной спектроскопии кислородной плазмы

4.2. Исследование влияния параметров низкотемпературной удаленной кислородной плазмы тлеющего ВЧ разряда на скорость травления и шероховатость поверхности фоторезистивных слоев

4.3. Экспериментальная проверка применимости процесса плазмохимического травления в установке с удаленной плазмой при изготовлении высокочастотного переключателя резистивно-емкостного типа с электростатическим приводом 108 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 119 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 121 Приложение 1 128 Приложение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка технологии формирования фоторезистивных пленок прецизионной толщины с минимальной шероховатостью поверхности плазмохимическим травлением»

ВВЕДЕНИЕ

В последние десятилетия в развитии микроэлектроники возникло новое направление, основанное на использовании уникальных конструкционных свойств кремния - микросистемная техника (МСТ). В настоящее время изделия МСТ развиваются на основе научного, производственного и технологического заделов микроэлектроники, то есть базируются на применении материалов, конструкций, компонентов, идеологии групповых технологий, характерных для этой области. Элементы мембранного типа (ЭМТ) или микромостиковые структуры (МС) относятся к одному из распространенных типов функциональных элементов МСТ. Подобные элементы располагаются на некоторой высоте над плоскостью подложки, а технология их изготовления, как правило, основывается на использовании, так называемых, «жертвенных» слоев, которые удаляются после формирования на них пленки заданной толщины из материала мембраны. Позитивные фоторезистивные композиции благодаря простоте нанесения и удаления, совместимости с традиционной технологией изготовления МСТ представляют наибольший интерес для использования в качестве материала «жертвенных» слоев.

Элементы мембранного типа являются функциональными частями многих микросистемных устройств. Одним из ключевых факторов, определяющих работоспособность устройств с таким элементом, является шероховатость нижней поверхности мембраны и электродов, сформированных на подложке. Особую важность он приобретает в случае, когда ЭМТ является частью систем (переключателей, конденсаторов переменной емкости и т.п.), при работе которых мембрана перемещается, например, под действием электростатической силы, и может приходить в контакт с поверхностью электрода на подложке. При наличии высокой шероховатости у соприкасающихся металлических поверхностей может наблюдаться эффект «прилипания» мембраны, а кроме того шероховатость нижней поверхности мембраны обуславливает низкую воспроизводимость механических свойств

мембраны и, как следствие, неудовлетворительный уровень повторяемости характеристик изготавливаемых приборов.

При использовании «жертвенного» слоя для изготовления мембранных элементов именно шероховатость его поверхности определяет шероховатость нижней поверхности верхнего подвижного электрода. Кроме того, толщина жертвенного слоя, которая должна воспроизводится с точностью до нескольких нанометров, является важнейшим параметром, определяющим рабочие параметры создаваемого изделия, а традиционные технологии нанесения фоторезиста на пластины не обеспечивает такую точность, что приводит к необходимости «подгонки» толщины фоторезистивного слоя после его сушки путем прецизионного травления. Низкотемпературное плазмохимическое травление фоторезистивных слоев широко используется в микроэлектронной технологии для «сухого» удаления фоторезистивных пленок после проведения фотолитографических операций, и в этой связи основное требование к таким процессам заключается в максимально быстром удалении фоторезистивного слоя. Однако вопросы применения плазмохимического травления для прецизионного травления фоторезистивных слоев, а также изучения влияния технологических параметров плазмохимического травления на морфологию и шероховатость их поверхности, как показали результаты аналитического обзора литературы, оставались изученными в явно недостаточной степени.

В этой связи актуальной становится задача по исследованию характера влияния технологических параметров процессов плазмохимического травления, осуществляемых в различных установках и при разных условиях создания низкотемпературной плазмы, на степень шероховатости и скорость травления фоторезистивных слоев для создания основ технологии прецизионной «подгонки» толщины фоторезистивных слоев, обеспечивающей минимальную шероховатость поверхности травления.

Целью настоящей работы является:

Получение новых знаний об основных закономерностях процессов плазмохимического травления фоторезистивных «жертвенных» слоев, необходимых для разработки на этой основе технологии их прецизионного плазмохимического травления, пригодной для создания микромостиковых структур в изделиях микросистемной техники.

Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач:

1. Разработка методики контроля морфологии и шероховатости поверхности фоторезистивных слоев.

2. Экспериментальное исследование влияния состава фоторезистивной композиции на шероховатость поверхности сформированных из нее пленок.

3. Экспериментальное исследование влияния режимов термообработки фоторезистивных слоев на шероховатость их поверхности.

4. Изучение влияния условий плазмохимического травления фоторезистивных слоев на скорость травления и шероховатость поверхности.

6. Проведение исследования состава плазмы методами оптической эмиссионной спектроскопии (ОЭС) в диапазоне изменения технологических параметров процесса.

7. Экспериментальная проверка возможности использования плазмохимической технологии для прецизионной «подгонки» толщины фоторезистивных слоев, обеспечивающей минимальную шероховатость поверхности травления, при изготовлении МЭМС-переключатель резистивно-емкостного типа с электростатическим приводом.

Научная новизна:

1. На основе анализа результатов исследований морфологии поверхности фоторезистивных слоев методом атомно-силовой микроскопии получены новые сведения о влиянии составов фоторезистивных композиций и режимов их термообработки на шероховатость поверхности. Показано, что наименьшая шероховатость поверхности (0,2 нм) достигается при использовании отечественного позитивного фоторезиста ФП 4-04В, подвергнутого

двухступенчатой термообработке при температурах 90 °С (30 мин.) и 120 °С (30 мин.);

2. Впервые получены экспериментальные данные о характере влияния технологических параметров процессов плазмохимического травления, осуществляемых в реакционных камерах различных конструкций и при разных способах создания высокочастотных газовых разрядов, на скорость травления и морфологию поверхности фоторезистивных слоев. Показано, что наибольшее влияние на шероховатость поверхности травления оказывает ее бомбардировка заряженными частицами плазмы. Выявлено, что плазмохимическое травление в установках с удаленной кислородной плазмой обеспечивает лучший контроль скорости травления и минимальную шероховатость поверхности.

3. Получены новые знания о физико-химических закономерностях плазмохимического травления фоторезистивных слоев в установках с удаленной плазмой, включающие данные о характере влияния основных технологических параметров процесса на скорость травления и шероховатость поверхности обрабатываемых фоторезистивных слоев. Показано, что удаление обрабатываемых образцов с нанесенной фоторезистивной пленкой от области генерации ВЧ разряда сопровождается монотонным уменьшением скорости травления при сохранении низкой шероховатости поверхности.

4. На основе результатов ОЭС и экспериментального исследования процесса плазмохимического травления фоторезистивных слоев в установках с удаленной плазмой показано, что изменения в скорости травления фоторезистивных слоев при варьировании технологическими параметрами процесса коррелируют с соответствующими изменениями относительных интенсивностей эмиссионных линий атомарного кислорода.

Практическая значимость:

1. Результаты выполненных экспериментальных исследований процессов плазмохимического травления фоторезистивных слоев, осуществляемых в реакционных камерах различных конструкций и при разных

способах создания высокочастотных газовых разрядов, позволяют дать обоснованные рекомендации по выбору промышленного технологического оборудования, наиболее подходящего для решения различных задач в области плазмохимического травления фоторезистивных пленок.

2. Данные о влиянии режимов термообработки фоторезистивных пленок на скорость травления и шероховатость поверхности при плазмохимическом травлении позволяют оптимизировать процессы формирования фоторезистивных слоев не только в производстве МЭМС, но и микроэлектронных изделий.

3. Полученные сведения о характере влияния основных технологических параметров на скорость плазмохимического травления в установках с удаленной плазмой и шероховатость обрабатываемой поверхности позволяют выбирать оптимальные режимы осуществления технологического процесса, обеспечивающие наибольшую скорость при требуемой шероховатости поверхности слоев.

4. Результаты выполненных исследований показали, что процесс плазмохимического травления в установке с удаленной плазмой позволяет при оптимальных сочетаниях технологических параметров обеспечивать как небольшие значения скоростей травления (несколько десятых нм/с), позволяющие с высокой точностью "подгонять" жертвенные слои до требуемой толщины, так и низкие значения шероховатости поверхности (0,2-0,3 нм), которые удовлетворяют требованиям, предъявляемым к шероховатости поверхности подвижного электрода мостиковых МЭМС структур.

5. На примере изготовления МЭМС-переключателя резистивно-емкостного типа с электростатическим приводом экспериментально продемонстрировано успешное применение разработанного нового способа плазмохимического травления фоторезистивных «жертвенных» слоев установках с удаленной плазмой для формирования микромостиковых структур.

Разработанный метод реализован в технологии изготовления опытной партии электростатических МЭМС переключателей резистивно-емкостного типа в ЗАО «Светлана-Электронприбор» (г. Санкт-Петербург).

Объектами исследований являлись:

1. Слои позитивных фоторезистивных композиций ФП 4-04В и ФП 91-20

2. Процессы кислородного низкотемпературного плазмохимического травления, осуществляемые в технологической аппаратуре с реакционными камерами различных конструкций и при разных способах создания высокочастотных газовых разрядов.

3. Оптические эмиссионные спектры кислородной низкотемпературной плазмы.

Методы исследований. В работе использованы:

- атомно-силовая микроскопия (АСМ);

- растровая электронная микроскопия;

- различные математические методы обработки АСМ - изображений для построения гистограмм распределения высот и определения геометрических характеристик неровностей;

- лазерная эллипсометрия;

- оптическая эмиссионная спектроскопия в видимой и УФ областях спектра.

Положения, выносимые на защиту:

В ходе диссертационных исследований получены новые научные результаты, совокупность которых, позволяет сформулировать следующие научные положения, выносимые на защиту.

1. Для достижения наименьшей шероховатости поверхности плазмохимическое травление фоторезистивных «жертвенных» слоев должно осуществляться в условиях, обеспечивающих минимизацию бомбардировки обрабатываемой поверхности высокоэнергетичными ионами.

2. Процесс плазмохимического травления, осуществляемый в установке с удаленной плазмой, позволяет обеспечить как небольшие значения скоростей травления (несколько десятых нм/с), позволяющие с высокой точностью "подгонять" жертвенные слои до требуемой толщины, так и низкие значения шероховатости поверхности (0,1-0,2 нм).

3. Режимы термообработки в исследованных диапазонах температур на оказывают существенного влияния на шероховатость поверхности слоев изученных фоторезистивных композиций ФП 4-04В и ФП 91-20, однако слои фоторезиста ФП 4-04В, подвергнутые двухступенчатой термообработке при 90 °С в течение 30 минут и при 120 °С в течение 30 минут, характеризовались наименьшими значениями шероховатости поверхности;

4. Изменения в скорости травления фоторезистивных слоев при варьировании технологическими параметрами процесса коррелируют с соответствующими изменениями относительных интенсивностей эмиссионных линий атомарного кислорода, что указывает на его определяющую роль в процессе травления фоторезистивных материалов.

ГЛАВА I. ПРОБЛЕМА ПРЕЦИЗИОННОГО ЖЕРТВЕННОГО СЛОЯ В ТЕХНОЛОГИИ МИКРОСИСТЕМ

1.1. МИКРОСИСТЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА МЕМБРАННОГО ТИПА

Принцип изменения зазора между двумя плоскопараллельными электродами за счет перемещения одного из них под действием различных специально создаваемых сил находится в основе работы большинства микросистемных устройств мембранного типа таких, как микрореле [1],[2], переменные конденсаторы [3],[4],[5],[6] микрозеркала [7],[8], микро преобразователи напряжения [9],[10], микро генераторы [11],[12], микроактюаторы [13],[14], микропозиционные сенсоры [15] и др. [16],[17].

Механические микропереключатели представляют интерес ввиду незначительного потребления энергии, хорошей развязке по входам/выходам линий передачи высокочастотного сигнала, малым резистивным потерям и большой коммутируемой мощности в ВЧ и СВЧ трактах. Микроэлектромеханические (МЭМ) переключатели различаются по конструкции, по принципу действия исполнительного механизма (электростатические, пьезоэлектрические, магнитные), а также по типу используемого контакта (резистивные и с емкостной связью) [18]. Особый интерес для ВЧ и СВЧ техники представляют электростатические МЭМ переключатели (рисунок 1.1), так как применение традиционной технологии изготовления полупроводниковых приборов позволяет обеспечить их серийное производство. Принцип действия переключателя состоит в следующем: при подаче постоянного напряжения между мембраной и управляющими электродами мембрана притягивается к электродам за счет электростатических сил, занимая при этом положение, показанное на рисунке 1.1 б. В этом положении мембрана притягивается к диэлектрическому слою, а после отключения напряжения возвращается в исходное положение.

Мембрана Диэлектрик

а

Рисунок 1.1 Общая схема электростатически управляемой МС

Величина зазора между электродами имеет первостепенное значение, поскольку определяет электромеханические характеристики микроустройств такие, как величина электростатических сил, вызывающих перемещение микроактюатора, напряжение срабатывания и др. Кроме того, важную роль для создания многих устройств, например, электромеханических переменных конденсаторов и высокочастотных переключателей, играет и электрическая емкость такой конструкции, которую традиционно рассчитывали, используя приближение плоского конденсатора [18], в некоторых моделях учитывались нелинейные механические эффекты, неидеальность параметров конденсатора и паразитные электрические эффекты. При этом поверхность электродов считалась атомно-гладкой, а эффектом шероховатости пренебрегали.

Для рассматриваемой структуры (рисунок 1.1, 1.2) применяют формулы для расчета емкости плоского конденсатора. Емкость системы с учетом диэлектрического слоя между мембраной и нижним электродом можно записать следующим образом:

Си = а0аЖ

' t V1 #0 + ^ V J

где ш - ширина мембраны, Ж - ширина нижнего электрода, а g0 - зазор между мембраной электродом, и - толщина диэлектрического слоя, а ег -относительная диэлектрическая проницаемость. Выражение (1) справедливо в случае, когда величина шероховатости поверхности много меньше ширины зазора между мембраной и электродом.

С, , (2)

Е о

где А - площадь контакта.

Рисунок 1.2 Схематичное изображение МЭМС-переключателя

Структуры с максимальным соотношением емкостей в нижнем и верхнем положении мембраны относятся к наиболее привлекательным. Максимальных значений этого соотношения можно достичь несколькими способами:

- используя диэлектрический материал с высокой диэлектрической постоянной (между 30 и 120) [19];

- формируя очень тонкий диэлектрический слой (см. ур. (1) и (2));

- уменьшая шероховатость диэлектрического слоя и обратной стороны мембраны.

В технологии осаждения бездефектных качественных диэлектрических слоев оксида или нитрида кремния, как правило, используются высокотемпературные технологические процессы химического осаждения из газовой фазы, что может привести к деградации уже сформированных элементов конструкции. Поэтому третий способ, основанный на улучшении морфологии мембраны и, особенно, уменьшении шероховатости ее поверхности, является наиболее перспективным и актуальным.

Когда мембрана опускается вниз, только некоторая область ее нижней части может контактировать с диэлектрическим слоем вследствие неидеальной плоскостности и гладкости мембраны. На рис. 1.3 показано как влияет на емкость в нижнем положении (С) доля контактирующей площади мембраны (р) и среднее значение ширины воздушного зазора в неконтактирующей области (ф) (рис. 1.4). Для получения максимальной емкости необходимо, чтобы доля р была как можно больше. Помимо планарности мембраны на величину р существенное влияние оказывает и шероховатость диэлектрического слоя.

о о

0.2

Рисунок 1.3 Влияние отношения площади контакта (р) и зазора (ф) на емкость в нижнем положении (С) [20]

Рисунок 1.4 Схематичное изображение контактных условий, когда мембрана находится в нижнем положении [20]

Шероховатость поверхности - это совокупность неровностей, образующих рельеф поверхности, а характеристикой шероховатости является средняя арифметическая величина неровностей на некоторой базовой линии, которая имеет форму номинального профиля, проведенного так, что среднеквадратическое отклонение профиля от этой линии было минимальным (подробнее см. гл.2). В работе [21] количественно учитывали влияние шероховатости на емкостные характеристики электростатически управляемой МС. Авторы не обсуждали влияние шероховатости на реальную площадь контакта, а предположили, что доля контактирующей области составляет 0,5. В этом предположении было рассчитано, что при шероховатости поверхности в 10 нм происходит уменьшение емкости в нижнем положении мембраны на 65 %. Согласно их расчетам, для получения оптимального соотношения емкостей необходимо обеспечить шероховатость поверхностей в структуре с мембранным исполнительным элементом менее 4 нм.

В работе [22] также обсуждали влияние шероховатости на емкость, при этом для упрощения расчетов предполагая, что неровности на поверхности имеют форму треугольников (рисунок 1.5).

В модельных расчетах значение емкости рассчитывали следующим

образом. Для случая h > B (мембрана в верхнем положении (положение «off») (рисунок 1.1), В - максимальный зазор)

(

с (И) = 1п 2В

И + ^ + Ь2

И + ^ - В2

К8г

где В2 = В(1 -вг,/вг )/2

(4)

Для случая h < В использовали следующее выражение

Коэффициенты К0, К и К2 рассчитывали, используя условие непрерывности первой и второй производных Сф) и С(И), следующим образом:

Рисунок 1.5 Моделирование поверхности с помощью наклонной

плоскости [22]

Однако, описывать неровности с помощью повторяющихся одинаковых элементов не вполне корректно, поскольку в реальности их размеры отличаются, а распределение по поверхности не является равномерным. В этой связи для задания эквивалентной шероховатости корректнее применять статистические методы.

Основываясь на статистическом методе, в работе [22] обсуждали влияние топографии поверхности на электромеханические характеристики плоского МЭМС конденсатора. К сожалению, в работе рассмотрен случай, когда

е

мембрана не касается нижнего электрода. В статистическом приближении шероховатость поверхности изотропна, а неровности имеют сферическую форму (рисунок 1.6), то есть представляют собой часть сфер с одинаковым радиусом R и гауссовым распределением по высоте.

Рисунок 1.6 Представление поверхностной топографии с помощью статистического приближения. В пунктирном окошке показана часть сферической неровности, ограниченной радиусами с углом 0 [22]

В работе [23] авторы предложили для моделирования шероховатости поверхности использовать модель Гринвуда-Уильямсона [24], статистически описывающую площадь контакта шероховатых поверхностей.

Во всех описанных выше работах принималась во внимание только шероховатость нижнего электрода, и считали, что верхний характеризуется атомно-гладкой нижней поверхностью. Введение функции, описывающей шероховатость верхнего электрода непосредственно в модели, представленные выше, резко усложняет расчеты, что и отметили авторы [23]. Однако, очевидно, что эффект шероховатости нижней поверхности мембраны, также, как и нижнего электрода, будет в значительной степени определять рабочие характеристики прибора с подвижным элементом в виде МС.

Основываясь на представленных выше моделях, можно заключить, что для максимального приближения характеристик электростатически управляемой МС к значениям, рассчитанным в приближении плоского конденсатора, необходимо прецизионно управлять размером воздушного зазора

между верхним и нижним электродом, а также обеспечить плоскостность и гладкость нижней поверхности подвижного электрода.

В большинстве случаев верхний подвижный электрод представляет собой тонкую мембрану, располагающуюся параллельно поверхности подложки на некотором расстоянии от нее, для формирования которой широко используется технология с использованием «жертвенного» слоя, на который наносится материал мембраны требуемых размеров, а затем подлежащий удалению. Очевидно, что именно толщина этого слоя определяет величину зазора между подвижной мембраной и поверхностью подложки, на которой сформированы неподвижные электроды, поэтому задача воспроизводимого формирования прецизионного по толщине "жертвенного" слоя является, несомненно, актуальной. При этом нижняя поверхность подвижного электрода будет наследовать шероховатость поверхности "жертвенного" слоя, для минимизации которой, вероятнее всего, потребуются специальные меры.

1.2. ТЕХНОЛОГИЯ «ЖЕРТВЕННОГО» СЛОЯ В ФОРМИРОВАНИИ МИКРОСИСТЕМНЫХ УСТРОЙСТВ МЕМБРАННОГО ТИПА

Выбор материалов для МС, способов и режимов их обработок определяется свойствами материалов и физико-технологическими ограничениями, присущими используемым методам микрообработки. Технологии, основанные на использовании «жертвенного» слоя, в общем случае включают несколько основных этапов:

- нанесение «жертвенного» слоя;

- формирование в «жертвенном» слое требуемого топологического рисунка;

- формирование рабочих элементов конструкции будущего прибора;

- удаление «жертвенного» слоя.

Имея в виду особенности технологий, используемых на различных этапах, можно сформулировать следующие требования к материалу, пригодному для формирования «жертвенных» слоев МС:

- возможность воспроизводимого получения слоев заданной толщины с возможностью ее изменения в широком диапазоне;

- технологичность - материал должен быть совместим с различными технологиями, используемыми в микросистемной технике;

- рабочие температуры технологических процессов формирования и удаления пленки не должны быть высокими, поскольку в противном случае в тонкой мембране могут возникнуть сильные механические напряжения, что в свою очередь может привести к неработоспособности прибора в целом;

- способность формировать планарный слой с максимально гладкой поверхностью, поскольку нижняя поверхность формируемой мембраны наследует морфологию поверхности «жертвенного» слоя;

Круг используемых в качестве «жертвенных» слоев материалов является достаточно широким. В таблице 1.1 собраны сведения об основных материалах, встречающиеся в доступной литературе.

Таблица 1. 1

Материалы, применяемые для формирования «жертвенных» слоев в технологии

МЭМС

Материал «жертвенного» слоя Технология формирования, температура, °С Технология удаления Публикация

Пористый Si Электрохимическое травление кремния, T=25 °С Удаление в растворе тетраметил гидроксида аммония [25],[26]

Аморфный Si Химическое осаждение из газовой фазы при пониженном давлении (> 600 °С) Плазмохимическое осаждение (100 - 300 °С) «Сухое» травление фторосодержащими реагентами [27],[28],[29]

SiO2 Химическое осаждение из газовой фазы при пониженном давлении (> 600 °С) Плазмохимическое осаждение (25 - 300 °С) Жидкостное и «сухое»травление [30],[31]

Поликристаллический Si Химическое осаждение из газовой фазы при пониженном давлении (> 600 °С) Плазмохимическое осаждение (100 - 300 °С) «Сухое» травление фторосодержащими реагентами [32],[33]

Полиимид Центрифугирование из раствора ^=25 -300 °С) Жидкостное и «сухое» удаление [34],[35]

Фоторезисты Центрифугирование из раствора, термообработка (Г=25 - 180 °С) Жидкостное и «сухое» удаление [36],[21]

Технологические процессы химического осаждения из газовой фазы при пониженном давлении тонких пленок аморфного и поликристаллического кремния и диоксида кремния обеспечивают формирование качественных слоев при температурах выше 700 оС, что недопустимо при изготовлении приборов, содержащих термически нестойкие материалы. Большинство из приведенных материалов может быть удалено с использованием низкотемпературных плазмохимических ("сухим" травлением) процессов, что оказывается очень важным, так как применение жидкостного травления для удаления жертвенного слоя нежелательно, поскольку капиллярные силы, возникающие в процессе удаления последних капель жидкости, остающихся между плоскостью прибора и мембраной, приводят к ее необратимой деформации [37][38][39]. Технология некоторых материалов позволяет формировать слои требуемой толщины лишь в узком диапазоне значений. Так, плазмохимическое осаждение позволяет получать пленки приемлемого качества в диапазонах толщин 0,1 - 0,5 мкм. Более тонкие слои - слишком пористые, а формирование качественных толстых пленок зачастую сопряжено с большими временными затратами. Кроме того, необходимо отметить, что процессы химического осаждения из газовой фазы и плазмохимические требуют использования дорогостоящего оборудования.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Спешилова Анастасия Борисовна, 2019 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Dahari Z. Overview and Design Considerations // Engineering. 2005. Vol. 6, № 2. P. 47-60.

2. Qui J. et al. A high-current electrothermal bistable MEMS relay // Tech. Dig. 16th IEEE Int. Conf. Micro Electro Mech. Syst. 2003. Vol. 1. P. 64-67.

3. Goldsmith C.L. et al. RF MEMs variable capacitors for tunable filters // Int. J. RF Microw. Comput. Eng. 1999. Vol. 9, № 4. P. 362-374.

4. Koehn P. Before We Begin // Stat. Mach. Transl. 2007. № September.

5. Han C.H., Choi D.H., Yoon J.B. Parallel-plate MEMS variable capacitor with superior linearity and large tuning ratio using a levering structure // J. Microelectromechanical Syst. 2011. Vol. 20, № 6. P. 1345-1354.

6. Jr J.M., Ochoa H., Hinostroza V. Design and Analysis of a MEMS Variable Capacitor using Thermal Actuators // Comput. y Sist. 2006. Vol. 10, № 1. P. 115.

7. Solgaard O. Micromirror Arrays System on a chip. P. 1-18.

8. Park I.H. et al. A New LIDAR Method using MEMS Micromirror Array for the JEM-EUSO mission for the JEM- EUSO Collaboration A New LIDAR Method using MEMS Micromirror Array for the JEM-EUSO mission. 2009. № November 2016. P. 1-4.

9. Haas C.H., Kraft M. Modelling and analysis of a MEMS approach to dc voltage step-up conversion // J. Micromechanics Microengineering. 2004. Vol. 14, № 9.

10. Chaehoi A. et al. Multiple-output MEMS DC/DC converter: A system modeling study // Microsyst. Technol. 2012. Vol. 18, № 11. P. 1801-1806.

11. Chen Y.-W. et al. Fabrication and Testing of Thermoelectric CMOS-MEMS Microgenerators with CNCs Film // Appl. Sci. 2018. Vol. 8, № 7. P. 1047.

12. Koukharenko E. et al. Microelectromechanical systems vibration powered electromagnetic generator for wireless sensor applications // Microsyst. Technol. 2006. Vol. 12, № 10-11. P. 1071-1077.

13. ThomasNet. What are Actuators? 2018.

14. Ame S., Product M. MEMS Micro-actuators enabling new and unforeseen applications. 2017.

15. Gad-el-Hak M. The MEMS Handbook. CRC Press, 2001.

16. French P.J., Sarro P.M. Surface versus bulk micromachining: The contest for suitable applications // J. Micromechanics Microengineering. 1998. Vol. 8, № 2. P. 45-53.

17. Jha A.R. MEMS and Nanotechnology-Based Sensors and Devices for Communications, Medical and Aerospace Applications. CRC Press, 2008.

18. В. Варадан, К. Виной К. Д.; пер. с англ. под ред. Ю.А.З. No Title. Москва: Техносфера, 2004. 525 p.

19. Suominen S. Note from the owners of Scand J Public Health // Scand. J. Public Health. 2005. Vol. 33, № 3. P. 161.

20. Yu A.B. et al. Improvement of isolation for MEMS capacitive switch via membrane planarization // Sensors Actuators, A Phys. 2005. Vol. 119, № 1. P. 206-213.

21. Muldavin J.B., Rebeiz G.M. High-isolation CPW MEMS shunt switches-part 1: Modeling // IEEE Trans. Microw. Theory Tech. 2000. Vol. 48, № 6. P. 10381044.

22. Tinttunen T. et al. Static Equivalent Circuit Model for a Capacitive MEMS RF Switch to // Technology. 2002. № 1. P. 3-6.

23. Yu A.B. et al. Effects of surface roughness on electromagnetic characteristics of capacitive switches // J. Micromechanics Microengineering. 2006. Vol. 16, № 10. P. 2157.

24. Greenwood J.A., Williamson J.B.P. Contact of Nominally Flat Surfaces // Proc. R. Soc. A Math. Phys. Eng. Sci. 1966. Vol. 295, № 1442. P. 300-319.

25. Lang W. et al. Application of porous silicon as a sacrificial layer // Sensors Actuators A. Phys. 1994. Vol. 43, № 1-3. P. 239-242.

26. Ding Y. et al. A surface micromachining process for suspended RF-MEMS applications using porous silicon // Microsyst. Technol. 2003. Vol. 9, № 6-7. P.

470-473.

27. Ong Y.Y. et al. Process analysis and optimization on PECVD amorphous silicon on glass substrate // J. Phys. Conf. Ser. 2006. Vol. 34, № 1. P. 812-817.

28. Zawierta M. et al. A High Deposition Rate Amorphous-Silicon Process for Use as a Thick Sacrificial Layer in Surface-Micromachining // J. Microelectromechanical Syst. 2017. Vol. 26, № 2. P. 406-414.

29. Cruau A. et al. V-shaped micromechanical tunable capacitors for RF applications // Microsyst. Technol. 2005. Vol. 12, № 1-2 SPEC. ISS. P. 15-20.

30. Systems N. Material Aspe. P. 299-322.

31. JBuhler F.-P.S. and H.B. Silicon dioxide sacrificial layer etching in surface micromachining // J. Micromech. Microeng. 7. 1997. Vol. 7. P. 1-13.

32. Frederico S. et al. Silicon sacrificial layer dry etching (SSLDE) for freestanding RF MEMS architectures // Sixt. Annu. Int. Conf. Micro Electro Mech. Syst. IEEE. 2003. № Cmi. P. 570-573.

33. C. Linder, L Paratte M.-A.G. et. al. Surface micromachining // J. Micromech. Microeng. 1992. Vol. 2. P. 122-132.

34. Georgiev A. et al. Chemical and Physical Properties of Polyimides: Biomedical and Engineering Applications // High Perform. Polym. - Polyimides Based -From Chem. to Appl. 2012.

35. S. Metz et al. Polyimide and SU-8 microfluidic devices manufactured by heat-depolymerizable sacrificial material technique // Lab Chip. 2004. Vol. 4, № 114-120. P. 114-120.

36. Tawfik H.H. et al. Hard-baked photoresist as a sacrificial layer for sub-180 °C surface micromachining processes // Micromachines. 2018. Vol. 9, № 5. P. 1-8.

37. Ur H. Plasma Based Dry Release of MEMS Devices // Microelectromechanical Syst. Devices. 2012.

38. Pacco A. et al. Drying of High Aspect Ratio Structures: A Comparison of Drying Techniques via Electrical Stiction Analysis // Solid State Phenom. 2009. Vol. 145-146. P. 87-90.

39

40

41

42

43

44

45

46

47

48

49

50

51

52

McDougall J.A. Rising with mary: Re-visioning a feminist theology of the cross and resurrection // Theol. Today. 2012. Vol. 69, № 2. P. 166-176. Моро У. Микролитография: Принципы, методы, материалы. В двух частях. Часть 1. / ed. Тимерова Р.Х. Москва: Издательство «Мир». Редакция литературы по электронике, 1990. 605 p.

Pham N.P. et al. Direct spray coating of photoresist - a new method for patterning 3-D structures Laboratory of Electronic Components , Technology and Materials MP29 MP29. 2002. P. 182-185.

Pham N., Boellard E. Spin, Spray coating and Electrodeposition of photoresist for MEMS structures-A comparison. 2002. P. 81-86.

White L.K. Planarization properties of resist and polyimide coatings // J. Electrochem. Soc.Solid-state Sci. Technol. 1983. Vol. 7. P. 1543-1548. Shimizu S. Chemical Mechanisms in Photoresist Systems part II // J. Electrochem. Soc.Solid-state Sci. Technol. 1978. Vol. 125, № 7. P. 1126-1130. Shaw J.M. Developer Temperature Effects on E-Beam and Optically Exposed Positive Photoresist // J. Electrochem. Soc. 1979. Vol. 126, № 11. P. 2026. Vusirikala S. CFD simulation of contact planarization. 2007. Zant P. Van. No TitleMicrochip Fabrication: A Practical Guide to Semiconductor Processing. McGraw-Hill Education; 6 edition (January 7, 2014), 2014. 576 p.

Prybyla J.. No Title Device Fabrication Involving Surface Planarization: pat. 6,048,799 USA. 2000.

Schmid G.M. et al. Mesoscale Monte Carlo Simulation of Photoresist Processing // J. Electrochem. Soc. 2004. Vol. 151, № 2. P. G155. Lafayette W., March R. and Experimental Characterization // Macromolecules. 1994. P. 5626-5638.

Tsiartas P.C. et al. The mechanism of phenolic polymer dissolution: A new perspective // Macromolecules. 1997. Vol. 30, № 16. P. 4656-4664. Flanagin L.W., Singh V.K., Willson C.G. Surface roughness development

during photoresist dissolution // J. Vac. Sci. Technol. B Microelectron. Nanom. Struct. 1999. Vol. 17, № 4. P. 1371.

53. W. Hinsberg, J. Hoffnagle and F.H. Chemistry and physics of the PEB process in a CA resist // Solid State Technol. 2000. Vol. 43. P. 95-102.

54. Breitbarth F., Ducke E., Tiller H.I. EPR Investigation of Plasma-Chemical Resist Etching in O2 and O2/CF4 Discharges // Plasma Chem. Plasma Process. 1990. Vol. 10, № 3. P. 377-399.

55. А.М. Кутепов, А.Г. Захаров А.И.М. Вакуумно-плазменное и плазменно-растворное модифицирование полимерных материалов / ed. Цивадзе А.Ю. Москва: Наука, 2004. 496 p.

56. Frank D. Egitto. Plasma etching and modification of organic polymers // Pure Appl. Chem. 1990. Vol. 62, № 9. P. 1699-1708.

57. Lee Y. et al. Surface characterization of polymers modified by keV and MeV ion beams // J. Adhes. Sci. Technol. 2001. Vol. 15, № 9. P. 1079-1089.

58. Wilkinson C.D.W., Rahman M. Dry etching and sputtering // Philos. Trans. R. Soc. A Math. Phys. Eng. Sci. 2004. Vol. 362, № 1814. P. 125-138.

59. Riekerink Olde M.B. Structural and Chemical Modification of Polymer Surfaces By Gas Plasma Etching. 2001. P. 5-26.

60. Kim S. et al. Remote RF oxygen plasma cleaning of the photoresist residue and RIE-related fluorocarbon films // J. Korean .... 2002. Vol. 41, № 2. P. 247-250.

61. Tsou L.Y. Effect of Photoresist on Plasma Etching // J. Electrochem. Soc. 1989. Vol. 136, № 8. P. 2354.

62. Bray R.P., Rhinehart R.R. A simplified model for the etch rate of novolac-based photoresist // Plasma Chem. Plasma Process. 2001. Vol. 21, № 1. P. 149-161.

63. Гомжин И.В., Лебедев Э.А. Ф.Н.Н. ПЛАЗМЕННОЕ УДАЛЕНИЕ ФОТОРЕЗИСТА В ПОТОКЕ АКТИВИРОВАННОГО ГАЗА.

64. K. Taniguchi, K. Tanaka T.I. and M.K. Photoresist ashing by atmosperic pressure glow plasma // J. Photopolym. Sci. Technol. 1997. Vol. 10, № 1. P. 113-118.

65. Yi C. heon et al. Characteristic of a dielectric barrier discharges using capillary dielectric and its application to photoresist etching // Surf. Coatings Technol. 2003. Vol. 163-164. P. 723-727.

66. Cook J.M., Benson B.W. Application of EPR spectroscopy to oxidative removal of organic materials // J. Electrochem. Soc. 1983. Vol. 130, № 12. P. 2459-2464.

67. Novotny Z. THE COMPARISON OF REACTIVE ION ETCHING AND PLASMA ETCHING IN A PARALLEL-PLATE REACTOR // Czech. J. Phys. 1988. Vol. 116, № B 38. P. 338-342.

68. Milo D. Koretsky and Jeffrey A. Reimer. A simple model for the etching of photoresist with plasma-generated reactants // J. Appl. Phys. 1992. Vol. 72, № 11. P. 5081-5088.

69. Tanaka K., Inomata T., Kogoma M. Ashing of organic compounds with spraytype plasma reactor at atmospheric pressure // Plasmas Polym. 1999. Vol. 4, № 4. P. 269-281.

70. H. W. KIM et al. Application of N2/Ar inductively coupled plasma to the photoresist ashing for low-k dielectrics // J. Mater. Sci. 2005. Vol. 40. P. 35433544.

71. Gong Y., Xu J., Buchanan R.C. Surface roughness: A review of its measurement at micro-/nano-scale // Phys. Sci. Rev. 2018. Vol. 3, № 1. P. 110.

72. Kramida, A., Ralchenko, Yu., Reader, J. and N.A.T. NIST Atomic Spectra Database (ver. 5.6.1). [Electronic resource] // National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD. 2018.

73. Pavel Hedbavny P.S. •ovieek. Study of argon/oxygen plasma used for creation of aluminium oxide thin films. 1999. Vol. 9, № Sociedad Mexicana de Ciencia de Superficies y de Vacio. P. 131-134.

74. Trennepohl W. et al. Modelling of an Ar-O2 reactive magnetron discharge used for deposition of chromium oxide // Plasma Sources Sci. Technol. 1996. Vol. 5,

№ 4. P. 607-621.

75. J. Musil, J Matous A.R. Optical emission spectra from microwave oxygen plasma prodused by surfatron discharge // Czech. J. Phys. 1993. Vol. 43, № 5. P. 533-540.

76. Schlitz A., Abraham P., Dechenaux E. Improvement of Photoresist Planarization Properties by Thermal Cure // J. Electrochem. Soc. 1987. Vol. 134, № 1. P. 190-194.

77. Mishin M. V. et al. Spatial distribution of the electrical potential and ion concentration in the downstream area of atmospheric pressure remote plasma // AIP Adv. 2014. Vol. 4, № 10. P. 0-14.

78. Очкин В.Н. Спектроскопия низкотемпературной плазмы. Москва: Физматлит, 2006. 472 p.

79. N F.R. The role of the O 2 (a 1 Delta g) metastable in oxygen discharges // J. Phys. D. Appl. Phys. 2002. Vol. 35, № 10. P. 1094.

80. Pérès I., Kushner M.J. Spatial distributions of power and ion densities in RF excited remote plasma reactors // Plasma Sources Sci. Technol. 1996. Vol. 5, № 3. P. 499-509.

81. Gudmundsson J.T. et al. A reply to a comment on: 'On the plasma parameters of a planar inductive oxygen discharge // J. Phys. D. Appl. Phys. 2000. Vol. 33, № 22. P. 3010.

82. Lee S.H., Iza F., Lee J.K. Particle-in-cell Monte Carlo and fluid simulations of argon-oxygen plasma: Comparisons with experiments and validations // Phys. Plasmas. 2006. Vol. 13, № 5. P. 1-9.

83. Winkler R., Wilhelm J. Modelling of low pressure reactive RF plasmas // Phys. Scr. 1988. Vol. 23. P. 264-270.

84. Seo D.C., Chung T.H. Observation of the transition of operating regions in a low-pressure inductively coupled oxygen plasma by Langmuir probe measurement and optical emission spectroscopy // J. Phys. D. Appl. Phys. 2001. Vol. 34, № 18. P. 2854-2861.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ МЭМС -

ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЯ Электрофизические параметры МЭМС-переключателя (напряжение срабатывания и сопротивление мембрана - разрывной электрод) экспериментальных образцов проводили с помощью измерительного стенда низкочастотной метрики (рис. П.2.1). Пластина с кристаллами МЭМС-переключателей устанавливалась камеру измерений (1) на столик, к контактным площадкам переключателя через зонды проводилось подключение к измерительным приборам. После подключения зондов к контактным площадкам измерительная камера заполнялась сухим азотом. При подаче напряжения (2) на электроды смещения и мембрану различной полярности мембрана под действием кулоновских сил взаимодействия притягивалась к центральному проводнику, обеспечивая протекание тока, который регистрировался на экране осциллографа (3) (графический метод контроля) и измерителя (4) Е7-12 (цифровой метод контроля). Мембрана притягивалась к проводнику при напряжении смещения Цсм.=28 - 30 В. Результаты измерения сопротивления мембрана - разрывной электрод регистрировались компьютером (5) и представлены в таблице П.2.1. Измерения сопротивления «мембрана -электроды» в импульсном режиме на низкой частоте показали, что время срабатывания МЭМС - переключателя составляет 20 мкс.

В ходе выполнения работы проводилось исследование емкостной зависимости МЭМС-переключателя от напряжения смещения. С этой целью были проведены серии экспериментов на тестовых образцах. Результаты измерений представлены в таблице П.2.2 и на рисунке П.2.2. Из представленных данных отчетливо видно, что с увеличением напряжения смещения наблюдалось изменение емкости МЭМС - переключателя, что свидетельствовало об изменении зазора между мембраной и электродами смещения.

Рисунок П.2.1. - Схема измерительного стенда для низкочастотной метрики МЭМС-переключателя

Таблица П.2.1

Электрофизические параметры МЭМС - переключателя на низкой частоте измерения

Напряжение смещения Цсм., В Сопротивление «мембрана - разрывной электрод» Я, Ом

0 11х106

5 11x106

10 2х106

15 7х105

20 2х104

25 5х103

27 50

30 2

Рисунок П.2.2. - Зависимость емкости МЭМС - переключателя от напряжения смещения

Таблица П2.2.

Зависимость емкости МЭМС - переключателя от напряжения смещения

Напряжение смещения Цсм., В Емкость МЭМС - переключателя С, пФ

0 0.02

5 0.02

10 0.031

15 0.044

20 0.038

25 0.056

27 0.074

30 0.098

Емкость тестовых образцов при подаче напряжения смещения изменялась в 5-6 раз, это позволяет в дальнейшем рассчитывать на изготовление микромеханических аналогов полупроводниковых варакторов.

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

- / Директор по науке и НТР АО «Светлана-Электронприбор» '/У к.ф.-м.н. В. Н. Вьюгинов

\

УТВЕРЖДАЮ

2018 г.

Акт

внедрения результатов диссертационной работы Спешиловой Анастасии Борисовны (научный руководитель д.т.н., профессор Александров Сергей Евгеньевич) на тему «Разработка технологии формирования фоторезнстивных пленок прецизионной юлшнны с минимальной шероховатостью поверхности плазмохнмнческим травлением», представленной на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.27.06. «Технология и оборудование для производства полупроводников, материалов и приборов электронной техники».

Настоящим удостоверяем, что:

Разработанная Спешиловой А. Б. технология формирования фоторезистивных пленок прецизионной толщины с минимальной шероховатостью поверхности с плазмохимическнм травлением, в ходе выполнения диссертационной работы, внедрена в технологические процессы изготовления ВЧ МЭМС переключателей резистнвно-емкостного типа в АО «Светлана-Электронприбор».

Главный специалист

по развитию направления твердотельных

приборов АО «Светлана-Электронприбор»

Начальник НТО АО «Светлана-Электронприбор»

'р •'" - Е. Ю. Танцева