Способ изготовления балочных упругих элементов

(5 САН 1", ,:.;"; аа 4 жМО ",а хиа фс Рдзяъу 7 р ельскии институ авьялов, А,И,Куць, н и А.В.Юссон 1/00, 1969.ральные тензопрегоатомиэдат, 1983,ЕНИЯ БАЛОЧНЫ л ааааа учения упругих баеских датчиков из нтацией плоскостй лочи КОН с исполь-, ок из ЯЮ 2(Ваганов оп оеобразователи.83, с. 61, 100-101). ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТПРИ ГКНТ СССР К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(54) СПОСОБ ИЗГОТОВЛУПРУГИХ ЭЛЕМЕНТОВ Изобретение относится к приборостроению, а именно к способам получения упругих элементов приборов из монокристаллов путем анизотропного травления.Известен способ получения упругих элементов из кремния плоскости (100) в виде мембраны заданной толщины (патент США М 3888708) путем формированияоконв защитной маске с одной стороны пластины и травления до вскрытия паза с другой стороны, Этот способ пригоден для получения упругих элементов типа мембраны и не может быть использован для получения балочек заданного сечения,Известен способ пол лочек для микромеханич пластин кремния с орие (100) в 30% растворе ще эованием защитных мас В,И, Интегральные тенз М.: Энергоатомиздат, 19(57) Использование: групповые способы изготовления упругих балочных элементов, Сущность изобретения: получают упругий элемент с сечением в виде прямоугольника или вогнутого шестиугольника при повышенной точности воспроизведения формы и размеров упругого элемента путем окисления пластины кремния до определенной толщины окисла, ориентации упругого элемента вдоль кристаллографического направления (110), вскрытия окон в окисле с двух сторон пластины и последующего анизотропного травления при фиксированной температуре и в течение определенноговремени. 7 ил. Недостатком такого способа является невозможность получения упругих изгибных балочек прямоугольного и других экономически выгодных форм поперечных сечений, т.е. сечений с максимальным моментом сопротивления при наименьшей массе, При анизотропном травлении известным способом возможно получать из пластины кремния плоскости (100) сечения балочек в виде треугольника, параллелограмма, трапеции, ромба и выпуклого шестигранника, что объясняется особенностями травления кристаллографических плоскостей: травление осуществляется только до плоскости (111), имеющей на несколько порядков меньшую скорость травления, чем другие плоскости кубической решетки, За счет этого достигается хорошая воспроизводимость формы упругого элемента,Целью изобретения является разработка группового способа получения из пластины кремния кристаллографической ориентации(100) балочного упругого элемента с повышенной точностью воспроизведения формы и размеров.Поставленная цель достигается тем, что для обеспечения требуемой формы упругого 5 элемента при анизотропном травлении в 30 растворе КОН защитную маску из двуокиси кремния 3102 выполняют с двух сторон пластины кремния толщиной не менее 2,3 10 и (и - толщина пластины), упругие 10 элементы располагают вдоль направления кристаллографической оси 110, с двух сторон пластины в окисле вскрывают окна напротив друг друга определенной ширины.не менее 0,75 п и травление ведут в узком 15 диапазоне температур 96-98 С раствора КОН в течение времени не менее 230 п минут (и - в мм) до получения прямоугольной или вогнутой шестиугольной формы сечения; затем20проводят окисление всей пластины с образованными на ней упругими элементами,Указанная толщина ЗЮ 2 обеспечиваетсохранение при травлении формыупругогоэлемента на плоскостях (100) пластины"кремния, а размеры и расположейие окон в 25окисле по отношению к упругому элементупозволяют выдерживать конфигурацию боковых сторон поперечного сечения. Дляполучения высокой точности воспроизведения групповым методом упругих элементов 30на пластине требуется поддержание температуры и времени травления, а стабилизация упругих свойств выполняется за счетупрочнения поверхностного слоя упругогоэлемента термическим окислением всей 35структуры.На фиг, 1 показана стандартная круглая пластина кремния плоскости (100); нафиг, 2 - пластина кремния, окисленная сдвух сторон; на фиг, 3 - пластина кремния 40после фотолитографии по окислу с окнами скаждой стороны упругого элемента; на фиг.4- пластина кремния,"разрез,после анизотрбпного травления до получения прямоугольного поперечного сечения упругого 45элемента; на фиг. 5 - пластина кремния,разрез, со сформированными упругими элементами после окисления; на фиг, 6 - фрагмент уп ругого элемента с формойСечения впроцессе анизотропного травления; на фиг. 507 - две возможные формы сечения упругогоэлемента - прямоугольная и вогнутая шестиугольная.Способ получения упругого элементазаключается в следующем. 55Исйользуется стандартйая пластийакремния 1 с"полиРбванными "плоскостями(100) А и В (фиг.1), например КДБ диаметром76 мм и толщиной 0,34 мм. Термическоеокисление пластин кремния производят в диффузионных печах до получения окисла 2 (фиг,2) с каждой стороны пластины до толщины не менее 2,3 10 п, т.е. при и - 0,34 мм толщина окисла должна быть более 0,78 мкм,Минимальная толщина окисла выбирается исходя из обеспечения стойкости при травлении в 30 растворе КОН в воде при температуре 96-98 С. С помощью известных буферных травителей проводят фотолитографию по окислу (фиг.3). С каждой стороны пластины друг против друга вскры- вают (снимают) окисел на всю толщину до кремния 1, получая окна 3 шириной более 0,75 й с двух сторон балочного упругого элемента, в дальнейшем образуемого при анизотропном травлении под оставшейся частью окисла 2, Если и = 0,34 мм, то ширина окна0,248 0,25 мм.Для получения требуемых форм и размеров и воспроизводимости сечения упругих элементов при травлении необходимо ориентировать упругие элементы на пластине: балочку по длине располагать вдоль направления кристаллографической оси 110.Анизотропное травление проводят в 30 растворе КОН (одновременно несколько пластин после фотолитографии), поддерживая температуру травителя в пределах 96-98 С путем его нагрева.Оканчивают травление после получения заданного сечения 4 упругого элемента (фиг.4). Затем снимается остаточный слой окисла на плоскостях А и В и производится окисление всей структуры, при этом наружная поверхность сечения упругого элемента окисляется, появляется окисел Б 02, обеспечивающий упрочнение поверхности и улучшение упругих свойств упругого элемента,Процесс анизотропного травления основак на различных скоростях травления вдоль различных кристаллографических направлений(100),(110 и 111) и по различным кристаллографическим плоскостям (100), (110) и (111),Экспериментально установлено, что для травителя 30% КОН при 96-98 фС максимальные скорости травления плоскости (100) Ч 1 оо = 3,2 мкм/мин, плоскости (110) Ч 11 о = 4,5 мкм/мин и плоскости (111) Ч 111 -0,01 мкм/мин.Благодаря разным скоростям травления Я и 3102 в окнах начинается постоянное снятие слоев, при этом боковые грани С и О (фиг,б) образуются плоскостью (111), располагаемой под углом а = 54,7 к плоскости (100) пластины. Эта плоскость кремния имеет наименьшую скорость травления, при1783596 ЮРО 6оставитель А.Косархред М.Моргентал орректор М.Ткач Г.Бель ед при ГКНТ С, Гагарина, 10 твенно-издательский комбинат "Патент", г. Ужго Про з 4520ВНИИПИ Гос Тираж венного ком 113035, Мос Подписноета по изобретениям и отМрыти