Нанотехнологии и микромеханика. Ч. 6 : Базовые технологические процессы микросистемной техники

Московский государственный технический университет 
имени Н.Э. Баумана 

 

К.Г. Потловский, Е.А. Скороходов, 
С.А. Козубняк  
 
 

НАНОТЕХНОЛОГИИ 
И МИКРОМЕХАНИКА 
 
ЧАСТЬ 6 
 
БАЗОВЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ  
МИКРОСИСТЕМНОЙ ТЕХНИКИ 
 
 
Допущено Учебно-методическим объединением  вузов 
 по университетскому политехническому образованию 
в качестве учебного пособия для студентов высших учебных 
заведений, обучающихся  по специальности «Метрология 
 и метрологическое обеспечение» направления подготовки 
 «Метрология, стандартизация и сертификация» 
 
 
 
 
 
Москва
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана 
2013 

УДК 539.23+778.1(075.8) 
ББК 32.844.1 
П64  
 
 
Рецензенты: М.В. Попов, В.В. Слепцов 
  
Потловский   К. Г. 
П64 
Нанотехнологии и микромеханика : учеб. пособие : Ч. 6 : 
Базовые технологические процессы микросистемной техники 
/ К.Г. Потловский, Е.А. Скороходов, С.А. Козубняк. — М.: 
Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2013. — 64, [4] с. : ил.  

 
ISBN 978-5-7038-3729-0 
 
Рассмотрены основные технологические процессы  производства 
элементов микросистемной техники с точки зрения 
физических явлений.  Обобщены результаты, полученные 
при выращивании монокристаллов, а также в процессах диффузии, 
имплантации, литографии и др. 
Для студентов МГТУ им. Н.Э. Баумана,  изучающих 
курс «Микросистемная техника». 
 
 
 
УДК 539.23+778.1(075.8) 
 ББК 32.844.1 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-7038-3729-0                                    МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2013 

ВВЕДЕНИЕ 

Микроэлектромеханические системы (МЭМС) применяются 
для создания микроминиатюрных интегральных устройств (или 
систем), в которых комбинируются механические и электрические 
компоненты. Они изготовляются на основе групповой обработки 
интегральных схем (ИС) и могут иметь размеры от нескольких 
микрон до нескольких миллиметров. Эти устройства (или системы) 
могут выполнять детектирование, управление и привод в 
микромасштабе (на микроуровне) и создавать эффекты в макро-
масштабе (на макроуровне). 
При создании МЭМС используется конструкторский, инженерный 
и производственный опыт из многих областей техники, в 
том числе включающих технологию изготовления ИС, машиностроение, 
материаловедение, электротехнику, химию и химическое 
машиностроение, гидротехнику, оптику, контрольно-измерительную 
аппаратуру и монтаж в корпусе. 
Именно благодаря развитию технологий микрообработки 
кремния в последнем десятилетии был достигнут значительный 
прогресс в области микросистем. Микрообработка — это способ 
формирования микроскопических механических элементов на поверхности 
кремниевой подложки или в ее объеме. Таким способом 
изготовляются балки, мембраны, консоли, бороздки, отверстия, 
пружины, шестеренки, подвесы и т. д., которые могут использоваться 
для конкретных преобразователей в разных комбинациях. 
Объемная технология широко применяется при изготовлении 
микросистем, но в настоящее время она все больше заменяется 
поверхностной технологией, которая имеет неоспоримое 

преимущество, позволяющее на одной подложке объединять и 
микроэлектронные устройства, и микросистемы. Таким образом 
можно изготовлять микросистемы, имеющие в своем составе и источники 
питания, и специализированные схемы для обработки сигналов. 
Преимуществом такого подхода является также и то, что по 
одной технологии можно изготовить несколько разных устройств. 

1. ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ  
МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО КРЕМНИЯ 

В 1982 г. сотрудник компании IBM К. Петерсен опубликовал 
статью, в которой предложил использовать кремний в качестве 
конструкционного материала для изготовления различных подвижных 
механических элементов (зубчатые колеса, рейки, мембраны, 
мосты, консоли, пружины и т. п.) трехмерных механических 
структур. Разработанная ранее технология объемного жидкостного 
травления кремния, а также основные технологические 
процессы производства ИС позволили в итоге объединить электронную 
и механическую структуры на одной полупроводниковой 
подложке. В настоящее время кремний в качестве конструкционного 
материала по-прежнему занимает первое место и входит 
в состав более чем 60 % МЭМС. Причин этому несколько. Во-
первых, на поверхности кремния можно легко сформировать оксидную 
пленку, используемую в качестве маскирующего покрытия 
при фотолитографии. Во-вторых, свойствами кремния легко 
управлять с помощью легирования его примесными атомами. В-
третьих, кремний имеет достаточно высокие механическую прочность 
и теплопроводность. В-четвертых, кремний широко распространен 
в природе в виде соединений, хорошо обрабатывается и 
имеет невысокую стоимость. 
Монокристаллический кремний Si получают из поликристаллического, 
исходным сырьем для которого, в свою очередь, является 
кварц SiO2 (в свободном состоянии кремний в природе не 
встречается). Технология получения поликристаллического кремния  
включает в себя следующие основные операции. 
1. Восстановление SiO2 углеродом путем нагрева кварцевого 
песка и кокса до температуры 1500…1750 °С, в результате чего 

получается технический кремний, существенно загрязненный различными 
примесными атомами: 

SiO2 + 2С → Si + 2CO 

Степень загрязнения технического кремния примесями составляет 
1…2 %. Использовать такой кремний для изготовления 
каких-либо полупроводниковых приборов нельзя, требуется его 
очистка.  
2. Очистка от примесей кремния, находящегося в твердой фазе, 
является сложной задачей. Эту операцию проводят в два этапа. 
На первом этапе кремний переводят в какое-нибудь газообразное 
соединение и выполняют его очистку. В качестве газообразных 
соединений кремния используются SiCl4, SiHCl3, SiH4, SiI4 и др. 
 Примеры реакций: 

Si + 2Cl2 → SiCl4 

Si + 3HCl → SiHCl3 + H2 

Вторым этапом очистки является восстановление кремния из газообразного 
соединения и получение чистого кремния с содержанием 
примесных атомов на уровне 10–7…10–6 %.  
Примеры реакций: 

SiCl4 + 2H2 → Si + 4HCl 

SiH4 → Si + 2H2 

Из полученного таким способом поликристаллического кремния 
можно вырастить слиток монокристаллического кремния. Для 
этого наиболее широко используют метод Чохральского и метод 
бестигельной зонной плавки. 

1.1. ПОЛУЧЕНИЕ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ 
СЛИТКОВ КРЕМНИЯ МЕТОДОМ ЧОХРАЛЬСКОГО 

Упрощенная схема установки  для выращивания монокристаллических 
слитков кремния методом Чохральского представлена на 
рис. 1.1. Сущность этого метода заключается в следующем. Чистый, 

Рис. 1.1. Схема установки для получения
 монокристаллических слитков кремния
 методом Чохральского: 
1 — расплав кремния; 2 — монокристаллический 
слиток кремния; 3 — кристалл-
затравка; 4 — кварцевый тигель; 5 — вал 
затравки; 6  — вал тигля; 7 — водоохла-
ждаемый кожух 

свободный от дислокаций 
кристалл-затравка с кристаллографической 
ориентацией (
111) или (100) 
приводится в соприкосновение 
с поверхностью расплавленного 
монокристаллического 
кремния. Слой 
расплава кремния, находящийся 
в контакте с кристаллом-
затравкой, кристаллизуется, 
причем структура 
образующейся твердой фазы 
кремния полностью повторяет 
структуру кристалла-
затравки. Вращая кристалл-
затравку и одновременно 
перемещая ее вверх, можно 
вытянуть из расплава монокристаллический слиток кремния 
цилиндрической формы. Легирование слитка осуществляется путем 
добавления в расплав сильнолегированных гранул кремния. 
Удельное сопротивление слитков кремния, выращенных методом 
Чохральского, редко превышает значение 25 Ом⋅см вследствие 
загрязнения слитка неконтролируемыми примесными атомами (
в первую очередь кислородом). 
Метод Чохральского в настоящее время является основным в 
производстве кремниевых подложек для интегральных микросхем, 
поскольку с его помощью можно получать слитки большого 
диаметра и достаточно высокого качества. 
 
1.2. ПОЛУЧЕНИЕ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО КРЕМНИЯ 
МЕТОДОМ БЕСТИГЕЛЬНОЙ ЗОННОЙ ПЛАВКИ 
 
Метод бестигельной зонной плавки исключает контакт расплава 
кремния с тиглем, что позволяет получать монокристаллические 
слитки кремния значительно более чистые, чем выращенные 
методом Чохральского. Схема установки, в которой реализован 
метод бестигельной зонной плавки, представлена на рис. 1.2. 

Суть метода заключается в следующем. 
Отливка в форме стержня 
из поликристаллического кремния 
прикрепляется одним концом к кристаллу-
затравке с нужной кристаллографической 

ориентацией. 
Область 
контакта стержня с кристаллом-
затравкой разогревается до температуры 
плавления с помощью 
СВЧ-индуктора, после чего узкая 
зона 
расплава 
перемещается 
по 
стержню к противоположному концу, 
оставляя за собой монокристаллический 
кремний. Вследствие явления 
сегрегации примеси вместе с 
зоной расплава перемещается и значительная 
доля примесных атомов. 
Неоднократным перемещением зоны 
расплава по всему слитку можно 
добиться того, что большая часть примесных атомов будет скапливаться 
вблизи торцов слитка. Эти области отрезаются, и в результате 
получается монокристаллический слиток с малым содержанием примесных 
атомов. 
Метод имеет ряд недостатков. В частности, при его использовании 
может происходить значительная концентрация дислокаций, 
поскольку вокруг расплавленной зоны возникают механические 
напряжения. Есть проблемы выращивания слитков большого 
диаметра. Удельное сопротивление кристаллов, полученных методом 
бестигельной зонной плавки, может изменяться в широких 
пределах, достигая значения 200 Ом⋅см. При использовании вакуума 
можно вырастить кристаллы с очень высоким удельным сопротивлением — 
до 30 000 Ом⋅см. 

2. ТЕХНОЛОГИИ МИКРОМЕХАНИКИ 

На протяжении нескольких десятилетий развития микроси-
стемной техники разработано множество методов получения 

Рис. 1.2. Схема установки для 
получения монокристаллических 
слитков кремния методом 
бестигельной зонной плавки: 
1 — исходный  поликристаллический 
слиток кремния;  
2 — зона расплава; 
 3 — монокристаллический кремний; 
4 — кристалл-затравка;  
5 — держатель слитка 

трехмерных структур. Эти методы, по сути, дают возможность 
адаптировать к новым требованиям основные процессы изготовления 
ИС и тем самым создать три технологических направления: 
1) объемную микрообработку на основе глубинного объемного 
травления; 
2) поверхностную механику на основе процессов тотального 
нанесения и локального удаления слоев; 
3) обработку с высоким аспектным отношением. 

2.1. ФОРМИРОВАНИЕ ОКСИДНЫХ СЛОЕВ 
МЕТОДОМ ТЕРМИЧЕСКОГО ОКИСЛЕНИЯ 

Термическое окисление кремния — один из основных технологических 
приемов формирования диэлектрических слоев, пассивации 
поверхности для последующего избирательного травления 
подложки или создания маски для локального введения легирующих 
примесей при формировании p–n-переходов. Диоксид 
кремния обладает рядом уникальных свойств: высокие изоляционные 
свойства, удельное сопротивление 1014…1016 Ом·см, электрическая 
прочность 107 В/см, механическая прочность на сжатие 
2070 МПа;  высокая температура плавления 1600…1730 °C. 
Для формирования слоя диоксида кремния на поверхности 
кремниевой пластины ее помещают в печь, где нагревают до температуры 
850…1200  °C в присутствии окислителя  (чистого кислорода)  
или перегретого водяного пара (рис. 2.1). 

Окисление в среде, свободной от водяных паров, называют 
«сухим». Диоксид кремния, полученный таким способом, обладает 
хорошими диэлектрическими свойствами и высокой однород-

Рис. 2.1. Схема установки для термического окисления кремния 

ностью; однако  скорость роста его слоя очень маленькая. Для получения 
слоя диоксида кремния толщиной 100 нм длительность 
процесса окисления должна составлять примерно 10 ч при температуре 
900 °C. Если окисление проводится в атмосфере водяного 
пара, то такой процесс называется «влажным» окислением. Он 
позволяет достичь более высоких скоростей роста пленок 
(до 100 нм/ч), однако качество такого слоя будет ниже, чем при 
«сухом» окислении. 
Формирование слоя диоксида кремния происходит в результате 
протекания химической реакции между атомами кремния на 
поверхности подложки и атомами кислорода. 
Термическое окисление кремния может быть описано следующими 
химическими реакциями: 
 

Si (твердый) + O2 (газ)
850...1200
C

  SiO2 (твердый) 

Si (твердый) + 2H2O (пар)
850...1200
C

 SiO2 (твердый) + 2H2 (газ) 

Кинетика процесса роста пленки диоксида кремния может 
быть объяснена с использованием модели Дила — Гроува. Процесс 
окисления происходит на границе Si — SiO2, поэтому молекулы 
окислителя диффундируют через все предварительно сформированные 
слои окcида и лишь затем вступают в реакцию с 
кремнием на его границе: 

2
ox
Х
 + 
ox
AХ
= B(t + τ); 

A = 2D
1
1 ;
sk
h







 

B = 

1

2
;

A
DC
N
 

τ = 


2
,
i
i
AX
Х

B


 

где D — коэффициент диффузии при температуре t; СA — концентрация 
молекул окислителя в единице объема при Xox = 0; 

ks — постоянная скорости поверхностной реакции; h — коэффициент 
переноса; N1 — концентрация молекул окислителя в единице 
объема (N1 = 2,3 · 1022 см–3 для O2 и N1 = 4,6 · 1022 см–3 для H2O). 
По мере увеличения толщины оксида скорость роста пленки 
уменьшается, поскольку кислород должен диффундировать через 
растущую пленку, перед тем как вступить в реакцию с кремнием 
на поверхности пластины. Для тонких слоев скорость роста пленки 
практически постоянна, и зависимость толщины от времени 
носит почти линейный характер (
ox
Х
→Bt/A). 
Для толстых пленок коэффициент диффузии уменьшается, 
что приводит к отклонению от линейной зависимости скорости 
роста, и при больших толщинах вычисляется  как корень квадратный 
от длительности процесса окисления (Xох→(Bt)1/2). 
Кроме температуры и состава окислительной среды, на скорость 
роста слоя SiO2 влияет давление газа-окислителя. Повышение 
давления увеличивает концентрацию молекул окислителя, 
растворенных в приповерхностном слое и тем самым градиент 
концентрации молекул в слое SiO2, а значит, и скорость диффузии. 
Окисление при повышенном давлении водяного пара (ускоренное 
гидротермальное окисление) позволяет получать оксидные 
пленки толщиной 2…3 мкм. Недостатком метода является необходимость 
использования герметичных и высокопрочных реакторов 
вместо технологичных проточных систем. 
На скорость роста слоя SiO2 оказывает влияние кристаллографическая 
ориентация кремниевой пластины. Окисление на пластине 
с ориентацией (111) происходит  быстрее, чем на пластине с 
ориентацией (100). Влияние ориентации особенно заметно при 
относительно низких температурах. Так, при температуре 700 °С 
разность  скоростей окисления составляет 40 %, а при температуре 
1200 °С всего 2 %. Зависимость скорости окисления от кристаллографической 
ориентации объясняется тем, что различным 
кристаллографическим направлениям пластины соответствует 
разное количество связей Si – Si. 
Поскольку диоксид кремния и кремний обладают разными коэффициентами 
теплового расширения (0,4·10–6/К для диоксида 
кремния и 5,3·10–6/К для кремния), то при охлаждении пластины