Procese tehnologice pentru realizare senzori optici de micropozitionare

Procese tehnologice pentru realizare senzori optici de micropozitionare

Flux tehnologic de realizare structuri

S-a elaborat fluxul tehnologic de realizare structuri pe baza numeroaselor experimentari efectuate la aceasta faza.

Prezentam in continuare etapele fluxului tehnologic optimizat aplicat la realizarea fotodetectoarelor multielement de tip matrice patrata si liniara cu detalierea fiecarei etape pentru structuri realizate pe straturi epitaxiale de siliciu

Formarea lotului.

In cadrul acestei operatii se efectueaza inspectia vizuala, masurarea rezistivitatii si inscriptionarea fiecarei plachete. De asemenea, prin ultrasonare in apa deionizata, se indeparteaza resturile de siliciu rezultate prin inscriptionare.

Plachetele de siliciu folosite pentru experimentari sunt plachete epitaxiale de tip p/p⁺ cu orientarea < 100>, cu rezistivitatea stratului epitaxial ρ Ωcm si grosimea stratului epitaxial x=25-30µm, notate B1,B2,B3,B4,B5,B6,B7.

S-au format 2 loturi, in vederea obtinerii fotodiodelor PIN si fotodiodelor de tip MSM.

Pentru matricile de fotodiode PIN se vor folosi plachetele B4, B6, B7, iar pentru structurile MSM, plachetele B1,B2, B3, B5., de precizat este faptul ca se va folosi acelasi set de 3 masti, existand ambele tipuri de strucuri pe aceste masti.

2. Curatire chimica pentru oxidare

Curatirea chimica se realizeaza in solutie de H₂SO₄ +H₂O₂ in raport 3:1 la 150sC. timp de 5 min. si Dip 1:10, t=5sec.

Oxidare termica

S-a realizat la temperatura de 1100sC timp de 130 min. pe vapori barbotati, pentru a obtine o grosime de oxid in domeniul 4800-5000 Å.

S-a crescut un oxid termic, la temperatura de 1100sC cu grosimea de 1 µm, si un oxid TEOS, depus la temperatura de 720 sC, cu grosimea de 1,4 µm.

Fotogravura cu M2

Prin acest proces se realizeaza deschidere ferestre pentru aria activa a fotodiodelor. Procesul se realizeaza in 4 etape succesive:

- pentru placheta B4 se urmareste obtinerea unei pante in oxid

a) Etalare fotorezist AZ 5214E cu viteza spinner-ului de 3000rpm si o grosime de fotorezist de 1,62 µm/ tratament fotorezist la  90sC timp de 30 min.

b) Expunere la lumina UV, intensitatea lampii de expunere fiind de ~3,8 mW/cm² , cu masca M2 / tratament termic la temperatura de ~90 sC, timp de 30 minute/ developarea se realizeaza in developantul AZ400K:H₂O=3:1, timp de 3 minute/ tratamentul termic la temperatura de 90 sC, timp de 30 minute.

c) corodare umeda a oxidului in solutie de BHF, HF 50%:NH₄F40% (1:6) la 26sC. timpul de corodare a fost de 14 min.

d) indepartare fotorezist prin curatire in acetona.

Dupa corodare se constata ca  s-a format o panta a oxidului TEOS si termic utila la cuplarea ulterioara cu ghidul optic. Acest lucru este ilustrat in figura1. Se observa in aceeasi figura ca distantele dintre 2 ferestre este de ~20 m, distanta initiala fiind de 30 m.

Fig. 1.  Imagine SEM a matricei de fotodiode, dupa deschiderea ferestrelor in care va avea loc difuzia de fosfor

pentru plachetele B6 si B7

a)       indepartare oxid TEOS, in solutia BHF, timp de 3 min, rata de corodare a acestui oxid fiind de ~ 4 m/ min si din oxidul SiO2 se indeparteaza 5 m, in aceeasi solutie BHF, timp de 5 minute, rata de corodare a acestui oxid fiind de 1 m/ min.

b) curatire chimica in solutia Piranha, H2SO4: H2O2 =1:3/ spalare in apa deionizata

urmata de un tratament la temperatura de  ~100sC, timp de ~30 minute.

c)       Etalare fotorezistul pozitiv HPR 504 pe spinner, cu 2000 rpm / tratament la temperatura de 90 sC, timp de 30 minute.

d)       Expunerea la lumina UV, utilizand masca M2, cod Y052 / developarea are loc in developantul HPRD, timp de 30 sec. / tratament la temperature de 125sC, timp de 30 minute.

e)       Corodarea oxidului se realizeaza in solutia BHF (NH4F:HF=1:6), timp de 5 minute.

f)   Indepartarea fotorezistului se face in acetona.

In figura 2 se prezinta o imagine SEM a ferestrelor deschise in oxid pentru aceste plachete.

Figura 2 Imagine SEM a  matricei de fotodiode, dupa deschiderea ferestrelor in care va avea loc difuzia de fosfor

5. Difuzie  fosfor

a) curatire chimica pentru depunere fosfor, in H2SO4: H2O2 =1:

b) depunere fosfor si predifuzie la temperatura de 975 sC, timp de 10 secunde.

c) deglazurare

d) curatire difuzie fosfor in  H2SO4: H2O2 +DIP 15 sec.

c) difuzie fosfor la 1000 sC - adancimea de difuzie 1,4 μm

d) deglazurare in solutia DIP, formata din acid fluorhidric HF 5% si H2O2 95%.

6. Fotogravura cu M3 pentru deschidere ferestre de contact in oxidul rezultat la difuzie

Pentru plachetele B4 si B6 se foloseste masca de deschidere contacte MP, cod Y052.

a) curatire chimica folosind H2SO4: H2O2 =1:3 / tratament termic la temperatura de 150 sC, timp de 30 minute.

b) etalare fotorezist pozitiv HPR 504 cu o viteaza de 3000rot/min, grosime de ~2 m / tratament termic post-etalare la temperatura de 90 sC, timp de 30 minute.

c) expunerea UV / developare in developantul HPRD, timp de 30 secunde/ tratament termic la temperatura de 125 sC, timp de 30 minute.

d) corodarea oxidului in ferestrele de contact se realizeaza in aceasi solutie BHF (NH4F:HF=1:6), timp de 3 minute/indepartare fotorezist in acetona

7. Depunere aluminiu

Urmatoarea etapa o constitue depunerea de aluminiu si configurarea lui, in vederea obtinerii contactelor la suprafata difuzata, contactul la substrat realizandu-se prin intermediul suportului pe care se aseza plachetele in timpul efectuarii masuratorilor. In consecinta, se va depune aluminiu doar pe fata plachetelor.

a) curatire pentru depunere Al in Piranha (H2SO4: H2O2 =1:3), timp de 10 min si un tratament DIP, timp de 10 secunde.

b) depunere Al, 200nm.

8. Fotogravura cu masca M4 pentru configurare contacte de Al

a) etalare  fotorezist pozitiv HPR 504, cu viteza spinner-ului de 2500 rot/ min, o grosime de ~2,5 m / tratamentul post-etalare se realizeaza la temperatura de 90sC, timp de 30 minute.

b) expunere la lumina UV / developare in developantul pentru acest fotorezist, HPRD, timp de 30 secunde / tratament la temperatura de 110 sC, timp de 30 minute.

c) corodare Al in solutie Coral formata din H₃PO₄ : CH₃COOH 100% : HNO₃ 70% :H₂O (25,5:5:1:2) , incalzita la temperatura de 40 sC, timp de ~2 minute / indepartare fotorezist.

In figura 5 sunt reprezentate imagini realizate la microscopul optic , cu fotodiodele obtinute.

a) b)

Fig. 5. Imagine microscop optic: a) fotodiode PIN cu ferestrele de contact deschise in

SiO2, crescut termic, cu grosimea de 0,5 m (placheta B6), b) fotodiode PIN cu ferestrele de contact deschise in oxidul TEOS, grosime de 1,4 m si SiO2, grosime 1 m  (placheta B4)

11. Curatire pentru sinterizare

S-a realizat in H₂SO₄ 98% rece timp de 5 min.

12. Sinterizare

Acest proces s-a realizat la 450sC timp de 30 min. (N₂ - 3000cc/min : H₂ - 300cc/min).

2. Modelul experimental de fotodetector multielement

Acest flux tehnologic a fost experimentat si o imagine la microscopul optic a structurii realizate de fotodetector multielement cu 3x3 fotodiode  miniatura este prezentata in fig. 6.

Fig. 6 Imaginea  fotodetectorului cu 3x3 elemente active.

In etapa urmatoare se vor da rezultatele caracterizarilor optoelectrice pentru aceste tipuri de fotodetectoare multielement